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1、磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆”。锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。锰可以与硫形成高熔点(1600)的MnS，一定程度上能消除硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO反应成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。第1页/共143页硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅对钢性能影响不大。氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等杂质形式存在，使钢的强度、塑性
2、降低。氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。第2页/共143页(2)钢的分类与编号根据实际生产和应用的需要，对碳钢进行分类和编号。按用途可分为建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢(如不锈钢、耐热钢等)；按含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；按脱氧方式分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢；按冶炼方法分为平炉钢
3、和转炉钢；按品质分为普通钢、优质钢和高级优质钢等。第3页/共143页普通碳素钢普通碳素钢钢号冠以“Q”，代表钢材屈服强度，后面的数字表示屈服强度数值(MP)。如Q235钢，其屈服强度值为235MP。必要时钢号后面可标出表示质量等级和冶炼时脱氧方法的符号。质量等级符号分为A、B、C、D。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。其中Q195、Q215、Q235A、Q235B等在环保设备制造中应用极为广泛。这类钢主要保证机械性能。第4页/共143页优质碳素钢优质碳素钢中硫、磷等有害杂质元素含量较少，冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，严格保证钢材的化学成分和力学性能
4、，但成本较高。优质碳素钢的编号仅用两位数字表示，钢号顺序为08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。钢号数字表示钢中平均合碳量的万分之几。如45钢表示钢中含碳量平均为0.45(0.420.50)。锰含量较高的优质碳素钢，应将锰元素标出，如45Mn。依据含碳量的不同，优质碳素钢可分为优质低碳钢(含碳量0.25，包括08、10、15、20、25)；优质中碳钢(含碳量0.300.60)，包括30、35、40、45、50与55；优质高碳钢(含碳量0.6)，包括60、65、70、80。第5页/共143页高级优质钢高级优质钢比优质碳素钢中含硫、磷量还少(均低于0.03)，它的表示
5、方法是在优质碳素钢号后面加一个A字，如20A。第6页/共143页(3)碳钢钢材的品种及规格碳钢的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢等。钢板钢管型钢铸钢和锻钢 铸钢用ZG表示，牌号有ZG25、ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、50等牌号。容器用锻件一般采用20、25等材料，用以制作管板、法兰、顶盖等。第7页/共143页第8页/共143页第9页/共143页第10页/共143页1.2.5 铸铁工业上常用的铸铁，其含碳量(质量分数)一般在2以上，并含有S、P、Si、Mn等杂质。铸铁是脆性材料，拉伸强度较低，但具有良好的铸造性、耐磨性、减振性及
6、切削加工性。在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中具有相当好的耐腐蚀性能。铸铁的生产设备和工艺简单、生产成本低廉、价格便宜，因此在工业中得到普遍应用。可以用来制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；空压机的汽缸体、缸套、活塞环；水泵、鼓风机的泵体、机身及底座等。铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。第11页/共143页第12页/共143页灰铸铁灰铸铁也称灰口铸铁，是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占80以上。不适于制造承受弯曲、拉伸、剪切和冲击载荷的零件。但它的耐磨性、耐蚀性较好，与其他钢材相比，有优良的铸造性、减振性能，较小的缺
