金屬材料基礎

水工藝設備基礎

2006-12給水排水教研室盧金鎖

給水排水工程專業(yè)基礎課程環(huán)境與市政工程學院前言一、背景

1、給水排水專業(yè)

（1）發(fā)展概況

建于20世紀50年代初。模仿前蘇聯(lián)的模式，建立了“給水排水工程”學科。建國后的前30年，計劃經(jīng)濟體制，實行“先生產(chǎn)，后生活”的發(fā)展方針，而“給水排水”被歸入“生活類”，所以長期發(fā)展緩慢，大大滯后國民經(jīng)濟的發(fā)展。進入20世紀80年代，開始實行“改革開放”政策，國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，對水的需求成倍地增長。但我國水危機主要表現(xiàn)在水資源短缺和水環(huán)境污染兩個方面。國家為了緩解水危機投入大量的資金，促進水工業(yè)的發(fā)展。2/1/20232前言一、背景二、課程性質與任務三、課程主要內容四、于其他課程關系五、課程教學安排六、參考資料

2/1/20233前言水作為一種特殊商品正在進入市場，采集、生產(chǎn)、經(jīng)營商品水的產(chǎn)業(yè)，稱為“水工業(yè)”。傳統(tǒng)的給水排水工程技術，水工業(yè)科學技術。水工業(yè)源于給水排水工程，又不同給水排水工程，它在內涵和外延上都有了很大的擴展。水工業(yè)是以城市及工業(yè)為對象，以水質為中心，從事水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，以滿足社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所需求的水量作為生產(chǎn)目標的特殊工業(yè)。水工業(yè)是隨著水的商品化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)而逐步形成和完善的新興工業(yè)，它是水的開采、加工、輸送、回收及利用的綜合產(chǎn)業(yè)。水工業(yè)科學技術的基本框架是給水排水工程技術的發(fā)展和繼承，并賦予了社會可持續(xù)發(fā)展及市場經(jīng)濟的豐富內涵。2/1/20234前言水循環(huán)可分為水的自然循環(huán)和水的社會循環(huán)，由天然水體采集水，經(jīng)過加工處理，以滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們生活對水質水量的要求，用過的水經(jīng)過適當處理再排回天然水體，這就是水的社會循環(huán)。水工業(yè)正是服務于水的社會循環(huán)。它與服務于水的自然循環(huán)及調控的“水利工程”，構成了水工程的兩個方面。水工業(yè)設備化、自動化系統(tǒng)的發(fā)展將是21世紀水工業(yè)工程技術重點。給水排水工程技術人員不熟悉自動化監(jiān)控儀表和控制技術，不懂得如何使用、管理這些設備，更談不上研究開發(fā)設備；而機電自動化工程技術人員不懂得給水排水專業(yè)的工藝。缺乏兩部分專業(yè)技術人員的“接口”與交叉。2/1/20235前言2、《水工藝設備基礎》課程發(fā)展的主要歷史沿革

是一門新的專業(yè)基礎課，是針對我國目前科學技術的發(fā)展和水工業(yè)體系逐步形成與不斷完善的現(xiàn)狀，經(jīng)過全國高校給水排水工程學科專業(yè)指導委員會和眾多專家的多次討論而于2000年確定設置的一門新課程。在國內屬首次開設，國外由于專業(yè)名稱不完全對應，同類課程與教材尚不多見。隨著水處理技術、工藝的不斷改進和完善，以及水工業(yè)設施建設中成套專用設備和檢測、控制儀器儀表的投資比例的逐漸提高，水工業(yè)設備、器材和儀器儀表與工程要求之間的差距已顯露出來。水工藝設備和自動控制系統(tǒng)作為提高水處理效率、保證處理水質、節(jié)省運行費用、減輕勞動強度的關鍵，其裝備水平也因此成為水工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。

2/1/20236前言傳統(tǒng)的給水排水工程是土木工程學科的一個分支，水處理工程主要通過土木工程構筑物來實現(xiàn)。隨著科學技術的進步，現(xiàn)代的水與廢水處理過程已經(jīng)由傳統(tǒng)的土木工程型轉化為以工藝技術和設備裝備水平為核心的工業(yè)化過程型。以特定的工藝技術與特殊設備高度集成的成套技術和工藝流程在水工業(yè)的建設、發(fā)展中所占比例不斷提高，技術設備和器材所占的投資比例相應明顯上升，反映了水工藝工程向設備化、產(chǎn)業(yè)化和市場化的發(fā)展趨勢。因此，迫切需要有一本適應這方面發(fā)展、體現(xiàn)相關內容的教科書，《水工藝設備基礎》就是在此背景下為適應當前給水排水專業(yè)發(fā)展而增列開設的一門新的課程，該課程的設置是貫徹“厚基礎，寬口徑”的育人方針、使學科發(fā)展與行業(yè)需要相適應的具體體現(xiàn)。首本《水工藝設備基礎》全國統(tǒng)編教材由西安建筑科技大學于2000年獲得，并于2002年6月由中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行，目前正在進行第二版的修訂工作。2/1/20237前言二、課程性質與任務1、性質《水工藝設備基礎》是給水排水工程專業(yè)的“十大”專業(yè)主干課程之一，必修課?！笆蟆睂I(yè)主干課程分別為工程力學、水分析化學、水力學、水處理微生物學、水工藝設備基礎、城市水工程儀表與控制、水資源利用和保護、水質工程學、給排水管道系統(tǒng)、建筑給水排水工程。2、任務主要任務是介紹與水工藝設備的制造、設計、工藝特點、適用條件等有關的基本知識。2/1/20238前言三、課程主要內容前三章為基礎知識，主要是水工藝設備常用材料的分類、性能，材料的腐蝕防護原理，材料的保溫，以及容器應力基本理論、機械傳動原理、機械制造加工及熱量交換理論；后七章為水工藝設備，包括容器（塔）設備、攪拌設備、換熱設備、分離設備、污泥處置設備和投藥設備。四、于其他課程關系

與本課程相關聯(lián)的專業(yè)基礎課和專業(yè)課包括“水力學”、“工程力學”、“無機化學”、“有機化學”、“電子電工學基礎”、“城市水工程概論”、“水質工程學”、“建筑給水排水工程”等。本課程應安排在“水力學”、“工程力學”、“無機化學”、“有機化學”、“電子電工學基礎”、“城市水工程概論”課程之后、并可與“水質工程學”、“建筑給水排水工程”等同時講授。

2/1/20239前言五、課程教學安排1、時間安排第1周～第8周（32個學時）；2、考試形式待定3、結業(yè)成績考試成績（占70%）；平時考查成績（占30%）主要包括課后作業(yè)、上課出勤、回答問題等。4、答疑方式課堂直接答疑；課后約固定時間固定教室答疑；通過電子郵件、網(wǎng)絡聊天、電話咨詢等方式答疑；（lujinsuo@；QQ:4214097102/1/202310前言六、參考資料1、工具書《給水排水設計手冊》（第9冊）專用機械，上海市政工程設計研究院主編，中國建筑工業(yè)出版社《適用水處理設備手冊》，史惠祥主編，化學工業(yè)出版社《給水排水快速設計手冊》（第4冊）給水排水設備，李金根主編，中國建筑工業(yè)出版社2、網(wǎng)絡資源中國水網(wǎng)：中國水星：水處理設備與咨詢：中國建筑設備網(wǎng)：中國國際環(huán)保網(wǎng)：中國水工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：中國給排水在線：3、參考書《材料科學基礎》（潘金生等著）；《機械原理》（孫恒等編）；《化工設備設計基礎》（周志安等編）；《設備腐蝕與防護》（王增品等編）；《熱工學基礎》（韓正興等編）等。2/1/202311第1章水工藝設備常用材料

