《水工艺设备基础》第一章.ppt

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1、水工艺设备基础,2011.9,付英,给水排水工程专业基础课程,土木建筑学院,绪 论,课程的诞生课程设置背景课程的性质与任务课程涉及的知识点课程教学基本要求教材建设课程的教学安排八.参考资料,内容:,第一篇 基础知识,第1章 水工艺设备常用材料,主要内容：1.1 金属材料1.2 无机非金属材料1.3 高分子材料1.4 复合材料重点与难点 水工艺设备常用材料的种类、基本性能与特点；如何根据材料的性能、特点和水工艺设备要求，确定不同材料的适用条件和范围。,1.1金属材料,钢 碳钢:合金钢(不锈钢)：,金属材料的分类 碳钢、铸铁、合金钢、不锈钢、有色金属。,1.1金属材料,1、钢的分类（化学成分、质量

2、、用途）（1）按化学成分分类,1.1 金属材料,（2）按质量分类 按钢中硫（S）和磷（P）的含量可分为：,普通钢优质钢高级优质钢,1.1 金属材料,（3）按用途分类结构钢工具钢特殊性能钢,1.1 金属材料,2、钢的编号编号要求：1、用简明符号将钢中所含元素的百分数表示出来。2、通过编号说明钢的性能特征。编号分类：1、字母和数字（中国、德国、日本等）2、数字（美国）,（1）普通碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）合金结构钢（5）合金工具钢,1.1 金属材料,1.1.2 金属材料的基本性能 物理性能 机械性能 化学性能 工艺性能,化学成分,1.1 金属材料,水工艺与工程中容器和设备

3、主要零部件的制造工艺过程主要包括：焊接 锻造 切削 冲压弯曲 热处理,（1）可焊性（2）可锻性（3）切削加工性（4）成型工艺性（5）热处理性能,1.2 无机非金属材料,1.2.1 陶瓷材料分类(1)传统陶瓷：以粘土为主要原料：工业、日用。(2)玻璃：工业玻璃，建筑玻璃，日用玻璃(3)玻璃陶瓷：光学玻璃陶瓷，耐热耐蚀微晶玻璃(4)特种陶瓷：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷。有特殊物理、化学、机械性能。（耐蚀陶瓷、高温陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电光陶瓷）。(5)金属陶瓷：粉末冶金法生长的金属材料（制粉、成形、烧结）,硅酸盐材料,1.2 无机非金属材料,1.2.1.2 陶瓷基本性能：（1）机械性能（2）物

4、化性能 刚度 硬度 强度 塑性 韧性或脆性,热膨胀 导热性 热稳定性 化学稳定性 导电性,1.2 无机非金属材料,（1）机械性能 刚度 硬度 强度 塑性 韧性或脆性,1.2 无机非金属材料,刚度：由弹性模量(反映结合键的强度)衡量。陶瓷刚度在各类材料中最高，比金属材料高若干倍，比高聚物高24个数量级。硬度：由化学键强度决定。陶瓷在各类材料中硬度最高-最大特点。其硬度随温度升高而降低，但在高温下仍能保持较高数值。强度：实际强度比理论值低很多，其破坏作用比在金属中更大。,1/100-1/20,弹性模量=应力/应变。弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能

5、力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。,1.2 无机非金属材料,塑性：在室温下几乎无塑性。陶瓷晶体开始塑性变形的温度很高，因此有很高的高温强度。韧性或脆性：陶瓷受载时不发生塑性变形，在较低的应力下就会断裂，因此韧性极低或脆性极高。脆性是陶瓷的最大缺点，是阻碍其作为结构材料广泛应用的首要问题，是当前的重要研究课题。,1.2 无机非金属材料,（2）物化性能 热膨胀 导热性 热稳定性 化学稳定性 导电性,1.2 无机非金属材料,热膨胀：温度升高时物质原子

6、振动振幅提高、原子间距增大所导致的体积长大现象。陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，也比金属低很多。导热性：陶瓷的导热性比金属小，是较好的绝热材料。热稳定性：即抗热振性，指在不同温度范围波动时的寿命，常用在水中急冷且不破裂所能承受的最高温度来表征。陶瓷热稳定性很低，比金属低很多。这是陶瓷的另一个主要缺点。,1.2 无机非金属材料,化学稳定性：陶瓷结构稳定。具有很好的耐火性能或不可燃烧性，对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力。导电性：导电性变化范围很宽。多数陶瓷是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，是重要的半导体材料(ZnONiOFe3O4)。,1.3 高分子材料,一

