第8章化工設(shè)備常用金屬與非金屬材料-青島科技大學(xué)機電工程

1、青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院裝控系 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)講稿 第8章第8章 化工設(shè)備常用金屬材料與非金屬材料本章重點要講解內(nèi)容：（1）掌握金屬的主要晶格結(jié)構(gòu)及其特點。（2）掌握壓力容器與化工設(shè)備常用金屬材料的種類、牌號及主要性能（3）熟悉金屬的腐蝕與防護。（4）了解金屬熱處理的種類及方法。第一節(jié) 材料的性能材料的性能主要有：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和加工性能等。1、力學(xué)性能該性能決定許用應(yīng)力，主要的指標如：強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。（1）強度 設(shè)備的強度指的是構(gòu)件抵抗外載荷而不破壞的能力。利如提升重物的鋼絲繩，不允許被重物拉斷。例如提升重物的鋼絲繩，不允許被重物拉斷。但在設(shè)計中，為了保證強度

2、而盲目的加大結(jié)構(gòu)尺寸是不合理的，因為會造成材料的極大浪費，增加運輸及安裝費用。常溫強度指標：，屈服強度和抗拉(壓)強度；蠕變極限n疲勞極限r(nóng) 。（2）硬度 局部抵抗能力，是彈性、強度與塑性的綜合性能指標。u 壓入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和維氏硬度(HV)；u 低碳鋼 b=0.36 HBu 高碳鋼 b=0.34 HBu 灰鑄鐵 b=0.1 HB（3）塑性 （在第二章中已經(jīng)詳細講過，在此讓學(xué)生復(fù)習(xí)一下）（4）沖擊韌性 沖擊韌度k，使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積。低溫容器所用鋼板k值不得低于30J/cm22、物理性能密度、熔點、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)

3、電性、磁性、彈性模量與泊松比等。3、化學(xué)性能u 耐腐蝕性 金屬和合金對周圍介質(zhì)侵蝕的抵抗能力；u 抗氧化性 高溫氧化，降低表面硬度和抗疲勞強度，選耐熱材料。4、加工工藝性能(1) 可鑄性：收縮與偏析；(2) 可鍛性；(3) 焊接性；(4) 可切削加工性。第二節(jié) 碳鋼與鑄鐵1、鐵碳合金“鐵碳合金”由95以上鐵和0.054碳及1左右雜質(zhì)元素所組成合金。一般含碳量0.022稱為鋼；大于2稱為鑄鐵；當含碳量小于0.02時稱純鐵(工業(yè)純鐵)；含碳量大于4.3的鑄鐵極脆。2、鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)（1）金屬的組織與結(jié)構(gòu)在金相顯微鏡下看到的金屬的晶粒，簡稱組織；電子顯微鏡觀察到金屬原子各種規(guī)則排列，稱為金屬的晶

4、體結(jié)構(gòu)，簡稱結(jié)構(gòu)；不同溫度下純鐵體心立方與面心立方晶格，體心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的強度高于前者。圖1 金屬的顯微結(jié)構(gòu) 圖2 晶格結(jié)構(gòu)鑄鐵一般碳以石墨形式存在，有不同的組織形貌。球墨鑄鐵強度最高；細片狀石墨次之；粗片狀石墨最差。圖3 石墨組織結(jié)構(gòu)示意圖（2）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變體心立方晶格的純鐵稱a-Fe，面心立方晶格的鐵稱為g-Fe。a-Fe加熱可變?yōu)間-Fe，反之高溫下的g-Fe冷卻可變?yōu)閍-Fe。在固態(tài)下晶體構(gòu)造隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在910恒溫下完成的。在固態(tài)下重新排列、結(jié)晶過程。是鋼進行熱處理的依據(jù)。（3）碳鋼的基本組織碳在鐵中的

5、存在形式有固溶體、化合物和混合物三種。 固溶體：兩種或兩種以上的元素在固態(tài)下互相溶解，而仍然保持溶劑晶格原來形式的物體這三種不同的存在形式，形成了不同的碳鋼組織。指得是碳原子擠到鐵的晶格中間去，而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)。u 鐵素體 碳溶解在a-Fe中形成固溶體稱鐵素體。-Fe原子間隙小，溶碳能力低（室溫下0.006），強度和硬度低，但塑性和韌性很好。低碳鋼是含鐵素體的鋼，具有軟而韌的性能。u 奧氏體 碳溶解在g-Fe鐵中形成固溶體稱奧氏體。-Fe原子間隙較大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，如在723時可溶解0.8，在1147時可達最大值2.06。奧氏體組織是在a-Fe發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生