主要內容：1.1金屬材料(分類和基本性能)1.2無機非金屬材料1.3高分子材料1.4復合材料1.5給水排水工程設備常用材料的選擇原則

重點是掌握水工藝設備常用材料的基本性能與特點；

難點是如何根據(jù)材料的性能、特點和水工藝設備要求，確定不同材料的適用條件和范圍。

2/1/202312金屬材料高分子材料陶瓷材料復合材料金屬基復合材料非金屬基復合材料普通陶瓷特種陶瓷工程塑料合成纖維合成橡膠鋼有色金屬及其合金鑄鐵水工藝設備材料2/1/202313§1.1金屬材料1.1.1、金屬材料的分類水工藝設備常用的金屬材料主要有碳鋼、鑄鐵、合金鋼、不銹鋼以及部分有色金屬材料等。1、鋼的分類（1）按化學成分分類

查看圖片2/1/202314低碳鋼2/1/202315中碳鋼2/1/202316高碳鋼2/1/202317低合金鋼2/1/202318低合金鋼2/1/202319高合金鋼2/1/202320§1.1金屬材料（2）按質量分類按照鋼中硫（S）和磷（P）的含量可分為普通鋼、優(yōu)質鋼和高級優(yōu)質鋼。普通鋼 S≤0.055%；P≤0.045%；優(yōu)質鋼 S、P均應≤0.04%；高級優(yōu)質鋼 S≤0.03%；P≤0.035%（3）按用途分類根據(jù)鋼的用途主要可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。結構鋼主要用于制造各種工程構件和機器零件。這類鋼一般屬于低碳或中碳的碳素鋼或合金鋼。工具鋼主要用于制造各種刀具、量具、模具。這類鋼一般屬于高碳鋼或高碳合金鋼。特殊性能鋼是具有特殊物理性能或化學元素性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等，這類鋼一般屬于高合金鋼。2/1/202321§1.1金屬材料2、鋼的編號鋼的品種繁多，為了便于選擇和使用，必須制定科學的編號系統(tǒng)。編號的要求是用簡明的符號將鋼中所含元素的大致百分數(shù)表示出來。有時通過編號還能說明鋼的性能特征。（1）普通碳素結構鋼這類鋼主要保證機械性能，故其牌號用Q+數(shù)字表示，其中“Q”為“屈”字的漢語拼音字頭，數(shù)字表示屈服強度值，例如Q275表示屈服強度為275MPa的碳素結構鋼。若牌號后面標注A、B、C、D，則表示鋼材質量等級不同，其中A級最低，D級最高。若在牌號后標注字母"F"則為沸騰鋼，未加標注的為鎮(zhèn)靜鋼。例如Q235-AoF表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。2/1/202322§1.1金屬材料（2）優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼主要用于制造各種機器零件，這類鋼的硫、磷含量都限制在0.040%以下。例如含碳為0.45%左右的優(yōu)質碳素結構鋼編號為45鋼；含碳0.08%左右的低碳鋼稱為08鋼等。若鋼中含錳較高則在鋼號后面附以錳的元素符號Mn如15Mn、45Mn等。（3）碳素工具鋼這類鋼的含碳量較高，一般介于0.65~1.35％之間。它的硫、磷含量限制得更嚴格些。一般的碳素工具鋼均屬于優(yōu)質鋼。當硫、磷含量分別限制在0.030%以下時則為高級優(yōu)質工具鋼。碳素工具鋼的編號是以“T”（碳的漢語拼音字頭）開頭，后面標以數(shù)字表示含碳量的千分之幾。例如T8就是代表平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼；若為高級優(yōu)質碳素工具鋼，則在編號最后加以"A"，例如T8A、T13A2/1/202323§1.1金屬材料（4）合金結構鋼這類鋼的編號是利用“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”來表示。前面的兩位數(shù)字代表鋼中平均含碳量的萬分之幾，元素符號表示鋼中所含的合金元素。元素后面的數(shù)字表示該元素的平均含量的百分之幾。如果平均含量低于1.5%，則不標明含量。如果平均含量大于1.5%、2.5%、3.5%…，則相應地以2、3、4…等表示。例如12CrNi3鋼，其平均含碳量為0.12%，平均含鉻量小于1.5%，平均含鎳量為3%。又如30CrMnSi鋼，其平均含碳量為0.3%，鉻、錳、硅三種合金元素的含量均小于1.5%。若為高級優(yōu)質合金結構鋼，則在鋼號的最后加"A"字，例如20Cr12Ni14WA。（5）合金工具鋼編號與合金結構鋼相似，僅含碳量的表示方法有所不同。當合金工具鋼的平均含碳量大于或等于1.00%時，其含碳量不予標出。平均含碳量小于1.00%時，以千分之幾表示。例如：9SiCr鋼，其平均含碳量為0.9%，硅和鉻的平均含量小于1.5%。2/1/202324碳鋼用途舉例Q195、Q215，用于鉚釘、開口銷等及沖壓零件和焊接構件。Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉桿、連桿及建筑、橋梁結構。Q275，用于強度較高轉軸、心軸、齒輪等。Q345，用于船舶、橋梁、車輛、大型鋼結構。08鋼，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷沖壓零件。10、20鋼，常用于制造沖壓件和焊接件。也常用于制造滲碳件。35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合力學性能，主要用制造齒輪、套筒、軸類零件等。這幾種鋼在機械制造中應用非常廣泛。T7、T8鋼，用于制造具有較高韌性的工具，如沖頭、鑿子等。T9、T10、T11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鉆頭、絲錐、鋸條等。T12、T13鋼，用于要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。2/1/202325合金鋼用途舉例09MnNb、16Mn、15MnTi鋼屬低合金結構鋼，用于制造橋梁、車輛、鍋爐、油罐、建筑結構和化工容器等。14MnVTiRe、14MnMoV、18MnNb、14CrMnMoVB鋼用于制造大型船舶、重要橋梁、電站設備及鍋爐、化工、石油等中高壓容器。20CrMnTi鋼，常用于制造汽車、拖拉機上的齒輪。40MnB、40Cr、35CrMo、40CrMnMo鋼，用于制造重要調質件，如主軸、曲軸、連連桿和齒輪等機械零件。65Mn、60Si2Mn鋼屬彈簧鋼，主要用于制造截面小于25mm的彈簧，如車箱板簧和機車板簧、扭桿簧等。GCr15、GsiMnMoV鋼屬軸承鋼，主要用于制造滾動軸承的內圈、外圈和滾動體，也可用于制造冷沖模、冷軋輥等。1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti鋼，屬奧氏體不銹鋼，用于制造耐硝酸、冷磷酸、有機酸及鹽、堿溶液腐蝕的設備零件。Mn13鋼，屬耐磨鋼，用于制造拖拉機鏈軌板、挖掘機鏟齒、球磨機襯板、鐵路道岔等。15CrMo、4Cr10Si2Mo鋼，屬耐熱鋼，用于制造在高溫下工作的零件或構件。2/1/202326鋼鐵材料的現(xiàn)場鑒別1火花鑒別法根據(jù)鋼鐵材料在磨削過程中所出現(xiàn)的火花爆裂形狀、流線、色澤、發(fā)火點等特點區(qū)別鋼鐵材料化學成分差異的方法，稱為火花鑒別法碳是鋼鐵材料火花的基本元素，也是火花鑒別法測定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形狀不同。2/1/202327碳素鋼火花的特征①通常低碳鋼火花束較長，流線少，芒線稍粗，多為一次花，發(fā)光一般，帶暗紅色，無花粉。2/1/202328碳素鋼火花的特征②中碳鋼火花束稍短，流線較細長而多，爆花分叉較多，開始出現(xiàn)二次、三次花，花粉較多，發(fā)光較強，顏色橙。2/1/202329碳素鋼火花的特征③高碳鋼火花束較短而粗，流線多而細，碎花、花粉多，又分叉多且多為三次花，發(fā)光較亮2/1/202330鑄鐵的火花特征鑄鐵的火花束很粗，流線較多，一般為二次花，花粉多，爆花多，尾部漸粗下垂成弧形，顏色多為橙紅。火花試驗時，手感較軟2/1/202331合金鋼的火花特征合金鋼的火花特征與其含有的合金元素有關。一般情況下，鎳、硅、鉬、鎢等元素抑制火花爆裂，而錳、釩鉻等元素卻可助長火花爆裂。所以對合金鋼的鑒別難掌握。一般鉻鋼的火花束白亮，流線稍粗而長，爆裂多為一次花、花型較大，呈大星形，分叉多而細，附有碎花粉，爆裂的火花心較明亮。鎳鉻不銹鋼的火花束細，發(fā)光較暗，爆裂為一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。高速鋼火花束細長，流線數(shù)量少，無火花爆裂，色澤呈暗紅色，根部和中部為斷續(xù)流線，尾花呈弧狀。2/1/2023322色標鑒別法生產(chǎn)中為了表明金屬材料的牌號、規(guī)格等，常做一定的標記，如涂色、打印、掛牌等。金屬材料的涂色標志是表示鋼號、鋼種的，涂在材料一端的端面或端部。碳素結構鋼Q235鋼為紅色；優(yōu)質碳素結構鋼20鋼為棕色加綠色，45鋼為白色加棕色合金結構鋼20CrMnTi鋼為黃色加黑色，40CrMo鋼為綠色加紫色；鉻軸承鋼GCr15鋼為藍色；高速鋼W18Cr4V鋼為棕色加藍色；不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼為綠色國藍色；熱作模具鋼5CrMnMo鋼為紫色加白色。