1化工设备材料及其选用A

化工设备机械基础A（32学时）教师：熊建军Email:[e-mail]:13912005119846878578化工设备机械基础A第一章：化工设备材料及其选用第二章：化工容器设计概述第三章：内压薄壁容器的应力分析第四章：内压薄壁圆筒与封头的强度设计第五章：外压圆筒与封头的设计第六章：容器零部件第七章：管壳式换热器的机械设计第八章：塔设备的机械设计第九章：搅拌器的机械设计第1章化工设备材料及其选择第一节慨述第二节材料的性能第三节金属材料的分类及牌号第四节碳钢与铸铁第五节低合金钢及化工设备用特种钢第六节有色金属材料第七节非金属材料第八节化工设备的腐蚀及防腐措施第九节化工设备材料的选择4第一节概述化工设备的种类：按操作压力分为：真空、常压、低压、中压以至高压和超高压；按操作温度分为：低温、常温、中温和高温。处理的介质大多数又有腐蚀性，或为易燃、易爆、有毒、剧毒等。有时具体设备既有温度、压力要求，又有耐腐蚀要求，而且这些要求有时还互相矛盾，某些条件又经常变化。第1章化工设备材料及其选择5选用材料的一般要求是：(1)材料品种应符合我国资源和供应情况；(2)材质可靠，能保证使用寿命；(3)要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；(4)便于制造加工，焊接性能良好；(5)经济。第一节概述第1章化工设备材料及其选择6压力容器用钢材：中、低压和高压容器：常处于有腐蚀性介质的条件下工作，除承受较高的介质内压(或外压)外有时还会受到冲击和疲劳载荷的作用；在制造过程中，要经过各种冷、热加工使之成型；对钢板的要求：除随介质的不同要有耐腐蚀的要求以外，应有较高的强度、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。对低合金钢板材要注意是否有分层、夹渣、白点和裂纹等缺陷。中、高温容器：钢材在中、高温的长期作用下，金相组织和机械性能等将发生明显的变化，并要承受一定的介质压力，选择设备用钢时，需考虑材料的组织稳定性和中、高温的机械性能。低温设备：着重考虑设备在低温下的脆性破裂问题。第一节概述第1章化工设备材料及其选择第二节材料的性能金属材料的性能工艺性能使用性能切削加工性能焊接性能锻造性能铸造性能化学性能物理性能力学性能第1章化工设备材料及其选择第二节：材料的性能金属材料的力学性能硬度弹性强度塑性冲击韧性第1章化工设备材料及其选择拉伸试验拉伸试验机第二节：材料的性能一、强度指标材料强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。0/()PFMPa第二节：材料的性能一、强度指标•1、弹性强度（弹性极限）弹性强度：材料保持完全弹性变形时的最大应力。弹性变形：外力解除后变形全部消除恢复原状的变形。0/()eePFMPa第二节：材料的性能一、强度指标•2、屈服强度（屈服极限）材料产生屈服现象时的最小应力。没有明显屈服的材料，用发生0.2%塑性变形时的应力值σ0.2代表其屈服强度。)(/0MPaFPss第二节：材料的性能一、强度指标•3、抗拉强度（强度极限）材料抗拉伸断裂前承受的最大应力。设计时塑性材料多用σs；脆性材料多用σb作为极限应力。σs/σb之比叫“屈强比”。屈强比越小，可靠性越大；但比值太小，材料利用率太低。)(/0MPaFPbb第二节：材料的性能抗弯强度一、强度指标4、高温性能：蠕变：金属在高温长时间应力作用下，所加应力远小于σs逐渐产生明显的塑性变形的现象。导致零件尺寸变化，甚至断裂造成事故。应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。原因是零件的弹性变形逐渐变为了塑性变形。蠕变强度：高温长时间载荷作用下，在给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。在500℃温度下，工作1×105h后变形量为1%的蠕变强度为100Mpa。MPa1005001015第二节：材料的性能一、强度指标第二节：材料的性能持久强度(σD)在给定温度下，促使试样或工件经过一定时间发生断裂的应力叫做持久强度。在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万小时，以σ105表示试件经十万小时断裂的应力。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。在相同的条件下，能支持的时间越久，则该材料抵抗断裂的能力越大。第二节：材料的性能疲劳强度疲劳：在多次重复或交变应力作用下，使金属材料在远小于金属的屈服强度时发生断裂的现象。疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力σ-1。第二节：材料的性能疲劳强度疲劳曲线:钢铁所受重复或交变应力σ与其断裂前所受的应力循环次数N之间有关系。两者之间的关系曲线叫。钢的疲劳强度σ-1≈σb(40～50%），循环次数为107；有色金属的疲劳强度σ-1≈σb(25～50%），循环次数为10８。第二节：材料的性能疲劳强度影响因素(1)材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳强度有显著影响。(2)零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳强度。(3)载荷类型：载荷类型不同，疲劳强度不同。(4)工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，疲劳强度降低。(5)腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显降低。第二节：材料的性能二、塑性金属在断裂前产生永久变形而不破坏的能力。•1、伸长（延伸）率试样拉断后标距增长量ΔL与原长L。之比。%100%1000010LLLLL第二节：材料的性能二、塑性•2、断面收缩率试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。%100%1000100FFFFF第二节：材料的性能二、塑性3、冷弯(角)衡量金属材料和焊缝塑性的指标，由冷弯试验测定的。冷弯试验：金属材料和焊接接头在室温下以一定的内半径进行弯曲，在试样被弯曲受拉面出现第一条裂纹前的变形越大，材料的塑性就越好。常以一定的弯曲角度下(α＝120°或180°)是否出现裂纹为评定标准。第二节：材料的性能二、塑性伸长率、断面收缩率和冷弯(角)都是材料塑性的力学性能指标，金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。