1、环境工程设备长沙大学环境工程设备材料 主要内容z 1.1 材料的基本性能材料的基本性能z 1.2 碳钢与铸铁碳钢与铸铁z 1.3 合金钢合金钢 z 1.4 有色金属及合金有色金属及合金z 1.5 非金属材料与复合材料非金属材料与复合材料z 1.6 材料的腐蚀与防腐材料的腐蚀与防腐z 1.7 环境工程设备材料的选择环境工程设备材料的选择环境工程设备材料 根据人类使用生产工具的材料把人类的历史时代划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。环境工程的材料的发展:钢筋混凝土、钢材 各种工程塑料、合金材料和复合材料。z使用性能和工艺性能 使用性能：指它在使用条件下表现出来的 化学性能、物理性能和机械性能
2、工艺性能：指在制造工艺过程中材料适应加 工的性能 与化学成分和生产工艺有关1.1 材料的基本性能化学性能 指在所处介质中的化学稳定性，包括抗氧化性和耐腐蚀性等。z物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等z机械性能：（力学性能）指材料在外力（外加能量）作用下抵抗外力所表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等z加工工艺性能：铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能1.1 材料的基本性能z材料的工艺性能材料的工艺性能z 材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，又叫加工加工性能性能。选材时必须
3、同时考虑材料的使用与加工两方面的性能。z环境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 材料的基本性能 现代工农业生产中使用最广泛的金属材料，也是制造环保设备的主要材料。 由95%以上的铁+0.05%-4%的碳及1%左右的杂质元素组成的合金，“铁碳合金”z钢：含碳量0.02%-2%z铸铁：含碳量大于2%z纯铁：含碳量小于0.02%1.2碳钢与铸铁z铁碳合金的组织与结构 纯铁在不同的温度下：面心立方晶格与体心立方晶格z 面心立方晶格：强度高 z 体心立方晶格：塑性好1.2碳钢与铸铁纯铁的同素异构转变 定义：在固态下晶体构造随温度改变而发生的变化的现
4、象z 体心立方晶格（-Fe）经加热（910恒温）可转化为面心立方晶格（-Fe）碳钢的基本组织z 铁素体：碳溶解在体心立方晶格（-Fe）的固溶体。溶碳能力低：强度硬度低，塑性和韧性好z 奥氏体：碳溶解在面心立方晶格（-Fe）的固溶体。由于其较大的溶解度，塑性韧性好且无磁性z 渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体1.2碳钢与铸铁z铁碳合金的分类：按特性和其工业的应用分为钢和生铁z钢：含碳量2% 亚共析钢：0.8%，共析钢：0.8%z生铁：含碳量2% 亚共晶生铁：2-4.3%，过共晶生铁：4.3-6.67%，共晶生铁：4.3%1.2碳钢与铸铁 钢的热处理z 热处理：钢、铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却
5、方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能的加工工艺。z 退火和正火 退火在炉中缓慢冷却，正火在空气中冷却z 淬火和回火z 淬火：在淬火剂中冷却，急冷得到马氏体。冷却太快引起零件变形和裂纹，太慢达不到技术要求，淬火是产品质量的关键所在z 淬火剂：空气、油、水、盐水。z 回火：淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。1.2碳钢与铸铁低温回火：150-250中温回火：300-450高温回火：500-680调质处理（淬火加高温回火）z表面淬火：改变表层组织z化学热处理：在化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表面层的化学成分和组织结构，从面使零
6、件具有某些特殊性能。渗碳、渗氮、渗铬、渗铝、氰化1.2碳钢与铸铁z 1 1、碳钢、碳钢z 杂质元素(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。1.2碳钢与铸铁z （3）磷（P）z 也是一种有害元素。磷能全部溶于铁素体
7、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。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。z （6）氢（H）溶氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷，制造容器的钢
