化工设备机械基础 第五章.ppt

化 工 设 备 机 械 基 础 第五章 化工设备与管道常用的金属材料 5.1 化工设备与管道常用的金属材料 5.1.1 金属材料的主要性能 化工设备中常用的金属材料主要是钢铁材料，以及铜、铝合金等 金属材料。通常用金属的力学性能来评判这些材料的优劣。 5.1.1.1 力学性能 材料在外力作用下表现出来的性能称为材料的力学性能。它主要 的衡量指标有： 1）、强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力。常用的强度指标是屈服极限和强度极限。 ①屈服极限: 金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加，仍继续发生明显的塑 性变形，这种现象就称为屈服,发生屈服时的应力称为屈服极限。 用σs 表示，它代表材料抗塑性变形的能力。 实际生产中，绝大部分的零件不允许发生塑性变形，即应力不 能超过屈服极限。 σ≤σs/n =〔σ〕 式中，n为安全系数，〔σ〕称许用应力。 碳钢试件拉伸阶段试样图 低碳钢拉伸试验图 ②强度极限：金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作强度极限。在化工压力容器设计中常用到材料强度性能指标是抗拉强度，它是拉伸试验时，试件拉断前的最大载荷下的应力，用σb 表示。 ③疲劳强度： 材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经 断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过106—108次循环试验而 不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。 2）、弹性与塑性 ①弹性： 材料在外力作用下其尺寸和形状发生变化，当外力卸除，材料又 恢复到原始的形状和尺寸，这种特性称为弹性。 ②塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 主要有两个塑性指标： 延伸率δ： 断面收缩率Ψ： 3）、硬度 衡量金属材料软硬程度的一种指标，也指金属材料抵抗局部变形的能力。特别时塑性变形、压痕、划痕的能力。 4）、冲击韧性 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料 抵抗裂纹扩展的能力。 5)、材料在高温和低温下的力学性能 一般金属材料在高温和低温下，其力学性能会有显著改变，具 体表现为高温蠕变和低温脆性。 ①高温蠕变： 金属材料长期在高温下工作，当它的应力值不高且大小不变时，其 塑性变形却随时间而缓慢增加，这种现象称为蠕变。 材料抵抗在高温下发生缓慢塑性变形的能力，称为蠕变极限。 ②低温脆性： 金属材料在低温下工作，随着温度的降低，其强度和硬度逐渐提 高，塑性和韧性却逐渐下降，并且在低于某个温度后冲击韧性数值 突然降得很低，这种现象称为低温脆性。 5.1.1.2 物理性能 材料的物理性能有热膨胀性、导热性、导电性、熔点、相对密度 等。 5.1.1.3 化学性能 材料的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。 ①、耐腐蚀性: 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗 能力叫做耐腐蚀性。 ②、抗氧化性: 许多在高温工作条件下工作的化工设备，不仅有自由氧的氧化腐 蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作 用，因此在高温下使用的设备和材料要具有抗氧化性。 5.1.1.4、加工工艺性能 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削 加工性、热处理性能等直接影响化工设备和零部件的制造工艺 方法，也是选择材料时必须考虑的因素。 良好的冷热加工性能 良好的焊接性能 5.1.2 碳钢 工业上使用的金属材料一般不是纯金属，而是合金。铁与碳及 少量其他元素融合的合金为铁碳合金。它按含碳量的不同分为碳 钢和铸铁。 1）、碳钢的分类： 2）、普通碳素结构钢 普通碳素结构钢含碳量较低，杂质含量较高，是质量不高的碳 钢,具有一定的力学性能。广泛用于要求不高的金属结构和机械零 件。 普通碳素结构钢牌号的意义: Q 235-A 3)、优质碳素结构钢 较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好，根据含碳量 不同，这种钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 ① 低碳钢： 含碳量小于或等于0.25%，钢的强度较低，但塑性和焊接性能好。 ② 中碳钢 ： 含碳量在0.30 %-0.60%，强度、硬度高，塑性、韧性稍差；焊接 性能差。 ③ 高碳钢： 含碳量大于或等于0.60%，强度和硬度均较高，塑性、韧性、焊 接性能较差。 5.1.3 合金钢 为了改善碳钢的力学性能和耐湿性能，在钢中加入少量合金元 素，这样所得到的刚统称为合金钢。 5.1.3.1 低合金结构钢 低合金结构钢由含碳量较低（﹤0.20%）的碳素钢加入少量的 合金元素融合而成，合金元素的量一般小于5%。它具有优良的综 合力学性能和加工性能。 5.1.3.2 合金结构钢 合金结构钢由含碳量较低（﹤0.20%）的碳素钢加入铬、镍、钼、 钛、钨、钒等