7、口敏感性和良好的可加工性，可制造承受压应力及要求消振、耐磨的零件，如支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。GB/T9439-1988规定，灰铸铁的牌号用其名称缩写HT和抗伸强度b表示，如HTl00，其中100表示b=100MPa。常用灰铸铁牌号有HTl00、HTl50、HT200、HT250、HT300、HT350、HT400。第13页/共143页球墨铸铁球墨铸铁简称球铁，这种铸铁材料中，分布在以铁为主要成分的金属基体中的石墨颗粒，是大体上呈球状的。因为球墨铸铁的石墨呈球状，所以具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性，其综合机械性能接近于钢。因其铸造性能好、成本低廉、生产方便，在工业中得到了广泛
8、的应用。在酸性介质中，球墨铸铁耐蚀性较差，但在其他介质中耐腐蚀性比灰铸铁好。它的价格低于钢，由于它兼有普通铸铁与钢的优点，从而成为一种新型结构材料。过去用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、主轴、中压阀门等，目前不少改用球墨铸铁。球墨铸铁的牌号(GB/T 1348-1988)用QT、拉伸强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示b=400MPa，18表示=18。第14页/共143页1.3 合金钢1.3.1 合金钢的分类与编号1.3.2合金元素对钢的影响1.3.3 可焊接的低合金高强度结构钢1.3.4 专业用钢1.3.5 特殊性能钢第15页/共143页1.3.1 合金钢的分类与
9、编号(1)合金钢的分类按合金元素质量分数多少，可分为低合金钢(合金元素总量低于5)、中合金钢(合金元素总量为510)和高合金钢(合金元素总量高于10)。按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢等。合金结构钢又分为调质结构钢、表面硬化钢、低碳马氏体钢、非调质结构钢等。特殊性能钢分为不锈钢和耐热钢等。我国采用的是按用途来分类的方法。第16页/共143页(2)合金钢的编号我国合金钢是按碳质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。我国国家标准规定，合金钢牌号的表示方法有两种，一种是用汉字牌号，如35铬钼；另一种是用国际化学符号，如35CrMo。在牌号首部用数字标明碳质量分数。为了标明用途
10、，规定结构钢以万分之一为单位的数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字(一位数)来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1时，碳质量分数不标出。第17页/共143页在碳质量分数数字之后，用元素的化学符号及其后面的数字表明钢中主要合金元素及其质量分数，平均质量分数少于1.5时不标数，平均质量分数为1.52.49、2.53.49时，相应地标以2、3。如40Cr为结构钢，平均碳质量分数为0.4，主要合金元素Cr的质量分数在1.5以下。5CrMnMo为工具钢，平均碳质量分数为0.5，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5以下。36Mn2Si是结构钢，平均碳质量分数为0.36
11、，主要合金元素Mn的质量分数在1.52.49，Si的质量分数在1.5以下。第18页/共143页1.3.2合金元素对钢的影响目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、硅(Si)、铝(A1)、硼(B)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)和稀土元素(Re)等。铬提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。锰提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。镍提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。第19页/共143页硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐硫化氢等介质的腐蚀性，硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。铝为强脱氧剂
12、，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗硫化氢介质腐蚀有良好作用。铝的价格比较便宜，所以在耐热合金钢中常以它代替铬。第20页/共143页钼能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性，还能抗氢腐蚀。钒用于固溶体中可提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。钛为强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒、提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。第21页/共143页1.3.3 可焊接的低合金高强度结构钢可焊接的低合金高强度结构钢碳含量通常
