第一章_化工设备常用材料及其讲义选择(1)

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1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
在此阶段，曲线上升
坡度变缓，在C点附近， 应力几乎不变的情况
下，试件的应变量在 增加，此时我们认为
b c s
材料对外力“屈服”
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o
1.2 材料的性能
❖ 屈服
❖
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，
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1.2 材料的性能
三、硬度 四、冲击韧性 五、缺口敏感性 以上为课下自学内容 思考题：韧性与塑性的关系
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1.2 材料的性能
1.2.2 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E
σ=Eε,这个比例系数E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、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。
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1.1 概 述
1.1.2 选用材料的一般要求
（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）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，经济上合算。
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化工生产自身的特点： 1、生产的连续性强 2、生产的条件苛刻
介质的腐蚀性强 ；温度和压力变化大 介质大多易燃易爆有毒性 生产原理的多样性
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本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择（第1章） 2、化工容器的设计（第2-6章）
1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 开孔补强 ）。 3、典型化工设备的机械设计（第7-8章） 1）换热器； 2）塔设备；
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1.2 材料的性能
2.其它材料的拉伸曲线
（1）无屈服阶段塑性材料 只有弹性和强化阶段，没有明显的屈服阶段，但有良
好的塑性。 σ
锰钢
镍钢
青铜
O σ-ε曲线
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1.2 材料的性能
❖ 无明显屈服点的材料，工程中规定发生 0.2％残余伸长时的应力，作为“条件屈服 点” ，用σ0.2表示。
蠕变速度：变形增长的速度叫蠕变速度。 蠕变条件：高温；一定的应力。
蠕变速率与应力和温度成正比。
蠕变变形是不可恢复的塑性变形。
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1.2 材料的性能
蠕变极限σn： 通常把在某一高温下，为使试件在10万小时
内的塑性应变值不超过1％，允许试件能承受的最高 应力值，称为材料在该温度、该蠕变速度条件下的蠕 变极限。
这种现象，习惯上称为“屈服”。
❖ 屈服点（σs）
❖
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σs (MPa)
表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
❖ 注：应力不是力，是压强。
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1.2 材料的性能
s
Ps F0
载荷不再增加，甚至有所降低时， 试件还在继续伸长的最小载荷， N
ε=Δl / l0 σ=P / Fo
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应力-应变关系曲线
1.2 材料的性能
金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑性变形阶段 （3）断裂
断裂的两种形式： 脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。
（更危险） 韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。
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（4）颈缩阶段（df段）
当载荷加到上述最大值
后，我们会发现在试件
的某个部位直接突然变
细，出现所谓的“颈缩”
现象。
d
f
f点为断裂点
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1.2 材料的性能
将从材料开始出现颈缩时的最高名义压力表示为
P b ，其反应的是材料抵抗断裂能力的大小
抗拉强度（ σb ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断
第一章_化工设备常用材料及其选择(1)
化工生产和化工机械
化工生产是以流体（气体、液体、粉体） 为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获 得设计规定的产品为目的的工业生产。
化工生产过程的决定因素：化学工艺过程
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
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化工机器（动设备）
化工设备：
1.2 材料的性能
1、 低碳钢在外力作用下
的变形和破坏过程
d
b
f
e P
b a c s
o
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比例极限σp 弹性极限σe 屈服强度σs 强度极限σb
……
1.2 材料的性能
（1）弹性变形阶段与虎克定律（Ob段） 在弹性阶段内，应力与应变成直线关系
tan E
E ……(1)
E为弹性模量，其单位和应力
压缩 拉伸
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1.2 材料的性能
（2）脆性材料 脆性材料在受压缩时所显示的力学性能的最大特点是抗压 强度限比抗拉强度限高出数倍
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1.2 材料的性能
3、温度对材料机械性能的影响
（1） 温度对材料力学性能的影响（短时静载） 短时、静载：试验在短时间内完成，载荷逐渐增加。
总趋势：温度升高，E、s 、b下降， 增大。
试件的原始横截面积， m2
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1.2 材料的性能
（3）强化阶段(cd段) 材料过了屈服点后，曲线又开始 上升，曲线陡度变得十分平缓，这
说明材料又具备较弱的抵抗形变
的能力，称强化阶段 特点：（1）大比例的塑性变 形，少量的弹性变形；
（2）所加拉力达到最大值
d
b
c
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1.2 材料的性能
e P
b
a
相同，如何理解弹性模量？
o
(1)式称为虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负
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1.2 材料的性能
横向线应变：
' d1 d d
dd
d
ε' 为横向线应变
研究表明在弹性阶段杆件的横向
应变ε'和轴向应变ε之比的绝对
值是一个常数
d1
拉伸
' ，称为横向变形系数或者泊桑比
裂所能承受的最大应力值，叫做抗拉强度。
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b
Pb F0
1.2 材料的性能
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。 屈强比（ σs / σb ）：
屈强比越小，材料的塑性储备越大，越不容易发生 危险的脆性破坏；
屈强比越大，材料的强度水平发挥好，但塑性储备 越小。
蠕变极限的物理意义：反映材料在高温条件 下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。
影响蠕变极限的因素：材料、温度、变形速 度
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1.2 材料的性能
持久强度σD ：在一定高温下，在规定时间内不发生 断裂所允许的最高应力，称为材料在该温度下、该持续 时间内的持久强度限。
蠕变极限σn和持久强度σD都是材料的高温强度指标。
选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的 原则。
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1.2 材料的性能
❖ 材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、 工艺性能
❖ 物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率、 弹性模数、泊桑比等；
❖ 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性
❖ 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。主要有：铸造性能、锻造性能、焊接
二、塑性
塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久 变形的能力。
塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变 形而不被破坏的能力。
常用的塑性指标是延伸率（δ）和断面收缩 率（ψ）。
1、延伸率（ δ）
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l1 l0
l0
1.2 材料的性能
2、断面收缩率（ψ）
F0 FK 100%
F0 断面收缩率与尺寸无关。 延伸率和断面收缩率越大，表示金属材料的塑性越 好。
温度对低碳钢δ和ψ值的影响
1.2 材料的性能
低温对材料力学性能的影响： 碳钢、低合金钢：强度（弹性、屈服点等）提高，脆
性增加（延伸率δ↓），具有冷脆性（冷脆现象）。 不锈钢、铜、铝等无此现象
化工容器中凡是在-20℃以下操作的容器，且容器壁 应力又达到材料常温屈服极限的1/6时，定为低温压力容 器，其选材、设计、制造、检验等均有特殊要求。（自 学内容：第2章容器设计的基本知识）
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1.2 材料的性能
2、泊桑比μ 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。
性能、切削加工性能、热处理性能。
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1.2 材料的性能
1.2.1、力学性能
材料的力学性能：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。 主要特征指标：强度、塑性、弹性、韧性、硬度等 一、强度
强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形 和断裂的特性。
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1.2 材料的性能
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1.2 材料的性能
2）应力松弛
应力松弛：在一定的高温下，构件上的总变形不变时， 弹性变形会随时间而转变为塑性变形（原因为蠕变），从 而使构件内的应力变小的现象。