6、的。由于奧氏體有較大溶解度，故塑性、韌性較好，且無磁性。u 滲碳體 碳和鐵形成一種化合物（Fe3C）稱滲碳體。熔點約1600，硬度高，塑性幾乎等于零。鐵碳合金含碳量小于2時，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是碳素鋼。含碳量大于2時，部分碳以石墨形式存在，稱鑄鐵?？估瓘姸群退苄远急忍间摰?。但鑄鐵具有一定消震能力。u 奧氏體 鐵素體與滲碳體的機械混合物。力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即其強度、硬度比鐵素體顯著提高；塑性、韌性比鐵素體差，但比滲碳體要好得多。u 萊氏體 珠光體和初次滲碳體的共晶混合物。具有較高的硬度，是一種較粗而硬的金相組織，存在于白口鑄鐵、高碳鋼中。 u 馬氏體 鋼和鐵從高溫急冷

7、下來的組織，是碳原子在a-Fe中過飽和的固溶體。具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，幾乎不能承受沖擊載荷。3、鐵碳合金平衡狀態(tài)圖為了把鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)與其化學(xué)成分和所處的溫度之間的關(guān)系清楚地反映出來，人們測制了Fe-Fe3C的狀態(tài)圖，從圖中可以很容易地確定某一碳含量的合金在指定溫度下的組織結(jié)構(gòu)。圖4鐵碳平衡狀態(tài)圖（見幻燈片）4、鋼的熱處理鋼、鐵固態(tài)下加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金相組織以滿足所要求的物理、化學(xué)與力學(xué)性能，稱為熱處理，生產(chǎn)中的熱處理操作主要有以下的幾種。u 退火與正火退火：緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻。目的：細化晶粒，提高力學(xué)性能；降低硬度、提高

8、塑性、便于冷加工；消除部分內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形。正火是置于空氣中冷卻。晶粒變細，韌性可顯著提高。鑄、鍛件切削加工前一般進行退火或正火。u 淬火與回火加熱至淬火溫度(臨界點以上3050)，并保溫一段時間，后投入淬火劑中冷卻。淬火后得到的組織是馬氏體。增加硬度、強度和耐磨性。淬火劑有空氣、油、水、鹽水，冷卻能力遞增。碳鋼在水和鹽水中淬火，合金鋼在油中淬火?；鼗鹗谴慊鸷筮M行的一種較低溫度的加熱與冷卻熱處理工藝。回火可以降低或消除零件淬火后的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。在150250范圍內(nèi)的回火稱“低溫回火”?；鼗瘃R氏體有較高的硬度和耐磨性，內(nèi)應(yīng)力和脆性有所降低。刃具、量具，要進行低溫回火處理。 中溫回火溫度是

9、300450。有一定的彈性和韌性，并有較高硬度。軸類、刀桿、軸套等進行中溫回火。高溫回火溫度為500680。綜合性能：強度、韌性、塑性等都較好，淬火加高溫回火習(xí)慣上稱為“調(diào)質(zhì)處理”。用于各種軸類零件、連桿、齒輪、受力螺栓等。u 效熱處理：材料經(jīng)固溶處理或冷塑變形后，在室溫或高于室溫條件下，其組織和性能隨時間而變化的過程。時效可進一步消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定零件尺寸，與回火作用相類似。u 表面淬火使零件表面層比心部具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，心部則具有一定韌性。u 化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮(氮化)、滲鉻、滲硅、滲鋁、氰化(碳與氮共滲)等。滲碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；滲鋁可提高耐熱、抗氧

10、化性；氮化與滲鉻的零件，表面比較硬，可顯著提高耐磨和耐腐蝕性；滲硅可提高耐酸性等。5、碳鋼常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響，硫、磷、錳、硅、氧、氮、氫等。（1）硫有害元素。FeS和 Fe形成低熔點(985)化合物。鋼材熱加工11501200，過早熔化而導(dǎo)致工件開裂，稱“熱脆”。高級優(yōu)質(zhì)鋼：S0.02%0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S0.03%0.045%；普通鋼：S0.055%0.7%以下。（2）磷（2）磷有害元素。雖能使強度、硬度增高，但塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時，使鋼材顯著變脆，稱“冷脆”。 使冷加工及焊接性變壞，高級優(yōu)質(zhì)鋼： P0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼： P0.04%；普通鋼： P0.085%

11、。（3）錳 脫氧劑。有益元素。MnS(1600)，部分消除硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力，與FeO成為MnO進入爐渣，改善鋼的品質(zhì)，特別是降低脆性，提高強度和硬度。在0.5%0.8%以下時，看成是常存雜質(zhì)。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含錳量是0.5%0.8%；高錳結(jié)構(gòu)鋼可達0.7%1.2%。（4）硅 脫氧劑。有益的元素。硅與FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使強度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量常在0.1%0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%，對鋼性能影響不大。（5）氧有害元素。在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行

