（中职）化工设备机械基础（6章）电子课件.ppt

正版可修改PPT课件（中职）化工设备机械基础（6章）电子课件6.实验与分析实验与分析 61 钢材的机械性能实验与分析钢材的机械性能实验与分析 化工设备所用材料需要有一定的强度、刚度、塑性、韧性等；各种材料的这些机械性能可以通过实验获知。例如：碳钢的拉伸实验（1）试验步骤先准备好试件装夹在试验机上开机实验观察现象，记录数据进行分析 （2）实验过程、观察、记录 在材料实验机上夹住试件两头，进行拉伸。拉力（称为载荷）逐步增大，试件变形，长度略有伸长，横截面积略有缩小，最后被拉断。其中，脆性材料被拉断后的形状，端口齐平，没有肉眼可见的变形，是突然脆性断裂。装在材料实验机上的自动记录绘图设备会记下载荷P与试件有效段的伸长量L之间的对应关系，并绘出坐标图，以供分析研究。其中，塑性材料的拉伸曲线图：（3）实验分析 纵坐标是力，横坐标是变形量。为了消除试件粗细的影响，将纵坐标换为试件内部单位横截面积上所受到的力，称为内应力，简称应力，符号取，单位是N/mm2，但工程上一般用MPa表示，即1MPa=1 N/mm2。若试件的横截面积为A，则应力 =P/A MPa 为了消除试件长短的影响，将横坐标换为单位长度材料的相对伸长量，即试件有效部分的伸长量L/试件有效部分长度L，称为应变，符号，其值为=L/L。这样作出的曲线称为材料的应力应变曲线，它消除了试件尺寸的影响，更能反映出材料被拉伸时的实质。材料拉伸实验的目的：认识材料性能；确保设备工作时零件不发生断裂，也不产生过大变形。由于不可能对所有零件做拉断试验，所以要将分析计算得到的零件的应力控制在某个允许值以内，这个值称为许用应力，符号。也就是说，要保证 由于要有一定的安全储备或安全裕量，所以许用应力比弹性阶段的最大应力小。通过实验可确定通过实验可确定，通过以下分析可确定，通过以下分析可确定。一物体在F力作用下处于平衡状态，但物体被拉伸（拉长），物体中有应力存在。物体的应力可用“截面法”求出：假设用一个平面截开物体，原来物体内部的相互作用力内力被显现出来（FN），这是另一半物体对这一半物体的作用力，是物体内部两部分之间的相互作用力。这个内力与外力F相平衡。如果该物体的横截面积为A，则 FN=A 或 =FN/A=F/A于是，物体或零件受拉伸时的强度条件为 =F/A 低碳钢、高碳钢、铸铁的冲击实验低碳钢、高碳钢、铸铁的冲击实验 以很快的速度作用于零件上的载荷称为冲击载荷。许多机械零件在工作时会遇到冲击载荷。如火车开车、刹车，改变速度时，车辆间的挂钩、连杆以及曲轴等都将受到冲击。刹车急，起动猛，冲击力就大。还有一些机械本身就是利用冲击载荷工作的，如锻锤、冲床、冲击电钻（锤）、凿岩机、铆钉枪等，其中一些零件必然要受到冲击。承受冲击载荷的零件要具有承受冲击载荷的能力冲击韧性。金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。为确定金属材料的冲击韧性值，常采用一次摆锤冲击弯曲试验。试验时，先将被测金属加工成一定的标准试样，然后放在试验机的支座上，将具有一定重量的摆锤举至一定的高度，使之获得一定的能量，再落下摆锤，冲断试样。试验机表盘上指出了冲击功的大小。用冲击功除以试样缺口处的截面积，就得到冲击韧性的值。材料冲击韧性越差，冲断时消耗的冲击能量就越小，表明材料就越脆，在使用中越容易断裂。冲击韧性的大小与温度有关，有些材料在室温(20)试验时并不显示脆性，但在较低温度试验时可能发生脆性断裂。化工生产中有些压力容器就是要在很低的温度下使用，要特别注意材料在使用温度下的性能。为了确定金属材料由塑性状态向脆性状态变化的倾向，可用不同温度的试件测定冲击韧性，将试验结果绘成坐标图。冲击韧性值随温度的降低而减小，在某一温度范围时，冲击韧性显著降低，材料呈现脆性，这个温度范围称为脆性转变温度范围，脆性转变温度愈低，材料的低温冲击性能愈好。材料的冲击韧性对压力容器的安全性具有重要意义材料的冲击韧性对压力容器的安全性具有重要意义。63 材料的晶相组织观察实验材料的晶相组织观察实验观察晶相组织（或对晶相组织显微镜下照片的观察），了解金属材料是由复杂的晶体组织组成的；知道不同的晶体组织是使金属材料显现不同机械性能的物理基础和化学基础；人们可以用不同的化学方法和物理方法得到不同性能的金属材料，以满足工程上对材料的不同要求。