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出版者:化学工业

作者:崔政斌

出品人:

页数:263

译者:

出版时间:2009-4

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787122044372

丛书系列:

图书标签:

• 压力容器
• 安全技术
• 无损检测
• 材料力学
• 焊接
• 腐蚀
• 设计规范
• 安全管理
• 风险评估
• 压力设备

《材质性能手册：严苛环境下金属材料的抉择与应用》 引言 在现代工业的广阔图景中，无数尖端技术与精密设备的背后，都离不开高性能金属材料的支撑。尤其是在那些对环境条件要求极为苛刻的应用领域，例如深海钻探、航空航天、高温高压化学反应炉、以及极端温度的超导系统，材料的选择与性能至关重要，它直接决定了设备的可靠性、安全性和使用寿命。这些领域中的金属材料不仅要承受巨大的机械应力，还要应对腐蚀、高温、低温、辐射等复杂且多变的严酷考验。因此，深入理解各种金属材料在这些极端环境下的行为规律，掌握其性能极限，并据此进行科学合理的选材，是保障工程安全、提高运行效率、实现技术突破的关键。《材质性能手册：严苛环境下金属材料的抉择与应用》正是应此需求而生，旨在为工程师、设计师、材料科学家以及相关技术人员提供一本权威、实用且信息详实的参考指南。 第一部分：极端环境下金属材料的挑战与失效模式 在深入探讨具体材料之前，本手册首先系统梳理了金属材料在严苛环境下所面临的诸多挑战。这包括但不限于： 高温环境下的挑战： 蠕变： 在高温和恒定应力作用下，金属材料会发生缓慢但持续的塑性变形，导致结构失稳甚至失效。本部分将详细介绍蠕变机理、蠕变速率的影响因素（如温度、应力、晶粒尺寸、微观结构等），以及常用的蠕变预测模型（如 Larson-Miller 参数、Manson-Haferd 参数等）。 热疲劳： 由反复的温度循环引起的热应力累积，可能导致材料产生裂纹并扩展，最终发生断裂。本部分将分析热疲劳的形成机理，影响因素，以及相关的测试方法和寿命评估技术。 氧化与热腐蚀： 在高温和氧化性介质（如空气、蒸汽、燃气）的共同作用下，金属表面会发生氧化反应，形成氧化皮。严重的氧化皮会增加材料厚度，影响传热效率，甚至导致材料结构弱化。热腐蚀则是在氧化腐蚀的基础上，结合了熔融盐或低熔点氧化物的影响，加速腐蚀进程。本部分将深入探讨不同高温环境下的氧化与热腐蚀机理，常见腐蚀产物的形态，以及影响腐蚀速率的关键因素。 高温强度下降与韧性转变： 许多金属材料在高温下其屈服强度和抗拉强度会显著下降。同时，一些材料会经历从韧性断裂向脆性断裂的转变，尤其是在特定温度区间，这被称为韧性-脆性转变温度（ductile-brittle transition temperature, DBTT）。本部分将分析这些性能变化的原因，并提供评估材料在不同温度下力学性能的方法。 低温环境下的挑战： 韧性-脆性转变（DBTT）： 与高温下的情况相反，许多体心立方（BCC）结构的金属（如低碳钢）在低温下会表现出显著的脆性断裂倾向。理解并控制材料的DBTT是低温应用的关键。本部分将详细阐述DBTT的微观机制，影响因素（如成分、热处理、加工工艺），以及提高材料低温韧性的策略。 低温脆化： 除了DBTT，一些材料在极低温下可能发生其他形式的脆化，如应变诱导的马氏体转变（SIMT）导致的脆性。本部分将探讨这些特殊的低温脆化现象。 