第4單元 回轉(zhuǎn)殼中的薄膜應(yīng)力.doc

Part 力學(xué)基礎(chǔ)知識第4單元 回轉(zhuǎn)殼中的薄膜應(yīng)力回轉(zhuǎn)殼是由一條直線或曲線繞一軸（旋轉(zhuǎn)體是由一平面繞軸旋轉(zhuǎn)而形成）旋轉(zhuǎn)而成。大多數(shù)壓力容器由旋轉(zhuǎn)殼構(gòu)成；圓柱形和圓錐形段，半球形，橢圓形和準(zhǔn)球形封頭圖1.13。薄壁容器的壁可看成一薄膜，承受載荷而無顯著的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，類似于一氣球的壁。對受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)殼的薄膜應(yīng)力分析為確定容器殼體的最小壁厚奠定了基礎(chǔ)。所需要的實(shí)際壁厚也將取決于該容器所承受的其它載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力。研究如圖1.14所示在旋轉(zhuǎn)對稱載荷 作用下普通形狀的回轉(zhuǎn)殼，即殼體上每單位面積的載荷（壓力）在圓周方向是常量，但從頂部到底部則無需是相同的。設(shè)壓力，殼體壁厚徑向（縱向）應(yīng)力，沿經(jīng)線作用的應(yīng)力周向或切向應(yīng)力，沿平行圓方向作用于的應(yīng)力（常稱環(huán)向應(yīng)力）經(jīng)線曲率半徑周向曲率半徑注：容器有二個曲率和的值由形狀決定。研究由點(diǎn)a，b，c，d所定義的單元上的作用力，而單元上壓力的正分量（以直角作用于表面的分量）=。這個力被容器的壁厚中與薄膜相關(guān)的力的正分量相抵抗（平衡）=。使這些力相等并簡化，注意的極限是得 （1.12）經(jīng)向應(yīng)力的表達(dá)式可通過圖1.14作用在任一周向線的力的平衡而得到。壓力的垂直分量為：。該力是和作用在容器壁的環(huán)上的經(jīng)向力的垂直分量平衡：=使這二個相等得到 （1.13）方程（1.12）和（1.13）對任一回轉(zhuǎn)殼是基本通式（用的）圓筒（Fg1.15a）圓筒體是由平行于回轉(zhuǎn)軸直線旋轉(zhuǎn)而成：這里D是圓筒體直徑，代入方程（1.12）（1.13）得： （1.14）球形（Fg1.15b） 因此 （1.15）錐形（Fg1.15c）錐殼是由一直線與軸傾斜一定角度旋轉(zhuǎn)而成。代入方程式（1.12）和（1.13）得到：最大應(yīng)力值位于處。第5單元 機(jī)械振動機(jī)械振動是質(zhì)點(diǎn)或物體對于一平衡位置的擺動的周期性的重復(fù)運(yùn)動。一個工程師經(jīng)常面臨機(jī)械振動問題，這是因?yàn)樗麄儙灼皆诟鞣N形式的機(jī)械和結(jié)構(gòu)都遭遇一定程度的振動。在機(jī)器和結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)振動是不希望存在的，因?yàn)檎駝訒a(chǎn)生附加應(yīng)力，或交變應(yīng)力，引起額外磨損，增大軸承載荷，導(dǎo)致疲勞破壞，使飛機(jī)，船，火車及汽車上旅客很不舒服。且振動會吸收原可以做有用功的能量。1940年Tacoma Narrows橋的倒塌就是由于振動產(chǎn)生的額外（附加）應(yīng)力而使結(jié)構(gòu)失效的一個例子。精密儀器，工具和機(jī)床的精度可以被過度振動而受到損壞。為防止振動損壞，旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件需仔細(xì)平衡。當(dāng)一個飛機(jī)的螺旋漿部件在飛行中被打掉或折斷，則螺旋漿不再是對稱的，除非飛機(jī)能及時停止飛行，否則，發(fā)動機(jī)的振動將使發(fā)動機(jī)從飛機(jī)中拉掉。