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1、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严压力（从高真空到上百MPa，故有强度要求，用例子解释真空、高压） 丿 温度 （-250T2000C，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J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。（1）材料品种应符合我国资源和市场情况；（2）材质（纯粹是指材质本身的
2、质量，如有无裂纹等）可靠，能保证使用寿命；（3）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）（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）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
3、（无明显塑性变形）（1）屈服强度（屈服点）（ s）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 （MPa）表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。s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 ）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：
4、碳素钢420C,合金钢450C）在一定应力联合作用下金属将逐渐产生塑性变形。 持久强度中疲劳强度（）：（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 106108 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
5、 倍时，用 表示）5 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。）（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a表示。冲击功Ak=GH厂gh2,而冲击韧度a= ak/f （F为面积）jE图1-1冲击试验的标准试件KJ2）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
6、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（般用布氏硬度HB较软；洛氏硬度HRC较硬；维氏
7、硬度一一HV另有显微 硬度）最硬的材料是金刚石。总之，在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。二、物理性能主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。1、线膨胀系数 特别对后续讲的换热设备等尤为重要，不同的钢材在不同的温度线膨胀系数不同。2、弹性模量EE ,这个比例系数E称为弹性模量，弹性模量是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，对不同材料，材料的弹性模数越大使它产生一定 量的弹性变形的应力也越大。对同一种材料，弹性模量E随温度的升高而降低。3、泊桑比泊桑比是拉伸试验
8、中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一 个常数，即 0.3还有如熔点，限制了材料的使用温度，又如导热性好，不适宜作焊接等。三、化学性能（主要指耐腐蚀性和抗氧化性）这部分应该是同学们的强项，比机械类的同学更有优势。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。2、抗氧化性：在现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温化工 设备等，它们在高温工作条件下，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，CO 2、SO 2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
9、响的。书上10 页表 1-3就介绍了几种常用金属材料在酸碱盐 类介质中的耐腐蚀性能。1-2几种材料在不同漏度和浓度的酸、碱和盐类介质中的囲腐烛性硝酸硫酸盐酸氢氧化钠硫酸钱确化氢尿素氨(%(C)(%CD(%)CC)(%)(C)(%)(D(%)()(%)(D(%)(D灰铸铁XX70-100100)20(70)XX（任(480)XXXX西硅磁Si-154040生沸70SO100120(35)30(31)(10Q)耐耐潮观100耐耐(25)碳钢XX70-100(SO100)20(70)XX冬35孑7010012U2G04K0X80200XX(70)18-B 型不锈钢50(6080)95沸4080100
10、10)95(30)60XXXXX-1020100气300钢XX60(80100)20(20)(27)55)50(.10)(40)XXXXXX75(96)50(20)；XX乂X（浓）110)干燥 气20气300钛各那53b104010耐耐注：此表中列出的材料耐腐蚀的一般数据，“各”舉示各种诙度.“沸”表示沸点，“饱”表示饱和浓度.带有）表示尚耐腐蚀，腐tit速度A 0. lmm/年Irnrn/年；不带气 严表示耐腐憧.腐烛速度为0. 1mm/年 以下，有符号“X”者表示不耐腐蚀或不宜用空口无数据=四、加工工艺性能 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对 于设
11、计压力容器最重要的两个性能是：1、良好的冷热加工性能例 A ：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。例 B ：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故。2、良好的焊接性能例：某工厂某容器焊缝裂纹扩展，造成事故。四、物理性能主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。1、线膨胀系数特别对后续讲的换热设备等尤为重要，不同的钢材在不同的温度线膨胀系数不同。2、弹性模量EE ,这个比例系数E称为弹性模量，弹性模量是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，材料的弹性模数越大使它产生一定量的弹性变形的 应力也越大。对同一种材料
12、，弹性模量E随温度的升高而降低。3、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。对于各种钢材它近乎为一个常数，即 0.3还有如熔点，限制了材料的使用温度，又如导热性好，不适宜作焊接等。第三节 金属材料的分类及牌号（本节书上内容较多，以讲的为掌握）一、分类1、金属的分类厂黑色金属有色金属炼钢生铁铸造生铁合金牛铁纯铜（紫铜）铜锌合金（黄铜）铜锡合金（锡青铜）1无锡合金（铝青铜等）厂 铝及铝合金金钛及钛合金1镁及镁合金铜及其合金铅、锡及其合金轻金属及其其它有色及其合金锌及其合金镍、钴及其合金2、钢的分类详细分类可见书上11 页钢的分类，有四种不同的分类方法。大家一起来看看。平炉钢按冶
13、炼方法分类转炉钢及按化学成分分类彳酸性钢1沸腾钢和镇静钢（电炉钢曲半镇静钢低碳钢（含碳量0.25%）碳素钢中碳钢（含碳量0. 25%0. 6%）高碳钢（含碳量0.6%低合金钢（一般合金元素总含量5%）I合金钢中合金钢（合金元素总含量5%10%）高合金钢（合金元素总含量10%）普通钢按质量分类优质钢高级优质钢建筑钢结构钢碳素结构钢 【合金结构钢按用途分类弹贊钢轴承钢工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢等）我们着重介绍的是按化学成份来分类，也是我们选择钢材时的依据。二、钢铁牌号及表示方法1、牌号表示原则 牌号中化学元素用化学符号或汉字表示；（如：1 铬 13 或 1Cr13） 产品用途、治炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。（如：Q235F F沸腾钢）2、钢号表示法 目前制造压力容器所用钢材，一般有三大类别：碳钢、合金钢、和特殊性能钢，其中碳 钢又分为普通碳素钢与优质碳素结构钢。 普通碳素钢新标准GB/T221-2000,把普通碳素钢主要分为五大类，即Q195，Q215，Q235，Q255，Q275。压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表钢板牌号使用温度C设计压力MPa壳体钢板厚度mm其他限制Q235-B
