Cscbpv压力容器设计审核员培训班PPT01化工设备材料及选择1.ppt
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1、 一、化工设备的分类:一、化工设备的分类: 1、按操作压力:、按操作压力: 真空、常压、低压、高压和超高压真空、常压、低压、高压和超高压 2、按操作温度:、按操作温度: 低温、常温、中温和高温低温、常温、中温和高温 3、按处理的介质:、按处理的介质: 腐蚀性、易燃、易爆、剧毒腐蚀性、易燃、易爆、剧毒 二、选材的一般要求:二、选材的一般要求: 1、材料品种应符合我国资源和供应情况、材料品种应符合我国资源和供应情况 2、材质可靠,能保证使用寿命、材质可靠,能保证使用寿命 3、要有足够的强度、塑性、韧性和耐腐蚀性、要有足够的强度、塑性、韧性和耐腐蚀性 4、便于制造加工,焊接性能良好、便于制造加工,焊
2、接性能良好 5、经济上合算、经济上合算 材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能和机械性材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能和机械性能等。能等。 一、机械性能一、机械性能 把材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能把材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力,称为材料的机械性能。力,称为材料的机械性能。 衡量材料机械性能的特性指标有:衡量材料机械性能的特性指标有: 强度强度、塑性塑性、硬度硬度、韧性韧性和和缺口敏感性等缺口敏感性等 金属材料在外力的作用下所引起的变形和破坏过程,大致金属材料在外力的作用下所引起的变形和破坏过程,大致可分为三个阶段:可分为三个阶段: (1)
3、弹性变形阶段)弹性变形阶段; (2)弹)弹-塑性变形阶段;塑性变形阶段; (3)断裂。)断裂。一般的断裂有两种形式:一般的断裂有两种形式: 1)脆性断裂:断裂之前没有明显塑性变形的阶段)脆性断裂:断裂之前没有明显塑性变形的阶段 2)韧性断裂:经过大量塑性变形之后才发生断裂)韧性断裂:经过大量塑性变形之后才发生断裂1 1、强度、强度 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。性。 常用的强度指标有屈服点和抗拉强度常用的强度指标有屈服点和抗拉强度 金属材料承受载荷作用,当载荷不再增加或缓慢增加时,仍金属材料承受载荷作用,当载荷不再增
4、加或缓慢增加时,仍继续发生明显的塑性变形的现象称为继续发生明显的塑性变形的现象称为 “屈服屈服”。 发生屈服现象时的应力,即开始出现塑性变形时的应力,称发生屈服现象时的应力,即开始出现塑性变形时的应力,称为为“屈服点屈服点”,用,用s (MPa)表示。)表示。 它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。 s=ps/ F。 p ps s 负荷不增加,甚至有所降低时,试件还有所负荷不增加,甚至有所降低时,试件还有所伸长的最小负荷(伸长的最小负荷(N N)。)。 F F。试件的横截面积(试件的横截面积(m m2 2)。 规定发生规定发生0.2%残余伸长时的应力,作为残余伸长
5、时的应力,作为“条件屈服条件屈服点点”,以,以0.2 (MPa)表示。)表示。 0.2=p0.2/ F。 p0.2 产生产生0.2%残余伸长的负荷(残余伸长的负荷(N)。)。(2 2)抗拉强度()抗拉强度(b b) 金属材料在受力过程中,从开始加载到开始断裂所能达到的金属材料在受力过程中,从开始加载到开始断裂所能达到的最大应力值,叫做抗拉强度最大应力值,叫做抗拉强度 按外力形式的不同,分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和按外力形式的不同,分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗剪强度等。 抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标,它是试抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标,它是试件拉断前最大
6、负荷下的应力,以件拉断前最大负荷下的应力,以b b(MPaMPa)表示。)表示。 b b=p=pb b/ F/ F。 p pb b 拉断前试件所承受的最大负荷(拉断前试件所承受的最大负荷(N N)。)。 抗弯强度是铸铁等低塑性和脆性材料的强度指标之抗弯强度是铸铁等低塑性和脆性材料的强度指标之一,以一,以bbbb(MPaMPa)表示。)表示。 bbbb=M/ W=M/ W M M弯距,弯距,NmNm W W标准试件的抗弯断面模数,标准试件的抗弯断面模数,m m3 3。 工程上所用金属材料,不仅希望具有高的工程上所用金属材料,不仅希望具有高的s值,而且还希望值,而且还希望具有一定的屈强比(具有一定
7、的屈强比(s /b)。)。 屈强比愈小,就具有较大的塑性储备,愈不容易发生危险和屈强比愈小,就具有较大的塑性储备,愈不容易发生危险和脆性破坏,但是,屈强比太低,材料的强度水平就不能充分发挥。脆性破坏,但是,屈强比太低,材料的强度水平就不能充分发挥。 反之,屈强比愈大,材料的强度水平就能得到充分发挥,但反之,屈强比愈大,材料的强度水平就能得到充分发挥,但塑性储备较小。实际上,还是希望屈强比高一些。塑性储备较小。实际上,还是希望屈强比高一些。(3 3)蠕变强度()蠕变强度(n n) 蠕变:是指高温时,在一定应力下,应变随时间而增加的现蠕变:是指高温时,在一定应力下,应变随时间而增加的现象,或者金属
8、在高温和应力作用下,逐渐产生塑性变形的现象。象,或者金属在高温和应力作用下,逐渐产生塑性变形的现象。 材料在高温条件下,抵抗发生缓慢塑性变形的能力,用蠕变材料在高温条件下,抵抗发生缓慢塑性变形的能力,用蠕变强度强度n(MPa)表示。)表示。 (4)持久强度()持久强度(D) 在给定温度下,促使试样或工件经过应定时间发生断裂的应在给定温度下,促使试样或工件经过应定时间发生断裂的应力叫做持久强度,以力叫做持久强度,以D (MPa)表示。)表示。 (5)疲劳强度)疲劳强度 构件与零件,受到大小及方向变化的交变载荷而使金属材料构件与零件,受到大小及方向变化的交变载荷而使金属材料的应力远低于屈服点时即发
9、生断裂的现象称为的应力远低于屈服点时即发生断裂的现象称为“疲劳疲劳”。 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,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,称为称为“疲劳极限疲劳极限”。 实际上把经实际上把经106次次108次循环试验作为疲劳强度,用次循环试验作为疲劳强度,用-1(MPa)表示。)表示。 2、塑性、塑性 金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。(1)延伸率()延伸率() 试件受拉力拉断后,总伸长的长度与原始长度之比的
10、百分率,试件受拉力拉断后,总伸长的长度与原始长度之比的百分率,称为延伸率,以称为延伸率,以(%)表示。)表示。 =l lk k/ /l l0 0100%=100%=(l lk k- -l l0 0)/ /l l0 0100%100% l lk k试件断裂后的标距长度,试件断裂后的标距长度,mm; L L0 0试件的原始标距长度,试件的原始标距长度,mm; l lk k断裂后时间的绝对伸长,断裂后时间的绝对伸长,mm。 l lk k =l lB B+l lU U 其中,其中,l lB B为均匀伸长,为均匀伸长,l lU U为缩颈处的集中伸长变形为缩颈处的集中伸长变形。 (2)断面收缩率()断面收
11、缩率() 试件受拉力拉断后,断面缩小的面积同原始截面面积比值得试件受拉力拉断后,断面缩小的面积同原始截面面积比值得百分率,叫做断面收缩率,以百分率,叫做断面收缩率,以(%)表示。表示。 =(F0-Fk)/F0100% FK 断裂后试件的最小截面积,断裂后试件的最小截面积,mm2 ; F0 试件的原始截面积,试件的原始截面积,mm2。 断面收缩率断面收缩率与试件尺寸无关,它能更可靠、更灵敏的反映与试件尺寸无关,它能更可靠、更灵敏的反映材料塑性的变化。材料塑性的变化。 延伸率和断面收缩率,都是用来度量金属材料塑性大小的,延伸率和断面收缩率,都是用来度量金属材料塑性大小的,延伸率和断面收缩率愈大,表
12、示金属材料的塑性愈好。延伸率和断面收缩率愈大,表示金属材料的塑性愈好。 3、硬度、硬度 硬度是指金属材料抵抗硬度是指金属材料抵抗其他更应物体压入表面的能其他更应物体压入表面的能力。力。 硬度不是一个单纯的物硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料弹性、理量,而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指强度与塑性等的综合性能指标。标。 常用的硬度指标可分为常用的硬度指标可分为 布氏硬度(布氏硬度(HB) 洛氏硬度(洛氏硬度(HR) 维氏硬度(维氏硬度(HV)PDd图(1-1)布氏硬度试验示意图4、冲击韧性(、冲击韧性(K K) 冲击韧性是衡量材料韧性的一个指标。冲击韧性是衡量材料韧性的一个指标。 它
13、反映材料在外来它反映材料在外来冲击力作用下的抵抗力。冲击力作用下的抵抗力。 工程上常用一次摆锤冲击试验来测定金属受冲击载荷的能力。工程上常用一次摆锤冲击试验来测定金属受冲击载荷的能力。冲击试样的安放G冲击试验原理5、缺口敏感性、缺口敏感性 缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件下,材料缺口敏感性是指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,属于材料的韧性范畴。抵抗裂纹扩展的能力,属于材料的韧性范畴。二、物理性能二、物理性能 金属材料的物理性能有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、金属材料的物理性能有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。导电性、磁性
