化工设备材料及其选择

第一章 化工设备材料及其选择

本章重点：材料的力学性能及化工设备材料的选择 本章难点：材料的性能 建议学时：4学时

第一节 概述

一、化工设备选材的重要性和复杂性

1、 操作条件的限制

2、 制造条件的限制

设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。 3、 材料自身性能的限制

二、选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。

(1)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；

(3)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； (4)便于制造加工，焊接性能良好； (5)成本低。

第二节 材料的性能

一、力学性能

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，叫做材料的力学性能。主要包括

强度、塑性、韧性和硬度，这是设计时选用材料的重要依据。

1、强度

压力 (从高真空到几千大气压,故有强度要求)

(-250℃~2000℃，材料受冷、热)

温度 介质 酸碱（腐蚀）、核反应堆中子照射（变脆)

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。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。

（我们先看两个实例，再作总结） [实例1]常温拉应力下20号钢的拉抻试验 [实例2]高碳钢T10A 的拉伸试验 (1)屈服点（

）

金屑材料承受载荷作用，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，习惯上称为“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，称为“屈服点”，用

(MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。 条件屈服点（）工程中规定发生0.2％残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”

(2)抗拉强度（

）

金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，

(3) 蠕变极限（

（

3）注意： 的大小与试件尺寸有关；

的大小与试件尺寸无关。

（试件计算长度为试件直径5倍时，用表示）

2、韧性

(韧性是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。我们常用冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力，用缺口敏感性表示材料承受静载荷时抗裂纹扩展的能力。)

（1）冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用冲击吸收功A K 或冲击韧度表示αK 表示。

s

σ

s

σ

2

.0σ

b

σ

δψ

5δ

冲击功A K=GH1-GH2，而冲击韧度αK= A K/F（F为面积）

2）断裂机理：

冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，它的断裂过程是一个裂纹发生和扩展的过程。在裂纹向前发展的道路中，如果塑性变形能发生在它的前面，就可以制止裂纹的长驱直入。它要继续发展，就需另找途径，这样．就能消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决

定于材料有无迅速塑性变形的能力。

3）韧性与塑性：

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。

（2）缺口敏感性

（也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的缺口敏感性。）4、硬度

衡量材料软硬的一个指标

（一般用布氏硬度-----HB，较软；洛氏硬度-----HRC较硬；维氏硬度----HV，另有显微硬度）

总之，在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。

二、化学性能

（主要指耐腐蚀性和抗氧化性）

1、耐腐蚀性：

金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力。

2、抗氧化性：

在现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温化工设备等，它们在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。

三、工艺性能

金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对于设计压力容器最重要的两个性能是： 1、良好的冷热加工性能

例A ：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。 例B ：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故。 2、良好的焊接性能

例：某工厂某容器焊缝裂纹扩展，造成事故。

四、物理性能

主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。 1、弹性模数

，这个比例系数称为弹性模数，弹性模数是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，材料的弹性模数越大．使它产生一定量的弹性变形的应力也越大。对同一种材料，弹性模数随温度的升高而降低。 2、泊桑比

泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数，即

0.3

第三节 金属材料的分类及牌号

一、分类

1、金属的分类

E εσE =E E μ

μ

≈

铸造生铁

生铁

炼钢生铁

合金生铁