化工设备机械基础ppt课件.ppt

工程力学部分复习,第一节 杆件的拉压,例题2-1P30 计算如图所示杆件1-1，2-2，3-3截面上的内力（轴力），设p=p=100N，Q=Q=200N。,第一节 弹性体的变形与内力,解：图a1. 1-1截面 取截面右侧为研究对象，其轴力等于截面右侧所有外力的代数和。S1=P-Q=100-200=-100N，为负值，说明是压缩轴力。2.同理得2-2截面上轴力：S2=-Q=-200N（压）图b1. 1-1截面S1=P=100N（拉）2.2-2截面S2=P-Q=100-200=-100N（压）3. 3-3 截面S3 =P=100N（拉）,例 求截面1-1，2-2，3-3上的轴力，画轴力图。,轴力图,受拉直杆内的应力1.应力的概念：,= S/A,按照以上应力的定义，将某点的应力沿空间三个坐标方向分解，得到两种应力：,正应力方向垂直于横截面的应力，常以表示切应力方向平行于横截面的应力，常以表示,第二节 材料的力学性能,应力-应变曲线（p33图212）,应力-应变（-）图,-比例极限e-弹性极限s-屈服极限b-强度极限,Q235-A b =375500MPa,低碳钢(C0.3%)拉伸实验,滑移线,颈缩,第二节 材料的力学性能,3.从拉伸试验中得到的力学性能参数拉伸试验的四个阶段：（1）弹性变形阶段与虎克定律曲线ob段表示材料的弹性变形阶段。b点所对应的应力是保证材料不发生不可恢复变形的最高限值，此应力值称为弹性极限，用e表示。低碳钢的弹性极限e大约是210MPa。弹性阶段，应力与应变成直线关系，Oa与横轴夹角为，则：,此即胡克定律，说明应力与应变成正比，比例常数E 叫做弹性模量。胡克定律同样适用于受压杆。,弹性变形阶段,OA段，比例极限P (弹性极限),Q235-A，200MPa,EA抗拉刚度,E弹性模量，低碳钢 E=(2.0-2.1)x105MPa,去外力后变形完全消失的性质称为弹性。,第二节 材料的力学性能,横向变形,横向线应变, 横向变形系数或泊松比,纵向线应变,第二节 材料的力学性能,(2)屈服阶段、屈服极限S,一般认为应力到达屈服极限是材料丧失工作能力的标志，零件的实际工作应力必须低于s。 名义屈服极限0.2： 0.2%的塑性应变所对应的应力。,滑移线或剪切线Q235-A s =235MPa,应力几乎不变，应变不断增加，产生明显的塑性变形的现象，称为屈服现象。,第二节 材料的力学性能,塑性良好材料拉伸,第二节 材料的力学性能,（3）强化阶段 经过屈服阶段之后，材料又增强了抵抗变形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服阶段之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，称为应变硬化。硬化阶段的最高点所对应的正应力，称为材料的强度极限（抗拉强度），并用b。 抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，它是试件拉断前最大负荷下的应力，反映了材料抵抗断裂能力的大小，是衡量材料强度的一个重要指标。低碳钢的b大约为380MPa。,由于外力作用的形式不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。,第二节 材料的力学性能,（4）颈缩阶段当应力增长至最大值b之后，试样的某一局部显著收缩，产生所谓“颈缩”。之后，使试件继续变形所需之拉力减小，应力应变曲线相应呈现下降，最后导致试样在颈缩处断裂。,第二节 材料的力学性能,（5）试件断裂后的处理（塑性指标）延伸率试件被拉断后对接起来测出其长度为l1，则l1-l0是试件在被拉断后总的塑性伸长量，由此定义延伸率：,值反映的是材料在断裂前最大能够承受的塑性变形量，是评价材料塑性好坏的一个指标。对于初始标距分别为l0=10d 和 l0=5d，延伸率表示为：和5。低碳钢的值为2030%，认为具有良好的塑性，而灰铸铁的大约为1%，认为是典型的脆性材料一般认为：5%为塑性材料，5%为脆性材料。,第二节 材料的力学性能,断面收缩率,式中A0是试件原始横截面面积，A1是试件拉断后颈缩处测得的最小横截面面积。低碳钢的值大约为60%。s、b、是工程上常用的性能指标，在材料手册或机械设计手册中能查到。,第二节 材料的力学性能,试件的中途卸载与重复拉伸,在强化阶段卸载后，如重新加载曲线将沿卸载曲线上升。,对试件预先加载，使其达到强化阶段，然后卸载；当再加载时试件的线弹性阶段将增加，而其塑性降低。称为冷作硬化.,反映材料力学性能的主要指标：,强度性能：抵抗破坏的能力，用s和b表示。弹性性能：抵抗弹性变形的能力，用E表示。塑性性能：塑性变形的能力，用延伸率和截面收缩率表示。,16锰钢的机械性能优于低碳钢。,4.脆性材料受拉时的力学性能主要特点：不发生颈缩0不产生伸长量0只能测出断裂极限b，不能测 出其它极限。,第二节 材料的力学性能,铸铁拉伸应力-应变图,灰铸铁b =205 MPa,二、压缩时材料的力学性能材料压缩试验，通常采用短试样。塑性材料：发生屈服前，与拉伸时应力应变曲线基本重合；屈服后，其应力应变曲线上翘，无断裂极限。脆性材料：压缩断裂极限比拉伸断裂极限大很多，通常是抗拉强度的45倍。因此铸铁常被做成机座等承压构件。,第二节 材料的力学性能,低碳钢压缩,铸铁压缩,塑性材料和脆性材料力学性能比较,塑性材料,脆性材料,断裂前有很大塑性变形,断裂前变形很小,抗压能力与抗拉能力相近,抗压能力远大于抗拉能力,延伸率 5%,延伸率 5%,可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工,适合于做基础构件或外壳,材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改变而改变。