1化工设备材料及其选用A
化工设备机械基础
• ⑤产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般 要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产 中间产品，则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低， 此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个 生产系统的经济效果来确定。
• 三、容器零部件的标准化
• 1．标准化的意义
• ①组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于 成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而 提高产品的竞争能力。
金属腐蚀破坏的形式: 均匀腐蚀与非均匀腐蚀（又称局部腐蚀）
金属设备的防腐措施：
1、衬覆保护层 2、电化学保护 3、缓蚀剂
第二章 容器设计的基本知识
• 一、容器的分类与结构 • （一）结构
• （二）分类 • 第一种：按设计压力分类 • 按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。 • 内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级：：
一化学腐蚀：金属遇到干燥的气体或非电解质溶液而发生化 学作用所引起的腐蚀。其产物在金属的表面，腐蚀过程 中没有电流的产生。
二氢腐蚀：氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)下 对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温 高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和 塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。
（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 • 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
化工设备机械基础习题解答
第一章化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组B组：第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2. 圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。
αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa ，a=1010mm ，b=505mm ，S=20mm 。
B 点处坐标x=600mm 。
25051010==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ五、 工程应用题1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm ，壁厚为16 mm ，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力σσθ和m。
【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2. 有一平均直径为10020 mm 的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm ，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。
第一章化工设备机械基础-2
3.1 布氏硬度HB（始于1900年，历史悠久）
试验中，如果材料布氏硬度小于450，采用钢球压头，用HBS表 示；如果材料布氏硬度大于450且小于650，则采用硬质合金球 压头，布氏硬度用HBW表示。如果硬度大于650 HBW，测量结 果不准确，需改用洛氏硬度。
2P
HB D D D 2 d 2
1. 金属腐蚀的评定方法
(1). 根据重量变化来评定金属的腐蚀
K
p0 p1 F t
g
m2 h
• 一般只应用于均匀腐蚀。
(2). 根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀
24 365 K
K
Ka 1000
8.76 (mm / a)
2. 金属腐蚀的分类
2.1 化学腐蚀
4.2 缺口敏感性
定义：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。
物理学性能
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、线膨胀系数α
热膨胀性
1 l
l t
不同钢种的焊接，要考虑到它们的线膨胀系数是否接近，以避免因膨胀量不 等而使构件变形或损坏。有些设备的衬里及组合件，应注意材料的线性膨胀 系数要和基体材料相同或相近，以防止受热后因膨胀量不同而松动或破坏。
化工设备机械基础
第一章 化工设备材料及其选择
第二讲
3. 硬度
定义：材料抵抗其它更硬物压入表面的能力
常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头压 入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时， 压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。
根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛氏 硬度和维氏硬度。
化工设备机械基础试题库完整
化工设备机械基础试题库一、填空力学基础部分1．在外力的作用下,杆件可产生变形的基本形式为轴向拉、压、剪切、扭转、弯曲。
2．就所受外力而言,受剪切直杆与受弯的梁二者之间的区别是受剪横向外力作用线相距很近、受弯横向外力作用线相距很远。
3．从工程意义上讲,材料的破坏可分为二类,一类是脆性断裂破坏,应采用第一或二强度理论解释其破坏原因；另一类是屈服流动破坏,应采用第三或四强度理论解释其破坏原因。
4．碳钢和铸铁都是铁塑性材料；而铸铁是典型的脆性材料。
和碳组成的合金,但是它们却有非常明显的性能差别,低碳钢是典型的5．碳钢和铸铁都是铁和碳组成的合金。
一般来说,对钢材性能有害的元素是硫和磷,其有害作用主要表现在硫使钢材发生热脆,磷使钢材发生冷脆。
6．碳钢和铸铁中的主要化学元素除铁外还有碳 2.11% 时为碳钢；如果组成的合金中碳含量大于2.11% 时为铸铁。
,如果组成的合金中碳含量小于7．就钢材的含碳量而言,制造压力容器用钢与制造机器零件用钢的主要区别是制造容器用低碳钢,而制造机器零件用中碳钢。
其主要原因是低碳钢有良好的塑性与焊接性能,中碳钢可以通过调质提高其综合机械性能。
8．从应力角度看,等壁厚、内径和内压均相同的球形容器比圆筒形容器具有优越性,二者经向应力相同,而周向（环向）2倍。
应力不同,圆筒形容器是球形容器9．受气体内压的锥形壳体,壳体上的薄膜应力随距锥顶经向距离的增大而增大,锥顶处应力为零,最大应力位于锥底处。
10．标准椭圆形封头的长、短半轴之比等于2,这种封头的最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,最大压应力位于壳体的赤道。