热应力与冷缩： 巨大的温度梯度会产生显著的热应力，材料的收缩也可能引发应力集中，在低温下尤其需要关注。 腐蚀环境下的挑战： 均匀腐蚀： 材料表面在整个或大部分区域发生化学或电化学反应，导致材料整体减薄。本部分将分析不同腐蚀介质（酸、碱、盐溶液、海水等）的腐蚀机理。 点蚀（Pitting Corrosion）： 在特定区域形成小而深的腐蚀坑，具有高度的破坏性，可能导致结构突然失效。本部分将探讨点蚀的成因，影响因素（如氯离子、表面缺陷），以及检测方法。 缝隙腐蚀（Crevice Corrosion）： 在紧密接触的表面之间或不规则表面下方形成的狭窄缝隙中发生的局部腐蚀，其腐蚀速率可能远超均匀腐蚀。本部分将分析缝隙腐蚀的形成条件和加速因素。 应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）： 在拉应力、特定的腐蚀介质和敏感材料共同作用下，材料表面出现裂纹并扩展，最终导致脆性断裂。本部分将详细讲解SCC的机理，影响因素（如应力类型、腐蚀介质成分、材料敏感性），以及相应的防护措施。 氢脆（Hydrogen Embrittlement）： 氢原子进入金属晶格内部，降低材料的延展性和韧性，导致材料在应力作用下发生脆性断裂。本部分将深入探讨氢的来源、扩散机制、以及对不同金属材料的影响。 电偶腐蚀（Galvanic Corrosion）： 两种不同电化学电位的金属在导电介质中接触时，电位较低的金属会优先腐蚀。本部分将分析电偶腐蚀的原理，预测电偶腐蚀的倾向，以及如何避免。 辐射环境下的挑战： 辐照损伤： 中子、质子、伽马射线等辐射会轰击金属原子，引起原子移位、空位、间隙原子等缺陷，从而改变材料的力学性能（如硬化、脆化、体积膨胀）。本部分将介绍不同类型辐射对金属材料的损伤机理。 辐照蠕变： 在辐射场中，材料在应力作用下会发生加速蠕变，这与热蠕变有所不同。 辐照诱导的相变与析出： 辐射可能诱导材料内部发生相变或形成新的析出相，从而改变其性能。 第二部分：高性能金属材料及其在极端环境下的性能分析 本部分将聚焦于一系列在严苛环境下具有优异性能的金属材料，并对其在不同条件下的表现进行详尽的分析。 高温合金（Superalloys）： 镍基高温合金： 广泛应用于航空发动机涡轮叶片、燃气轮机部件等。本部分将详细介绍其化学成分、微观结构（如γ'相、γ相、碳化物等），以及在高温下的抗蠕变、抗氧化、抗热腐蚀性能。重点分析不同牌号（如Inconel系列、Hastelloy系列、René系列）的特性差异。 钴基高温合金： 在某些高温腐蚀环境下表现更优。 铁基高温合金： 成本相对较低，适用于中等高温应用。 耐蚀合金： 不锈钢（Stainless Steels）： 奥氏体不锈钢（如304, 316, 321）： 良好的耐腐蚀性，在中低温环境下应用广泛。重点分析其在酸、碱、氯离子等介质中的腐蚀行为，以及焊接敏感性。 双相不锈钢（Duplex Stainless Steels）： 结合了奥氏体和铁素体的优点，强度高，耐应力腐蚀开裂能力强。 超奥氏体不锈钢（Super Austenitic Stainless Steels）： 含有较高的钼和氮，在含氯化物介质中具有出色的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。 超级双相不锈钢（Super Duplex Stainless Steels）： 进一步提升了耐腐蚀性和强度。 沉淀硬化不锈钢（Precipitation Hardening Stainless Steels）： 具有高强度和良好的耐腐蚀性。 