化工机械基础2-6

2019/8/111概述过程装备用材料的种类(1)金属材料黑色金属(如钢材)、有色金属(如铝、铜等)。(2)非金属材料如橡胶、石棉、塑料等。(3)复合材料如玻璃纤维增强塑料(FRP)。第二篇工程材料第六章过程装备材料2019/8/1126.1.1.1金属材料的主要性能(1)力学性能它是指材料在外力作用下表现出来的性能，一般有以下几个主要指标:6.1过程装备用金属材料6.1.1金属材料的基本知识2019/8/1131)机械强度它是指材料抵抗外力作用避免引起破坏的能力，它是过程装备设计与选材的主要依据之一，是材料的重要机械性能指标。反映材料强度高低的指标有:屈服极限(ReL或Rp0.2)、抗拉强度(Rm)，高温时需要考虑蠕变极限(蠕变极限σn：1万小时变形量1%)。交变载荷作用时则需要考虑疲劳极限(σ-1：以106-107次不被破坏的应力)。2019/8/1142)塑性塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力，通常用伸长率δ和断面收缩率Z表示。3)韧性韧性是指材料在断裂前吸收变形能量的能力。韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。评定材料韧性的指标通常以标准试样的冲击吸收功(AK)表示（使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积）。2019/8/1154)硬度硬度是指材料抵抗其它物体压入的能力，它是衡量材料软硬的判据。工程上常用的硬度指标为布氏硬度(HBS、HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV)等。硬度的大小说明材料的耐磨性及切削加工的可能性，通常材料硬度愈高，零件耐磨性愈好，但其切削加工性能较差。材料的硬度与强度之间存在近似的对应关系:材料的强度愈高，其硬度也高。2019/8/116(2)耐腐蚀性能它是指材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。对于均匀腐蚀，在过程设备设计中通常是采用普通钢材再留有一定的腐蚀裕量来解决的。对于有局部腐蚀的过程设备，则必须从选择相应的耐腐蚀材料及防护措施着手解决。2019/8/117(3)加工工艺性能金属材料的加工工艺性能是指保证加工质量的前提下，加工的难易程度。金属材料的主要加工工艺性能有：焊接性能、铸造性能、压力加工性能、机加工性能及热处理性能等。2019/8/118金属材料具有许多优良性能是和金属原子的聚集状态以及它的组织有关的。固态物质，根据其内部原子的聚集状态的不同分为晶体和非晶体两大类。所谓非晶体是其内部原子杂乱无章地不规则的堆积。晶体则是其内部原子有规则的排列，所有的固态金属都是晶体。6.1.1.2金属材料的晶体结构2019/8/119晶体是由许多金属原子(或离子)在空间按一定几何形式规则地紧密地排列而成。把每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，就这样得到一个空间格架，这种空间格架叫“晶格”，晶格的最小几何组成单元叫“晶胞”，如下图所示：(1)金属晶体结构的概念2019/8/1110各种金属晶格结构是不同的，常见的金属晶格结构如下图所示：2019/8/1111(2)金属材料具有不同的性能与其不同的晶体结构有关。例如，纯铁在910°C以下具有体心立方晶格结构，称为α-Fe；铁在910°C～1394°C为面心立方晶格结构，称为γ-Fe。这两种晶格结构的铁，其溶碳能力是不同的：碳溶解到α-Fe中形成的固溶体叫铁素体，其最大溶碳量不超过0.0218%；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体叫奥氏体，其最大溶碳量可达2.11%。这两种性质完全不同的组织形式在钢中的存在状态也直接影响着钢的性能。2019/8/11126.1.1.3铁碳合金相图铁碳合金相图是用图解的方法表示铁碳合金在极其缓慢的冷却速度下，合金的成分、组织和性能之间的关系及其变化规律，又称铁碳合金平衡图。铁碳合金相图是人们在长期的生产和科学实验中总结出来的，对于了解钢中组织结构变化和制定热处理工艺具有极为重要的意义。整个铁碳合金相图可以看成是由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC和FeC-C等各部分相图组成。