6化工设备常用材料

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4硅
脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣 而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度 增加，塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%， 沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对 钢性能影响不大。
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（4）珠光体（Pearite）
铁素体与渗碳体的机械混合物 (F＋Fe3C ) 用符号P表示 。
力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合 了铁素体和渗碳体优点，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。其组织为层片状结构，其综 合力学性能好。
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3、表面淬火
使零件表面层比心部具有更高的强度 、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具 有一定的韧性。
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4、化学热处理
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； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提 高耐磨和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。
正火和退火主要有四个区别：
(1)正火的温度较高,退火的温度较低. (2)正火的冷却速度比退火的冷却速度快. (3)使用效果不同，在渗碳处理以后，正火能消除网状渗碳 体，退火则不能.对含碳量在0.25%以下的， 正火后可提高 硬度，改善切削加工性能，退火却做不到。 (4)正火的周期短，操作方便；退火的周期长，操作较麻烦( 指需要控制一定的冷却速度)。
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3、碳钢的基本组织
C在铁中的存在形式有固溶体、化合物和 混合物三种。 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。
三种不同的存在形式，形成了不同的碳 钢组织。
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组元：纯铁、 Fe3C
符号 表示
固相 相
固溶 体
金属 化合 物
铁素体 奥氏体 渗碳体
•(5) 热膨胀性
• 金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。
•(6) 磁性
• 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁 磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、 顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁 性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料) 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。 抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材 料。
5氧
有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、 铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。
常温强度指标：
屈服强度和抗拉(压)强度 屈强比适当 蠕变极限σn 疲劳极限σr , r= σmin/ σmax ,应力循环系数或应力比，如σ-1,以 106-107次不被破坏的应力
（r—循环特性）
补充:静应力与变应力 稳定变应力——周期、应力幅和平均应力都
不随时间变化的变应力
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• 1、强度：是指材料抵抗外加载荷而 不致失效破坏的能力
• 按所抵抗外作用形式分为：
•
抵抗恒定外力——静强度
•
抵抗冲击外力——冲击强度
•
抵抗交变外力——疲劳强度
• 按环境温度分为：
•
常温下抵抗外力——常温强度
•
高温下抵抗外力——高温强度
•
低温下抵抗外力——低温强度
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6化工设备常用材料
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第六章 化工设备材料
•第一节 概 述
• 根据物料与适宜工作条件选材
• 物料腐蚀性：铸铁抗硫化氢 • 压力与温度 • 蠕变、氢腐蚀、低温脆性等
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材料的性能：
力学性能、物理性能、化学性能和机 加工性能
• 一、力学性能——决定许用应力 • 强度、硬度、弹性、塑性、韧性等
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2、淬火和回火
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。
淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强 度和耐磨性。
淬火剂：空气、油、水、盐水，冷却能力递增 。
碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。
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回火是淬火后进行的一种较低温度的加热 与冷却热处理工艺。
• 球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之； 粗片状石墨最差。
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2、纯铁的同素异构转变
体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方 晶格的铁称为g-Fe。
a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe 冷却可变为a-Fe。
在固态下晶体构造随温度发生变化的 现象，称“同素异构转变”。
纯铁的同素异构转变是在910℃恒温下 完成的。在固态下重新排列、结晶过程是钢 进行热处理的依据。
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4、冲击韧性
冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸收
的能除以试件的截面面积
低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm2
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二、物理性能
密度、熔点、比热容、热导率、线膨 胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松 比等。
•(1) 密度
• 单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的 零件，均采用密度小的铝合金制造。
第二节 碳钢与铸铁
“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳 及1％左右杂质元素所组成合金
一般含C量（质量分数）0.02％～2％称为钢 ；
大于2％称为铸铁； 当含C量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)； 含C量大于4.3％的铸铁极脆
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一、铁碳合金的组织结构
1、金属的组 织与结构
回火可以降低或消除零件淬火后的内 应力，提高韧性。
在150℃～250℃范围内的回火称“低温 回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性 ，内应力和脆性有所降低。刃具、量具， 要进行低温回火处理。
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中温回火温度是300℃～450℃。 有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。
，保温一段时间，然后随炉或埋入沙中缓慢冷却下来， 以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。
•退火的功能是：退火可消除冷作硬化，恢复材料的良 好塑性；细化铸焊工件的粗大晶粒，改善工件的机械性 能；消除残余应力，防止工件变形；可使高碳钢中的网 状渗碳体球化，降低材料硬度，提高塑性，便于切削加 工。
