1常用材料

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1、水工艺设备基础课件市政环境与工程学院给排水教研室 何亚丽 2014年7月10日前言z 一、本课成学习对大家很重要 z 二、本课为必修课 z 三、考试形式为笔试 z 四、学习态度很重要 z 五、内容：前三章为基础知识，主要是水工艺设备常用材 料的分类、性能，材料的腐蚀防护原理，材料的保温，以 及容器应力基本理论、机械传动原理、机械制造加工及热 量交换理论；后七章为水工艺设备，包括容器（塔）设备 、搅拌设备、换热设备、分离设备、污泥处置设备和投药 设备。First chapter 水工艺设备常用材料 z本章主要讲水工艺设备常用材料的的基本性能， 主要内容： z 1.1 金属材料 z 1.2 无机非

2、金属材料 z 1.3 高分子材料z 1.4 复合材料 第1章 水工艺设备常用材料z 1.1金属材料 z 一、金属材料的分类 z 水工艺设备常用的金属材料主要有碳钢、铸铁、合金钢、不锈钢 以及部分有色金属材料等。 z 1、钢的分类 z （1）按化学成分分类 z 1.1 金属材料z （2）按质量分类 z 按照钢中硫（S）和磷（P）的含量可分为普通钢、优质钢和高级 优质钢。 z 普通钢S0.055%；P0.045%； z 优质钢S、P均应0.04%； z 高级优质钢S0.03%；P0.035% z （3）按用途分类 z 根据钢的用途主要可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。 z 结构钢主要用于制造各种工

3、程构件和机器零件。这类钢一般属于 低碳或中碳的碳素钢或合金钢。 z 工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢一般属于高 碳钢或高碳合金钢。 z 特殊性能钢是具有特殊物理性能或化学元素性能的钢，如不锈钢 、耐热钢、耐磨钢等，这类钢一般属于高合金钢。1.1 金属材料z 2、钢的编号 z 钢的品种繁多，为了便于选择和使用，必须制定科学的编号系统 。编号的要求是用简明的符号将钢中所含元素的大致百分数表示 出来。有时通过编号还能说明钢的性能特征。 z （1）普通碳素结构钢 z 这类钢主要保证机械性能，故其牌号用Q+数字表示，其中“Q“为“ 屈“字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值，例如Q275表示

4、屈 服强度为275MPa的碳素结构钢。若牌号后面标注A、B、C、D， 则表示钢材质量等级不同，其中A级最低，D级最高。若在牌号后 标注字母“F“则为沸腾钢，未加标注的为镇静钢。例如Q235-AoF 表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。1.1 金属材料z （2）优质碳素结构钢 z 优质碳素结构钢主要用于制造各种机器零件，这些零件一般都要 经过热处理以提高其机械性能。这类钢的硫、磷含量都限制在 0.040%以下。编号方法是采用两位数字表示钢中平均含碳量为万 分之几。例如含碳为0.45%（万分之四十五）左右的优质碳素结 构钢编号为45钢；含碳0.08%左右的低碳钢称为08钢等。若钢中 含锰较高则

5、在钢号后面附以锰的元素符号Mn如15Mn、45Mn等。 z （3）碳素工具钢 z 这类钢的含碳量较高，一般介于0.651.35之间。它的硫、磷含 量限制得更严格些。一般的碳素工具钢均属于优质钢。当硫、磷 含量分别限制在0.030%以下时则为高级优质工具钢。 z 碳素工具钢的编号是以“T“（碳的汉语拼音字头）开头，后面标以 数字表示含碳量的千分之几。例如T8就是代表平均含碳量为0.8% 的碳素工具钢；T13则代表平均含碳量为1.3%的碳素工具钢。若 为高级优质碳素工具钢，则在编号最后加以“A“，例如T8A、T13A ，1.1 金属材料z （4）合金结构钢 z 这类钢的编号是利用“两位数字+元素符