13、小于0.25。它比碳钢有较高的屈服强度(3001000MPa)和屈强比（sb0.650.95），有较好的冷热加工性能、良好的焊接性能、较低的冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。低合金高强度钢按性能和用途分为三大类。第22页/共143页高强度钢按强度级别大致分为350MPa强度级(s为300450MPa)，典型牌号为16Mn；400MPa强度级(s为500550MPa)，典型钢号为14MnMoV；500MPa强度级(s为6001000MPa)，典型钢号为12MnNiCrMoVCu。这类钢用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。低温钢由于钢的高强度而有较低的韧-脆转变温度。主
14、要钢号如09Mn2V(-70)、06MnNb(-90)等，用于制造低温设备的零部件。耐蚀钢对大气、海水、硫化氢等环境有一定的耐蚀性，如10MnPNbRe钢能耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢适于制造炼油厂用的耐高温硫化氢设备。第23页/共143页低合金高强度钢可轧制成各种钢材，如板材、管材、棒材、型材等。大型容器采用16MnR制造，质量比用碳钢减轻 1/3；与碳钢相比，用15MnV制造球形储罐可节省钢材约45。容器设备用低合金高强度钢，除要求强度外，还要求有较好的塑性和焊接性能，以利于设备加工。强度较高者，其塑性与焊接性便有所降低。这是由于含较多合金元素的钢会产生过大硬化作用。因此，必须根
15、据容器的具体操作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求，选用适当强度级别的钢种。第24页/共143页1.3.4 专业用钢为适应各种条件用钢的特殊要求，对低合金钢的成分、工艺及性能做了相应的调整和补充规定，发展了许多专门用途的钢材，如锅炉用钢、压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。它们的编号方法是在钢号后面分别加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。第25页/共143页第26页/共143页1.3.5 特殊性能钢特殊性能钢有不锈钢、耐热钢及耐热合金、低温用钢、耐磨钢等。不锈钢通常是不锈钢和耐酸钢的统称，也称不锈耐酸钢。一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢，称耐酸、碱、
16、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般均有良好的不锈性能。对不锈钢的性能要求主要是良好的耐蚀性、合适的力学性能、优良的冷热加工和成型性以及焊接性能。第27页/共143页(1)不锈钢的成分碳含量耐蚀性要求越高，碳质量分数应越低。大多数不锈钢的碳质量分数为0.10.2。加入铬(Cr)铬在氧化性介质(如水蒸气、大气、海水、氧化性酸等)中极易钝化，生成致密的氧化膜、使钢的耐蚀性大大提高。铬是不锈钢中最主要的合金元素。第28页/共143页加入镍(Ni)加入镍可获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性；或形成奥氏体一铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。加入钼(Mo)、铜(Cu)等Cr在
17、非氧化性酸(如盐酸、稀硫酸)和碱溶液等中的钝化能力差，加入Mo、Cu等元素，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。加入钛(Ti)、铌(Nb)等Ti、Nb能优先同碳形成稳定碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。加入锰(Mn)、氮(N)等Mn和N可部分代替镍以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。第29页/共143页(2)不锈钢的分类不锈钢种类繁多，性能各异，通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢等。铁素体不锈钢以铬为主要合金元素，一般含碳0.15，铬量在1230。有些钢种还含有钼、钛等元素。在铬不锈钢中，起
