-
PART
I
力学基础知识
█
Unit
1
力系的一般平衡条件
在这一节，我
们将研究为了使一个物体保持平衡，作用在其上的力和力偶所必须满足的条件。
根据牛顿第一定律，施加在一个静止物体上的力系的合力一定为零。然而，请注意这个定律对力
矩或力系的转动效应只字未提。显然，
合力矩也一定为零，否则物体将会转动。
这里的基本问题是，按照先前的规定，牛顿第一定律（和第二定律）只
适用于非常小的物体，或者尺寸可以忽略的非零质量的质点。然
而，它可以推广到下述有
限尺寸的物体。
考虑一个由两个质点组成的系统，
并假设
f
1
和
f
2
是由于它们之间相
互作用产生的力
(
图
.1.1)
。
这些力称为内力，
因为它们是由于系统
内部的物体之间的相互作用而产生的。假定内力服从牛顿第三定律，我们有
< br>f
1
?
?
f
2
。假如还有质点与系统外物体相互作用产生的力施
加在质点上，如
F
1,
F
2
和
F
3
，这些力称为外力。显然，作用在某个特定质点上的力一定有相同的作用点，因为质点的
尺寸可以忽略。
如果系统内的每一个质点处于平衡，我们就可
以说系统是平衡的。这种情况下，依据牛顿第一定律，作用在每个质点上的力的合力一定
为零。对质点
A
我们有：
F
∑
A
=
F
1
+
F
2
+
f
1
=
0
< br>B
而对质点
B
有：
作用在系统上的力的总和为：
F
∑
=
f
2
+
F
3
=
0
B
< br>?
F
?
?
F
?
?
F
A
?
F
1
?
F
2
?
F
3
?
f
1
?
f
2
?
< br>0
现在让我们来研究这些力对于某一点
P
的合力矩。参照图
1.1
，
我们有：
其中
?
M
P
?
r
1
?
(
?
F
A<
/p>
)
?
r
2
?
(
?
F
B
)
?
F
?
?
F
A
B
?
0
；如前所述，那么合力矩也一定为零。
由于力
其中
f
1
< br>和
f
2
有相同的作用线，力矩的
平衡条件可以改写为：
?
M
P
?
r
1
?
(
F
1
?
< br>F
2
?
f
1
?
f
2
)
?
r
2
?
F
3
?
0
f
1
?
?
f
2
；因此力和力矩的平
衡条件就简化为：
?
F
?
F
1
?
F
< br>2
?
F
3
?
0
和
?
M
P
?
(
r
1
?
F
1
)
?
< br>(
r
1
?
F
2
)
?
(
r
2
?
F
3
)
?
0
换句话说，如果系统处于平衡，那么作用在上面的外力和一定为零，并
且这些外力对任一点的合力矩也一样为零。内力不需要考虑，因为它
们的效应相互抵消了
。
然而，我们不应该仔细关注其中的细节，对于许多外力作用
下的由许多质点组成的系统，我们应该并不太难就得到上述结论，条件是内
力服从牛顿第
三定律。特别的这些结论也适用于有限尺寸的物体，因为这样的物体可以被认为是由大量微体或质点组成的。因此
我们得到了
下列一般平衡条件：
如果一个系统处于平衡，
那么
?
F
?
0
and
?
M
P
?
0
(1.1)
这里
?
F
是作用在系统上的所有外
力的总和，而
?
M
P
< br>是这些外力对某个任意点的合力矩，也包括某些可能作用在系统上的力偶的矩。
方程（
1.1
）是平衡的必要条件；即
，如果系统处于平衡，这些方程必须被满足。通常，它们不是平衡的充分条件；满足这些方程并不必
然的保证系统会处于平衡。然而，这并不会带来任何困难，因为我们要处理的只涉及已知的平衡系统。
对于刚体的平衡，方程（
1.1
）既是必
要条件也是充分条件。证明他们是充分的需要应用牛顿第二定律和其它超出本课文水平的知识。
重要的是需要注意到方
程（
1.1
）适用于任何平衡系统，而不管组成该系统的材料是
什么。例如，方程适用于大量静止的流体，同样也适
用于固体。它们也适用于特定条件下
的运动系统，因为它们是建立在牛顿第一定律的基础上，而牛顿第一定律既适用于匀速运动的质点，也
适用于静止的质点。例如，方程（
1.1
）适用于
没有转动的匀速直线运动的物体，也适用于以通过质心的固定轴为轴线做匀速转动的物体。典
型的例子有做水平匀速直线飞行的飞机和匀速转动的电动机皮带轮。然而，无论涉及哪种运动，这些问题一般 都被归类为动力学教材。
当以分力的形式表示时，方程（
1.1
）可变形为六个标量方程；
?
F
x
?
0
?
F
y
?
0
?
F
z
?
0
?
M
px<
/p>
?
0
?
M
py
?
0
?
M
pz
?
0
(1.2)
这些方程可以被用来对一个系统进行受力分析，来
解决关于外力和外力偶的的未知问题。由于有
6
个方程，我们通
常可以解决含六个未
知量的问题。如果通过平衡方程可以解出关于外力和外力偶的所有未
知量，我们就说问题是静定的。如果不能，则称之为超静定的。
当一个问题中出现的未知量个数比平衡方程的个数多时，
试着通过考虑多于一个点的转
矩来获得额外的方程是很有诱惑力的。
遗憾的是，
这个方法并没
有效果。
█
阅读材料
1
粱的静力分析
一个在通过其轴的横截面上承受作用力的杆被称作梁。在这一节，我们只考虑一些最简单种类的梁，如图
1.2
中表示的那些。在所有的
例子中假设
梁都有一个对称平面，该对称平面与其自身的轮廓平面平行。因此，梁的横截面有一个竖直方向的对称轴。接着，
假设外加载荷
作用在对称平面上，因而粱的弯曲也发生在该平面内。然后我们会考虑一种
更常见的弯曲，即具有不对称横截面梁的弯曲。
图
1.2
（
a
）所示一端为
固定铰支座而另一端为滚动铰支座的梁，被称为简支梁，或简梁，简支梁主要的特征是粱的两端在其弯曲时都可<
/p>
以自由转动，但他们不能横向（横截面方向）移动。另外，简支梁的一端可以在轴向（水平
方向）自由移动。简支梁的支座可以提供竖直方
向的反作用力，无论他们是向上还是向下
。
图
1.2
（
b
）中一端固定而另一端自由的梁，被称为悬臂梁，在固定端
梁不能转动也不能移动，然而在自由端梁两样都可以。图中第三个
例子显示的是带有外伸
端的梁，这个梁由
A
点和
B
点简支并带有一个自由端
C
。
作用在梁上的载荷可以是集中力，如图
1.2
（
a
）和
1.2
（
c
）中的
P1
和
P2
，也可以是分布载荷，如图
1.2
（
b
）中的载荷<
/p>
q
。分布载荷由其
载荷集度来描述，载荷
集度表示为：沿着梁的轴向，单位长度上单位力的大小。对于均匀分布载荷，如图
1.2
（
b
）中所示，其强度是恒定的。
另一方面，对于一个变化的载荷，其强度则是随着横梁轴向距离变化而变化函数值。
图
1.2
所示的梁都
是静定的，因为他们所有的作用力都可以通过静力平衡方程求出。例如，就承受载荷
P1
的简支梁
[
图
1.2
（
a
）
]
来说，
两个反作用力都是垂直的，他们的大小也可以通过端点
的合力矩方程求出；因此，我们得到：
R
A
?
外伸梁
[
图
1.2
（
c
）
]
的反作用力可以通过相同的方式得到。
P
1
(
L
?
a
)
P
1
a
<
/p>
R
B
?
L
L
对于悬臂梁
[<
/p>
图
1.2
（
b<
/p>
）
]
，如图所示，外加载荷
q
的作用被一个竖直方向的力
RA
< br>和一个作用在固定端的力偶
MA
平衡。由竖直方向上
力的总和，我们可以得出：
R
A
?
qb
由关于点
A
的力矩的总和，我们得到：
M
A
?
< br>qb
(
a
?
b
/
2
)
反作用力偶
MA
的作用如图所示为逆时
针方向。
上诉例子说明了可以如何通过静力学计算静定梁的反
作用力和力矩。确定静不定梁的反作用力和力矩需要考虑到梁的弯曲，因此，这个
问题会
在以后讨论。
图
1.2
所示的理想化支撑条件在实践中只会偶尔的遇到。例如，桥梁中的大跨度梁有时会在两端建造成固定和
移动的铰支座。然而，在
小跨度梁中，经常会有一些约束制约支座在水平方向的移动。在
大部分条件下，这种约束对梁上的作用力影响很小，并且可以被忽略。然而，
如果梁非常
容易弯曲，并且两端的水平约束非常刚性，那就很有必要考虑他们的影响了。
例
求出受力如图
1.3
（
a
）的简支梁的支反力，
忽略横梁自身的重量。
解
横梁受力已经在图中给出。支反力
的性质已经在旁边给出分析，反作用力中的未知分力也已清楚地在图上标明。带有位置反作用分量和
所有外加载荷的梁已经在图
1.3
（
b
）中被重新画出，以此来强调作出受力图这一步骤的重要性。在
A
端可能存在两个未知反作用力分量，因
为这一端是
固定铰支座。
B
端的反作用力只能作用在竖直方向，因为这一端
是可动铰支座。所有力的作用点都被仔细的标记出来。当完成梁
的受力图后，就要使用静
力学方程来得出结果。
∑
Fx=0<
/p>
，
RAx=0
∑
MA=0+
，
2000+100(10)+160(15)-
Ra(20)=0
，
RB=+2700lb
↑
∑
Mb=0+
，
Ray(20)+200-100(10)-160(5)=0
，
Ray=-101b
↓
验证：∑
Fy=0
↑
< br>+
，
-10-100-160+270=0
注意∑
Fx=0
用到了
3
个独立的静力方程中的一个，
因此从静力方程中仅可以确定两个
另外的反作用力分量。
如果在支撑处有更多的反作
用力分量或力
矩存在，那就变成了静不定问题。
注意外加在
C
点的集中力矩，只有在合力矩的表达式中才会出现。
RB
的正号表示
RB
的方向就是在图<
/p>
1.3
（
b
）中
假定的方向。
RAy
的
情况则相反，<
/p>
A
点的竖直方向的反作用力是向下的。注意如果计算过程如上，那
么运算工作中的验证是有效的。
█
Unit
2
应力和应变
1.
材料力学介绍
< br>材料力学是应用力学的一个分支，用于分析固体在受到各种不同类型载荷时的行为。这是一个凭借多种名称 而被人知晓的研究领域，其
中包括：
“材料强度”和“变形体力
学”
。在本书中，所研究的固体包括受轴向载荷的杆、轴、梁、圆柱以及有这些构件装配
而成的机构。通
常，我们研究的目的是确定由载荷引起的应力、应变和变形；当逐步施加
不同值的载荷直到破坏载荷时，如果能够测得这些物理量，我们就
会得到物体的一份完整
力学性能图。
在材料力学的研究中，
理论分析和实验结果具有同等重要的地位。
很多情况下，
我们会
通过逻辑推导来获得预测力学性能的公式和方程，
但同时我们必须认识到，这些公式不能
用于实际情况中，除非材料的某些特性是已知的。只有在实验室中做过适当的实验之后，这些特性才
适合我们使用。并且，许多工程中的重要的问题不能通过理论方法充分把握，这时，实验测量就成为一
种实际需要。材料力学的发展历史是
理论与实验极好的结合，在一些情况下，是实验指出
了获得有用结果的方法，在另一些情况下，则是理论来做这些事。例如著名的达芬奇
(1
452-1519)
和伽利略
(1564-1642)
就通过实验确定了金属丝、杆和梁的强度，尽管他们并没有提出任何充足的理论（以现代的标准）
来解释其
实验结果。相反，著名的数学家欧拉
(1707-17
83)
，在
1744
年就提出了柱体的
数学理论并计算了柱体的临界载荷，远早于，任何存在过的实验
数据来表明其结论的重要
意义。因此，欧拉的理论结果在很多年里都未被采用，尽管，在今天看来，是它们奠定了圆柱理论的基础。
随着我们在该话题中研究的不断深入，联合理论推导与实验所确定材
料性质的重要性将是显然的。在这一节，我们从讨论一些基本的概
念开始，如应力和应变
，然后我们将会研究受拉伸、压缩和剪切的简单构件的性能。
2.
应力
应
力与应变的概念可以通过研究等截面杆
[
见图
< br>1.4
（
a
）
< br>]
拉伸这一基本方法阐明。等截面杆是沿其长度与轴向上具有恒定横截面的杆。<
/p>
这里，假设杆的两端都承受轴向力
P
的作
用，并且在杆上产生了均匀的拉伸或拉力。做出一个与杆轴向垂直的人工切面（截面
m-
m
）
，通过
这种方法我们就能把杆的一
部分作为自由体分离出来
[
图
1.4<
/p>
（
b
）
]
。在杆的右端作用着拉力
P
，而在杆的另一端
则存在着另一些力，它们代表
了杆被移去部分所施加在留下部分上力的作用。这些力连续
的分布在横截面上，类似于作用在被淹没物体表面上连续分布的静水压力。力的
密度，也
就是单位面积上力的大小称为应力，一般用希腊字母
σ
表示。假
设应力均匀分布在横截面上
[
见图
1.
4
（
b
）
]<
/p>
，我们立马就可以得出
它的合力等于密度
σ
乘以杆的横截面积
A
。此外，通过图
1.4
（
b
）
中所示物体的平衡，我们也可以得出：这个合力一定与力
p
在大
小上相等，
在方向上相反。因此，我们得到：
?
?
P
（
1.3
）
A
即等截面杆中的均匀应力方程。这个方程表明应力的单位是力
除以面积——例如：牛每平方毫米
(N/mm
2
)
或磅每平方英寸
(psi)
。如图中所示，
当杆在力
P
的作用下被
拉伸时，所产生的应力称为拉应力；当施加反方向的力时，杆被压缩，这时所产生的应力称为压应力。
方程（
1.3
）有效的
必要条件是，应力
σ
必须均匀分布在杆的横截面上。如果轴向力
P
作用于横截面的形心，那就满足这个条件，
< br>（该结
论）可以通过静力学验证。当载荷
P
不作用在行心时，将会导致轴的弯曲，这时更复杂的分析就是必要的了。然而，在本书中，除了特殊说
明的相反的情况，假定所有的轴向力都作用在横截面的形心。而且，除非另有说明，通常
假设物体自身的重量可以忽略，就像我们讨论图
1.4
中的杆那
样。
3.
应变
受轴向力时，
杆总的伸长量用希腊字
母
δ
[
见图
1
.4
（
a
）
]
表示。
而单位长度的伸长，
或者说应变
，
则可以用下面的方程确定：
?
?
?
L
（
1.4
）
这里
L
是杆的总长度。注意应变
ε
是无量纲量。只要
应变均匀分布在杆上，就可以通过方程
1.4
精确地获得结果。
如果杆受拉，此时的应变
称为拉应变，表示材料伸长或被拉伸；如果杆受压，此时的应变
则为压应变，这意味着杆上相邻横截面离得更近了。
█
阅读材料
2
粱的剪力和弯矩
< br>现在让我们考虑一个例子，一个倾斜的载荷
P
作用于一个
悬臂梁的自由端
[
图
1.5
（
a
）
]
。假如我们在横截面
m-m
处切断梁，并将梁左端分离
出来作为一个自由体
[
图
1.5
（
b
）
]
，我们发现梁被移除部分（即右端）施加在左端上的作用力必须这样，才能
维持左端的平衡。在我们这个
阶段的研究中，横截面
m-m
上的应力分布情况是未知的。但我们能够确信的是，这些应力的作用效果必须是这样才能与载
荷
P
平衡。我们可
以方便的把合力分解
为：一个作用线通过截面形心并垂直作用在横截面上的轴力
N
、
一个和截面平行的剪力
V
和一个作用在梁所在平面上的
弯矩
M
。
作用在梁横截面上的轴力、剪力和弯矩被称为应力合力。对于一个静定梁，应力合力可以根据其平衡 方程来确定。因此，对于图
1.5
中
的
悬臂梁，我们可以由图中第二部分所示的受力图写出三个静力方程。由水平和垂直两个方向上的合力，我们分别可
以得到：
N
?
p
cos
?
由关于过截面
mm
形心的轴的合力矩，我们可以得到：
V
?
p
sin
?
M
?
Px
sin
?
