化工设备基础5材料.ppt

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1、第五章第五章化工设备常用材料化工设备常用材料第一页，编辑于星期六：十八点 三十七分。材材料料金属金属非金属非金属复合复合黑色金属黑色金属碳钢碳钢合金钢合金钢有色金属有色金属Cu(合金合金)、Al、Ti、Mg、Pb、Zn、Ni、Co无机无机有机有机陶瓷、搪瓷、玻璃陶瓷、搪瓷、玻璃塑料、橡胶塑料、橡胶第二页，编辑于星期六：十八点 三十七分。一、一、力学性能力学性能1、强度、强度n固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。或断裂的特性。例如：容器爆裂；管道破裂;地脚螺栓拉断;炉管爆裂；.强度不够！第三页，编辑于星期六：十八点 三十七分。金属材料的重要强度指

2、标金属材料的重要强度指标第四页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（1）屈服极限屈服极限n屈屈服服现现象象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形。仍继续发生明显的塑性变形。n屈服点：屈服点：（s 或或 0.2）第五页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（2）抗拉强度）抗拉强度(b)n定义：定义：金属材料在受力过程中，发发生断裂所达到的最大应力值。生断裂所达到的最大应力值。是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。n屈强比屈强比：s/b 屈强比小，表明材料具有较大的屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备塑性储备。第六页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（3）蠕变强度（）蠕

3、变强度（n n）n“蠕变蠕变”现象：现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。“蠕变强度蠕变强度”：材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力能力，以 n n 表示，单位MPa。第七页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（4）持久强度（）持久强度（D D）n在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力。在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力。n材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。能支持的时间越久。n规定规定：化工设备设计寿命化工设备设计寿命一般为十万小时，所一般为十万小时，所以

4、用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。度。第八页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（5）疲劳强度）疲劳强度(-1)n构件或零件受到大小和方向变化的构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷交变载荷作用，应作用，应力远小于屈服点就断裂力远小于屈服点就断裂 疲劳。疲劳。n“疲劳极限疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。最大应力。n例如：例如：频繁开、停繁开、停车容器内容器内压力或温度波力或温度波动；活塞式活塞式压缩机机压缩气体气体容器及管道内容器及管道内压力波力波动；离心离心泵频繁开停机或震繁开停机或震动

5、泵轴受力成交受力成交变式。式。第九页，编辑于星期六：十八点 三十七分。2、塑性、塑性n外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。n因塑性不足引起材料破坏的例子：锻件裂纹;卷板裂纹;焊缝热影响区裂纹第十页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（1 1）延伸率（）延伸率（）（2 2）断面收缩率）断面收缩率（y y）（3 3）冷弯性能）冷弯性能n室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，=1200或1800，是否出现裂纹或起层。n-是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。第十一页，编辑于星期六：十八点 三十七分。塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义：n便于成型

6、加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。压力容器及其零件都需要具备这个性质压力容器及其零件都需要具备这个性质。第十二页，编辑于星期六：十八点 三十七分。3、硬度的概念、硬度的概念n金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。n硬度高，材料强度也高，耐磨性较好；布氏硬度（HBS)洛氏硬度（HRA、HRB、HRC)维氏硬度（HV)第十三页，编辑于星期六：十八点 三十七分。4、冲击韧性、冲击韧性材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速发材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速发生塑性变形，抵抗断裂的能力。生塑性变形，抵抗断裂的能力。摆锤冲断试样所失去的位能为摆

7、锤冲断试样所失去的位能为冲击功冲击功取决于取决于材料能否迅速发生塑性变形的能力。材料能否迅速发生塑性变形的能力。第十四页，编辑于星期六：十八点 三十七分。冲击韧性与塑性的区别冲击韧性与塑性的区别n材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。材料塑性高，其冲击韧性不一定高。n静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动静载荷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。载荷下不一定能迅速塑性变形。n本质区别在于材料在动载荷作用下是否能本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够够迅速发生塑性变形迅速发生塑性变形，吸收冲击能量。，吸收冲击能

8、量。第十五页，编辑于星期六：十八点 三十七分。二、物理性能二、物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，弹性模量，泊松比。1、线膨胀系数线膨胀系数异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？碳钢表面电镀一层铜升温后会？第十六页，编辑于星期六：十八点 三十七分。三、化学性能三、化学性能金属材料是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。1、耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；2、抗氧化性、抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2、SO2等。第

9、十七页，编辑于星期六：十八点 三十七分。四、加工工艺性能四、加工工艺性能n可焊性能可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；n铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能切削加工性能n热处理性能热处理性能第十八页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.3 金属材料的分类及牌号金属材料的分类及牌号1.黑色金属 1）生铁 2）钢钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢钢普通钢优质钢高级优质钢按化学成分：按质量分：第十九页，编辑于星期六：十八点 三十七分。钢沸腾钢镇静钢半镇静钢钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性

10、能钢按冶炼方法分：按用途分：第二十页，编辑于星期六：十八点 三十七分。2.有色金属有色金属铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金第二十一页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.3.2 钢铁牌号及表示方法钢铁牌号及表示方法1、牌号的表示原则依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容第二十二页，编辑于星期六：十八点 三十七分。2 2、钢号表示法钢号表示法例：优质碳素钢0

11、8F 20 R 沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%普通碳素钢Q235-A,F沸腾钢类别为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母第二十三页，编辑于星期六：十八点 三十七分。低合金钢16MnR 16含碳量0.16%；Mn合金元素；R 容器钢。特殊性能钢1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；18含铬量18%；9 含镍量9%。第二十四页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.3.3 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1金属的组织与结构n在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。n金相组织结构直接影响金属材料的性质。如，铸铁中的石墨形式

