第二节 压力容器常用材料与安全性能

1、第二节第二节 压力容器常用钢材基础知识压力容器常用钢材基础知识压力容器用钢的主要力学性能压力容器用钢的主要力学性能由钢板制成的金属储罐由钢材制成的金属管力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的特性。一、强度一、强度 所谓强度是指金属材料在所谓强度是指金属材料在静载荷静载荷作用下，材料抵抗变作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，形和断裂的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。一般情况下多以如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。一般情况下多以抗抗拉强度拉强度作为判别金属强度高低的招标

2、。作为判别金属强度高低的招标。 1、拉伸试样：标准试样、拉伸试样：标准试样d0 是试样的直径是试样的直径 l0是标距长度是标距长度长试样长试样l0=10d0短试样短试样l0=5d0 力力伸长曲线（拉伸图）：拉伸试验中记录拉伸力与伸伸长曲线（拉伸图）：拉伸试验中记录拉伸力与伸长的关系曲线。长的关系曲线。 低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线变形阶段：变形阶段： oeoe弹性变形阶段；弹性变形阶段；eses弹性变形弹性变形+塑性变形；塑性变形；sb塑性变形阶段；塑性变形阶段；bd缩颈阶段；缩颈阶段；d试样断裂试样断裂1-12 2、强度指标、强度指标：用应力值表示：用应力值表示 应力应力单位截面

3、积上的内力。符号单位截面积上的内力。符号 公式：公式：=F/S =F/S 屈服强度极限（屈服强度极限（ss）：指钢材在开始塑性变形）：指钢材在开始塑性变形时单位面积上所承受的拉力，表示钢材抵抗塑性时单位面积上所承受的拉力，表示钢材抵抗塑性变形的能力。变形的能力。 机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。能指标。（2 2）抗拉强度极限（）抗拉强度极限（b b ） 指材料在拉断之前

4、单位面积上所能承受的最大指材料在拉断之前单位面积上所能承受的最大拉力，是材料承受能力的极限。表示钢材抵抗断拉力，是材料承受能力的极限。表示钢材抵抗断裂的能力。裂的能力。 屈服强度与抗拉强度的比值屈服强度与抗拉强度的比值S/bS/b称为称为屈强比屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。二、塑性二、塑性 材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被材料在外力作用下，产生永久残余变形

5、而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的拉伸实验测得的. .工程上常用延伸率和断面收缩率工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。作为材料的塑性指标。1 1、 延伸率延伸率 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号表示，即表示，即 式中：式中：L0 L0 试样原始标距长度；试样原始标距长度； L1 L1 试样拉断后的标距长度。试样拉断后的标距长度。2、 断面收缩率断面收缩率 试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号收缩率，用符号

6、表示，即表示，即 压力容器在制造过程中要经受弯卷、冲压等成压力容器在制造过程中要经受弯卷、冲压等成型加工，要求钢材具有良好的塑性，以防止压力型加工，要求钢材具有良好的塑性，以防止压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。 材料的材料的和和值越大，塑性越好。两者相比，值越大，塑性越好。两者相比，用用表示塑性更接近材料的真实应变。表示塑性更接近材料的真实应变。 三、韧性三、韧性1 1、韧性：金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力。、韧性：金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力。2 2、冲击载荷：加载速度很快而作用时间很短的突发、冲击载荷：加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷

7、性载荷3 3、冲击实验、冲击实验 试验原理试验原理 标准冲击试样：两种，一种是常用的梅氏试样标准冲击试样：两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为（试样缺口为U U型）；另一种是夏氏试样（试样缺型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为口为V V型）。夏氏试样必须注明型）。夏氏试样必须注明aKaK（夏）。（夏）。冲击试样（3 3）冲击功：摆锤冲断试样所消耗的功）冲击功：摆锤冲断试样所消耗的功 A Ak k=mg(h1-h2)=mg(h1-h2)（4 4）冲击韧度值：）冲击韧度值：A Ak k除以试样缺口处横截面积除以试样缺口处横截面积F F k k=A=Akvkv/F /F 单位：焦耳单位：焦耳/ /厘

8、米厘米 （J/cmJ/cm）k k值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显塑性变值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显塑性变形，金属光泽，呈结晶状。形，金属光泽，呈结晶状。k k值高的材料叫做韧性材料值高的材料叫做韧性材料 ，断裂时发生明显塑，断裂时发生明显塑性变形，断口呈灰色纤维状，无光泽。性变形，断口呈灰色纤维状，无光泽。一般来说，强度、塑性两者均好的材料一般来说，强度、塑性两者均好的材料, ,k k值也高值也高k k一般只作设计和选材的参考。一般只作设计和选材的参考。四、硬度四、硬度 硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的的能力。

9、通常材料的强度越高，硬度也越高强度越高，硬度也越高。硬度。硬度测试应用得最广的是测试应用得最广的是压入法压入法，即在一定载荷作用下，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标有常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等等。1

10、、布氏硬度、布氏硬度HB 布氏硬度是用一定载荷布氏硬度是用一定载荷P，将直径为，将直径为D 的的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积根据压痕面积S确定硬度大小。其确定硬度大小。其单位面积单位面积所受载荷称为布氏硬度。所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度试验原理图 布氏硬度计 计算公式计算公式 布氏硬度值布氏硬度值=F/S=2F/=F/S=2F/D D（D-D-（D D2 2-d-d2 2）1/21/2）布氏硬度的符号布氏硬度的符号 压头为淬火钢球，测试硬度值在压头为淬火钢球，测