其中
x
表示自由端到截面
mm
的距离。因此，通过受力图与静力平衡方程，我们能够不难的地计算轴力，剪力
和弯矩。由轴力
N
单独作用在
梁上所产
生的应力已经在第二单元的课文中谈论过了，现在我们将要看到的是，如何计算伴随有弯矩
M
和剪力
V
时的应力。
当应力合力
N
、
V
和
M
的作用方向如图
1.5
（
b
）
所示时，它们将被假设为正的。然而，这种符号约定只在我们讨论梁左边部分的平衡时
有
用。如果考虑粱的右边部分，我们将发现，应力合力有同样的大小但不同的方向。
[
见图
1.5(c)]
。因此，我们必须认识
到，应力合力的代数
符号并不取决于它在空间上的方向，比如向左还是向右。而是取决于
抵制其作用的材料的有关方向。为了说明这点，
N
、
V
和
M
的符号约定
在图
1.6
中被再次标出，其中应力合力被画
在粱的一个微元中。
我们看到一个正的轴向力被指向背离其拉
伸作用面的方向，
一个正的切向力关于其作用面顺时针作用，
还
有一个压缩粱下部的正的弯矩。
例
一个简支梁
AB
承受两个载荷，一个集
中力
P
和一对力偶
Mo
，如图
1.7
（
a
）所示。计算梁上如下横截面中的剪力和弯矩：
（
a
）距离梁正
中位置左侧一小段距离处，
（
b
）距离梁正中位置右侧一小段距离处。
< br>
解
分析此梁第一步是计算反
作用力
Ra
和
Rb
，分别对
A
端与
B
端取距列出两个平衡方程，由此我们得到：
Ra
?
3
P
Mo
P
Mo
?
?
Rb
?
4<
/p>
L
4
L
接着，在
梁正中间位置的左侧用一个横截面将梁切开，并画出其中任意一半梁的受力图。在本例中我们选取左边的一半梁来
研究，相应的受
力图见图
1.7(b)
。此受力图中出现了力
P
和反作用力
R
a
，以及未知的剪力
V
和弯矩
M
，剪力和弯矩均以其正方向标出，力偶
Mo<
/p>
没有出现在
图中，因为梁在
Mo
所作用点的左侧被切开了。由垂直方向的合力可得：
< br>V
?
Ra
?
P
?
?
P
Mo
?
4
L
这表示剪力为负，因此，剪力的方向与图
1.7
（
b
）中的假设方向相反。对穿过
m-m
截面的轴取力距可得：
M
?
RaL
PL
PL
Mo
?
?
?
2
4
8<
/p>
2
根据方程中项的相对值，我们可以看出弯矩既可能是正值，也可
能是负值。
为得到梁正中位置右侧截面上应力的作用效果，我
们在该截面处将梁分开，再次画出适当的受力图
[
图
1.7(c)]
。此图跟前一图的唯一区别
是，力偶
Mo
此次作用在梁截面左侧这个部分。再次在竖直方向对力求和，并对通过截面形心的轴求力矩。我们得到：
V
?
?
P
Mo
PL
Mo
?
?
M
?
4
L
8
2
我们从这些
结果分析可得：力矩
Mo
的剖面在梁上左右切换时，剪切力并没
有改变。但是弯矩在数值上增加了等于
Mo
的量。
█
Unit
3
正应力和切应力
1.
正应力
在这之前，我们已经得到桁架中构件上的内部载荷。不知不觉地，确定构件应力的第一步已经迈出。由构件所得的
力是维持平衡的必要
载荷。该力是通过穿过构件的横截面求出的，因此叫做内力或内载荷
。这就是任何应力分析问题中的第一步——求取内载。第二步则是计算
由该载荷产生的应
力，这也是本书该部分主要研究的问题。但求出产生这个应力的内载却总是第一步，也是必不可少的一步。
考虑一个横截面积为
2
平方英寸的构件，它受到大约
1170
磅的拉伸载荷，如图
1.8
（
a
）
所示。现在，将载荷施加于构件上，问题随即出
现了。这个载荷是如何分布的？我们暂且
假设它是均匀分布的，如图
1.8
（
b
）
。如果载荷均匀的分布在这
2
平方英寸的横截面面积上，构件中
的应力大小就等于载荷除以面积，或
表示为：
stress
?
585
Ib
load
P<
/p>
1170
Ib
?
?
?
585
psi
或
?
?
2
2
in
.
a
rea
A
2.0
in
< br>关于这个案例，有以下几个需要注意的地方：首先是应力的符号
σ
。它是小写希腊字母西格玛，相当于英文字母中的
s
。
有些教材中使
用英文
s
，但是
σ
更为常用，因此我们也将使用
σ
。现在习惯于使用
σ
将使后面的工作更方便。在结构
设计中，通常使用
f
表示压力。第二点
是我们列出的方程：
?
?
P
（
1.5
）
A
这个方程对于我们手头的问题来说非常重要，应该被学生掌握
并将被反复使用。在获得方程时假定应力是均布的，也就是均匀分布。结
果证明这是一个
非常好的假设，
在大量的案例中都近似正确。
即使在假设明显不
成立的情况下，
设计压力也通常基于平均压力，
因此公式
（
1.5
）
有着非常
广泛的应用。
应力的方向也应当被注意。它垂直或正交于应力
作用的表面，因此被叫做正应力。
“正”表示垂直于表面的意思。除了方向和大小这两个
性质，应力的第三个特性就是它分布的均匀性。既然这样，画出应力分布草图就很方便了
。当不画草图时，学生应当不断地设想一个思维上
的图像。图
1
.8
（
b
）所示的是该应力分布的三维
示意图。但图
1.8
（
c
）中的二维示意图则更为常用。
应力的方向也是重
要的。它不能从力的矢量符号中获得，相反地，它取决于应力在物体上的作用。如果应力有拉伸物体或使其分开的
趋
势，就称其为拉伸。通常，引起拉伸的应力被认为是正的。如果应力是压缩或挤压物体
，则称其为压缩并带有负号。
这里最后研究的方面是应力的单
位。以下的这些来自方程
1.5
：
<
/p>
?
?
P
forc
e
1
b
?
?<
/p>
2
?
psi
<
/p>
A
area
in
.
在国际单位制中，力的单位是牛顿，面积的单位是平方米。因此，应力的单位是牛每平
方米。这是一个国际单位制中的导出单位，称为
帕斯卡，简写为
Pa
：
1
Pa
?<
/p>
1
N
m
2
2.
切应力
在图
1.8
中，物体所受的力是正交的，也
就是垂直于横截面。图
1.9
（
a
）则代表了内载荷不正交的一小段。在图
1.9
（
b
）中，力
P
< br>这个
矢量被分解为一个正交方向的分量
Py
和一个切线方向的分量
Px
。正交方向的分量
Py
与正应力有关。因此
?
< br>?
Py
/
A
可求得平均正应力，
?
Px
A
其结果与真实情况非常相近。
切线方向的分量
Px
，
其作用效果将会剪切构件，
如
图
1.10
所示。
平均切应力由下式计
算：
?
av
（
1.6
）
然而，这个方程与真实的应力状况
有很大的不同。尽管如此，由于一些实际的原因，方程（
1.6
）广泛的被用于很多工程应用。下标
av
表示计算所得的将是平
均应力而不是真实应力。
希腊字母
τ
是最常使用的表示切应力的符号，虽然
Ss
也不是不常用。由于它也是载荷除以面积，因此其单位也有
psi
< br>、
ksi
、
Pa
、
MPa
等。
以公式（
1.5
）为代表，前面的部分指出了应力大
小，方向和分布的重要性。这些对切应力也同等重要。当然，切应力的大小已经由公式
（
1.6
）给出。其方向平行于剪切面，朝着切向方向，因此被称
为切应力。应力的分布假设是均匀的，如图
1.10
所示。
█
阅读材料
3
强度理论
1.
主应力
在一个承受复杂载荷系统作用的构件中，
某一点的应力状态通常是由其主应力大小和方向
来描述的。
主应力是某一点上正应力的最大值，
在正应力所作用
的平面上，切应力为零。如图
1.11
，在二维应力系统中，任
一点的主应力都通过下面的方程，与该点在
x
和
y
方向上的正应
力
σ
x
和
σ
y
以及切应力
τ
xy
产生联系
：
?
?
1<
/p>
1
2
主应力，
1
?
?
(
?
y
?
?
x
)
?
(
?
y
?
?
x
< br>)
2
?
4
?
xy
?
2
?
2
2
该点的最大切应力等于两个主应
力代数差的一半：
（
1.7
）
1
（
1.8
）
最大切应力，
?
max
?
（
?
1
-
?
2
）
2
通常，规定压应力为负，拉应力为正。
2.
压力容器的分类
为了达到设计和分析的目的，压力容器根据壁面厚度与容器直径的比值被进一步分为两类：比值小于
1/10
的为薄壁压力容器，超过这个
比值
的为厚壁压力容器。
由压力载荷产生的主应力作用在容器壁上
的某点，如图
1.12
所示。如果是薄壁，径向应力
σ
3
将会很小，与其他应力相比可以忽略不计。<
/p>
而纵向应力
σ
1
和环向应力
σ
2
可以被当做与壁厚有关
的定值。
在厚壁的情况下，
径向应力的大小将会是明显的，
并且环向应力将会沿着壁面
厚度方向变化。多数用于化学和配套工业
中的压力容器被归类为薄壁容器。厚壁容器主要用于高压环境下。
3.
许用应力
在本单元前两节里，方程是为了计算构件中的正应力和平均切应力而推导的。在构件强度已知的情况下，这些方
程也可以用于选择构件
尺寸型号。一种材料的强度可以依据材料自身和其使用环境进行多
种方式的定义。一种定义就是极限强度或极限应力。极限强度是指材料受
到纯轴向负载作
用下发生断裂时的应力。这一属性可以由材料的拉伸试验测出。这是一个对精心准备试件所做的实验室测试。测试
通常在一
个通用试验机上执行。负载缓慢增加并始终受到监测。极限强度或极限应力等于
最大载荷除以原截面面积。大多数工程材料的极限强度已被
准确测出，并且简单实用。<
/p>
如果一个构件承受的负载超过其极限强度它将会失效
--
断裂。在大多数的工程结构中，人们希望结构不失效。因此设计中根据
的是一些
更小的值，
它称为许用应力或设计应力。
例如，
如果已知某种钢的极限强度是
110000p
si
，
一个更低的许用应力值就会被用于设计，
比如
55000psi
。
这个
许用应力大概只允许其极限应力所允许的一半。极限应力与许用应力的比值被称作安全系数。或者
:
n
?
S
u
S
A
我们用
S
表示许用应力或强度，用
σ<
/p>
表示材料中的实际应力，在设计中应：
σ
≤
SA
。
这
个所谓的安全系数覆盖了很多缺陷，其中包括像载荷的不确定性、材料性能的不确定性，以及应力分析的不准确性
这些因素。它可以
更准确的被称为忽略系数！事实上，分析得越准确、越广泛、越昂贵，
安全系数的必要性就越小。
4.
失效理论
在单向应力下（拉伸或压缩）
，一个简单结构原件的失效很容易和材料的拉伸强度关联
起来，正如在标准拉伸试验中所确定的那样。但对
于承受组合应力（正应力与切应力）的
构件，其状态就不是那么简单的了。至今已有几种失效理论已被提出。三个最常用的理论如下所述：
最大主应力理论：
假设在简单拉伸中，当主应力达
到失效值
σ
e
’时构件将会失效。简单
拉伸中的失效点除以一个合适的安全系数，其值
被作为屈服点应力或材料的拉伸强度。<
/p>
最大剪应力理论：
假设在复杂应力系统
中，当最大切应力达到简单拉伸的失效切应力值时，失效就会发生。
对于一个承受组合应力的系统，存在三个切应力最大值：
?
1
?
?
?
1
?
?
2
2
，
?
2
?
< br>?
?
2
?
?
3
2
，
?
3
?
?
?
3
?
?
1
2
（
1.10
）
在拉伸试验中，
?
e
?
?
'
e
2
（
1.11
）
最大剪应力取决于主应力的方向和大小，在一个二维应力系统中，比如在薄壁压力容器的
器壁上，切应力的最大值可以通过把
σ
3=0
< br>代
入方程
1.10
中得到。最大
切应力理论通常被称为“特瑞斯卡理论”或“盖斯特理论”
。
最大应变能理论：
假设在复杂应力系统中，当单位体积上总的应
变能达到简单拉伸的失效应变能值时，失效就会发生。
最大剪
应力理论已被发现适合预测复杂载荷下韧性材料的失效，并且也是压力容器设计中普遍被采用的准则。
█
Unit
4
回转壳体的薄膜应力
回转壳体是由
一条直线或曲线绕轴旋转扫过所形成的形状。
（回转实体是由一个面绕轴旋转形成的形状
）
。大多数过程容器是由回转壳体组成
的，包括：圆柱形和圆锥
形的筒节，半球形、椭圆形和准球形封头。见图
1.13
。
薄壁容器的器壁可以被看作是“薄膜”
，
它承受载荷而又不引起显著的弯曲或切应力，类似于气球的外壁，
分析回转壳体中由内压引起的薄膜应力，这为确定容器壳体所需的最小壁厚奠定了基础。实际需要的厚度也取 决于由容器所承受其他载
荷所产生的应力。
< br>设想常见形状的回转壳体（如图
1.14
）承受旋转对称
的载荷。换句话说，壳体上单位面积上的载荷（即压力）绕着周向是定值，但从顶
部到底
部未必是一样的。
设
P
为压力
t
为壳体的厚度
σ
1
为经
向应力（纵向应力）
，应力沿着经线作用，
σ
2
为周
向应力（切向应力）
，应力沿着平行圆作用（通常叫做环向应力）
，
r1
为经向曲率半径，
r2
为周向曲率半径。
注意
：容器有两个曲率；
r1
和
r2
的值是由其形状决定。
设想力作用在由
a
、
b
、
c
、
d
四点定义的微元上。
那么微元上压力的法向分量
（与表面成直角作用的分量
该力被器壁上薄膜应力所关联力
（力
F=
薄膜应力
σ
×作用面积
A
可得）
的法向
分量抵消
列以上两力的方程式并化简，注意到
lim
d
?
?
p
[
2
r
1
sin(
d
?
/
< br>2
)][
2
r
< br>2
sin(
d
?
/
2
)]
< br>?
2
?
2
tdS
1
sin(
d
?
2
/
2
)
?
2
?
1
tdS
2
sin(
< br>d
?
1
/
2
)
/
2
?
dS
/
2<
/p>
s
和
lim
d<
/p>
?
?
d
?
，可得：
?
1
?
2
r
1
?
r
2
?
P
t
（
1.12
）
p
?
(
r
2
sin
?
)
2
经向应力
σ<
/p>
1
的表达式可通过研究作用在任一圆环（即平行圆）上力的平衡获
得，如图
1.14
。压力的竖直分量
?
该力与作用在器壁圆周上经向应力所产生力的竖直分量平衡
?<
/p>
2
?
1
t
?
(
r
2
sin
?
)
sin
?
列以上这些力的方程式可得：
?
1
?
pr
2
2
t
（
1.13
）
公式（
1.12
）和（
1.13
）完全适用于任何回转壳体。
柱体
（图
1.15a
）圆柱
是由平行于回转轴的线旋转扫过而成。
r
1
?
?
，
r
2
?
D
/
2<
/p>
，其中
D
是圆柱的直径。带入公式（
1.12
）
（
1.
13
）得：
?
1
?
球体
（图
1.15b
）
pD
2
t
?
2
?
pD
4
t
r
1
?
r
2
?
D
/
2
因此：
?
1
?
?
2
?
锥体
（图
1.15c
）锥体是由与轴成
α
角的直线旋转扫过而成。
pD
4
t
r
1
?
?
，
r
2
?
r
/
cos
?
，带入公式（
1.12
）和（
1.13
）得：
?
< br>2
?
最大值将发生在
r=D2/
2
。
pr
t
cos
?
?
1
?
pr<
/p>
2
t
c
o
?
s
█
阅读材料
4
内压圆筒中的应力
PL
?
2
r
< br>在承受压力的薄壁圆筒中，
计算应力的古典公式是由图
1
.16
中得出的。
由垂直于面
ABCD
的合力可得：
其中：
P
为压力，
L
为圆柱长度，
σ<
/p>
θ
为环向应力，
r
为半径，
t
为厚度。
应变
ε
θ
定义为
?
2
?
?
Lt
或
?
?
< br>?
Pr
（
1.17
）
t
?
< br>?
?
最终长度
-
初始长度
初始长度
由图
1.1
7
?
?
?