12、不同，其性质也不同。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好第二十五页，编辑于星期六：十八点 三十七分。纯铁在不同温度下的晶体结构：纯铁在不同温度下的晶体结构：第二十六页，编辑于星期六：十八点 三十七分。第二十七页，编辑于星期六：十八点 三十七分。2纯铁的同素异构转变：-Fe -Fe 910（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列固态下铁原子重新排列第二十八页，编辑于星期六：十八点 三十七分。3铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：铁碳关系：固溶态，化合态，混合态固溶态，化合态，混合态固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。（1

13、）铁素体（F）体心立方晶格（-Fe）+C铁素体铁素体 （固溶体）（固溶体）塑性好，强度低。第二十九页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（2）奥氏体（A）面心立方晶格（-Fe）+C奥氏体奥氏体 （固溶体）韧性好，强度高。第三十页，编辑于星期六：十八点 三十七分。铁碳关系之二铁碳关系之二：化合态化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为渗碳体渗碳体。性能特点性能特点:.硬，脆；.在一定条件下可以分解（3）渗碳体（）渗碳体（C）游离石墨+铁。渗碳体的作用渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量2%）成为碳素钢碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。第三十一页，编辑于星期六：十八点 三十七分。

14、铁碳合金中含碳量2%时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁铸铁。组织结构特点性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。铁碳关系之三铁碳关系之三游离态游离态 第三十二页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.3.4 5.3.4 钢材的热处理钢材的热处理热处理工艺实例：热处理工艺实例：缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；建筑用铁线用火烧软；泵轴调质内韧外硬；扁铲淬火提高硬度和韧性；容器焊后退火消除内应力；热处理工艺曲线：第三十三页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（1 1）常用热处理工艺）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1）-退火退火；空气中冷却（曲线2）

15、-正火正火 ；作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能；使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度)以上3050。第三十四页，编辑于星期六：十八点 三十七分。缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）淬火剂淬火剂:水，盐水-用于碳钢；油-用于合金钢。作用：提高硬度、强度和耐磨性。淬火淬火第三十五页，编辑于星期六：十八点 三十七分。淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。回火又分为：低温回火（150250 ）；中温回火（300450 ）；高温回火（500680）。淬火+高温回火 称为

16、调质处理。调质处理。效果效果：强度、塑性、韧性均提高。回火回火第三十六页，编辑于星期六：十八点 三十七分。（2 2）化学热处理）化学热处理-将零件放在化学介质中进行 加热-保温-冷却的过程。使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。第三十七页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.4 5.4 碳素钢碳素钢一、碳钢中杂质对其性能的影响一、碳钢中杂质对其性能的影响1、锰、锰(Mn)有益元素有益元素n来源在冶炼过程中加入锰铁。n作用钢材中锰含量高于0.8%时，显著提高强度。2、硫、硫(S)有害元素有害元素n来源矿石和焦炭。存在形式：FeSn作用FeS 的熔点低于钢材热加工开始温度，它过早熔化，导

17、致工件开裂，称为热脆性热脆性。第三十八页，编辑于星期六：十八点 三十七分。3、磷磷(P)有害元素有害元素n来源矿石。n作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性冷脆性”。4、氢、氢(H)有害元素有害元素n来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点白点”。n“白点”裂纹源第三十九页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.5 5.5 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢一、合金元素对钢的影响一、合金元素对钢的影响铬铬：耐腐蚀抗氧化；提高了强度硬度和耐磨性；使钢材的韧性和塑性降低。锰锰：提高强度和低温冲击韧性

18、。镍镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性；提高耐腐蚀性和低温冲击韧性；提高热强性能。硅硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S腐蚀；降低了塑性和冲击韧性。第四十页，编辑于星期六：十八点 三十七分。1 1、成份特点、成份特点：n碳素钢+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素n含碳量均较低，0.2%；n合金元素总含量5%。2 2、相对于碳素钢，其、相对于碳素钢，其性能特点性能特点：n强度提高；n耐腐蚀性能提高；n低温性能提高。二、低合金钢二、低合金钢第四十一页，编辑于星期六：十八点 三十七分。碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别类别 品种品种 S (MPa)b(MPa)S/b使用温度使

19、用温度（）碳素钢碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.630350-19475低合金钢低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-45450第四十二页，编辑于星期六：十八点 三十七分。5.6 5.6 化工设备材料选择的化工设备材料选择的一般原则一般原则要考虑要考虑：n设备的操作条件压力、温度、介质特性、操作特点；n材料的使用性能力学性能、物理性能、化学性能；n加工工艺性能焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；n经济合理性及设备结构材料价格、制造费用和使用寿命。第四十三页，编辑于星期六：十八点 三十七

20、分。选材一般原则选材一般原则：1、压力容器用钢材应符合GB150-1998钢制压力容器的要求，设计压力不大于35MPa。接受压力容器安全技术监察规程的监督。2、压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：钢板牌号使用温度 设计压力 MPa壳体厚度 mm 其他限制Q235-B03501.620不得用于高度毒性和极度危害介质Q235-C04002.530第四十四页，编辑于星期六：十八点 三十七分。3.设计温度应在允许使用温度范围内设计温度应在允许使用温度范围内。4.耐腐蚀耐腐蚀5.经济性好经济性好6.其他其他（1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。（2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料。（3）1Cr18Ni9Ti 钢材使用温度不高于500时，许用应力按0Cr18Ni10Ti 选取。第四十五页，编辑于星期六：十八点 三十七分。