2/1/2023333斷口宏觀鑒別法低碳鋼不易敲斷，斷口邊緣有明顯的塑性變形特征，有微量顆粒；中碳鋼的斷口邊緣的塑性變形特征沒有低碳鋼明顯，斷口顆粒較細、較多；高碳鋼的斷口邊緣無明顯塑性變形特征，斷口顆粒很細密；鑄鐵極易敲斷，斷口無塑性變形，晶粒粗大，呈暗灰色。2/1/2023344音色鑒別法根據(jù)鋼鐵敲擊時發(fā)出的聲音不同，以區(qū)別鋼和鑄鐵的方法稱為音色鑒別法。敲擊時，發(fā)出比較清脆聲音的材料為鋼，發(fā)出較低沉聲音的材料為鑄鐵。5、其它鑒別方法一般還可采用化學分析、金相檢驗以及硬度試驗等手段進行鑒別2/1/202335§1.1金屬材料1.1.2、金屬材料的基本性能金屬材料的基本性能是指它的物理性能、機械性能、化學性能和工藝性能，這些性能一般都受其化學成分的影響。1、化學成分化學成分的變化對鋼材的基本力學性能如強度及塑韌性等有較大影響，對熱處理效果也有較大影響。（1）碳（C）主要元素。一般地，碳含量增加，強度極限和硬度提高，而塑性、韌性下降。當碳的含量超過0.9%時，鋼的強度極限反而降低。碳含量偏高會對鋼的焊接性能產(chǎn)生不利影響。（2）硫（S）一種有害元素。以FeS形式存在（熔點只有989℃），使鋼材在熱加工時容易開裂，產(chǎn)生"熱脆"現(xiàn)象。硫含量高還使材料的斷裂韌性降低。2/1/202336§1.1金屬材料（3）磷（P）也是一種有害元素。磷能全部溶于鐵素體中，使強度和硬度增加，會導致塑性和沖擊韌性的顯著降低。在低溫變脆，產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象。在某些特殊用途鋼中，如含磷的銅鋼，可以提高在大氣中的耐蝕性。（4）錳（Mn）一種有益的元素。錳是煉鋼時作為脫氧劑和合金元素加入鋼中的。由于錳可以和硫形成高熔點(1600℃)的硫化錳，能減輕硫的有害作用，并能提高鋼的強度和硬度，是低合金鋼中的常見元素。（5）硅（Si）一種有益的元素。作為脫氧劑和合金元素加入鋼中的。能使鋼的強度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。硅作為合金元素，可以提高鋼的耐蝕性和耐熱性，但過量的硅會惡化鋼的熱加工工藝性能。2/1/202337§1.1金屬材料2、物理性能物理性能主要指密度、熔點、熱膨脹系數(shù)、導熱性、導電性以及彈性模量等。（1）彈性模量是材料在彈性極限內應力與應變的比值。（2）線膨脹系數(shù)是指材料在溫度變化1℃時單位長度的伸縮變化值，其值可從機械設計手冊中查取。（3）導熱系數(shù)是指當溫度梯度（溫度差與器壁厚度的比值）為1K/m，每小時通過每平方米傳熱面積傳過的熱量，單位為W/(m·K）。3、機械性能材料的機械性能主要是指材料的彈性、塑性、強度和韌性。（1）材料的彈性和塑性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力去除后又能夠恢復其原來形狀的性能，稱作材料的彈性。塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。2/1/202338§1.1金屬材料（2）材料的強度強度是金屬材料在外力作用下低抗塑性變形和斷裂的能力。?抗拉強度:抗拉強度是金屬材料試樣在拉斷前所能承受的最大應力，以σb表示，單位為MPa。?屈服極限：是金屬材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力，以σs表示，單位為MPa。對于沒有明顯屈服點的材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應力作為屈服強度，以σ0.2表示。?屈強比：屈服極限和抗拉強度的比值稱為屈強比。這個比值可反映材料屈服后強化能力的高低。一般高強度鋼的屈強比數(shù)值較大，低強度鋼的屈強比較小。?持久強度：持久強度是材料在某一溫度下受恒定載荷作用時，在規(guī)定的持續(xù)時間內引起斷裂時的應力。用σTt表示，單位為MPa。2/1/202339§1.1金屬材料?蠕變強度:指在給定的溫度下，在規(guī)定的時間內，使試樣產(chǎn)生的蠕變變形量不超過規(guī)定值（如1%）時的最大應力，單位為MPa。?疲勞破壞:零件或構件在工作過程中受到方向、大小反復變化的交變應力的長期作用下，會在應力遠小于該材料的屈服強度情況下，突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。?疲勞強度:是指材料在經(jīng)受N次應力循環(huán)而不斷裂時的最大應力，以σ－1（純彎曲疲勞），τ－1（扭轉疲勞）表示，單位為MPa。(3)硬度硬度是材料抵抗其它物體刻劃或壓入其表面的能力。用標準試驗方法測得的表面硬度是材料耐磨能力的重要指標。（4）材料的韌性韌性是材料對缺口或裂紋敏感程度的反映，用來衡量材料的抗裂紋擴展能力。2/1/202340§1.1金屬材料沖擊韌性:衡量材料韌性的指標之一?？捎脦笨诘臎_擊試樣在沖擊試驗中所吸收的沖擊功數(shù)值作為沖擊韌性值。斷裂韌性:材料的沖擊韌性可指導選材，但沖擊功不能直接用于設計計算，而且許多壓力容器由于裂紋的存在也可以在塑性與沖擊韌性值足夠大的情況下發(fā)生脆性斷裂事故。為了能更科學地判斷容器是否存在較大宏觀缺陷，特別是裂紋性缺陷時是否會發(fā)生低應力脆斷，近年來已把斷裂力學中的斷裂韌性指標用于壓力容器的防脆斷設計或安全評定。這些斷裂韌性值可以衡量材料的韌性情況，即可看出存在裂紋時材料所具有的防斷能力。*無塑性轉變溫度（NDT）:在不同的溫度下測定出一系列的沖擊韌性值，可以發(fā)現(xiàn)材料在某一溫度區(qū)間隨溫度降低韌性值突然下降。由此可得出該材料的無塑性轉變溫度，以便確定材料的最低使用溫度。2/1/202341§1.1金屬材料（5）溫度對材料機械性能的影響一般金屬材料的機械性能，隨溫度的升高會發(fā)生顯著的變化。*材料在高溫下應力松弛*材料在低溫下材料的冷脆性。4、材料的工藝性能材料要經(jīng)過各種加工后，才能做成設備或機器的零件。材料在加工方面的物理、化學和機械性能的綜合表現(xiàn)構成了材料的工藝性能，又叫加工性能。選材時必須同時考慮材料的使用與加工兩方面的性能。水工藝與工程中容器和設備主要零部件的制造主要是焊接、鍛造、切削、沖壓、彎曲和熱處理工藝過程。2/1/202342§1.1金屬材料（1）可焊性：指被焊金屬在一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結構型式的條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。*工藝可焊性主要是指焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向*使用可靠性包括焊接接頭的機械性能及其他特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等）。（2）可鍛性：金屬承受壓力加工的能力叫金屬的可鍛性。（3）切削加工性：材料被切削加工的難易程度。（4）成型工藝性：成型就是金屬在熱態(tài)或冷態(tài)下，經(jīng)外力作用產(chǎn)生塑性變形而成為所需形狀的過程。（5）熱處理性能：熱處理是以改善鋼材的某些性能為目的，將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時間，然后以不同的速度冷卻下來的一種操作。2/1/202343§1.1金屬材料三、耐蝕金屬材料及性能金屬材料的化學性能最主要的是指它的耐腐蝕性。材料抵抗周圍介質對腐蝕破壞的能力稱為材料的耐腐蝕性能。耐蝕性不是材料固有不變的特性，它隨材料的工作條件而改變。1、碳鋼和普通鑄鐵的耐蝕性（1）耐蝕性能*在淡水、大氣、土壤、海水等中性介質中都不耐蝕；*在各類干燥氣體和有機溶劑等介質中耐蝕性良好；*在低濃度堿溶液及濃硫酸、濃氫氟酸等介質中，碳鋼和普通鑄鐵表面能生成穩(wěn)定的膜，因而是耐蝕的。（2）影響耐蝕性的因素：介質組成；鐵碳合金的成分和組織；鋼鐵熱處理條件差異。2/1/202344§1.1金屬材料2、耐蝕合金鑄鐵在鑄鐵中加入某些合金元素可以大大提高它在一些介質中的耐蝕性。如添加硅、鉻、鋁等元素，可使鑄鐵表面形成連續(xù)、致密、牢固的表面膜；添加鎳能獲得耐堿性介質腐蝕性能優(yōu)良的奧氏體鑄鐵；加稀土元素、鎂，能使石墨球化，從而大大改善高硅鑄鐵的力學性能和工藝性能。3、耐蝕低合金鋼耐蝕低合金鋼通常是指在碳鋼中加入合金元素的總量低于3%左右的合金。加入的合金元素種類、含量不同，所起的作用不同。根據(jù)在不同介質中的耐腐蝕性能，可將耐蝕低合金鋼分為如下幾種：（1）耐大氣腐蝕鋼種：銅系、磷礬系、磷稀土系、磷鈮稀土系（2）耐海水腐蝕鋼種（3）耐硫化氫腐蝕鋼種2/1/202345§1.1金屬材料4、不銹鋼不銹鋼是鉻、鎳含量較高的合金鋼。通常把耐大氣腐蝕的合金鋼稱為不銹鋼，把在酸中及其它強腐蝕性介質中耐腐蝕的合金鋼稱為耐酸鋼。一般把上述不銹鋼與耐酸鋼統(tǒng)稱為不銹耐酸鋼或簡稱為不銹鋼。（1）馬氏體不銹鋼：鋼中加入一定的鉻。主要用在氧化性介質中,如大氣、水蒸氣中具有良好的耐蝕性，在淡水、海水、溫度不超過30度的鹽水溶液、硝酸、食品介質以及濃度不高的有機酸中也具有足夠的耐蝕性。（2）鐵素體不銹鋼：單相組織。主要用于制作抗高溫氧化、耐硝酸腐蝕的設備。（3）奧氏體不銹鋼：碳化物溶于奧氏體中?？捎糜谥谱髟诟g性介質中使用的設備。2/1/202346§1.1金屬材料5、有色金屬及其合金工業(yè)上鋼鐵稱為黑色金屬，除鋼鐵以外的金屬稱為有色金屬。有色金屬及其合金因具有良好的耐腐蝕性和低溫性能，常用來制造水處理、化工容器及有關的設備零部件。（1）銅及其合金