W<
/p>
2
?
(
r
?
W
)
?
2
?
rr
或
?
?
?
r
< br>2
?
rr
(1.18)
同样
?
r
?
dW
dr
(1.19)
Pr
2
将该量带入方程
1.18
，可得到承受内压圆柱壳体的径向挠度。因此，对于薄壁圆筒
W
?
Et
其中：
w
为径向挠度，
E
为弹性模量。
(1.20)
当
r/t
>10
时，方程（
1.17
）和（
1.20
）可以得到准确的结果。然而，随着
r/t
降低，就需要一个更为准确的表达式，因为沿着壁厚应力分
布并不均匀。人们开始追索
Lame
首先发展的“厚壳”理
论。其导出方程是根据图
1.18
所示的力和应力得到的。该理
论假设由于对称所有的
切应力都为零，并且在压力施加前垂直于纵向轴的平面在加压后仍
为平面。换句话说，
ε
1
在任何截面都
为常量。
?
?
σ
θ
和
σ
r
间的关系可通过作微环的受力图得到，
如图
1.18b
所示。
对竖直方向上的力求合并忽略高阶项，<
/p>
我们可得：
E
[
(
1
?
?
)<
/p>
?
?
(
?
r
?
?
1
)]
(
1
?
?
)(
1
?
2
?
)
?
?
E
?
r
?
(
1
?
?<
/p>
)(
1
?
2
?
)
[
?
r
(
1
?
?
)
?
?
< br>(
?
?
?
?
1
)]
E
?
1
?
(
1<
/p>
?
?
)(
1
?
2
?
)
[
?
1
(
1
?
?
)
< br>?
?
(
?
?
?
?
r
)
]
另一个关系式被写为：
(1.22)
?
?
r
?
d
?
r
dr
(1
.21)
?
?
?
d
把方程
1.18
和
1.19
带入式
1.22
的
前两个表达式，
并将结果代入方程
1.21
得到：
2
?
2
d
r
?
1
d
?
?
?
?<
/p>
0
r
dr
r
2
?
?
Ar
?
，
该方程的一个解是
B
r
(1.23)
其中
A
和
B
是积分常量，可通
过将式
1.23
带入式
1.22
的第一个表达式求出，然后运用边界条件：在
r=ri
处有
σ
r
=-Pi
，在
r=ro
处有
σ
r
=-Po
。
<
/p>
?
?
?
?
r
?
1
?
表达式
1.23
就变为：
1
Er
(
r
?
?
r
i
)
2
2
[
r
(
1
?
?
?
2
?
)(
P
i
r
i
?
P
?
r
?
)
?
r
i<
/p>
r
?
(
1
?
?
)(
P
i
?
P
?
)]
2
2
2
2
2
2
(1.24)
?
一旦得
到
w
，
σ
θ<
/p>
的值就由式
1.18
、
< br>1.19
和
1.22
所确定，厚
圆筒的表达式为：
?
?
p
r
?
p
?
< br>r
?
?
(
p
?
p
?
)
(
r
r
?
2<
/p>
2
i
i
i
i
2
2
r
?
?
r
2
2
i
i
2
2
2
i
2
r
2
2
)
?<
/p>
r
?
?
p
?
r
?
?
p
r
?
(
p
?
p
?
)(
r
r
?
i
i
r
?
?
r
i
?
2
r
2
)
其中
σ
r
为径向应力，
σ
θ
为环向应力，
Pi
为内压，
Po
为外压，
ri
为外径，
ro
为
内径，
r
为任一点半径。
?
E
?
1
?
2
?
(
p
1
厚圆筒中的纵向应力可以通过把式
1.18
、
1.19
和
1.24
代入方程
1.22
的最后一个表达式来获得：
r
?
p<
/p>
?
r
?
)
r
?
?
r
2
2
i
i
2
2
i
这个方程表明，
σ
1
在整个横截面
内是定值，因为
ε
1
是定值且
r
没有出现在（上式的）第二项中。因此，
σ<
/p>
1
的表达式可由静力学得出：
?
1
?
p
r
p
?
r
?
< br>（
1.26
）
。
σ
1
已知，
柱体的挠度方程<
/p>
1.24
可以表示为：
?
?
r
r
?
?
r
2
i
i
2
?
2
2<
/p>
(
p
i
2
i
r
p
r
)(
1
?
2
?
)
?
(
< br>p
?
p
)
r
r
Er
(
r
?
r
)
2<
/p>
i
?
2
2
2
o
o
o
i
o
i
(
1
?
?
)
2
2
（
1.27
< br>）
o
i
█
Unit 5
机械振动
机械振动
是一个质点或物体关于一个平衡位置周期反复的振荡运动。一个
工程师经常会面临机械振动的问题，因为某种程度上，他们会在几
乎所有种类的机器和结
构中遇到它。在机器和结构中大多数的振动是不需要的，因为振动会产生附加应力或交变应力，引起额外的磨损，
增
大轴承载荷，导致疲劳破坏，使飞机、船、火车及汽车上的乘客产生严重的不舒服感，
并且会吸收本可以在其他地方做有用功的能量。
1940
年
Tacoma Narrows
大桥的倒塌就是一个由于振动引起附
加应力而使结构失效的例子。
精密仪表、
工具和机械的精度可能
会受到附加振动的损
坏。旋转机件需要仔细的平衡，以防止来自振动的破坏。当飞机的部
分螺旋桨在飞行过程中断裂或分离时，螺旋桨就将不再对称，发动机产
生的振动可能会将
发动机从飞机上撕裂下来，除非振动可以被及时停止。汽车中由发动机或崎岖不平道路上行驶所产生的振动会在某
一部位
产生交变应力，它最终会导致构件的疲劳失效。
振动有时候也被用来产生有益的效果。比如，振动被用来压紧模具中的混凝土，也被用在打谷机
中将谷粒从谷壳里分离出来。在安装传
统发动机的飞机上正常运行的仪器，当被用于滑翔
机或喷气机时，因为缺乏振动，它们可能会趋于粘滞。这种情况下，有时一个振动器就会
被安装在仪表板上。
被一个弹簧系统、
一个膜片、
一根梁或其他弹性系统支撑的一个质点或物体，
当
它被施加并突然卸去的附加力干扰而偏离其平衡位置时，
质点或物体就将发生振动。一些
常见的例子有：
（
1
）图
1.19
（
a
）中，当螺旋
弹簧上的物体
A
从其平衡位置被垂直拉离并释放后，物体
A
在
竖直方向上的振动运动。
（
2
）图
1.19
（
b
）中，在忽略重力的弹性跳板（悬臂梁）上，
当物体
B
从其平衡位置被移动并释放后，物体
< br>B
在竖
直方向上的振动。还有（
3
）图
1.19
（
c
）中，在可忽略重力的摆线的维持下，竖直面内来回摆动的摆球
< br>C
的运动。
在图
1.20
（
a
）中，物体<
/p>
W
通过弹簧被挂在一个支撑上，并处于其平衡位置。如果通过力<
/p>
F
的作用，将物体从其平衡位置拉离并释放，
在缺少任何摩擦力的情况下，物体
W
将关于其平衡位置无限
振荡。图
1.20
（
b
）是物体
W
偏离平衡位置的位移
y
关于作用时间的图像，机械
振动一个基本性质就是，运动是
以一个明确的时间间隔不断重复自身。振动的周期
T
是运动开始
重复自身前经过的最小时间间隔。完成一个
周期的运动是一个循环。振动的频率
f
是在给定的单位时间内完成循环的个数；常用的单位是循环次数每秒（
cps
）或赫兹（
Hz
）
。需要注意
的是频率是周期的倒数，用公式表示为：
f
?
1
T
振动的振幅
A
，
是物体偏离其平衡位置的最大位移，不论是直线振动还是成角度的摆动。
机械振动的维持靠的是弹力，有时也是重力，这样的振动被称为
自由振动
。一旦开始，自由振动（通常被称为
固有振动
）将以其固有频
率持续振动。
受迫振动
是由系统外周期施加的力引起并保持的，它按照所施加力的频率发生。如果系统接近无摩擦并含有无损耗原件，
那么
当所施加力的频率接近系统的固有频率时，受迫振荡的振幅将会变得很大。因此，尽
管受迫振动的频率不依赖于弹性系统的固有频率，但其
所产生的振幅却受到两个频率的影
响。振动也可以被分为
阻尼振动
和
无阻
尼振动
。当摩擦、空气阻力、粘性阻尼和所有其他阻力都可以忽略
时的振动就是无阻尼的。当这些因素中的任意项是明显的时，物体就发生阻尼振动。在实际中总是存在着摩擦阻
力，尽管出于各种目的它们
可能被忽略，但摩擦阻尼最终将会使自由振动停止。
如果一个质点或物体的运动被约束，那么它的位置就可以通过一个坐标
完全确定，我们称它具有
单自由度
。如果一个系统可在两个方向
上振动，或者这个系统是由，两个
可在同一方向各自独立振动的物体组成时，我们就说它具有
二自由度
，因为在任一时刻，质点的位置都需
要两个坐标来确定。例如，一个通过弹簧支撑的
，由单质点组成得系统，如图
1.21
（
a
）所示，其振动只能发生在竖直方向上，它具有单自由
度。
一个由双质点组成，可沿竖直方向振动的系统，其支撑如图
1.21
（
b
）所示，它有两个自由度，因为在任一时刻，确定质点
的位置都需要
两个坐标。一个通过四个弹簧支撑的，由单质点组成的系统，被约束在一个
竖直平面内运动，如图
1.21
（
c<
/p>
）所示。它有两个自由度，因为在
任一时刻，确定质点在竖直面内
的位置都需要两个坐标。通常，一个刚性物体有六个自由度，因为它可能沿着三个坐标方向移动，并可能绕
着三个坐标轴转动。
█
阅读材料
5
旋转物体的静态与动态平衡
使圆盘在两平行的刃形支撑间绕其轴旋转，通过这种方法我们可以检测单个圆盘的失衡，如图<
/p>
1.22
所示。该圆盘将旋转并最终停止，并
且较重的一边停在底部。这类失衡称为静态不平衡，因为它可以通过静态的方法来检测。
通常，转子的质量是沿着轴向分布的，例如电动转子或汽车发动机的曲轴。测试与
上诉某个例子相似的构件将表明，该构件是处于静态
平衡的，但当其旋转时，系统就可能
会表现出明显的失衡。
举例说明，考虑一个带有两个圆盘的轴
，如图
1.23
所示。如果两失衡重量相等并隔开
180
度，系统关于该轴的轴向将会是静态平衡的。
然而，当该系统旋转时，每个失衡的圆盘都会引起一个旋转离心力，它具有使轴在轴承上摆动的趋势。由于这类失
衡只在旋转中产生，我们
将它归为动态失衡。
图
1.24
表示的是一个常见案例，该系统既是静态失
衡也是动态失衡。现在，由图可知，在任意两个平行于圆盘旋转面的平面内，通过增
加两
个修正量，不平衡的力
P
和
Q
总是可以被去除。
考虑第一个不平衡力
P
，它可以被两个平行的力
Pa/l
和
Pb/l
代替。用相似的方式，力
Q
可以被两个平行的力
Qc/l
< br>和
Qb/l
代替。每个面
上的两
个力接着又可被合成为一个合力，该合力可由一个单一修正量所平衡，如图。引入两平行平面内的两个修正量
C1
和
C2
与力<
/p>
P
和
Q
完全平衡
，这时的系统既是静态平衡也是动态平衡。需要进一步强调的是，一个动态平衡的系统也是静态平衡的。可是，相
反的并不总是正
确的，一个静态平衡的系统也可能是动态失衡的。
例
一
个
4
英寸长的转子，在距离左端
1
英寸的一个平面上具有
3
盎司?英寸的不平
衡力。在转子的中心平面上具有
2
盎司?英寸的不平
衡力，从左端看去，该力的方向与第一个不平衡力的方向顺时针成
90
度角。确定两端面上的修正量，给出大小与方向。
解
3
盎司?英寸的失衡被等效为左端的
2.25
盎司?英寸和右端的
0.75
盎司?英寸，如图
1.25
所示。中间的
2
盎司
?英寸，显然被等分为
1
盎司?英寸于两端。
< br>
联合左右两端的两个不平衡方程，其修正量是：
左端：需要去除
C
1
右端：需要去除
?
θ
1
?
tan
1
?
2
.
25
?
2
.
47
盎司?英寸。方向是
由第一个不平衡力
P
顺时针方向旋转
2
2
?
1
1
?
24
?
2
.
25
1
?
53
?
0
.
75
C
2
?
?
3
< br>/
4
?
2
?
1
2
θ
?
1
.
25
盎司
?英寸。方向是由第一个不平衡力
P
顺时针方向旋转
2
?
tan
?