8、不允许有白点1.2碳钢与铸铁z 钢的分类与编号按品质分：普通碳素钢 S0.055%；P0.045%；编号Q235A等,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。z 优质碳素钢 S、P均应0.04%；含S、P低。编号10等，表示钢中含碳量的万分之十 优质低碳钢：25以下，优质中碳钢：30-55，优质高碳钢：60-80z 高级优质钢： S0.03%；P0.035%含S、P更低。编号20A等碳钢钢材的品种及规格 钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢1.2碳钢与铸铁z铸铁 分为：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁z灰铸铁：C：2.7-4.0%产量最高z球墨铸
9、铁：石墨成球状分布在其中，很高的强度和塑性、韧性，综合机械性能接近于钢z高硅铸铁是特殊性能铸铁中的一种，而腐蚀性强，随Si的含量增加而增强1.2碳钢与铸铁1.31.3合金钢合金钢z合金钢：在铁碳合金中添加适量的一种或多种合金元素所制得钢。可满足特殊要求z分类： 按合金元素质量分数： 低合金钢、中合金钢、高合金钢 按合金元素分：铬钢、锰钢等 按用途为按用途为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢z编号: 汉字牌号：35铬钼； 国际化学符号：35CrMoz合金结构钢的编号是利用“两位数字+元素符号+数字”来表示。 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%，
10、则相应地以2、3、4等表示。例如12CrNi3钢，30CrMnSi钢若为高级优质合金结构钢，则在钢号的最后加A字，例如20Cr12Ni14WA。1.31.3合金钢合金钢z专业用钢（低合金钢的一种） 锅炉用钢、压力用钢、焊接气瓶用钢等z特殊性能钢：具特殊物理或化学性能的钢，有不锈钢不锈钢、低温用钢、耐磨钢z不锈钢：是不锈钢和耐酸钢的统称。耐空气、蒸汽和水的为不锈钢，耐酸、碱、盐的为耐酸钢。 金属材料的腐蚀为电化学腐蚀 不锈钢的成分：C、Cr、Ni等成分增加耐腐性 不锈钢的分类：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1.31.3合金钢合金钢1.4 1.4 有色金属及合金
11、有色金属及合金工业上钢铁称为黑色金属，除钢铁以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金因具有良好的耐腐蚀性和低温性能，常用来制造环境工程设备零部件。（1）铜及其合金 铜及其合金具有高的导电性、导热性、塑性、冷韧性，并且在许多介质中具有高的耐蚀性能。 纯铜: 也称紫铜。铜在一般大气、工业大气、海洋性大气中和在碱中、在弱的和中等浓度的非氧化性酸中也相当稳定 若溶液中有氧或氧化剂存在，腐蚀将更加严重。铜不耐硫化物（如H2S）腐蚀。 铜的强度低，铸造性能不好，且在某些介质中的耐蚀性不高，很少用作结构材料。 铜合金：常用的铜合金有黄铜和青铜。 黄铜黄铜：铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、铝
12、、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。 特点特点 ：机械性能与含锌量有着极为密切的关系；铸造性能很好；抗蚀性较好；含锌量大于20%的黄铜经冷加工后，在潮湿的大气、海水、高温高压水、蒸汽及一切含氨的环境中都可引起应力腐蚀断裂。 青铜青铜：凡是铜合金中的主加元素不是锌而是锡、铝、硅等其它元素者，通称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜和硅青铜等。 1.4 1.4 有色金属及合金有色金属及合金（2 2）铝及其合金）铝及其合金 铝 特点特点：铝的密度小，比重为2.7，约为铜的1/3；导电性、导热性、塑性、冷韧性都好，但强度低，经冷变形后强度可提高；能承受各种压力加工。铝在氢氟酸、盐酸、
13、海水和其它含卤素离子的溶液中是不耐蚀的。 应用应用：广泛用于制造反应器、热交换器、冷却器、泵、阀、槽车、管件等 铝合金 纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。1.4 1.4 有色金属及合金有色金属及合金（3 3）钛及钛合金）钛及钛合金 纯钛 特点：特点：是很活泼的元素。有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。 钛合金 特点特点：钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高。工业上使用的都是钛合金。钛合金的主要腐蚀形态是氢
