化工设备 化工设备材料 化工设备材料.docx

化 化 工 设 备 化工设备材料 化工设备材料 一、金属材料的力学性能 材料在外力作用下，在变形和强度方面所表现出来的性能称为材料的力学性能。金属材料的力学性能是材料固有的特性，它与材料的化学成分、冶炼方式、加工和热处理方法及使用条件等因素有关。金属材料的力学性能是通过各种力学试验所得到的，如拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳、硬度等试验。 （一）材料的弹性和刚度 拉伸试验是确定材料性能的基本试验，试验时所用的标准试件如图1-1所示。图中为标距、是用来测量变形的工作长度，P为拉力，d为试件中部等直部分的直径。物体受到外力作用后其内部各部分之间产生了相互作用力，称为内力，单位面积上的内力称为应力，用σ表示。物体受到外力作用后其原始尺寸或形状发生了变化，这种变化就称为变形，变形的量与原始尺寸的比值称为应变，用ε表示。现以σ=P/A（A为试件的原始截面积）为纵坐标，ε=Δ/（Δ为拉伸时的变形量）为横坐标得出低碳钢（因为低碳钢应用较为广泛，而且拉伸试验中所表现出来的力学性能也最具有代表性和典型性）拉伸时的应力-应变曲线。 图1-1 拉伸标准试件 图1-2 低碳钢的σ-ε曲线 由图1-2可见，在拉伸的初始阶段，σ与ε的关系为直线OA，A点所对应的应力称为比例极限，用σP表示。这表明当应力不超过比例极限时，应力和应变成正比关系，OA为正比阶段，材料服从弹性定律，即虎克定律σ=Eε。在OA阶段，如果消除外力所发生的变形也随之消失，试件恢复到原状。直线OA的斜率tanα= E,很显然比例极限是材料的应力和应变成正比关系的应力极限值。因此虎克定律只适用应力σ不超过比例极限σP的范围。E=σ/ε称为材料的弹性模量，它反映了材料抵抗弹性变形的能力，即刚度。E值越大、材料的刚度也就越大，越不容易发生弹性变形，E值越小、材料的弹性越好，越容易发生弹性变形。几种材料在 常温（室温）下的弹性模量见表1-2。 表1-2 几种材料在常温下的弹性模量E/╳104MPa 材 料 E 值 材 料 E 值 金刚石 102 铝及铝合金 7.0～8.1 硬质合金 41～55 木材（纵向） 0.9～1.7 钢 20～21.4 尼龙 0.2～0.4 铸铁 17.3～19.4 橡胶 0.001～0.01 铜及铜合金 10.5～15.3 聚氯乙烯 0.0003～0.001 超过比例极限以后，从A点到Aˊ点，σ与ε不再为直线关系，稍有弯曲，说明应力与应变不再符合虎克定律，但变形仍是弹性的。这时如果消除外力，变形也随之消失，试件也能恢复到原状。试件在外力作用下，发生了变形，而当外力消除以后变形也随之消失，试件恢复到原来的形状，不会产生永久性的变形，这种性质就称之为材料的弹性。Aˊ点所对应的应力称为弹性极限，用σe表示，O Aˊ为材料的弹性阶段。比例极限和弹性极限是两个不同的概念，但是在σ-ε曲线上两点相距很近，故工程上并不严格区分，因此也可以认为，当应力不超过弹性极限时应力与应变成正比关系，即材料符合虎克定律。 （二）材料的强度和塑性 强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。如果试件在外力作用下，发生了变形、但并未断裂，当外力消除后，变形也没有完全消失而是有一部分被永久性的保留了下来，试件也并没有恢复到它原来的形状。没有恢复而被永久性的保留了下来的那一部分变形称为塑性变形，材料能够产生塑性变形的性质就称为材料的塑性。 1.强度指标 如图1-2所示，当应力超过弹性极限后，在应力变化不大的情况下应变却增加很快，在σ-ε曲线上出现了一段接近水平线的小锯齿形线段。这种应力变化不大而应变显著增加的现象称为材料的屈服。BC为屈服阶段，此阶段所对应的最低应力称为屈服点，用σs表示。当应力达到屈服点时，材料会出现明显的塑性变形，σs越大、材料越不容易发生塑性变形，所以σs是材料抵抗塑性变形能力的体现，是衡量材料强度的重要指标之一。过了屈服阶段以后，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。CD为强化阶段， D点所对应的应力称为抗拉强度，用σb表示。抗拉强度是材料在断裂前所能承受的最大应力，σb越大、材料越不容易断裂，所以σb是衡量材料强度的又一重要指标。 工程上把σs/σb称为屈强比。屈强比越小的材料，即使发生了较大的塑性变形，也不至于立刻断裂。但若屈强比过小，材料强度的有效利用率太低。有一部分金属材料在做拉伸试验时，并不象低碳钢那样有明显的屈服现象，这时通常以产生0.2%的塑性应变时的应力作为屈服应力，称为名义屈服强度或条件屈服强度，用σ0.2表示。 2.塑性指标 由于抗拉强度是材料在断裂前所能承受的最大应力，所以在图1-2中过D点以后，塑性变形急剧增加，试件出现颈缩现象直至E点被拉断。出现颈缩后，使试件继续伸长所需的拉力也相应减少，用试件的