18、耐腐蚀作用的主要元素是铬。当钢中铬的质量分数达到12左右时，能使钢的表面形成一层极薄且致密的铬氧化膜，阻止了钢基体被继续侵蚀，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性上升。实际应用的不锈钢中的平均含铬量都在13%以上。铁素体不锈钢的应用广泛性仅次于奥氏体不锈钢，常用的钢种有1Crl3、2Crl3、0Cr13、等。第30页/共143页奥氏体不锈钢以铬、镍为主要合金元素的奥氏体不锈钢是应用最为广泛的一类不锈钢，此类钢包含Crl8Ni8系不锈钢以及在此基础上发展起来的含铬、镍更高，并含钼、硅、铜等合金元素的奥氏体类不锈钢。其特点是具有优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多
19、介质中的良好耐蚀性，是目前用来制造各种储槽、塔器、反应釜、阀件等设备时应用最广泛的一类不锈钢材。典型钢号是Crl8Ni9型(即18-8型不锈钢)钢。这类不锈钢的碳质量分数很低，约在0.1左右。碳质量分数愈低，耐蚀性愈好(但熔炼更困难，价格也愈贵)。第31页/共143页铬镍不锈钢除像铬不锈钢一样具有氧化铬薄膜的保护作用外，还因镍能使钢形成单一奥氏体组织而得到强化，使得在很多介质中比铬不锈钢更具耐蚀性。如对浓度65以下、温度低于70或浓度60以下、温度低于100的硝酸以及对苛性碱(熔融碱除外)、硫酸盐、硝酸盐、硫化氢、乙酸等都很耐蚀。但对还原性介质如盐酸、稀硫酸则是不耐蚀的。在含氯离子的溶液中，有
20、发生晶间腐蚀的倾向，严重时往往引起钢板穿孔腐蚀。晶间腐蚀是在400800的温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬(Cr23C6)形式沿晶界析出，使晶界附近的合金元素(铬与镍)含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量(12%)以下，腐蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界的腐蚀称为晶间腐蚀。发生晶间腐蚀后，钢材会变脆，强度很低，破坏无可挽回。为了防止晶间腐蚀，可采取以下几种措施。第32页/共143页在钢中加入与碳亲和力比铬更强的钛、铌等元素，以形成稳定的TiC、NbC等，将碳固定在这些化合物中，可大大减少产生晶间腐蚀的倾向。如0Crl8Nil0Ti、0Crl8NillNb等钢种，它们具有较高的抗晶间腐蚀能力。减少不锈
21、钢中的含碳量以防止产生晶间腐蚀。当钢中的含碳量降低后，铬的析出也将减少，如0Crl8Ni9钢。当含碳量0.02时，即使在缓冷条件下，也不会析出碳化铬，这就是所谓的超低碳不锈钢，如00Crl9Nil0。超低碳不锈钢冶炼困难，价格很高。对某些焊接件可重新进行热处理，使碳、铬再固溶于奥氏体中。第33页/共143页另外，为了提高对氯离子Cl-的耐蚀能力，可在铬镍不锈钢中加人合金元素Mo，如1Crl8Nil2Mo3Ti。如同时加入Mo、Cu元素，则在室温下对浓度为50以下的硫酸也具有较高的耐蚀性，并可提高在低浓度盐酸中的抗腐蚀性，如0Crl8Nil8Mo2Cu2Ti。奥氏体类不锈钢的品种很多，以0Crl
22、8Ni9为代表的普通型奥氏体不锈钢用量最大。我国原以1Cr18Ni9Ti为主，近几年正逐步被低碳或超低碳的0Crl8Ni9或00CrlSNil0所取代。奥氏体不锈钢产品以板材、带材为主。它在环保、石油、化工、食品、制糖、酿酒、医药、油脂及印染工业中得到广泛应用，使用温度范围为-196600。第34页/共143页奥氏体铁素体双相不锈钢典型钢号有1Cr21Ni5Ti、1Crl8Mnl0Ni5Mo3N等。这类钢是在18-8型钢的基础上，提高铬含量或以容易得到的锰和氮代替不锈钢中的镍，其晶间腐蚀和应力腐蚀破坏倾向较小，强度、韧性和焊接性能较好，而且节约价格较高的镍，因此得到了广泛的应用。可用于制造化工
23、、化肥、环保设备及管道，海水冷却的热交换设备等。近年来大量国外设备和材料被引进我国，各国类似钢号的钢材并非是成分和性能完全相同的钢种。第35页/共143页1.4 有色金属及其合金1.4.1 铝及其合金1.4.2 铜及其合金1.4.3 钛及其合金1.4.4 镍及其合金第36页/共143页工业上一般将钢铁称为黑色金属，而将铁以外的金属称为非铁金属，或称有色金属。在石油化工和环保工业中有许多设备及其零部件用有色金属及其合金制造，以满足腐蚀、高压、高温等特殊的工况条件。有色金属种类很多，工业上常用的有铝、铜、钛、镍、铅等。本节主要对工业上广泛使用的铝、铜、钛、镍及其合金等做一些基本的介绍。第37页/共
24、143页常用有色金属及其合金的代号见下表。常用有色金属及其合金的代号名称铜黄铜青铜铝铅铸造合金轴承合金代号THQLPbZCh第38页/共143页1.4.1 铝及其合金铝及铝合金有下列特性。密度小、比强度高纯铝的密度只有2.7g/cm3，仅为铁的1/3。铝合金可以达到与低合金结构钢相近的强度，因此比强度要比一般低合金结构钢高得多。有优良的物理、化学性能铝的导电、导热性好，仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64%。铝资源丰富，成本较低。铝在氧化性介质中易形成Al2O3保护膜，因此在干燥或潮湿大气中，在氧化剂的盐溶液中，在浓硝酸及干氯化氢、氨气中，铝都是耐腐蚀的。但含有卤素离子的盐类、氢氟酸