,第二节 材料的力学性能,三、温度对材料力学性能的影响1.温度对短时静载试验所得结果的影响 （参见P39图2-20）总趋势为随着温度的升高，材料的E，s，b均降低，而，增大。 随着温度的降低，材料的塑性指标减小，室温下塑性良好的材料如钢在液氢温度时变为脆性材料。 低温下工作的构件，往往在应力远未达到材料屈服限前即遭破坏，因此在低温（-20）下工作的容器，注意材料的选择。,温度对短时静载试验结果的影响,第二节 材料的力学性能,2.高温时的蠕变与应力松弛（1）蠕变及蠕变极限(n )蠕变：是指在高温和一定应力下应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和内应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。对于某些金属，如铅、锡在常温下也有蠕变现象，而钢和有色金属在温度超过一定值后才会发生蠕变，如碳素钢在300350以上、合金钢在350400以上时才发生蠕变。蠕变极限：在某一高温下，为使试件10万小时内产生的塑性应变值不超过1%，允许试件能够承受的最大应力值，称作在该温度、该蠕变速度条件下的蠕变极限。用n表示 。,第二节 材料的力学性能,蠕变极限与材料的组成、组织结构有关，而且与工作温度和允许的蠕变速度紧密相连。反映了材料在一定高温下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。,第二节 材料的力学性能,（2）持久强度把试件在某一高温下，在规定的时间内不断裂所允许试件承受的最高应力，称作材料在该温度下、该持续时间内的持久强度，用D表示 。,（3）应力松弛在总变形量保持不变，初始弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象，称为应力松弛。如高温管道上的法兰连接螺栓。,第二节 材料的力学性能,四、金属的缺口冲击试验是将带有缺口并具有标准尺寸的长方形试件从缺口处冲断的一种试验（P41图223）。摆锤冲断试件所消耗的功称为冲击功，用Ak表示，单位为焦耳。单位断口截面的冲击功称为材料的冲击韧性，用akv或akU表示。 akv反映了材料抗脆性断裂的能力，也即韧性的好坏。韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。测取冲击功的目的：一是在一定程度上反映材料的抗脆断能力（材料对微观缺陷敏感性）；二是确定材料的脆性转变温度本节其它内容自学，了解。,截面突变（如阶梯轴）和轴力突变，应将杆件在截面突变处和轴力突变处分断，分别求出各段的变形，再相加，得到总体变形。,补充：虎克定律的应用,当截面尺寸和轴力沿截面的变化是平缓的，且外力作用线与轴线重合，总体变形积分计算。,例 变截面杆是圆锥的一部分，左右两端的直径分别为d1和d2。如果不计杆件的自重，求在轴向拉力P作用下杆件的变形。,超静定问题,例 三根同材料和截面的钢杆一端铰接墙壁上，另一端铰接在一平板刚体上，其中两侧钢杆长度为L，而中间一根钢杆较两侧的短=L/2000，求三杆的装配应力。设E=210GPa。,N1=N2，N3=N1+N2 变形协调条件得到：,本章作业：检测题 自己做，不交。P45 习题2.P45 习题5.P46 习题6.,第三章 受拉（压）构件的强度计算,第一节 受拉直杆的强度计算第二节 拉（压）杆件连接部分的剪切和挤压强度计算,第一节 受拉直杆的强度计算,一、强度条件的建立与许用应力的确定1.受拉直杆的强度条件为了保证拉（压）杆的正常工作，必须使其最大工作应力不超过材料在拉伸（压缩）时的基本许用应力，即：,此即受拉（压）直杆的强度条件。,许用应力 从保证材料安全的角度出发，构件截面上的工作应力人为规定一个最高允许值，此最高允许值称为材料的基本许用应力，简称许用应力， 用表示。,第一节 受拉直杆的强度计算,2.许用应力的确定 许用应力按下式确定：式中： 许用应力，计算值，MPa 极限应力或危险应力，试验值，MPa n 安全系数,关于安全系数：,n的准确取值需综合考虑如下因素：1. 构件的重要程度；2. 计算载荷的精度；3. 材料的质量；4. 构件的加工质量；5. 设计公式的可靠度；6. 构件的工作条件。,第一节 受拉直杆的强度计算,n的确定原则：在保证安全的前提下尽量取小值。过于安全会造成浪费，过于节省会造成危险。,应用强度条件可解决三类实际问题：,1. 设计构件的截面尺寸：,3. 校核强度：,第一节 受拉直杆的强度计算,例 已知油压力p=2MPa，内径D=75mm，活塞杆直径d=18mm，材料的许用应力=50MPa，校核活塞杆的强度。,强度足够,例 矩形截面的阶梯轴，AD段和DB段的横截面积为BC段横截面面积的两倍。矩形截面的高度与宽度之比h/b=1.4，材料的许用应力=160MPa。选择截面尺寸h和b,由h/b=1.4,第二节 拉（压）杆剪切和挤压强度计算,一、剪切变形与剪力当杆件承受大小相等、方向相反、作用线相互平行、相距很近的两个横向力作用时，如果该二力相互错动并保持二者作用线之间的距离不变，这时杆件的两个相邻截面将产生相互错动使直杆变为平行折杆。这种受力与变形形式称为剪切。剪切时，杆件横截面上只有剪力一个内力分量。,第二节 拉（压）杆剪切和挤压强度计算,一、剪力,内力Q,第二节 拉（压）杆剪切和挤压强度计算,二、连接零件剪切强度的实用计算对于以受剪切为主的构件应进行剪切强度计算。