汽車發(fā)動機(jī)或在不平道路行駛產(chǎn)生的振動，在某些零件中產(chǎn)生交變應(yīng)力，最終導(dǎo)致部件的疲勞失效。振動有時用來產(chǎn)生期望的效果。例如，振動用于將混凝土壓實(shí)成型，也用于在振動機(jī)器中從谷物殼中分離谷粒。那些在具有常規(guī)發(fā)動機(jī)的飛機(jī)上可以正常工作的儀器，當(dāng)用于滑翔機(jī)或是噴氣機(jī)時，因?yàn)槿鄙僬駝?，可能會趨于停滯。在這些例子中，在儀表底板上有時安裝有振動器。由一彈簧，軸，梁或其他彈性系統(tǒng)所支撐的質(zhì)點(diǎn)或物體受到外力的力的作用和突然撤消而離開（ ）它的平衡位置則該質(zhì)點(diǎn)和物體發(fā)生振動。普通的例子有：（1）圖1.19（a）中，物體A的上下振動運(yùn)動，物體A垂直地放在離開平衡位置的螺旋形彈簧上，然后釋放。（2）圖1.19（b）中物體B的上下振動運(yùn)動，物體B放在不計(jì)質(zhì)量的易彎曲的彈性板（懸臂梁）離開其平衡位置上，然后釋放；（3）圖1.19（c）中擺球C的運(yùn)動由一不計(jì)質(zhì)量的細(xì)繩懸掛在垂直平面中擺動。圖1.20（a）所示物體W用一彈簧吊起來，并放在其平衡位置。如果物體用一力F拉離其平衡位置，并釋放，如不（沒有）計(jì)摩擦力，它將相對于平衡位置無休止地持續(xù)擺動。圖1.20（b）所示為物體W相對平衡位置的位移y與時間的函數(shù)圖形。機(jī)械振動的基本特性之一是運(yùn)動的一定時間間隔重復(fù)。擺動的周期T是運(yùn)動開始重復(fù)前消逝（過去）時間的最小值，在一周期中完成的運(yùn)動是一個循環(huán)。擺動的頻率f是在一給定時間單元內(nèi)所發(fā)生的循環(huán)的次數(shù)；通常時間單位是每秒循環(huán)數(shù)，cps或赫茲Hz。應(yīng)該注意，頻率是周期的倒數(shù)，用方程表示：。擺動的振幅A是一物體離示其平衡位置的最大位移，或是直線的，或是成角度的。由彈性力或有時是重力所維持的機(jī)械振動稱為自由振動。一自由振動常稱為固有振動，一旦開始將以其固有頻率持續(xù)擺動。由一系統(tǒng)外部激振力所產(chǎn)生和維持（保持）的強(qiáng)迫振動，它叫激振力的頻率振動。如果系統(tǒng)是一個幾乎無磨擦和無損耗的單元，當(dāng)激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，強(qiáng)迫擺動的振幅將變成非常大。這樣，盡管強(qiáng)迫振動的頻率與彈性系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)，但是，所產(chǎn)生的振幅令受到兩個頻率的影響。振動也被分類為阻尼振動和無阻尼振動。當(dāng)摩擦，空氣阻力、粘滯阻尼和其他所有阻力可忽略時，振動是無阻尼的。當(dāng)任何一個上述影響是明顯的時候，則物體具有阻尼振動。實(shí)際上，即使摩擦力在許多應(yīng)用中可以被忽略，但它總是一個摩擦阻尼力，得最終使自由振動停止。如果一質(zhì)點(diǎn)或物體的運(yùn)動受到約束以至它的位置被完全規(guī)定在一個座標(biāo)上，則我們稱之為單自由度。如果系統(tǒng)可在二個方向振動或是由二個各在一個坐標(biāo)上單獨(dú)振動的物體所組成，我們稱之為二個自由度，因?yàn)樾枰€坐標(biāo)來確定任何時刻系統(tǒng)的位置。例如，如圖1.21a所示的由一彈簧懸掛的單質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，它僅在垂直方向振動，具有一個自由度。所受約束如圖1.21b所示的一個可沿鉛垂方向運(yùn)動的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，有二個自由度，因?yàn)橐獌蓚€座標(biāo)來確定任意時刻的質(zhì)點(diǎn)位置。