第一章 化工设备常用材料及其选择(3)

第一章化工设备常用材料及其选择1.4碳钢和铸铁钢和铸铁统称为铁碳合金钢——含碳量为0.02％～2.0％铸铁——含碳量大于2.0％，含碳量大于4.3%，铸铁太脆，没有实用价值。纯铁——含碳量小于0.02％1.4.1铁碳合金的组织与结构1、金属的组织与结构晶体：原子按一定规律排列很整齐组织：金属的晶粒结构：金属原子的排列金属内部的组织和结构不同，金属材料的性能也不同。在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织金属原子的晶体结构不同温度下纯铁的晶体结构体心六方晶格面心六方晶格密排六方晶格1.4碳钢和铸铁体心立方晶格面心立方晶格铸铁一般碳以石墨形式存在，有不同的组织形貌。球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。1.4碳钢和铸铁1.4碳钢和铸铁2、纯铁的同素异构转变同素异构转变：在固态下晶体结构随温度发生变化的现象。910FeFe℃面心立方晶格910℃～1390℃塑性好体心立方晶格910℃以下强度好1.4碳钢和铸铁3、铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加，可获得适于工业上应用的各种优良性能。碳在铁中以固溶体、化合物和混合物的形式存在固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。铁碳固溶体：碳原子挤到铁的晶格中间去又不破坏铁所具有的晶格结构。铁原子碳原子1.4碳钢和铸铁1.4碳钢和铸铁（1）铁素体（F）：碳溶解在a-Fe中形成固溶体称为铁素体。含碳量：α-Fe原子间隙小，溶碳能力低（最大溶解度不超过0.02％，室温下溶解0.006％）力学性能：与纯铁相似，强度和硬度低，塑性和韧性很好。1.4碳钢和铸铁（2）奥氏体（A）：碳溶解在γ-Fe中形成固溶体称为奥氏体。含碳量：γ-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比α-Fe中大得多（727℃0.8％，1148℃2.11％）。力学性能：奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好。奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。纯铁的转换温度为910℃，碳钢的转换从727℃开始。1.4碳钢和铸铁（3）渗碳体（C）铁碳合金中的碳不能全部溶入α-Fe或γ-Fe中时，剩余的碳将和铁形成一种化合物（Fe3C），称为渗碳体。含碳量：最高达6.69%。力学性能：渗碳体的硬度极高，塑性几乎等于零。含碳量越高，钢中的渗碳体越多，钢的强度和硬度越高，但塑性和韧性越低。1.4碳钢和铸铁小结：常用碳钢（含碳量0.1%--0.5%）的组织结构常温：铁素体（F）+渗碳体（C）含碳量越高，渗碳体微粒越多，强度越高，塑性越低。高温：单一奥氏体（A）含碳量大于2%的碳钢渗碳体在一定条件下可以分解为铁和游离的碳，即铸铁。名称定义最大含碳量性能特点铁素体碳在α-Fe中的固溶体，体心立方晶格0.02%塑性韧性好，强度硬度低，常作基体奥氏体碳在γ-Fe中的固溶体，面心立方晶格2.11%高塑性，易变形，存在于高温常作锻压状态组织渗碳体铁与碳结合生成的新相，复杂晶格6.69%硬而脆，是钢中的强化相铁碳合金基本组织的性质及性能特点1.4碳钢和铸铁珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。渗碳体占12%，铁素体占88%。力学性能：介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。（4）珠光体1.4碳钢和铸铁莱氏体：珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。含碳量：4.3%力学性能：莱氏体具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。（5）莱氏体1.4碳钢和铸铁马氏体：钢和铁从高温急冷下来的组织，含有过饱和碳的α-Fe固溶体。力学性能：具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。（6）马氏体1.4碳钢和铸铁1.4.2铁碳合金状态图性质：描述铁碳合金内部组织、成分与温度关系的图形，显示不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律。纵坐标：表示温度横坐标：表示含碳量的质量百分数。1.4碳钢和铸铁1.4.2铁碳合金状态图1、碳钢在常温下的组织C2%钢---亚共析钢C0.77%共析钢C=0.77%过共析钢2%C0.77%。C2%铸铁---亚共晶白口铁4.3%C2%共晶白口铁C=4.3%过共晶白口铁6.69%C4.3%铁碳平衡状态图珠光体莱氏体珠光体+渗碳体珠光体+渗碳体渗碳体莱氏体+奥氏体+渗碳体渗碳体莱氏体+奥氏体+渗碳体奥氏体+铁素体奥氏体铁素体珠光体+铁素体液体液体+奥氏体T/℃90070014000.72.114.3ACDSEGPFK2、临界点及其意义1）主要点点温度含碳量（%）意义A1538℃0纯铁熔点E1148℃2.11碳在γ－Fe中的最大溶解度点G910℃0纯铁的同素异构转变点S727℃0.77共析点P727℃0.0218碳在α－Fe中的最大溶解度点1.4碳钢和铸铁2、主要线ACD------液相线AECF----固相线GS（A3）----F、A互相转变线ES（Acm）----碳在A中的溶解度曲PSK（A1）----共析转变线，冷却时奥氏体转变为珠光体，C＞0.02%。