1
PART II
金属材料
█
Unit
6
金属
大约有四分之三的现有元素可
以被归类为金属，而其中大约一半的元素都至少在工业或商业上很重要。尽管严格定义的金属一词限于纯的金
属元素，普遍的用法则赋予了它更广泛的范围，包括
金属合金
。尽管纯金属元素有广泛的特性，他们在商业中的应用也很局限。由两种或更
< br>多元素组成的金属合金有着更多的用途，正是由于这种形式上的原因，很多金属被用于工业。
金属材料是晶状固体。单个晶体是由单元晶胞按有规则的模式重复组成的三
维晶格结构。一块金属是上千连锁晶体（颗粒）的集合体，
这些晶粒沉浸在从晶体原子中
脱离出来的负价电子云中。这些自由电子将晶体结构围拢在一起，因为它们对带正电的金属原子（离子）具有
静电引力。由于金属结晶结构的致密本性而产生的很大接合力，是导致（金属）一般都具有良
好机械性质的原因。同样，电子云使大多数的
金属具有很好的导电性和导热性。
金属通常根据其用于使用形状的生产方法（成型方法）来分类。当一种
金属以固体形式、塑性状态成型时，它被归为
锻造金属
。通过将
液态金属倒入模型而成型的金属被归为
铸造金属
。
金属材料有两个类别：含铁的和不含铁的。所有
黑色金属
的
基本成分都是铁元素。这些黑色金属的范围从含铁
90%
以上的
铸铁和碳钢到
包含各种其他元素（总计达到总成分几乎一半的）特种铁合金。
除了商业纯铁，
所有的黑色金属，
包括铁和钢，
都被认为是主要的
铁碳合金
系统。
虽然碳含量很少
（钢材中少于
1
％，
铸铁中不超过
4
％）
而且通常低于其他合金元素，它仍然是发展和控制机械性能的主
要因素。
就定义而言，不将铁作为主要成分的金属材料被称为
有色金属
。大约十几种有色金属有相对广泛的工业用途。这个名
单中排在第一位的
是铝，在今天广泛应用的结构金属中，它仅次于钢铁。铝、镁、钛和铍
通常被归为轻金属，因为它们的密度比钢铁小很多。
就消耗量
而言，
铜合金
是排在第二位的有色金属。铜合金有两个主要的类
别：
黄铜
主要是铜与锌的二元合金系统；
青铜
起初是铜
-
锡合
金系统，现在的青铜也包括其他铜
-
合金系统。
锌、锡、铅和锑的熔点低于
800F
（
427
C
）
，它们通常被归为
低熔点合金
。锌的主要的结
构用途是拉模铸造，在总消耗量中仅次于铝和铜
排名第三。铅和锡在应用中相当局限，只
在适合其低熔点和需要其他特性的场合中有应用。
有色合金中
另一个广泛的类别被归为
难熔金属
。这些金属有钨、钼和铬。它
们的熔点在
3000F
（
1649C<
/p>
）以上，被用于必须承受经常性
高温的产品中。
< br>
最后，贵金属，有着共有的高价格属性。此外，他们通常具有较高的耐腐蚀性、
许多有用的物理特性和较高的密度。
Reading
Material
不锈钢
不锈钢不像多数其他钢一样在大气中会生锈。术语“不锈钢”意味着在空气、潮湿和污染等环境下
，对污点，生锈和凹陷的抵抗能力。不锈
钢通常规定铬含量多于
11
％但少于
30
％。事实上，材料是
“钢”意味着其基础是铁。
不锈钢室温屈服强度的范围从
205MPa
（
30kis
）到超过
1725MPa
（
2
50ksi
）
。操作温度大约达到
75
0C
（
1400F
）
< br>。在其他极限温度下，一些
不锈钢能保持其韧性，下至温度接近绝对零度。
由于在某一类别中明确具体的限制，不锈钢可以使用传统的方法成型
与制造。它们可以在铸态条件下生产与使用，碳素钢板可以通过电
力冶金技术生产，铸锭
可以扎制或锻造（目前为止铸锭占了最大的吨数）
。轧制产品可以拉拔，弯曲，挤压，或
旋压。不锈钢可以通过机器进
一步成型，并且可以通过锡焊，铜焊，熔焊连接。它可以用
于为对普通碳钢或低合金钢积分包围。
通用术语“不锈钢”涵
盖了大量的标准组成成分，以及各种轴承公司的贸易名称和为特殊应用制造的特种合金。不锈钢的组成成分很多，
从基本的铁加上
11
％铬这一相当简单
的合金，到包括
30
％铬、足量镍，以及
6
个其他有效元素的复杂合金。在高铬、高镍范围的尽头，合金
就并入了其他的耐热合金类，一个要一个任意的分界点。然而，如果合金含量太高，铁含量大约为一半左右时，
该合金就脱离了不锈钢家族。
尽管带有这些强加的限制，不锈钢的范围仍然是很大的，自
然，自然的属性影响制造和使用有很大不同。简单地分为不锈钢一类，这显然是
不够的。
分类
<
/p>
机构的分类是根据不锈钢的化学成分和其他结构。但是，所有不锈钢，只要他们符合规格，
可方便地分为
6
个不同类型结构的主
要
类别。这些类是铁素体，马氏体，奥式体，锰代奥式体，奥氏体—铁素体和沉淀硬化体。每一类简短的描述如下。
（
1
）
铁素体
不锈钢
：此
类不锈钢如此命名的原因是，
在室温下，
铁素体不锈钢的晶体结构与同条件下的铁是一样的。
此类合金由室温到其居里温度
（约
750C
< br>；
1400F
）
都具有磁性。铁
素体一类中的普通合金含有
11
％至
2
9
％的铬，无镍，以及锻造条件造成的非常少的碳。
（
2
）
马氏体不锈钢
：这
一类的不锈钢
必然地包含超过
11
％的
铬，有这样一个大的淬透性的使它在空气冷却变硬，也不需要多的油淬要求。淬火状态的马氏体不锈钢其硬度取决
于
它的含碳量。然而，马氏体通过淬火与回火提升的性能，不可避免会出现腐蚀的易感性
的增加。
（
3
）
锰代铬奥氏体不锈钢
：相似和传统奥氏
体不锈钢有一个组成，
其中包含提供足够耐腐蚀的铬和镍，确保在室温下紧缩。基本真实的组成是熟悉的
18<
/p>
％的铬，镍合金
8
％。双方铬和
镍含量可提高可改善耐腐蚀性，和（最常见的钼）添加可以到进一步提高耐腐蚀性。
（
4
）锰代铬奥氏体不锈钢：在奥氏体的结构可以通
过其
他的元素，镍，锰和氮生成的类，我们认为有足够的不同，在其属性是从铬镍分离真
正替代的描述。最重要的区别在于锰取代合金高强度。
（
5
）
奥氏体—铁素体双相不锈钢：
这些钢的结
构是一个紧缩的铁素体和混合结构和力学性能同样结合每个组件的钢种质量。
双相钢抗腐
蚀和
机械性能的理想结合，其用途是作为增加锻造和铸造的形式。
（
6
）沉淀硬化型不锈钢：此不锈钢设计可以使他们的组成是
经得起沉淀硬化。
在其他类的两个类削减，给我们马氏体和奥氏体的沉淀硬化不锈钢。在
这个类，我们找到最有用的实力以及有益的工作温度最高的不锈钢。
属性
不锈
钢的选择有
3
种的属性，必须考虑：
（
1
）物理性能：密度，导热系数，电阻率，等等
;
（
2
）机械特性：强度，塑
性，硬度，
抗蠕变，疲劳等
;
（
3
）耐腐蚀特性。请注意，不锈钢性能大幅化学成分和显微组织的影响
。因此，规范包括化学成分，或者更正确，一个最
重要的因素分析（痕迹也可能存在未报
告的内容）以及热处理，提供了最佳的结构。
应用
由于
不锈钢餐具首次在工业中，用的人数剧增。对平面和长的不锈钢产品，如表
1
所示的应用的主要领域的相对重要性。化工，
电力工程是在长期和平板产品
的最大市场。
它始于
1920
年左右与
硝酸行业。
今天，
它包括了服务条件极为多样化，
包括核反应容器，
换热器，
石油行业的管道，用于化
学加工和纸浆和造纸工业，炉零件组件的范围，并在化石燃料的发电厂使用的锅炉。表
1
应用
百分比
应用
百分比
工业设备
化工和电力工程
食品和饮料
运输
34
18
建筑
消费品
家具
小电器和电力应用
Unit 7
材料特性
用于工程构件的任何一种材料的最终强度，取决于它经历了一种或多种不同加工过程之后的机械与物理
性质。也有许多特性决定材料的初始
状态适合一些特定的加工工艺。原始材料的初始强度
很重要，因为该强度会影响，了材料最终被加工的形状以及最后所能承受的截面能力。
增
加或降低初始材料强度的因素也很重要。它可用于减小材料的强度并如许现有机器下将材料加工成一定形状。或者
作为选择去提高材料最
终的强度来得到更高的服务强度。强度是一个不明确的词汇，在这
被理解为指示出材料接受或抵抗变形的能力。
一个类似的问题
也适用于另一个甚至更难以捉摸的材料性质，
即材料的韧性。
它
通常被理解为指的是材料承受大变形
（主要是拉伸变形）
而不发
生断裂的能力。
在考虑加工工艺，
这个参量的大部分值很明显是
很有用的。
金属加工工艺只受到实际工作材料的韧性影响而受到限制，
< br>所以，强加到材料上的大量变形必须被限制为了防止材料断裂。然而一些与韧性相反的加工工艺却是有利的 。一个适合的一般性的词汇来解
释脆性可能就是脆性了；例如，众所周知某些脆性材料比
韧性材料容易加工或剪切。
主要是制造过程中各种材料性质的
相互关系，例如强度与韧性等，影响着生产工艺。例如，一个很普通的常识大多数金属当受热时将会
变软和更容易变形。如果变形的速度太快，然而，这种优势会消失，材料会变的更硬更脆，过快的变形
会导致断裂。这些效果的事件和重要
性在某重程度上取决于材料的微观结构，所以金属冶
金学的知识或者相应的非金属微观结构对于理解这本书的许多学科是十分必要的，又叫
做
材料的强度。这章开始讨论的目的，实际上，是为了指出这些材料的性质在加工过程中和加工过程之后都重要，为
了了解它们为什么这么
重要，它们怎么样影响加工工艺的。很明显我们必须要有比强度、
韧性更精确的词汇，在这章考虑了一些标准机械测试是为了了解是否有必
要定义一些更精
确的概念。当然，为了了解它很有必要掌握塑性数学理论或理想介质的流变学理论。
<
/p>
一旦加工中的各种重要特性被人们明确并理解，接下来我们很可能会考虑，这个知识将会如
何被用于控制加工过程与产品质量，以及这
些性质是如何为不同的生产过程所影响。用这
种方法，决定最能够适合某给定元件和材料的加工方法应该是更容易的，同样的，该方法也适
用于给出（该元件或材料）最后的形状、强度以及所需的特性。因此我们可以理解为什么这一名为
< p>材料力学
的传统学科是如此重要。它不仅
和任何工
程制品中材料的最终条件有关，也和最终成型前的材料有关。
例如，它可能关系到，考虑改变一个被加工构件的形状或材料，来适应可实现的生产技术。这样的问题超出了这本
书的范围，它们完全
属于
制造设计
或<
/p>
制造工程
中更专业的领域。在最后的分析中，任何成功的加工工艺
过程都必须听上去经济，并且经济因素始终应该被高度优
先考虑。制造的成本从一开始就
很重要，即由指定一个构件在一定寿命期间满足一定功能开始，直至最后的检验、试验和保用。整个制造过
程需要，构件的设计和生产，尤其是它们影响材料最终强度的方式。
在制造过程中，
有几种物理和化学性质影响着材料的选择与处理
。
一个物理性质的例子是，
导热性
将会
影响材料成型时内部的热量流动，
并进而影响冷却硬化的速率。相似的，一个众所周知的
重要化学性质的例子是抗腐蚀性，很明显，它在最终产品上很重要，并且在制造过程
中，
它也将会很重要，因为它有时会影响表面薄膜的形成，该薄膜会影响润滑、导热和导电的能力。
< br>
Reading
Material
标准机械测试
总结
之前的讨论，了解材料的强度非常重要，这既是为了材料最终的用途，也是为了确定材料成型所需的力。由于对每
个被设计与制造完毕
的项目进行测试都是不切实际的，几种简单通用的测试被用于测量最
终产品原材料在加工前，加工中和加工后的机械性能。
(1)
拉伸试验
最简单和最被广泛接受的拉伸试验需要一个带有扩大末端的圆柱（或扁平）杆。拉伸试件受到沿其轴向稳定增 加的拉力，根据适当的标
准，标距的伸长被准确的测量在
载荷<
/p>
-
伸长量曲线
上。通常需要的结果是最大
拉应力，屈服应力，断裂延伸率和断裂截面收缩率。此外，杨式
弹性模量或杨氏模量也可
能被测量。
(2)
压缩试验
对于金属的成型计算，知道比拉伸可得应变更高应变下的屈服应力很重要。带有扁平端摩擦阻力适当修正的短 圆柱轴向压缩也许会被使
用。但是一种更精确的结果是通过一个润滑条板的压缩横断面应
变获得的。
(3)
硬度试验
拉压试验对试件具有破坏性，但在不破坏的前提下，对原材料与已加工构件的强度特性进行检查通常是很重要 的。为了达到这个目的，
有以下几种，只在试件表面产生一个小凹陷的硬度测试方法。
在英国，最古老与最被人熟知的硬度测试是
布氏硬度测试
与
韦氏硬度测试
。布氏硬度测试中，一个标准
球（通常直径
10
毫米）在指定的
载荷
（典型的是
3000 kgf=29.42
KN
或
6615 lbf
）下被压在被
测金属上。
布氏硬度值
（
BHN
或
HB
）被定义为，载荷（以
kgf
为单位）除以凹
陷的真实球面面积（以
mm
2
为单位）
。同样
的，
韦氏硬度值
（
VHN
或
HV
）被定义为载荷（以
kgf
为单位）除以凹面的角锥面面积（仍然以
mm
2
为单位）
。
在美国洛氏硬度测试最受欢迎。
该测试中，
载荷
仍施加的时侯凹陷深度就已被测出，
而不使用撤去载荷后的尺寸。
洛氏硬度值被写为
HR
。
（
4
）疲劳试验
有一个重要现象被称为疲劳。人们很多年前就认识到，静态拉伸与压缩试验对于预测承受震动
与反复负载构件的强度并不充分。这些构
件会在很低的应力等级下失效。
根据古德曼的理论，
有一个一般的关系表明这些通常有联系，
< br>那就是显示允许振荡应力水平对某一平均应力。
疲劳试验需要考虑时间，
因为在最终的施加应力
S
与破坏循环次数
N
的图表上，
每个点的确定都需要一个新的试
件，
并且
N
通常在
10
6
与
10
8
之间。对于许多非铁合金来说，
S-N
< br>曲线是稳定下降的。但对钢来说，在大约
10
6
到
10
7
次循环后，通
常会有一段曲线恢复水平。如果应力没
有超过这个持久极限，时间将会无限的持续下去而
不破坏。
另一个很重要失效现象是
高
拉低周疲劳
，它是材料中完全不同的潜在危险，就像动物骨头和航天部件一样。
（
5
）冲击试验
另一个重要课题是相对易碎材料的行为，例如铸铁。这种材料可能
会在单一的冲击下失效。因为避免这种失效可能非常重要，冲击试验
被设计为一个带缺口
的试件承受沉重摆锤的冲击。吸收的能量由摆锤下落
-
穿过的高
度衡量。
（
6
）高温试验
在高温下，材料的塑性变形受
< br>扩散过程
控制。对于金属来说，当温度高于大约
2/3<
/p>
的
绝对熔点温度
Tm
时，该过程就变得明显。在高温
下，拉伸、压缩和硬度测试都需要重新被执行。
（
7
）蠕变试验
金属和合金的一个重要特点热拉伸变形在足够高的温度，延长
将继续在一个非常缓慢的速度在非常低负荷，这种现象称为蠕变，在气体
涡轮机和许多高
温部分中非常重要，蠕变实验进行了很长一段时间，通常要
1000
到
10000
小时。
因为蠕变实验需要很长的时间，一种更短时间的方法通常被使用，就是仅仅近似测量应变期间所作的 试验，主要的目的是决定时间破裂
在某一特定温度和应力。这些应力测试还可以进一步加
快测试一连串的标本长期炉
.
标本都受到同样的目的，但不同
的负载温度。
（当然，必
须要精确测量。
）
（
8
）
断裂韧性
在最近几年有更多的关注被放在断裂韧性的材料方面
，这是有裂缝易断裂的，一旦开始宣传
.
认为这个过程是一个
简单的开放的裂缝变
形释放能量碎屑，但还需要供应表面能量的两个新成立的地区表面裂
纹。然则，在脆性材料放应变能
U
满足这一点，裂纹将扩大。<
/p>
（
9
）塑料各
向异性
要认识到在金属板料成形尤其重要的是薄板的性质可能
大不相同滚动和横向方向，以及“通过厚度”的方向
.
这项功
能可以衡量现在的
以及知道的所谓
β
值
，
这是比横向的纵向应变的拉伸广泛的试验，
使用单位
Hosford
和
Csddel
的技术革新所描述
。
体积始
终约保持在塑性变
形，所以应变的厚度也取决于
γ
值。
█
Unit
8
制造工程工艺流程
1.
制造工艺流程分类
下表展示了制造工程工艺流程中关于材料成型的分类，注意表中只提到了典型的例子。
工艺流程种类
材料状态
固态
质量守恒的过程
颗粒态
液态
基本工艺流程
的分类
机加工
机加工
机加工
机加工
质量减少的过程
固态
热能
化学
基本工艺流程中
的主要方式
塑性变形
流动与塑性变形
流动
韧性断裂，脆性断裂
熔化，蒸发
溶解，燃烧
工艺流程举例
锻造，滚压
粉末压制
铸造
车，铣，钻
电火花加工，切削
电化学加工，切削
连接过程
原子键
粘附
2.