如圖1.21c所示，由四個彈簧約束的一個質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，強(qiáng)制在一個垂直平面中運(yùn)動，有二個自由度，這是因?yàn)樾枰€坐標(biāo)來確定該質(zhì)點(diǎn)在任何時刻的位置。通常，一個剛性體具有6個自由度，因?yàn)樗梢栽谌齻€坐標(biāo)系方向平動和繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。Part 2金屬材料 第6單元 金屬現(xiàn)在元素中大約四分之三可歸類為金屬，而至少大約一半金屬元素都有一定的工業(yè)上或商業(yè)上的重要性，嚴(yán)格地說，盡管世界的金屬限于純金屬元素，然而廣泛使用給了它更廣的范圍，包括金屬合金。當(dāng)純金屬元素具有廣泛的性質(zhì)時，他們在商業(yè)用途上則十分有限。由二個或二個以上元素組成的金屬合金應(yīng)用更廣泛，由此它是工業(yè)上使用的大多數(shù)金屬的形式。金屬材料是結(jié)晶固體，單個晶體是由單元晶粒按規(guī)則的模式重復(fù)形成的三維晶格。一塊金屬則是成千上萬相聯(lián)晶粒的集合體，而這些晶粒都沉浸在從晶體原子中脫離出來的帶負(fù)電的價電子云中。這些松散的電子用來使晶體結(jié)構(gòu)聚在一起，因?yàn)樗鼈儗д姾傻慕饘僭樱x子）的靜電吸引力。由于金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)致密性所造成的這種很大結(jié)合力是造成金屬一般都具有良好機(jī)械性質(zhì)的原因，而且電子云使大多數(shù)金屬具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性。金屬通常是由生成它們被使用的形式所用的方法來識別的，當(dāng)一金屬經(jīng)過塑性狀態(tài)成固體形狀，被歸類于可鍛造金屬。通過將液態(tài)金屬灌入一模子而產(chǎn)生的金屬形狀被歸類稱鑄造金屬。有二種熟悉的金屬材料，黑色金屬和有色金屬。所有黑色金屬的基本成分是鐵元素。這些金屬含90%鐵，范圍從鑄鐵到碳鋼至含有各種其他占總組成近一半的元素的特有的鐵合金。除商業(yè)上純鐵外，所有鐵合金，包括鐵和鋼，都認(rèn)為是初始鐵一碳合金系統(tǒng)。雖然碳含量少（鋼中少于1%，鑄鐵中不超過4%）且通常少于其他合金元素，但是它是改善和控制大多數(shù)機(jī)械性能的主要因素。根據(jù)定義：其主要成分不含鐵的金屬材料認(rèn)為是有色金屬。在相當(dāng)廣的工業(yè)應(yīng)用中，粗略地有12種有色金屬。這張表的頂部是鋁，它接近鋼，是當(dāng)今相當(dāng)廣泛使用的結(jié)構(gòu)金屬。鋁和鎂，鈦，鈹常被分屬為輕金屬，因?yàn)樗鼈兊拿芏缺蠕摰偷枚?。銅合金根據(jù)消耗是第二個有色金屬。有二類主要銅合金：黃銅銅和鋅的基本二元合金系列，青銅是一個原始的銅錫合金系列。今天，青銅包括其他銅合金系列。鋅，錫，鉛和銻，其熔點(diǎn)低于800F（427）通常分類為低熔點(diǎn)合金。鋅其主要結(jié)構(gòu)用途是壓鑄法中，在總消耗位于鋁和銅后排列第三。鉛和錫,極其限于那些需低熔點(diǎn)和其它專門性質(zhì)的應(yīng)用中。有色金屬另一大類指難熔金屬。這些金屬是：鎢，鉬和鉻，其熔點(diǎn)在3000F（1649）以上，用于通常必須耐高溫的產(chǎn)品。最后，這些貴金屬具有高成本的共同特性。此外，他們通常具有高耐腐蝕性，許多有用的物理性能和共有高密度。第7單元 材料性質(zhì)用于工程構(gòu)件的任何一種材料的最終強(qiáng)度取決于該材料經(jīng)過一種或多種不同加工過程后的機(jī)械與物理性質(zhì)。而且對任何專門加工過程，確定材料在其初始狀態(tài)的適應(yīng)（性）有幾（種）性質(zhì)。