銅及其合金具有高的導電性、導熱性、塑性、冷韌性，并且在許多介質中具有高的耐蝕性能。①純銅:也稱紫銅。銅在一般大氣、工業(yè)大氣、海洋性大氣中、比較穩(wěn)定；在堿中、在弱的和中等濃度的非氧化性酸中也相當穩(wěn)定，若溶液中有氧或氧化劑存在，腐蝕將更加嚴重。銅不耐硫化物（如H2S）腐蝕。銅具有高的導電性、導熱性、塑性和良好的加工性能，另外，銅具有良好的冷韌性。但銅的強度低，鑄造性能不好，且在某些介質中的耐蝕性不高，很少用作結構材料。2/1/202347§1.1金屬材料②銅合金：常用的銅合金有黃銅和青銅。

黃銅：銅與鋅組成的合金稱為黃銅。為改善其性能，常加入錫、鋁、硅、鎳、錳、鉛、鐵等元素，這樣形成的合金稱為特殊黃銅。特點：機械性能與含鋅量有著極為密切的關系；鑄造性能很好；抗蝕性較好；含鋅量大于20%的黃銅經(jīng)冷加工后，在潮濕的大氣、海水、高溫高壓水、蒸汽及一切含氨的環(huán)境中都可引起應力腐蝕斷裂。黃銅在中性溶液、海水和在退火后酸洗溶液中易發(fā)生脫鋅腐蝕，可在黃銅中加入0.02%的砷防止其發(fā)生。