制造工艺流程举例
锻造
锻造
的特征可以描述如下：质量守恒；工作金属（材料）为固态；机加工基本工艺流程中的主要方式是——塑性变形。
各种广泛的锻
造过程都被人们使用，最常见的锻造类型是冲压。金属被加热到一个合适的
工作温度并被放入下模膛中，然后上模被压下从而材料被强迫填
充到型腔中。多余的材料
被挤出，在两模接合面的边缘形成毛刺，它将在稍后的修剪过程中被去除。当术语“锻造”被使用时，通常来说，
这意味着热锻。在锻造过程种材料的损失通常相当的少。
通常锻件需要一些后续加工，因为锻造所得公差与表面质量通常不满足成品要求。锻造机器包
含落锤和带有机器或液压驱动的锻压机。
滚压
滚压
的特征可以描述如下：质量守恒；工作金属（材料）为固态；机加工基本工艺流程中的主要方式是——塑性变形。
滚压广泛被用
于盘、薄板、结构梁等等的加工。一个通过铸造生产的铸锭在稍后几个阶段
的滚压中通常都是热的，其厚度在滚压加工中有所降低。由于被
加工材料的宽度保持不变
，其长度必然根据宽度的减少而增加。在末尾一道热轧之后，还要进行最后一道工序来提高表面质量和公差，并增
加强度。在滚压中，滚子的轮廓是为了生产所需的几何形状而设计的。
< br>
粉末压制
粉末压制的特征可以描述如下：质量守恒；工作材料为颗粒态；机械加工基本工艺流程中的主要方式是—
—流动与塑性变形。本
文中只提到了金属粉末的压制，但通常型砂的压制、陶瓷材料的压
制等等也属于这个范畴。
在金属粉末的压制中，型腔被填入一
定体积的粉末，然后在压力下被压紧，典型的压力大约是
500N/mm
2
。在压制阶段，颗粒被挤在一
起并发生塑性变形。压
制后典型的密度是其固态材料的
80%
。因为塑性变形，颗粒被
“焊”在一起，这赋予了构件足够的强度去承受操作。
在压制之后，构件通常在其材料熔
点的
70%~80%
被热处理——烧结。用于烧结的空气必须被
控制以防止氧化。烧结过程持续的时间是
30
分
钟到
2
小时不等。烧结后构件的强度取决于构件的材料
与烧结过程的参数，它能够达到非常接近相应固体材料强度的程度。
< br>闭合状态下的型腔与所要求的几何形状是相适应的。压制的机器包含机械加压和液压加压。其生产率在每分 钟
6
到
100
不等。
固态
液态（接头附近）
固态（液态填充材料）
机加工
机加工
机加工
塑性
流动
流动
摩擦焊
焊接（融合）
铜焊
█
阅读材料
8
制造工艺流程举例（续）
铸造
铸造
的特征可以描述如下：质量守恒；材料为液态；机加工基本工艺流程中的主要方式是——型腔填充。铸造是最古老
的一种制造方
法，也是最被人了解的制造过程之一。材料被熔化并倒入与设计几何形状一
致的型腔。液态材料采取了型腔的形状，然后通过材料的凝固作
用，该几何形状最终被固
定。
一个铸造工艺工程的阶段或步骤是：制造合适的模具，熔
化材料，将材料填充或导入型腔，接着凝固。根据不同模具材料，可以获得不
同的特性与
尺寸精度。铸造工艺过程中使用到的设备包括：熔炉，模具制造机器和铸造机器。
车削
车削
的特征可以描述如下：质量减少；工作金属为固态；机加工基本工艺流程中的主要方式是——断裂。车削工艺过程
，是最著名、
使用最广泛的质量减少的工艺过程过程，它通过切削工具，以切屑的形式从
被加工材料上去除材料，用于加工所有类型的圆柱状外形。加工
材料不停旋转，同时切削
工具纵向进给。切削刀具比被加工材料更加坚硬且耐磨损。各个种类的车床被人们使用，其中有些还是自动操作的
。
车床通常由电动马达驱动，通过各种齿轮，提供必要的扭矩给被加工材料，并为刀具提
供进给动作。
基于相同的金属切削原理，各种广泛的机加工操
作与过程都是适用的，其中最常见的还有通过各种机加工工具进行的铣削和钻孔。通过
改
变刀具的形状和工件
-
刀具间的相对动作模式，许多不同的形状
都可以被生产出来。
电火花加工
电火花加工（
EDM
）的特征可以描述如下：质量减少；工作材料为固态；热加工基本流程中的主要方式是——融化与蒸发。
在
电火花加工中，材料通过工件与工具（电极）间大量小电火花的侵蚀作用而被去除，后
者（电极）具有与要求几何形状相反的形状。每个电
火花都发生在，当工件与工具（电极
）间潜在的电位差足够大，能够引起液体介质中的分解时。电弧在压力的作用下被送入工具与工件的间
隙中，生成一个传导电弧的通道。液体介质通常是带有镁的矿物油或煤油，它作为绝缘液体与冷却剂 被提供，对于电流能提供一个均匀的电
阻，并带走被腐蚀的材料。电火花以每分钟上千次
的频率产生，通常出现在工件与工具间缝隙最小的那一点。它用如此多的热量使一小部分
材料蒸发并分散在液体中。工件表面的特性表现为，由大量的小电弧坑组成。
电化学加工
电化学加工（
ECM
）的特征可以描述如下：
质量减少；工作材料为固态；化学加工基本流程的主要方式是——电解质溶解。工
件的电
解质溶解建立在一个电路的基础上，其中工件被当成阳极，而形状与所需几何形状大致相反的工具（电极）被当做
阴极。电解质通常
使用的是水基盐溶液（
10
< br>％
?
30
％的氯化钠或硝酸钠）
。电压通常在
5~20V
的范围，它能
保证较高的电流密度，
0.5~2A/mm
2
< br>，并产生一个较
高的去除率，
0.5~6cm
3
/min
，具体的电压值依赖于具体的工件。<
/p>
火焰切割
火焰切割的特征可以描述如下：质量减少；工作金属为固态；
化学加工基本工艺流程中的主要方式是——燃烧。在火焰切割中，
材料（黑色金属）被加
热至一个通过供氧可以燃烧的温度。理论上，释放出的热量应当足够维持一旦发生的反应，但由于损失到大气和材
料
中的热量，一定量的热量必须被连续的提供。为了提供启动和维持反应所需的热量，一
个焊炬被设计出来。最广泛被使用的是氧炔焰割炬，
其热量由乙炔和氧气的燃烧产生。用于切割的氧气通常通过割炬顶端的中心孔来提供。
火焰切割过程只能被用于容易燃烧的材料。对于其他材料，基于热能的
基本加工过程——熔化，已经被进一步的发展（电弧切割，等离
子电弧切割等等）
。这就是为什么在第
8
单元开篇的表中，切割
被列在热能与化学两个基本加工过程中。
Unit
9
钢的内部结构▲
钢是我们最重要的
工程与结构材料，
它在所有的金属产量中大约占
80%
。钢获得了这样的杰出地位，
是因为其连接强度、
各种形状制造轻松，
以及伴随着低价的广泛特性。从相对柔软的带钢到坚硬的工具钢，
我们生产各种用途钢的能力，在许多情况下，依赖于对该钢成型前后所进
行的合适的热处
理。在考虑钢和其他铁合金的热处理之前，简要的考虑一下钢的内部结构将会是有益的。
一块钢的表面并不能对其内部结构组成情况给出标示，但如果这块钢被“打碎”
，其结构就会表现出一个颗粒状的外观。晶粒通常如此的
小，以至于需要
一个放大镜来显示它们的存在。
断口的一个高倍放大将只显示
很少的东西，这是因为粗糙的断面无法对焦，一些区域将离显微镜很近而其他区域则很远。
为了在显微镜下适当的检查一块钢的样品，样品首先必须经过准备。即研磨出一个平
面，然后用越来越细的磨料将该平面抛光，直到得
到一个无划痕的镜面。
镜面上由抛光工作引起的金属油污，
通过使用合适的试剂
（例如
5%
的硝酸乙醇溶液通常被用于酸洗碳钢）
酸洗该面而
被清除，晶粒由此被揭示出来。显微照片是通过显微镜拍的照片
，既然这样，金相显微镜拍的照片就被称为金相照片。正如显示的那样，通
过对样品适当
的准备与酸洗，几乎纯净的铁或铁素体的显微照片展示出了其微小结构。晶粒界限通常表现为黑线。显微照片中黑
暗的区域是
由不同的洗蚀深度造成的。每个晶粒都是单独的金属晶体。一个
100
倍的放大倍数通常对于纯金属晶粒的显示是足够的，增至
50000
倍的放
大倍数需要使用电子显微镜才能达
到。然而，对于金相上的检测，通常使用
100
至
500
倍的放大倍数。
在自然界中，所有的固体金属都是结晶状的。
然而，即使在最强大的显微镜下，
对金属的检查也不会显示出原子或空间晶格，所有能够看到的只是个别的晶粒或晶体。为了能够看到
铁或钢中晶体的晶格原子排列，
将一个抛光并酸洗的表面放大至大约
3500
万倍裸眼所见大小将是必要的。
因此，
在显微镜下最小的晶粒也是
由相当多的原子组成的。
尽管金属的晶粒或晶体可能会有外在的形状和不同的尺寸，一个晶粒的内
部晶体结构却是以特定金属的空间晶格为基础的。所有的晶粒
或晶体都是由按照一定模式
或结构结合在一起的原子组成。这个原子结构被称为任何结晶材料的空间晶格。在固定的温度下，晶粒中的原子<
/p>
以一定的距离被相互隔开，并且他们不能改变这个间隔。当然，原子以这种方式结合在一起
并不是真实的，但这有助于将晶体描绘成一个原
子由假想线段连接的三维晶格。
尽管有
14
种可能的
空间晶格形式，但铁冶金专家只需要知道两种：
（
a
）体心立方晶格，和（
b
）面心立方晶格。体心立
方晶格通常简称
为
bcc
，它在假想立
方体每个角上都有一个原子，并在立方体的中心也有一个。面心立方晶体通常简称为
fc
c
，它在立方体每个角上有一个原
子，并在六个正方形面的每一
个中心处都有一个。纯铁与碳钢一样，在室温具有体心立方晶格的晶体结构，然而在某个高温范围内，它们则
具有面心立方晶体的原子排列。当钢或铁被加热到某温度时，晶粒内存在一个原子的重新排列
，使由体心立方晶体到面心立方晶体的变化发
生。这个原子排列的转变被称为同素异构转
变。同素异构一个常见的例子是元素碳的各种形态，它可以以许多的形式存在，包括炭黑、石墨
< br>或金刚石。这个转变发生的温度被称作转变温度。钢的热处理方法取决于铁的该种同素异构，以及在每种铁 的晶体形式中碳的溶解性变化。
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Material
钢的热处理
▲
热处理操作的类型
这堂课中详细介绍了五种基本的热处理操作，关于这些操作的描述如下。
完全退火（韧化）
完全退火是利用冷热循环使钢铁变软的过程，这样钢将变得易于切割与弯曲。在退火时，钢被加热到转变
温度以上，
当达到一个合适的温度后，再将其非常缓慢的冷却。完全退火的明显特征是：
（
a
）温度高于临界温度（
b
）非常缓慢的冷却，通常是炉冷。
正火（正常化）
< br>除了钢是空冷这点，正火与退火相同，空冷比炉中冷却快相当多。钢被正火是为了改善晶粒尺寸，使其结构 更加均匀，
或提高它的机械加工性能。
淬火（硬化）
淬火就是将钢放入液体急速冷却，即，将刚由转变温度以上迅速进行冷却。对于大多数的急速冷却，钢一般在 水中或卤
水中进行淬火，对于一些合金钢则使用油冷，对于某些高合金钢则要使用空冷。
钢淬火后一般很硬很脆，如果掉落它甚至有可能碎裂。为了
使钢有更好的延展性，它还必
须要被回火。
回火（缓和）
回火由两步组成，第一步是将淬火过的钢重新加热到低于转变
温度的某一合适温度，并持续适当的时间。第二步是将其
冷却到室温。这个过程是如何使
钢变韧的，后面将会讨论。
去应力退火
去应力退火是将钢加热到转变温度以下的热处理，这点与回火一样。但这样做主要是为了去除内应力，并因此防
止机械加
工过程中的变形与断裂。
有时候去应力退火也被称为
中间退火
。
热处理的原因
钢的热处理通常是为了达到以下目标中的一个：
●去除由冷加工引起的应力，或去除热金属物体不均匀所冷却产生的应力。
●改善热加工过后钢的晶粒结构，因为钢在热加工后可能会产生粗糙的尺寸。
●获得合适的晶粒结构
●降低硬度，提高延展性。
●增加硬度从而提高耐磨性，或使钢能够承受更多提供的条件。
●增加韧性，即，生产一种钢同时拥有高拉伸强度和好的延展性，使它能够承受高强度冲
击。
●提高机加工性（切削性）
。
●提高导电性。
●改变或修改钢的磁性。
热处理
对
于任何给定的钢，其最硬的状态是通过淬火获得的完全的马氏体结构。由于硬度直接与强度有关，一个由
100%
马氏体组成
的钢，其强度是处在它可能
的最大状态的。然而，强度不是钢件在应用中唯一必须被考虑的性质，延展性也是同样重要的。
< br>
回火
延展性是金属在其破裂之前改变形状的能力。淬火马氏体本身很硬但延展性不高，事实上，它相当的脆。通常 在一个较小的强度
牺牲下，为了给予马氏体以延展性，回火是被需要的。此外，回火还极
大地增加了马氏体的耐冲击性。
回火的效果将被阐述如下。如
果一个铁锤的头部被淬火成为完全的马氏体的结构，它也许会在最初的几次打击后破裂。在铁锤的加工过
程中，回火给予了铁锤抵抗震动的能力，而仅仅伴随硬度上的稍微降低。回火是通过加热一个淬火
零件到转变温度下的某点，并在该温度保
持一个小时或更久完成的。保温的时间取决于零
件的尺寸。大多数钢的回火温度在
205~595
℃。随着回火
使用温度的提高，钢的韧性与耐冲
击性增强了，但硬度与强度下降了。
< br>
退火
淬火与回火这两个阶段的热处理过程，
是为了产生高强度钢而设计的，
高强度钢够能抵抗震动与变形并且不会破裂。
而令一方面，
< br>退火过程则是为了使钢更容易加工与成型。在机加工钢制品时，切削与多次的弯曲操作是经常被使用的。甚 至是经过回火的钢也可能不容易
切割与弯曲，因而退火通常是必要的。
< br>
中间退火（去应力退火）
中间退火包括，将钢加热至恰好低于最低转变温度的温度，并保持一小段时间。这使钢更
容易成型。该热处
理通常被用与板材与线材工业，其使用的温度通常在
< br>550~650
℃间。
完全退火
完全退火能使钢更容易切削与弯曲。为得到亚共析钢，钢被加热到第三转变温度以上
50
~100
℃并缓慢冷却。而为了得到过共
析钢，钢被加热到最低
转变温度以上并缓慢冷却。在完全退火中，冷却必须进行的非常缓慢，从而产生粗大的珠光体。缓慢冷却并不是中
间
退火的本质，因为从低于最低转变温度这样的温度冷却，任何的冷却速度都会导致同样
的微观结构与硬度。
在冷变形过程中，钢在变形区域内有一个
变硬的趋势，这使钢的弯曲更加困难，并变得容易破坏。交替的变形与退火操作被用在大多数
的机加工钢产品中。
正火
正火过程包括，
将钢件加热到第三转
变温度以上的一个温度，
并使其始终于空气中冷却。
正火所需要
的实际温度取决于钢的成分，
但它通常在
870
℃左右。实际上，术语“正火”并没有描述其目的。该一过程被描述为“均匀化处理”或“晶粒改善处理
”可能会更准确。
在任意一块钢内，其整个部分的成分通常都是不均匀的。也就是说，一
个区域可能比它相邻的区域含有更多的碳。这些成分的不同影响了钢
对热处理的响应方式
。如果钢被加热到一个较高的温度，碳可能会迅速地扩散到各处，其结果就是从一个区域到另一个区域，都是相当
均匀
的成分。钢在那时将更加均匀，并会以一个更加均匀的方式响应热处理。
因为铸钢的固有特性，正火处理更频繁的被用在，铸件工作之前，以及钢
淬火前的铸造与锻造。
去应力退火
当金属被加热时，与升高温度成或多或少比例的膨胀就会发生
。当冷却金属时，会发生相反的作用，即金属被观察到收缩。
当一个钢杆或钢盘的某一点
被加热到比其他点温度高时，就像焊接或锻造一样，内应力被制造出来了。在加热过程中，受热区域的膨胀不会<
/p>
不受限制的发展，它会趋于变形。冷却时，收缩被环绕在被加热金属周围的未屈服冷金属所
阻止发生。试图使金属收缩的力没有被消除，当
金属再次冷却时，这些力就作为内应力保
留下来。应力也引起体积的改变，并伴随着金属的转变和析出。内应力或残余应力都是有害的，因
为在钢构件被加工时，它们可能会引起钢件的歪斜。为消除这些应力，钢被加热到
595
℃左右，假设整个材料被均匀加热，然后缓慢冷却到
室
温。这个过程被称为去应力退火，或仅称为去应力。
Unit
10
金属的腐蚀
化工厂，伴随着大量
多种的气态，有机的和气态的腐蚀，产生每种可想象的腐蚀类型。控制
设备的腐蚀在没有化学过程的情况下是一个
相当大的挑战。炼油厂在腐蚀控制方
面具有最好声誉，这部分地是由于其产品的价值给了炼油厂以资金来进行腐蚀控制，部分地也是由于对
