第一章 容器设计的基本知识(云南大学2010版)

弹性变形、塑性变形或破断的能力。
布氏硬度HB（一般在HB650以上就不能使 用) 、 洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材 料) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测 定极薄试样的硬度) ，显微硬度。
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
适用范围:
布氏硬度计
＜450HBS;
1、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。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD
材料在给定温度下，
抵抗发生断裂的能力。
疲劳极限σn
• 定义：在一定温度下，经过一定时 间断裂时的应力，以sD 表示，单 位MPa 。 ----是一定温度和一定载荷下，材料 抵抗断裂的能力。 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。
（2）缺口敏感性
冲击韧性？ ——是动载荷作用下抵抗 裂纹扩展的能力。
指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件 下，抵抗裂纹扩展的能力。
图1-3 冲击试验的标准试样
4、硬度：
硬度高材料强度也高，耐磨性较好!
金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗
第三节 一、分类
1、金属的分类
生铁 黑色金属 钢
金属材料的分类及牌号
炼钢生铁 铸造生铁 合金生铁 纯铜（紫铜） 铜锌合金（黄铜）
金属
铜及其合金
铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等） 铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金 铅、锡及其合金
有色金属
轻金属及其合金
其它有色及其合金
锌及其合金 镍、钴及其合金
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD
金属在拉伸条件下， 从开始加载到发生 断裂所能承受的最
大应力值，叫作抗
拉强度。
疲劳极限σn
• 定义：金属材料在受力过程中， 发生断裂所达到的最大应力值，
以σb 表示，单位MPa。
是压力容器设计常用的性能指标。 屈强比：ss/
sb
4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。
包含：刀具耐用度较高；切削力较小，切削温度较低。
容易获得良好的表面加工质量。 容易控制切屑的形状或容易断屑。
含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。
5.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。 含碳量越高，冲压性越差。
6.热处理工艺性：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。 如：淬硬性、淬透性。
强 度
塑 性
韧 性
硬 度
金属材料的变形和破坏过程 （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑变形阶段 （3）断裂 A、韧性断裂 B、脆性断裂
1、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。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD
金属材料承受载荷作用， 当载荷不再增加或缓慢 增加时，仍继续发生明 显的塑性变形，这种现 象就称为屈服。
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
小
结
材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、 硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位， 但使用时要考虑温度的变化。
例如：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？
2、弹性模量E • 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ ＝Eε，这个比例系数E称为弹性模量，表示金 属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。 • 对不同材料，材料的弹性模量越大．使它产生 一定量的弹性变形的应力也越 大 。对同一 种材料，弹性模数E随温度的升高而 降 低 。
1、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。
屈服强度σs(σ0.2) 抗拉强度σb 蠕变强度σn 持久强度σD 材料在交变载荷作用下，
会在远低于材料本身的屈
服点时就已经断裂了，这 种现象就是疲劳。我们把 经过106~108次循环试验 作为疲劳强度。
而不发生断裂的最大应力，
疲劳极限σn
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！
3、韧性：
表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量 的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。 承受静载荷抗裂纹扩展的能力—— 缺口敏感性 承受动载荷时抗裂纹的能力—— 冲击韧性
选材的原则
• 材料品种应符合我国资源和供应情况
• 材质可靠，能保证使用寿命
• 要有足够的强度，良好的塑性和韧性
• 对腐蚀性介质能耐腐蚀
• 便于制造加工，焊接性能良好
• 成本低
第二节
材料的性能
一、力学性能 材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行 为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允 许的变形或不被破坏的能力。
1.铸造性能——指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能， 包括：流动性能、收缩性、偏析等。含碳量越高，铸造性越好。 2.焊接性能——指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。
含碳量越高，焊接性越差。
3.锻造性能——金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。
含碳量越高，锻造性越差。
例如:※容器爆裂；※管道破裂; ※地脚螺栓拉断; ※炉管爆 裂；….. ——强度不够！
疲劳极限σn
拉伸试验（屈服点和抗拉强度）
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试样
拉伸试验机
常温拉应力下20号钢的拉抻试验
l0=10d0
l0= 5d0
或
开始出现塑性变形时的应 力，称为“屈服点”ss
从开始加载到发生断裂所 能达到的最大应力值，叫 s 做抗拉强度。 b载荷作周性变化交变应力与疲劳破坏
材料的疲劳极限及其测定
2、塑性：
金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的 能力。
• 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
主要指标：
(1) 延伸率（δ）
如：纯铁的延伸率为50% 20R的5不小于25% 16MnR的5不小于21% 1Cr18Ni9Ti的5不小于40%。
• 屈服点： （ss） ——材料发生屈服时的应力 。 单位：MPa。 ——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”。 记作σ0.2 。
其他塑性材料拉伸时的力学性能
脆性材料——铸铁的拉伸应力应变曲线
1、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。
2、钢的分类
• 镇静钢
在 浇 注 前 用 Si 、 Al 等 把钢液完全脱氧，把 FeO 中 的 氧 还 原 出 来 ， 生成SiO2 和A12O3 ，使得 钢中含氧量不超过0.01 ％，(通常是0.002％～ 0.003％)。成材率较低， 成本较高，重要用途的 优质碳钢和合金钢大都 是镇静钢。
• 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 ——疲劳。 • “疲劳极限”——构件或零件在交变载荷作用下不致断 裂的最大应力。表示符号：σ-1 (MPa)。 • 例如： 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。
材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性变性
2、es段：水平线（略有波动）明显的 塑性变形屈服现象，作用的力基本不变， 试样连续伸长。
3、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形
4、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。
• 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。
Ak =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。
注意！韧性是材料在外加动载荷 突然袭击时的一种及时和迅速塑性 变形的能力。韧性高的材料，一般 都有较高的塑性指标；但塑性较高 的材料，却不一定都有高的韧性。 其所以如此，就是因为静载菏下能 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。
绪
一、问题的提出
（一）设备是工艺的基础 （二）材料是设备的基础
论
二、课程内容
（一）基础篇——材料
材料的性能 常用三类钢
碳钢
合金钢
特殊性能钢
（二）理论篇——中低压容器设计（内压和外压）
内压容器
液位计 管口 人孔
外压容器的失稳
封头
支座
筒体
（三）实践篇——典型设备（换热器、塔设备、搅拌器）
换热器
塔设备
（1） 冲击韧性及指标（Ak）
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。
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
冲击韧性( notch toughness ):
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力。
冲击韧性值的试验确定
• 摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：
（2）断面收缩率（y）
F0 Fk y 100% F0 式中F0 试件的原始截面积； Fk 断裂后试件的最小截面 积。