25、以及碱溶液都会破坏铝表面的氧化膜，所以铝应避免在这些介质中使用。第39页/共143页加工性能良好铝及铝合金(退火状态)的塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。超高强铝合金成型后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有应用。如它可以制作存放挥发性介质的容器(受冲击时不产生火花)、热交换器(导热性好)，也可在某些情况下代替不锈钢制作设备和容器。此外，自来水厂和污水处理厂、站也开始愈来愈多的使用铝合金制作操作平台、设备支架及扶梯栏杆等，既美观轻巧，又耐潮湿空气腐蚀，维护管理比钢材方便得多。第40页/共143页(1
26、)纯铝纯铝材料按纯度可分为三类。高纯铝纯度为99939999，牌号有LGl、LG2、LG3、LG4四种，编号越大，纯度越高。高纯铝可用来制作耐腐蚀要求较高的浓硝酸设备，如高压釜、槽车、储槽、阀门、泵等。工业高纯铝纯度为9885999，牌号有L0、L00等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。工业纯铝纯度为980990，牌号有L1、L2、L3、L4、L5五种，编号越大，纯度越低，导电性、塑性、耐腐蚀性也越低。工业纯铝可用于制造含硫石油化工设备、橡胶硫化设备，同时也大量用于食品工业和制药工业中要求耐腐蚀、防污染而强度要求不太高的设备，如反应器、热交换器、塔设备等。工业纯铝还可制作电线、电缆、器皿
27、及配制合金。第41页/共143页(2)铝合金铝中加入合金元素后，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。根据成分及工艺特点，铝合金分变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等。第42页/共143页a、防锈铝合金中的主要合金元素是锰和镁，其代号是LF，如LF2、LF3、LF5等。锰的主要作用是提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。镁亦有固溶强化作用，同时降低密度。防锈铝合金锻造退火后抗腐蚀性能高、塑性好。这类合金属于不可热处理强化
28、的铝合金，但可冷变形，利用加工硬化提高强度。防锈铝的抗腐蚀性和强度均比纯铝高，并有良好的塑性和焊接性能，但因太软而切削加工性能不良。主要用于焊接件、各类容器、管道、热交换器等。第43页/共143页b、硬铝合金为A1-Cu-Mg系合金，另含有少量锰。它们属于可热处理强化的铝合金，亦可进行形变强化。可分为标准硬铝(如LY11等)、低合金硬铝(如LY1、LY10等)、高合金硬铝(如LY12，LY6等)。硬铝合金强度和硬度较高，加工性能良好，主要用于轧材、锻材，冲压件、铆钉及航空模锻件和重要的销、轴等零件。其缺点是抗腐蚀性差，特别是在海水等环境中。c、超硬铝合金为AI-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少
29、量的铬和锰。牌号有LC4、LC6等。超硬铝合金用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。d、锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。牌号有LD5、LD7、LDl0等。合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受载荷的锻件和模锻件。第44页/共143页铸造铝合金铸造铝合金是铝硅合金，分为四类。a、Al-Si铸造铝合金(ZLl01、ZLl04、ZLl05、ZLl07、ZL110)俗称铝硅明，铸造性能很好，焊接性能也好，相对密度小，并有相当好的抗腐蚀性和耐热性，但强度较低。因此仅适于制造形状复杂但强度要求
30、不高的铸件，例如仪表、水泵、电动机壳体以及一些承受低载荷的零件。b、Al-Cu铸造铝合金(ZL201、ZL202、ZL203)Al-Cu合金的强度较高、耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松倾向，耐腐蚀性较差。ZL201的室温强度、塑性比较好，可制作在300以下工作的零件，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件。ZL202塑性较低，多用于高温下不受冲击的零件。ZL203经淬火时效后，强度较高，可作结构材料，铸造承受中等载荷和形状较简单的零件。第45页/共143页c、Al-Mg铸造铝合金(ZL301、ZL302)A1-Mg合金强度高，密度小(为2.55103kg/m3。)，有良好的耐腐蚀性，但铸造性
