化工设备设计基第5章化工设备材料.ppt

第五章 化工设备用材料 一、概述 二、材料的性能 三、金属材料的分类及牌号 四、钢铁的组织结构及热处理 五、普通低合金钢及化工设备用特种钢 六、非金属材料 七、化工设备材料的选择 一、概述 1. 化工设备的操作条件 化学工业是基础工业，化工设备的种类很多，操作条件复杂苛刻： 操作压力：真空、常压、低压、中压以至高压和超高压； 操作温度：低温、常温、中温和高温； 介质：有腐蚀性、易燃、易爆、有毒等。 2. 化工设备选材的一般要求 遵循适用、安全和经济的原则选择材料。 选用材料的一般要求是： ⑴ 材料品种应符合我国资源和供应情况； ⑵ 材质可靠，能保证使用寿命； ⑶ 要有足够的强度，一定的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀； ⑷ 便于制造加工，焊接性能良好； ⑸ 经济上合算。 一、概述 3. 压力容器的选材要求 压力容器用钢板：耐腐蚀，较高的强度，良好的塑性、韧性和冷弯性能，缺口敏感性要低，加工和焊接性能良好。 中、高温容器：材料组织稳定性和中、高温的机械性能。 低温设备：低温脆性破裂问题。 二、材料的性能 2.1 力学性能 定义：材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。 弹性变形 → 弹塑性变形 → 断裂 2.1.1 强度 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特性。 ⑴ 屈服点（σs） 金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显塑性变形的这种现象称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力称为“屈服点”，用σs（MPa）表示，代表材料抵抗产生塑性变形的能力。 ⑵ 抗拉强度（σb） 金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。以σb（MPa）表示。 屈强比（σs/σb）。屈强比愈小，就具有较大的塑性储备，愈不容易发生危险的脆性破坏；但屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。反之，屈强比愈大，材料的强度水平能得到充分发挥。 二、材料的性能 ⑶ 蠕变强度（σn） 蠕变：金属材料在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。 蠕变强度σn：在一定工作温度下，在规定的使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。 如σ1/10000表示材料经10000h发生1%的总变形时的蠕变强度。表示材料在高温条件下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。 ⑷ 持久强度（σD） 持久强度：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。 ⑸ 疲劳强度（σ-1） 金属材料受到大小及方向变化的交变载荷作用发生断裂的现象称为疲劳，往往断裂应力值远低于屈服点。 金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为疲劳极限。往往把经106～108次循环试验所测得的材料不发生断裂的最大应力作为疲劳强度。 二、材料的性能 2.1 力学性能 2.1.2 塑性 金属的塑性，是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。 ⑴ 延伸率（δ） 试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率，称为延伸率。 ⑵ 断面收缩率（ψ） 试件受拉力拉断后，断面缩小的面积同原始截面面积比值的百分率，叫做断面收缩率。 【提示】材料良好的塑性的优点：制造过程中顺利进行弯卷、锻压、冷冲、焊接成型工艺；设备使用中能由于塑性变形而避免突然断裂。 二、材料的性能 2.1 力学性能 2.1.3 硬度 硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力。硬度是材料的重要性能指标之一，可反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能；硬度高强度也高，耐磨性较好。 常用的硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。 二、材料的性能 2.1力学性能 2.1.4 冲击韧性（Akv） 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。 二、材料的性能 2.1力学性能 2.1.5 缺口敏感性 缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力，属于材料的韧性范畴。但和材料的冲击韧性不同是在静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。而冲击韧性是指材料承受动载荷时抵抗裂纹扩展的能力。 二、材料的性能 2.2 物理性能 金属材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。 2.2.1 热膨胀性 金属及合金受热时，一般说来体积都要胀大，这一特性称为热膨胀性。通常应用的是线膨胀系数，以α表示，量纲为mm/(℃·mm)。 钢材：α=9.2～10.4×10-6 mm/(℃·mm) 2.2.2 弹性模量与泊松比 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，这个比例系数称为弹性模量，以E表示。金属的弹性模量主要取决于金属原子结构、结晶点阵和温度等因素。E值