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1、化工设备机械基础,第一章 化工设备材料及其选择第二讲,3.硬度,定义：材料抵抗其它更硬物压入表面的能力,常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头压入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。,根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,3.1 布氏硬度HB（始于1900年，历史悠久）,试验中，如果材料布氏硬度小于450，采用钢球压头，用HBS表示；如果材料布氏硬度大于450且小于650，则采用硬质合金球压头，布氏硬度用HBW表示。如果硬度大于650 HBW，测量结果不准确，需改用洛氏硬度。,布氏硬度的特点
2、,因为其压痕面积大，能反映材料的综合性能指标，因而代表性全面；试验数据稳定；比较准确，用途很广；试验数据可以从小达到统一起来（用大球与小球测得的数据具有可比性）。,优点,缺点,钢球本身变形问题；因压痕大，可能使薄件材料受到破坏，因此不宜用于薄件试验。,硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的一个综合性能指标。一般来说，硬度高强度也高，耐磨性较好。大部分金属硬度与强度之间有一定的关系，因而可用硬度近似地估计拉伸强度：对于碳钢：当HBS小于等于140时，对于碳钢及低合金钢，,3.2 洛氏硬度HR（始于1919年）,优点：,缺点：不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来。
3、,不存在压头变形问题（两种压头适用于不同的材料）；压痕小，不伤工件表面；操作迅速，效率高。,压头分为两种：,硬质压头：顶角为120o的金刚石圆锥体，适用于钢材；软质压头：直径为1.5875mm、3.175mm的钢球，适用于有色金属。,3.3 维氏硬度HV（始于1925年）,原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四方角锥体，由金刚石制成；,优点：,因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以任意选择（最大优点）；通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度值完全相等；试验数据可以从小到大统一起来；精度极高。,缺点：效率较低。,其中：d为压痕对角线长度,4.韧性,
4、定义：表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能 量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。,承受动载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性承受静载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性,4.1 冲击韧性,图1-1冲击试样的安放1-摆锤2-试样3-机座,图1-2 冲击试验原理1-摆锤2-试样,缺口形状,试样的缺口应背向摆锤刀口；缺口形状：梅氏、夏氏；,韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的及时和迅速塑性变形的能力；韧性高，塑性较好；但塑性好，韧性不一定高。,韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。,问题,判断正误并说出理由,注意！韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较
5、高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载菏下能够缓慢塑性变形的材料在动载荷下不一定能迅速塑性变形。,4.2 缺口敏感性,定义：指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。,物理学性能,相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。,1、线膨胀系数,热膨胀性,不同钢种的焊接，要考虑到它们的线膨胀系数是否接近，以避免因膨胀量不等而使构件变形或损坏。有些设备的衬里及组合件，应注意材料的线性膨胀系数要和基体材料相同或相近，以防止受热后因膨胀量不同而松动或破坏。,2、弹性模量E材料在弹性范围内，应力和应变成正比
6、，即E，这个比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹性变形的应力也越？。对同一种材料，弹性模数E随温度的升高而越？。,3.泊桑比,泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，即0.3。,对于各种钢材，泊桑比近乎于一个常数，=0.3,耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。2、抗氧化性 在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅
7、炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。,化学性能,金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时必须考虑的因素。良好的冷加工性能（冷卷、冷冲压、冷锻、冷挤压及机械切削）良好的热加工性能（热卷、热冲压、铸造、热锻、焊接及热处理）,加工工艺性能,金属材料的分类及牌号,一、分类,1、金属的分类,铸造生铁,金属,黑色金属,有色金属,生铁,钢,炼钢生铁,合金生铁,铜及其合金,轻金属及其合金,其它有色及其合金,纯铜（紫铜）,铜锌合金（黄铜）,铜锡合金（锡青铜）,无锡合金（铝青铜等）,铝及铝合
8、金,钛及钛合金,镁及镁合金,铅、锡及其合金,锌及其合金,镍、钴及其合金,2、钢的分类,二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）,2.1 牌号表示方法,2.2 钢号表示方法,1、碳素结构钢：,1）普通碳素结构钢（GB700-88）代表钢材屈服点的字母 屈服点的数值 材料质量等级符号 脱氧方法符号，常用Q235B，Q235C，Q235AF2）优质碳素结构钢（GB711-88）较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。常用10、15、20g、20R和20等。,2、（低）合金（高强度）钢,3、特殊性能钢,主要指不锈耐酸钢铬不锈钢，如1Cr13铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9节镍不锈钢,碳钢与
9、铸铁,碳钢和铸铁都是由95%以上的铁和0.05-4%的碳及1%左右的杂质元素组成的，因此又称为“铁碳合金”；,实际上，金属强度远远低于由金属离子键能计算出来的理论强度，为什么？晶界处的机械性能比晶粒差，为什么？,由于晶体往往存在晶体缺陷；晶界处于案子排列不整齐。,1.铁碳合金的组织结构,1.1 金属的晶体结构,同素异构转变是固态铁原子重新排列的过程，也是一种结晶过程；居里温度：金属由有磁性变为无磁性的温度。,1.3 纯铁的同素异构转变,(1).碳溶解在铁的晶格中形成固溶体,1.4 铁碳合金的基本组织,铁素体：碳溶解在-Fe 中形成的固溶体。0.006%强度硬度低、韧性塑性好。奥氏体：碳溶解在-
10、Fe 中形成的固溶体。最多2.06%强度硬度高，韧性好，塑性低，无磁性。只有在t723 时，奥氏体才存在。马氏体：钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体。硬度高、但很脆，不稳定。,(2).碳与铁形成化合物渗碳体Fe3C,又脆又硬，熔点高。当碳含量大于2%时，部分碳以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。渗碳体在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以石墨的形式存在的，对强度影响极大。,(3).碳与铁形成混合物,珠光体：铁素体(88%)和渗碳体(12%)组成，平均含碳量为0.8%。性能介于铁素体与渗碳体之间。莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的组织。,1.5 铁碳合金状态图,(亚共
11、析钢),(过共析钢),铁的熔点,-Fe,-Fe,共晶白口铁,含碳量（百分含量）,1.6 碳含量对碳钢机械性能的影响,对碳钢性能有利的元素,2.杂质元素对碳钢性能的影响,锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用；硅(Si)：有利于脱氧；绝大多数金属元素：如钛、铬、镍等。,对碳钢性能有害的元素,硫(S)：热脆性；磷(P)：冷脆性；氧(O)：降低钢的机械性能；氮(N)：时效现象，使钢的塑性降低；氢(H)：氢腐蚀。,一般而言，金属元素的存在有利，非金属元素存在不利。,退火与正火,3.钢的热处理,退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来。正火：将加热后的工件从
12、炉中取出，置于空气中冷却。退火与正火：可降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。正火烧出来的粒子更细。,钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式。以改变其组织，满足不同要求的物理、化学和机械性能。,淬火与回火,淬火：将钢加热到淬火温度临界点以上3050，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。可提高硬度、强度和耐磨性。回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。可降低或消除淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。,4.铸铁,低合金钢 如15MnTi锅炉钢 如20g容器钢 如20R不锈耐酸钢：如0
13、Cr13、1Cr18Ni9耐热钢 如Cr25Ti、12CrMo耐低温钢 如15Mn26Al4,特种钢、有色金属、非金属材料,1.特种钢,铝及其合金：其钝化性可用来制造浓硫酸设备；铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、紫铜；铅及其合金钛及其合金：还可用于航空与医疗,2.有色金属,热塑性材料与热固性材料PVCPE：HDPE、LDPEPMMAPTFE,3.非金属材料,据报道，由于腐蚀每年报废的金属设备与材料约相当于金属年产量的三分之一；钢材价格日益上扬：目前Q235A的价格为3700元/吨。在化学工业中，由于设备腐蚀而造成的生产事故也时有发生。,化工设备腐蚀与防腐,1.金属腐蚀的评定方法,一般只应用于均匀腐