工程上为简化计算，常假设剪力Q在截面内按均匀分布来考虑，所以称为实用计算。剪切强度条件：式中称为材料的许用剪应力。许用剪应力通过材料剪切试验确定。或者以材料许用拉应力乘以一个系数作为许用剪应力，对于钢材工程中常取=（0.750.80）,2022/12/24,48,塑性材料： =（0.60.8） 脆性材料： =（0.81.0）,强度校核、截面选择和求许可载荷,三、剪切强度条件,2022/12/24,49,例 P=20kN，销钉16Mn， =140MPa直径d是多少才能安全起吊。,2022/12/24,50,补充：剪切变形和剪切虎克定律,剪切变形、剪应变,为剪应变或角应变，rad。由剪应力决定,2022/12/24,51,剪切虎克定律,剪切弹性模量G，MPa,2022/12/24,52,剪应力互等定理,剪应力互等定理：在相互垂直的两个平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等；两者都垂直于两个平面的交线，方向则共同指向或背离这一交线。,第二节 拉（压）杆剪切和挤压强度计算,三、连接零件的挤压强度计算 某些连接零件在发生剪切变形时，其承受外力的表面还伴随有局部承压现象。在局部承压面上的压力称为挤压力，与之相应的应力称为挤压应力。挤压强度条件为：,2022/12/24,54,挤压的概念、挤压应力,2022/12/24,55,挤压强度条件,塑性材料： jy=(1.7-2.0)脆性材料： jy=(2.0-2.5),2022/12/24,56,例 平键联接，d=70mm，键的尺寸为,校核键的强度,2022/12/24,57,本章作业：检测题全做。不交。P54 习题2,3,2022/12/24,59,第四章 直梁的弯曲,第一节 梁的弯曲实例与概念,以弯曲为主要变形的构件在工程上称为梁。,2022/12/24,60,在内部液体和自重的作用下，卧式容器会发生弯曲变形。,2022/12/24,61,起吊重物时，桥式吊车的吊车梁就会发生弯曲变形,2022/12/24,62,安装在室外的受到风载的作用的塔设备,2022/12/24,63,受管道重量的作用要发生变形的管道托架,2022/12/24,64,工程实际中的弯曲问题,2022/12/24,65,受力特点：在构件的纵向对称平面内，受到垂直于梁的轴线的力或力偶作用，使构件的轴线在此平面内弯曲为曲线，这样的弯曲称为平面弯曲。,2022/12/24,66,通过梁的轴线和截面对称轴的平面叫做纵向对称面。,多数情况下，梁上的外力均垂直于梁的轴线，并作用在纵向对称面内，在这样的外力作用下，梁的轴线在纵向对称面内弯曲成为一条平面曲线，这种弯曲变形称为平面弯曲。,2022/12/24,67,梁的类型,2022/12/24,68,第二节 梁横截面上的内力 剪力和弯矩,一、截面法求内力剪力Q和弯矩M,2022/12/24,69,2022/12/24,70,内力符号规定如下：,2022/12/24,71,2022/12/24,72,弯矩正负号,M,M,M,M,正,负,使梁下凹为正，向上凸为负,弯矩的计算法则：任一横截面内的弯矩在数值上等于该截面一侧所有横行外力对该截面中性轴取矩的代数和，凡向上的外力，其矩取正值，向下的外力，其矩取负值。,2022/12/24,73,第三节 弯矩方程与弯矩图,一、剪力方程式和弯矩方程式,二、内力图剪力图和弯矩图,2022/12/24,74,例4-1简支梁受集度为q的均布荷载作用，画出此梁的剪力图和弯矩图。,2022/12/24,75,例4-2简支梁在C点处受集中荷载P作用，画出此梁的剪力图和弯矩图。,2022/12/24,76,例4-3简支梁在C处受一集中力偶mC的作用，画出剪力图和弯矩图。,2022/12/24,77,2022/12/24,78,2022/12/24,79,变形几何条件,物理条件：弹性范围内,第四节 弯曲时横截面上的正应力及其分布规律,2022/12/24,81,静力平衡,2022/12/24,82,J横截面对中性轴z的惯性矩，m4,W称为抗弯截面模量，单位为：cm3。,梁纯弯曲时横截面上的最大正应力的公式为：,2022/12/24,83,横力弯曲,横截面翘曲，横向力引起挤压应力平面假设和各纵向纤维不互相挤压不成立均布载荷作用下的矩形截面简支梁，L/h5时，按纯弯曲正应力计算，误差1%。,2022/12/24,84,2022/12/24,85,梁弯曲时的强度条件,利用强度条件，可对梁进行强度校核、选择截面尺寸及确定许可荷载。,2022/12/24,86,根据强度条件可进行：,1、强度校核:,2、截面设计:,3、确定梁的许可荷载:,2022/12/24,87,第六节 提高梁弯曲强度的措施,一、支撑和荷载的合理布置二、选择合理的截面形状,2022/12/24,88,支撑的合理布置,2022/12/24,89,载荷的合理布置,2022/12/24,90,二、选择合理的截面形状,2022/12/24,91,材料远离中性轴,矩形0.167h；圆形0.125h；环形 0.205h 工字钢和槽钢(0.270.31)h,2022/12/24,92,等强度梁,2022/12/24,93,第七节 梁的弯曲变形,一、梁的挠度和转角变形后梁的轴线称为弹性曲线或挠曲线挠度 f梁的挠曲线方程 f = f(x)转角,2022/12/24,94,二梁的变形的求解直接积分法和叠加法,2022/12/24,95,2022/12/24,96,本章作业：P83习题5.P84 习题9.,2022/12/24,98,第五章 圆轴的扭转,第一节 