化工设备材料及其选择_材料的性能

1、一、问题的提出一、问题的提出二、课程内容二、课程内容（一）设备是工艺的基础（一）设备是工艺的基础（二）材料是设备的基础（二）材料是设备的基础 基础基础材料材料材料的性能材料的性能碳钢碳钢特殊性能钢特殊性能钢合金钢合金钢常用三类钢常用三类钢第二章第二章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择教学重点：教学重点： （1）材料的力学性能）材料的力学性能； （2）化工设备材料的选择。）化工设备材料的选择。 教学难点：教学难点： 材料的性能。材料的性能。第一节第一节 概述概述 一、化工设备选材的重要性和复杂性一、化工设备选材的重要性和复杂性1.1.操作条件的限制操作条件的限制2.2.制造条件的限制制造

2、条件的限制3.3.材料自身性能的限制材料自身性能的限制二、选材要遵循二、选材要遵循 适用、安全和经济的原则。适用、安全和经济的原则。第二节第二节 材料的性能材料的性能一、力学性能一、力学性能材料在外力材料在外力(或外加能量或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行作用下抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。许的变形或不被破坏的能力。 塑塑性性强强度度硬硬度度韧韧性性金属材料承受载荷作用，金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这

3、种现显的塑性变形，这种现象就称为屈服。象就称为屈服。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限n例如：容器爆裂；管道破裂；地脚螺栓拉断；炉管爆裂；.常温拉应力下常温拉应力下20号钢的拉抻试验号钢的拉抻试验 l0=10d0l0= 5d0或或从开始加载到发生断裂所从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。做抗拉强度。 开始出现塑性变形时的应开始出现塑性变形时的应力，称为力，称为“屈服点屈服

4、点”s ss s sb1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限n金属在拉伸条件下，金属在拉伸条件下，从开始加载到发生从开始加载到发生断裂所能承受的最断裂所能承受的最大应力值，叫作抗大应力值，叫作抗拉强度。拉强度。 1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳

5、极限疲劳极限n材料在高温下，在材料在高温下，在一定的应力下，抵一定的应力下，抵抗发生缓慢塑性变抗发生缓慢塑性变形的能力。形的能力。“蠕变蠕变”现象：现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 材料在高温下，抵抗材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。发生断裂的能力。 1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限n材料在材料在交变载荷交变载荷作用下，作用下，会在远低

6、于材料本身的屈会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把）种现象就是疲劳。我们把）经过经过106108次次循环试验循环试验而不发生断裂的最大应力，而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。作为疲劳强度。1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D蠕变强度蠕变强度n屈服强度屈服强度s(0.2)抗拉强度抗拉强度b疲劳极限疲劳极限n疲劳强度举例疲劳强度举例频繁开、停车容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成

7、交变式。 2、塑性塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。能力。主要有两个塑性指标：主要有两个塑性指标：伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK（3）冷弯性能）冷弯性能 室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。-是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义： 便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等； 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。压力容器及其零件都

8、需要具压力容器及其零件都需要具备这个性质备这个性质。3、韧性：韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量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。的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。承受承受静静载荷抗裂纹扩展的能力载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性缺口敏感性承受承受动动载荷时抗裂纹的能力载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性冲击韧性冲击功AK=GH1-GH2，而冲击韧度K= AK/F（F为面积） 图图1-1冲击试样的安放冲击试样的安放1-摆锤摆锤2-试样试样3-机座机座图图1-2 冲击试验原理冲击试验原理1-摆锤摆锤2-试样试样韧性高的材料，塑性好；塑性较高韧性高的

9、材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。的材料，韧性也好。问题问题判断正误并说出理由判断正误并说出理由 注意！韧性是材料在外加动载荷注意！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突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载菏下能其所以如此，就是因为静载菏下能够缓慢塑性变形的材料在动载荷够缓慢塑性变形的材料在动载荷下不一定能迅速塑性变形。下不一定能迅速塑性变形。 （2）缺口敏感性）缺口敏感性指在带

10、有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。下，抵抗裂纹扩展的能力。图图1-3 冲击试验的标准试样冲击试验的标准试样 4、硬度硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。弹性变形、塑性变形或破断的能力。布氏硬度布氏硬度HB（一般在（一般在HB450以上就不能使以上就不能使用用) 、 洛氏硬度洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材料料) 、 维氏

11、硬度维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度定极薄试样的硬度) ，显微硬度。，显微硬度。布氏硬度试验示意图材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。但使用时要考虑温度的变化。ssTTss二、化学性能二、化学性能1 1、耐腐蚀性、耐腐蚀性金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液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。侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。 2 2、抗氧化性、抗氧化性在现代工业生产

12、中的许多高温化工设备，在高温工作在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气条件下，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，体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。含量对钢的氧化是有一定影响的。 表表1-1 几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性三、三、物理性能物理性能相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、

13、磁性、相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。弹性模数与泊桑比等。2、弹性模量弹性模量E E材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即E，这个这个比例系数比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。的应力和应变关系。对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹性变形的应力也越性变形的应力也越。对同一种材料，弹性模数。对同一种材料，弹性模数E随温随温度的升高而度的升高而。tll 1a1 1、线膨胀系数、线膨胀系数2.泊桑比泊桑比泊桑比是拉伸试验中试件泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸单位横向收缩与单位纵向伸长之比长之比，以，以表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，即即0.3。 b 1b 1l