12、脫氧，但不可能除盡。FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。 （6）氮長時間放置或在200300加熱氮以氮化物形式的析出，硬度、強度提高，塑性下降，發(fā)生時效。鋼液中加入Al、Ti或V進行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時效傾向。 （7）氫氫脆、白點等缺陷。變脆：氫化物變形小，白點：組織缺陷處擴散氫，時間長。6、碳鋼分類按用途：建筑及工程用鋼、結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼和特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼）；按含碳量：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按脫氧方式：鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼；按品質(zhì)：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼（1）普通碳素鋼Q235

13、-A，屈服強度數(shù)值（MPa）；質(zhì)量等級A，B，C，D。脫氧方法為F，b，Z，TZ?；毫θ萜饔娩撘话氵x用鎮(zhèn)靜鋼。 普通碳素鋼有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五個鋼種。（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼S0.03%0.045% ；P0.04%；08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。平均含碳量的萬分之幾。45號鋼中含碳量平均為0.45%(0.42%0.50%)。45Mn，錳含量較高的優(yōu)質(zhì)非合金鋼。優(yōu)質(zhì)低碳鋼（含C0.25%），如08、10、 15、20、25；塑性好，焊接性能好，殼體、接管。優(yōu)質(zhì)中碳鋼（含C量0.3%0.60%）,如30、35、40、45、50與55

14、； 45號鋼攪拌軸優(yōu)質(zhì)高碳鋼（含C0.6%），如60、65、70、80。60、65鋼主要用來制造彈簧，70、80鋼用來制造鋼絲繩等。（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼S0.02%0.03%； P0.025%，均0.03%。它的表示方法是在優(yōu)質(zhì)鋼號后面加一個A字，如20A。7、碳鋼的品種及規(guī)格品種：鋼板、鋼管、型鋼、鑄鋼和鍛鋼（1）鋼板（壓力容器用熱扎厚鋼板）4mm6mm厚度間隔為0.5mm6mm30mm厚度間隔為 lmm30mm60mm厚度間隔為2mm一般碳素鋼板材有 Q235-A、 Q235-A·F、08、10、15、20等。 （2）鋼管無縫鋼管和有縫鋼管。無縫鋼管有冷軋和熱軋。普通無縫鋼管常用材料

15、有10、15、20等。專門用途的無縫鋼管，如熱交換器用鋼管、石油裂化用無縫管、鍋爐用無縫管等。有縫管、水煤氣管，分鍍鋅(白鐵管)和不鍍鋅(黑鐵管)兩種。（3）型鋼有圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼（等邊與不等邊）、工字鋼和槽鋼。圓鋼與方鋼主要用來制造各類軸件；扁鋼常用作各種槳葉；角鋼、工字鋼及槽鋼可做各種設(shè)備的支架、塔盤支承及各種加強結(jié)構(gòu)。（4）鑄鋼和煅鋼鑄鋼用 ZG表示， ZG25、 ZG35等，用于制造各種承受重載荷的復(fù)雜零件，如泵殼、閥門、泵葉輪等。鍛鋼有08、10、15、50等牌號。石油化工容器用20、25等制作管板、法蘭、頂蓋等。8、鑄鐵 含碳量2%以上，含有 S、 P、 Si、 Mn等雜質(zhì)。

16、脆性材料，抗拉強度較低，但有良好鑄造性、耐磨性、減振性及切削加工性。在一些介質(zhì)(濃硫酸、醋酸、鹽溶液、有機溶劑等)中有相當好的耐腐蝕性能。鑄鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、耐蝕鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。第三節(jié) 合金鋼在碳鋼中添加適量的一種或多種合金元素，得到或改善某些性能。1、分類與編號按合金元素總含量分：（1）合金含量<5%，低合金鋼，（2）合金含量5%-10%，中合金鋼（3）合金含量>10%，高合金鋼按用途分：（1）合金結(jié)構(gòu)鋼 調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、表面硬化鋼；低碳馬氏體鋼、非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼 （2）合金工具鋼 （3）特殊性能鋼 2、合金元素對鋼的影響不銹鋼和耐熱鋼等2、合金中各元素的影響目前