炼油厂来说如果任何一项腐蚀控制措施出现问
题的话，都存在发生火灾的危险。抵抗腐蚀的材料和昂贵的化学抑制剂被认为是必要的保障。
什么是腐蚀？腐蚀是金属由于和环境反应而产生的破坏。
破坏的规定是不包括工艺在内的，比如化学药品的研磨、铝的阳极反应，和钢的发蓝，这些都
是有意识的去改善金属。所有种类的化学
和电化学过程在工业上被用做和金属发生化学反
应，但是它们被设计出来是用于改善金属而不是去破坏它。因此这些过程不认为是腐蚀。
金属在腐蚀的定义中被涉及到，但是任何一种材料都能被它的环境破坏：塑料在溶剂中膨
胀，混凝土在污水中的溶解，木头的腐烂，等
等。这些结果都是不同机理产生的严重问题
。但是在这个定义中它们不被包括。金属，他们是否在腐蚀中被侵袭的均匀或者有纹孔或者开裂，
被腐蚀都是通过相同的基本机理，它们不同与其他的材料。这些试验集中在金属上。
腐蚀对于金属来说是个自然过程，因为它们与环境反应生成更稳定的化合物。即使
是在一个材料选择总是正确的、设备设计没有任何缺
陷并且操作也没有任何错误的理想世
界中，腐蚀仍将发生，只不过是可以接受的腐蚀速率罢了。
腐
蚀的代价。看看真实的腐蚀是怎样的，许多国家的政府在
1970
年和
1980
年委托研究，得到了许多数据说明腐蚀的确是大
多数的主要
问题。美国的研究估计腐蚀的直接损失是工业产值的
4.9%
对于工业化国家来说。这
4.9%
中，大概
1%
到
2%
是可以通过现在的技术避免的，
大概是每人每年
20
0
美元的浪费。
直接成本包括零件、
劳动力代替汽车的消声器，金属的顶板，冷凝管，和所有其他的可腐蚀的金属。一部完整的机器不得不被报废由于
小部件的腐蚀。单单汽车腐蚀每年就值
16
亿。直接成本包括金属的重新喷漆，虽然这笔费用不同于安装精确的部件，因为许多金属表面喷漆
< p>是防止腐蚀。腐蚀防护的成本也包括例如阴极保护的投资成本、其电力消耗和维修成本、化学缓蚀剂 的成本以及抗腐蚀材料的附加成本等。
间接费用更难以确定，
尽管他们可能至少对一样大的直接费用进行了调查。间接费用包括工厂停产，损失或污染的产品，丧失效率，对<
/p>
于防腐需要进行必要的设计，大约
20
％的电子故障是由腐蚀造成的。
腐蚀
导致了我们一个非常现实的代价就是资源枯竭，但是这不是算作直接费用。据估计，
40
％的钢铁生产用以取代钢材腐蚀损失，许
多金属，特别是
例如铬和镍等那些制造合金时所必需的金属，都不能通过当代技术进行可回收利用。能源资源也降低腐蚀，因为能
源必须用
于生产替代金属。
人力资源
是一种浪费，拥有时间和智慧的许多工程师和技术人员必须在日常斗争腐蚀。往往腐蚀工作分配给新的工程师或技
术员，因为
它是一种快速的方法为他
/
她去了解的人，工厂运作，它的问题。然后，如果他们会得到进步以及与另一个有经验的学员已经重新开始学习周
期。
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腐蚀控制
腐蚀问题是可以通过以下途径解决
（
1
）选择一个材料，可以抵抗腐蚀环境。
（
2
）给金属加保护层。
（
3
）改变使用环境
，如温度，压力或速度。
（
4
）改变使用的环境化学，如
pH
值，浓度，通
风，或杂质。
（
5
< br>）添加缓蚀剂。
（
6
）采用阴极保护转移电位的金属阳极。
（
7
）修改的设备或系统的设计。
（
8
）让其它腐蚀和取代它（通常是一个可行的
选择！
）
。
上面列出的是处理腐蚀问题的方法，
但不是所有的方法在特定情况下都能适用。
特别是，
腐蚀工程师往往不能改变使用条件或化学环境。
这些可被视为不可改变的海洋，或几乎一成不变：工业进程正在运行比较顺利，但一些变化将会对狂热的
生产者产生严重后果。
大多数的腐蚀问题都源于不当的设计或
材料选择不当。然而，材料选择的好能够克服恶劣环境条件，甚至一些在设计上的缺陷。
一旦工程师已确定不存在一个灾难的危险，采取何种方式防止侵蚀都会带来对经济的影响
。
材料的选用
不锈钢通常是一个“可能侵蚀”不明的保护环境的首要选择，因为这些合金的抗氧化剂广泛，但他们不能承受 如盐酸强还原解决方案。
不锈钢可以腐蚀，尽管他们的名字是不锈钢。不锈钢根据自己的
冶金结构分为
5
个一般组（马氏体，铁素体，奥氏体，双相和沉
淀硬化不绣
钢）
，以选择使用哪一个不仅取决于耐蚀性，而且在
于强度和成本。
商业纯镍具有很高的耐腐蚀性，特别是碱，与
类似的低碳钢力学性能相结合，和良好的可焊性。镍和镍合金，广泛应用于食品工业和经
常选择的服务氯，氯化氢，和氯代烃。它们非常耐高温空气和应力腐蚀开裂。
铝是一个标准的电动势非常活泼的系列的金属，它能立即与空气反应生成钝化膜由两层组成：一种
内在的，紧凑的，无定形氧化物和外
层，加厚，更渗透水合氧化物。铝是符合自然的气氛
和承受许多解决方案，如果
pH
值大约
4
至
9
。强酸强碱等可以破坏铝的钝化
膜。氯离子
是特别有害的，因为他
们只是在攻击弱点的铝。许多有机氯化溶剂和醇可以攻击铝合金，严重时会发生爆炸。
防腐涂料
该涂料的主要目的是金属免
遭腐蚀环境中时，其他金属在机械和物理性能方面的使用条件适宜。涂层具有良好（通常是钢）力学性能的
金属往往更实用的成本比选择更耐腐蚀，但需要昂贵的材料。
保护可以以四种方式实现，通常是在多种方式运作的涂料：
<
/p>
（
1
）障碍涂层，可以防止感染该金属的
腐蚀环境。
（
2
）牺牲涂层腐蚀，又可提供阴极保护的基本金属。
（
3
）抑制剂涂料，电极反应减慢。
（
4
）电阻导电涂料，扼杀了电化学腐蚀电池
，油漆属于这个最后一类。
缓蚀剂
一种缓蚀剂是一种添加到腐蚀环境，以降低腐蚀速率的少量化学物品。一些抑制剂干预阳
极反应，一些与阴极反应，有些有以上两种功
能。它们通常用于防止一般腐蚀，但绝大多
数不是防止局部进攻，比如缝隙腐蚀，点蚀或应力腐蚀开裂有效。抑制剂有一个临界浓度，必须
< br>达到或超过了它们是有效的，在某些情况下，以防腐蚀恶化。
阴极和阳极保护
阴极保护是保护金属
表面上的所有阳极的阴极面积，使腐蚀停止。受保护的金属上也有积极的电流流过来自各处的电解液表面上，以便
没有电流流过。这一结果实现可以有两种截然不同的方式。
<
/p>
（
1
）牺牲阳极连接的金属，而受到保护
。
（
2
）采
用从一个单独的电源，这种技术称为阴极电流保护。
阳极保护
，相反，使整个金属表面阳极的金属完全保护。很明显，那么，这种技术只限于金属，可形成保护性钝化膜。由于
钝化金属仍
处于低利率腐蚀，阳极保护差不多，但不完全，停止腐蚀。
< br>
PART III
过程工业
Unit 11
化学工程
1.
什么是化学工程？
从广义上讲，工程被定义为特定行业使用的科学技术和设施，例如，机械工程是指技术和设施被用来 制造及其，它（机械工程）主要是
以机械力基础，这些力用于改变被加工材料的表面形状
或物理性质，而材料的化学性质不变。化学工程包括材料的化学加工，主要以化学和
物理
化学的高度复杂性为基础。
因此，化学工程是注重设计，制造
，机械设备操作，化学加工工业机械等要就工程领域的分支。
化学工业是首先以化学科学为基础，例如物理化学，化学热力学，和化学动力学。等等，然而，它（化学工程）不
是简单的复制他们的
发现，而是依靠他们进行大量的化学处理。主要的目的是使化学工程
成为一门纯粹的学科，是一种能够找到一种操作和设计商业设备及配件
最适合最经济的方
案。因此，化学工程在没有经济，物理，数学，控制理论，机械原理，和其他科学技术的紧密联系是不可想象的。
在化学工程的早期，化学工程是一门大的描述性的学科。在那
时许多的早期的化学工程的教科书和手册都是百科全书一样商业生产过程
中所知道。在科
学和工业制造取得进展并在增加化学制品的数量上给人印象深刻。如今，是有充当的
80
，
000
种化学品的生产来源。化学工
业的发展，一方面使化学和技术科学向前发展，另一方面可为化学加工工艺奠定理论基础
。
随着化学工程的稳步向前发展，新的数据，新的联系，新的
归纳正在被加入化学工程的主题。许多他们自己的分支区别化学工程的主流。
正如加工和
机械设计，自动化，化学模拟加工和建模等等。
2.
化学工程的基本趋势？
化学工程一直
被用来加工工业来改变原料的物理状态或化学成分。化学工程师所研究问题的传统范围，从复杂性和规模上来讲，
也许都
可以称之为是中等尺度的问题。这种尺度包含反应器和单一工序的装备以及制造工
厂里单位操作的组合体。未来的中等尺度研究将越来越多
地有微观尺度的研究和极端复杂
系统的宏观尺度的研究来补充。
化学工程将来会整合成比其他
任何工程领域分支都宽尺度
（的工程学科）
。
< br>例如，
一些工作可能把宏观尺度的环境和中间尺度的燃烧系统
和微观尺度的分子反应和运动联系起来。另一些工作可能把一个复合的飞行器的宏观尺度的性能和中间尺度的 机翼的化学反应器以及反应器
的布局将受复杂液体的微观动力学研究的影响。
如此，将来化学工
程将会构想和在微观到宏观的连续的尺度范围内严谨的解决问题。他们将会新的工具和新的观察发现以及研究其他
学
科：分子生物学，化学，固体物理，材料科学，和电子工程。并且他们在制造和过程设
计和加工方面将会越来越多的用计算机，人们的智慧，
以及解决问题的专门的系统。
Reading
Material
化学工业
1.
化学工业的定义
< br>在本世纪初，
定义出化学工艺制品的构成是不难的，
因为
那时制造出来的化学产品很有限，
例如，
强碱、
硫酸溶液。
现在，千上万的化学品从天然材料中提炼出来，例如原油（某些领域
）被加工成很多中间产品，可以作为消费品，或着
转变成消费品。困难是在于裁决那一部
分的过程属于化学工业领域，举个例子来阐释这种情况，乳化油漆可以含有聚合
物（聚乙
烯树脂）
/
聚脂（乙烯基醋酸纤维）
。
很明显的，人造聚乙烯树脂（或醋酸纤维）和它们的聚合物都是化工产品。
然而，如果油
漆的合成和配制中含有聚脂，它是由多种化工加工产生的副产品，那它是属于化学工业产品还是装饰工业
产品呢？
办公多样化和各个工业领域的相似性
造成的，是由于没有给化学工业简单定义。相反，每一个办公个体搜集和出版
关于工业生
产的数据，将会给那些化工生产过程一个简单的定义。在比较那些不同来源的统计信息的时候，这是需要铭
记于心的。
2.
化学工业的需要
< br>化学工业与许多原材料的加工有密切关系。如原油，首先要变成化工中间产品，然后被加工成各种各样的其 他化工
产品。这些产品经常被用来生产消费产品，使得我们的生活更加舒适，或者在另外
一些领域比如制药方面，用于保持我
们身体健康。每一个阶段产生的价值都被加入到产品
中，而且它提供的这些附加价值远远超过了原材料价值和制造加工
过程的成本，这样过程
中就产生了利润。这也是化学工业的目的所在。
在书中提出这
样一个问题可能会很奇怪：
“我们需要化学工业么。
”
然而，如果尝试去回答这个问题就会得出：
（
1
）
化学工业活动的领域很广泛（
2
）它影响我们的日常生活（
3
）社会很需要
化学工业我们的话题是回答这个问题化学工业
对我们的贡献。这些需要包括什么呢？新鲜
的食物（和饮料）和健康是主要的。其它我们考虑的还有服饰，住房，娱乐
及交通运输。
1.
食物。
化学工业对食物生产的主要贡献至少体现在三个方面。
首先，
生
产大量可用化肥代替作物生长需要的自然
化肥（如氮、磷、钾）
，促使现代农业增产。第二，生产了许多保护植物的农药。如杀虫剂，它们减少了被害虫侵蚀的
< br>农作物数量。第三，生产许多兽医药品，保护家畜免受病害或者治愈它们的疾病
2.
健康。
我们意识到化工生产中制药
部门对保持我们的健康有很大贡献，
比如用抗生素治愈传染病，
甚至可以延续生
命；再如维生素
β
可以
降低血压。
3.
服饰
。
现在的合成纤维的质量比以前的服饰材料（如麻，棉）有了很大的提高。因此衬衫，裙子以及外套用聚酯
纤维比如（涤纶或者尼龙）制成的，它们防皱，可以机洗，易干，免烫。他们也比天然原料便宜。
随着科技的发展，纤维制品可以根据时尚设计要求，染成多种
颜色。现在，几乎可以染成光谱中的任何一种颜
色，如果某一个合适的款式不能得到，将
改变现有的颜料来获得，直到颜色满意为止。
该范围内有着另
一个优点，即印染的服饰不易褪色，比如洗衣服的时候颜色不易被洗掉。
4.
住房。
娱乐及交通运输
就住房而言，
现代高分子材料的贡献
是使住房更加坚固，
这些材料正在取代传统的木质材
料，因为它
们轻并且不需维护（例如，它们抵御风干和不用油漆）
，其它的聚合物，例如甲醛或聚氨
脂，是重要的绝热材
料从而能节约能量。
塑料，聚合物使得闲暇时间的活动可以全天候进行各种活动，从足球场到乒乓球场再到球拍高尔夫球杆都是何 尝纤
维做成的。
同样，近几年化学工
业对运输的贡献在于使得运输能有很大的提高。因此，新发明的添加剂像抗氧化剂和油粘剂使
发动机的改变，使得速度大幅度的提高，从
300
到
6000
再到
12000
英里
/
小时。调查研究表明，提速的原因在于润滑油和
油脂，从而使它们有更好的流动性。在汽车运输业高分子材料的贡献也很突出，聚脂和塑料的
广泛应用于制造跑道、车
轮、座椅垫子还有它们的覆盖等等。－现在超过了
40
％
所以，虽然现在很
明显的也很简短的回顾化工对我们生活和世界的贡献，有了这些化工产品我们的世界会很大的不
< br>同于没有他们。如今已过国家队发展水平往往根据生产水平和化工水平来判断。
3
。
化学工业的研究和发展
在世界的发展中，
化学工业快速发展的一个主要过程是世界的发展的关注和研究金额的投资
(R&D)
。
典型的数据是销
售收入的百分之五，是医药研究和投资领域的两倍。我们要意识到这里引用的百分比是销售收入而不是利润是很重
要的。
例如，总收入用来支出原料，租金，职员等。在过去，这笔投资很好，使得许多有
用有价值的东西流入市场，比如研究
出聚脂产品，包括尼龙、聚脂、医学用药及杀虫剂。
尽管新产品进入市场的数量在近几年几十年减少以及由于经济衰退
研究投资在减少，那些
关注度还是很高水平的。
化学工业是一个非常高技术的工业，
它涵盖了最新的电子技术和工程技术。计算机广泛使用于各种研究，从化工厂
中的设备自
动化控制到分子模型的新型混合物，再到实验室分析仪器的控制。
个别生产设备的生产力并不高，
从化工制药的一年数吨到肥料及石油化工厂的每年达
到
50 0000
吨。
这些最新的投资
，
即使是一个单一的设备如今也需要
250 000 000<
/p>
。另外，这些自动化设备被广泛使用，可以解释为什么化工生产是资本密
< br>集型不是劳动密集型。
那些主要的化工公司大都是跨国
公司，它们在全球的大多数国家有着销售市场且许多国家都设立了加工工厂。有着
经济全
球化、国际化的发展，化学工业也在不断增长，公司扩大他们的活动包括扩大已有生产单元在自己的国家和收购<
/p>
已经在其他国家发展好的公司。
Unit 12
工业制造的传递现象
1.
引言
传递现象是一个共有的名词来源于有规则的集成研究的三个古典的工程领域的学科；
（<
/p>
1
）能量或热传动，
（
< br>2
）质量传递或扩散（
3
）动量
传递或流体动力学。当然，热和质量传递发生在流体中，正是由于这个原因一些工程研究
人员们青睐于热传导和固体扩散，然而，这个学科
实际上是比流体力学的范围更广。该学
科不同于流体力学之处还在于传递现象的研究利用了传热，传质，和动量传递方程之间的相似性。这
些相似性，随着它们经常被提起，能够经常涉及到相似的物理构造借以发生传送，因而，明白一个传送
过程就可以明白另一个传送过程。而
且，如果微分方程和边界条件都相同，则仅需对其中
一个（传递）过程求解，因为通过改变名称，该解可用作任何其他传递过程的解。
需要强调的是，然而，在传递过程中有很多相似之处，也有很重要的不同之处，尤其在动量传
动，和热或质量传递。尽管如此，一个对
传递过程相似之处有系统的研究会使识别和明白
他们的不同之处变得更加简单。
2.