純金屬的原始強(qiáng)度是重要的，因?yàn)樵搹?qiáng)度將影響它被成形為所需形狀的難易，及在加工中抵抗載荷的能力。提高或降低初始材料強(qiáng)度的因素可能同樣重要的。所期望的是或者是充分降低其強(qiáng)度以使它在會適機(jī)床客易加工成形，或者二者選一，增加制成部件的最終強(qiáng)度或使它便于加工。強(qiáng)度是一個不明確的術(shù)語，這里它可被理解為表示材料或接受或抵抗變形的能力。類似的問題也適用于另一個甚至更難理解的材料性質(zhì)，即材料的韌性。它常理解為是材料承受大變形而不斷裂的能力。再考慮加工過程，韌性值較大顯然是有利的。許多金屬加工過程，僅限于材料被加工中的可能的韌性，所以影響材料的變形量必須加以限制以避免斷裂。因而，有一些與韌性相對立的性質(zhì)有利的加工過程。這種性質(zhì)的一個適當(dāng)?shù)钠胀~是脆性，例如：眾所周知的是一些脆性材料比韌性材料更容易加工或剪切。主要是制造過程中各種材料性質(zhì)間的相互關(guān)系，例如強(qiáng)度與韌性等，影響著生產(chǎn)的工藝。例如，大多數(shù)金屬加熱后將變軟且容易成形，這是普通常識。然而，如果變形的速度太快，這個益處將消失，而材料可能變成或是太硬，或是脆的以致快速變形將導(dǎo)致斷裂。對這些影響的發(fā)生和大小在某些方面取決于材料的微結(jié)構(gòu)，所以金屬冶金學(xué)或相應(yīng)的非金屬微觀結(jié)構(gòu)的知識對本書，稱為材料力學(xué)的廣泛領(lǐng)域的理解是必需的。事實(shí)上，本章開始討論的目的在于指出加工中和加工后都是重要的材料性質(zhì)，看到他們?yōu)槭裁粗匾退麄內(nèi)绾斡绊懠庸み^程。比“強(qiáng)度”和“韌性”更確切的術(shù)語顯然是必要的，本章中將考慮標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試驗(yàn)來看是否能更精確定義這些概念。當(dāng)然，要做到這些也有必要具有一些塑性數(shù)學(xué)理論或理想物質(zhì)流變學(xué)的知識。已經(jīng)定義和理解了加工中重要的各種性質(zhì)，然后可以去考慮這些知識如何用來控制過程和產(chǎn)品，以及這些性質(zhì)如何受到不同生產(chǎn)過程的影響。這樣應(yīng)容易決定加工的方法，更能適合指定部件和材料，從而得到所需要的最終形狀，強(qiáng)度和性質(zhì)。因而，可以理解為什么傳統(tǒng)題名為材料力學(xué)的學(xué)科是如此重要，它不僅與任何工程制品所發(fā)覺的材料最后條件有關(guān)，而且與它被形成最終形狀前的材料有關(guān)。例如，考慮改變制造成部件的形狀和材料來適合可行的生產(chǎn)技術(shù)是恰當(dāng)?shù)?。這些問題超出本書范圍，而應(yīng)屬于更專業(yè)化的制造設(shè)計(jì)或制造工程領(lǐng)域。在最終分析中，任何成功的加工過程經(jīng)濟(jì)上必須合理，對經(jīng)濟(jì)因素應(yīng)總是給以高度優(yōu)先考慮。制造成本自始至終即從規(guī)定部件在一定壽命期內(nèi)要滿足一定的功能開始，直至最后的檢驗(yàn)，試驗(yàn)和保用都是重要的。整個加工過程承擔(dān)后果部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，尤其是在加工影響材料最終的強(qiáng)度的方面。加工中有幾個物理化學(xué)性質(zhì)影響材料的選用和處理。一個物理性質(zhì)實(shí)例是熱傳導(dǎo)率，它將影響材料體在被成形中熱的流動及它的冷卻和硬化速率。類似地，一個眾所周知的重要化學(xué)性質(zhì)例子是耐腐蝕性。