化工设备材料及其选择培训课件(共126页).ppt

第1章 化工设备材料及其选择1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17教学内容、化工设备概述、材料的性能、金属材料的分类与牌号、碳钢与铸铁、低合金钢、化工设备防腐及防腐措施、化工设备选材的原则、有色金属材料与非金属、非金属材料1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17按压力分类:1. 设备的分类内压压容器低压压容器中压压容器(M) 1.6 P10MPa高压压容器(H) 10 P100MPa超高压压容器(U) P 100MPa外压压容器容器1.1 概 述32021/11/17按温度分类:容器高温容器：高温容器指在壁温达到材料蠕变变温度下工作的容器对对碳素钢钢或低合金钢钢容器，温度超过过420，合金钢钢超过过450，奥氏体不锈钢锈钢 超过过550常温容器：-20 200 中温容器：温度介于高温与常温之间间的容器低温容器浅冷容器： - 40 t - 20 深冷容器： t - 40 1.1 概 述42021/11/17u有足够的力学性能u具有良好的加工性能u具有良好的耐腐蚀性能u经济合算u其它各种性能符合设计要求2. 设备选设备选 材的基本要求1.1 概 述52021/11/17第一章 化工设备材料及其选择化工设备机械基础61.2 材料的性能1.2.1 力学性能在外力作用下不产产生超过过允许许的变变形或不被破坏的能力62021/11/17第一章 化工设备材料及其选择化工设备机械基础7脆性断裂韧韧性断裂1.2 材料的性能72021/11/17应应力（ ）单单位面积积上所承受的力按照载载荷（Load）作用的形式不同，应应力又可以分为为拉伸压缩应压缩应 力、弯曲应应力和扭转应转应 力。

当材料在外力作用下不能产产生位移时时，它的几何形状和尺寸将发发生变变化，这这种形变变称为为应变应变 1.2 材料的性能82021/11/17第一章 化工设备材料及其选择化工设备机械基础91. 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例如： 容器爆裂； 管道破裂; 地脚螺栓拉断; 炉管爆裂；. 强度不够！1.2 材料的性能92021/11/17 材料的应力应变曲线 弹性形变阶段 塑性形变阶段 屈服点（s）：材料发发生屈服时时的应应力（ MPa ）屈服强度（Rel） 完全断裂 脆性断裂 韧性断裂 n屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形1.2 材料的性能（1）屈服强度（Rel）试样试样 的原始横截面积积（m2）试试件继续继续 伸长长的最小载载荷（N）102021/11/17一些合金没有明显显的屈服点，规规定发发生0.2%残余变变形时时的应应力，作为为“条件屈服点”名义义屈服强度R（MPa）1.2 材料的性能试样试样 的原始横截面积积（m2）产产生0.2%残余伸长长的载载荷（N）112021/11/17影响屈服点大小的因素v内在因素v外在因素 结合键 组织结构 原子本性 温度：温度升高，屈服点下降 应变速率：应变速率升高，屈服点升高 应力状态1.2 材料的性能122021/11/1713（2）抗拉强度(Rm)n金属材料在受力过过程中，发发生断裂所达到的最大应应力值值，MPa。

（抗拉、抗压、抗弯、抗剪切） 是压压力容器设计设计 常用的性能指标标1.2 材料的性能n屈强比：Rel / Rm拉断前试试件承受的最大载载荷（N）1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17n屈强比越大，屈服点与抗拉强度愈接近，塑性储备越小，这时有可能发生脆性断裂；这类材料如木棒n屈强比越小，屈服点愈小于抗拉强度，这时塑性储备愈大，但材料的强度往往得不到充分的发挥；这类材料如竹条 因此，在工程上希望所选用的材料具有合适的屈强比1.2 材料的性能142021/11/1715（3） 蠕变变极限（Rnt）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 1.2 材料的性能“蠕变变”现现象：在高温时时，在一定的应应力下，应变应变 随时时间间而增加的现现象，或金属在高温和存在内应应力情况下逐渐产渐产 生塑性变变形的现现象蠕变变极限Rnt （MPa）： 材料在高温下，抵抗发发生缓缓慢塑性变变形的能力1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/1716（4）持久强度（RDt ）在给定温度下，促使材料经过一定时间发生断裂的应力1.2 材料的性能材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。

规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/1717（5）疲劳劳强度（R-1）n疲劳构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂的现象1.2 材料的性能影响因素：合金成分、表面状态、组织结构、夹杂物的多少与分布状况、应力集中情况n “疲劳极限” （MPa）构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力n如： 频频繁开、停车车容器内压压力或温度波动动； 活塞式压缩压缩 机压缩压缩 气体容器及管道内压压力波动动； 离心泵频泵频 繁开停机或震动动泵轴泵轴 受力成交变变式 1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力2、塑性1.2 材料的性能锻件裂纹; 卷板裂纹; 焊缝热影响区裂纹182021/11/17n试样受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率(1)断后伸长率（A） 断后伸长率愈大，材料的塑性愈好； 试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故A与试样尺寸有关1.2 材料的性能Lu-室温下将断后的两部分试样紧密地对接在一起，保证两部分的轴线位于同一条直线上，测量试样断裂后的标距，mmL0-室温下施力前的试样标距Lu-L0-试样断后标距的残余伸长，即断后试件的绝对伸长，mm192021/11/17n试样受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率（2）断面收缩缩率（Z） 断面收缩率愈大，塑性愈好； 由于断面收缩率与材料尺寸无关，故它能更加可靠地反映出材料塑性的变化。