圆轴扭转的实例与概念,2022/12/24,99,受力特点：反向力偶变形特点 B端相对于A端面的转角，称为扭转角,2022/12/24,100,第二节 扭转时的外力和内力,一、扭转时外力偶矩的计算 若已知圆周力P和轮子半径R，则外力偶矩,若已知P(kW)和n(r/min),2022/12/24,101,二、扭转时横截面上的内力,右手螺旋法则当矢的指向 离开截面时扭矩为正， 反之为负,2022/12/24,102,第三节 扭转时横截面上的应力,一、应力分布规律,无正应力有剪应力，与半径垂直,2022/12/24,103,变形关系,物理关系,2022/12/24,104,二、横截面上剪应力计算公式,2022/12/24,105,截面的极惯性矩,抗扭截面模量,2022/12/24,106,第四节 扭转的强度条件,强度校核、设计截面与确定许可载荷,2022/12/24,107,第五节 圆轴的扭转变形与刚度条件,一、圆轴的扭转变形,2022/12/24,108,2022/12/24,复习结束,二、扭转的刚度条件,要求精密度高、运转稳定的轴： =0.25o0.50o/m要求一般的轴： =0.50o1.0o/m要求精密度低的轴： =1.0o3.0o/m,第二篇 压力容器,第六章 压力容器与化工设备常用材料 第七章 压力容器中应力分析与计算第八章 内压容器设计第九章 外压容器的稳定性计算第十、十一章 容器附件第十二章 压力容器的开孔和补强第十三章 容器支座,2022/12/24,111,第六章 化工设备材料,第一节 概 述 根据物料与适宜工作条件选材 物料腐蚀性：铸铁抗硫化氢 压力与温度 蠕变、氢腐蚀、低温脆性等,2022/12/24,112,材料的性能： 力学性能、物理性能、化学性能和机加工性能,一、力学性能决定许用应力 强度、硬度、弹性、塑性、韧性等,2022/12/24,113,1、强度：是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力,按所抵抗外作用形式分为： 抵抗恒定外力静强度 抵抗冲击外力冲击强度 抵抗交变外力疲劳强度,按环境温度分为： 常温下抵抗外力常温强度 高温下抵抗外力高温强度 低温下抵抗外力低温强度,2022/12/24,114,常温强度指标： 屈服强度和抗拉(压)强度 屈强比适当 蠕变极限n 疲劳极限r , r= min/ max ,应力循环系数或应力比，如-1,以106-107次不被破坏的应力 （r循环特性）,补充:静应力与变应力稳定变应力周期、应力幅和平均应力都不随时间变化的变应力,2022/12/24,116,2、硬度,局部抵抗能力 弹性、强度与塑性的综合性能指标 硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV) 低碳钢 b=0.36 HB 高碳钢 b=0.34 HB 灰铸铁 b=0.1 HB,2022/12/24,117,3、塑性,延伸率 ,断面收缩率 ,化工设备材料一般要求5=10%-20%,2022/12/24,118,4、冲击韧性,冲击韧度k，使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积 低温容器所用钢板k值不得低于30J/cm2,2022/12/24,119,二、物理性能,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。,(1) 密度 单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的零件，均采用密度小的铝合金制造。(2) 熔点 熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。(3) 导热性 金属传导热量的能力称为导热性。一般说，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金属。,(4) 导电性 金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件。(5) 热膨胀性 金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。(6) 磁性 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料)铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。,2022/12/24,122,2022/12/24,123,三、化学性能,1、耐腐蚀性 金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力2、抗氧化性 高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度 选耐热材料,2022/12/24,124,2022/12/24,125,四、加工工艺性能,1、可铸性：收缩与偏析2、可锻性3、焊接性4、可切削加工性,2022/12/24,126,第二节 碳钢与铸铁,“铁碳合金”由95以上铁和0.054碳及1左右杂质元素所组成合金 一般含C量（质量分数）0.022称为钢； 大于2称为铸铁； 当含C量小于0.02时称纯铁(工业纯铁)； 含C量大于4.3的铸铁极脆,2022/12/24,127,一、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，简称组织,2022/12/24,128,电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构 不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格,体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,2022/12/24,129,铸铁中的C以石墨形式存在，有不同的组织形貌。