14、脆和应力腐蚀破裂。1.4 1.4 有色金属及合金有色金属及合金（4 4）铅及其合金）铅及其合金 铅： 特点特点：铅的强度小（仅为钢的1/20）、硬度低、密度大、再结晶温度低、熔点低、导热性差，有很高的耐蚀性，在生产上多用于处理硫酸的设备上。铅有毒，且价格高。纯铅不耐磨，非常软，不宜单独制作设备，只能做衬里。 铅合金：铅中加锑，可增加铅的硬度、强度和在硫酸中的稳定性。加入不同锑含量的铅锑合金称为硬铅硬铅（编号规则同前）。硬铅可制作硫酸工业用的泵、阀门、管道等。1.4 1.4 有色金属及合金有色金属及合金(5) (5) 镍及其合金镍及其合金 镍： 特点特点：在各种温度、任何浓度的碱溶液和各种熔碱中
15、，具有特别高的耐蚀性。但镍在含硫气体、浓氨水和强烈充气氨溶液、含氧酸和盐酸等介质中，耐蚀性很差。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。镍很稀贵，在工业上主要用于制造碱性介质设备，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过程设备。 镍合金：Ni-Cu合金中的蒙乃尔合金具有很好的力学性能和机械性能，易于压力加工和切削加工，耐蚀性好。主要用于在高温荷载下工作的耐蚀零件和设备。 NiMo合金中的哈氏合金（0Cr16Ni57Mo16Fe6W4）能耐室温下所有浓度的盐酸和氢氟酸。NiCr合金中的因考尔合金（0Cr15Ni57Fe），在高温下具有很好的力学性能和很高
16、的抗氧化能力，是能抗热浓MgCl2腐蚀的少数几种材料之一。1.4 1.4 有色金属及合金有色金属及合金作业:z金属材料的基本性能有哪些方面？z碳钢的热处理有哪几种，各有何作用？z不锈钢有哪些类型，它们分别适用于哪些介质？ zOver1 1 环境工程设备材料环境工程设备材料(2)非金属材料与复合材料等陶瓷景德镇艺术陶瓷 水龙头加热陶器绝缘体隔热体陶瓷内衬复合钢管陶瓷材料陶瓷鲍尔环无机陶瓷膜滤芯用于饮用水中,耐腐耐高温用于水处理中,作生物附着载体陶瓷材料z无机非金属材料 耐酸陶瓷耐酸陶瓷 搪瓷搪瓷 玻璃玻璃 岩石岩石 耐腐性好,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) 橡
17、胶 塑料 耐蚀涂料 成型加工好,耐腐,密度小,但不耐高温,氧化性介质和溶剂复合材料: 玻璃钢 不透性石墨非金属材料非金属材料无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z陶瓷材料定义陶瓷材料定义: 以天然矿物或人工合成的各种化合物为原料,经粉碎配料成形和高温烧结而制成的无机非金属固体材料z工程材料三大支柱工程材料三大支柱 陶瓷材料陶瓷材料 金属材料 高分子材料 z陶瓷的机械性能 刚度：陶瓷的刚度由弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，是各类材料中最高的，比金属材料高若干倍，比高聚物高24个数量级。 硬度：同刚度一样，硬度也决定于化学键的强度，所以陶瓷
18、也是各类材料中硬度最高的硬度最高的，这也是陶瓷的最大最大特点特点。陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍能保持较高的数值。 强度：陶瓷实际强度比理论值低得多。它的破坏作用比在金属中更大。无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z 塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性陶瓷在室温下几乎没有塑性。塑性变形是在切应力作用下由位错运动所引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷晶体的滑移比金属困难得多，位错运动所需要的切应力很大，比较接近于晶体的理论剪切强度。另外，共价健有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体构成的陶瓷的塑性极差。z 韧性或脆性：陶瓷受载时都不发生
19、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韧性极低或脆性极高。脆性是陶瓷的最大缺点最大缺点，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。无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z 物理化学性能物理化学性能 热膨胀热膨胀：温度升高时物质原子振动振幅提高、原子间距增大所导致的体积长大现象。陶瓷的热膨胀系数比高聚物低，比金属低得多。 导热性导热性：导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的导热性比金属小，陶瓷多为较好的绝热材料。 热稳定性热稳定性：热稳定性就是抗热振性，为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表征。