6、号+数字“来表示。前面的 两位数字代表钢中平均含碳量的万分之几，元素符号表示钢中所 含的合金元素。元素后面的数字表示该元素的平均含量的百分之 几。如果平均含量低于1.5%，则不标明含量。如果平均含量大于 1.5%、2.5%、3.5%，则相应地以2、3、4等表示。例如 12CrNi3钢，其平均含碳量为0.12%，平均含铬量小于1.5%，平 均含镍量为3%。又如30CrMnSi钢，其平均含碳量为0.3%，铬、 锰、硅三种合金元素的含量均小于1.5%。若为高级优质合金结构 钢，则在钢号的最后加“A“字，例如20Cr12Ni14WA。 z （5）合金工具钢 z 编号与合金结构钢相似，仅含碳量的表示方法

7、有所不同。当合金 工具钢的平均含碳量大于或等于1.00%时，其含碳量不予标出。 平均含碳量小于1.00%时，以千分之几表示。例如：9SiCr钢，其 平均含碳量为0.9%，硅和铬的平均含量小于1.5%。1.1 金属材料z 二、 金属材料的基本性能 z 金属材料的基本性能是指它的物理性能、机械性能、化学性能和 工艺性能，这些性能一般都受其化学成分的影响。 z 1、化学成分 z 化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑韧性等有较大 影响，对热处理效果也有较大影响。 z （1）碳（C） z 主要元素。一般地，碳含量增加，强度极限和硬度提高，而塑性 、韧性下降。当碳的含量超过0.9%时，钢的强度极限

8、反而降低。 碳含量偏高会对钢的焊接性能产生不利影响。 z （2）硫（S） z 一种有害元素。以FeS形式存在（熔点只有989），使钢材在热 加工时容易开裂，产生“热脆“现象。硫含量高还使材料的断裂韧 性降低。1.1 金属材料z （3）磷（P） z 也是一种有害元素。磷能全部溶于铁素体中，使强度和硬度增加 ，会导致塑性和冲击韧性的显著降低。在低温变脆，产生“冷脆” 现象。在某些特殊用途钢中，如含磷的铜钢，可以提高在大气中 的耐蚀性。 z （4）锰（Mn） z 一种有益的元素。锰是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的 。由于锰可以和硫形成高熔点(1600)的硫化锰，能减轻硫的有 害作用，并能提高钢

9、的强度和硬度，是低合金钢中的常见元素。 z （5）硅（Si） z 一种有益的元素。作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。能使钢的 强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。硅作为合金元素， 可以提高钢的耐蚀性和耐热性，但过量的硅会恶化钢的热加工工 艺性能。1.1 金属材料2、物理性能 物理性能主要指密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导电性以及弹 性模量等。 （1）弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。 （2）线膨胀系数是指材料在温度变化1时单位长度的伸缩变化值 ，其值可从机械设计手册中查取。 （3）导热系数是指当温度梯度（温度差与器壁厚度的比值）为 1K/m，每小时通过每平方米传热面积传过的热量，

10、单位为 W/(mK）。 3、机械性能材料的机械性能主要是指材料的弹性、塑性、强度和韧性。 （1）材料的弹性和塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又能够恢复其原来形 状的性能，称作材料的弹性。塑性是指材料在外力作用下产生塑 性变形而不破坏的能力。1.1 金属材料（2）材料的强度 u 强度是金属材料在外力作用下低抗塑性变形和断裂的能力。 抗拉强度:抗拉强度是金属材料试样在拉断前所能承受的最大应力， 以b表示，单位为MPa。 屈服极限：是金属材料开始产生屈服现象时的应力，以s表示，单 位为MPa。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生0.2%塑性变 形时的应力作为屈服强度，以0.2表示。 屈强比

11、：屈服极限和抗拉强度的比值称为屈强比。这个比值可反映 材料屈服后强化能力的高低。一般高强度钢的屈强比数值较大， 低强度钢的屈强比较小。 持久强度：持久强度是材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规 定的持续时间内（如105 h）引起断裂时的应力。用 Tt表示，单 位为MPa。1.1 金属材料蠕变强度:指在给定的温度下，在规定的时间内（如105h），使试样 产生的蠕变变形量不超过规定值（如1%）时的最大应力，以 表 示，单位为MPa。 疲劳破坏: 零件或构件在工作过程中受到方向、大小反复变化的交 变应力的长期作用下，会在应力远小于该材料的屈服强度情况下 ，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳破坏。