11．标准椭圆形封头最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,位于壳体的赤道出现经向的最大压应力,其绝对值与最大拉应力值相等。
12．边缘应力的两个基本特征是局部性,自限性。
13．圆锥壳与圆柱壳的连接点A处圆锥壳的第一主曲率半径为_______,第二主曲率半径为________。
锥顶处B点的第一主曲率半径为__________,第二主曲率半径为_________。
化工设备机械基础习题解答86184
第一章化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组B组：第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2.圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。
αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa ，a=1010mm ，b=505mm ，S=20mm 。
B 点处坐标x=600mm 。
25051010==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ五、 工程应用题 1.某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm ，壁厚为16 mm ，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力σσθ和m。
【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2.有一平均直径为10020 mm 的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm ，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。
第1章 化工设备材料及其选择
影响金属疲劳强度的因素主要有：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。
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2. 塑性
塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏 的能力。
塑性变形：外力去除后保留的永久变形。 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
13
而不断减薄，最后可能导致管道破裂； 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；
9
蠕变极限的定义：
① 材料在某一温度下经10万小时，发生1%变形量时的最大应力值 称为该温度下的蠕变强度，MPa
② 材料在某一温度下，引起规定变形速度( v 1105 mm/(mm h)) 的应力值称为蠕变强度，MPa
第1章 化工设备材料及其选择
学习目的与 要求
了解化工设备材料的一般知识，了解常用材料的分类、性 能、参数及用途，初步具备合理选用化工设备材料的能力。
1
1.1 概述
化工过程复杂性、苛刻性对材料提出的高要求
温度：化工设备用材，承受的温度范围极广
烃类原料的热裂解
1100 ℃ ～1300 ℃
烃类蒸汽转化制备合成氨原料气
26
1.3 金属材料的分类与牌号
金属的分类
黑色金属 有色金属
生铁
钢 铜及其合金 铝及其合金 钛及其合金
纯铜 黄铜 铜锡合金 无锡合金
锌及其合金
……
1.3.1 碳钢&铸铁
钢 或是 铁? 含量
碳 Carbon 与Fe的结合方式
28
1.3.1 碳钢&铸铁
C 含量
工业纯铁
+1% other elements
QT 400 — 15 QT 450 — 10 QT 450 — 10
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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（ n ）
蠕变现象
联合作用下
高温 （比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）
一定应力
金属将逐渐产生塑性变形
[实例 1] （某工厂的蒸汽管，由于存在蠕变，管径随时间的延长不断增大，壁厚减薄，最 后导致破裂。） [实例 2] （汽轮机的叶片，可能因蠕变发生过大的塑性变形，以致与轮壳相碰而打碎。）
3
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力根通保据过护生管高产线中工敷资艺设料高技试中术卷资，配料不置试仅技卷可术要以是求解指，决机对吊组电顶在气层进设配行备置继进不电行规保空范护载高与中带资负料荷试下卷高问总中题体资，配料而置试且时卷可，调保需控障要试各在验类最；管大对路限设习度备题内进到来行位确调。保整在机使管组其路高在敷中正设资常过料工程试况中卷下，安与要全过加，度强并工看且作护尽下关可都于能可管地以路缩正高小常中故工资障作料高；试中对卷资于连料继接试电管卷保口破护处坏进理范行高围整中，核资或对料者定试对值卷某，弯些审扁异核度常与固高校定中对盒资图位料纸置试，.卷保编工护写况层复进防杂行腐设自跨备动接与处地装理线置，弯高尤曲中其半资要径料避标试免高卷错等调误，试高要方中求案资技，料术编试交写5、卷底重电保。要气护管设设装线备备置敷4高、调动设中电试作技资气高，术料课中并3中试、件资且包卷管中料拒含试路调试绝线验敷试卷动槽方设技作、案技术，管以术来架及避等系免多统不项启必方动要式方高，案中为；资解对料决整试高套卷中启突语动然文过停电程机气中。课高因件中此中资，管料电壁试力薄卷高、电中接气资口设料不备试严进卷等行保问调护题试装，工置合作调理并试利且技用进术管行，线过要敷关求设运电技行力术高保。中护线资装缆料置敷试做设卷到原技准则术确：指灵在导活分。。线对对盒于于处调差，试动当过保不程护同中装电高置压中高回资中路料资交试料叉卷试时技卷，术调应问试采题技用，术金作是属为指隔调发板试电进人机行员一隔，变开需压处要器理在组；事在同前发一掌生线握内槽图部内 纸故，资障强料时电、，回设需路备要须制进同造行时厂外切家部断出电习具源题高高电中中源资资，料料线试试缆卷卷敷试切设验除完报从毕告而，与采要相用进关高行技中检术资查资料和料试检，卷测并主处且要理了保。解护现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
第一章化工设备材料及其选择
第⼀章化⼯设备材料及其选择第六章化⼯设备材料及其选择⼀、名词解释：1、延伸率2、冲击功和冲击韧度3、耐腐蚀性4、屈服点5、抗拉强度6、普通碳素钢7、优质碳素钢8、不锈钢和不锈耐酸钢9、锅炉钢10、容器钢11、晶间腐蚀⼆、指出下列钢材的种类、含碳量及合⾦元素含量第七章容器设计的基本知识⼀、指出下列压⼒容器温度与压⼒分级范围⼀、名词解释1、第⼀曲率半径2、第⼆曲率半径3、区域平衡⽅程式4、微体平衡⽅程式5、⽆⼒矩理论6、边缘应⼒的局部性⼆、指出和计算下列回转壳体上诸点的第⼀和第⼆曲率半径A组：1、球壳上任⼀点2、圆锥壳上之M点3、碟形壳上之连接点A与 B三、计算下列各种承受⽓体均匀内压作⽤的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应⼒mσ和θσ1、球壳上任⼀点。