20、陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的另一个主要缺点另一个主要缺点。 化学稳定性化学稳定性：陶瓷的结构非常稳定。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。 无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z 导电性导电性：陶瓷的导电性变化范围很广。大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z陶瓷性能的主要特点是: 具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，对温度剧变的抵抗力很低，抗拉、抗弯性能差。无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z耐酸陶瓷耐酸陶瓷性能性
21、能：耐酸陶瓷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和任何浓度的醋酸、草酸等有机酸，但不耐氢氟酸，耐碱性也差。另外，由于其性脆、抗拉强度低，在急热、急冷变化时和硬物敲击下易碎裂应用应用：耐酸陶瓷主要用来制作耐酸容器和塔器、泵、管道、阀门等，也用来制作耐酸瓷砖和填料无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷z特种陶瓷特种陶瓷 具特殊力学,物理,化学性能.(硬度高) 氧化铝陶瓷:耐磨耐高温,制作耐蚀耐磨泵零件 氮化硅陶瓷:耐磨,制作耐磨耐蚀耐高温零件 碳化硅陶瓷:耐麻耐热冲击,用于机械密封环无机非金属材料无机非金属材料: :陶瓷陶瓷传统陶瓷与现代陶瓷对比特种陶瓷设备或部件
22、特种陶瓷设备或部件特种耐磨陶瓷风机叶轮机械密封:静环选用99.9%(氧化铝陶瓷或氮化硅);z玻璃及其耐蚀性能玻璃及其耐蚀性能 特点：玻璃是一种优良的耐蚀非金属材料。它表面光滑、透明度好。耐温度急变性差、质脆、不耐冲击和震动。 应用：可用作制造容器、量具、管道、阀门、泵及金属管道的内衬等。无机非金属材料无机非金属材料z化工搪瓷及其耐蚀性能化工搪瓷及其耐蚀性能 将含硅量高的耐酸瓷釉涂敷在钢铁设备的表面,经900度左右高温锻烧,使之与金属密着,形成致密的耐腐蚀的玻璃质薄层. 特点：它兼有金属设备的力学性能和瓷釉的耐金属设备的力学性能和瓷釉的耐腐蚀性能双重优点腐蚀性能双重优点。瓷表面光滑易清洗，并有防
23、止金属离子干扰化学反应和玷污产品的作用 应用：广泛用于医药、酿造、合成纤维生产和环保中无机非金属材料无机非金属材料化工搪瓷化工搪瓷z石墨及其耐蚀性能石墨及其耐蚀性能 特点：天然石墨含有大量杂质耐蚀性差。人工不透性石墨具有优良的耐蚀性、优良的导热性、热膨胀系数小、耐温度急变性好、不污染介质、密度低、易于加工成形。其缺点是机械强度低、性脆。 应用：用于制造热交换器、塔及塔件、管道、管件、盐酸合成炉等。无机非金属材料无机非金属材料z高分子材料概念高分子材料概念 是指分子量很大的化合物。分子量大多在1104以上。 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
24、。 来源丰富,性能优异,加工成型方法简单,价格低廉:以塑代钢,以塑代木高分子材料高分子材料z高分子化合物的合成 高分子化合物的合成就是将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物的过程。因此，高分子化合物也称为聚合物或高聚物。最常见的聚合反应有加聚反应和缩聚反应两种。z 加聚反应：加聚反应是指一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。分均加聚反应和共加聚反应。z 缩聚反应：缩聚反应是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。又可分为均缩聚和共缩聚反应两种。高分子材料高分子材料高分子材料的分类z按来源：天然高分子、合成高分子材料；z按大分子
25、链的几何形状：线型、支链型和体型三种；z按大分子链的排列特点：无定型和晶态两种；z按极性：极性和非极性两种；z按照实际用途：塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等高分子材料高分子材料z最本质和最重要的是按照化学组成：z 碳链有机聚合物：该类聚合物的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-z 杂链有机聚合物：该类聚合物的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-z 元素有机聚合物:该类聚合物的主链主要由硅、钛、铝、硼、氧等原子构成，如：-O-Si-O-Si-