镍基耐蚀合金（Nickel-based Corrosion-Resistant Alloys）： 哈氏合金（Hastelloy Series）： 尤其在强酸、强碱、氧化还原混合介质中表现卓越。 蒙乃尔合金（Monel Alloys）： 对海水、稀酸、碱等有良好的耐腐蚀性。 因科镍合金（Inconel Alloys）： 在高温和腐蚀环境下均有良好表现。 钛及其合金（Titanium and its Alloys）： 纯钛： 极佳的耐腐蚀性，尤其对氧化性介质、氯化物等。 钛合金（如Ti-6Al-4V）： 在强度和耐腐蚀性之间取得平衡，广泛应用于航空航天、海洋工程。 特种金属材料： 铝及其合金（Aluminum and its Alloys）： 轻质高强，耐腐蚀性适中，在航空、汽车等领域应用广泛。 铜及其合金（Copper and its Alloys）： 良好的导电导热性，部分合金耐海水腐蚀。 贵金属（Noble Metals）： 如铂、金、银等，在极端腐蚀环境中几乎不被腐蚀，但成本高昂。 难熔金属（Refractory Metals）： 如钼、钨、钽、铌等，具有极高的熔点，适用于超高温环境。 第三部分：选材策略与失效分析 基于应用场景的选材指南： 化工与石化行业： 针对不同工艺介质（酸、碱、溶剂、硫化物等）、温度、压力，提供详尽的选材建议，包括常用不锈钢、镍基合金、钛合金等。 能源领域（石油天然气、核能）： 考虑高温高压、腐蚀性介质、辐射环境等因素，推荐适用的材料。 航空航天领域： 关注轻质高强、耐高温、耐疲劳等性能，介绍各种特种合金的应用。 海洋工程： 重点考虑海水腐蚀、应力腐蚀、生物污损等问题，推荐耐海水腐蚀的材料。 低温工程： 关注材料的低温韧性，避免脆性断裂。 材料性能评估与测试方法： 力学性能测试： 拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验、疲劳试验、蠕变试验。 腐蚀性能测试： 浸泡试验、电化学测试（极化曲线、阻抗谱）、点蚀/缝隙腐蚀测试、应力腐蚀开裂测试。 高温性能测试： 高温拉伸、高温蠕变、热氧化/热腐蚀试验。 低温性能测试： 低温冲击试验、低温拉伸试验。 非破坏性检测（NDT）方法： 超声波检测（UT）、射线检测（RT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）等，用于评估材料内部和表面缺陷。 失效分析技术： 宏观检查： 观察断口形貌、腐蚀产物、表面变化。 微观分析： 扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌、能量色散X射线谱（EDX）分析元素成分。透射电子显微镜（TEM）分析微观组织。 化学分析： 光谱分析、化学滴定等，确定材料成分和腐蚀产物成分。 应力分析： 有限元分析（FEA）等，模拟应力分布。 环境因素分析： 确定腐蚀介质成分、温度、压力等。 结论 《材质性能手册：严苛环境下金属材料的抉择与应用》是一本致力于解决实际工程难题的工具书。它不仅提供了一系列关键材料的基础性能数据，更重要的是，它深入解析了这些材料在极端环境下的行为机理，并提供了科学的选材和失效分析方法。通过本书，读者能够更精准地预测材料在特定工况下的表现，做出最优的材料选择，从而显著提升工程项目的成功率，确保设备的安全可靠运行，并为未来技术的发展奠定坚实的材料基础。本书的目标是成为工程师、设计师和研究人员在应对复杂工程挑战时不可或缺的参考。