为什么工程师要研究传递现象？
自从
这门学科涉及到一些自然规律，一些人把它归类为工程方面的一个分支。这如这些原因一些参与经济性设计和设备
操作以及技能方
面的工程师，十分适当地提出传递现象将会在实践中体现价值。大致有两
种答案回答这些问题。第一种要要求认识热，质量，动量等传递发
生在各种工程设备中，
热交换器，压缩机，核电站，增湿机，空气冷却器，干燥器，分馏器，减震器等等。这些传递过程也参与到人体当
中
就像在复杂得过程凭借污染物质的其反应扩散到大气中。如果工程师想要了解在工程装
备中所发生的情况，并就造作的经济性做出明智的决
策，那么他们应该对控制这些传递过
程的物理定律有所理解，这一点很重要。
第二中答案是工程师
们需要能够用他们对自然规律的理解来设计这些正在发生的装备过程。这样做他们必须预测出热，质量或动量等传
递的比率。例如，考察一个简单的换热器，即一根管子，通过保持器壁温高于流过管内的
流体温度，即可加热流体。这个比率通过管壁传热
给流体的依靠的因素叫做热传递系数这
是在进行昂贵的实验室或试验工厂测量后以及通过相关度量的以观察或实验为依据的方程式所获得
的。这些方程式在一定范围内适合一些数据的方程式；它们不是建立在原理的基础上，也不能用在已经获
得数据的精确度意外的问题上。
更便宜的而且一般更可靠的方
程式被用在传递现象来预测传热系数通过以自然规律为基础的方程式。这些预测的结果将会通过一个研究
工程师计算一些方程式（通常是用计算机）后获得的。一个设计工程师将会用这些方程式是研究型
的工程师获得传热系数。
记住设计热交换器的工作一样也是不
管如何要先得到传热系数。由于这个原因，一些传递现象的课程仅仅强调传热系数的确定和实际的
单元操作课程的设计水平。当然获得参数也是很重要的，热传递系数被用作设计，也正是由于这些原因一
个传递课程可以被认为是一个工程
课程就像是一门学科。
事实上，有一些设计的工程师可以用这个方法和传递想象的方程式直接用于设备的设计的例子
。一个例子就是一个作为一个管子说明的
管子型的反应器，这个热交换器伴随着均相化学
反应发生在里面会描述的早些，流体以某种反应物浓度进入管子，而以减小了的反应物浓度
和提高了的产品浓度排除管子。
当然，不是所有的问题今天
都可以用这种方式解决。然而，随着计算机的发展，越来越多的问题将会用这种方法解决。如果工程学的学
生接受教育没有变得过时，那他们必须做好思想准备，同伙理解传递现象的一种方法，应用计算
机将会创造未来。因为它有巨大的潜力正像
他的应用的趋势，传递现象的课程将会最终证
明这是在大学生涯最实际而且有用的的课程。
Reading
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动量转移原则
1
．
导言
流体的流动是过程工程的单元操
作中是很重要的。液体可定义为一种物质，不会永久抵制变形，因此，它的形状将会不断受到改变。在
这篇文章中的气体，液体和蒸汽被认为是流体并有液体特性和服从同样的规律。
在过程工业中，有很多材料是与液体形式存在的，必须予以储存，处理，泵浦，并
理，因此我们有必要熟悉流体的原则和所涉及到的设
备。典型的液体包括水，空气
，油，泥浆糖浆。
如果流体不受压力变化影响，它被认为是不可压缩的。大多数液体是不可压缩的。气体被认为是可压缩流体。但
是，如果气体受到压力
和温度变化的影响很小，他们的密度变化将很小，他们可以被认为
是不可压缩的。
像所有的物理问题，每单位体积的液体是由非
常大的数目分子构成的。比如气体统计力学理论或动力学理论应用于统计组方面，而不是
在单个的分子。在工程，我们主要是进行大量液体的研究，而不是宏观与微观的个别或分子。
在动量转移，我们视流体为连续分布的物质或没有空隙的液体。这种联系性的假设
在单位体积包含很多数目分子的流体是成立的，因此
应用统计平均学论是有意义的，比如
流体的密度，压力等，都具有连续的宏观特性点。
动量转移，
或流体机械通常被可以分为两个分支：流体静力学，流体分成或流体动力学，流体运动。在另外部分我们学习流体
静力学，
接下来部分我们学习流体动力学。由于流体动力学中动量被转移，我们常用到“
动量转移”或“运输”表达。
2
．流体流动
流体静力学的规律几乎是一门精确的科学。然而，对于流体的运动规律却是相当的复杂。在描述流体运动的基本
关系时用到质量平衡方
程，能量平衡方程和动量平衡方程，将在下面的部分用到。
这些整体或局部平衡将适用于保证有限的封闭空间内。我们用“整体
”
，因为我们想描述这个空间系统以外的物量。系统内部的变化是由
进入和离开的物量，和外部之间的能源和环境的变换决定的。
在研究质量，能量和动量平衡时我们不考虑系统内部发生的细节变化。例如，在整体平衡时只考虑进，出口速 度。但是，在研究系统内
的流速分布时用到牛顿的粘度定律。
3
．层流和湍流
发生的管道中的流体类型是流体动力学中非常。当流过封闭的通道，通过改变条件两种不同类型的流型都可以 看到。这两类流型通常可
以在流动的溪水或河流可以看到。当流速缓慢，流态平稳。然而
，当速度是相当高时，流态不稳定，就可以观察到漩涡或液体粒子朝各个方
向运动开。<
/p>
在低流速的第一类的液体层中似乎成层流动且互不影响称为层流
并遵从牛顿粘度定律。在流速较高的流层速度起伏不定流动紊乱称为湍
流。
层流和湍流可以通过
Reynolds
的实验来观察。管内流体的流动速度可由一个管底阀控制流量。透明管流过染料色水，观察到流态。 在水
流速度较低，形成了单一的流线或类似的一个线程。没有其他流线的混合。在流动的
直线方向上没有其他流线的干扰。这种类型的流量被称
为层流或粘性流动。
随着速度增加，人们发现，在一定速度的染料线非常不稳定，成分散的模式
。这种类型的流量被称为湍流。这种流动的变化速度是已知
的临界速
4
．雷诺数
研究表明，从层流过渡到管湍流不仅是速度的影响，
而且密度，流体粘度和管径都影响到。这些变量组合成雷诺数，这是无量纲。
R
e
?
Dv
?
?
R
是雷诺数，
D
是管的直径，
?
是流体密度，
?
是流体粘度以及
u
是流体的
平均速度（其中平均速度是由两岸分流量容积率的
定义，截面积管）
。
对于直圆管时雷诺数值小于
2
100
，流量始终是层流。当雷诺值超过
4000
时，流量将是动荡的，除非是非常特殊的情况。在这期间，被
称为过渡区，流
动可以粘性或动荡，这是无法预测而定。
5
．简单质量平衡
流体动力学中流体是运动的。一般来说，他们通过机械设
备从一个地方转移到另一个地方，例如泵或风机，重力头，或在压力，并通过管
道和
/
或工艺设备系统流程。
要解决流动问题，
第一步是在整个系统或任何系统的一部分中普遍适用的质量守恒的原则。
我们会考虑一个简单
的几何学的基本平衡。简单的质量或物料平衡。
输入
=
输出
+
积累
然而在流体流动
，我们通常与流率处于稳定状态，通常的积累率是零，我们得到
输入
=<
/p>
输出（稳态率）
Unit
13
传热原理
实际的全部的已完成的
操作都有化学工程参与生产或以热的形式吸收能量。因此，控制传热的定律和以控制热流为主要目的的仪器类型<
/p>
都是很重要的。
1.
自然的热流动
当两个不同温度的物体
进行接触时，热量会有温度高的物体流到温度地的物体。这种流动经常朝着温度下降的方向，热的流动有三种途<
/p>
径：传导，对流，和辐射。
传导
如果一个连续的实体中存在着温
度变化，热量可能流动不伴随物质的任何运动。热量的这种流动叫做传导。在金属体中，热传递的
结果来自自由电子的运动，所以热传递和电的传导率很相似。在电的传导率低的实体中，在大多数的液体
中，热传导的结果伴随着温度变化
的分子运动的动量。气体的传导发生在任意的运动的分
子，所以热是一种扩散从高温地区传导低温地区。区普通的传导的例子就是热在不透
明的
物体中流动，就像火炉里的砖墙或是管子的金属壁。
对流
当一个宏观的液体微粒穿过一个
特定的表面，
例如一个固定容积的范围内，
它带有确定数目的焓
。
这样的焓的流动来自连续的热的
流动或者简单的对流。由于对
流是一种宏观现象，因此，只有当力作用在微团或液流上且该力能够克服摩擦力并维持其运动时，这种传递现
象才能发生。对流的一个例子是焓的变化由于湍流流动和由于热的空气流过普通的冷却器。<
/p>
自然和强制对流
强制对流在液体中有两种形式，
如果这种趋势的原因是密度不同和液体中温度变化引
起的密度不同所产生的浮力。
这个
作用叫做自然对流。流动的空
气穿过加热的冷却器就是自然对流的一个例子。如果这个气流产生的运动被机械力的作用分开如泵和搅拌器，
这种流动域密度的变化程度无关叫做强制对流。热流动由液体被泵入以个加热的管子就是强制
对流的例子。这两种力有可能同时在同一种液
体中作用，这是自然对流和强制对流共同作
用。
辐射
辐射是一个术语来自于能量以电磁波的形式穿过空间，
如果辐射正在穿过空的空间，
它不会改变热或其它任何形式的能量。
也不会
使它偏离原来的路径。然而。在它自己的路径中，辐射将会被传播，被反射或者被吸收。它仅通过吸收能量来产
生热量，这种改变是数量上
的，例如，融化的石英传播所有的辐射当它受到打击是；一个
磨亮的不透明的表面将会吸收大多数的辐射，并将会改变这样吸收能量数量上
的在热中。
单元子和双原子气体对热射线是可以通过的，经常发现热经过
某种气体团是，它可以通过辐射的方式也可以传导。例子是；从散热器或
未保温的蒸汽管
道向周围环境气体损失热量在熔炉传热以及其它高温气体加热损失。这两个机制是互相独立并且是并行产生的。所
以一种类
型的热流动可以被控制或与其它独立的。传热，对流和辐射都被分开和避免相互
间造成影响二者都很重要。在一般的条件下，射线变得重要
并与液体流动的情况无关。传
热传导它们对流动状态是非常敏感的收温度影响的。
2.
传热率
热通量
传热计算是基于热的传热表面
的面积用平方英尺每小时的单位表示。
每单位面积的传热率叫做热通量。
许多类型的传热装备都是
用管子构成的。热通量也可以在内表面上，或者在管子
的外表面。尽管这个选择是随意的，但它必须得明确的规定因为热通量的重要的数值
是不
同的。
流体流动的平均温度
当一个流体正在变热或者变冷时，流体横截面的温度会变化。如果流体被加热，流体靠近加热表
面的温度最高，中
心外温度逐渐降低，如果流体被冷却，流体靠近冷却表面的温度最低，
从中心到表面温度组件升高。应为这个温度变化遍及整个流体的横截
面。为了明确，我们
必须指出，流体的温度是指什么。大家一致认为，流束的温度就是假设把流过所研究截面的全部流束取出并绝热混
合后
所达到的均匀温度。这个温度所以明确的叫做平均或流体混合温度。
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传质原理
1.
简要论述
化工问题中很重要的一些代
表性问题在于转移领域。区分化学工程的一个标志就是它的能力去这几和运转一个仪器在生产准备，化学反
应发生和产品脱离中。这种能力主要取决与他对传质学的熟练程度。动量原理和传热原理在很多
工程领域中有着相似之处。但是传质的应用
主要局限于化学工程领域中。其它重要的应用
有冶金学，高速飞行学，废物处理及污染控制等。
传质就是混
合物中的某一种成分从高含量区域传送到低含量区域。
例如，
如
果一个底部带有水的开口试管放置在一个空气干燥的房间里，
水蒸气将通过管口的空气柱
出来。这就是水的传质，水从地方（仅仅在液体表面之上）传递到低浓度地方（在管的出口处）
< br>。如果气体混合物
在管中不流动，传递将以分子扩散的方式发生。如果有一个物体
以机械搅拌的方式搅和管中的气体层，传质主要在机械工作或者自然对流下
发生。这种机制相似于导电传热和自然传热，但是，在传质中
没有热传质的对应物。
动量和能量传递之间的类似之处我们已
经详细地在一些细节下学习了，现在扩展到传质的总结。
考虑
双组分混合物。尽管多组分混合物在工业应用中很重要。就双组份而言一些更复杂的情况将在基础原理分类后讨论
。
2.
分子扩散
气体中的分子由于分子的自
由运动会扩散。这种运动有时被称为自由运动。穿过垂直于浓度梯度方向的一个平面（或任何其它平面）
，在
两个方向上都有分子扩散。每一个分子的运动都是独立的与分子浓度
无关。
因此，在一个存在浓度梯度的系统中某一类特定的分子
（把它当
作种类
A
）将运动穿过垂直于
浓度梯度的平面，使得对于平面的高浓度和低浓度两侧来说都是一样的。因为种类
A
的分子的总数目在高浓度
一侧比在低浓度一侧的大的多，所以就存在
A
向
A
低浓度
方向上的单方向运动。如果没有抵消发生，则混合物的浓度将趋向相同。与气体中
热量传
导方式相似，较热分子（那些分子具有自由分子运动的更高程度）趋向于平坦或者在分子级别上自由混合。类似地
，如果有可控指定
速度梯度（该速度有别于随机速度）穿过这个平面，速度分布将趋向一
致，这是分子自由移动的结果。动量传递与气体的粘度成比例。
以上论述只是近似的定性的。扩散系数、热传导系数和粘度进行定量预测，是相当复杂的，而这些关系形成了统
计力学学科的一个重要
部分。
分子扩
散同样发生在液体和固体中。晶体在未饱和状态下溶解，随后从固液交界面扩散出来。在冶金工程中，固体的扩散
相当重要。当
加热未饱和的铁在焦炭床上时，铁表面附近的碳含量提高由于内部扩散而增
长。
3.
涡流扩散
正如动量和能量可以通过限
定一部分流体运动来传递，质量也可以如此。我们知道，传送的速度比率由流体的混合产生，可以从涡流运
动学粘度、涡流热扩散系数和涡流扩散系数方面来阐述。后者的大小与混合长度有关系，就像定
义动量和能量之间的传输关系一样。实际上，
传热和传质之间是很类似的，以至于前者的
方程经过稍微改变符号就适用于后者了。
烟囱里冒出的烟的扩
散现象就是典型的涡流扩散。涡流引起混合并传递烟尘到周围的大气中。在某些缺乏空气涡流的地方，由地面产生
的烟尘会以分子形式扩散。这会引起严重的污染问题，因为物质以分子扩散的形式比以涡
流扩散的形式传递得慢。
4.
对流传质系数
在传热过程中的学习中
我们发现，用能量微分平衡方程来解答有时很麻烦甚至不可以用，用对流传热系数来表达热流速率是方便的，所<
/p>
用的方程如下：
q
?
h
(
t
s
?
t
m
)<
/p>
A
传质通过类似公式来处理
N
A
?
k
P
(
?
As
?
?
Am
)
< br>物质通量
N
A
由空间坐标轴来度
量。
推动力是流体在相边界
（一个固体表面或液体表面）
和某一些在液体中间的点的差值。
对流系数
k
P
k
P
的值是
系统的几何函数和流体的速度与性质的函数，跟系数
h
一样。<
/p>
适用于强制或自然对流；在这里传质没有沸腾系数、冷凝系数。
Unit 14
化学工程的单元操作
1.
