第6章 过程装备材料优秀课件.ppt
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1、第6章 过程装备材料第1页,本讲稿共42页6.1过程装备用金属材料l过程装备:过程装备:过程工业中一系列设备、机器以及管路过程工业中一系列设备、机器以及管路组成的一个使物料流动,进行各种物理及化学变化的组成的一个使物料流动,进行各种物理及化学变化的有机系统。有机系统。l现代过程工业对过程装备的要求愈来愈高:现代过程工业对过程装备的要求愈来愈高:压力、温压力、温度、高速运转、介质腐蚀以及良好的密封等。度、高速运转、介质腐蚀以及良好的密封等。l过程设备的主体是容器,通常为过程设备的主体是容器,通常为压力容器压力容器,是设备,是设备的承压壳体。的承压壳体。l金属材料特别是金属材料特别是钢材钢材由于其
2、具有良好的综合性能由于其具有良好的综合性能,成为过程装备及压力容器的主要用材成为过程装备及压力容器的主要用材.第2页,本讲稿共42页6.1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能n物理性能物理性能集态变化、导热、导电等方面的性能,如熔点、集态变化、导热、导电等方面的性能,如熔点、膨胀系数、电阻率、比热容、热导率等。膨胀系数、电阻率、比热容、热导率等。n力学性能力学性能金属材料在外力作用下表现出来的性能。由于金属材料在外力作用下表现出来的性能。由于作用力的特点不同,如力的种类(静态力、动态力作用力的特点不同,如力的种类(静态力、动态力等)、施力方式(局部或全面施力)、简单变形还等)、施力方式(
3、局部或全面施力)、简单变形还是复杂变形,以及金属在受力状态下所处环境的不是复杂变形,以及金属在受力状态下所处环境的不同(温度、压力、介质等),会显示出不同的力学同(温度、压力、介质等),会显示出不同的力学性能。性能。第3页,本讲稿共42页6.1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能强度、塑性、韧性强度、塑性、韧性(对裂纹和缺口敏感程度的反对裂纹和缺口敏感程度的反映映,抵抗冲击破坏的能力抵抗冲击破坏的能力)、耐磨性等。、耐磨性等。n力学性能测试:力学性能测试:拉伸、压缩拉伸、压缩、弯曲弯曲、扭转、冲击、疲劳试验、硬扭转、冲击、疲劳试验、硬度测定等度测定等。第4页,本讲稿共42页n工艺性能:工
4、艺性能:热处理性能及加工工艺性能热处理性能及加工工艺性能。1 1)热处理指金属在一定的介质中加热、保温和)热处理指金属在一定的介质中加热、保温和冷却,以改变其整体或表面的组织,从而获得所需冷却,以改变其整体或表面的组织,从而获得所需要的性能的工艺。热处理原理涉及金属内部金相组要的性能的工艺。热处理原理涉及金属内部金相组织的相关知识。钢材具有良好的热处理性能。织的相关知识。钢材具有良好的热处理性能。2 2)加工工艺性能指保证一定的加工质量加工的难易程)加工工艺性能指保证一定的加工质量加工的难易程度,度,如焊接性能、切削性能、铸造性能、锻造性能等。如焊接性能、切削性能、铸造性能、锻造性能等。6.1
5、.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能第5页,本讲稿共42页n其他性能其他性能 腐蚀性能(电化学腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、微腐蚀性能(电化学腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、微生物腐蚀等)、高温性能等。生物腐蚀等)、高温性能等。n压力容器用材料的主要要求压力容器用材料的主要要求 强度、塑性、焊接性能。强度、塑性、焊接性能。6.1.1 金属材料的主要性能金属材料的主要性能第6页,本讲稿共42页l纯纯金属的晶体金属的晶体结结构构n晶格晶格n晶胞:晶胞:能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞在三维空间能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。的重复排列构成晶格。体心立方(铬体心立方(铬
6、Cr、钨、钨W、钼、钼Mo、钒、钒V、铌、铌Nb等)等)面心立方(铜面心立方(铜Cu、铝、铝Al、镍、镍Ni、铅、铅Pb、金、金Au、银、银 Ag等)等)密排六方(锌密排六方(锌Zn、镁、镁Mg、铍、铍Be、镉、镉Cd等)等)6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第7页,本讲稿共42页 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。等六个参数来描述。其中其中a、b、c 为晶格常数。金属的晶格常数一般为为晶格常数。金属的晶格常数一般为110-10m710-10m。晶体晶格晶胞6.1.2 金属
