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文档简介
一、钢材的机械性能材料在外力作用下表现出来的特性叫作材料的机械性能,也称为力学性能。钢材的重要机械性能指标有:1.强度—物体在外力作用下,抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的特性指标有屈服极限CTs和强度极限ab,系由拉伸试验获得。1屈服极限材料承受载荷时,当载荷不再增加而仍继续发生塑性变形的现象叫做“屈服〞。开始发生屈服现象'即开始出现塑性变形时的应力叫做“屈服极限〞或“屈服点〞。工程上取试样发生0.2剩余变形时的应力值作为条件屈服极限,通常称为屈服强度Uo.z.在拉伸试验中,屈服强度是试样在拉伸过程中标距局部剩余伸长到达原标距长度的0.2帕时的负荷除以原横截面积的商,单位为MPa.—般说来,材料是不允许在为强度极限。钢材的强度极限是试样在拉断前所承受的最大应力即抗拉强度Sb,单位为IvIPao工程上希望金属材料不仅具有较高的。,而且具有一定的屈强比aSQbo屈强比愈小,结构零件的可靠性愈高。但屈强比太小,贝用料的有效利用率太低。因此,一般希望屈强比高一些,碳素钢为0.6左右,低合金高强度钢为0.650.75,合金结构钢后的总伸长与原始长度的比值百分率来度量,其数值与试样尺寸有关.为了便于比较,积的缩小量与原始截面积之比值的百分率来度量。塑性良好的材料可以顺利地进行某些成型工艺,如冷冲压、冷弯曲等。其次,良好的塑性可使零件在使用过程中万一超载也不致突然断裂。压力容器的主要零部件都是承压的,无论从制造工艺或平安使用来材料对局部塑性变形的抗力。一般说来,材料的硬度越高,耐磨性能越好,硬度与强度之间也有一定的关系。生产中常用测定硬度的方法来估算材料的Jx度,也常用测定焊接热影响区硬度的方法来确定其淬硬的程度.常用的硬度指标为布氏硬度HB洛氏C硬断裂时所消耗的能量,即冲击试样所消耗的功除以试件缺口处断面积的商,单位为M7/m么.冲击韧性是材料各项机械性能指标中对材料的化学成份、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比拟敏感的一个质量指标,也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标.所以,对压力容器用钢来说,冲击韧性是一项重要的性能数据。标明含量.钢中的钒、吸、铝、妮、硼、稀二、国产常用压力容器用钢压力容器用钢的性能必需与压力好的工艺性能.由于不同类型压力容器的使用条件差异很大,因此要求有各种不同性能的钢种。例如,在一般条件下使用的碳钢和低合金高强度钢在高温条件下便用的合金结构钢在低温条件下使用的低温钢-201C以下与氢、氮、氨混合介质接触,温度超过350?时使用的抗氢氮钢盛装硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、硝酸、尿素等腐蚀性介质的容相当贫乏。现将儿种常用钢种的性能特点及其应用简介如下。1.碳钢碳钢是指含碳量小能良好,因而广泛用于制造压力容器。常用的有ASVA3A3R20g等。AF主要用于不承受力容器.例综合机械性能和工艺性能,尤其中温450C如,AF制作的大型容器如年产30万t合成氨以下及低温-401C以上机械性能比低装置中的二段转化炉水夹套,其直径为4120碳钢好,但缺口敏感性比碳钢大在有缺口mmf壁厚8PaAS20中的二氧化碳吸收塔、第二氨别离器,冶金-4761C,许用压力不限.AaR在压力容器215MnVI其屈服强度为392MPa其设计压力为,设计壁温149C.40kgf/mm级,使用温度为一20C-A3R也用于制造球形容器,如直径1230mm500C,综合机械性能良好,但塑性和低容积1000m3、壁厚241nm、设计压力温冲击韧性较16Mn低,且波动较大,焊接0.78MPa的城市煤气储罐等.锅炉钢板20g性能良好,用以制造的大型ARmmmm2.低合金高强度钢的球罐有相当数量是采用15MnVR制造的,低合金高强度钢是一种低碳结构钢,其设计压力,的脆性转变温度.MPa45kgf/mmz级,它在冶金工业的2采用低合金高强度钢代替碳钢,在载荷相同氧气球罐上应用较多,其直径为9200mm的条器制造本钱,而且设备更加曾用于压力、容量loom3的大型液平安、耐用.因此,在50至60年代,低合金氨罐车等.高强度钢用于压力容器的研究与使用开展很418MnMoNb1-为屈服强度490快.