化工设备机械基础(第四版)第1章化工设备材料及其选择

第1章化工设备材料及其选择一、化工设备概述二、材料的机械性能三、材料的物理化学性能四、金属材料的分类与牌号五、碳钢与铸铁六、特种钢、有色金属与非金属七、化工设备防腐及防腐措施八、化工设备选材的原则一、化工设备概述按压力分类:1.设备的分类内压容器低压容器(L)0.1≤P1.6MPa中压容器(M)1.6≤P10MPa高压容器(H)10≤P100MPa超高压容器(U)P≥100MPa外压容器容器按温度分类:容器高温容器：高温容器指在壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃。常温容器：-20℃—200℃中温容器：温度介于高温与常温之间的容器低温容器浅冷容器：-40℃≤t≤-20℃深冷容器：t-40℃•有足够的力学性能；•具有良好的加工性能；•具有良好的耐腐蚀性能；•经济合算；•其它各种性能符合设计要求。2.设备选材的基本要求基本概念应力（Stress）σ应力定义为“单位面积上所承受的力”。按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变ε（Strain）。二、材料的机械性能硬度：屈服点强度：机械性能塑性：韧性抗拉强度蠕变强度持久强度疲劳强度延伸率断面收缩率冷弯性能布氏硬度洛氏硬度维氏硬度冲击韧性应力σ应力定义为“单位面积上所承受的力”。按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。1.强度定义：在外力作用下抵抗变形和断裂的能力εσ材料的应力应变曲线弹性形变阶段塑性形变阶段屈服点完全断裂脆性断裂韧性断裂•在外力不再增加，仍发生明显塑性变形，这个现象称为材料达到了屈服点；•屈服点：开始出现屈服现象时相对应的应力，MPa；•金属或合金一般很少有明显的屈服现象，而高分子材料一般具有明显的屈服现象；•条件屈服点：发生0.2%残余伸长时的应力；•在教材P302-308可以查到常用金属材料的屈服点数据。1.1屈服点s影响屈服点大小的因素内在因素外在因素•结合键•组织结构•原子本性•温度：温度升高，屈服点下降•应变速率：应变速率升高，屈服点升高•应力状态•材料发生断裂时所能达到的最大应力值（抗压、抗弯、抗剪）；•屈强比：反映了材料塑性贮备的一个指标由于一般，屈强比一般小于1，屈强比越大，屈服点与抗拉强度愈接近，塑性储备越小，这时有可能发生脆性断裂；这类材料如木棒；屈强比越小，屈服点愈小于抗拉强度，这时塑性储备愈大，但材料的强度往往得不到充分的发挥；这类材料如竹条。因此，在工程上希望所选用的材料具有合适的屈强比。1.2抗拉强度bbsbs蠕变：在一定应力下，应变随时间而增加的现象；发生蠕变现象往往需要很长的时间，如古罗马教堂的玻璃。蠕变强度：材料抵抗蠕变现象发生的能力；有两种表达蠕变强度的方法：1.3蠕变强度n•达到某一蠕变速度的应力值；•达到某一总变形的应力值；abcdoτδ•oa段：材料在温度t下承受拉应力时所产生的起始伸长率（不计入蠕变）；•ab段：减速蠕变阶段；•bc段：恒速蠕变阶段；•cd段：加速蠕变阶段；dd蠕变速率对于高聚物，蠕变有非常经典而完整的数学模型，可参考《高分子物理》。在给定温度下，促使材料经过一定时间发生断裂的应力叫做持久强度；在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万小时；持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。在相同的条件下，能支持的时间越久，则该材料抵抗断裂的能力也越大。1.4持久强度D很多构件经常受到大小及方向变化的交变载荷，这种交变载荷使金属材料在应力还远低于屈服点时就发生断裂，这种现象称为“疲劳”。金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为“疲劳极限”；实际上不可能进行无数次试验，一般以106~108次循环试验作为疲劳强度；影响金属疲劳强度的因素主要有：合金成分、表面状态、组织结构、夹杂物的多少与分布状况、应力集中情况。1.5疲劳强度1•试样受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率2.塑性定义：在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力2.1延伸率δ%100%100000lllllkk•延伸率愈大，材料的塑性愈好；•由于试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故延伸率与试样尺寸有关。•试样受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率2.2断面收缩率ψ•断面收缩率愈大，塑性愈好；•由于断面收缩率与材料尺寸无关，故它能更加可靠地反映出材料塑性的变化。%100%100000FFFFFkk延伸率与断面收缩率的关系若只有均匀伸长：由于变形前后总体积保持不变：lAAl00)1()1(0000lllllll)1()1(0000AAAAAAA)1()1(0000AlAl1)1)(1(11或若发生缩颈，延伸率与断面收缩率之间难以确定明确的数学关系。2.3冷弯性能•b=2a，d=1.5a；•用弯心直径等于1.5a的弯心将试样弯曲180o，不得出现裂纹、裂缝为合格。•硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的一个综合性能指标；•常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头压入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。•根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。3.硬度定义：材料抵抗其它更硬物压入表面的能力3.1布氏硬度HB（始于1900年，历史悠久）•由于测量压痕深度t困难，因此一般测压痕直径d。DtPFPHB凹2212222222222dDDdDDdDDt222dDDDPHB•测量布氏硬度时，P与D是有规定的；•为了保证用大球与小球测得的HB相同，就必须要求二者的压入角相等，这就是确定P、D规定条件的依据；2sin22sin2DddD2cos122DPHB•为了使压入角一定，必须P/D2为一常数。例如：P/D2=300测量HB时P与D的规定•优点布氏硬度的特点因为其压痕面积大，能反映材料的综合性能指标，因而代表性全面；试验数据稳定；比较准确，用途很广；试验数据可以从小达到统一起来（用大球与小球测得的数据具有可比性）。