7、材料的晶体结构金属材料的晶体结构第8页,本讲稿共42页l金属晶体的特性金属晶体的特性(1)(1)金属晶体金属晶体具有确定的熔点具有确定的熔点晶体和非晶体的熔化曲线6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构(2)(2)金属晶体具金属晶体具有各向异性有各向异性第9页,本讲稿共42页l纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程n结晶:结晶:金属从一种原子排列状态转变为另一种金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态(晶态)的过程。原子规则排列状态(晶态)的过程。n一次结晶:一次结晶:液态液态固态固态n二次结晶(重结晶):二次结晶(重结晶):固体固体固态,同素异构固态,同素异构(铁、钴、钛等)(铁
8、、钴、钛等)第10页,本讲稿共42页纯金属(纯铜)的冷却曲线 6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第11页,本讲稿共42页n结晶过程:结晶过程:晶核形成与晶体长大。晶核形成与晶体长大。n晶核形成方式晶核形成方式:(1)自发形核自发形核在液态金属中的短程有序的原子团在液态金属中的短程有序的原子团结晶核心结晶核心。(2)非自发形核非自发形核金属内部往往含有许多其它杂质金属内部往往含有许多其它杂质结晶核心结晶核心。6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第12页,本讲稿共42页自发形核自发形核非自发形核非自发形核6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第13页,本讲稿共4
9、2页n晶体长大形成晶粒晶体长大形成晶粒n晶界:晶界:晶粒间的交界线。晶粒间的交界线。n晶粒大小对金属的力学性能的影响:晶粒大小对金属的力学性能的影响:晶粒晶粒越小越小,则金属的强度则金属的强度,塑性和韧性越好塑性和韧性越好。6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第14页,本讲稿共42页l纯铁的一次结晶和二次结晶纯铁的一次结晶和二次结晶n一次结晶一次结晶1538,体心立方体心立方(-Fe)n二次结晶二次结晶1394,面心立方面心立方(g g-Fe););912,体心立方体心立方(a a-Fe););g g-Fea a-Fe时,体积会膨胀约时,体积会膨胀约1。6.1.2 金属材料的晶体结
10、构金属材料的晶体结构第15页,本讲稿共42页l 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶n一次结晶一次结晶 高温铁素体:高温铁素体:碳在碳在-Fe-Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体,体心立体心立方晶格方晶格,在在13941394以上存在以上存在,在在14951495时溶碳量最大时溶碳量最大,为为0.09%0.09%。奥氏体及碳与铁的化合物奥氏体及碳与铁的化合物FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC等(含等(含C C量较高时)量较高时)6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构n二次结晶二次结晶 奥氏体奥氏体铁素体铁素体 渗碳体渗碳体Fe3C的的存在状态存在状态 第16页,本讲稿共4
11、2页铁素体的溶铁素体的溶C能力:能力:室温时约室温时约0.0008%,7270.0008%,727时时0.0218%0.0218%。性能特点:性能特点:强度低、硬度低、塑性好。强度低、硬度低、塑性好。奥氏体的溶奥氏体的溶C能力:能力:727 727时时0.77%0.77%,11481148时最大达时最大达2.11%2.11%。性能特点:性能特点:强度较低强度较低,硬度不高硬度不高,易于塑性变形。易于塑性变形。6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第17页,本讲稿共42页渗碳体渗碳体Fe3C:FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙化合物。的一种具有复杂结构的间隙化合物。条状、网状、
