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第二篇 压力容器 第八章 化工设备材料 化学工业是国民经济的基础产业，各种化学生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计化工设备的主要环节。 例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力 ，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等；而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。 第一节 金属的晶体结构 一、金属原子结构特点与金属键 金属原子结构特点：最外层的电子数很少，一般只有一二个；而且这些最外层电子与原子核的结合力较弱，因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子。 金属键：在金属中，暂时摆脱原子核束缚的电子成为共有的自由电子，在所有的金属正离子之间穿梭运动，好像带负电的气体充满其间，把带正电的金属离子牢固地束缚在一起。这种金属原子之间的结合方式称为金属键。 二、金属的晶体结构 金属的结晶过程 金属的结晶过程 第二节 铁碳合金 “铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金。 含碳量0.02％～2％称为钢； 含碳量大于2％称为铸铁； 含碳量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)； 含碳量大于4.3％的铸铁极脆 （一）铁 铁在910oc以上是具有面心立方结构的γ－Fe(图 a); 铁在910oc以下是具有体心立方结构的α－Fe(图b)。 ?－Fe变成?－Fe （二）碳 碳在铁碳合金中的存在形式有三种： 碳溶解到铁的晶格中形成固溶体 碳与铁形成化合物 混合物：碳以石墨状态单独存在。 （1）铁素体 碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（最大溶解度不超过0.02％），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。 室温时，钢的组织中只有铁素体，没有奥氏体。 （2）奥氏体 碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比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。 2、化合物－渗碳体 当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余的碳将与铁形成化合物 －碳化铁（Fe3C），这种化合物称为渗碳体。 渗碳体的熔点约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。 含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，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。 3、混合物－碳以石墨状态单独存在 当铁碳合金中的碳含量较高，合金从液态以缓慢的速度冷却下来时，合金中没有溶入固溶体的碳将由极大部份以石墨状态存在。 （4）珠光体 铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，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。 （5）莱氏体 珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。 具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。 （6）马氏体 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。 二、铁碳合金状态图 铁碳合金状态图中主要点、线含义： 图中AC、CD两曲线称为“液相线”，合金在这两曲线以上均为液态，从这两曲线以下开始结晶。 AE、CF线称为“固相线”，合金在该线以下全部结晶为固态。 ECF水平线段，温度为1147℃，在这个温度时剩余液态合金将同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物-莱氏体 。ECF线又称“共晶线”，其中C点称为“共晶点”。 ES（Acm）与GS（A3）分别为奥氏体的溶解度曲线，在ES线以下奥氏体开始析出二次渗碳体，在GS线以下析出铁素体。 PSK(A1)线为“共析线”，在723℃的恒温下，奥氏体将全部转变为铁素体和渗碳体的共析组织-珠光体。 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。 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 退火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来