26、O- 其侧基一般为有机基团（碳链）。z 无机聚合物：该类聚合物的主链和侧基均由无机元素或基团构成。高分子材料高分子材料z 命名z 由化学结构命名: 就是以聚合物链节的化学组成和结构来命名。一是按链节的化学结构的特点命名;一是按有机化合物系统命名z 由原料单体命名: 就是以合成聚合物的低分子原料单体为基础来命名。对于加聚类聚合物，在其链节所含单体前加一“聚”字来取名；对于缩聚类以及某些共聚类聚合物，在其低分子原料之后习惯加“树脂”或“橡胶”二字命名。z 采用商品名称和代表符号：有许多聚合物人们习惯使用其商品名称，例如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）、电木（酚醛塑料）、电玉（脲醛塑料）、涤纶或的确良（
27、聚脂纤维）、腈纶或人造羊毛（聚丙烯腈纤维）、维纶或维尼龙（聚乙烯醇纤维）、丙纶（聚丙烯）高分子材料高分子材料z高分子材料的性能z（1）重量轻：高分子聚合物是最轻的一类材料，比金属和陶瓷都要轻。重量轻是高分子聚合物的最大优点最大优点之一。z（2）高弹性： 弹性变形量大；弹性模量 低。拉伸时温度升高。z（3）滞弹性：应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后，这就是滞弹性，它是高聚物的又一重要特性。主要表现有：z 蠕变：高聚物在室温下承受力的长期作用时，发生的不可恢复的塑性变形称为蠕变。z 应力松弛：高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象就是应力松弛。 高分子材料高分子材料z 滞后与内耗：
28、高聚物承受周期性荷载时，出现应变落后于应力，即造成应变的滞后。在重复加载时，就会出现上一次的变形还未来得及回复，或分子链的构象未跟上改变，又施加上了下一次荷载，于是造成了分子间的内摩擦，产生所谓内耗。z (4)塑性与受迫弹性 加热时，分子链各部分受热的不均云使材料不立即熔化而先有一软化过程所表现出的特性称为塑性。无定形高聚物在玻璃化温度以下，较大应力下产生的较大的不能回复变形称为受迫高弹性z （5）强度与断裂 强度：高聚物的强度比金属低得多，比强度还是很高 断裂：高聚物的断裂也有脆性断裂和韧性断裂两种形式 高分子材料高分子材料z （6）韧性韧性z 高聚物的优点之一是其内在的韧性较好，即在断裂前
29、能吸收较大的能量。z 冲击韧性：是材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抗力，在高聚物中也被称为冲击强度。z （7）减摩、耐磨性减摩、耐磨性z 摩擦是接触表面之间的机械粘接和分子粘着所引起的。大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数值一般在0.20.4倍范围内，但有一些塑料的摩擦系数很低。塑料（一部分）除了摩擦系数低以外，更主要的优点是磨损率低。z （8）绝缘性绝缘性z 高聚物分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子和可移动的离子，因此是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。高分子材料高分子材料z（9）耐热性 高聚物的耐热性是指它对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。同金属相比，高聚物的耐热性是较低的，
30、这是高聚物的一大不足一大不足。z(10) 耐蚀性 耐蚀性是材料抵抗介质化学和电化学破坏的能力。耐蚀性好是高分子材料的优点之一。z(11)老化 老化是指高聚物在长期使用或存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。老化是高聚物一个主要缺点。高分子材料高分子材料 改善高分子聚合物的抗老化措施:z采取在表面涂 镀金属或防老化涂料;z改进高聚物的结构,提高稳定性,推迟老化过程;z加入防老化剂等措施高分子材料高分子材料z五、常用塑料z1、塑料的组成 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。一般来讲，组成塑料的物质主要包括
31、：z 合成树脂合成树脂：由低分子化合物通过聚合或缩聚反应合成的高分子化合物。z 填料（或增强材料）：是塑料改性最重要的成分，起增强性能的作用。z 固化剂：作用是通过交联使树脂具有体型网状结构、硬化和稳定塑料制品。有机非金属材料有机非金属材料z增塑剂：用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。z稳定剂：其作用主要是延迟塑料在环境中的老化过程。z润滑剂：可防止塑料成形过程中产生的粘模问题。z着色剂：其作用是使塑料着色，可为有机颜料或无机颜料。z阻燃剂：作用是遏止燃烧或造成自熄。有机非金属材料有机非金属材料 常用塑料的分类及特性z（1）按照热性能分：z热塑性塑料 加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚
32、合物。z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。有机非金属材料有机非金属材料（2）按照使用范围分按照使用范围分 通用塑料 指应用范围广，生产量大的塑料品种。主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等. 工程塑料 主要指综合工程性能（包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性绝缘性能等）良好的各种塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS(聚乙烯 丁二烯和丙烯腈)等四种。 耐热塑料 100200度 指能在较高温度下工作的各种塑料。常见的有聚四氟乙烯(塑料王)、聚三氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂(万能胶)等。有机非金属材料有机非金属材
33、料z橡胶:具有高弹性的高分子材料,较好的抗撕裂耐疲劳z1、天然橡胶天然橡胶z 组成：天然橡胶是橡胶树的树汁经过炼制的高弹性固体。它是不饱和异戊二烯（C5H8）高分子聚合物。z特点：天然橡胶的力学性能较差；化学稳定性较好，可耐一般非氧化性强酸、有机酸、碱溶液和盐溶液的腐蚀，但不耐强氧化性酸和芳香族化合物的腐蚀。z应用：环境工程设备防腐处理中，软橡胶主要用作各种设备的衬里；硬橡胶还可制成整体设备，如泵、管道、阀门等。有机非金属材料有机非金属材料z2、合成橡胶合成橡胶 组成：合成橡胶的主要原料是石油、煤和天然气。 特点及其应用：丁基橡胶的突出特点是不透气性，对氧化性环境如空气和稀硝酸具有较好的耐蚀性
34、。 硅橡胶无味、无毒，其最大的特点是耐热性好，可用作垫圈、密封件材料和隔热材料。 氟橡胶具有优良的耐高温、耐油、耐强氧化剂和耐酸碱性能，主要用于高温、强氧化环境。有机非金属材料有机非金属材料复合材料z1、概念 复合材料就是由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人工复合制成的一种多相固体材料。 它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们各自优点。 它可按照零部件、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。 它可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。分类z 组成复合材料的相分: 一类起黏结作用的基体材料; 另一类起提高材料性能的增强
35、体材料. 按基体材料基体材料分:金属基复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 树脂基复合材料 用玻璃纤维增强合成树脂的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分热塑性和热固性两种。 热塑性玻璃钢 热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。 热固性玻璃钢 热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。复合材料玻璃钢的耐腐蚀性能 取决于纤维取决于纤维 树脂树脂 固化剂和表面处理剂固化剂和表面处理剂玻璃钢在环境工程中的应用 应用相当广泛应用相当广泛 用玻璃钢制造的冷却塔用玻璃钢制造的冷却塔 储罐储罐 管道等管道等 大型生物转盘的盘片大型生物转盘的盘片,罩壳罩壳
36、,电动机电动机,水泵水泵,机械格栅的防护罩及风机叶片机械格栅的防护罩及风机叶片,法兰法兰,水泵水泵零件等零件等复合材料z 复合材料的性能特点z （1）比强度和比刚度高z 增强剂或者基体为比重小的物质，或两者的比重都不高,且都不是完全致密的；另一方面，增强剂多是强度很高的纤维。比强度和比弹性模量是各类材料中最高的。z （2）抗疲劳性能好z 首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。z （3）减振能力强z 复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。复合材料z （
37、4）高温性能好高温性能好 增强纤维多有较高的弹性模量，因而常有较高的熔点和较高的高温强度。 此外，由于复合材料高温强度好，耐疲劳性能好、纤维和基体的相容性好，热稳定性也是很好的。z （5）断裂安全性高断裂安全性高 纤维增强复合材料每cm2截面上有成千上万根隔离的细纤维。过载会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力的重新分配，而由未断纤维将载荷承担起来，不至造成构件的瞬间完全丧失承载能力而断裂，所以工作的安全性高。 除上述几种特性外，复合材料的减摩性、耐蚀性以及工艺性能也都较好。但是，复合材料为各向异性材料，横向拉伸强度和层间剪切强度是不高的，同时伸长率较低，冲击韧性有时也不很好，尤其是成本太高