在最終產(chǎn)品中它的重要性是顯然的，且在加工過程中它也將是重要的，因?yàn)橛袝r它可影響表面膜的生成，這些膜影響潤滑或熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)。第8單元 制造工程過程1.制造過程分類：下表顯示在材料成形中使用的制造工程過程的分類，注意表中僅提及典型例子。2.制造過程實(shí)例：鍛造：鍛造過程的特征可表述如下：質(zhì)量守恒，工作材料為固態(tài)，力學(xué)基本過程為塑性變形過程。使用各種鍛造過程。最普通的鍛造形式是落錘鍛造，金屬加熱到合適的加工溫度然后放在下模腔中。上模腔然后向下這樣金屬被壓入充滿腔。在腔面之間邊緣處多余材料毛邊被擠出，這些在然后的整理過程中被除去。當(dāng)使用鍛造術(shù)語時，它通常指熱鍛。在鍛造過程損失的材料通常是相當(dāng)少的。通常，鍛造好零件需要一些后續(xù)的機(jī)械加工，因?yàn)殄懺爝^程得到的公差和表面經(jīng)常都不能滿足最終產(chǎn)品的要求。鍛造機(jī)械包括落錘和帶機(jī)械裝置或液壓裝置的鍛造過程。這些機(jī)械涉及簡章運(yùn)動。軋制，軋制過程特征可表述為：質(zhì)量守衡，材料為固態(tài)，力學(xué)基本過程為塑性變形過程，軋制廣泛用在板，殼，結(jié)構(gòu)梁等的加工中。鋼錠用鑄造法生產(chǎn)出來后，通常在它還是熱的時候就通過幾個軋制階段將其厚度變薄。由于工作材料寬度不變，其長度隨著減薄而增長。在最后一道熱軋后，最后一道是冷的，以改進(jìn)表面質(zhì)量和公差，提高強(qiáng)度。軋制中，軋輥外的設(shè)計(jì)成產(chǎn)生所希望的幾何形狀。粉末壓實(shí)，粉末冶金過程特征如下：質(zhì)量守恒（衡），材料為粉末狀，力學(xué)基本過程為流動塑性變形過程。在此上下文，僅提及金屬粉末的壓實(shí)，但通常鑄型砂，水泥材料等等的壓實(shí)也屬于這一類。在金屬粉末壓實(shí)中（壓制成型），模腔充滿容積精確的粉末，并在壓力通常在500N/mm2下壓實(shí)。在這階段中，顆粒壓緊在一起，然后塑性成型。壓實(shí)后典型密度是固體材料密度的80%，由于塑性變形，顆粒如“焊接”在一起，獲得足夠強(qiáng)度來承受搬運(yùn)。在壓實(shí)后，元件被熱處理燒結(jié)，通常在材料的熔化溫度的70%80%的溫度下。燒結(jié)的氣體必經(jīng)控制以防止氧化。燒結(jié)過程的持續(xù)時間在30分鐘至2小時。另件在燒結(jié)后的強(qiáng)度，取決于材料的種類和采用的工藝參數(shù)，可達(dá)到相當(dāng)接近固體材料強(qiáng)度的程度。在閉合位置，模腔相當(dāng)于所期望的幾何形狀。壓制機(jī)器包括機(jī)械式和液壓式，生產(chǎn)率在每分鐘6件至10件。第9單元 鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼是我們最重要的工程和結(jié)構(gòu)材料，它在所有生產(chǎn)的金屬中占了近80%。鋼已達(dá)到如此重要的程度是因?yàn)榧嬗袕?qiáng)度，容易制成許多形狀以及和低成本一起的相當(dāng)廣泛的性質(zhì)。我們生產(chǎn)用于廣泛用途鋼的能力，范圍從相當(dāng)軟的鋼帶至硬的工具鋼，在許多情況下取決于在成型中或成型后指定鋼的適當(dāng)熱處理。在研究（考慮）鋼材和其它黑色合金材料之前，先簡要地考察鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有益的。一塊鋼材的表面情況并不能給出該鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的任何跡象，但是如果這塊鋼材折斷，斷口將顯示晶粒外觀。顆粒如此小以此需要放大鏡才能顯示顆粒。將斷口進(jìn)行高倍率放大后只能看到很少的東西，因?yàn)榇植诘臄嗫诒砻娌荒苡泻芎镁劢?，從顯微鏡中看，斷口某些部分因太近而另一些部分又因太遠(yuǎn)都落在焦點(diǎn)范圍之外。