Su-试样断裂后的最小横截面积，mm2S0-试样的原始横截面积，mm2如：纯铁纯铁 的延伸率为为50%， 20R的Z5不小于25% ； 16MnR的Z5不小于21%； 1Cr18Ni9Ti的Z5不小于40%1.2 材料的性能202021/11/1721（3）冷弯性能-是钢钢材塑性指标标和冶金质质量的综综合指标标 室温下对试板以一定的内半径（3板厚）进行弯曲，是否出现裂纹或起层在试样被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前,金属材料的变形越大,塑性越好.1.2 材料的性能1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/1722塑性指标的实际意义：n便于成型加工和焊接如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n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1.2 材料的性能1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17233、硬度n金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力 n硬度高材料强度也高，耐磨性较好； 综合性能指标1.2 材料的性能 常用硬度指标标： 布氏硬度（HBW 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC) 维维氏硬度（HV)等232021/11/17布氏硬度HBW （始于1900年，历史悠久）n由于测量压痕深度t困难，因此一般测压痕直径d。

F载载荷，ND硬质质合金球直径，mmA压压痕表面积积，mm2d压压痕直径，mm1.2 材料的性能242021/11/17n优点布氏硬度的特点 因为其压痕面积大，能反映材料的综合性能指标，因而代表性全面； 试验数据稳定； 比较准确，用途很广； 试验数据可以从小达到统一起来（用大球与小球测得的数据具有可比性） 缺点 钢球本身变形问题； 因压痕大，可能使薄件材料受到破坏，因此不宜用于薄件试验1.2 材料的性能252021/11/17压头分为两种：洛氏硬度HR （始于1919年）硬质压头：顶角为120o的金刚石圆锥体，适用于钢材；软质压头：直径为、的钢球，适用于有色金属优优点： 不存在压头变形问题（两种压头适用于不同的材料）； 压痕小，不伤工件表面； 操作迅速，效率高缺点：不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来1.2 材料的性能262021/11/17)原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四方角锥体，由金刚石制成；维氏硬度HV （始于1925年）)优点： 因为为四方角锥压头锥压头 ，当负负荷改变时变时 ，压压入角不变变，因此负负荷可以任意选择选择 （最大优优点）； 通过维过维 氏硬度试验试验 得到的硬度值值和通过过布氏硬度试验试验 得到的硬度值值完全相等； 试验试验 数据可以从小到大统统一起来； 精度极高。

)缺点：效率较低1.2 材料的性能272021/11/17284、冲击击功（KV2） 材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力1.2 材料的性能282021/11/1729n摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）： KV2 =G(H1-H2) 焦耳！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力 冲击韧性值的试验确定292021/11/17n冲击韧度301.2 材料的性能(J/cm2)冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功302021/11/17缺口形状n试样的缺口应背向摆锤刀口；n缺口形状：梅氏、夏氏； 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的及时和迅速塑性变形的能力； 韧性高，塑性较好；但塑性好，韧性不一定高 静载荷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1.2 材料的性能312021/11/17325、缺口敏感性在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 韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展的性能 冲击韧性？是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力1.2 材料的性能1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17331.2.2 物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊松比等。

1.2 材料的性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏； 复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？ 设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？ 固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？ 碳钢表面电镀一层铜升温后会？mm/（mm ）试试件伸长长量 mm试试件原始长长度 mm温度差 1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17342.弹弹性模量E与泊松比弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的随着温度升高而降低)1.2 材料的性能泊松比：拉伸试试件的单单位横向收缩缩与单单位纵纵向伸长长之比 各种钢钢材近乎为为 1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17351.2.3 化学性能金属材料所处处介质质中的化学稳稳定性，即是否会与介质发质发 生化学或电电化学反应应，产产生腐蚀蚀主要考虑虑的化学性能：1.耐腐蚀蚀性对对介质质侵蚀蚀的抵抗能力；2.抗氧化性在热热加工的高温条件下抵抗氧化性介质质氧化的能力氧化性介质质如水蒸气、CO2 、SO2等 热热加工如热热卷，锻锻造，焊焊接，热处热处 理，热热冲压压，铸铸造等等。

1.2 材料的性能P11 表1-51.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17361.2.4.加工工艺艺性能n指在保证加工质量的前提下，加工过程的难易程度.n可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；n铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能n热处理性能1.2 材料的性能1.4.3 碳钢钢中元素对对其性能的影响2021/11/17 1.3 金属材料的分类类及牌号1.3.1 分。