2/1/202348§1.1金屬材料鉛黃銅的切削性能優(yōu)良，耐磨性好，廣泛用于制造鐘表零件，經(jīng)鑄造制作軸瓦和襯套。錫黃銅的耐腐蝕性能好，廣泛用于制造海船零件。鋁黃銅中的鋁能提高黃銅的強度和硬度，提高在大氣中的抗蝕性，鋁黃銅用于制造耐蝕零件。硅黃銅中的硅能提高銅的力學性能、耐磨性的耐蝕性，硅黃銅主要用于制造海船零件及化工機械零件。2/1/202349§1.1金屬材料青銅：凡是銅合金中的主加元素不是鋅而是錫、鋁、硅等其它元素者，通稱為青銅。常用的青銅有錫青銅、鋁青銅和硅青銅等。特點：錫青銅鑄造性能較黃銅差，抗腐蝕性比純銅和黃銅更好，但對酸類的抗蝕性較差。錫青銅在造船、化工、機械、儀表等工業(yè)中廣泛應用，主要用以制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件以及抗蝕、抗磁零件等。鋁青銅的機械性能也比黃銅和錫青銅高，而且在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機酸中具有比黃銅和錫青銅更高的耐蝕性。鋁青銅的耐磨性以及在大氣、海水、海水碳酸和大多數(shù)有機酸中的耐蝕性，均比黃銅和錫青銅高。鋁青銅可制造齒輪、軸套、蝸輪等高強度抗磨零件以及高耐蝕性彈性元件。2/1/202350§1.1金屬材料硅青銅具有比錫青銅高的機械性能和較低的價格，而且鑄造性能和冷、熱壓力加工性能都很好。2/1/202351§1.1金屬材料（2）鋁及其合金①鋁特點：鋁的密度小，比重為2.7，約為銅的1/3；導電性、導熱性、塑性、冷韌性都好，但強度低，經(jīng)冷變形后強度可提高；能承受各種壓力加工。鋁是電極電位很負的元素，鋁在強氧化性介質以及在氧化性酸（如硝酸）中也是穩(wěn)定的。鹵素離子對鋁的氧化膜有破壞作用，所以鋁在氫氟酸、鹽酸、海水和其它含鹵素離子的溶液中是不耐蝕的。

應用：廣泛用于制造反應器、熱交換器、冷卻器、泵、閥、槽車、管件等②鋁合金純鋁的強度較低，若在鋁中加入一些元素，如銅、鎂、鋅、錳、硅等形成鋁合金，其性能將會有很大的改善。2/1/202352§1.1金屬材料1．形變鋁合金形變鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金等。因其塑性好，故常利用壓力加工方法制造沖壓件、鍛件等，如鉚釘、焊接油箱、管道、容器、發(fā)動機葉片、飛機大梁及起落架、內燃機活塞等。2．鑄造鋁合金鑄造鋁合金是用于制造鋁合金鑄件的材料，按主要合金元素的不同，鑄造鋁合金分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。2/1/202353§1.1金屬材料（1）鋁硅鑄造鋁合金其鑄造性能好，比重小，并有相當好的抗蝕性和耐熱性，適于制造形狀復雜的零件，如泵體、電動機殼體、發(fā)動機的氣缸頭、活塞以及汽車、飛機、儀器上的零件，也可制造日用品。（2）鋁銅鑄造鋁合金鋁銅合金的強度較高，耐熱性較好，鑄造性能較差，常用于鑄造內燃機氣缸頭、活塞等零件，也可作為結構材料鑄造承受中等載荷、形狀較簡便的零件。（3）鋁鎂鑄造鋁合金強度高、比重小，有良好的耐蝕性，但鑄造性能不好，多用于制造承受沖擊載荷、在腐蝕性介質中工作、外形簡單的零件，如艦般配件、氨用泵體等。（4）鋁鋅鑄造鋁合金價格便宜、鑄造性能優(yōu)良、強度較高，但抗蝕性差、熱裂傾向大，常用于制造汽車、拖拉機發(fā)動機零件及形狀復雜的儀器元件，也可用于制造日用品。2/1/202354§1.1金屬材料（3）鈦及鈦合金①純鈦特點：是很活潑的元素。有很好的鈍化性能，鈍化膜很穩(wěn)定，在許多環(huán)境中表現(xiàn)出很好的耐蝕性。有“耐海水腐蝕之王”之稱。在中性弱酸性氯化物中耐蝕。在王水、次氯酸鈉、濕氯氣中耐蝕。高溫下，鈦的化學活性很高，能與鹵素、氧、氮、碳、硫等元素發(fā)生劇烈反應。鈦一般不發(fā)生孔蝕；除在幾種個別介質（如發(fā)煙硝酸、甲醇溶液）中，也不發(fā)生晶間腐蝕；鈦的應力腐蝕破裂敏感性小，具有抗腐蝕疲勞的性能，耐縫隙腐蝕性能良好。②鈦合金

特點：鈦合金的機械性能與耐蝕性都比純鈦有明顯提高。工業(yè)上使用的都是鈦合金。鈦合金的主要腐蝕形態(tài)是氫脆和應力腐蝕破裂。2/1/202355§1.1金屬材料（4）鉛及其合金

①鉛：特點：鉛的強度?。▋H為鋼的1/20）、硬度低、密度大、再結晶溫度低、熔點低、導熱性差，在硫酸中、大氣中（特別是有二氧化硫、硫化氫的氣體中）有很高的耐蝕性，在生產(chǎn)上多用于處理硫酸的設備上。鉛有毒，且價格高，在生產(chǎn)上多被其他非金屬材料代替。純鉛不耐磨，非常軟，不宜單獨制作設備，只能做襯里。②鉛合金：鉛中加銻，可增加鉛的硬度、強度和在硫酸中的穩(wěn)定性。加入不同銻含量的鉛銻合金稱為硬鉛（編號規(guī)則同前）。硬鉛可制作硫酸工業(yè)用的泵、閥門、管道等。2/1/202356§1.1金屬材料(5)鎳及其合金①鎳：特點：在各種溫度、任何濃度的堿溶液和各種熔堿中，鎳具有特別高的耐蝕性。但鎳在含硫氣體、濃氨水和強烈充氣氨溶液、含氧酸和鹽酸等介質中，耐蝕性很差。鎳具有高強度、高塑性和冷韌的特性，能壓延成很薄的板和拉成細絲。用途：鎳很稀貴，在水處理工程和化工上主要用于制造堿性介質設備，以及鐵離子在反應過程中會發(fā)生催化影響而不能采用不銹鋼的那些過程設備。

2/1/202357§1.1金屬材料②鎳合金：Ni-Cu合金中的蒙乃爾合金具有很好的力學性能和機械性能，易于壓力加工和切削加工，耐蝕性好。主要用于在高溫荷載下工作的耐蝕零件和設備。Ni－Mo合金中的哈氏合金（0Cr16Ni57Mo16Fe6W4）能耐室溫下所有濃度的鹽酸和氫氟酸。Ni－Cr合金中的因考爾合金（0Cr15Ni57Fe），在高溫下具有很好的力學性能和很高的抗氧化能力，是能抗熱濃MgCl2腐蝕的少數(shù)幾種材料之一。2/1/202358§1.2無機非金屬材料1.2.1陶瓷材料陶瓷材料的分類(1)傳統(tǒng)陶瓷：以粘土為主要原料(2)玻璃：工業(yè)玻璃，建筑玻璃，日用玻璃(3)玻璃陶瓷：光學玻璃陶瓷，耐熱、耐蝕微晶玻璃(4)特種陶瓷：耐蝕陶瓷、高溫陶瓷、電容器陶瓷、壓電陶瓷、電光陶瓷(5)金屬陶瓷：粉末冶金法生長的金屬材料（制粉、成形、燒結）