•缺点钢球本身变形问题；因压痕大，可能使薄件材料受到破坏，因此不宜用于薄件试验。压头分为两种：3.2洛氏硬度HR（始于1919年）•硬质压头：顶角为120o的金刚石圆锥体，适用于钢材；•软质压头：直径为1.5875mm、3.175mm的钢球，适用于有色金属。优点：•不存在压头变形问题（两种压头适用于不同的材料）；•压痕小，不伤工件表面；•操作迅速，效率高。缺点：不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来。原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四方角锥体，由金刚石制成；3.3维氏硬度HV（始于1925年）优点：•因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以任意选择（最大优点）；•通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度值完全相等；•试验数据可以从小到大统一起来；•精度极高。缺点：效率较低。22854.1mmkgfdPHV其中：d为压痕对角线长度4.冲击韧性k21HHGAkFAkk缺口形状•试样的缺口应背向摆锤刀口；•缺口形状：梅氏、夏氏；•韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的及时和迅速塑性变形的能力；•韧性高，塑性较好；但塑性好，韧性不一定高。三、材料的物理化学性能弹性模量E：金属材料抵抗弹性变形的指标•温度升高，弹性模量E降低。E泊桑比μ•定义：拉伸试验中试样单位横向收缩与单位纵向伸长之比。•对于各种钢材，泊桑比近乎于一个常数，μ=0.3耐腐蚀性能四、金属材料的分类与牌号1.金属的分类黑色金属有色金属生铁钢铜及其合金铝及其合金钛及其合金锌及其合金……纯铜黄铜铜锡合金无锡合金按脱氧情况和锭模形式分类镇静钢沸腾钢半镇静钢2.钢铁牌号及表示方法2.1牌号表示方法2.2钢号表示方法Q235—A·F2.3铸铁、铸钢牌号表示方法•碳钢和铸铁都是由95%以上的铁和0.05-4%的碳及1%左右的杂质元素组成的，因此又称为“铁碳合金”；五、碳钢与铸铁含碳量名称备注0.02~2%钢2%铸铁严格地讲，应2.11%0.02%工程纯铁强度并不高4.3%铸铁无实际应用价值•实际上，金属强度远远低于由金属离子键能计算出来的理论强度，为什么？•晶界处的机械性能比晶粒差，为什么？•由于晶体往往存在晶体缺陷；•晶界处于案子排列不整齐。1.铁碳合金的组织结构1.1金属的晶体结构1.2金属铁的三种点阵结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格•同素异构转变是固态铁原子重新排列的过程，也是一种结晶过程；•居里温度：金属由有磁性变为无磁性的温度。1.3纯铁的同素异构转变(1).碳溶解在铁的晶格中形成固溶体1.4铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α-Fe中形成的固溶体。0.006%强度硬度低、韧性塑性好。奥氏体：碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体。最多2.06%强度硬度高，韧性好，塑性低，无磁性。只有在t723℃时，奥氏体才存在。马氏体：钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体。硬度高、但很脆，不稳定。(2).碳与铁形成化合物——渗碳体Fe3C又脆又硬，熔点高。当碳含量大于2%时，部分碳以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。渗碳体在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以石墨的形式存在的，对强度影响极大。(3).碳与铁形成混合物珠光体：铁素体(88%)和渗碳体(12%)组成，平均含碳量为0.8%。性能介于铁素体与渗碳体之间。莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的组织。1.5铁碳合金状态图(亚共析钢)(过共析钢)铁的熔点γ-Feα-Fe共晶白口铁含碳量（百分含量）1.6碳含量对碳钢机械性能的影响对碳钢性能有利的元素2.杂质元素对碳钢性能的影响锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用；硅(Si)：有利于脱氧；绝大多数金属元素：如钛、铬、镍等。对碳钢性能有害的元素硫(S)：热脆性；磷(P)：冷脆性；氧(O)：降低钢的机械性能；氮(N)：时效现象，使钢的塑性降低；氢(H)：氢腐蚀。一般而言，金属元素的存在有利，非金属元素存在不利。退火与正火3.钢的热处理退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来。正火：将加热后的工件从炉中取出，置于空气中冷却。退火与正火：可降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。正火烧出来的粒子更细。钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式。以改变其组织，满足不同要求的物理、化学和机械性能。淬火与回火淬火：将钢加热到淬火温度——临界点以上30~50℃，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。可提高硬度、强度和耐磨性。回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。可降低或消除淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。4.铸铁•低合金钢如15MnTi•锅炉钢如20g•容器钢如20R•不锈耐酸钢：如0Cr13、1Cr18Ni9•耐热钢如Cr25Ti、12CrMo•耐低温钢如15Mn26Al4六、特种钢、有色金属、非金属材料1.特种钢•铝及其合金：其钝化性可用来制造浓硫酸设备；•铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、紫铜；•铅及其合金•钛及其合金：还可用于航空与医疗2.有色金属•热塑性材料与热固性材料•PVC•PE：HDPE、LDPE•PMMA•PTFE3.非金属材料•据报道，由于腐蚀每年报废的金属设备与材料约相当于金属年产