為了在顯微鏡下合適的檢查一塊金屬試樣。首先必須準(zhǔn)備研磨一平表面，然后用很細(xì)的磨料對此表面拋光直至獲得無刮痕的鏡面。由于拋光而涂在金屬表面的薄膜可用適當(dāng)?shù)脑噭┧嵯磥砣コɡ秊椋悍Q為的在酒精中加5%的硝酸溶液常用于酸洗碳鋼）從而露出其晶粒。顯微照相是借助顯微鏡照的相片，假如這樣的話，冶金顯微鏡的相片則稱為冶金照片。幾乎是純鐵或純黑色金屬的顯微照片通過恰當(dāng)準(zhǔn)備和酸洗試樣來揭示其微結(jié)構(gòu)。晶粒邊界通常顯示成黑線。顯微照片暗的區(qū)域是由酸洗深度的差異而引起的，每一晶粒是金屬的一個單晶體。100倍放大率通常對顯示純金屬中晶粒是足夠的，用電子顯微鏡放大率可能達(dá)到50000倍。但是，對冶金檢測，放大率常用至100500倍。所有固態(tài)金屬實(shí)際上都是結(jié)晶狀的，且是熔化鋼在凝固過程中通過形成小晶體來實(shí)現(xiàn)鋼的結(jié)晶。但是，即使在最強(qiáng)大顯微鏡下，金屬的檢測也不能顯示原子或空間的點(diǎn)陣，所有能看到的是單個晶?；蚪Y(jié)晶體。為了能在鐵或鋼中看到晶體點(diǎn)陣排列，有必要將拋光和酸洗的金屬表面放大到比肉眼能看到的大3500萬倍。這樣顯微鏡下所觀察到的最小晶粒是由無數(shù)多原子所組成。盡管金屬的晶體?；蚓w可能具有外部形狀和可能有大小的變化，但是晶粒的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)是基于特定金屬的空間晶格，晶粒或晶體是由一定型式或結(jié)構(gòu)束縛在一起的原子所組成。這種原子結(jié)構(gòu)稱為結(jié)晶狀材料的空間晶格。在一定溫度下，晶粒中的原子相互間以一定距離分布，且不能改變其空間間隔，當(dāng)然原子并不是以這樣方式聚合在一起，而有用的則是將晶體描繪成用假想線連結(jié)的原子的三維格子。盡管空間晶格形式可能有14種之多，但黑色金屬的冶金學(xué)家只需要了解其中二個：a.體心立方晶格，b.面心立方晶格。體心立方晶格，?？s寫為bcc，在假想立方體的每個角上有一個原子，在立六體的中心有一個原子。面心立方晶格，縮寫為fcc，在立方體的每個角上有一原子，在6個正方面的中心有一個原子。同碳鋼一樣，純鐵在室溫下具有體心立方晶格，而在一定高溫范圍下則具有面心立方晶格。當(dāng)鋼或鐵加熱至一定溫度時，發(fā)生體心立方轉(zhuǎn)變成面心立方晶格，則晶粒中原子有一個重新排列。這種原子轉(zhuǎn)移稱為同素異構(gòu)變化。同素異構(gòu)體的普通例子是碳原子的常變的事件，這可能存在于包括炭黑，石墨或金鋼石的許多形式中。這種變化發(fā)生的溫度稱為變換溫度。熱處理鋼的學(xué)科（科學(xué)）由鐵同素異構(gòu)體和碳在鐵的每種晶格形式可溶性的變化所決定。第10單元 金屬的腐蝕具有大量水溶液，有機(jī)和氣體腐蝕物的化工廠提供了幾乎可想象的每一種腐蝕。控制設(shè)備的腐蝕而不干預(yù)化學(xué)過程成為十分需要。石油煉制廠在控制腐蝕方面具有最好聲譽(yù)，這部分是由于其產(chǎn)品的價值使其有資金來控制腐蝕，部分是由于任何一項(xiàng)控制腐蝕措施出問題，對煉油廠都存在發(fā)生火災(zāi)的危險。耐腐蝕材料的成本和昂貴的化學(xué)緩蝕劑看成為必要的安全保障。什么是腐蝕？腐蝕是金屬與其環(huán)境發(fā)生反應(yīng)對金屬的損害。這里特指：“損害”是將化學(xué)碾磨，鋁的陽極化處理和鋼的發(fā)蘭之類有意改變金屬的過程排除在外。各種化學(xué)過程和電化學(xué)過程工業(yè)上用于與金屬反應(yīng)，但他們是用來改善金屬而不是損害金屬。因此這些過程并不認(rèn)為是腐蝕。“金屬”是按腐蝕定義提及的，但任何可被其環(huán)境所損害：塑料在溶劑中膨脹，混凝土在污水中分解，木材腐爛等等。