陶瓷的基本性能（1）陶瓷的機械性能剛度：陶瓷的剛度由彈性模量衡量，彈性模量反映結合鍵的強度，所以具有強大化學鍵的陶瓷都有很高的彈性模量，是各類材料中最高的，比金屬材料高若干倍，比高聚物高2~4個數(shù)量級。2/1/202359§1.2無機非金屬材料硬度：同剛度一樣，硬度也決定于化學鍵的強度，所以陶瓷也是各類材料中硬度最高的，這也是陶瓷的最大特點。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低，但在高溫下仍能保持較高的數(shù)值。強度：陶瓷實際強度比理論值低得多。它的破壞作用比在金屬中更大。塑性：陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。塑性變形是在切應力作用下由位錯運動所引起的密排原子面間的滑移變形。陶瓷晶體的滑移比金屬困難得多，位錯運動所需要的切應力很大，比較接近于晶體的理論剪切強度。另外，共價健有明顯的方向性和飽和性，而離子鍵的同號離子接近時斥力很大，所以主要由離子晶體和共價晶體構成的陶瓷的塑性極差。韌性或脆性：陶瓷受載時都不發(fā)生塑性變形，在較低的應力下就會斷裂，因此韌性極低或脆性極高。脆性是陶瓷的最大缺點，是阻礙其作為結構材料廣泛應用的首要問題，是當前的重要研究課題。2/1/202360§1.2無機非金屬材料（2）物理化學性能熱膨脹：溫度升高時物質原子振動振幅提高、原子間距增大所導致的體積長大現(xiàn)象。陶瓷的線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬低得多。導熱性：導熱性為在一定溫度梯度作用下熱量在固體中的傳導速率。陶瓷的導熱性比金屬小，陶瓷多為較好的絕熱材料。熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性就是抗熱振性，為陶瓷在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度來表征。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低，比金屬低得多。這是陶瓷的另一個主要缺點。2/1/202361§1.2無機非金屬材料化學穩(wěn)定性：陶瓷的結構非常穩(wěn)定。具有很好的耐火性能或不可燃燒性，對酸、堿、鹽等腐蝕性很強的介質均有較強的抗蝕能力。導電性：陶瓷的導電性變化范圍很廣。大多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體。但不少陶瓷既是離子導體，又有一定的電子導電性，是重要的半導體材料。陶瓷性能的主要特點是，具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學穩(wěn)定性、不老化性、高的硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，對溫度劇變的抵抗力很低，抗拉、抗彎性能差。2/1/202362§1.2無機非金屬材料1.2.2耐蝕無機非金屬材料及其性能陶瓷及其耐蝕性能（1）耐酸陶瓷：耐酸陶瓷又稱化工陶瓷。性能：耐酸陶瓷可耐沸騰溫度下任何濃度的鉻酸、96%的硫酸、沸點以下的任何濃度鹽酸和任何濃度的醋酸、草酸等有機酸，但不耐氫氟酸，耐堿性也差。另外，由于其性脆、抗拉強度低，在急熱、急冷變化時和硬物敲擊下易碎裂。應用：耐酸陶瓷主要用來制作耐酸容器和塔器、泵、管道、閥門等，也用來制作耐酸瓷磚。2/1/202363§1.2無機非金屬材料（2）氮化硅陶瓷：這是一種新型的工業(yè)陶瓷材料。特點：熱膨脹系數(shù)小，耐溫度急變性好，摩擦系數(shù)小，并有自潤滑性，是一種優(yōu)良的耐磨材料。氮化硅陶瓷耐所有的無機酸（氫氟酸除外）和某些堿溶液的腐蝕，它在高溫下的抗氧化性能也很好。應用：氮化硅陶瓷可用于制作機械密封環(huán)、球閥和一些耐蝕、耐磨、耐高溫的精密零部件。2/1/202364其它陶瓷氧化物陶瓷大部分氧化物具有很高的熔點，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和抗氧化性，在上程領域已得到了較廣泛的應用。氮化物陶瓷氮化物包括非金屬和金屬元素氮化物，他們是高熔點物質碳化物(SiC)陶瓷典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)碳化鈦(TiC)碳化鋯(ZrC等)、碳化物的共同特點是高熔點許多碳化物的抗氧化能力都比W，Mo等高熔點金屬好。大多數(shù)碳化物都具有良好的電導率和熱導率，許多碳化物都有非常高的硬度，特別是B4C的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，但碳化物的脆性一般較大玻璃陶瓷材料將特定組成(含晶核劑)的玻璃進行晶化熱處理玻璃相填充于晶界，得到像陶瓷一樣的多晶固體材料統(tǒng)稱為玻璃陶瓷，也稱之為微晶玻璃。

2/1/202365氧化物陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷又稱剛玉瓷，化學性質穩(wěn)定、機械強度高，具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質損耗應用：耐酸泵葉輪、泵體、泵蓋、軸套，輸送酸的管道內襯和閥門；電子、電器；制造紡織耐磨零件、刀具；高壓鈉燈燈管、紅外檢測窗口材料氧化鋯(Zr02)陶瓷高溫爐內襯，也可作為各種耐熱涂層日前所研制的陶瓷發(fā)動機中用于氣缸內壁、活塞、缸蓋板部件2/1/202366氮化物陶瓷氮化硅(Si3N4)陶瓷熱膨脹系數(shù)小，因此具有較好的抗熱震性能；彎曲強度比較高，硬度也很高，同時具有自潤滑性，摩擦系數(shù)??；常溫電阻率比較高，可以作為較好的絕緣材料；耐氫氟酸以外的所有無機酸和某些堿液的腐蝕，也不被鉛、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤與腐蝕熱機材料、切削工具、高級耐火材料，還可用作抗腐蝕、耐磨損的密封部件等。氮化鋁(AlN)陶瓷熱硬度很高，具有優(yōu)異的抗熱震性，對Al和其它熔融金屬、砷化稼等具有良好的耐蝕性；還具有優(yōu)良的電絕緣性和介電性質;但AlN的高溫抗氧化性差，在大氣中易吸潮、水解。AlN可以用作熔融金屬用坩鍋、熱電偶保護管、真空蒸鍍用容器，也可用作真空中蒸鍍金的容器、耐熱磚等2/1/202367氮化物陶瓷氮化硼(BN)陶瓷六方BN六方BN具有自潤滑性，可用于機械密封、高溫固體潤滑劑，還可用作金屬和陶瓷的填料制成軸承六力BN對酸堿和玻璃熔渣有良好的耐侵蝕性，對大多數(shù)熔融金屬既不潤濕也不發(fā)生反應，因此可以用作熔煉有色金屬、貴金屬和稀有金屬的坩鍋、器皿等部件BN是最輕的陶瓷材料，可以用于飛機和宇宙飛行器的高溫結構材料。立方BN立方BN為閃鋅礦結構，化學穩(wěn)定性高，導熱及耐熱性能好，其硬度與人造金剛石相近，是性能優(yōu)良的研磨材料。與金剛石相比，其最突出的優(yōu)點在于高溫下不與鐵系金屬反應，并且可以在1400℃的溫度使用。立力BN除了直接用作磨料外，還可以將其與某些金屬或陶瓷混合，經(jīng)燒結制成塊狀材料，作為各種高性能切削刀具。

