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1、第二篇 压力容器,第六章 压力容器与化工设备常用材料 第七章 压力容器中应力分析与计算 第八章 内压容器设计 第九章 外压容器的稳定性计算 第十、十一章 容器附件 第十二章 压力容器的开孔和补强 第十三章 容器支座,2020/9/22,2,第六章 化工设备材料,第一节 概 述 根据物料与适宜工作条件选材 物料腐蚀性：铸铁抗硫化氢 压力与温度 蠕变、氢腐蚀、低温脆性等,2020/9/22,3,材料的性能： 力学性能、物理性能、化学性能和机加工性能,一、力学性能决定许用应力 强度、硬度、弹性、塑性、韧性等,2020/9/22,4,1、强度：是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力,按所抵抗外作用形
2、式分为： 抵抗恒定外力静强度 抵抗冲击外力冲击强度 抵抗交变外力疲劳强度,按环境温度分为： 常温下抵抗外力常温强度 高温下抵抗外力高温强度 低温下抵抗外力低温强度,2020/9/22,5,常温强度指标： 屈服强度和抗拉(压)强度 屈强比适当 蠕变极限n 疲劳极限r , r= min/ max ,应力循环系数或应力比，如-1,以106-107次不被破坏的应力 （r循环特性）,补充:静应力与变应力 稳定变应力周期、应力幅和平均应力都不随时间变化的变应力,2020/9/22,7,2、硬度,局部抵抗能力 弹性、强度与塑性的综合性能指标 硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV
3、) 低碳钢 b=0.36 HB 高碳钢 b=0.34 HB 灰铸铁 b=0.1 HB,2020/9/22,8,3、塑性,延伸率 ,断面收缩率 ,化工设备材料一般要求5=10%-20%,2020/9/22,9,4、冲击韧性,冲击韧度k，使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积 低温容器所用钢板k值不得低于30J/cm2,2020/9/22,10,二、物理性能,密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。,(1) 密度 单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的零件，均采用密度小的铝合金制造。 (2) 熔点 熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属材
4、料可以用来制造耐高温零件。 (3) 导热性 金属传导热量的能力称为导热性。一般说，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金属。,(4) 导电性 金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件。 (5) 热膨胀性 金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 (6) 磁性 金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料)铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测
5、量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。,2020/9/22,13,2020/9/22,14,三、化学性能,1、耐腐蚀性 金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力 2、抗氧化性 高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度 选耐热材料,2020/9/22,15,2020/9/22,16,四、加工工艺性能,1、可铸性：收缩与偏析 2、可锻性 3、焊接性 4、可切削加工性,2020/9/22,17,第二节 碳钢与铸铁,“铁碳合金”由95以上铁和0.054碳及1左右杂质元素所组成合金 一般含C量（质量分数）0.022称为钢； 大于2称为铸铁； 当含C量小于0.02时称纯铁(工业纯铁)； 含C量
6、大于4.3的铸铁极脆,2020/9/22,18,一、铁碳合金的组织结构,1、金属的组织与结构 在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织,2020/9/22,19,电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构 不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格,体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,2020/9/22,20,铸铁中的C以石墨形式存在，有不同的组织形貌。,球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,2020/9/22,21,2、纯铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方晶格的铁称为g-Fe。 a-Fe加热可变为g-Fe，反之高温
7、下的g-Fe冷却可变为a-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。 纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程是钢进行热处理的依据。,2020/9/22,22,3、碳钢的基本组织,C在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。 固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式。 三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,2020/9/22,23,组元：纯铁、 Fe3C,基本组织： 单相组织： F、A、 Fe3C 莱氏体Ld：（A Fe3C ）在共晶点上得到，塑性韧性很差，是硬而脆的组织 珠光体P：（ F Fe3C
8、）在共析点上得到，具有良好的力学性能,2020/9/22,24,（1）铁素体（ferrite）,C溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006），强度、硬度低，塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。,2020/9/22,25,（2）奥氏体（Austenite）,C溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大，C的溶解度比a-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。,2020/9/22
9、,26,（3）渗碳体（Cementite）,碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。 熔点约1600，硬度高，塑性几乎等于零。 铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含C量大于2时，部分C以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。,2020/9/22,27,（4）珠光体（Pearite）,铁素体与渗碳体的机械混合物 (FFe3C )用符号P表示 。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合了铁素体和渗碳体优点，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。其组织为层片状结构，其综合力学性能好。,2020/9
10、/22,28,（5）莱氏体（Ledeburite）,莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬度很高，塑性极差，几乎为零 。是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。,2020/9/22,29,（6）马氏体（白色）,钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,2020/9/22,30,二、铁碳合金状态图,2020/9/22,31,钢在加热时形成单一的奥氏体组织。,按组织不同： 含C量0.77%过共析钢 含C量=0.77%共析钢,
11、2020/9/22,32,所有生铁组织中都有莱氏体，多数碳以石墨状存在，用作铸件的生铁称为铸铁。,2020/9/22,33,三、钢的热处理,钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。,1、退火和正火 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,退火的功能是：退火可消除冷作硬化，恢复材料的良好塑性；细化铸焊工件的粗大晶粒，改善工件的机械性能；消除残余应力，防止工件变形；可使高碳钢中的网状渗碳体球化，降低材料硬度，提高塑性，便于切削加工。,（1）退火：是将工件加热至某一温度（临界点以上），保温一段时间，然后随炉或埋入沙中缓慢冷却下来，以得到接近
12、平衡状态组织的一种热处理方法。,（2）正火：正火与退火的不同之处是在空气中冷却，冷却速度较快。经过正火处理的工件较退火处理硬度和强度要高。,正火和退火主要有四个区别：(1)正火的温度较高,退火的温度较低. (2)正火的冷却速度比退火的冷却速度快. (3)使用效果不同，在渗碳处理以后，正火能消除网状渗碳体，退火则不能.对含碳量在0.25%以下的， 正火后可提高硬度，改善切削加工性能，退火却做不到。 (4)正火的周期短，操作方便；退火的周期长，操作较麻烦(指需要控制一定的冷却速度)。,2020/9/22,36,2、淬火和回火,加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却
13、。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂：空气、油、水、盐水，冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。,2020/9/22,37,回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。 在150250范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。,2020/9/22,38,中温回火温度是300450。 有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。 综合性能：强度、韧性、塑性等都较好 淬火
14、加高温回火习惯上称为“调质处理”。 用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,2020/9/22,39,时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。,2020/9/22,40,3、表面淬火,使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。,2020/9/22,41,4、化学热处理,渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐
15、磨和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。,2020/9/22,42,第三节 碳素钢,一、常存杂质元素对钢材性能的影响 硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等 1 硫 有害元素。FeS和 Fe形成低熔点(985)化合物。钢材热加工11501200，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。 高级优质钢：S0.02%0.03%； 优质钢：S0.03%0.045%； 普通钢：S0.055%0.7%以下。,2020/9/22,43,2 磷,有害元素。虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏， 高级优质钢： P0.025%； 优质钢： P0.04%
16、； 普通钢： P0.085%。,2020/9/22,44,3 锰,脱氧剂。有益元素。 MnS(1600)，部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。 在0.5%0.8%以下时，看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；高锰结构钢可达0.7%1.2%。,2020/9/22,45,4 硅,脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。,2020/9/22,46,5 氧,有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧
