化工設(shè)備材料及其選擇_材料的性能

1、一、問題的提出一、問題的提出二、課程內(nèi)容二、課程內(nèi)容（一）設(shè)備是工藝的基礎(chǔ)（一）設(shè)備是工藝的基礎(chǔ)（二）材料是設(shè)備的基礎(chǔ)（二）材料是設(shè)備的基礎(chǔ) 基礎(chǔ)基礎(chǔ)材料材料材料的性能材料的性能碳鋼碳鋼特殊性能鋼特殊性能鋼合金鋼合金鋼常用三類鋼常用三類鋼第二章第二章 化工設(shè)備材料及其選擇化工設(shè)備材料及其選擇教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： （1）材料的力學(xué)性能）材料的力學(xué)性能； （2）化工設(shè)備材料的選擇。）化工設(shè)備材料的選擇。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 材料的性能。材料的性能。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性一、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性1.1.操作條件的限制操作條件的限制2.2.制造條件的限制制造

2、條件的限制3.3.材料自身性能的限制材料自身性能的限制二、選材要遵循二、選材要遵循 適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。第二節(jié)第二節(jié) 材料的性能材料的性能一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能材料在外力材料在外力(或外加能量或外加能量)作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產(chǎn)生超過允為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產(chǎn)生超過允許的變形或不被破壞的能力。許的變形或不被破壞的能力。 塑塑性性強(qiáng)強(qiáng)度度硬硬度度韌韌性性金屬材料承受載荷作用，金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這

3、種現(xiàn)顯的塑性變形，這種現(xiàn)象就稱為屈服。象就稱為屈服。 1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n例如：容器爆裂；管道破裂；地腳螺栓拉斷；爐管爆裂；.常溫拉應(yīng)力下常溫拉應(yīng)力下20號鋼的拉抻試驗(yàn)號鋼的拉抻試驗(yàn) l0=10d0l0= 5d0或或從開始加載到發(fā)生斷裂所從開始加載到發(fā)生斷裂所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。做抗拉強(qiáng)度。 開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為力，稱為“屈服點(diǎn)屈服

4、點(diǎn)”s ss s sb1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n金屬在拉伸條件下，金屬在拉伸條件下，從開始加載到發(fā)生從開始加載到發(fā)生斷裂所能承受的最斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，叫作抗大應(yīng)力值，叫作抗拉強(qiáng)度。拉強(qiáng)度。 1 1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞

5、極限疲勞極限n材料在高溫下，在材料在高溫下，在一定的應(yīng)力下，抵一定的應(yīng)力下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。形的能力。“蠕變?nèi)渥儭爆F(xiàn)象：現(xiàn)象：高溫高壓的蒸汽管道下?lián)献冃?；高溫高壓下法蘭及螺栓蠕變變形而泄漏；鉛絲在常溫下受重力作用而變長變細(xì)。 材料在高溫下，抵抗材料在高溫下，抵抗發(fā)生斷裂的能力。發(fā)生斷裂的能力。 1 1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n材料在材料在交變載荷交變載荷作用下，作用下，會在遠(yuǎn)低

6、于材料本身的屈會在遠(yuǎn)低于材料本身的屈服點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)斷裂了，這服點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)斷裂了，這種現(xiàn)象就是疲勞。我們把）種現(xiàn)象就是疲勞。我們把）經(jīng)過經(jīng)過106108次次循環(huán)試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，作為疲勞強(qiáng)度。作為疲勞強(qiáng)度。1 1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n疲勞強(qiáng)度舉例疲勞強(qiáng)度舉例頻繁開、停車容器內(nèi)壓力或溫度波動；活塞式壓縮機(jī)壓縮氣體容器及管道內(nèi)壓力波動；離心泵頻繁開停機(jī)或震動泵軸受力成

7、交變式。 2、塑性塑性：金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。能力。主要有兩個塑性指標(biāo)：主要有兩個塑性指標(biāo)：伸長率伸長率斷面收縮率斷面收縮率%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK（3）冷彎性能）冷彎性能 室溫下對試板以一定的內(nèi)半徑（R=0.53板厚）進(jìn)行彎曲，a=1200或1800 ，是否出現(xiàn)裂紋或起層。-是鋼材塑性指標(biāo)和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)是鋼材塑性指標(biāo)和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。塑性指標(biāo)的實(shí)際意義：塑性指標(biāo)的實(shí)際意義： 便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等； 使構(gòu)件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂。壓力容器及其零件都

