【正文】 第二篇 壓力容器 第八章 化工設(shè)備材料 ?了解材料各項性能的意義、碳鋼與鑄鐵、常用有色金屬和非金屬材料的分類。 ?熟悉化工設(shè)備中常用金屬材料的機(jī)械性能指標(biāo)和主要化學(xué)成分含量。 ?掌握化工設(shè)備材料選用的原則，掌握幾種常用化工設(shè)備材料（普低鋼和低合金鋼）的牌號、性能、用途； ?掌握常用金屬材料熱處理的方法和作用。 ? 化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，各種化學(xué)生產(chǎn)工藝的要求各不盡相同，如：壓力從真空到高壓甚至超高壓、溫度從低溫到高溫 以及腐蝕性、易燃、易爆物料等，使得設(shè)備處在極其復(fù)雜的操作條件下運行。由于不同的生產(chǎn)條件對設(shè)備材料有不同的要求，因此，合理的選用材料是設(shè)計化工設(shè)備的主要環(huán)節(jié)。 ? 例如：對于高溫容器，由于鋼材在高溫的長期作用下，材料的力學(xué)性能和金屬組織都會發(fā)生明顯的變化，加之承受一定的工作壓力 ，因此在選材時必須考慮到材料的強(qiáng)度及高溫條件下組織的穩(wěn)定性。容器內(nèi)部盛裝的介質(zhì)大多具有一定的腐蝕性，因此需要考慮材料的耐腐蝕情況。對于頻繁開、停車的設(shè)備或可能受到?jīng)_擊載荷作用的設(shè)備，還要考慮材料的疲勞等；而低溫條件下操作的設(shè)備，則需要考慮材料低溫下的脆性斷裂問題。 ? 材料的性能 :力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和加工性能。 ? 力學(xué)性能 :決定許用應(yīng)力 強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。 ? 物理性能：密度、熔點、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性、磁性、彈性模量與泊松比等。 ? 化學(xué)性能：耐腐蝕性 金屬和合金對周圍介質(zhì)侵蝕的抵抗能力；抗氧化性 高溫氧化，降低表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度，選耐熱材料。 ? 加工工藝性能：可鑄性－收縮與偏析；可鍛性；焊接性；可切削加工性。 第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、金屬原子結(jié)構(gòu)特點與金屬鍵 ? 金屬原子結(jié)構(gòu)特點：最外層的電子數(shù)很少，一般只有一二個；而且這些最外層電子與原子核的結(jié)合力較弱，因此很容易脫離原子核的束縛而變成自由電子。 ? 金屬鍵：在金屬中，暫時擺脫原子核束縛的電子成為共有的自由電子，在所有的金屬正離子之間穿梭運動，好像帶負(fù)電的氣體充滿其間，把帶正電的金屬離子牢固地束縛在一起。這種金屬原子之間的結(jié)合方式稱為金屬鍵。 ? 二、金屬的晶體結(jié)構(gòu) ? 金屬的結(jié)晶過程 ? 金屬的結(jié)晶過程 第二節(jié) 鐵碳合金 “鐵碳合金”由 95％以上鐵和 ％～ 4％碳及 1％左右雜質(zhì)元素所組成合金。 ? 含碳量 ％～ 2％稱為鋼； ? 含碳量大于 2％稱為鑄鐵； ? 含碳量小于 ％時稱純鐵 (工業(yè)純鐵 )； ? 含碳量大于 ％的鑄鐵極脆 （一）鐵 鐵在 910oc以上是具有面心立方結(jié)構(gòu)的 γ－ Fe(圖 a)。 鐵在 910oc以下是具有體心立方結(jié)構(gòu)的 α－ Fe(圖 b)。 aFe加熱可變?yōu)?gFe，反之高溫下的 gFe冷卻可變?yōu)?aFe。 在固態(tài)下晶體構(gòu)造隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”。 鐵的同屬異構(gòu)轉(zhuǎn)變是構(gòu)成鐵碳合金一系列性能的依據(jù)。 ? g－ Fe變成 a－ Fe 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 （二）碳 碳在鐵碳合金中的存在形式有三種： ? 碳溶解到鐵的晶格中形成 固溶體 ? 碳與鐵形成化合物 ? 混合物：碳以石墨狀態(tài)單獨存在。 固溶體：兩種或兩種以上的元素在固態(tài)下互相溶解，而仍然保持溶劑晶格原來形式的物體。如碳原子擠到鐵的晶格中間去又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)。 （ 1）鐵素體 碳溶解在 aFe中形成固溶體稱鐵素體。 aFe原子間隙小，溶碳能力低（最大溶解度不超過 ％），強(qiáng)度和硬度低，但塑性和韌性很好。 低碳鋼是含鐵素體的鋼，具有軟而韌的性能。 室溫時，鋼的組織中只有鐵素體，沒有奧氏體。 （ 2）奧氏體 碳溶解在 gFe鐵中形成固溶體稱奧氏體。 gFe原子間隙較大，碳的溶解度比 aFe中大得多，如在 723℃ 時可溶解 ％，在 1147℃ 時可達(dá)最大值 ％。 奧氏體組織是在 aFe發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的。由于奧氏體有較大的溶解度，故塑性、韌性較好，且無磁性。 化合物－滲碳體 ? 當(dāng)鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余的碳將與鐵形成化合物 －碳化鐵（ Fe3C），這種化合物稱為滲碳體。 ? 滲碳體的熔點約 1600℃ ，硬度高，塑性幾乎等于零。 ? 鐵碳合金含碳量小于 2％時，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是碳素鋼。 ? 含碳量大于 2％時，部分碳以石墨形式存在，稱鑄鐵?？估瓘?qiáng)度和塑性都比碳鋼低。但鑄鐵具有一定消震能力。 混合物－碳以石墨狀態(tài)單獨存在 當(dāng)鐵碳合金中的碳含量較高，合金從液態(tài)以緩慢的速度冷卻下來時，合金中沒有溶入固溶體的碳將由極大部份以石墨狀態(tài)存在。 （ 4）珠光體 鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。 力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即其強(qiáng)度、硬度比鐵素體顯著提高；塑性、韌性比鐵素體差，但比滲碳體要好得多。 （ 5）萊氏體 珠光體和初次滲碳體的共晶混合物。 具有較高的硬度，是一種較粗而硬的金相組織，存在于白口鑄鐵、高碳鋼中。 （ 6）馬氏體 鋼和鐵從高溫急冷下來的組織，是碳原子在 aFe中過飽和的固溶體。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，幾乎不能承受沖擊載荷。 二、鐵碳合金狀態(tài)圖 ? 鐵碳合金狀態(tài)圖中主要點、線含義： ? 圖中 AC、 CD兩曲線稱為 “ 液相線 ” ，合金在這兩曲線以上均為液態(tài)，從這兩曲線以下開始結(jié)晶。 ? AE、 CF線稱為 “ 固相線 ” ，合金在該線以下全部結(jié)晶為固態(tài)。 ? ECF水平線段，溫度為 1147℃ ，在這個溫度時剩余液態(tài)合金將同時析出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物 萊氏體 。ECF線又稱 “ 共晶線 ” ，其中 C點稱為 “ 共晶點 ” 。 ? ES（ Acm）與 GS（ A3）分別為奧氏體的溶解度曲線，在ES線以下奧氏體開始析出二次滲碳體，在 GS線以下析出鐵素體。 ? PSK(A1)線為 “ 共析線 ” ，在 723℃ 的恒溫下，奧氏體將全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的共析組織 珠光體。 鋼在加熱時形成單一的奧氏體組織。 所有生鐵組織中都有萊氏體，多數(shù)碳以石墨狀存在，用作鑄件的生鐵稱為鑄鐵。 三、鋼的熱處理 鋼、鐵固態(tài)下加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金相組織以滿足所要求的物理、化學(xué)與力學(xué)性能，稱為熱處理。 退火和正火 ? 退火 ：把鋼（工件）放在爐中緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻下來的一種熱處理工藝。 目的：消除組織缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷加工、消除內(nèi)應(yīng)力、防止工件變形。 ? 正火 是把鋼（工件）放在爐中緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，置于空氣中冷卻。目的：細(xì)化晶粒，提高韌性，有比退火為高的強(qiáng)度與硬度。 ? 正火與退火 不同之處 ，在于正火是將加熱后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻。鑄、鍛件切削加工前一般進(jìn)行退火或正火。 淬火和回火 淬火 是把鋼（工件）放在爐中緩慢加熱至淬火溫度(臨界點以上 30℃ ～ 50℃ )，并保溫一段時間，后投入淬火劑中冷卻。 淬火后得到的組織是馬氏體。增加硬度、強(qiáng)度和耐磨性。 淬火劑有空氣、油、水、鹽水，冷卻能力遞增。 碳鋼在水和鹽水中淬火，合金鋼在油中淬火。 回火 是淬火后進(jìn)行的一種較低溫度的加熱與冷卻熱處理工藝。 回火可以降低或消除零件淬火后的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。 ? 在 150℃ ～ 250℃ 范圍內(nèi)的回火稱“低溫回火”。目的不降低硬度消除內(nèi)應(yīng)力。刃具、量具，要進(jìn)行低溫回火處理。 ? 中溫回火溫度是 300℃ ～ 450℃ 。目的消除內(nèi)應(yīng)力降低硬度提高彈性。彈簧、刀桿、軸套等進(jìn)行中溫回火。 ? 高溫回火溫度為 500℃ ～ 680℃ 。 ? 調(diào)質(zhì)處理：淬火后的高溫回火。目的獲得較高的綜合機(jī)械性能。用于各種軸類零件、連桿、齒輪、受力螺栓等。 時效熱處理 ：材料經(jīng)固溶處理或冷塑變形后，在室溫或高于室溫條件下，其組織和性能隨時間而變化的過程。 時效可進(jìn)一步消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定零