化工设备材料及其选择.docx

第一章 化工设备材料及其选择 第一节 概述 一、化工设备选材的重要性和复杂性 压力 ( 从高真空到上百 MPa，故有强度要求，用例子解释真空、高压 ) 温度 (-250 ℃ ~2000℃，材料受冷、热，热胀冷缩，材料的物理性能的变化 ) 1、 操作条件的限制 介质 [ 酸碱等（腐蚀） 、核反应堆中子照射（变脆 ) ，有毒，易燃易爆等 ] 2、 制造条件的限制 设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理 等，要求材料的加工性能要好 。 3、 材料自身性能的限制（如材料本身制造过程中的缺陷等） 二、选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则 。 材料品种应符合我国资源和市场情况； 材质（纯粹是指材质本身的质量，如有无裂纹等）可靠，能保证使用寿命； 要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；（最重要） 便于制造加工，焊接性能良好； 成本低。 第二节 材料的性能 一、力学性能（也称机械性能） 材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力， 叫做材料的力学性能。 主要包括 强度、塑性、韧性和硬度，这是设计时选用材料的重要依据。 1、强度 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的强度指标有屈 服点和抗拉强度等。 （这里先简单复习材料力学的知识，重点让学生回忆做材料单向拉伸实验的情况） [实例 1]常温拉应力下 20 号钢的拉抻试验（有明显塑性变形） [ 实例 2] 高碳钢 T10A 的拉伸试验（无明显塑性变形） (1) 屈服强度（屈服点） （ s ） 1 金属材料承受载荷作用， 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，习惯上称为 “屈服 ”。发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性变形时的应力，称 为“屈服点 ”，用 s (MPa) 表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。 条件屈服点（ 0. 2 ）工程中规定发生 0.2％残余伸长时的应力，作为 “条件屈服点 ” (2) 抗拉强度（ b ） 金属材料在受力过程中，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。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压 力容器设计常用的性能指标， (3) 蠕变极限（ n ） 高温 （比如：碳素钢＞ 420℃，合金钢＞ 450℃）在一定应力联合作用下金属将逐渐产生塑性变形。 (4）持久强度 σD (5) 疲劳强度（ 1 ）：（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，作 为疲劳强度，用 1 表示。 2．塑性（可用橡皮举例） 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的指标有延伸率 和断面收缩率 。 注意： 是指试件受拉力断裂后，总伸长长度与原始长度之比的百分率，其大小与试件尺 寸有关；举例力学做的实验；试件长度为直径的 5 倍或 10 倍。（试件计算长度为试件直径 5 倍时，用 5 表示） 试件断裂后断面缩小的面积与原始截面积之比的百分率，其大小与试件尺寸无关。 3、韧性 (韧性是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。我们常用冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力，用缺口敏感性表示材料承 受静载荷时抗裂纹扩展的能力。 ) 2 （ 1）冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用冲击吸收功 A K 或冲 击韧度表示 α 表示。 K 冲击功 A K =GH 1-GH 2，而冲击韧度 αK= A K /F（ F 为面积） 图 1-1 冲击试验的标准试件 2）断裂机理： 冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，它的断裂过程是一个裂纹发生和扩展的过 程。在裂纹向前发展的道路中，如果塑性变形能发生在它的前面，就可以制止裂纹的长驱直 入。它要继续发展，就需另找途径，这样．就能消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低， 决定于材料有无迅速塑性变形的能力。 3）韧性与塑性： 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； 提问：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。 （ 2）缺口敏感性 （也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的缺口敏感性。 ） 4、 硬度 衡量材料软硬的一个指标 （一般用布氏硬度 -----HB ，较软；洛氏硬度 -----HRC 较硬；维氏硬度 ----HV ，另有显微 硬度）最硬的材料是金刚石。 3 总之