14、、弹性模数与泊桑比等。1 1、热膨胀性、热膨胀性 金属及合金受热时,一般来说体积都要胀大(即几何尺寸要金属及合金受热时,一般来说体积都要胀大(即几何尺寸要伸长),这一特性称为热膨胀性。伸长),这一特性称为热膨胀性。 通常应用的线膨胀系数,以通常应用的线膨胀系数,以表示。表示。 2、弹性模数与泊桑比、弹性模数与泊桑比 材料在弹性范围内,应力和应变成正比,这个比材料在弹性范围内,应力和应变成正比,这个比例系数称为弹性模数,以例系数称为弹性模数,以E(MPa)表示。表示。 金属的弹性模数主要取决于金属原子结构、结晶金属的弹性模数主要取决于金属原子结构、结晶点阵和温度等因素,而合金化、热处理和冷热加工
15、等因点阵和温度等因素,而合金化、热处理和冷热加工等因素对它的影响很小,因此它是金属材料最稳定的性能之素对它的影响很小,因此它是金属材料最稳定的性能之一。一。 E值随温度的升高而逐渐降低。值随温度的升高而逐渐降低。 泊桑比是试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比,泊桑比是试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比,以以表示。表示。 三、化学性能三、化学性能 金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性,金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性,即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。 金属的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。金属的化学性
16、能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。四、工艺性能四、工艺性能 金属和合金的工艺性能包括:金属和合金的工艺性能包括: 铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能和冷弯性铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能和冷弯性能。能。五、其他性能五、其他性能 1、组织稳定性、组织稳定性 2、抗松弛性、抗松弛性 3、应变时效敏感性、应变时效敏感性 一、分类一、分类 1、黑色金属、黑色金属 (1)生铁)生铁可分为可分为炼钢生铁炼钢生铁、铸造生铁铸造生铁(简称铸铁)(简称铸铁)和和合金生铁合金生铁。 (2)钢)钢 平炉钢平炉钢 酸性钢酸性钢 沸腾钢沸腾钢按炼制方法分类按炼制方法分类 转炉钢转炉钢 及及 和和
17、镇静钢镇静钢 电炉钢电炉钢 碱性钢碱性钢 半镇静钢半镇静钢 低碳钢(含碳量低碳钢(含碳量0.6%)按化学成分按化学成分 低合金钢(合金元素含量低合金钢(合金元素含量10%) 普通钢普通钢按质量分类按质量分类 优质钢优质钢 高级优质钢高级优质钢 建筑钢建筑钢 碳素结构钢碳素结构钢 结构钢结构钢 按用途分类按用途分类 合金结构钢合金结构钢 弹簧钢弹簧钢 轴承钢轴承钢 工具钢工具钢 特殊性能钢(如不锈钢、耐热钢等)特殊性能钢(如不锈钢、耐热钢等) (3)镇静钢、半镇静钢与沸腾钢)镇静钢、半镇静钢与沸腾钢 按照炼钢时脱氧情况和锭模形式的不同,钢又分为按照炼钢时脱氧情况和锭模形式的不同,钢又分为:镇静钢
18、、半镇静钢和沸腾钢。镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。 有色金属有色金属 : 纯铜(紫铜)纯铜(紫铜) 铜锌合金(黄铜)铜锌合金(黄铜) 铜锡合金(锡青铜)铜锡合金(锡青铜) 无锡青铜(铝青铜)无锡青铜(铝青铜) 铝及铝合金铝及铝合金 钛及钛合金钛及钛合金 镁及镁合金镁及镁合金 铅、锡及合金铅、锡及合金 锌及合金锌及合金 镍、钴及合金镍、钴及合金铜及其合金铜及其合金轻金属及合金轻金属及合金其他有色金属及合金其他有色金属及合金按合金成分按合金成分 钢和铸铁是由钢和铸铁是由95%以上的铁和以上的铁和0.05%4%的碳及的碳及1%左右的其左右的其他杂质元素所组成的,因此钢和铸铁又称为他杂质元素所组成的,因此
19、钢和铸铁又称为“铁碳合金铁碳合金”。 一般含碳量在一般含碳量在0.02%2%的又称为钢,含碳量大于的又称为钢,含碳量大于2%的称为的称为铸铁。铸铁。 当含碳量小于当含碳量小于0.02%时,称为工程纯铁,极少使用;时,称为工程纯铁,极少使用; 当含碳量大于当含碳量大于4.3%时,铸铁太脆,没有实用价值时,铸铁太脆,没有实用价值 一、铁碳合金的组织结构一、铁碳合金的组织结构 1 1、金属的组织与结构、金属的组织与结构 在低于在低于1500倍的显微镜下观察到的金属晶粒,称为金属的显微倍的显微镜下观察到的金属晶粒,称为金属的显微组织,简称组织;用组织,简称组织;用X光和显微镜观察到金属原子的各种规则排
20、列,光和显微镜观察到金属原子的各种规则排列,称为金属的晶体结构,简称结构。称为金属的晶体结构,简称结构。 金属的显微组织金属的显微组织 2、铁的同素异构转变、铁的同素异构转变 体心立方晶格的纯铁称为体心立方晶格的纯铁称为-Fe,而面心立方晶格的纯铁称为而面心立方晶格的纯铁称为-Fe。 -Fe -Fe -Fe-Fe 固态下晶体构造随温度发生改变的现象,称为固态下晶体构造随温度发生改变的现象,称为“同素异构同素异构转变转变”。 910-Fe-Fe3 3、铁与碳的、铁与碳的相互关系和相互关系和碳钢的基本组织碳钢的基本组织(1 1)铁素体)铁素体碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe所形成的固所形成的固溶体叫做
