【大学课件】化工设备材料.ppt

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1、2 化工设备材料,2.1 材料的一般性能2.2 碳钢与铸铁 2.3 合金钢2.4 有色金属材料2.5 非金属材料2.6 化工设备的腐蚀及防腐措施2.7 化工设备材料选择 本章教学目的与意义,http:/,这就对设备的选材造成了复杂性。选材的一般要求 1、符合我国资源及供应情况 2、有足够的强度，一定的韧性、塑性和耐腐性 3、焊接性能良好 4、经济合算，保证使用寿命,引言,化工生产是多种多样的，其设备操作条件也是多种多样的：,http:/,2.1 材料的一般性能,2.1.1 物理性能 金属材料的物理性能有密度、熔点、比热、导热系数、热膨胀系数、导电性、弹性模量和泊松比等。,http:/,2.1.

2、1.1 导热系数,http:/,2.1.1.2 热膨胀系数,http:/,2.1.1.3 弹性模量,http:/,2.1.1.3 弹性模量,http:/,（1）弹性变形阶段(ob段）,A、虎克定律,http:/,B、泊松比,http:/,（2）屈服阶段（初塑变阶段，c段）,电子 自由 不自由跑动正离子 原子不动自由电子穿梭于动态正离子间，象一团电子云气把金属正离子牢固地束缚在一起，这种金属原子间的结合称为金属键。,“屈服”二字的由来？,A、（补充内容）金属键(金属键是一种动态平衡),http:/,B、杆内斜截面上的受力分析,当拉力F 增大，斜截面上的剪力 也增大。而 的作用是使晶体相邻晶面有相

3、互错动的趋势。一旦错动在金属学中称为滑移。,http:/,A、当F不大时，金属原子间的结合力抵抗了剪应力，错动只是趋势，此时只弹性变形。,B、当 时，错动发生了。此时滑移并没破坏金属键，所以滑移是有限的。易滑的滑完后就不再屈服了。,http:/,由于滑移是外力功的宏观表现，故此功不象弹性变形时那样全部转变成材料的变形能。故滑移后的晶面在外力除去后也不能滑回去了。,、外力功,思考题：为什么滑移之后的材料不能复原？,http:/,（3）强化阶段（cd段，弹塑变形阶段）,在屈服阶段，随着滑移的进行，金属的晶粒会出现变形、破碎，晶格会出现扭曲、破坏现象，这就改变了最大剪应力的角度加上金属键的作用，滑移

4、就被阻止了。要想再滑，就要增大外力，此即强化现象。,http:/,（4）颈缩阶段（bf阶段）,问答题：断裂后弹变将随内力消失而消失，它是怎样消失的呢？,当应力达 时，试件的直径会突然细，此即颈缩现象。此时金属键遭破坏。一旦颈缩，断裂就不可避免。故 又叫断裂极限。,http:/,是沿平行于ob的直线dg消失的。这说明弹性变形在恢复时也符合虎克定律。,http:/,2.1.2 力学性能,力学性能是指金属材料在外力作用下的表现出来的特性，如强度、硬度、弹性、塑性和韧性等。,http:/,2.1.2.1强度,（1）：不允许有微量变形（2）：允许有微量变形,http:/,2.1.2.2 硬度,http:

5、/,2.1.2.3 塑性,材料受力到了屈服点，就开始表现出塑性。表示了材料抗塑变的能力。而塑性的大小，即塑变的能力则用 或 表示。塑性是单位长度的材料所能提供的最大不可逆变形量。,http:/,2.1.2.4 弹性,1）定义：物体受力变形，除去外力后能自行复原的能力，即弹性是抗变形的能力。2）E值表示弹性大小，是材料属性，但随温度变化而变化。,http:/,2.1.2.5 韧性,冲击功：冲击韧性：,http:/,破坏过程：受击裂纹扩展断裂,1）定义：单位缺口截面所能承受的极限冲击功。或者说：韧性是材料在外加动载荷突击时的一种及时而迅速塑性变形的能力。,2）韧性高，塑性高，塑是韧的基础。但塑性高