12、疲劳强度:是指材料在经受N次应力循环而不断裂时的最大应力，以 1（纯弯曲疲劳），1（扭转疲劳）表示，单位为MPa。 (3)硬度硬度是材料抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力。用标准试验 方法测得的表面硬度是材料耐磨能力的重要指标。 （4）材料的韧性韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映，用来衡量材料的抗裂 纹扩展能力。1.1 金属材料冲击韧性:衡量材料韧性的指标之一。可用带缺口的冲击试样在冲击 试验中所吸收的冲击功数值作为冲击韧性值。 断裂韧性:材料的冲击韧性可指导选材，但冲击功不能直接用于设计 计算，而且许多压力容器由于裂纹的存在也可以在塑性与冲击韧 性值足够大的情况下发生脆性断裂事故。为了能更

13、科学地判断容 器是否存在较大宏观缺陷，特别是裂纹性缺陷时是否会发生低应 力脆断，近年来已把断裂力学中的断裂韧性指标用于压力容器的 防脆断设计或安全评定。这些断裂韧性值可以衡量材料的韧性情 况，即可看出存在裂纹时材料所具有的防断能力。 *无塑性转变温度（NDT）:在不同的温度下测定出一系列的冲击韧 性值，可以发现材料在某一温度区间随温度降低韧性值突然下降 。由此可得出该材料的无塑性转变温度，以便确定材料的最低使 用温度。1.1 金属材料（5）温度对材料机械性能的影响 一般金属材料的机械性能，随温度的升高会发生显著的变化。 *材料在高温下应力松弛 *材料在低温下材料的冷脆性。 4、材料的工艺性能材

14、料要经过各种加工后，才能做成设备或机器的零件。材料在加 工方面的物理、化学和机械性能的综合表现构成了材料的工艺性 能，又叫加工性能。选材时必须同时考虑材料的使用与加工两方 面的性能。水工艺与工程中容器和设备主要零部件的制造主要是焊接、锻造 、切削、冲压、弯曲和热处理工艺过程。1.1 金属材料（1）可焊性：指被焊金属在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数 及结构型式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 *工艺可焊性主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向 *使用可靠性包括焊接接头的机械性能及其他特殊性能（如耐热、耐 蚀性能等）。 （2）可锻性：金属承受压力加工的能力叫金属的可锻性。 （3）切削加工性：

15、材料被切削加工的难易程度。 （4）成型工艺性：成型就是金属在热态或冷态下，经外力作用产生 塑性变形而成为所需形状的过程。 （5）热处理性能：热处理是以改善钢材的某些性能为目的，将钢材 加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以不同的 速度冷却下来的一种操作。1.1 金属材料三、耐蚀金属材料及性能金属材料的化学性能最主要的是指它的耐腐蚀性。材料抵抗周围 介质对腐蚀破坏的能力称为材料的耐腐蚀性能。耐蚀性不是材料 固有不变的特性，它随材料的工作条件而改变。 1、碳钢和普通铸铁的耐蚀性 （1）耐蚀性能 *在淡水、大气、土壤、海水等中性介质中都不耐蚀； *在各类干燥气体和有机溶剂等介质中耐蚀性良

16、好； *在低浓度碱溶液及浓硫酸、浓氢氟酸等介质中，碳钢和普通铸铁表 面能生成稳定的膜，因而是耐蚀的。 （2）影响耐蚀性的因素： 介质组成；铁碳合金的成分和组织；钢铁热处理条件差异。1.1 金属材料2、 耐蚀合金铸铁在铸铁中加入某些合金元素可以大大提高它在一些介质中的耐蚀性 。如添加硅、铬、铝等元素，可使铸铁表面形成连续、致密、牢固 的表面膜；添加镍能获得耐碱性介质腐蚀性能优良的奥氏体铸铁； 加稀土元素、镁，能使石墨球化，从而大大改善高硅铸铁的力学性 能和工艺性能。 3、耐蚀低合金钢耐蚀低合金钢通常是指在碳钢中加入合金元素的总量低于3%左右的 合金。加入的合金元素种类、含量不同，所起的作用不同。根据在不同介质中的耐腐蚀性能，可将耐蚀低合金钢分为如下几种 ：（1）耐大气腐蚀钢种（2）耐海水腐蚀钢种（3）耐硫化氢腐蚀钢种1.1 金属材料4、不锈钢不锈钢是铬、镍含量较高的合金钢。通常把耐大气腐蚀的合金钢 称为不锈钢，把在酸中及其它强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金