31、能不好，耐热性低。这类合金多用于制造承受冲击载荷、在腐蚀性介质中工作的、外形不太复杂的零件，例如舰船配件、氨用泵体等。d、A1-Zn铸造铝合金(ZL401、ZL402)A1-Zn合金价格便宜，铸造性能优良，强度较高，但抗腐蚀性差，热裂倾向大，常用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器元件，也可用于制造日用品。第46页/共143页1.4.2 铜及其合金铜及铜合金有下列特性：优异的物理、化学性能纯铜导电性、导热性极佳。在所有金属中，铜的导电性仅略逊于银。铜合金的导电性、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高，在许多介质中有高的耐腐蚀性。良好的加工性能容易冷、热成型；切削加工性能优
32、良，铸造铜合金有很好的铸造性能。某些特殊机械性能例如优良的减摩性和耐磨性(如青铜及部分黄铜)。色泽美观第47页/共143页（1）纯铜(紫铜)纯铜呈紫红色，常称紫铜。纯铜有良好的导电、导热和耐腐蚀性，也有良好的塑性，在低温下可保持较高的塑性和冲击韧性，可用于制作低温设备和高压设备的垫片。铜耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、乙酸、氢氟酸及其他非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液耐腐蚀能力很强。铜不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。在氨和铵盐溶液中，会形成可溶性的铜氨离子Cu(NH4)32+，故不耐腐蚀。纯铜的强度低，不宜作结构材料。第48页/共143页第49页/共143页（2）铜合金
33、一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和复杂黄铜(特种黄铜)两种。a、普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金。黄铜不仅有良好的变形加工性能，而且有优良的铸造性能。由于结晶温度间隔很小，它的流动性很好，易形成集中缩孔，铸件组织致密，偏析倾向较小。黄铜的耐蚀性比较好，与纯铜接近，超过铁、碳钢及许多合金钢。第50页/共143页环保设备和化工设备常用黄铜的牌号有H80、H68、H62等。“H”为“黄铜”，数字表示平均铜质量分数。H80在大气、淡水及海水中有较高的耐腐蚀性，加工性能优良，可作薄壁管和波纹管。H68由于塑性很好，适于制作冷轧板材、冷
34、拉线材、管材及形状复杂的冲压零件，如容器零件、散热器外壳、导管等。H62在室温下塑性较差，但有较高的机械强度，易焊接、价格低廉，通常热轧成棒材、板材。可作冷冻设备的简体、管板、法兰及螺母等。第51页/共143页b、复杂黄铜(特种黄铜)为了获得更高的强度、抗腐蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种复杂黄铜；铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜及镍黄铜等。其编号方法是；H+主加元素符号+铜质量分数+主加元素质量分数。例如HPb60-1，表示平均成分为铜质量分数60%、铅质量分数1%、其余为锌的铅黄铜。铸造黄铜则在编号前加“Z”宇。第52页/共143页第5
35、3页/共143页青铜青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金为青铜，所以青铜实际上包括有锡青铜和无锡青铜。青铜也可分为压力加工青铜(以青铜加工产品的形式供应)和铸造青铜两类。青铜的编号方法是；Q+主加元素符号+主加元素质量分数+其他元素质量分数。“Q”为“青铜”。例如，QSn4-3表示含锡质量分数为4%、锌质量分数为3%、其余为Cu的锡青铜。铸造青铜是在编号前加“Z”字。铸造青铜在环保和化工设备的制造中应用较多，第54页/共143页第55页/共143页白铜以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。普通白铜仅含铜和镍，其编号为B十镍的平均质量分数，“B”表示“白铜”。例如，B
36、19表示镍质量分数为19%的普通白铜。普通白铜中加入锌、锰、铁等元素后分别叫做锌白钢、锰白铜、铁白铜。编号方法为：B+其他元素符号+镍的平均质量分数+其他元素平均质量分数。例如，BZnl5-20表示含镍的质量分数为15%、锌的质量分数为20%的锌白铜。工业白铜有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高强度和硬度。它的抗腐蚀性很好，电阻率较高。主要用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰含量高的锰白铜可制作热电偶丝。第56页/共143页第57页/共143页1.4.3 钛及其合金钛及钛合金具有密度小(4.507g/cm3)、比强度高、耐高温，耐腐蚀以及低温韧性良好等优点，同