,球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,2022/12/24,130,2、纯铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方晶格的铁称为g-Fe。 a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。 纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程是钢进行热处理的依据。,2022/12/24,131,3、碳钢的基本组织,C在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。 固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式。 三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,2022/12/24,132,组元：纯铁、 Fe3C,基本组织： 单相组织： F、A、 Fe3C 莱氏体Ld：（A Fe3C ）在共晶点上得到，塑性韧性很差，是硬而脆的组织 珠光体P：（ F Fe3C ）在共析点上得到，具有良好的力学性能,2022/12/24,133,（1）铁素体（ferrite）,C溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006），强度、硬度低，塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。,2022/12/24,134,（2）奥氏体（Austenite）,C溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大，C的溶解度比a-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。,2022/12/24,135,（3）渗碳体（Cementite）,碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。 熔点约1600，硬度高，塑性几乎等于零。 铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含C量大于2时，部分C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。,2022/12/24,136,（4）珠光体（Pearite）,铁素体与渗碳体的机械混合物 (FFe3C )用符号P表示 。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合了铁素体和渗碳体优点，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。其组织为层片状结构，其综合力学性能好。,2022/12/24,137,（5）莱氏体（Ledeburite）,莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬度很高，塑性极差，几乎为零 。是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。,2022/12/24,138,（6）马氏体（白色）,钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,2022/12/24,139,二、铁碳合金状态图,2022/12/24,140,钢在加热时形成单一的奥氏体组织。,按组织不同： 含C量0.77%过共析钢 含C量=0.77%共析钢,2022/12/24,141,所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。,2022/12/24,142,三、钢的热处理,钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。,1、退火和正火铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,退火的功能是：退火可消除冷作硬化，恢复材料的良好塑性；细化铸焊工件的粗大晶粒，改善工件的机械性能；消除残余应力，防止工件变形；可使高碳钢中的网状渗碳体球化，降低材料硬度，提高塑性，便于切削加工。,（1）退火：是将工件加热至某一温度（临界点以上），保温一段时间，然后随炉或埋入沙中缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。,（2）正火：正火与退火的不同之处是在空气中冷却，冷却速度较快。经过正火处理的工件较退火处理硬度和强度要高。,正火和退火主要有四个区别：(1)正火的温度较高,退火的温度较低. (2)正火的冷却速度比退火的冷却速度快. (3)使用效果不同，在渗碳处理以后，正火能消除网状渗碳体，退火则不能.