2/1/202368碳化物(SiC)陶瓷碳化硅(SiC)陶瓷碳化硅的硬度很高，僅次于金剛石、立力BN和B4C等少數(shù)幾種物質，碳化硅的熱導率很高，具有優(yōu)異的高溫強度和抗高溫蠕變能力高性能碳化硅材料可以用于高溫、耐磨、耐腐蝕機械部件碳化硅是各種高溫燃氣輪機高溫部件提高使用性能的重要候選材料。碳化硼(BC)陶瓷碳化硼的顯著特點是高熔點(約2450℃);低比重，其密度僅是鋼的1/3;低膨脹系數(shù);高導熱;高硬度和高耐磨性，其硬度僅低于金剛石和立方BN;較高的強度和一定的斷裂韌性B4C所具有的優(yōu)異性能，除了大量用作磨料之外，還可以制作各種耐磨零件、熱電偶元件、高溫半導體、宇宙飛船上的熱電轉化裝置、防彈裝甲、反應堆控制棒與屏蔽材料等。2/1/202369玻璃陶瓷材料低膨脹玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)低(可為負值)、強度高、熱穩(wěn)定性能好、使用溫度高等特點，并可制成透明和濁白兩種類型所以可以用作航天飛機上尺寸穩(wěn)定性要求高的零件廣泛用來制作各種高級炊具、高溫作業(yè)觀察窗、微波爐蓋、大型天文望遠鏡和激光反射鏡的支撐棒，激光元器件表面可強化玻璃陶瓷玻璃陶瓷的強度比一般玻璃要大好幾倍，抗彎強度可達到88-250MPa，但在某些特殊場合仍然不能滿足要求，需要進一步提高強可加工玻璃陶瓷高熱震抗力、優(yōu)異的絕緣性能、高介電強度;低介電損耗具有較高的強韌性、更高的熱穩(wěn)定性(>1100℃)和絕緣性在電絕緣、微波技術以及精密儀器和航空、航天領域具有廣闊的應用前景。2/1/202370§1.2無機非金屬材料1.2.2玻璃及其耐蝕性能特點：玻璃是一種優(yōu)良的耐蝕非金屬材料。它表面光滑、透明度好。耐溫度急變性差、質脆、不耐沖擊和震動。應用：可用作制造容器、量具、管道、閥門、泵及金屬管道的內襯等。1.2.3化工搪瓷及其耐蝕性能特點：它兼有金屬設備的力學性能和瓷釉的耐腐蝕性能雙重優(yōu)點。瓷表面光滑易清洗，并有防止金屬離子干擾化學反應和玷污產(chǎn)品的作用，應用：廣泛用于醫(yī)藥、釀造、合成纖維生產(chǎn)中。2/1/202371§1.2無機非金屬材料1.2.4、石墨及其耐蝕性能特點：天然石墨含有大量雜質耐蝕性差。人工不透性石墨具有優(yōu)良的耐蝕性、優(yōu)良的導熱性、熱膨脹系數(shù)小、耐溫度急變性好、不污染介質、密度低、易于加工成形。其缺點是機械強度低、性脆。應用：用于制造熱交換器、塔及塔件、管道、管件、鹽酸合成爐等。2/1/202372§1.3高分子材料一、高分子化合物概念是指分子量很大的化合物。分子量大多在5×103~106之間。工程上認為，只有具備較好的強度、彈性和塑性等機械性能的高分子化合物才是工業(yè)用高分子化合物。二、高分子化合物的合成高分子化合物的合成就是將單體通過聚合反應聚合起來形成化合物的過程。因此，高分子化合物也稱為聚合物或高聚物。 最常見的聚合反應有加聚反應和縮聚反應兩種。加聚反應：加聚反應是指一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應。分均加聚反應和共加聚反應。--無副產(chǎn)物縮聚反應：縮聚反應是指一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出（縮去）其它低分子物質（如水、氨、醇、鹵化氫等）的反應。又可分為均縮聚和共縮聚反應兩種。2/1/202373§1.3高分子材料三、高分子材料的分類和命名1、高分子材料的分類按來源：：天然高分子、合成高分子材料；按大分子鏈的幾何形狀：線型、支鏈型和體型三種；按大分子鏈的排列特點：無定型和晶態(tài)兩種；按極性：極性和非極性兩種；按照實際用途：塑料、橡膠、纖維和膠粘劑等。最本質和最重要的是按照化學組成：①碳鏈有機聚合物：該類聚合物的大分子主鏈全部由飽和碳鏈或雙鍵不飽和碳鏈組成（如聚烯烴、聚二烯烴）-C-C-C-C-C-或-C-C=C-C-②雜鏈有機聚合物：該類聚合物的大分子主鏈中除碳原子外，還含有氧、氮、硫、磷等其它原子：-C-C-O-C-，-C-C-N-C-，或-C-C-S-C-2/1/202374§1.3高分子材料③元素有機聚合物:該類聚合物的主鏈主要由硅、鈦、鋁、硼、氧等原子構成，如：-O-Si-O-Si-O-其側基一般為有機基團（碳鏈）。④無機聚合物：該類聚合物的主鏈和側基均由無機元素或基團構成。2/1/202375§1.3高分子材料2、命名①由化學結構命名:就是以聚合物鏈節(jié)的化學組成和結構來命名。一是按鏈節(jié)的環(huán)學結構的特點命名;一是按有機化合物系統(tǒng)命名。②由原料單體命名:就是以合成聚合物的低分子原料單體為基礎來命名。對于加聚類聚合物，在其鏈節(jié)所含單體前加一“聚”字來取名；對于縮聚類以及某些共聚類聚合物，在其低分子原料之后習慣加"樹脂"二字命名。③采用商品名稱和代表符號：有許多聚合物人們習慣使用其商品名稱，例如有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）、電木（酚醛塑料）、電玉（脲醛塑料）、滌綸或的確良（聚脂纖維）、腈綸或人造羊毛（聚丙烯腈纖維）、維綸或維尼龍（聚乙烯醇纖維）、錦綸或尼龍（聚酰胺纖維）、丙綸（聚丙烯）、氯綸（聚氯乙烯）等。2/1/202376§1.3高分子材料四、高分子材料的性能（1）重量輕：高分子聚合物是最輕的一類材料，比金屬和陶瓷都要輕。重量輕是高分子聚合物的最大優(yōu)點之一。（2）高彈性：①彈性變形量大；②彈性模量低。③拉伸時溫度升高。（3）滯彈性：應變不隨作用力即時建立平衡，而有所滯后，這就是滯彈性，它是高聚物的又一重要特性。主要表現(xiàn)有：①蠕變：高聚物在室溫下承受力的長期作用時，發(fā)生的不可恢復的塑性變形稱為蠕變。②應力松弛：高聚物受力變形后所產(chǎn)生的應力隨時間而逐漸衰減的現(xiàn)象就是應力松弛。③滯后與內耗：高聚物承受周期性荷載時，出現(xiàn)應變落后于應力，即造成應變的滯后。在重復加載時，就會出現(xiàn)上一次的變形還未來得及回復，或分子鏈的構象未跟上改變，又施加上了下一次荷載，于是造成了分子間的內摩擦，產(chǎn)生所謂內耗。2/1/202377§1.3高分子材料(4)塑性與受迫彈性加熱時，分子鏈各部分受熱的不均勻使材料不立即熔化而先有一軟化過程所表現(xiàn)出的特性稱為塑性。