8、需要具壓力容器及其零件都需要具備這個性質(zhì)備這個性質(zhì)。3、韌性：韌性： 表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。承受承受靜靜載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力 缺口敏感性缺口敏感性承受承受動動載荷時(shí)抗裂紋的能力載荷時(shí)抗裂紋的能力 沖擊韌性沖擊韌性沖擊功AK=GH1-GH2，而沖擊韌度K= AK/F（F為面積） 圖圖1-1沖擊試樣的安放沖擊試樣的安放1-擺錘擺錘2-試樣試樣3-機(jī)座機(jī)座圖圖1-2 沖擊試驗(yàn)原理沖擊試驗(yàn)原理1-擺錘擺錘2-試樣試樣韌性高的材料，塑性好；塑性較高韌性高的

9、材料，塑性好；塑性較高的材料，韌性也好。的材料，韌性也好。問題問題判斷正誤并說出理由判斷正誤并說出理由 注意！韌性是材料在外加動載荷注意！韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和迅速塑性突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料，一般變形的能力。韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標(biāo)；但塑性較高都有較高的塑性指標(biāo)；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)殪o載菏下能其所以如此，就是因?yàn)殪o載菏下能夠緩慢塑性變形的材料在動載荷夠緩慢塑性變形的材料在動載荷下不一定能迅速塑性變形。下不一定能迅速塑性變形。 （2）缺口敏感性）缺口敏感性指在帶

10、有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，并且在靜載荷作用條件指在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，并且在靜載荷作用條件下，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。下，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。圖圖1-3 沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣 4、硬度硬度：金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。 表示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗表示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗 彈性變形、塑性變形或破斷的能力。彈性變形、塑性變形或破斷的能力。布氏硬度布氏硬度HB（一般在（一般在HB450以上就不能使以上就不能使用用) 、 洛氏硬度洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材料料) 、 維氏

11、硬度維氏硬度HV ( 比洛氏硬度更適合于測比洛氏硬度更適合于測定極薄試樣的硬度定極薄試樣的硬度) ，顯微硬度。，顯微硬度。布氏硬度試驗(yàn)示意圖材料的力學(xué)性能所包括的強(qiáng)度、塑性、韌性、材料的力學(xué)性能所包括的強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度四個指標(biāo)中，強(qiáng)度和塑性占主導(dǎo)地位，硬度四個指標(biāo)中，強(qiáng)度和塑性占主導(dǎo)地位，但使用時(shí)要考慮溫度的變化。但使用時(shí)要考慮溫度的變化。ssTTss二、化學(xué)性能二、化學(xué)性能1 1、耐腐蝕性、耐腐蝕性金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。 2 2、抗氧化性、抗氧化性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)

12、中的許多高溫化工設(shè)備，在高溫工作在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多高溫化工設(shè)備，在高溫工作條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質(zhì)如水蒸氣，體介質(zhì)如水蒸氣，CO2、SO2等的氧化腐蝕作用，因此等的氧化腐蝕作用，因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的含量對鋼的氧化是有一定影響的。含量對鋼的氧化是有一定影響的。 表表1-1 幾種材料在不同溫度和濃度的酸、堿和鹽類介質(zhì)中的耐腐蝕性幾種材料在不同溫度和濃度的酸、堿和鹽類介質(zhì)中的耐腐蝕性三、三、物理性能物理性能相對密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、

13、磁性、相對密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。彈性模數(shù)與泊桑比等。2、彈性模量彈性模量E E材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即E，這個這個比例系數(shù)比例系數(shù)E稱為彈性模量，表示金屬材料在彈性變形階段稱為彈性模量，表示金屬材料在彈性變形階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。對不同材料，材料的彈性模量越大使它產(chǎn)生一定量的彈對不同材料，材料的彈性模量越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越性變形的應(yīng)力也越。對同一種材料，彈性模數(shù)。對同一種材料，彈性模數(shù)E隨溫隨溫度的升高而度的升高而。tll 1a1 1、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)2.泊桑比泊桑比泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸單位橫向收縮與單位縱向伸長之比長之比，以，以表示。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)，表示。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)，即即0.3。 b 1b 1l