对含碳量在0.25%以下的， 正火后可提高硬度，改善切削加工性能，退火却做不到。 (4)正火的周期短，操作方便；退火的周期长，操作较麻烦(指需要控制一定的冷却速度)。,2022/12/24,145,2、淬火和回火,加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂：空气、油、水、盐水，冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。,2022/12/24,146,回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。 在150250范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。,2022/12/24,147,中温回火温度是300450。有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。综合性能：强度、韧性、塑性等都较好 淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,2022/12/24,148,时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。,2022/12/24,149,3、表面淬火,使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。,2022/12/24,150,4、化学热处理,渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。,2022/12/24,151,第三节 碳素钢,一、常存杂质元素对钢材性能的影响 硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等 1 硫 有害元素。FeS和 Fe形成低熔点(985)化合物。钢材热加工11501200，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。 高级优质钢：S0.02%0.03%； 优质钢：S0.03%0.045%； 普通钢：S0.055%0.7%以下。,2022/12/24,152,2 磷,有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏， 高级优质钢： P0.025%； 优质钢： P0.04%； 普通钢： P0.085%。,2022/12/24,153,3 锰,脱氧剂。有益元素。 MnS(1600)，部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。 在0.5%0.8%以下时，看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；高锰结构钢可达0.7%1.2%。,2022/12/24,154,4 硅,脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。,2022/12/24,155,5 氧,有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。,2022/12/24,156,6 氮,长时间放置或在200300加热氮以氮化物形式的析出，硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。,2022/12/24,157,7 氢,氢脆、白点等缺陷。变脆：氢化物变形小 白点：组织缺陷处扩散氢，时间长,2022/12/24,158,二、分类与牌号,按用途：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（不锈钢、耐热钢）按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢,（一）按钢中碳含量 （1）低碳钢 (C 0.6%)：强度、硬度较高，塑性差，用来制作弹簧、钢丝绳等。,（1）普通碳素钢,质量等级A，B，C，D。A 最差，D 最好 脱氧方法为F，b，Z，TZ（后两者标注可省略）。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢Z。 普通碳素钢有 Q235-A，屈服强度数值（MPa）还包括：Q195、 Q215、Q255及Q275，共5个钢种。,（二）按钢的质量,碳钢有普通与优质两种。区别？,硫S 磷P,Q195、 Q275不分级；Q215、Q255分为A、B两个等级。Q235分为A、B、C、D四个等级,2022/12/24,161,（2）优质碳素钢,S0.03%0.045% ；P0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。平均含碳量的万分之几。 牌号含义：45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。 45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。,2022/12/24,162,优质低碳钢（含C0.25%），如08、10、 15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。 