第六章 化工压力容器与化工设备常用材料n

第二篇 压力容器第六章 压力容器与化工 设备常用材料

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： 压力：从真空到高压甚至超高压 温度：从低温到高温 腐蚀性、易燃、易爆等 化工设备处在极其复杂的操作条件下运行，因此，合 理的选用材料是设计化工设备的主要环节。

6.1 金属的晶体结构

6.1 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；

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：在金属中自由电子，在所有的金属正离子 之间穿梭运动，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。 金属的许多特性，如导电性、导热性、延展性、光 泽等，都与金属键有关。

6.1 金属的晶体结构

二、金属原子的晶体结构金属是晶体——金属晶体是以密堆积形成的。

体心六方晶格

面心六方晶格

密排六方晶格

实际使用的金属是多晶体组织，具有各向同性，实际 强度比理论强度低几十倍甚至几百倍。

6.1 金属的晶体结构

金属的分类生铁 黑色 金属 金 属 有色 金属 钢

炼钢生铁 铸造生铁 合金生铁 纯铜(紫铜) 铜锌合金(黄铜) 铜锡合金(锡青铜) 无锡合金(铝青铜等) 铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金 铅、锡及其合金 锌及其合金 镍、钴及其合金

铜及其合金

轻金属及其合金

其它有色及其合金

6.1 金属的晶体结构

钢的分类按质量分 普通钢 优质钢 高级优质钢 碳素钢 按化学成分分 合金钢 按冶炼方法分 低碳钢 中碳钢 高碳钢 低合金钢 中合金钢 高合金钢

沸腾钢 镇静钢 半镇静钢

建筑钢 轴承钢 按用途分 弹簧钢 工具钢 结构钢 特殊性能钢

黑色金属黑色金属是指铁和铁的合金，如钢、生铁、铁合金、 铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素 的合金，统称为铁碳合金。 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主 要用来炼钢和制造铸件。 把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼， 即得到铸铁(液状),把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸 铁叫铸铁件。 铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金， 铁合金是炼钢的原料之一。 把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到 钢。

6.1 金属的晶体结构

6.2 铁碳合金 一、铁碳合金铁碳合金：以铁为主，熔合少量碳所组成的合金。

纯铁塑性极好，但强度太低，工业上应用很少，故工业 上往铁中加入少量的碳，可以获得各种性能优良的铁合金。

(一)铁1)铁的组织结构(

两种晶格结构) 面心立方晶格：在晶 胞的八个结点上和六 个面上各有一个原子 体心立方晶格：在晶 胞的八个结点上和晶 胞中心各有一个原子

6.1 金属的晶体结构

2)铁的同素异构转变

面心立方晶格

体心立方晶格

α-Fe:体心立方晶格结构(< 910℃)的铁称为α-Fe γ-Fe:面心立方晶格结构(>910℃ )的铁称为γ-Fe α-Fe和γ-Fe可相互转变，α-Fe经加热可转变为γ-Fe , 反之高温下的α-Fe冷却可变为γ-Fe,这种转变称“同素 异构转变” 。 铁的同素异构转变是铁原子在固态下重新排列的过程， 实质上也是一种结晶过程，构成铁碳合金一系列性能的 依据，是钢进行热处理的依据。

Fe Fe 910 C

6.1 金属的晶体结构

(二)碳碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳， 强度显著增加。 碳在铁碳合金中的存在形式有三种：固溶体、化合物、 混合物。

1. 固溶体固溶体：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的物体。铁原子

碳铁固溶体：碳原子挤到铁的 晶格中间去又不破坏铁所具有的晶 格结构。

碳原子

6.1 金属的晶体结构

1)铁素体铁素体：碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体 α-Fe原子间隙小，溶碳能力低(最大溶解度不超过0.02 %),铁素体的性质与纯铁相似，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)奥氏体奥氏体：碳溶解在γ-Fe中形成固溶体称奥氏体。 γ-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比α-Fe中大得多 (723℃ 0.8%,1147℃ 2.06%)。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。 奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁 性。

6.1 金属的晶体结构

2. 碳和铁形成化合物铁碳合金中的碳不能全部溶入α-Fe或γ-Fe中时，剩余 的碳将和铁形成一种化合物(Fe3C),称为渗碳体。

渗碳体的熔点约1600℃,硬度极高，塑性几乎等于零， 是一个硬而脆的组织。渗碳体具有复杂的晶体结构，不发生同素异构转变。 在钢中渗碳体是以不同形态和大小的晶体出现于组织中， 对钢的力学性能影响很大。

纯粹的渗碳体又硬又脆无法应用。但在塑性很好的铁 素体基体上散布着这些硬度很高的微粒，将大大提高材 料的强度。 含碳量越高，钢中的渗碳体越多，钢的强度和硬度越 高，但塑性和韧性越低。通常C<2.11%为钢， C>2.11% 为铁。

6.1 金属的晶体结构

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(>2.11%)时，不能溶解 铁中的碳将由以石墨状态存在，这种合金称为铸铁。 石

墨本身性软，且强度很低，所以铸铁的抗拉强度和塑 性都比碳钢低。但是石墨的存在，并不削弱抗压强度，并 且使铸铁具有优良的耐磨性、消振性和铸造性。 铸铁中石墨的存在形式不同，球状石墨的铸铁称球墨 铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。

球状石墨 粗片状石墨 细片状石墨 铸铁中石墨的存在形式与分布

6.1 金属的晶体结构

铁碳合金基本组织的性质及性能特点 名 称 定义 最大含 碳量 性能特点 塑性韧性好，强度 硬度低，常作基体 高塑性，易变形， 存在于高温常作锻 压状态组织

铁 碳在α-Fe中的固溶体， 0.02% 素 体心立方晶格 体 奥 碳在γ-Fe中的固溶体， 氏 面心立方晶格 2.11% 体

渗 铁与碳结合生成的新 碳 相，复杂晶格 体

6.69%

硬而脆，是钢中的 强化相

6.1 金属的晶体结构

4. 珠光体珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。

珠光体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. 莱氏体莱氏体：珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。莱氏体具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组 织，存在于白口铸铁、高碳钢中。

6.1 金属的晶体结构

6. 马氏体马氏体：钢和铁从高温急冷下来的组织，含有过饱 和碳的α-Fe固溶体。 马氏体具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎 不能承受冲击载荷。

6.1 金属的晶体结构

二、铁碳平衡状态图T/℃ A 1400 液体 D

液体+奥氏体 奥氏体 900 G 奥氏体 铁 S +铁素体 700 素 P 体 珠光体+铁素体 珠光体 珠光体+渗碳体 0.7

C

E

奥氏体+渗碳体

F 渗碳体 奥氏体+渗碳体 + 莱氏体 K 莱氏体 渗碳体 + 珠光体+渗碳体 莱氏体 4.3

铁碳平衡状态图 2.11

6.1 金属的晶体结构

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与GS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。

6.1 金属的晶体结构

三、钢的热处理热处理：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改 变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。 热处理目的：改进钢的加工工艺性能，充分发挥

钢材 的潜力，提高其使用性能，节约成本，延长工件的使用 寿命。 热处理工艺不仅应用于钢和铸铁，亦广泛应用于其它 材料。 退火 正火 普通热处理 淬火 回火 热处理 火焰加热表面淬火 表面淬火 感应加热表面淬火 表面热处理 化学热处理 ：渗碳、渗氮、碳氮共渗

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yk6i.html