17、常用的合金元素有：鉻(Cr)，錳(Mn)，鎳(Ni)，硅(Si)，硼(B)，鎢(W)，鉬(Mo)，釩(V)，鈦(Ti)和稀土元素(Re)等。 （1）鉻 提高耐腐蝕性能和抗氧化性能。含量達到13時，能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高，并增加鋼的熱強性。提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，但使塑性和韌性降低。（2）錳 提高強度和提高低溫沖擊韌性。（3）鎳 提高淬透性，有很高的強度，而又保持良好的塑性和韌性。提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性。鎳基合金具有更高的熱強性能。鎳被廣泛應(yīng)用于不銹耐酸鋼和耐熱鋼中。（4）硅 提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性及耐H2S等介質(zhì)的腐蝕性。硅含量增高會降低鋼的塑性和沖擊韌

18、性。 （5）鋁 強脫氧劑，顯著細化晶粒，提高沖擊韌性，降低冷脆性。提高抗氧化性和耐熱性，對抵抗H2S介質(zhì)腐蝕有良好作用。價格便宜，在耐熱鋼中常以它來代替鉻。 （6）鈦 強脫氧劑，可提高強度、細化晶粒，提高韌性，減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向。在不銹鋼中穩(wěn)定碳，防止晶間腐蝕，提高耐熱性。 （7）稀土元素 提高強度，改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。3、低合金可焊接鋼碳含量通常小于0.25%。有較高的屈服強度（3001000MPa）和屈強比（ss/sb=0.650.95），較好的冷熱加工性能、良好的焊接性能，較低的冷脆傾向以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。低合金高強度鋼按性能和用途分為：高強度

19、鋼、低溫鋼和耐蝕鋼。（1）高強度鋼350MPa強度級，典型牌號為16Mn；400MPa強度級，典型鋼號為14MnMoV；500MPa強度級，典型12MnNiCrMoVCu；用于船舶、車軸、壓力容器、鍋爐、輸送管線等的焊接結(jié)構(gòu)件。（2）低溫鋼 主要有09Mn2V(-70)、06MnNb(-90)（3）耐蝕鋼 10MnPNbRE鋼耐海洋大氣及海水腐蝕，12MnAlV鋼制造煉油廠耐高溫硫化氫設(shè)備。 大型化工容器16MnR，質(zhì)量比碳鋼輕 l/3；與碳鋼相比，用15MnV制造球形貯罐可節(jié)省鋼材約45%。根據(jù)容器的具體操作條件(溫度、壓力)和制造加工(卷板、焊接)要求選用。（4）專業(yè)用鋼鍋爐用鋼，壓力容器

20、用鋼、焊接氣瓶用鋼等。在鋼號后面分別加注 g、 R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。質(zhì)地均勻、雜質(zhì)含量低，能滿足某些力學(xué)性能的特殊檢驗項目要求。 （5）特殊性能鋼 主要有不銹鋼、耐熱鋼和高溫合金及低溫用鋼第四節(jié) 有色金屬1、鋁及其合金濃硝酸以及干氯化氫、氨氣中耐腐蝕，鹵素離子的鹽類、氫氟酸以及堿溶液都會破壞鋁表面的氧化膜。鋁不會產(chǎn)生火花，常用于制作含易揮發(fā)性介質(zhì)的容器；鋁不會使食物中毒，不沾污物品，不改變物品顏色，在食品工業(yè)中代替不銹鋼。鋁的導(dǎo)熱性能好，適合于作換熱設(shè)備，主要有變形鋁合金（工業(yè)純鋁和防銹鋁）和鑄造鋁合金2、銅及其合金（1）純銅（紫銅）低溫時可保持較高的塑性和沖擊

21、韌性，用于制作深冷設(shè)備和高壓設(shè)備墊片。耐稀硫酸、亞硫酸、稀的和中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸及其它非氧化性酸等介質(zhì)的腐蝕，對淡水、大氣、堿類溶液的耐蝕能力很好。不耐各種濃度的硝酸、氨和銨鹽溶液。變形純銅的牌號 Tl、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2等。T1、T2是高純度銅，用于制造電線，配制高純度合金。T3雜質(zhì)含量和含氧量比T1、T2高，主要用于一般材料，如墊片、鉚釘?shù)?。TU1、TU2為無氧銅，純度高，主要用作真空器件。TP1、TP2為磷脫氧銅，多以管材供應(yīng)，主要用于冷凝器、蒸發(fā)器、熱交換器的零件。（2）銅合金黃銅：銅與鋅的合金稱黃銅 白銅：鎳的質(zhì)量分數(shù)含量低于50%的銅鎳合金稱為簡單（普通）白銅，再加入錳、鐵、鋅或鋁等元素的白銅稱為復(fù)雜（特殊）白銅。 青銅：其它合金。銅與錫的合金稱為錫青銅；銅與鋁、硅、鉛、鈹、錳等組成的合金稱無錫青銅。（3）鈦及其合金