38、，所以目前应用还很有限。复合材料z腐蚀:材料表面受到所处环境的作用而发生状态变化,从而使材料变质和破坏的现象。z环保设备的腐蚀: 化学 电化学 物理作用 生物作用 机械荷载z腐蚀与防腐的基本原理腐蚀与防腐的基本原理 金属的化学腐蚀金属的化学腐蚀:金属与环境介质发生化学作用,生成金属化合物并使材料性能退化的现象 干燥气体介质的腐蚀干燥气体介质的腐蚀(氧化 硫化 卤化 氢蚀); 液体介质的腐蚀液体介质的腐蚀(非电解质溶液,液态金属,低熔点氧化物的腐蚀)材料的腐蚀与防腐z金属的电化学腐蚀 金属与电解质溶液间发生电化学作用所发生的腐蚀z金属腐蚀破坏的形态金属腐蚀破坏的形态z全面(均匀)腐蚀:表面均匀发
39、生,厚度减小.环境工程设备多发生此类腐蚀.z局部腐蚀:点腐蚀,缝隙腐蚀,晶间腐蚀,应力作用下的腐蚀,微生物腐蚀材料的腐蚀与防腐防止和减缓腐蚀的方法z衬覆保护层:金属保护层,非金保护层z电化学保护:阴极保护,阳极保护z腐蚀介质的处理:加入缓蚀剂材料的腐蚀与防腐环境工程设备材料选择z防止环境工程设备腐蚀,首要的是选择合适的耐蚀材料,不仅要考虑设备结构 制造工艺 使用条件和寿命,还要遵循:z材料的物理 力学性能z材料的耐腐性能z材料的经济性作业z13什么是复合材料?它们有哪些性能特点,列举其在环境工程设备中的应用?z15金属的化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同?z17均匀腐蚀和局部腐蚀的不同?局部腐蚀的
40、类型?z20微生物腐蚀是如何发生的?2 2 容器设计与制造容器设计与制造1 12008年9月容器设计概述容器设计概述z 环境工程领域环境工程领域,容器是指储存设备和其化容器是指储存设备和其化各种设备的外壳各种设备的外壳z钢筋混凝土容器钢筋混凝土容器z金属、高分子材料或复合材料容器金属、高分子材料或复合材料容器常压容器与压力容器常压容器与压力容器z按按压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程zGB150-1998钢制压力容器钢制压力容器压力容器压力容器划定为三类：划定为三类：z最高工作压力最高工作压力Pw0.1az容器的内直径容器的内直径Din 0.15m,Din 0.15m,且容积且容
41、积0.025m0.025m3 3z介质为气体、液化气体或标准沸点介质为气体、液化气体或标准沸点最高工最高工作温度的液体作温度的液体常压容器常压容器)设计压力：-0.020.1MPa)设计温度：-20350oC常压容器常压容器z形状：方形或矩形容器、圆柱形容器、圆筒形容器、球形容器容器的分类容器的分类z钢制焊接容器钢制焊接容器：占主导地位钢板为主要材料，成型后组装焊接的卷焊结构z按壁厚分：薄壁容器：1.2 厚壁容器：1.2容器的分类容器的分类z按受压状况分按受压状况分： 内压容器：内部压力高于外表面压力 外压容器： 真空容器：内部压力0.1MPa按安装方式分按安装方式分：立式、卧式按工作温度分按
42、工作温度分：低温、常温、中温和高温按管理要求分按管理要求分：第一、二、三类容器设计的基本要求容器设计的基本要求z强度:保证安全性z刚度:抵抗变形的能力z稳定性:结构抵抗失稳的能力z可靠性可靠性:规定条件和时间内,完成规定功能z安全性安全性z耐用久性:使用寿命z经济性容器零部件的标准化容器零部件的标准化z目的：批量生成，便于互换，降低成本，提高效率z基本参数：（内径）（内径）容器材料的选择容器材料的选择z选择容器用的钢材：工作压力、温度工作压力、温度和介质的腐蚀性、加工工艺性能和和介质的腐蚀性、加工工艺性能和价格价格z碳素结构钢钢板碳素结构钢钢板z压力容器用碳素钢和压力容器用碳素钢和低合金刚低合
43、金刚z低、中温压力容器用钢板低、中温压力容器用钢板z不锈钢板不锈钢板内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计z回转壳体的几何特性基本概念z轴对称轴对称z中间面中间面z母线母线z经线经线 法线法线 纬线纬线z第一、第二曲率半径第一、第二曲率半径基本概念基本概念薄壁壳体的假设薄壁壳体的假设薄膜理论薄膜理论z直法线假设变形前后壳体厚度不变z互不挤压假设壳体的法向应力可以忽略回转壳体薄膜应力分析回转壳体薄膜应力分析经向应力分析经向应力分析经向应力分析经向应力分析z内压在z轴方向上的合力为zz作用在该截面应力合力在z轴上投影zzZ轴向合力为pDPz24sinDNmzz得出:z D=2R2sin经向应力分析经向应