塑性的存在可以提高构件的可靠性，但在一般情况下提高材料的塑性要牺牲材料强度。第二节：材料的性能三、硬度硬度：金属材料抵抗其它硬物压入表面发生变形和破裂的能力（材料抵抗局部变形的能力）。测试方法：压入法、划痕法、弹跳法。分类：•1、布氏硬度（HBS、HBW）；•2、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）；•3、维氏硬度（Hv）；•4、肖氏硬度（HS）。第二节：材料的性能（一）布氏硬度在布氏硬度计上进行测量。其方法是用直径D为（10mm、5mm、2.5mm）的淬火钢球（HBS）或硬质合金球（HBW）。在规定的试验力P作用下压入被测试的金属表面停留一定时间后卸除试验力。用读数显微镜测量出压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，然后再求出压痕单位面积所承受的平均压力（P／F），以此作为布氏硬度值。第二节：材料的性能（一）布氏硬度布氏硬度标注方法：如：120HBS10／1000／30，表示采用直径为10mm淬火钢球在9.81KN试验力作用下，持续时间为30s的试验条件下被测材料的布氏硬度值为120。优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：费时，压痕较大，不适宜测量成品零件或薄壁件。低碳钢σb≈3.6HBS；高碳钢σb≈3.4HBS；调质合金钢σb≈3.25HBS;灰铸铁σb≈1HBS。第二节：材料的性能（一）布氏硬度第二节：材料的性能（二）洛氏硬度洛氏硬度：以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。压痕深度直接用百分表测出来，硬度值可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，不需另外测量和计算，它是一个相对值，没有量纲。用于较高硬度的测量。第二节：材料的性能（二）洛氏硬度测量方法：实验时先加预载荷98.1N，使压头紧密接触试件表面，再加主载荷使压头压入工件，然后去掉主载荷。由于金属的弹性变形的恢复，压头回升，深度h就是主载荷作用下金属表面的塑性变形深度。标注方法：50HRC优点：操作方便、压痕较小、可测成品；测量范围大。缺点：稳定性差、硬度数据波动较大。第二节：材料的性能四、冲击韧性冲击载荷：以很大的速度作用于零件上的载荷。冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。()()KVUKVUAF冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。第二节：材料的性能材料的冲击韧度221221//)(cmJFhhmgcmJFhhGaK第二节：材料的性能五．缺口敏感性第二节：材料的性能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。是材料在静载荷下抵抗裂纹扩展的能力，冲击韧性是材料在动载荷下抵抗裂纹扩展的能力。材料的高温和低温性能2、低温性能：随温度下降，多数材料会出现脆性增加的现象，甚至发生脆断。通过材料吸收的冲击功AK与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化。冷脆转化温度：材料由韧性状态转变为脆性状态的温度TK。第二节：材料的性能2019/8/1134二、物理性能密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。第二节：材料的性能2019/8/1135二、物理性能1、热膨胀性线膨胀系数第二节：材料的性能2019/8/1136二、物理性能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：金属材料对弹性变形抗力的指标，随温度的升高而降低。泊松比：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。钢材泊松比μ=0.3。第二节：材料的性能/E弹性模量2019/8/1137第二节：材料的性能2019/8/1138三、化学性能1、耐腐蚀性金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力2、抗氧化性金属和合金抵抗氧化的性能高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度选耐热材料第二节：材料的性能2019/8/11392019/8/1140四、加工工艺性能1、可铸性：收缩与偏析2、可锻性：塑性与变形抗力3、焊接性：焊接接头质量4、可切削加工性：加工的难易程度第二节：材料的性能2019/8/1141第三节金属材料的分类及牌号一、分类：黑色金属和有色金属一、分类——黑色金属Wc＜0.02%；0.02≤wc0.77%Wc＝0.77%0.77≤wc2.11%2.11≤wc4.3%wc＝4.3%4.3≤wc6.69%铁碳合金工业纯铁钢白口铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶铁共晶铁过共晶铁第三节金属材料的分类及牌号按冶炼方法分类按脱氧方法分类平炉钢转炉钢电炉钢沸腾钢F镇静钢Z半镇静钢b一、分类——黑色金属第三节金属材料的分类及牌号在浇注前用Si、Al等元素对钢液进行完全脱氧所得到的钢种。在冶炼时只用弱脱氧剂Mn脱氧，脱氧不完全的钢。Wc≤0.25％Wc在0.25％～0.6％之间Wc≥0.6％按钢中含碳量分类低碳钢中碳钢高碳钢一、分类——黑色金属第三节金属材料的分类及牌号Ws≤0.055％Wp≤0.045％Ws≤0.040％Wp≤0.040％Ws≤0.030％Wp≤0.035％按钢的质量分类普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢一、分类——黑色金属第三节金属材料的分类及牌号制造各种构件和机器零件制造各种刀具、量具、模具按钢的用途分类碳素结构钢碳素工具钢一、分类——黑色金属第三节金属材料的分类及牌号一、分类——有色金属第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号二、钢铁牌号与表示方法第三节金属材料的分类及牌号2019/8/1154第四节碳钢与铸铁“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金一般含C量0.0218％～2.11％称为钢；大于2.11％称为铸铁；当含C量小于0.0218％时称纯铁(工业纯铁)；含C量大于4.3％的铸铁极脆第三节金属材料的分类及牌号2019/8/1155一、铁碳合金的组织结构1、金属的组织与结构组织：在