第一章化工设备材料及其选择

Q235AFQ345R16MnRHT250QT400-18ZG20Cr13T2T3H80聚乙烯塑料聚四氟乙烯塑料第1章化工设备材料及其选择教学内容1.1、化工设备概述1.2、材料的性能1.3、金属材料的分类与牌号1.4、碳钢与铸铁1.5、低合金钢1.8、化工设备防腐及防腐措施1.9、化工设备选材的原则1.6、有色金属材料与非金属1.7、非金属材料按压力分类: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1.1概述按温度分类: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℃1.1概述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1.1概述第一章化工设备材料及其选择化工设备机械基础61.2材料的性能1.2.1力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力第一章化工设备材料及其选择化工设备机械基础7脆性断裂韧性断裂1.2材料的性能应力（σ）——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。1.2材料的性能第一章化工设备材料及其选择化工设备机械基础91.强度固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地脚螺栓拉断;※炉管爆裂；…..——强度不够！1.2材料的性能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（s）：材料发生屈服时的应力（MPa）—屈服强度（Rel）完全断裂脆性断裂韧性断裂屈服现象：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。1.2材料的性能（1）屈服强度（Rel）0selFRS试样的原始横截面积（m2）试件继续伸长的最小载荷（N）一些合金没有明显的屈服点，规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”——名义屈服强度RP0.2（MPa）1.2材料的性能0.20.20pFRS试样的原始横截面积（m2）产生0.2%残余伸长的载荷（N）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1.2材料的性能13（2）抗拉强度(Rm)金属材料在受力过程中，发生断裂所达到的最大应力值，MPa。（抗拉、抗压、抗弯、抗剪切）是压力容器设计常用的性能指标。1.2材料的性能屈强比：Rel/Rm0mmFRS拉断前试件承受的最大载荷（N）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材料的性能15（3）蠕变极限（Rnt）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。1.2材料的性能“蠕变”现象：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象，或金属在高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变形的现象。蠕变极限Rnt（MPa）：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力16（4）持久强度（RDt）在给定温度下，促使材料经过一定时间发生断裂的应力1.2材料的性能★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。★规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。17（5）疲劳强度（R-1）疲劳——构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂的现象1.2材料的性能影响因素：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。“疲劳极限”（MPa）——构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。如：频繁开、停车——容器内压力或温度波动；活塞式压缩机压缩气体——容器及管道内压力波动；离心泵频繁开停机或震动——泵轴受力成交变式。在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力2、塑性1.2材料的性能◎锻件裂纹;◎卷板裂纹;◎焊缝热影响区裂纹试样受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率(1)断后伸长率（A）00100%uLLAL•断后伸长率愈大，材料的塑性愈好；•试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故A与试样尺寸有关。1.2材料的性能•Lu-室温下将断后的两部分试样紧密地对接在一起，保证两部分的轴线位于同一条直线上，测量试样断裂后的标距，mm•L0-室温下施力前的试样标距•Lu-L0-试样断后标距的残余伸长，即断后试件的绝对伸长，mm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）断面收缩率（Z）•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。00100%uSSZSSu-试样断裂后的最小横截面积，mm2S0-试样的原始横截面积，mm2如：纯铁的延伸率为50%，20R的Z5不小于25%；16MnR的Z5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的Z5不小于40%。1.2材料的性能21（3）冷弯性能---是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）进行弯曲，是否出现裂纹或起层。在试样被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前,金属材料的变形越大,塑性越好.1.2材料的性能22塑性指标的实际意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；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。1.2材料的性能233、硬度金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力硬度高材料强度也高，耐磨性较好；—综合性能指标1.2材料的性能常用硬度指标：布氏硬度（HBW洛氏硬度（HRA、HRB、HRC)维氏硬度（HV)等布氏硬度HBW（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。2220.1020.102FFHBWADDDdF—载荷，ND—硬质合金球直径，mmA—压痕表面积，mm2d—压痕直径，mm2212ADDDd1.2材料的性能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。1.2材料的性能压头分为两种：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。1.2材料的性能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；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。1.2材料的性能284、冲击功（KV2）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。1.2材料的性能29摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：KV2=G(H1-H2)焦耳！吸收功的高低取决于——材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧度301.2材料的性能2kKVF(J/cm2)冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功缺口形状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。•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。1.2材料的性能325、缺口敏感性——在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。冲击韧性？——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。1.2材料的性能331.2.2物理性能——密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊松比等。1.2材料的性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.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？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）——热变性不同时？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？1lltmm/（mm·℃）试件伸长量mm试件原始长度mm温度差℃342.弹性模量E与泊松比μ弹性模量E：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。(随着温度升高而降低)1.2材料的性能E泊松比μ：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比各种钢材近乎为μ=0.3351.2.3化学性能——金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性——对介质侵蚀的抵抗能力；2.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。热加工——如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。1.2材料的性能P11表1-5361.2.4.加工工艺性能指在保证加工质量的前提下，加工过程的难易程度.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；铸造性能—流动性、凝固收缩率等；可锻性能—抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能热处理性能1.2材料的性能1.3金属材料的分类及牌号1.3.1分类1.黑色金属FeCrMn及其合金的统称1）生铁碳含量（2.11~6.67%）用途铸造生铁（铸铁）白口铸铁灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁特种铸铁炼钢生铁（生铁）普通生铁合金生铁381.3金属材料的分类及牌号按品质分类普通钢（P≤0.04%S≤0.04%）优质钢（P、S≤0.035%）高级优质钢P≤0.03%S≤0.04%特级优质钢P≤0.025%S≤0.02%2）钢碳含量（2.11%）39按化学成分碳素钢低碳钢C≤0.25%中碳钢C:0.25%~0.60%高碳钢C≥0.60%合金钢低合金钢合金元素总含量≤5%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%1.3金属材料的分类及牌号40按成形方法锻钢铸钢热轧钢冷拉钢1.3金属材料的分类及牌号41按用途分建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢1.3金属材料的分类及牌号422.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1.3金属材料的分类及牌号431.3.2钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则国家标准GB221-2000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1.3金属材料的分类及牌号442.钢号表示法例：优质碳素钢——08F20R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