优质中碳钢（含C量0.3%0.60%）,如30、35、40、45、50与55； 45号钢搅拌轴 优质高碳钢（含C0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。,2022/12/24,163,（3）高级优质钢,S0.02%0.03%； P0.025%，均0.03%。 它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。,碳素工具钢如T8表示平均碳含量为0.8的优质碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，表示钢中硫、磷含量较少，为高级优质钢，如T10A。,优质铸造碳钢如ZG200 400表示。S200 MPa，b400 MPa的铸钢。,（1）容器专用钢板,如20R，16MnR。R 容,（三）专用钢材,碳钢有普通与优质两种。区别？,（2）锅炉专用钢板钢管,如20g，20G。g,G 锅，小写板，大写管,（3）焊接气瓶专用钢板,如HP245HP365。数字表示屈服极限,2022/12/24,169,三、碳钢的品种及规格,品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）（P109） 4mm6mm厚度间隔为0.5mm 6mm30mm厚度间隔为 lmm 30mm60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、 Q235-AF、08、10、15、20等。,2022/12/24,170,（2）钢管 （P111）,无缝钢管和有缝钢管。 无缝钢管有冷轧和热轧。 普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。 专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。,2022/12/24,171,（3）型钢,（1）圆钢和方钢 Q235AF、20、25、45及合金钢，主要用来制造各种轴件；,（2）扁钢 Q235A、Q235AF、20及16Mn等，常用作各类桨叶。,（3）角钢、工字钢及槽钢 Q235A、Q235AF、及16Mn等，可做各类设备的支架、塔盘支承及各类加强结构。,2022/12/24,172,（4）铸钢和锻钢,铸钢用 ZG表示， 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。石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。,2022/12/24,173,五、铸铁,含C量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。 脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。 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。,2022/12/24,174,1、灰铸铁,2.7%4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。 有优良的铸造性、减振性能，支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。 在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。 HT和抗拉强度sb值表示，如 HT100，其中100表示sb100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。,2022/12/24,175,2、球墨铸铁,简称球铁。 在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。 用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示sb400MPa，18表示d=18%。,2022/12/24,176,3、高硅铸铁,有高的耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。 强度低、脆性大及内应力大，易于脆裂 热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,2022/12/24,177,第四节 合金钢,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。 一、分类与编号 按合金元素总含量分： 合金含量10%，高合金钢,2022/12/24,178,按用途分： 合金结构钢 调质结构钢、表面硬化钢 低碳马氏体钢、非调质结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 不锈钢和耐热钢等,2022/12/24,179,一种是汉字牌号，如35铬钼； 另一种是用国际化学符号，如35CrMo。 表示含碳量平均为万分之35(或0.35%)，含 Cr、Mo在1%左右。 当平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,2022/12/24,180,二、合金元素对钢的影响,目前常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,2022/12/24