但是,低合金高强度钢对加工工艺,特MPa50kgf/mmZ级的低合金高强度钢,别是焊接工艺的要求较碳钢要严格得多.用于中温压力容器。其综合机械性能和焊接用于压力容器制造的低合金高强度钢,性能良好.用以制造的典型容器有:年产30其屈服强度范围为294--mt板比一般钢板的要求更严,主要表达在,对化学成分的控制较严,抽样检验率较高,力学性能检验中增加了冲击值的要求。根本要求:较高的强度,良好的塑性,韧性,制造性能,以及与介质的相容性。(1)化学成分含C量?0.25C含量高,使强度增加,可焊形成,使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度,但会增加钢的脆性,特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平,即大大提高钢材的纯洁度,可提高钢材的韧抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。因此要严格控制SP的含量(2)力学性能力学性能主要指:强度、韧性和塑性变形能力力学性能不仅与钢材的化学成分,组织结构有关且与所处的应力状态和环境有关。强度判据:s,b,持久极限(强度)Dn收缩率书韧性判据:冲击吸收力AKV,韧脆转变温度,断裂性设计时,力学性能判据可从相关标准标准中查到,实际使伸,冲击)(3)制造工艺性能制造中冷加工,要求钢材有良好冷加工成型性能和塑性,延伸率5应在15,20以上。良好可焊性是一项重要指标3可焊性主要取决于化学成碳当量Ceg表示,国际焊接学会推荐公式:MnNiCuCrMoVCegC6155元素符号表示该元素在钢中的百分含量一般认为:Ceglt0.4可焊性优良,Ceggt0.6可用条件使用条件包括设计温度、设计压力、介质特点、操作特点。(a)设计温度Q235高而降低,须注意二者的匹配在满足强度要求前提下,尽量采用塑性韧性好的材料。(c)介质选材应考虑与介质的相容性碳素钢用于腐蚀性不强的常压,低压容器,壁厚不大,中压容器。低合金高强度钢用于腐蚀性不强壁厚较大(38mm的受压容器。珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀或设计温度为350,650?的压力容器用耐热钢。不锈钢用于腐蚀性较强,或设计温度gt500?(lt-100?)的耐热或低温用钢。(2)零件的功能和制造工艺功能:筒体,封头承压空间与介质接触选择与介质相容的承压钢板。支座:不承压,不接触介质除与容器接触垫板外,可选用普通碳素钢制造工艺:从保证制造质量方便制造选材料。沸腾钢(Q235-A.F)搪玻璃效果比镇静钢(Q235-A)好。(3)材料的使用经验对已有成功使用经验,要清楚其化学成分的控制要求睾勺饔孟掠at刺徊僮鞴娉毯同规格的价格,不锈钢gt低合金钢gt碳素钢。需较厚不锈钢时,尽量采用复合材料衬里。堆焊或多层结构。(5)标准标准4压力容器用钢有其特殊要求,使用温度的上,下限使用条件均应满足标准标准要求。对国外材料,应符合国外有关标准标准并应有成功使用经验。五、影响压力容器钢材性能的环境因素压力容器除受到包括介质压力在内的各种载荷作用外,其工作环境对材料的性能也有着不可低估的影响,有时这种影响甚至超出了介质的影响。即使材料的成分相同,组织结构相同,韧性指标(如K1、C)也相同,但如果外部环境不同,那么材料的实际性能也有很大的差异。环境的影响因素很多,如:温度的上下波动,载荷的波动,介质的性质,加载的速度等。这些影响往往不是单独存在,而是同时存在交叉影响,甚至难以区分属哪一类。〔1〕温度有的压力容器长期在高温下工作〔热壁加氢反响器〕有的压力容器长期在低温下工作〔液氧,液氨贮罐〕材料在高温或低温下的性能与常温下并不相同1.短期静载下,温度对钢材力学性能的影响在高温下,温度对低碳钢力学性能的影响如图温度较高时,仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的,一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。温度下降碳钢,低合金钢强度上升韧性下降韧脆性转变温度〔脆性转变温度〕5当温度低于某一界限时,钢的冲击功大幅度下降,从韧性状态变为脆性状态的温度2.高温,长期静载下钢材性能高温下材料的强度等性能除随温度的升高而改变外,还和时间有关.