然而，铁碳合金当含碳量超过5%时机械性能和工艺性能都差而没有实际应用价值，Fe3C的含碳量达到6.69%，故实际上普遍应用的铁碳合金相图是指Fe-Fe3C相图部分。2019/8/1113图简化的Fe-Fe3C相图2019/8/1114(1)铁碳合金相图中的基本相铁素体碳溶于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体，用F表示。由于铁素体中碳的溶解度很小，最大溶解度在727°C时为0.0218%，室温时溶碳量仅为0.0008%，因此，铁素体的强度和硬度低、塑性好，力学性能与纯铁相似。奥氏体碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，用A表示。由于奥氏体中碳的溶解度较大，在727°C时为0.77%，在1148°C时达到最大溶碳量2.11%，因此，奥氏体的强度和硬度不高，但塑性好，容易压力加工。2019/8/1115渗碳体铁和碳形成的化合物Fe3C称为渗碳体，其含碳量为6.69％。渗碳体的硬度很高，强度极低，脆性非常大，对铁碳合金的力学性能有很大影响。莱氏体当含碳量为4.30%的液态合金冷却到1148°C时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用Ld表示；在727°C以下，莱氏体中的奥氏体将发生共析转变，转变为珠光体，此时由珠光体和渗碳体所组成的莱氏体称为低温莱氏体，用Ld'表示。莱氏体中由于含有大量的渗碳体，其硬度高，但脆性很大。珠光体铁素体和渗碳体的共析混合物称为珠光体，用P表示。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。2019/8/1116(2)铁碳合金相图中的主要特性点和特性线S点——共析点：当铁碳合金的含碳量为0.77％，奥氏体在727°C时发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体的共析混合物，即为珠光体。ACD线——液相线：所有合金在此线以上是液相区，用符号L表示。合金冷却到此线开始结晶。AECF线——固相线：所有合金在此线以下均是固体状态。2019/8/1117ES线——Acm线：表示碳在奥氏体中的溶解度曲线，由于在1148°C时奥氏体中溶碳量最大可达2.11％，而在727°C时仅为0.77％。同时，它也是合金在冷却过程中从奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。GS线——A3线：表示合金在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体的开始线，或在加热时铁素体溶入奥氏体的终了线。PSK线——共析线：又称A1线，在此线上发生共析转变，其转变产物为珠光体。含碳量在0.0218％～6.69％的铁碳合金冷却到727°C时都有共析转变发生。2019/8/1118钢的机械性能不仅因其化学成分的不同而有很大的差异，另一方面，即使化学成分相同的钢材，当加热到一定的温度时，若采用不同的冷却方式，则钢材的机械性能也会有很大的差异，这是由钢材内部组织结构发生变化所引起的。将钢材通过适当的加热、保温和冷却过程，使钢材内部组织按照一定的规律变化，以获得预期的力学性能和加工性能，这种工艺过程就称为钢的热处理。6.1.1.4钢的热处理2019/8/1119常用的热处理方法:(1)退火；(2)正火；(3)淬火；(4)回火；(5)化学热处理。2019/8/11201)退火退火是把钢件放在炉中加热至一定温度，根据零件形状尺寸在该温度保温一定时间后，然后随炉以缓慢的冷却速度冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理工艺。钢经过退火处理后能达到消除内应力、强度和硬度下降而塑性、韧性提高的目的。根据钢的成分和热处理目的要求不同，退火可以分为完全退火、再结晶退火、低温退火三种热处理工艺。2019/8/11212)正火正火是将钢件加热到GS或ES线(图8-2)以上30°C～50°C，经适当保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火不同之处在于，正火时钢的冷却速度比退火时大，因此，所得组织更细，强度和硬度有所提高。正火处理具有减少钢件内应力、均匀组织和细化晶粒，为最终热处理做好组织准备等作用。另外，对于低碳钢也可以作为最终热处理，因为正火使其晶粒细化，并使碳化物分布更均匀，以获得优良的综合性能。