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这本书的阅读体验很顺畅，尽管内容技术性极强，但作者在行文组织上保持了一种令人钦佩的克制和条理性。它成功地在“深度”和“广度”之间找到了一个精妙的平衡点。比如，在介绍压力容器的标准规范时，它总是能精准地插入一些实际案例来佐证规范的合理性，而不是简单地罗列条文。我个人尤其喜欢它对“人因工程”在安全操作中作用的探讨，这一点在很多纯技术手册中经常被忽略。作者指出，即使是最完美的设计，如果操作人员的培训不到位或界面设计不友好，安全风险依然会急剧上升。这种对系统性安全管理的关注，提升了这本书的档次。总而言之，这本书不是一本能让人轻松读完的书，它需要思考和实践的结合，但每投入一分精力，都能获得十倍于此的专业回报，是值得反复研读的案头必备之作。

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这本书的封面设计得挺有设计感，那种深沉的蓝色调和棱角分明的字体，一下子就给人一种专业、严肃的感觉，很符合它所承载的主题。我本来对这个领域了解不多，但拿到书后，光是翻阅目录就觉得内容体系构建得非常扎实。它似乎不仅仅停留在理论的讲解，而是深入到工程实践的方方面面。我注意到它对材料选择、焊接工艺的细节描述非常详尽，甚至连一些常见的腐蚀问题和疲劳分析都有专门的章节进行深入探讨。这对于我们一线工程师来说，是极其宝贵的第一手参考资料。它没有那种晦涩难懂的纯学术腔调，而是用一种非常务实、可操作的语言来阐述复杂的安全规范和设计准则，让人感觉自己手中的不仅仅是一本教材，更像是一本可以随时拿来解决实际问题的工具书。特别是关于超高压容器的设计校核部分，图表和公式的推导过程清晰明了，即便是初次接触这些复杂计算的人，也能顺着作者的思路一步步理解其中的逻辑和边界条件。这种注重实战的编写风格，极大地提升了阅读的效率和满意度。

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读完前几章，我最大的感受是作者对于“安全冗余”这一核心理念的把握达到了一个很高的境界。书中对于各种失效模式的分析，简直就是一部“反面教材的集大成者”，详细列举了历史上或理论上可能发生的各种灾难性后果，然后反向推导出预防这些后果必须采取的技术手段。这种“以史为鉴”的叙事方式，让人在阅读时始终保持着一种敬畏感和警醒。举个例子，它对屈曲和蠕变这两大“隐形杀手”的分析，不仅给出了标准的计算公式，更重要的是，结合了不同温度和应力历史下的材料行为变化曲线，这在很多标准化的手册中是很难看到的深度。我特别欣赏它对规范演变过程的追溯，比如AISC和ASME规范之间的细微差别及其背后的设计哲学差异，这种宏观的历史视角能帮助读者建立起更完整的知识框架，而不是孤立地背诵条文。它教会我的不是“怎么做”，而是“为什么这么做”，这才是真正有价值的知识。

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这本书的排版和插图质量，说实话，超出了我对一本专业技术书籍的预期。很多复杂的内部结构图，比如封头和管板的连接方式，用三维透视图配合关键尺寸标注，清晰得仿佛能直接在脑海中构建出实体模型。我记得有一次在设计一个特殊形状的反应釜时，遇到一个关于焊缝布置的优化难题，当时查阅了很多网络资源都找不到满意的解决方案。无意中翻到本书中关于非标准几何形状强度校核的那一章，作者用一套系统的有限元分析思维导图，指出了我计算中的关键疏漏点，让我茅塞顿开。这本书的价值在于，它没有停留在机械设计层面，而是巧妙地融入了热力学和流体力学对容器内部环境的影响分析，比如流致腐蚀和热冲击的处理，这使得整本书的知识跨度非常广，横向关联性很强，体现了作者跨学科的深厚功底。

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我对技术书籍的评价标准之一，就是它是否能激发我的进一步研究兴趣。这本书在这方面做得非常出色。它在探讨最新无损检测（NDT）技术，比如相控阵超声波（PAUT）和数字射线检测（DRT）的应用时，并未止步于介绍设备本身，而是深入分析了不同技术对特定缺陷（如裂纹、夹渣）的识别灵敏度和局限性。这直接引导我去思考，在特定的服役环境下，哪种检测组合是最经济且最有效的。特别是关于寿命评估和再认证的章节，它提供了一套严谨的风险评估框架，这在实际的设备管理中是至关重要的。它不仅仅是教你如何建造一个容器，更重要的是教你如何安全、高效地“运营”和“维护”它，这种全生命周期的视角，非常具有前瞻性。看完之后，我立刻开始着手整理我们工厂现有高风险设备的寿命预测模型，这本书简直是最好的蓝图。

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