介绍
化学加工可以包含各种各样的不同的过程顺序，它的原理是独立于我们的操作的材料和操
作的系统，把复杂的工艺过程分解成单个的物
理过程（即单元操作）和多种化学反应过程
的实践，导致了化学工程的通用性。单元操作的观念在化学工程是基于不同的过程步骤可以减少
< br>简单操作或反应，而这些反应在不考虑操作条件下有同样的基本反应。这个原则，在美国化学工业的发展过 程中变得明显，在
1915
年早些首
次
变得明显。
任何一个化学过程，无论所操作规模大小，可以被
分解成单元作用的同等的一些系列，像粉碎，混合，加热，烘干，吸取，浓缩，析出，
沉
淀，结晶，过滤，溶解，电解等等。基本单元操作的数量不是很大而且只有很少几个包含特定的操作，化学工程的
复杂性源于各种条件如
温度，压力等的多样性。由于条件的变化，单元作用就必须在不同
的过程中完成。同时化学工程的复杂性还受到由反应物的物理及化学性质
所决定的结构材
料和设备设计的影响。
单元操作的开始清单列举了十二个功能
，不是所有的都包含单元操作。再增加的都会命名，在那些年处于适中的比率但是最近在一个加
< br>速的比率。流体流动，热传递，蒸馏，加湿，气体吸收，沉积，分类，搅拌，和离心过滤已经被公认。最近 几年，新技术逐渐被理解，比较
适
用于过去但很少使用分离技术这导致了分离，处理，操作或者是介入制造的数量上的持续增长，这些可用于没有重
大改变的各种进程。这
是根据一个术语
”
单元操作
”
，现在为我们提供了、一系列的技术合作。
2.
单元操作的分类
流体流动
这涉及的原则，确定流动或运输任何流体从一个点到另一个点。
传热
这个单元操作处理的原则是，
积累和转让的热量和能量从一个地方到另一个地方。
蒸发
这是一个特殊的情况下传热，
其中涉及蒸发的挥发性溶剂，如水从一个非易失性溶质如盐或其它材料在解决方案
烘干
在这个操作中挥发液体，通常是水，从固体材料中挥发出去。
蒸馏
这是一个过程即液态混合物的
分离通过沸腾，因为它们的蒸汽压不同。
吸收
这个过程的一个组成部分是通
过对某一液体的处理提取天然气流。
膜分离
这一过程涉及的是溶质从液
体或气体中通过半透明膜屏障传播到另一流体中。
液
—
液萃取
在这种情况下的解决办法是，在混合溶剂中除去与之接触的另一种液体。
液
—
固浸取
这涉及到处理微细固体，同一种液体溶解并消除了溶质中所载的固体。
< br>
结晶
这涉及除去溶质，如盐从溶液沉淀溶质的解决办法。
机械物理分离
这涉及分离固体流体
或气体的机械方法，如过滤，沉淀，压缩体积，而这些问题往往被列入为单独的单元操作。
许多的单元操作有一定的基本基础和基本原则或共同的机制。例如，扩散发生在干燥
，吸收，蒸馏，结晶。传热放生在干燥，蒸馏，
蒸发等等。
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蒸发
导言
蒸发的目的是集中解决了非易失
性溶质和挥发性溶剂组成物的分离。在溶剂蒸发绝大多数是水。蒸发是由蒸发的溶剂产生浓缩液部
分。蒸发不同之处在于残渣是液体干燥
-
有时是高粘稠
之一
-
而不是实心的，它由蒸馏的不同，蒸气通常是一个单一的
组成部分，即使蒸
气混合物，没有尝试蒸汽通常是一个单一的组成部分，甚至当蒸气混合
物，没有试图在蒸发步骤作出分成组分的蒸气，它从不同的结晶
重点是集中力量解决方案
，而不是晶体的形成和建设放在。在某些情况下，例如在卤水蒸发生产食盐，与蒸发和结晶线是远远尖锐。蒸
发有时还会产生在饱和母液浆的结晶。
通
常，蒸发是为了有价值的产品、蒸气冷凝、抛弃废品。在一个具体情况，然而，情况正好相反。
< br>
含矿物质的液体往往蒸发给了坚
实的无锅炉饲料产品的
特殊工艺要求，或供人食用的水。这种技术通常被称为水蒸馏，但在技术上它是蒸发。大型蒸发过程中已经开发<
/p>
并起回海水饮用水使用。在这里，冷凝水是需要的产品。只有在饲料总水的一小部分得以恢
复，其余返回大海。
2
．液体特性
一个蒸发问题的实际解决方案是深刻的影响液体的特性。它是液体的特征性变化（该决议要求的判断和蒸发器的
设计和运行经验）
拓宽了从简单的传热此操作到一个单独的艺术。液体的蒸发性能的最重
要的部分如下。
浓度
虽然液体送到一台蒸发器，可充分稀释为有水的许多物理特性，随着浓度的增加，该解决方案变得越 来越个性化。密度和粘
度的固体含量，直至该解决方案已饱和或酒变得过于充分的传热粘
性增加。继续沸腾饱和溶液结晶形成的原因，这些必须拆除或管道阻
塞。该解决方案的沸
点也大幅度增长，作为固体含量的增加，使集中解决沸点温度可能远远高于水，在同样的压力。
< br>
发泡
有些材料，特别是有
机物质，气化过程中产生泡沫。一个稳定的泡沫伴随着蒸汽的蒸发器内，造成严重的环境。在极端的情
况下，液体沸腾整个肿块可能对出口到蒸气和丢失。
温度敏感性
许多精细化学品医药产
品，食品加热后损坏的相对较短的时间适宜的温度。在这些材料集中，需要特别的技术，以减
少双方的液体温度和加热时间。
量表
有人在受热面的解决方案存款
规模。总的系数，然后逐渐下降，直到蒸发器必须关闭和管清洗。当规模很难和不溶性，清洁
是困难和昂贵。
材料工程
<
/p>
只要有可能，蒸发器是由一些钢种。许多解决方案，但是，攻击有色金属，或由他们的污染
。特殊材料，如铜，镍，不
锈钢，铝，防渗石墨，铅，然后使用。由于这些材料是昂贵的
，高热量的传输速率变得特别是可取的，以尽量减少设备的初投资的费用。
许多其它液体特性必须考虑由蒸发器设计。其中有些是比热，热的浓度，冰点，沸点气体，毒性解放 ，爆炸危险，放射性，以及无
菌操作的必要性。由于在酒属性的变化，许多不同的蒸发器
的设计已经开发出来。对于任何特定问题的选择主要取决于液体的特点。
3
．单点和多开始运作
大部分蒸发器加热蒸汽冷凝在金属管。
要的材料几乎总是在蒸发管内流动。<
/p>
通常是在蒸汽压力低，
低于
3
大气压绝对值
;
往往沸腾液
体是在中等真空压力下降到约
0.05
大气压绝对值。降低液
体的沸点温度升高之间的蒸汽和沸腾的液体，从而提高传热率在蒸发器温差。
当一个蒸发器使用，从沸腾的液体
蒸气冷凝和抛弃。这种方法被称为单效蒸发，虽然它很简单，它利用蒸汽不好。为了解决蒸发
1
公斤水要求，从
1
至
1.3
公斤蒸汽。如果从一个蒸发气体被送入第二个胸部和蒸发器的蒸汽从
第二个蒸汽，然后送往冷凝器，操作变得
双效。在原来的蒸汽加热重用第二作用，由美联
储的第一起蒸汽单位质量所取得的蒸发量大约增加了一倍。附加效果可以添加相同的方
式
。增加利用之间的蒸汽供应和冷凝器蒸发器系列，每公斤的蒸汽蒸发一般方法被称为多效蒸发。
< br>
4
．一般类型的蒸发器
水平管自然循环蒸发器
加热管的水
平一束类似束管换热器。蒸汽进入到管，在那里凝结。叶片的蒸汽冷凝水在管道的另一端。沸
腾的液体解决方案覆盖管。蒸气离开液体表面，往往是通过一些
deentrain
ing
设备去，如挡板，以防止液滴结转，并离开了顶端。这种
类型相对便宜，而且是为有高传热系数和液体不存款规模非粘性的液体。由于液体循环差，他们是不适合粘性液体
。在几乎所有情况下，
蒸发器和下面讨论的类型是连续运行，其中饲料进入以恒定速率和
集中以恒定速率树叶。
立式自然循环蒸发器
在这种类型的
蒸发器，垂直而不是水平管的使用，和液体管道内管外的蒸汽凝结的。由于沸腾，密度下降，
受自然流通管的液体上升，往低处流通过一个大型的中央空地或下水管。这自然循环的增加提高了传热系数。 它不是用于粘性液体。通
常被称为短管蒸发器这种类型。这个变化是一篮子类型，其中垂
直管的使用，但加热元件是举行机构暂停，以便有一个环形的下水管空
地。篮子不同类型
的垂直自然循环蒸发器，它有一个环形的，而不是下水管空地的中央。这种类型是广泛应用于糖，盐，烧碱行业。
长管垂直式蒸发器
由于传热的蒸汽侧系数很高相比，液体的蒸发端，高液速度是可取的。在一个长管垂直式蒸发器内的 液体管。
该管的
3
?
< br>10
米长，管道内的蒸汽气泡的形成原因抽水行动给予相当高的液体速度。一般来
说，液体通过一次，而不是通过循环管。接
触时间可能会相当低，这种类型。在某些情况
下，当饲料的比例蒸发量罗。通过自然蒸发器产品的回流是通过增加出口之间的集中线和
大型饲料线管连接。这是广泛用于生产炼乳。
降膜型蒸发器
一长管式变化是降膜
蒸发器，其中的液体输入到管子，下一个薄膜流动的墙壁顶部。汽液分离通常在底部的地方。
这种类型广泛用于集中热敏感材料，如橙汁等果汁，因为维持时间是非常小（
5
至
10
秒或以上）和传热系数高。
强制循环式蒸发器
该液膜传热系数可抽水造成强迫管内的液体循环增加。
这项工作可在长期管立式增加
一个与出口之间的集中线
和饲料玲泵管连接。不过，通常在强制循环式，垂直管较短比长
管型。此外，在一个独立的外部水平换热器是使用的其他情况。这种类
型是非常有用的粘
稠液体。
Unit
15
化学反应工程
每一个工业化过程
的设计都是从各种原材料出发，经过一系列的生产加工步骤，来经济地生产出期望的产品。图
3.1
展示了一个典型的
情况。原料承受一些物理处理使它
们以能够其化学反应的组成。它们穿过反应器。反应的产品必须那时承受更多的物理处理
—
分离，净化等
等。最后期望的产品就得到了。
对于用于物理处理的设备设计的步骤是研究单元操
作。在这里我们感到关切的是化学处理的一个过程。经济上这肯能是一个无关紧要的
单元
，说一个简单的混合罐。然而，化学处理的步骤是整个过程的中心，它破花了经济过程。
设计的反应器没有例子和许多其它可以提出的进程，所追求的最佳的并步仅仅是反应器的
成本的最小化。也许一种设计方案中的反应器
费用并不算高，
但
从反应器出来的物料后处理费用可能远高于另一些反应器设计方案中的处理费用。
因此，
整体过程的经济性必须加以考虑。
反
应器的设计用到信息，知识，以及不同领域的经验
—
热力学，化
学动力学，流体力学，传热，传质，和经济学，化学反应工程是综合
所有因素，其目的是
正确设计一个化学反应器。化学反应器的设计也许是一种只有化学工程领域才涉及的工作。并且可能正是因为这种
功能
才奠定了化学工程作为工程领域的一个特殊分支而存在的合理性。
< br>
化学反应器的设计有两个必须回答的问题；
（
1
）
我们期望放生的是什么变化？
（
2
）
它们进行的速度会有多快？
第一个问
题与热力学有关，第二个问题则与各种速率过程，例如化学动力学及传热学
关。把这些都放一起，试图确定这些相互关联的
过程是一个非常棘手的问题；我们从最简单的情况通过考虑其
它因素建立我们的分析，直到我们能够处理更困难的问题。
1
．热力学
热力学给我们在设计上两个非常重要的信息，在反应过程中的热释放和热吸收以及最大可能的反应程度。
化学反应总是伴随着释放或吸收能量，我们必须直到适当设计的重要性
。考虑这个反应
反应温度
T
是传热从周围环境到反应系统当中，当一摩尔的
A
消失形成
R
摩尔的
R
和
S
摩尔的
S
，该系统测量处于同一温度和压强在反
应前后。热反应是可以从热化学的数据知
道或估计的。
热力学也可以计算反应材料的标准自由度的平衡
常数。与已知的平衡常数，化学反应产品的最高产量是可以估计出来的。
2.
化学热力学
在适当的条件下提供的材料可能被转化为新的和由不用材料物质构成的的不同材料。如果发生这种情况只有通 过重新安排或组成原子形
成新的分子在分配，我们说一个化学反应的发生。化学是联系着
反应的研究。它研究反应的模式和机制，物理和能量改变的关系以及生成产
品的效率。<
/p>
这是最后提到的领域，化学动力学，这是我们主要的。化学动力
学寻找影响反应效率的因素。它衡量着这个比率并提出有价值发现的解
释。对于化学工程
师化学动力学是必须知道的如果他是满意设计设备来影响在技术规模生的反应。当然，如果反应时迅速的足以使系
统基本
上是平衡的，设计是非常简化的。动力学信息是不需要的，热力学信息本身就足矣
。
Reading
Material
化学工业和环境保护
我们如何减少生产中的浪费，
怎么样才能使材料循环使用和生产链接在一个循环里。<
/p>
所有的这些问题必须通过这几年的认真研究回
答，才能使我们的文
明与自然想和谐。
1.
生命循环的分析
每一个时代的产品的生命周期都对环境有着影响，争取选用天然的材料，通过继续加工，制造，运输，也
包括消费和处置或回收。
技术和化学科学在每一个时代都是充满着挑战的。
重新设计产品并使之对环境产生最小的影响，
需要一个新的产品理念和一个不
同的对
化学的理解水平。绿色产品需要新的可以在使用再回收或者可以降解的材料，材料
的这一特性是由其化学的组分和分子结构所决定的。
为了将产品所带来的浪费和污染降至
最低，新的化学工艺将要被我们发明。提高化学分离技术将用作提高效率和转移废弃物，这需要新
的化学治理方法来减少它们的危害。像这类并不能转变为无害的污染，如放射源污染和重金属污染，它们
必须被固定储存在金属盒子里
面。这样，他们才是安全无害。最后，无意识时所造成的残
余物污染，就需要生化技术来补救和解决了。
2.
对环境影响最小的生产制造
把废弃污染物排入空气，水或者大地不仅对环境有严重影响，并且也在浪费着资源。早些时候
，减轻化学排放对大自然的污染的方
法就是工厂废物在排放出去并给环境造成危害前将有
害材料提取出来。但这只是解决了一半的问题，对于一个化学工艺，想要没有有害
产品形
成就要在第一部进行。
可以说，
任何的改变至少使空气和水洁净
了，
不像以前那样自然排放进来，
而这样的过程将会达到自然化
。
越来越多的对环境影响身体的关注，
使我们优先考虑到是减少有潜在危险的化学品用于工业生产过程的数量。
最好的途经就
是找到
一个可循环化学工艺可以和以前的工艺一样工作但是低风险。
如果一个低风险的化学工艺不能被找到来替代原来工艺，一个更好的可以
替代的选择
策略就是寻找一种确实存在的并且日前实用的工艺方法。
新型
的新化学发出了通过更多地使用原料和原子原料来保护环境的有力号召。在最近研发的好的催化剂中，比如，使反
应所必须的
温度和压力降低。这种改变，降低了反应中的能量需求和简化设备和材料的要
求。使得在实际生产当中，一种新的催化剂常被用于避免
不良反应的发生。
3.
控制工厂能量排放
煤，石油和天然气等主要能源燃料导致一系列废气的排放。如，一氧化碳，碳氢化合物，
氮氧化物，及其他各种有害的副产品，如
尘埃和汞。另外还有许多不可想象的污染物，例
如，粉尘和汞。为了保护自然和达到当地污染排放标准，目前越来越多的科学技术都在
致
力于减少污染排放，化学家和化学工程师都致力于这方面的研究和探索触媒科学已经扮演一个重要角色走在前沿。
当今的首要目标是研究催化剂技术来做到双向控制污染。
例如，使用催化剂可以使碳在被氧化的同时可以使氮氧化物在涡轮排放当
中明显减少。其它研究目的是在生产中间的同时在烟道做到用单一方法滤出氮和硫化物而不会污染。
4.
绿色环保产品
越来越多的人意识到生产队环境的影响，
使得科学家致力于绿色
环保产品的开发。
一个早期的代表性的例子是来自二十世纪四五十
年代的洗涤工业，新的基于合成活性纤维的产品被称为偏烷基苯，这一种洗涤剂有着非常高的清洁效率，但后来
发现所排放的废水使得
水流起泡沫，这个问题是因为偏烷基苯的使用，不同于以前使用的
肥皂，偏烷基苯没有能使其充分降解的微生物。然而在对这种现象有
了一个更广泛的认识
和理解之后，促使化学家进行研究和合成另外一种更加好的表面活性剂，即线型烷基苯的磺酸盐，这种新的净化剂
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