6、，韧性不一定高。因静载下能缓慢塑变的材料不一定在动载下能迅速塑变。,http:/,2.1.3 化学性能,化学性能指材料在所处介质中的化学稳定性，主要指耐腐蚀性和抗氧化性。,金属的腐蚀现象很复杂。碳钢不耐稀硫酸，而耐浓硫酸；铅不耐浓硫酸，而耐稀硫酸；不锈钢不耐浓硝酸，而耐稀硝酸;,http:/,2.1.3.1电化学腐蚀,由于金属表面组织结构不均，左边一对电化学反应分别在金属表面的不同区域进行。,渗碳体电负性较小，内部得e表面放e。铁素体电负性较大，内部供e表面放Fe。,http:/,电化学腐蚀 指金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏。其特点是在腐蚀过程中有电流产生，且是点腐蚀。,两种相互

7、接触的不同金属浸在腐蚀性介质中，由于存在电位差，其中一种电位较负的金属往往会遭受腐蚀，这叫电偶腐蚀。防护的办法是垫绝缘片，叫“断桥”。,http:/,2.1.3.2 化学腐蚀,金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生化学作用所引起的腐蚀叫化学腐蚀。其特点是在腐蚀过程中无电流产生，且是面腐蚀。（有的能形成稳定的“钝化膜”）,问答题：电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别？,http:/,2.2 碳钢与铸铁,什么是钢？,钢和铸铁是由95%以上的铁和0.05-4%的碳以及1%左右的其他杂质元素所组成，因此，钢和铸铁又称“铁碳合金”。,一般来说:含碳量 2%的称为铸铁。,http:/,2.2.1 铁碳合金的组织结构

8、,2.2.1.1金属的组织与结构 晶胞：将代表原子振动中心的点用直线连接起来 形成一个空间格子，称为晶胞。,晶格：由晶胞在空间重复堆积而成的。,晶界：多晶体的晶粒与晶粒之间由于结晶 方 位不同而形成的交界称为晶界。,http:/,2.2.1.2 铁碳关系,http:/,1 固溶体：两种或两种以上元素在固态下互溶而 仍保持溶剂晶格原来形状的物体。2 铁素体：碳溶解在 中的固溶体。3 奥氏体：碳溶解在 中的固溶体。4 渗碳体：碳化铁5 珠光体：是 和 组成的共析混合物，含碳0.8%，含11%，又叫共析钢。6 莱氏体：是 和 的共晶混合物，又叫共晶白口铁。7 马氏体：碳在 中过饱和的固溶体。,htt

9、p:/,2.2.1.3铁碳平衡状态图,http:/,http:/,2.2.1.4纯铁的同素异构转变,纯铁相变点：910 C 高温 低温面心 体心无磁性 有磁性,问答题：纯铁有相变点，含碳的铁有吗？,铁、奥固溶体相变区：910727 C,http:/,晶体结构示意,http:/,http:/,思考题,铸铁含碳量高于钢，其强度为什么不如钢？,铸铁中的碳，除了溶入固溶体 及化合物 外，还存在游离石墨，而石墨很软，从而降低了强度。,http:/,2.2.2 钢的热处理,以消除钢的某些缺陷或改善某些性能为目的，将钢加热到一定温度并保持一段时间，然后以不同速度冷却的一种操作。,http:/,2.2.2.1

10、 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 这个曲线又叫C型线，是热处理的理论依据。,http:/,原子能扩散,因为铁已不能扩散，碳也扩不快，故碳开始过饱和。,原子都不能扩散。因含碳过饱的 存有相当内应力，体心立方晶格被扭曲，故强、硬度好，塑、韧性差，发脆。,http:/,2.2.2.2 钢的热处理,3）淬火：在冷介质中降温 目的：获得马氏体，提高硬度,http:/,4）回火：淬火后重新加热再冷却,http:/,思考题：为什么含碳量小于0.3%或大于0.6%的钢不能做调质钢？,5）调质：淬火后高温回火。,含碳量低于0.3%的钢淬不硬。含碳量高于0.6%的钢调不去内应力。,http:/,2.2.3 碳钢,2