这里有学问 对钢铁材料而言，可以在机械零件（或设备）的制造过程中，用“热处理”的方法来改变、调整钢材内部的组织结构，以满足工程上对机械零件（或设备）的性能要求。热处理的基本方法是“加热-保温-冷却”，即加热到一定温度，并保温一段时间，使内外温度均匀，晶体组织发生改变，然后以某种冷却速度进行冷却，晶体组织又发生某种变化。不同冷却速度得到不同性能哦?噢！化工等工业生产中使用的材料称为工程材料，工程材料除了钢铁材料外，还有其它金属材料，还有很多非金属材料。材料科学是新兴的正在不断发展之中的新学科。64 压力容器实验与分析压力容器实验与分析 内压容器的爆破实验内压容器的爆破实验外压容器的失稳实验外压容器的失稳实验（1）实验简介一种比较简单、经济、直观的压力容器实验是用易拉饮料罐作为试验对象的小型实验仪。实验仪上有三根油、气进出管路及阀门。有压力表和真空表，箱体内有加压泵和实验油的机油。（2）实验方法将易拉罐安装在由螺纹连接的密封构件上，接上电源即可做实验。爆破实验：打开阀门，开泵灌油，易拉罐油满后停泵，关阀4、5，用泵加压，直至易拉罐爆破。注意记录下爆破压力，观察破口情况。外压失稳实验外压失稳实验直接抽真空，使容器内部具有一定真空度，而容器外部承受一个大气压力的作用，外部压力大，内部压力小，成为外压容器。继续抽真空，增大外部与内部的压力差，直至易拉罐被抽瘪。记录被抽瘪时的真空度（即失稳压力），观察失稳后容器的形状。（3）思考题）思考题容器爆破断口在什么方向？是偶然的还是总是如此？这种容器爆破断口在什么方向？是偶然的还是总是如此？这种现象说明什么问题？现象说明什么问题？有办法对容器进行强度计算么？有办法对容器进行强度计算么？容器是如何在外压下失稳的？失稳后成什么形状？为什么容器是如何在外压下失稳的？失稳后成什么形状？为什么？（4）容器强度的分析容器强度的分析容器在内压下将有变形，就象气球充气后“长胖”一样。这说明容器壳体中沿长度方向（轴向）和圆周方向（环向）都有应力。那么，哪一个方向的应力更大更危险呢？从容器爆破实验的结果中可得到答案。以下仅对圆筒的环向应力进行分析：假设沿着圆筒直径断面将圆筒截成两半（图6-11），被截到的圆筒材料有两块，每块的面积是圆筒厚度乘以长度，即一共是2L。在这两块截面积上的内力N为 N=2L被截开的半个圆筒上的外载荷的合力（简称外力）是 P=pDL由于P=N，所以 pDL=2L当时，是安全的。此时与p、D、的关系？（5）外压圆筒及其它构件的稳定性上述外压圆筒失稳实验中，圆筒在外部压力作用下突然瘪了进去，形状完全破坏了。这种在载荷作用下突然出现很大变形的现象称为失稳。失稳破坏了原有构件的形状，失去了正常工作能力。工程上常见的失稳现象有不少。失稳的原因是构件的稳定性不足。影响构件稳定性的因素有多种，对于受压的杆状构件来说，稳定性的大小还与杆件长度有关。图6-13所示的木材杆，其短杆加压力6000N被压坏，而长杆30N就失稳，二者的承压能力相差很远。承受外压的圆筒，其稳定性不但与壁厚有关，还与圆筒长度有关。较短的圆筒可以受到圆筒两端封头、法兰的支撑和加强，不易失稳。不缩短圆筒的长度，而是在圆筒外面（或里面）用整圈刚性构件来加强，同样能起到支撑和加强的效果。工程上经常使用这种办法。用来加强筒体的刚性构件称为“加强圈”。65 化工设备制造或检修后的试验化工设备制造或检修后的试验 水压试验水压试验 化工设备制成以后或经过长期使用进行大检修以后，在交付使用前都必须进行压力试验，其试验压力超过工作压力，是一种短时间的超压试验。试验的目的是检查密封结构和焊缝有无渗漏以及容器的强度。容器经过压力试验合格以后，才能交付使用。通常用水进行压力试验，称为水压试验。（1）试验目的 熟悉压力容器压力试验的方法、步骤和注意事项。观察压力试验过程中的现象，讨论压力试验的结果。（2）实验内容 采用较小的工业容器进行水压试验。最好是对管壳式换热器进行水压试验，先试壳程，后试管程。也可以到有关工厂参观。(4)实验注意事项 本试验应按GB1502011压力容器的要求进行。试验容器应有制造施工的图纸，按装配图上注明的试验压力和试验温度要求进行试验。必须用两个量程相同、经过校验且在校验有效期内的压力表，压力表的量程在试验压力的2倍左右为宜，不应低于试验压力的15倍，也不应高于试验压力的4倍。加压试验前，容器内应灌满水、排净空气。