3、分析共析钢的组织变化-----室温组织为珠光体，呈片状。分析共析钢0.77%的组织变化：在1600℃时是液态，冷却到1点时，开始从液体中结晶出奥氏体，从1冷却到2点，液体全部结晶为奥氏体，此时合金全部由单一的奥氏体晶粒组成，继续冷却至S点时，奥氏体发生共析转变，析出珠光体，转变结束后，奥氏体全部转变为珠光体，温度继续下降，珠光体不再发生变化，所以共析钢在室温时的组织是珠光体，呈片状。1.4碳钢和铸铁含碳量对碳钢力学性能的影响：碳钢的组织主要取决于含碳量的多少。珠光体增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低；当网状渗碳体增加时，强度略有降低。见图1-13。1.4.3碳钢（自学）1、碳钢中杂质对性能的影响1）锰---强化铁素体的作用，有益元素。2）硅---溶于铁素体的硅，可提高强度、硬度，有益元素。3）硫---形成低熔点的化合物，具有热脆性。4）磷---塑性、韧性降低，产生冷脆性。5）氧---降低力学性能。6）氮---过量时产生“时效”现象。硬度、强度提高，塑性降低。7）氢---白点—裂纹源。1.4碳钢和铸铁1.4.4钢的热处理热处理：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。目的：改进钢的加工工艺性能，提高其使用性能，延长工件的使用寿命，节约成本。钢的性能钢材的组织结构钢材的化学成分钢材经历的加热和冷却过程1.4碳钢和铸铁热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗1.退火和正火退火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一种热处理工艺。退火目的：消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷加工、消除内应力、防止工件变形。内应力：组织应力：组织变化时，因组织的比容不同，所以体积会增大或减小，使未改变的组织受压而受力。焊接残余应力：正火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，置于空气中冷却。正火目的：细化晶粒，提高韧性，有比退火更高的强度与硬度。区别：正火的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的韧性可显著提高。铸件、锻件切削加工前一般进行退火或正火。结晶的过程：晶核的形成；晶核的长大冷却速度越快，产生的晶核越多，晶粒越细。晶界处原子排列不整齐，晶粒越细，晶界越多，增加了原子间相互移动时的阻力，机械性能越高。2.淬火和回火淬火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。组织：马氏体，可增加硬度、强度和耐磨性。淬火剂：空气、油、水、盐水，其冷却能力递增。一般碳钢在水和盐水中淬火，合金钢导热性能比碳钢差，一般在油中淬火。冷却速度对质量的影响：太快：引起变形和裂纹原因：热应力（内外温度不同）组织应力（从奥氏体转变为马氏体）太慢：达不到技术要求淬火后工件的缺陷：（1）工件内部很大的内应力，若不及时消除，钢在随后会变形甚至开裂；（2）淬火后获得高硬度，但也有极大的脆性，实际上不能应用；（3）某些零件不一定需要硬度，而是需要高强度、韧性。1.4碳钢和铸铁回火：把淬火后的钢件重新加热到一定温度，经保温烧透后再行冷却的一种热处理操作。回火目的：可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。回火分类：低温回火、中温回火、高温回火低温回火：在150℃～250℃范围内的回火。作用：不降低硬度消除内应力。刃具、量具，要进行低温回火处理。中温回火：300℃～450℃回火。作用：消除内应力降低硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。高温回火：500℃～680℃回火。作用：可以获得塑性、韧性和强度均较高的优良综合机械性能。调质钢：含碳量为0.3%-0.5%的钢上一内容下一内容回主目录返回低温回火：在150℃～250℃范围内的回火。作用：不降低硬度消除内应力。刃具、量具，要进行低温回火处理。中温回火：300℃～450℃回火。作用：消除内应力降低硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。高温回火：500℃～680℃回火。作用：可以获得塑性、韧性和强度均较高的优良综合机械性能。调质处理：淬火后的高温回火。作用：可提高钢材的综合机械性能，广泛用于各种重要零件中。调质钢：含碳量为0.3%-0.5%的钢3.化学热处理化学热处理：把钢放在一定介质中加热到一定温度，使介质原子渗入钢内改变钢表面层化学成分和组织结构，从而获得某些特殊性能。种类：渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。渗碳、氰化：可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝：提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬：零件表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅：提高耐酸性等