21、铁素体,以溶体叫做铁素体,以F F表示表示(2 2)奥氏体)奥氏体碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe所形成的固溶所形成的固溶体叫做奥氏体,以体叫做奥氏体,以A A表示。表示。 碳溶于碳溶于-Fe中的示意图中的示意图碳溶于碳溶于-Fe中的示意图中的示意图(3 3)渗碳体)渗碳体 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,称为渗碳体铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,称为渗碳体(C)(4 4)珠光体)珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物,称为珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物,称为珠光体(P)(5 5)莱氏体)莱氏体 珠光体和初次渗碳体的共晶混合物,称为莱氏体珠光体和初次渗碳体的共晶混合物,称为莱氏体(L)(6
22、6)马氏体)马氏体 钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来得到一种碳原子在钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来得到一种碳原子在-Fe中中过饱和的固溶体,称为马氏体过饱和的固溶体,称为马氏体(M)。 二、铁碳合金状态图二、铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是描绘铁碳合金内部组织、成分铁碳合金状态图是描绘铁碳合金内部组织、成分(含碳量)与温度关系的相图,它能显示出不同含碳量(含碳量)与温度关系的相图,它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律。的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律。三、碳三、碳 钢钢 普通碳素钢中除碳以外还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、普通碳素钢中除碳以外还含有少
23、量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等元素。这些元素往往并非为改善钢材质量而有意加入的,而氢等元素。这些元素往往并非为改善钢材质量而有意加入的,而是由于矿石及炼制等原因进入钢的,统称为杂质。是由于矿石及炼制等原因进入钢的,统称为杂质。 四、钢的热处理四、钢的热处理 钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式,以改变其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,满足所要求的物理、化学与机械性能,这样的加工工艺称组织,满足所要求的物理、化学与机械性能,这样的加工工艺称为热处理。为热处理。 经过热处理的设备和零件可使其材料各种性能按所需要求得经过热处理的设备和零件可使其材料各种性能按所需要求得
24、到改善和提高,充分发挥合金元素的作用和材料潜力,延长使用到改善和提高,充分发挥合金元素的作用和材料潜力,延长使用寿命和节约金属材料的消耗。普通廉价的碳素钢,经过专门的热寿命和节约金属材料的消耗。普通廉价的碳素钢,经过专门的热处理以后,其性能有时并不比合金钢差。处理以后,其性能有时并不比合金钢差。 加热保温时间温度钢的热处理工艺曲线冷却 钢的热处理工艺一般分钢的热处理工艺一般分为为退火、正火、淬火退火、正火、淬火和和回火回火等等 。1 1、退火与正火、退火与正火 退火是把工件加热到临界点以上的一定温度,保温一退火是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,以得到接
25、近平衡状段时间,然后随炉一起缓慢冷却下来,以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法态组织的一种热处理方法 退火和正火不同之处,在于正火是将加热后的工件从炉中取退火和正火不同之处,在于正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来,它的冷却速度要比退火快一些,因而晶出置于空气中冷却下来,它的冷却速度要比退火快一些,因而晶粒细化。粒细化。 退火和正火相似点:可降低温度,提高塑性;调整组织,部退火和正火相似点:可降低温度,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。分改善机械性能;使组织均匀化,消除部分内应力。 温度完全退火 正火正火扩散退火球化退火再结晶退火低温退火温度完全
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