蠕变现象:在高温和恒定载荷作用下,金属材料会产生随时间而开展的塑性变形,这种现象称蠕变Creep现象。蠕变温度:碳素钢超过420?低合金钢400500?危害:使材料产生蠕变脆化,应力松驰,蠕变变形和蠕变断裂。a.蠕变曲型的蠕变曲线可分为三个阶段。减速蠕变〔ab〕:蠕变的不稳定阶段,蠕变的随时间形。在这阶段蠕变速率不断增加,直至断裂同一材料在不同应力,不同温度下蠕b.蠕变极限,持久强度在高温下长期服役的压力容器的材料性能指标采用蠕变极限和持持久强度也是反映材料高温性能的重要指标,主要考虑材料在高温长期作用下的破坏抗力。在给定温度下,一定时间后产生蠕变断裂的应而逐渐增加的塑性变形将逐步取代原来的弹性变形从而使零件内的应力逐渐降低,这种组织和力学性能一般都相对稳定,不随时间而变化。但在高温下,金相组织和力学性能发生变化,材料性能劣化除蠕变脆化外a.珠光体球化pearlitespheroidising压力容器的碳素钢和低合金钢,常温下组织为铁素体珠光体,其片状珠光体在温度较高时,逐渐转变成球状,再积聚成球团,使材料的屈服点抗拉强度,冲击韧性,蠕变极限,持久极限下降,这种现象称为珠光体球化。修复:加热,保温,再冷却b.石墨化graphite钢材在高温,应力长期作用下,珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象。危害:相当于金属内形成空穴,使金属发生脆化,强度和塑性降低,冲击韧性下降很多。防止:在钢中ngbrittlement12CrlMoV等铬钼钢,长期在325-575?下使用,或者在此温度范围缓慢冷却,使韧脆转变温度升高,embrittlement?氢腐蚀:高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反响,也称氢蚀。生成的甲烷不能扩散出去,聚集在晶界上形成压力很高的气泡,气泡扩大和相互连接从而在晶界上形成裂纹。条件:碳素钢在200?以上的高压氢环境中W形式渗入到钢中被钢的基体所溶解吸收,当容器冷却后,氢的溶解度降低,形成分子氢脱溶(Cr,MoMn)使材料高温强度下降7高温:高于蠕变起始温度蠕变温gt钢gt600?高温反响炉炉管,外表温度达1000?压力化?渗碳:耐热钢长期在高温下使用,铬的氧化膜逐步长大,由于膨胀系数与基体合金差异大,随着温度波动,产生裂纹,基体中贫络,氧化膜再生固难,从而加速渗c。(2)sion可分为两大类a.电化学腐蚀金属在电解质中,由于各部位电位不同,形成微电池,在电子交换过程中产生电流,作为负级的金属被逐渐溶解的一种腐蚀。如碳素钢在水或潮湿环境中的腐蚀。b.化学腐蚀金属在介质中直接发生化学反响的腐蚀按腐蚀的形成,也可分为两大类a.全面腐蚀与腐蚀介质直接接触的全部或大局部金属外表发生比蚀集中在金属外表局部区域的腐蚀常见形式有?晶间腐蚀intergranularcorrosion腐蚀沿晶粒边界和邻近区域产生和开展,而晶粒本身腐蚀很轻微。危害很大,不易被发不锈钢中参加稳定化之素(Ti,V)或采用超低C不锈钢(OOCr18Ni9)?小孔腐蚀(孔蚀,点蚀)pitting在金属外表产生针状,点状,小孔状局部腐蚀。产生:卤素离子,氯化物,crevicecorrosion缝隙中积存静止介质或沉淀物引起的腐蚀。防止:防止或减少缝隙形StressCorrosion在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下,导致材料开裂或早期破坏断裂前往往无明显塑性变形,危险性很大特点?拉应力大于临界值?特定合金和介质的组合如:氯化物溶液中,面心立方晶体face-centeredcubic的奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀,而体心立方晶体body-centeredcubic的铁素体不锈钢不容易发生。常见的应力腐蚀防止:合理选择材料,H2S采用抗H2S的钢,如12Cr2MoAlV减少或消除剩余应力,焊后消除应力热处理。改善介质条件,减少有害离子成分,添加缓性剂(吸附率(Pa/s)或应变速率(S-1)表示。应变速率在104,10-1S-1的范围材料力学性能无明显变化,应变速率在10-4S-1以上,有显著影响。原因:加载速度较高,材料无充分时间产生滑移变形,使材料继续处于一种弹性状态,使s随之增大而塑
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