11、.2.3.1常存杂质元素对钢材性能的影响1、硫的影响-热脆现象 硫以硫化铁的形态存在于钢中。硫化铁和铁形成低熔点化合物(985)，而钢材的热加工温度一般在1150-1200 以上，故当钢材热加工时，由于硫化铁化合物的过早熔化而导致工件开裂，称为热脆。,http:/,2、磷的影响-冷脆现象 磷虽能使钢材的强度、硬度增加，但引起塑性、冲击韧性显著降低，特别是在低温时，它使钢材显著变脆，称之为冷脆。使钢材的冷加工及焊接性变坏。,http:/,3、锰的影响 锰是有益元素，脱氧、耗硫(MnS,m.p.1600)。4、硅的影响 硅是有益元素，脱氧(SiO2)。5、氧的影响 氧是有害元素。以MnO、SiO2

12、、FeO、Al2O3的高熔点颗粒形式存在于钢中，破坏了钢体的连续性，降低了其韧性和疲劳强度。称为氧脆。,http:/,6、氮的影响时效(氮脆)现象 氮是有害元素。铁素体溶氮能力低，在加热到200 时，会发生氮化物的析出，使钢强度、硬度提高，塑性下降，在钢液中加入Al、Ti生成AlN、TiN可固氮，消除时效。,http:/,7、氢的影响白点(氢脆)现象 钢由高温奥氏体冷至低温时，氢原子来不及扩散到表面逸出，留在钢中一些缺陷处，由原子态氢变成分子态氢，局部产生几百大气压的压力，超过了钢的强度极限，而在此处形成白点裂纹源，这种很危险的现象叫“氢脆”。,http:/,2.2.3.2 钢的分类与编号,1

13、、按化学成分分类,http:/,合金钢又根据合金元素的种类分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。其中，各合金元素作用见下表：,http:/,2、按品质分类,http:/,1)普碳钢,1.GB700-88以屈服极限值区分普通钢为五种：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。,2.再按质量分四级：A不做冲击实验；B做冲击实验，V型缺口；C、D做焊接结构等更多质检。,3.又按脱氧方法不同分四种：F沸腾钢，冶炼过程中和弱脱氧剂Mn脱氧；Z镇静钢，加入强脱氧剂Al，脱氧完全；b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。,http:/,2)优质钢,1.以含碳量的万分之几编号，取两位数。2.若含锰量较高，钢号中将标有Mn元素

14、。例如：30Mn30代表平均含碳量为0.3%，标出Mn表示含锰量较高，达0.71.0%。,http:/,3)高级优质钢,1.在优质钢的末尾加“A”，例：30MnA。2.特种钢：g锅炉用钢；R容器用钢；Hp 气瓶用钢。例：20g、16MnR、20Hp。3.不锈钢：以含碳量的千分之几编号，取一位数。例：1Cr13、1Cr18Ni9、0Cr13。,http:/,思考题：不锈钢为什么含碳量都很低？,不锈钢是以其所含的 Cr 在氧化介质 形成氧化膜保护层而不锈。而 C 与 Cr 生成 消耗了 Cr。同时，沿晶界析出造成晶间腐蚀。,讨论：不锈钢为什么无磁性？（奥氏体不锈钢？）因合金元素太多，破坏了 的体心立方结构。,http:/,2.3 合金钢,一、分类与编号例：35CrMoA二、普通低合金钢1)普低钢按强度分类2)选钢材的依据三、特殊性能钢,http:/,2.4 有色金属材料2.5 非金属材料2.6 化工设备的腐蚀及防腐措施2.7 化工设备材料选择,http:/,