化工机械基础2-6.ppt

概述Ø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 Date16.1.1.1 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 6.1 过程装备用金属材料过程装备用金属材料6.1.1 6.1.1 金属材料的基本知识金属材料的基本知识Date21)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)Date32)塑性Ø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 Ø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） Date44)硬度Ø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 Ø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Ø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 Date5(2)耐腐蚀性能Ø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Ø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 Ø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 Date6(3)加工工艺性能Ø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Ø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 Date7Ø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 Ø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。

Ø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 6.1.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 Date8Ø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Ø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)(1)金属晶体结构的概念金属晶体结构的概念 Date9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：Date10(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 Date116.1.1.3 铁碳合金相图 Ø 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。

Ø 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 Ø 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 Date12图 简化的Fe-Fe3C相图 Date13(1)铁碳合金相图中的基本相 Ø 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 Ø 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 Date14Ø 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 Ø 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 Ø 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 Date15(2)铁碳合金相图中的主要特性点和特性线 Ø 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 Ø 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 Ø AECF线——固相线：所有合金在此线以下均是固 体状态 Date16Ø 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 。

Ø 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 Ø 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 Date17Ø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Ø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 6.1.1.4 钢的热处理钢的热处理Date18Ø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 Date191)退火Ø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Ø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。

Ø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 Date202)正火Ø 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 Ø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 Date213)淬火与回火Ø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 Ø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 Date22Ø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。

Ø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Ø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) Date234)化学热处理Ø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Ø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 Date24Ø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 6.1.2 过程装备常用钢材过程装备常用钢材 6.1.2.1 6.1.2.1 钢材的品种和规格钢材的品种和规格 Ø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 Date25Date26Ø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 6.1.2.2 钢材的分类钢材的分类 (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%) Date27(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 Date28(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。