•（2）正火：正火与退火的不同之处是在空气中冷却，冷 却速度较快。经过正火处理的工件较退火处理硬度和强度 要高。
液相
F A Fe3C L
概念
碳溶于α－Fe中 的间隙固溶体
碳溶于γ－Fe中 的间隙固溶体
具有复杂晶格的 间隙化合物
性能
具有良好的塑性和韧性 ，但强度硬度不高
与溶碳量和晶粒大小有 关，硬度较低而塑性较 高，易于锻压成形
硬度很高而塑性和韧性 几乎为零，脆性极大
•基本组织： 单相组织： F、A、 Fe3C 莱氏体Ld：（A＋ Fe3C ）在共晶点上得到，塑性韧性很差，是硬而脆的组织 珠光体P：（ F＋ Fe3C ）在共析点上得到，具有良好的力学性能
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第三节 碳素钢
一、常存杂质元素对钢材性能的影响
硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等
1硫
有害元素。FeS和 Fe形成低熔点(985℃) 化合物。钢材热加工1150～1200℃，过早熔化
而导致工件开裂，称“热脆”。
高级优质钢：S＜0.02%～0.03%； 优质钢：S＜0.03%～0.045%； 普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。
•(2) 熔点
• 熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度 。熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。
•(3) 导热性
•
金属传导热量的能力称为导热性。一般说
，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器
、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金
属。
•(4) 导电性
• 金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好 。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和 铝合金作电热元件。
得多，如在723℃时可溶解0.8％，在1147℃ 时可达最大值2.06％。
奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时 产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑
性、韧性较好，且无磁性。
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（3）渗碳体（Cementite）
碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。 熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。 铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素 体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含C量大于2％时，部分C以石墨形式存在，称 铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有 一定消震能力。
具有很高的硬度，但很脆，延伸性低， 几乎不能承受冲击载荷。
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二 、 铁 碳 合 金 状 态 图
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•按组织不同： • 含C量<0.77%——亚共析钢。 • 含C量>0.77%——过共析钢 • 含C量=0.77%——共析钢
•钢在加热时形成单一的奥氏体组织。
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2、硬度
局部抵抗能力 弹性、强度与塑性的综合性能指标 硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、 HRB)和维氏硬度(HV) 低碳钢 σb=0.36 HB 高碳钢 σb=0.34 HB 灰铸铁 σb=0.1 HB
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3、塑性
延伸率 δ • 断面收缩率 ψ • 化工设备材料一般要求δ5=10%-20%
在金相显微 镜下看到的金 属的晶粒，简 称组织
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电子显微镜观察到金属原子各种规则排列， 称为金属的晶体结构，简称结构
不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格
• 体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好， 而后者的强度高于前者。
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铸铁中的C以石墨形式存在，有不同的组织形貌 。
（5）莱氏体（Ledeburite）
❖ 莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用 符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的 奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬度很高，塑 性极差，几乎为零 。是一种较粗而硬的金相组织 ，存在于白口铸铁、高碳钢中。
•2020/10/3
（6）马氏体（白色）
钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原 子在a-Fe中过饱和的固溶体。
所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以 石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。
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三、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方 式，改变金相组织以满足所要求的物理、化 学与力学性能，称为热处理。
•1、退火和正火
•铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。
•（1）退火：是将工件加热至某一温度（临界点以上）
•2020/10/3
（1）铁素体（ferrite）
C溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下 0.006％），强度、硬度低，塑性和韧性很好 。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能 。
•2020/10/3
（2）奥氏体（Austenite）
C溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大，C的溶解度比a-Fe中大
高温回火温度为500℃～680℃。 综合性能：强度、韧性、塑性等都较好
淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。
用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。
•2020/10/3
时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形 后，在室温或高于室温条件下，其组织和 性能随时间而变化的过程。
时效可进一步消除内应力，稳定零件 尺寸，它与回火作用相类似。
•2020/10/3
2磷
有害元素。虽能使强度、硬度增高，但 塑性、冲击韧性显著降低。
特别是在低温时，使钢材显著变脆，称
“冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏，
高级优质钢： P＜0.025%； 优质钢： P＜0.04%； 普通钢： P＜0.085%。
•2020/10/3
3锰
脱氧剂。有益元素。 MnS(1600℃)，部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进 入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性 ，提高强度和硬度。 在0.5%～0.8%以下时，看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～ 0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。
•2020/10/3
•2020/10/3
三、化学性能
1、耐腐蚀性
金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力
2、抗氧化性
高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度 选耐热材料
•2020/10/3
•2020/10/3
四、加工工艺性能
1、可铸性：收缩与偏析 2、可锻性 3、焊接性 4、可切削加工性
•2020/10/3