14、蚀。,(1).根据重量变化来评定金属的腐蚀,(2).根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀,金属与介质之间单纯由化学变化所引起的腐蚀(无电流产生)。钝化作用活化作用,2.金属腐蚀的分类,2.1 化学腐蚀,2.1.1 金属的高温氧化及脱碳,防止办法：可添加适量的合金元素如铬、硅、铝等。,2.1.2 氢腐蚀,在较低的温度和压力下，氢气一般对普通碳钢不会有明显的腐蚀，但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显著下降；在合成氨工业中，就需要特别注意氢腐蚀现象的发生；,氢腐蚀分为两个阶段：,氢脆阶段：氢气直接被钢材吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解在铁素体中形成固溶体，此时并未发生化学变化，但是钢材显著变
15、脆，塑性减少。氢侵蚀阶段：这时氢气与渗碳体发生化学反应,这一化学反应常发生在晶界处，生成的甲烷气聚集在晶界原有的微观孔隙中，形成局部高压，引起应力集中，使晶界变宽，发生更大的裂纹，或在钢材表层夹杂等缺陷中形成鼓泡，使机械性能降低。,防止办法：,降低钢中的碳含量，使其没有渗碳体的析出；添加合金元素，如铬、钛、钼、钨、钒等，形成稳定的碳化物,2.2 电化学腐蚀,电化学腐蚀：有电流产生；电化学腐蚀发生的三个必要条件,阳极过程阴极过程电子流动,3.金属腐蚀破坏的形式,两种相互接触的不同金属浸在腐蚀介质中，由于存在电位差，其中电位较低的金属往往会受到腐蚀；防止办法：可将处于腐蚀介质中的不同金属连接用绝缘
16、材料隔开。,4.几种特殊的腐蚀形式,(1).电偶腐蚀(双金属腐蚀),避免电偶腐蚀的例子,金属在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的破裂;这里所说的拉应力,其来源可以是残余内应力、也可以是构件在使用过程中所承受的各种应力；压应力不会产生应力腐蚀；使材料发生应力腐蚀的介质不是一般的介质，而是特定的介质。,(2).应力腐蚀,防止应力腐蚀的办法：合理选材、控制应力、减弱介质的浸蚀性、消除残余应力，避免应力集中。,金属部件在介质中，如若金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞留状态，从而引起缝内金属的加速腐蚀。几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀，只是对腐蚀的敏感性有所不同
17、，不锈钢的敏感性比碳钢高；几乎所有的介质都可能产生缝隙腐蚀，其中以充气的含活性阴离子(如氯离子)的中性介质最易发生;,(3).缝隙腐蚀,应尽量避免形成缝隙,采用焊接比螺栓连接好；罐体不要直接置于多孔性基底上，应加支架或支座；设计的容器要能使液体能完全排净；避免锐角和静滞区。法兰连接垫片尽可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。,防止缝隙腐蚀的方法:,在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔，这些小孔有的孤立存在，有些则紧凑在一起，看上去像一片粗糙的表面，这种腐蚀形态称为点腐蚀；破坏性大，而且不易发现；易钝化的金属与合金如铝、钛合金，在含有氯离子的介质中很容易发生点腐蚀；点腐蚀通常发生在静滞的液体
18、中，提高流速会减轻点腐蚀，如打海水的水泵如连续运转使用很好，但一旦停止使用一段时间，就会发生点腐蚀；防止办法：同缝隙腐蚀。,(4).点腐蚀,腐蚀沿着晶界和它邻近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀却很轻微，这种腐蚀称为晶间腐蚀；晶间腐蚀会使晶粒间的结合力大大削弱，严重时使机械性能完全丧失，如遭受晶间腐蚀的不锈钢，表面看起来完好无损，一敲则成碎粒；防止办法：在不锈钢中加入钛、铌；采用超低碳不锈钢，如00Cr18Ni19。,(5).晶间腐蚀,同时存在着腐蚀和机械磨损，两者互相加速的腐蚀称为磨损腐蚀；如：运动的螺旋桨可使液体蒸汽压降低，从而使液体蒸发成气泡，当到一定程度时，气泡破裂的冲击波(可达140M
19、Pa)使金属表面的保护膜受到破坏，加剧了腐蚀。,(6).磨损腐蚀,用耐腐蚀性更强的金属或合金包覆在设备表面；用非金属(如瓷砖、有机物)保护层。,5.金属设备的防腐措施,衬覆保护层,电化学保护,阴极保护,阳极保护,在被保护金属设备上连接一个更负的电极(强阳极)，促使阴极极化(牺牲阳极保护)；将被保护的金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护；,被保护金属设备接阳极，形成钝化作用；只有当金属在介质中能钝化时才能应用，技术复杂，用得不多。,添加缓蚀剂,机械性能满足要求；材料不受或很难被介质腐蚀；所用材料应能满足介质温度的要求；来源方便，经济合算；其他方面的要求；,化工设备选材的原则,第一章 完,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