11、试硬度值在450450以下材料：以下材料： HBSHBS 压头为硬质合金球，测试硬度值在压头为硬质合金球，测试硬度值在450450650650的材料：的材料：HBWHBW表示表示：硬度值：硬度值符号符号压球直径压球直径载荷载荷载荷保持时间载荷保持时间 如：如： 150 HBS10/10000/30150 HBS10/10000/30 500 HBW5/7500 500 HBW5/7500 应用应用 由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。不能测试太硬的材料。 材料的材料的b与与HB之间，有以下近似经验关系：之间，有以下近似经验关系：对

12、于低碳钢：对于低碳钢：b0.36HB；对于高碳钢：对于高碳钢：b0.34HB；对于灰铸铁：对于灰铸铁：b0.10HB。 二、洛氏硬度HR 洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。 计算公式：洛氏硬度值=c-h/0.002 应用：材料硬度较高或试样过小时。 HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小压痕小，硬度值可直接从表盘上读出直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的

13、应用。洛氏硬度测量原理图 洛氏硬度计 三、维氏硬度HV 维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四棱锥体，所加负荷较小（5120kgf）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。 三种硬度值之间的换算表1-3 近似关系： 1、HRC 1/10HBSHRC 1/10HBS（W W） 硬度值在200600 HBS（W） 2、HBS HV HBS HV 硬度值在小于450 HBS（W）压力容器用钢的主要元素组成压力容器用钢的主要元素组成及分类方法与牌号及分类方法与牌号一、钢的元素

14、组成一、钢的元素组成 钢是含碳量在钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。等。 碳钢：以铁为基本成分，含有少量碳元素的铁碳钢：以铁为基本成分，含有少量碳元素的铁碳合金。实际上，碳钢中还含有极少量的锰和硅，碳合金。实际上，碳钢中还含有极少量的锰和硅，锰含量一般小于锰含量一般小于1%，硅含量都在，硅含量都在0.5%以下。以下。 合金钢：合金钢： 钢里除铁、碳外，加入其他的元素，钢里除铁、碳外，加入其他的

15、元素，就叫合金钢。就叫合金钢。1、压力容器用钢中所包含的元素按作用可分为：、压力容器用钢中所包含的元素按作用可分为：基本元素基本元素 铁、碳铁、碳残留元素残留元素 硫、磷、锰、硅、氧、氢等硫、磷、锰、硅、氧、氢等添加元素添加元素 锰、钼、钒、镍、铬、硼等锰、钼、钒、镍、铬、硼等各添加元素的作用 Add your title in here碳碳(C):含碳量增加含碳量增加,钢的可焊性下降钢的可焊性下降 所以耐热钢中一般要控制在所以耐热钢中一般要控制在0.20%以下以下 锰锰(Mn):是一种良好的脱氧剂、脱硫剂是一种良好的脱氧剂、脱硫剂增加含锰量可以提高钢的耐磨性增加含锰量可以提高钢的耐磨性.硅硅

16、(Si)：是强脱氧剂，若含量超过：是强脱氧剂，若含量超过2%时时会使钢的塑性和韧性降低。会使钢的塑性和韧性降低。 Add your title in here铬铬(Cr)：能提高钢的硬度、耐蚀性：能提高钢的硬度、耐蚀性 和抗氧化性。含铬量增加，可焊性变差和抗氧化性。含铬量增加，可焊性变差 钼钼(Mo)(Mo)：可提高钢的再结晶温度，：可提高钢的再结晶温度，强度和硬度。强度和硬度。镍镍(Ni)(Ni)：可提高耐蚀性能，提钢的：可提高耐蚀性能，提钢的高温强度和持久强度，提高钢的塑性。高温强度和持久强度，提高钢的塑性。 硫是钢中有害元素，导致钢的热脆性。硫是钢中有害元素，导致钢的热脆性。 磷也是钢中

17、有害元素，导致钢的冷脆性。磷也是钢中有害元素，导致钢的冷脆性。 压力容器用钢二、压力容器钢材的常见分类方法二、压力容器钢材的常见分类方法1、按化学成分分类、按化学成分分类钢材合金钢碳素钢中碳钢低碳钢高碳钢碳素钢:碳素钢碳素钢容器中合金钢低合金钢高合金钢合金钢合金钢合合金金钢钢压压力力容容器器合金钢合金钢输油管2、按金属品质分类、按金属品质分类 (1) 普通钢（普通钢（P0.045%，S0.050%） (2) 优质钢（优质钢（P、S均均0.035%） (3) 高级优质钢（高级优质钢（P0.035%，S0.030%） 纯洁度越来越高纯洁度越来越高优质钢普通钢高级优质钢3、按脱氧程度分类、按脱氧程度

18、分类沸腾钢沸腾钢半镇静钢半镇静钢镇静钢镇静钢三、钢的牌号三、钢的牌号1碳素结构钢碳素结构钢 由由Q+数字数字+质量等级符号质量等级符号+脱氧方法符号组成。脱氧方法符号组成。“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是点数值，单位是MPa 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：脱氧方法符号：F表示沸腾钢；表示沸腾钢；b表示半镇静钢：表示半镇静钢：Z表示镇静钢；镇静钢可不标符号，表示镇静钢；镇静钢可不标符号， Q 235 - AFQ屈服点字母屈服点字母235屈服点数值屈服点数值A质量等级质量等级F沸腾钢沸腾钢碳素结构钢碳素结构钢:2、