44、力分析22pRm环向应力分析环向应力分析内压力p在微单元abcd面积上所产生的外力的合力在法线n上的投影为Pn由bc与ad截面上经向应力的合力在法线n上的投影由ab与cd截面上经向应力的合力在法线n上的投影环向应力分析环向应力分析21dlpdlPn2sin212ddlNmmn2sin221ddlNnz根据法线n方向上力的平衡条件，得到：nNmn-N n=简化，整理得：环向应力分析环向应力分析pRRm21薄膜理论应用范围z无弯曲变形情况下无弯曲变形情况下z回转壳体曲面在几何上是轴对称的，壁厚无回转壳体曲面在几何上是轴对称的，壁厚无突变，曲率半径是连续变化的，材料是均匀突变，曲率半径是连续变化的，
45、材料是均匀连续且各向同性的连续且各向同性的z载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续，载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续，没有突变没有突变z壳体边界应该是自由的z壳体在边界上无横向剪力和弯矩壳体在边界上无横向剪力和弯矩受内压的圆筒壳体的应力分析受内压的圆筒壳体的应力分析受内压的球形壳体的应力分析受内压的球形壳体的应力分析受内压的椭球壳体的应力分析受内压的椭球壳体的应力分析内压薄壁容器强度计算内压薄壁容器强度计算z由内直径、设计压力、设计温度、介质腐蚀性等条件，选择合适材料，确定壁壁厚厚内压薄壁圆筒强度计算内压薄壁圆筒强度计算z理论计算厚度：4pDm2pDt2pDz设计厚度条件：厚度计算厚度计算z
46、 焊接系数校正：2pDt2)(itDpppDti2z内径代替平均直径：z厚度计算：22 2CppDCtidz设计厚度：z名义厚度名义厚度：211CCCdn21CCnez有效厚度有效厚度：厚度计算厚度计算作业z158 12 2 容器设计与制造容器设计与制造2 22008年10月2.3 2.3 内压容器封头设计内压容器封头设计z 封头封头:端盖端盖凸形封头凸形封头:半球形、椭圆形、碟形、无折边球形半球形、椭圆形、碟形、无折边球形锥形封头：无折边、折边锥形封头：无折边、折边z以薄膜应力理论为基础计算强度以薄膜应力理论为基础计算强度z边界应力条件边界应力条件凸形封头：半球形封头凸形封头：半球形封头z半
47、球形封头：大型压力容器或压力较高半球形封头：大型压力容器或压力较高整体热压成型整体热压成型分瓣冲压焊接分瓣冲压焊接z理论计算厚度：理论计算厚度：为筒体厚度的一半，常取筒体厚度为筒体厚度的一半，常取筒体厚度z设计厚度：设计厚度：ppDti 422 2CppDCtid凸形封头：椭圆形封头凸形封头：椭圆形封头ppDti 2)计算公式：ppDti5 . 0 2)应用最广)1200 mm时，拼焊)最小有效厚度10005 . 1iDe 筒壁厚度：凸形封头：碟形封头凸形封头：碟形封头z组成：大圆弧、过渡小圆弧、短直线组成：大圆弧、过渡小圆弧、短直线z由过渡小圆弧形成环状壳体为折边，其内半径r=(0.150.
48、20)Riz球面部分内径i=Di或或0.9Di凸形封头：碟形封头凸形封头：碟形封头z壁厚：MpMpRti5 . 0 2i：球面内半径：折边应力增大系数，查表2-12凸形封头：无折边球形封头凸形封头：无折边球形封头pQpDti 2z壁厚：系数，查表GB150-1998锥形封头锥形封头z用途用途：卸料（立式容器底部）z分类：不带折边带折边不带折边带折边不带折边锥形封头：30o带折边锥形封头： 60oz强度计算参考有关设计手册。按标准直接选用封头锥形封头锥形封头平板形封头平板形封头z形状:圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形z特点：壁厚比筒体壁厚大壁厚比筒体壁厚大（比凸形封头厚）z不用于承压设备，在压力
49、容器的人孔、手孔和盲板处采用z特别注意平板与圆柱形筒体的连接方式tpDk22maxtkpD2.4 2.4 容器法兰连接容器法兰连接z可拆卸结构法兰连接法兰连接、螺纹连接、承插式连接z密封问题z法兰连接：具较高刚度、强度和严密性，可迅速多次拆卸、可大批量制造、适用范围广z容器法兰和管法兰可按DN和DP查现有标准z法兰连接结构：法兰、螺栓和垫片法兰连接结构：法兰、螺栓和垫片z法兰密封：紧固螺栓压紧垫片法兰密封：紧固螺栓压紧垫片2.262.4 2.4 容器法兰连接容器法兰连接法兰密封面的形式法兰密封面的形式容器法兰的类型容器法兰的类型z整体法兰：平焊法兰对焊法兰z松式法兰：压力较低(与容器或管道不成
50、整体)容器法兰的类型容器法兰的类型z任意法兰容器法兰的类型容器法兰的类型法兰的密封垫片法兰的密封垫片z要求：适当的垫片变形和回弹能力z分类分类：非金属:质软，适用于常、中温和中低压金属：软、韧，用于中、高温和中高压混制：用于二者之中法兰标准与选用法兰标准与选用z压力容器法兰标准平焊法兰对焊法兰z压力容器法兰JB4700470792z管法兰标准zGB9119.788、HG205922060297、SH3406962.5 2.5 容器支座容器支座z作用：承重、固定位置z分类：卧式支座、立式支座、球形支座卧式支座、立式支座、球形支座z卧式支座卧式支座：鞍式支座、圈式支座和腿式支座鞍式支座（鞍座）鞍式