试验时压力应缓慢上升，达到试验压力后，一般应保压30分钟，压力基本不掉。然后降压至试验压力的80，并保持足够长时间，对所有焊缝和密封连接部位进行检查，没有渗水等现象。泄压后应将水排尽并用压缩空气将容器内部吹干。试验后应对试验结果作出评价。如果试验中有渗漏，应对焊缝渗漏处打磨、补焊，对有渗漏的密封连接重新密封，然后重新进行水压试验，直至合格为止。66 机械传动实验与分析机械传动实验与分析（1）实验要求参观机械传动实物或模型，了解其传动构件组成，观察其运动状态，探讨其受力状态。（2）典型零件受力状态分析轴、键等是机械传动的基本构件。它们的形状相对比较细、长，都属于“杆件”。定性分析键和轴的受力状态。键：主要是受到剪切。特点是受到一对大小相等、方向相对、作用线相隔很近的外力的作用。在两力作用线之间的截面有可能因为受力过大而发生相对错动，强度不够时将被剪断。用截面法沿剪切面将键截断，截面上的内力称为剪力Fr，应力称为剪应力，剪应力的大小为 A是受剪截面的面积，剪应力是“睡”在剪切面上的，而正应力是垂直于截面的，用不同的应力符号表示，以示区别。经实验可得到许用剪应力，其强度条件为 轴：工作时传递动力，会受到“扭转”作用。先做个试验：用双手的拇指和食指分别捏住长橡皮或粉笔的两端，扭转它，你可以观察到扭转变形和扭转破坏的情形（见图6-17）。在这种情况下，杆件横截面上有剪应力存在，其强度条件为T为截面上受到的扭矩，与力或功率有关；WT的大小反映了截面抵抗扭转的能力，称为抗扭截面系数或抗扭截面摸量，与截面积有关。许多时候，轴不但受到扭转，而且受到弯曲。我们也可以做试验：用双手的拇指和食指扳断粉笔或扳弯长橡皮，同样可以观察到弯曲变形和弯曲破坏的情形（见图6-17）。在这种情况下，杆件横截面上有弯曲应力存在，其强度条件为式中，M为截面上受到的弯矩，与力、力的分布方式及距离有关；W的大小反映了截面抵抗弯曲的能力，称为抗弯截面系数，也与截面积有关。由于零件受到弯曲和扭转时，横截面上应力不均匀分布，因为弹性材料受力时变形，应力大的位置变形量也大。于是W和WT不但与横截面积A有关，也与横截面积的形状有关。混凝土梁的横截面形状常采用矩形。但应该竖着放，不应该横着放这是因为截面积一样大小时，竖着放抵抗弯曲的能力更大，W的值大。故W反映了零件抵抗弯曲的能力，而WT则反映了零件抵抗扭转的能力，分别称为“抗弯截面模量”和“抗扭截面模量”。采用“角钢”“槽钢”“工字钢”“C型钢”等型钢，就是要提高抗弯能力。铝合金门窗、钢塑门窗的材料，都是特定的型材。为什么型材抗弯曲的能力大呢？直梁受到弯曲变弯了，靠近凹边的材料缩短，受到压缩，靠近凸边的材料伸长，受到拉伸。并且，梁中间部分变形小，应力小，靠凹或凸边变形大，应力也大。型钢在应力大的部位增加材料面积，自然提高了梁的抗弯能力（使W增大），减小变形，降低应力。同样，圆轴扭转时，轴外部转动变形量大，轴中间部分变形量小，使轴心部分应力小，外表面部分扭转应力（剪应力）大。塔设备，较为高大，置于露天，除了塔内的介质压力以外，还要承受风压载荷、重量载荷等，有些地区还要考虑地震的影响。其受力状态是组合型的。重量：使塔承受轴向压应力，且越往下压应力越大；风：使塔承受弯曲，往上风载荷越大（往下弯曲应力大）；垂直地震载荷：使塔上下跳动，拉压交替；水平地震载荷：使地面晃动，也使塔受到弯曲（往下大）。所以，塔的横截面上的应力由几部分组成。对于容器部分，P-mgm（正压塔，操作时）对于裙座部分，没有介质压力的作用力，mg+m（压应力）试中，P为介质压力产生的应力；mg为重量mg和垂直地震力产生的压应力；m 为最大弯矩产生的弯曲应力。小结：小结：长度明显大于宽度和高度的零件称为杆状构件，简称杆件。杆件的基本受力和变形有四种：拉伸（或压缩）、剪切、扭转、弯曲，简称拉、剪、扭、弯。化工生产中，还广泛使用壳状、板状构件，其受力和变形状态更复杂一些。例：压力容器壳体主要是双向拉（或压）应力，平板型封头（或平盖）受到双向弯曲作用。除了介质压力以外，其它载荷的影响有时也不能忽视。例：由于温度差引起膨胀和收缩量不一致而产生的热应力；塔设备除了介质压力以外，还要考虑重力、风力、地震力的影响，等等。我们定性地知道什么情况受什么我们定性地知道什么情况受什么力，什么地方力大、压力大，什力，什么地方力大、压力大，什么样子刚性更好，足矣！么样子刚性更好，足矣！