《过程设备设计基础》相关教学课件

第二章

化工设备材料

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第一节 概

述

1、了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用有色金属和非 金属材料的分类； 2、熟悉化工设备中常用金属材料的机械性能指标和主要化学成 分含量； 3、掌握化工设备材料选用的原则，掌握几种常用化工设备材料 (普低钢和低合金钢)的牌号、性能、用途； 4、掌握常用金属材料热处理的方法和作用。

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第二节 材料的性能材料的性能： 1)力学性能；2)物理性能；3)化学性能；4)加工性能 一、力学性能 1)定义：金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力决定 许用应力。如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。 2)设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据-“力 学性能”。

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1、强度：材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力。

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常温强度指标：1)屈服强度σs:材料抵抗开始产生大量塑性变形的应力。 2)抗拉(压)强度σb:材料抵抗外力而不致断裂的大应力。

3)蠕变极限σn

:(“高温+应力”-高温蠕变)

4)疲劳极限σr :金属材料在循环应力下，经受无限次 循环而不发生破坏的最大应力。 对于一般钢材，以106~107次不被破 坏的应力，作为疲劳强度。 (σr= σmin/ σmax)

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2、硬度 1)定义：固体材料对外界物体机械作用(如压陷、刻划)的 局部抵抗能力。 2)材料的弹性、强度与塑性的综合性能指标-“硬度” 3)工程中应用压入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB) 和维氏硬度(HV)。 4)金属的硬度和强度之间有如下近似关系： 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 1)定义：材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的变 形而不即行断裂的性质。 2)工程上:延伸率δ和断面收缩率φ衡量金属静载荷下塑性变形 能力的指标。 3)延伸率δ: L1 L

P 100 %

L

100 %

4)断面收缩率φ: A A 100 %A

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4、冲击韧性 1)材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或吸收的 能除以试件的截面面积来衡量，称为材料的冲击韧度， 以ak表示，单位J/cm2。

2)在低温容器所用钢板αk值不得低于30J/cm2

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二、物理性能金属材料物理性质有密度、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。

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三、化学性能 1)金属的化学性能指材料在所处介质中的化学稳定性，即是否与 周围介质发生化学或电化学作用而引起腐蚀。 2)金属的化学性能指标主要有耐腐蚀性和抗氧化性。

耐腐蚀性：金属和合金对周围介质(大气、水汽、各种电解液) 侵蚀的抵抗能力。 抗氧化性： .在高温下，钢铁不仅与自由氧发生

氧化腐蚀，使钢铁 表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮。 .与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高温氧化 与脱碳作用，使钢的力学性能下降，降低了材料的表 面硬度和抗疲劳强度。10

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四、加工工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指可铸造性能、可锻造性能、 可焊性能和可切削加工性能等。这些性能直接影响化工设备和 零部件的制造工艺方法和质量。 1.可铸性：指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析 倾向(合金凝固时化学成分的不均匀析出叫偏析)。 铸造后要用热处理方法消除偏析。常用金属材料中， 灰铸铁和锡青铜铸造性能较好。 2.可锻性：指金属承受压力加工(锻造)而变形的能力，塑性好 的材料，锻压所需外力小，可锻性好。 低碳钢的可锻性比中碳钢及高碳钢好；碳钢比合金 11 钢可锻性好。铸铁是脆性材料(尚不能锻压加工)

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3.焊接性：指能用焊接方法使两块金属牢固地联接，且不 发生裂纹，具有与母体材料相当的强度，这 种能熔焊的性能称焊接性。 焊接性好的材料易于用一般焊接方法与工艺进行焊接， 不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接接头强度与母材 相当。低碳钢具有优良的焊接性，而铸铁、铝合金等焊接 性较差。化工设备广泛采用焊接结构，材料焊接性是重要 的工艺性能。 4.可切削加工性：指金属是否易于切削。 切削性好的材料，刀具寿命长，切屑易于折断脱落， 切削后表面光洁。灰铸铁(特别是HT150、HT200)、碳钢都 具有较好的切削性。12

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第三节

碳钢与铸铁

钢和铸铁是工程应用最广泛、最重要的金属材料。它是由 95%以上的铁和0.05%~4%的碳及1%左右的杂质元素所组 成的合金，称“铁碳合金”。

1)钢：一般含碳量0.02%~2%; 2)铸铁：一般含碳量大于2%; 3)纯铁(工业纯铁):一般含碳量小于0.02%; 4)铸铁：一般含碳量大于4.3%,极脆。(注：工程上经常使用1)和2),而3)和4)应用价值小)

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一、铁碳合金的组织结构1、金属的组织与结构 在金相显微镜下看到的金属的晶粒--“组织”。 2、纯铁的同素异构转变 1)在910℃恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程，也是 钢进行热处理的依据。 2)体心立方晶格纯铁：a-Fe;面心立方晶格纯铁：γ -Fe 3)a-Fe加热变为γ -Fe,反之高温下的γ -Fe冷却变为a-Fe。

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(2)奥氏体 1)碳溶解在γ -Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 2)γ -Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，塑性、 韧性较好，且无磁性。

(3)渗碳体1)碳和铁形成一种化合物(Fe3C)称渗碳体。 2)熔点约1600℃,硬度高，塑性几乎等于零。 3)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。 4)含碳量大于2%时，部分碳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。16