2019/8/11223)淬火与回火所谓淬火，就是把钢件加热到临界温度GS或PSK线(图8-2)以上，使钢的组织成为单一的奥氏体，然后保温一定的时间后用油或水急速冷却的热处理工艺。由于冷却速度很大且温度很低，钢材组织中的碳原子无能力扩散被全部保留在铁素体中，形成一种硬度高、脆性大、塑性和韧性都很差且极不稳定的过饱和固溶体，称为马氏体。淬火的主要目的是获得马氏体。由于马氏体是一种不稳定的组织，因此，淬火后一定要进行回火。2019/8/1123所谓回火就是将经过淬火后的钢件重新加热到PSK线以下某一温度，以使其转变为较稳定的组织，提高钢的综合力学性能。在回火过程中，回火温度是决定回火后钢件机械能的主要因素。因此，常按回火温度的不同分为低温回火、中温回火、高温回火三种热处理工艺。通常在生产上将淬火加高温回火的热处理称为调质处理，它广泛应用于要求高强度、承受交变载荷或冲击载荷的工件(如过程机器中重要的轴等)。2019/8/11244)化学热处理化学热处理是将钢件置入特殊介质中加热和保温，使特殊介质中的一种或几种元素渗入钢件表面，改变其成分和组织，从而改变钢件表面性能的热处理工艺。它可以提高钢件的耐蚀性、耐磨性、抗氧化性、耐热性和抗疲劳性。化学热处理按照渗入的元素不同可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗铝、渗铬、渗硼、渗硫和多元共渗等多种表面处理方法。2019/8/1125钢材按其形状不同可分为若干类品种，过程装备制造中所用的常见钢材品种如表8-1所示，每一品种的钢材又有一系列不同的规格。6.1.2过程装备常用钢材6.1.2.1钢材的品种和规格钢材冶炼厂所生产的钢材品种和规格一般应符合国家标准的规定，用户可根据工程实际情况合理选用钢材品种和规格。2019/8/11262019/8/1127钢材的品种很多，钢材的分类比较复杂，而且各种标准不尽一致。为了便于生产、保管、选材和研究，我国常用的钢材分类有如下五种：6.1.2.2钢材的分类(1)根据钢材的化学成分，可分为碳素钢和合金钢两大类，其中碳素钢按含碳量的多少又分为低碳钢(含碳量≤0.25%)、中碳钢(含碳量在0.25%～0.60%之间)和高碳钢(含碳量＞0.60%)，合金钢按合金元素的总量又分为低合金钢(合金元素的总量在10%以下)和高合金钢(合金元素的总量大于10%)。2019/8/1128(2)根据钢材的品质，可分为普通钢(钢中所含有害杂质S≤0.050%、P≤0.045%)、优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.035%、P≤0.035%)、高级优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.025%、P≤0.025%)和特级优质钢(钢中所含有害杂质S≤0.015%、P≤0.025%)四类。(4)根据钢材的金相组织，按退火组织分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；按正火组织分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。(3)根据钢材的冶炼方法，按炉的种类分为平炉钢、转炉钢和电炉钢；按脱氧的程度分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。2019/8/1129(5)根据钢材的用途，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类，其中结构钢又分为建筑用钢、专门用钢(如锅炉和压力容器专用钢板等)和机械零件用钢。此外，还可根据GB/T13304《钢分类》将钢材进行分类：第一部分是按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类；第二部分是按主要质量等级和主要性能或使用特性进行再分类。2019/8/1130(1)碳素钢碳素钢是由铁和碳组成的铁碳合金，其含碳量为0.02%～2.11％，是各种工业生产中被广泛应用的一种金属材料。根据钢的质量等级，碳素钢可分为碳素结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，特别是焊接性能良好。虽然品质差一些，但仍能满足一般结构件的要求，且价格低廉，因而得以广泛应用，常热轧成钢板、型钢、钢筋等，用作低压螺栓、螺母、支架及要求不高的轴类零件等。6.1.2.3压力容器用钢压力容器用钢根据GB