37、时资源丰富，所以在军工、航空、石油、化工、农药、染料、轻工、海洋工程及环保领域有着广泛应用前景。其中耐腐蚀钛合金主要用于各种强腐蚀环境的反应器、换热器、离心机、分离机、泵、阀、管道、管件、电解槽等。工业纯钛可制作在350以下工作的、强度要求不高的零件。根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：钛合金、钛合金和(+)钛合金。牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。第58页/共143页TC4是典型的(+)钛合金，成分为Ti-6Al-4V。由于强度高、塑性好，在400时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐水应力腐蚀的能力，所以适于制造在400以下长期工作的零件，
38、要求一定高温强度的发动机零件以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。第59页/共143页第60页/共143页1.4.4 镍及其合金镍的密度为8.9g/cm3，熔点高(1455)，在干燥或潮湿的空气中有很好的热稳定性，高于600时才被氧化。在各种温度、任何浓度的碱溶液和各种熔融碱中，镍及镍合金具有特别高的耐蚀性。氨气和氨的稀溶液对镍也没有作用。它在许多介质中有很好的耐蚀性。镍具有高强度、高塑性和冷韧的特性，能压延成很薄的板和拉成细丝。工业纯镍在化学工程中主要用于制造与碱性溶液接触的设备以及铁离子在反应过程中会发生催化影响而不能采用不锈钢的那些设备。也作为电镀镍槽中的阳极。第61页/共14
39、3页工业上的镍基合金主要有Ni-Cu系合金、Ni-Mo系合金和Ni-Cr系合金等。镍合金的牌号用字母N加第一个主添加元素符号及除基元素镍外的成分数字组表示。Ni-Cu合金中应用较多的是含有31%的铜、1.4%的铁，1.5%的锰的镍铜合金，通常称为蒙乃尔(Monel)合金。蒙乃尔合金主要用于在高温荷载下工作的耐腐蚀零件和设备，如换热器、管道、容器以及泵、阀轴等。第62页/共143页Ni-Mo合金是耐盐酸腐蚀的优异材料。0Crl6Ni57Mol6Fe6W4被称为哈氏(Hastell)合金，能耐室温下所有浓度的盐酸和氢氟酸。镍钼合金主要用于制作盐酸、湿氯化氢气体、有机酸、磷酸、硫酸的容器、管道、阀门
40、等。Ni-Cr合金中有代表性的0Crl5Ni57Fe被称为因考尔(1nconel)合金，在高温下具有很好的力学性能和很高的抗氧化能力，是能抗热的浓MgCl2腐蚀的少数几种材料之一，不仅腐蚀速速度小，而且没有应力腐蚀破裂倾向，广泛用于化学工业中，制造加热器、蒸发器、蒸馏塔、冷凝器等。第63页/共143页1.5 非金属材料与复合材料1.5.1 无机非金属材料1.5.2 有机非金属材料(有机高分子材料)1.5.3 复合材料第64页/共143页非金属材料既可以单独作为制作设备的结构材料，又可作为设备的防腐衬里或涂层，还可作为设备的密封材料、保温材料和耐火材料等。非金属材料主要分两类。无机非金属材料包括
41、耐酸陶瓷(化工陶瓷)、搪瓷、玻璃、岩石等。一般耐蚀性好，但质脆、耐温度剧变性差，不能机加工。有机非金属材料(有机高分子材料)包括橡胶、塑料、耐蚀涂料等。一般成型加工性好，耐蚀，密度小，但不耐高温，不耐氧化性介质，不耐溶剂。近2030年来发展起来的复合材料(玻璃钢、不透性石墨等)大部分亦属非金属材料。第65页/共143页1.5.1 无机非金属材料(1)陶瓷陶瓷的传统定义是陶器和瓷器的总称。随着材料科学的发展，陶瓷材料不仅包括了陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料(这四类统称硅酸盐材料)在内的整个无机非金属材料，还包括了近年来发展起来的新型无机非金属材料如氧化物、氮化物、碳化物等特种陶瓷材料。当今的陶瓷材料
42、与金属材料、高分子材料一起构成了工程材料的三大支柱。本节主要讨论耐酸(化工)陶瓷，并对特种陶瓷做简要介绍。第66页/共143页耐酸陶瓷又称化工陶瓷，它由黏土及瘠性料、助熔剂等原料经粉碎、混合、制坯、干燥和高温焙烧后，形成表面光滑、断面致密、类似石英的材料。其主要化学成分是氧化硅(SiO2，4650)和氧化铝(Al2O3，1316)，其余是氧化钙、氧化镁、氧化铁及少量的钠和钾的氧化物。耐酸陶瓷密度为2.32.5g/cm3，吸水率7，线膨胀系数约为410-7-1，比高分子聚合物和金属都小得多。可耐沸腾温度下任何浓度的铬酸、96的硫酸、沸点以下的任何浓度盐酸、硝酸、王水、盐溶液和任何浓度的醋酸、草酸
43、等有机酸及有机溶剂，但不耐氢氟酸、氟硅酸，耐碱性也差。由于其性脆、拉伸强度低，在急热、急冷变化时和硬物敲击下易碎裂。第67页/共143页耐酸陶瓷主要用来制作耐酸容器、储槽、搅拌器、泵、阀门、管道等，如酸性废水的下水道管；也用来制作防腐衬里的耐酸瓷砖以及填充塔的耐酸填料。耐酸陶瓷不宜制作压力较高、温度波动较大、尺寸太大的设备。第68页/共143页第69页/共143页特种陶瓷特种陶瓷是指具有特殊的力学、物理或化学性能的陶瓷。目前工程上应用较广泛的特种陶瓷主要有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷。氧化铝陶瓷主要成分是SiO2和Al2O3，其特点是抗压强度高，比普通陶瓷高26倍；硬度高，仅次于金刚石、