這些結(jié)果都由各種機(jī)理所引起的非常重要的問題，但他們并不包括在這個定義中，金屬在腐蝕中均勻受到侵蝕式凹坑腐蝕或者是裂紋腐蝕，都是由相同基本原理所腐蝕，而和其他材料的損害是十分不同的，本教材重點(diǎn)在金屬上。腐蝕是一個自然過程，對金屬腐蝕使它們與周圍環(huán)境反應(yīng)從而生成更穩(wěn)定化合物。即使是在一個材料選擇總是正確，設(shè)備設(shè)計(jì)無任何缺陷，且操作沒有任何錯誤的理想世界中，腐蝕仍將發(fā)生，只不過是腐蝕速率是可以接受的。腐蝕的代價（成本），為了看到腐蝕的真正嚴(yán)重性，幾個國家的政府在70年代80年代委托進(jìn)行研究，這些基本上得出了顯示腐蝕實(shí)際上是一個主要問題的數(shù)據(jù)。美國的研究估計(jì)腐蝕的直接費(fèi)用對工業(yè)化國家的為國家總產(chǎn)量的4.9%，在4.9%中，粗略估計(jì)1%2%可適當(dāng)采用已是可行的技術(shù)來避免近似為每年每人消費(fèi)200美元。直接費(fèi)用包括置換（更換）汽車消聲器，金屬保護(hù)層，冷凝器管和所有其他被腐蝕金屬的部件和勞動力。況且，完整機(jī)器由于少部分的腐蝕也可能被刮去，僅汽車腐蝕每年化費(fèi)160億美元。（b:/:on：十億 109 ，million 106）直接費(fèi)用涉及金屬的重就涂漆，盡管這費(fèi)用難以用準(zhǔn)確數(shù)字表示。因?yàn)椋蠖鄶?shù)金屬外觀上涂漆：如同腐蝕保護(hù)一樣。腐蝕防護(hù)的成本（費(fèi)用）也包括例如陰極保護(hù)的投資成本，電力消耗和維修成本，化學(xué)緩蝕劑的成本次及抗腐蝕材料的附加成本等。間接成本更難以確定，盡管他們可能有至少與所調(diào)查的直接成一樣大。間接成本包括工廠停工，產(chǎn)品的損失和污染，效率的降低以及允許腐蝕所必須的外加的設(shè)計(jì)。將近20%的電子失效是由腐蝕所引起的。腐蝕導(dǎo)致了資源的消耗非常現(xiàn)實(shí)的耗費(fèi)，但并不計(jì)作為直接的成本，據(jù)估計(jì)我們鋼產(chǎn)量的40%用作替代腐蝕而損失的鋼。許多種金屬,尤其是例如鉻和鎳等那些在制造合金時所必需的金屬，都不能用當(dāng)代技術(shù)進(jìn)行回收利用，因?yàn)槟芰勘仨氂糜谏a(chǎn)替代的金屬，所以能源也因腐蝕而損失。浪費(fèi)了人類的資源，在日常的抗腐蝕的工作中需要大量工程師和技師的時間和創(chuàng)造性。對新的工程師和技師會委派相當(dāng)多的防腐工作，因?yàn)檫@對他（她）來說是一個了解人們，了解工廠操作及其問題的快捷途徑。然后，如果他們是適合了所從事的，則學(xué)習(xí)的周期不得不從另一個無經(jīng)驗(yàn)的受訓(xùn)者開始。Patr 3 過程工業(yè) 第13單元 傳熱原理實(shí)際上由化學(xué)工程師所實(shí)行的所有操作都涉及到熱形式能量的生產(chǎn)和吸收?？刂苽鳠岬亩珊涂刂茻崃苛鲃訛橹饕康牡难b置類型都是很重要的。1.熱流性質(zhì)當(dāng)二個處于不同溫度的物體處于熱的接觸中，在較高溫度物體中熱量流向處于較低溫度的物體?；镜牧鲃涌偸茄販囟认陆档姆较?。熱量流動的可能機(jī)理有三個：傳導(dǎo)：對流和輻射傳導(dǎo)：如果在一連續(xù)介質(zhì)中存在溫度梯度，熱量可不伴隨有任何可觀察的物質(zhì)運(yùn)動的流動.這種熱流稱為傳導(dǎo)。在金屬固體中，熱傳導(dǎo)是由自由電子的運(yùn)動所引起，而且熱傳導(dǎo)與電子傳導(dǎo)之間有著相當(dāng)?shù)囊恢?。少電子傳?dǎo)的固體和大多數(shù)液體中，熱傳導(dǎo)是由個別分子沿著溫度梯度的動量傳遞所引起的。在氣體中，傳導(dǎo)由分子的隨機(jī)運(yùn)動所產(chǎn)生，以致熱是由較熱區(qū)域向較冷區(qū)域擴(kuò)散。傳導(dǎo)的最普通的例子是不透明固體中的熱量流動，如：爐中的磚墻或管子的金屬壁中。