7、、高分子化合物概念高分子化合物：指分子量很大的化合物。分子量 大多在5103106之间。工业用高分子化合物：工程上认为，只有具备较 好的强度、弹性和塑性等机械性能的高分子 化合物才是工业用高分子化合物。,有机高分子,天然人造,1.3 高分子材料,高分子化合物的每个分子是由一种或几种简单的低分子化合物(单体)连接起来组成的，其性能主要决定于构成高分子的单体、链节结构、聚合度等。,不要,1.3 高分子材料,二、高分子化合物的合成 是将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物的过程。故高分子化合物也称为聚合物或高聚物。,加聚反应缩聚反应,最常见的聚合反应,1.3 高分子材料,加聚反应：指一种或多种单体相互

8、加成而连接成聚合物的反应，无副产物；均聚反应：只有一种单体 共聚反应：两种或两种以上单体 如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和合成橡胶等。缩聚反应：指一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）其它低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。均缩聚：只有一种单体 共缩聚：两种或两种以上单体 如涤纶、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、有机硅树脂等。,80%,1.3 高分子材料,三、高分子材料的分类和命名1、分类按来源：天然高分子、合成高分子；按大分子链的几何形状：线型、支链型、体型；按大分子链的排列特点：无定型和晶态两种；按极性：极性和非极性两种；按照实际用途：塑料、

9、橡胶、纤维和胶粘剂等。,大分子主链全部由饱和碳链或双键不饱和碳链组成（如聚烯烃、聚二烯烃）-C-C-C-C-C-或-C-C=C-C-大分子主链中除碳原子外，还含有氧、氮、硫、磷等其它原子：-C-C-O-C-，-C-C-N-C-，或-C-C-S-C-,1.3 高分子材料,按照化学组成（最本质和最重要）：碳链有机聚合物：杂链有机聚合物：,弹性,不透气性,耐火、耐热性,元素有机聚合物:无机聚合物：,主链主要由硅、钛、铝、硼、氧等构成，如：-O-Si-O-Si-O-，其侧基一般为有机基团（碳链）。主链和侧基均由无机元素或基团构成。硅酸盐玻璃、陶瓷、云母、石棉等都属于无机聚合物。,1.3 高分子材料,2

10、、命名由化学结构命名由原料单体命名采用商品名称和代表符号,1.3 高分子材料,四、高分子材料的性能（1）重量轻（2）高弹性（3）滞弹性（4）塑性与受迫弹性（5）强度与断裂（6）韧性（7）减摩、耐磨性（8）绝缘性（9）耐热性,1.3 高分子材料,五、常用塑料 高分子材料主要包括合成材脂、合成橡胶和合成纤维三大类。1、塑料组成 塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，与其他配料混合，通过加热、加压塑造成一定形状的产品。组成塑料的物质主要包括：合成树脂 填料 固化剂 增塑剂 稳定剂 润滑剂 着色剂 阻燃剂,68%,1.3 高分子材料,2、常用塑料的分类及特性（1）按照热性能分：热塑性塑料：加热时软化，

11、可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚合物。该过程可反复。典型品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚矾等。优点：加工成形简便，具有较高的机械性能；缺点：耐热性和刚性比较差。热固性塑料：初加热时软化，可塑造成形，但固化之后再加热，将不再软化，也不溶于溶剂。体型聚合物。典型品种有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、以及由聚邻苯二甲酸二丙烯树脂制成的塑料等。优点：耐热性高，受压不易变形等；缺点：机械性能不好，但可加入填料，制成层压塑料或模压塑料，以提高强度。,1.3 高分子材料,六、橡胶 天然橡胶：合成橡胶：,弹性和抗切割性好耐蚀性好,1.4 复合材料,一、概述1、概念 复合材料是

12、由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人工制成的一种多相固体材料。可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点。可按照零部件、构件的结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计。造成单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用。,1.4 复合材料,2、分类 复合材料为多相或多组成体系，全部相可分为两类，一类为基体相，主要起粘结剂作用；另一类为增强相，起提高强度或韧性的作用。复合材料可由金属、高聚物和陶瓷中任意两者人工合成，也可由多种金属、高聚物或陶瓷来制备,1.4 复合材料,玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料硼纤维复合材料金属纤维复合材料,1.4 复合材料,3、复合材料的性能特点（1）比强度和比刚度高（2）抗疲劳性能好（3）减振能力强（4）高温性能好（5）断裂安全性高,材料的刚度除以密度,1、根据使用性能要求选材2、根据工艺性能要求选材3、考虑经济性选材,1.5 给水排水工程设备材料的选择原则,