44、碳化硼、立方氮化硼、碳化硅；具有优良的耐磨性；耐高温性能好，能在1600下长期使用；耐酸及酸类介质的腐蚀，对碱亦耐蚀。氧化铝陶瓷主要用来制作要求耐蚀耐磨的泵用零件(如轴承、叶轮、机械密封环)、活塞、阀等。第70页/共143页第71页/共143页氮化硅陶瓷是以Si3N4为主要成分的特种陶瓷。其特点是硬度高，仅次于金刚石、氮化硼等少数超硬材料；摩擦系数小，只有0.10.2，相当于加了油的金属表面，还具有自润滑性，可在无润滑剂的条件下工作，是一种优良的耐磨材料。氮化硅陶瓷主要用来制作要求耐蚀、耐磨、耐高温的零件，如高温轴承、燃气轮机的高温叶片、机械密封环等。第72页/共143页第73页/共143页碳
45、化硅陶瓷的主要原料是碳化硅粉。用途十分广泛，近年来发展很快。其最大特点是高温强度高，1400时抗弯强度仍保持500600MPa。另外它的硬度高，耐磨，具有优良的耐热冲击性能。由于它能大大提高高温和腐蚀介质条件下的密封寿命，碳化硅陶瓷目前已成为机械密封环的最常用材料之一。第74页/共143页(2)玻璃玻璃是一种优良的耐蚀非金属材料。除氢氟酸、热磷酸和强碱外，它几乎耐所有酸和氧化剂的腐蚀。它表面光滑、流体流动阻力小、易清洗；透明度好，价格低。但玻璃耐温度急变性差、质脆、不耐冲击和震动。为了充分发挥玻璃的优点，目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道的方法，来弥补其不足之处。玻璃可用作制
46、造容器、分析仪器、量具、反应器、热交换器、管道、阀门、液面计、流量计、视镜、泵及金属管道的内衬等。工业上用于防腐蚀的玻璃不是一般的钠钙玻璃，主要是石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、高铝玻璃等，它们有良好的热稳定性和耐腐蚀性。第75页/共143页钠钙玻璃第76页/共143页石英玻璃第77页/共143页(3)化工搪瓷化工搪瓷是将含硅量高的耐酸瓷釉涂敷在钢铁设备的表面，经900左右的高温煅烧，使之与金属密着，形成致密的、耐腐蚀的玻璃质薄层。因此，它兼有金属设备优良力学性能和瓷釉耐腐蚀性能的双重优点。化工搪瓷具有优良的耐腐蚀性能、机械性能和电绝缘性能，表面光滑易清洗，并有防止金属离子干扰化学反应和沾污产品的作用
47、，广泛用于医药、酿造、合成纤维生产和环境保护工程中。目前我国生产的搪瓷设备有反应釜、塔设备、储罐、换热器、阀门和大型厌氧生物反应器等。搪瓷的导热系数不到钢的1/40，热膨胀系数较大，故搪瓷设备不能直接用火焰加热，以免损坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30270。第78页/共143页第79页/共143页1.5.2 有机非金属材料(有机高分子材料)(1)高分子材料概述高分子材料是由相对分子质量在104以上的化合物构成的材料。它是以聚合物为基本组分的材料，所以又称聚合物材料或高聚物材料。高分子材料种类繁多，有多种不同的分类方法。第80页/共143页按照高分子材料的来源，分为天然高分
48、子材料和合成高分子材料。天然高分子材料如天然橡胶、皮革、棉纤维等；合成高分子材料如合成橡胶、塑料、化学纤维等。按高分子材料性能和产品用途，分为塑料、橡胶、纤维、聚合物共混物、高分子合金、聚合物基复合材料、黏合剂和涂料等。按高分子材料的热行为及成型工艺特点，分为热塑性高分子材料和热固性高分子材料。按高分子几何构型，分为线型高聚物、体型高聚物和支链型高聚物。第81页/共143页新型高分子材料的研究开发方向，主要是在高性能化、高功能化和生物化三个方向上发展。所谓高性能化，是使高分子材料具有更优良的性能，如力学性能、耐热性能、加工性能和耐化学药品稳定性能等。这些高性能的材料通常可以通过改进聚合物结构、
49、复合或共混等方法来获得。如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、聚酰亚胺(PI)、聚芳酯(PAR)、聚醚(PES)，聚酰胺酰亚胺(PAI)等，都是高性能的工程塑料，此外还有高性能橡胶材料和高性能复合材料等。第82页/共143页高功能化主要是指具有特定作用能力的高分子材料，这种特定作用能力，即“特定功能”是由于高分子上的基团或分子结构或两者共同作用的结果，这类材料又称功能高分子。例如高吸水性材料、光致抗蚀材料、离子交换树脂及分离膜、导电高分子材料、感光高分子材料、可降解高分子材料、水性高分子材料、高分子封装材料、功能复合材料、高分子催化剂等。生物化高分子材料，就是合成或
50、模拟天然高分子，使之具有类似生物的活性，代替天然的组织或器官，例如医用高分子就属于这一范畴。有人认为，除人体1.5kg的大脑外，其他一切器官均可用高分子材料代替，可见，高分子材料生物化将成为高分子材料一个重要的发展方向。第83页/共143页(2)高分子材料的主要性能特点重量轻高弹性滞弹性塑性第84页/共143页强度与断裂韧性减摩、耐磨性塑料更重要的优点是磨损率低，原因是自身具有的自润滑性能较好，消声、吸振能力强，是很好的轴承材料及其他耐磨件材料。在无润滑和少润滑的摩擦条件下，其减摩、耐磨性比金属材料优越得多。第85页/共143页绝缘性耐热性热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