12、片状、粒状等形态条状、网状、片状、粒状等形态,对铁碳合金的机械性对铁碳合金的机械性能有很大影响。能有很大影响。性能特点性能特点:硬而脆硬而脆抗拉强度极限sb延伸率断面收缩率y y冲击韧性 a ak 硬度30MPa000800HB6.1.2 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构第18页,本讲稿共42页第19页,本讲稿共42页Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义符号温度,碳含量(C)%含义A1538 0 纯铁的熔点B1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分C1148 4.30 共晶点LcAE+Fe3CD1227 6.69Fe3C的熔点E1148 2.11 碳在-Fe中的最大溶解度F11
13、48 6.69Fe3C的成分G912 0-Fe-Fe同素异构转变点(A3)H1495 0.09 碳在-Fe中的最大溶解度J1495 0.17 包晶点LB+HAJK727 6.69 Fe3C的成分N1394 0-Fe-Fe同素异构转变点(A4)P727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度S727 0.77 共析点(A1)AsFP+Fe3CQ600 0.0057 600时碳在-Fe中的溶解度(室温)(0.0008)第20页,本讲稿共42页l铁碳合金分类:铁碳合金分类:总类总类分类分类碳含量碳含量%室温平衡组织室温平衡组织铁铁工业纯铁工业纯铁0.0218铁素体;铁素体铁素体;铁素体+少量三次渗碳
14、体少量三次渗碳体钢钢亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢0.2180.770.770.772.11前共析铁素体前共析铁素体+珠光体珠光体珠光体珠光体前共析二次渗碳体前共析二次渗碳体+珠光体珠光体铸铁铸铁亚共晶铸铁亚共晶铸铁共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁过共晶铸铁2.114.304.304.306.69珠光体珠光体+二次渗碳体二次渗碳体+莱氏体莱氏体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体+莱氏体莱氏体第21页,本讲稿共42页n退火,正火,淬火(回火)退火,正火,淬火(回火)p 退火:退火:加热到一定温度范围,保温一定时间,随炉冷却加热到一定温度范围,保温一定时间,随炉冷却完全退火:完全退火:亚共析
15、钢被加热到亚共析钢被加热到GSGS(A A3 3)线以上)线以上20203030不完全退火:不完全退火:钢被加热到钢被加热到PSKPSK(A A1 1)线和)线和GSEGSE(A A3 3和和A Acmcm )线之)线之间,保温足够长时间后缓冷。主要用于消除应力降低硬度。间,保温足够长时间后缓冷。主要用于消除应力降低硬度。球化退火:球化退火:过共析钢被加热到过共析钢被加热到PSKPSK(A A1 1)线以上)线以上20203030,使,使渗碳体由片状变为球状,以软化组织。渗碳体由片状变为球状,以软化组织。低温退火(去应力退火低温退火(去应力退火):):钢钢被加热到被加热到PSKPSK(A A1
16、 1)线以下温)线以下温度,以消除残余应力,软化组织。度,以消除残余应力,软化组织。6.1.3 钢的热处理钢的热处理第22页,本讲稿共42页p 正火:正火:钢被加热到钢被加热到PSKPSK(A A1 1)线和)线和GSEGSE(A A3 3和和A Acmcm )线以)线以上上30305050,或更高温度,空气中冷却。,或更高温度,空气中冷却。p 淬火:亚共析淬火:亚共析钢被加热到钢被加热到PSKPSK(A A3 3)线以上)线以上30305050,过共析钢加热到过共析钢加热到A A1 1线以上线以上30305050,保温一定时间,保温一定时间,快速冷却(快速冷却(水或油)。淬火的主要目的是获得
17、水或油)。淬火的主要目的是获得马氏体马氏体。马氏体为马氏体为a a-Fe-Fe的过饱和固溶体,组织不稳定。的过饱和固溶体,组织不稳定。6.1.3 钢的热处理钢的热处理第23页,本讲稿共42页p回火:回火:将淬火后的钢加热到将淬火后的钢加热到A A1 1线以下,使其转变为稳定的线以下,使其转变为稳定的金相组织。金相组织。低温回火:低温回火:150150250250,强度高,具有一定韧性。,强度高,具有一定韧性。中温回火:中温回火:350350500500,韧性更好。,韧性更好。高温回火:高温回火:500500650650,淬火,淬火+高温回火叫高温回火叫调质处理调质处理。经调质处理后钢材的综合机
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