化工设备材料及其选择材料的性能

化工设备材料及其选择材料的性能化工设备材料及其选择材料的性能 一 问题的提出 二 课程内容 一 问题的提出 二 课程内容 一 设备是工艺的基础 二 材料是设备的基础基 础 材料材料的性能碳钢特殊性能钢合金钢常用三类钢第二章化工设备 材料及其选择教学重点 1 材料的力学性能 2 化工设备材料的选择 教学难点材料的性能 第一节概述 一 化工设备选材的重要性和复杂性1 操作条件的限制2 制造条件 的限制操作条件的限制2 制造条件的限制3 材料自身性能的限制 二 选材要遵循适用 安全和经济的原则 第二节材料的性能 一 力学性能材料在外力 或外加能量 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许的变形或不 被破坏的能力 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 不产生超过允许的变形或不被破坏的能力 塑性塑性强度强度硬度硬度韧性韧性金属材料承受载荷作用 当载 荷不再增加或缓慢 1 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 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 屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b当载荷不再增加或缓慢增加时 仍 继续发生明显的塑性变形 这种现象就称为屈服 增加时 仍继续发生明显的塑性变形 这种现象就称为屈服 持久强度 D蠕变强度 n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20号钢的拉抻 试验l0 10d0l0 5d0或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 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 开始出现塑性变形时的应力 称为 屈服点 开始出现塑性变形时 的应力 称为 屈服点 s b 1 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 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 屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b金属在拉伸条件下 从开始加载到 发生断裂所能承受的最金属在拉伸条件下 从开始加载到发生断裂 所能承受的最持久强度 D蠕变强度 n疲劳极限 n大应力值 叫作 抗拉强度 大应力值 叫作抗拉强度 1 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 1 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 屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b材料在高温下 在一定的应力下 抵持久强度 D蠕变强度 n疲劳极限 n一定的应力下 抵抗发生缓 慢塑性变形的能力 抗发生缓慢塑性变形的能力 蠕变 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 抵抗发生断裂的能力 材料在高温下 抵抗发生断裂的能力 1 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 1 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 屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b持久强度 D蠕变强度 n疲劳极限 n材料在交变载荷作用下 会在远低于材料本身的屈服点时就已经 断裂了 这作用下 会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了 这种现象就是疲劳 我们把 1 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 1 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 屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b种现象就是疲劳 我们把 经过106 108次循环试验而不发生断裂的最大应力次循环试 验而不发生断裂的最大应力 作为疲劳强度 持久强度 D蠕变强度 n疲劳极限 n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 泵轴受力成交变式 2 塑性金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 主要有两个塑性指标伸长率 断面收缩率 伸长率 断面收缩率 100 100000 ll lllKK 100 100000 FF FFFKK 3 冷弯性能室温下对试板以一定的内半径 R 0 5 3板厚 进行 弯曲 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 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需要具备这个性质压力容器及其零件都需要具 备这个性质 3 韧性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 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 静载承受静载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性承受动载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性冲击功A K GH1 GH2 而冲击韧度 K A K F F为面积 图1 1冲击试样的安放1 摆锤2 试样3 机座图机座图1 2冲击试验原理1 摆锤2 试样问题判断正误并说出理由韧性高的材料 塑性好 塑性较高的 材料 韧性也好 韧性高的材料 塑性好 塑性较高的材料 韧性也好 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 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 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 荷下不一定能迅速塑性变形 2 缺口敏感性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 缺口敏感性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 图1 3冲击试验的标准试样 4 硬度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弹性变形 塑性变形或破 断的能力 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 布氏硬度HB 一般在HB450以上就不能使用以上就不能使用 洛氏 硬度HR 可以用于硬度很高的材料可以用于硬度很高的材料 维氏 硬度HV 比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度比洛氏硬度更适合 于测定极薄试样的硬度 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 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 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 但使用时要考虑温度的变化 T小结s Ts 二 化学性能 1 耐腐蚀性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 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 2 抗氧化性 在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 还有其他气体介质如水 蒸气 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 CO 2 SO2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 的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的 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 其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的 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 三 物理性能相对密度 熔点 热膨胀性 导热性 导电性 磁性 弹性模数与泊桑比等 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 tll 1 1 线膨胀系数 2 弹性模量E材料在弹性范围内 应力和应变成正比 即 E 这个比例系数 这个比例系数E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 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 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 对同一种材料 弹性模数E随温度的升高而随温度的升高而 2 泊桑比泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之 比单位横向收缩与单位纵向伸长之比 以 表示 对于各种钢材它近乎为一个常数 即表示 对于各种钢材它近乎为一个常数 即 0 3 b1b b1l l其中bb bbb 1 ll lll 1 金属和合金