對流：當(dāng)一肉眼可見的液體粒子流流過一特定表面，如：控制體積的邊界，則它帶有一定量的焓。這樣的焓流率稱為熱的連結(jié)流或簡單的對流。由于對流是一種宏觀現(xiàn)象，所以只有當(dāng)力作用在微團(tuán)或液流上且該力能夠克服摩擦力并維持運(yùn)動時，才發(fā)生這種傳遞現(xiàn)象。對流與流體力學(xué)密切相關(guān)。事實(shí)上，從熱動力學(xué)看，對流并不認(rèn)為是熱流而是作為熱含量的通量。實(shí)際上，很難將對流和純傳導(dǎo)區(qū)別開來，因此將二者概括起來稱為對流時，熱對流的識別就很方便了。對流的實(shí)例是通過湍流旋渦的熱含量的傳遞和通過熱空氣流過和離開原始輻射源的熱含量傳遞。自然對流和強(qiáng)迫對流：用個在流體中創(chuàng)立對流流動的力有二種類型。如果流動是密度差所產(chǎn)生的浮力的結(jié)果。且密度差然后是由流體質(zhì)量的溫度梯度所引起的，這樣的作用稱為自然對流。通過加熱輻射源的空氣流是自然對流的一個實(shí)例。如果流動是由機(jī)械（泵式攪拌器）分配的作用而在運(yùn)動中所產(chǎn)生，則流動與密度梯度無關(guān)被稱為強(qiáng)迫對流。通過加熱管的抽吸的流體熱流動是強(qiáng)迫對流的實(shí)例。在同一流體中，可能同時作用二種力，則自然對流和強(qiáng)迫對流一起發(fā)生。輻射：輻射是一種電磁波通過空間的能量傳遞的術(shù)語。如果輻射通過一空的空間，則沒有熱量或其它任何形式能量的改變，也沒有從其路徑上轉(zhuǎn)向。但是，如果在其路徑上出現(xiàn)物質(zhì)，輻射將被傳遞，反射或吸收，如果吸收的能量僅是熱量，則該轉(zhuǎn)變是定量的。 例如，熔融的石英幾乎傳遞了撞擊它的所有輻射，一拋光的不透明的表面將吸收它所吸收到的大多數(shù)輻射,并將這些吸收能量定量地轉(zhuǎn)變成熱量。單原子和雙原子氣體是對熱輻射所透射的，可非常普通地發(fā)現(xiàn)熱量是通過輻射和傳導(dǎo)-對流形式來流過這樣的氣體。實(shí)例有從一輻射源或未保溫的蒸汽管道向室內(nèi)周圍大氣的熱量損失和爐子中和其他高溫氣體加熱設(shè)備的熱量傳遞。二種機(jī)理是相互獨(dú)立且同時發(fā)生，所以一種熱流可以與另一種單獨(dú)地控制和變化。傳導(dǎo)-對流和輻射可分別研究，且在二者都重要的場合它們的分開的效應(yīng)可疊加在一起。在十分普通場合,輻射在高溫下變得重要，且與流體流動的環(huán)境無關(guān)，傳導(dǎo)-對流對流動條件是敏感的，且相當(dāng)不受溫度水平的影響。2.傳熱速率熱通量：傳熱計(jì)算是根據(jù)傳熱的面積，且以Btu每2時每平方呎（或每平方料Watts）熱流通過的表面來表示。每單位面積的傳熱速率稱為熱通量。在許多種傳熱設(shè)備中，傳遞表面由管道所構(gòu)成。熱通量可以管道的內(nèi)表面或外表面為依據(jù)。雖然可任意選擇。但必須表述清楚，因?yàn)槎叩臒嵬康臄?shù)值大，并不相同。流體流的平均溫度，當(dāng)加熱或冷卻流體時，流動橫截面各處溫度將是變化的，如果加熱流體，在加熱表面的壁上的流體溫度是最大的，且朝著流動中心下降。如冷卻流體，則壁上溫度最小，且朝著中心升高。由于通過流動橫截面的溫度梯度，所以從定義上有必要用流動溫度的解釋來陳述。大家公認(rèn)，流束的溫度就是假設(shè)把流過所研究截面全部流束取出并絕熱地混合后所達(dá)到的均勻溫度。這樣定義的溫度稱為平均溫度或混合流溫度。第14單元 化學(xué)工程單元操作1.簡介化學(xué)過程可以由大量不同連續(xù)步驟所組成，這些步驟的原理與正在操作的材料無關(guān)，也與特定（各個）系統(tǒng)的其他特性無關(guān)。在設(shè)計(jì)過程中，如果認(rèn)識這些步驟，所采用的每一步，可單個研究，有些步驟是化學(xué)反應(yīng)，而其他步驟則是物理變化。把復(fù)雜的工藝過程分解成單