無定形高聚物在玻璃化溫度以下，較大應力下產(chǎn)生的較大的不能回復變形稱為受迫高彈性。（5）強度與斷裂強度：高聚物的強度比金屬低得多，比強度還是很高。2/1/202378§1.3高分子材料斷裂：高聚物的斷裂也有脆性斷裂和韌性斷裂兩種形式。①硬脆類高聚物：彈性模量很高，強度較高，斷裂伸長率很小，發(fā)生完全的脆性斷裂②強硬類高聚物：彈性模量和強度較高，斷裂伸長率較小(約2％)，產(chǎn)生脆性斷裂，但局部斷面有流動痕跡③強韌類高聚物：彈性模量和強度高，斷裂伸長率較大(約100％)，多發(fā)生韌性斷裂④柔韌類高聚物：彈性模量和屈服極限低，有一定的強度，伸長率很大，不一定發(fā)生韌性斷裂多發(fā)生脆性斷裂⑤軟弱類高聚物：彈性模量和強度都很低，·但有一定的伸長率。：發(fā)生完全的韌性斷裂，主要有天然橡膠等2/1/202379§1.3高分子材料（6）韌性高聚物的優(yōu)點之一是其內在的韌性較好，即在斷裂前能吸收較大的能量。沖擊韌性：是材料在高速沖擊狀態(tài)下的韌性或對斷裂的抗力，在高聚物中也被稱為沖擊強度。高聚物的沖擊韌性為金屬的百分之一。（7）減摩、耐磨性摩擦是接觸表面之間的機械粘接和分子粘著所引起的。大多數(shù)塑料對金屬和對塑料的摩擦系數(shù)值一般在0.2~0.4倍范圍內，但有一些塑料的摩擦系數(shù)很低。塑料（一部分）除了摩擦系數(shù)低以外，更主要的優(yōu)點是磨損率低。－－自潤滑性好，消聲、吸振能力強2/1/202380§1.3高分子材料(8)絕緣性高聚物分子的化學鍵為共價鍵，不能電離，沒有自由電子和可移動的離子，因此是良好的絕緣體，絕緣性能與陶瓷相當。(9)耐熱性高聚物的耐熱性是指它對溫度升高時性能明顯降低的抵抗能力。同金屬相比，高聚物的耐熱性是較低的，這是高聚物的一大不足。(10)耐蝕性耐蝕性是材料抵抗介質化學和電化學破壞的能力。耐蝕性好是高分子材料的優(yōu)點之一。(11)老化老化是指高聚物在長期使用或存放過程中，由于受各種因素的作用，性能隨時間不斷惡化，逐漸喪失使用價值的過程。老化是高聚物一個主要缺點。2/1/202381§1.3高分子材料五、常用塑料1、塑料的組成塑料是指以有機合成樹脂為主要組成材料，與其他配料混合，通過加熱、加壓塑造成一定形狀的產(chǎn)品。一般來講，組成塑料的物質主要包括：①合成樹脂：由低分子化合物通過聚合或縮聚反應合成的高分子化合物。②填料（或增強材料）：是塑料改性最重要的成分，起增強性能的作用。③固化劑：作用是通過交聯(lián)使樹脂具有體型網(wǎng)狀結構、硬化和穩(wěn)定塑料制品。2/1/202382§1.3高分子材料④增塑劑：用以提高樹脂可塑性和柔性的添加劑。⑤穩(wěn)定劑：其作用主要是延遲塑料在環(huán)境中的老化過程。⑥潤滑劑：可防止塑料成形過程中產(chǎn)生的粘模問題。⑦著色劑：其作用是使塑料著色，可為有機顏料或無機顏料。⑧阻燃劑：作用是遏止燃燒或造成自熄。2/1/202383§1.3高分子材料2、常用塑料的分類及特性（1）按照熱性能分：①熱塑性塑料：加熱時軟化，可塑造成形，冷卻后則變硬。線型聚合物。②熱固性塑料：初加熱時軟化，可塑造成形，但固化之后再加熱，將不再軟化，也不溶于溶劑。體型聚合物。（2）按照使用范圍分①通用塑料：指應用范圍廣，生產(chǎn)量大的塑料品種。主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烴、酚醛塑料和氨基塑料等.②工程塑料：主要指綜合工程性能（包括機械性能、耐熱耐寒性能、耐蝕性絕緣性能等）良好的各種塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS等四種。③耐熱塑料：指能在較高溫度下工作的各種塑料。常見的有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有機硅樹脂、環(huán)氧樹脂等。（100～200度）2/1/2023843、常用塑料及性能2/1/2023853、常用塑料及性能2/1/2023863、常用塑料及性能2/1/2023873、常用塑料及性能2/1/2023883、常用塑料及性能2/1/2023893、常用塑料及性能2/1/2023903、常用塑料及性能2/1/2023913、常用塑料及性能2/1/2023923、常用塑料及性能2/1/2023933、常用塑料及性能2/1/202394§1.3高分子材料六、橡膠：天然橡膠、合成橡膠。天然橡膠的彈性和抗切割性好于合成橡膠，但合成橡膠耐蝕性好。1、天然橡膠組成：天然橡膠是橡膠樹的樹汁經(jīng)過煉制的高彈性固體。它是不飽和異戊二烯（C5H8）高分子聚合物。特點：天然橡膠的力學性能較差（硫化處理）；化學穩(wěn)定性較好，可耐一般非氧化性強酸、有機酸、堿溶液和鹽溶液的腐蝕，但不耐強氧化性酸和芳香族化合物的腐蝕。應用：在水工藝工程、化學工程等設備防腐處理中，軟橡膠主要用作各種設備的襯里；硬橡膠還可制成整體設備，如泵、管道、閥門等。2/1/202395§1.3高分子材料2、合成橡膠組成：合成橡膠的主要原料是石油、煤和天然氣。特點及其應用：丁基橡膠的突出特點是不透氣性，對氧化性環(huán)境如空氣和稀硝酸具有較好的耐蝕性。硅橡膠無味、無毒，其最大的特點是耐熱性好，可用作墊圈、密封件材料和隔熱材料。氟橡膠具有優(yōu)良的耐高溫、耐油、耐強氧化劑和耐酸堿性能，主要用于高溫、強氧化環(huán)境。2/1/202396§1.4復合材料一、概述1、概念

復合材料就是由兩種或更多種的物理和化學本質不同的物質，人工制成的一種多相固體材料。①它可改善或克服組成材料的弱點，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點。②它可按照零部件、構件的結構和受力要求，給出預定的、分布合理的配套性能，進行材料的最佳設計。③可造成單一材料不易具備的性能或功能，或在同一時間里發(fā)揮不同功能的作用。2/1/202397§1.4復合材料2、分類復合材料為多相或多組成體系，全部相可分為兩類，一類為基體相，主要起粘結劑作用；另一類為增強相，起提高強度或韌性的作用。復合材料可由金屬、高聚物和陶瓷中任意兩者人工合成，也可由多種金屬、高聚物或陶瓷來制備2/1/202398復合材料的種類2/1/202399§1.4復合材料玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、硼纖維復合材料、金屬纖維復合材料（1）玻璃纖維復合材料：用玻璃纖維增