已知：p ＝2MPa ，D ＝1008mm ，S ＝8mm 。
(图3-34)2、圆锥壳上之A 点和B 点。
已知：p ＝0.5MPa ，D ＝1010mm ，S ＝10mm ，α＝30°。
(图3-35)3、椭球壳上之A 、B 、C 点。
已知：p ＝1MPa ，a ＝1010mm ，b ＝50.5mm ，S ＝20mm ，B 点处座标x ＝600mm 。
(图3-36)图3-34 图3-35 图3-36四、⼯程应⽤题1、有⼀平均直径为10020mm 的球形容器，其⼯作压⼒为0.6MPa ，厚度为20mm ,试求该球形容器壁内的⼯作应⼒。
2、有⼀承受⽓体内压的圆筒形容器，两端均为椭圆形封头。
已知圆筒平均⼯资直径为2030mm ,筒体与封头厚度均为30mm ，⼯作压⼒为3MPa ,试求：（1）圆筒壁内的最⼤⼯作应⼒；（2）若封头椭圆长、短半轴之⽐分别为2,2,2.5时，计算封头上薄膜应⼒m σ和θσ的最⼤值并确定其所在位置。
第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计⼀．名词解释1、弹性失效设计准则2、强度条件3、计算厚度4、名义厚度5、有效厚度6、最⼩厚度⼆．填空1、有⼀容器，其最⾼⽓体⼯作压⼒为1.6Mpa，⽆液体静压作⽤，⼯作温度≤150℃，且装有安全阀，试确定该容器的设计压⼒p=（）Mpa；计算压⼒p c=（）Mpa；⽔压试验压⼒p T=（）Mpa。
化工设备机械基础 化工设备材料及其选择
时效热处理：材料经固溶处理或冷塑变 形后，在室温或高于室温条件下，其组 织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力，稳定零件尺 寸，它与回火作用相类似。
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3、表面淬火
使零件表面层比心部具有更高的 强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而 心部则具有一定的韧性。
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4、化学热处理
有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳 与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨 和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。
测量方法（压入硬度）：测定一定的压力（F）和 规定的压头所形成的压痕深度或面积。
布氏硬度：HBS-钢球(<450)HBW-硬质合金球(450650) 洛氏硬度：HRA、HRB、HRC，(>650) 其他：维氏硬度(HV)和肖氏硬度(HS)
反映材料弹性、强度与塑性的综合性能指标
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4、冲击韧性
冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸 收的能除以试件的截面面积 低温容器所用钢板αk值不得低于 30J/cm2
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（4）铸钢和锻钢
铸钢用 ZG表示， ZG25、 ZG35等，用于制造 各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、 泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石油化工 容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。
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四、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变 金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能， 称为热处理。
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二 铁 碳 合 金 状 态 图
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其他（自学）
碳钢在常温下的组织 共析钢(0.77%C) 亚共析钢(<0.77%C) 过共析钢(0.77~2.11%C) 铸铁(2.11~4.3%C)
《化工设备机械基础》习题解答
第一章化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组B组：第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP Sm63844=⨯==σSP RRm =+21σσθMP SPD634==σθ2. 圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=0.5Mpa ，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。
αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασSP RRm =+21σσθMP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R RB 点0==σσθm3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa ，a=1010mm ，b=505mm ，S=20mm 。
B 点处坐标x=600mm 。
25051010==ba标准椭圆形封头b bb y x A aR aR2221,:),0====点（MP SPa m5.502010101=⨯===θσσMPa sbP B b a x am3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP bax a7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pam25.25202101012=⨯⨯==σMPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ五、 工程应用题1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为2.5Mpa ，汽包圆筒的平均直径为816 mm ，壁厚为16 mm ，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力σσθ和m。
【解】 P=2.5Mpa D=816mm S=16mm1.00196.081616<==DS 属薄壁容器 MPa S PDm875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa SPD m75.631628165.22=⨯⨯==σ2. 有一平均直径为10020 mm 的球形容器，其工作压力为0.6Mpa ，厚度为20 mm ，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。
第一章_化工设备常用材料及其选择
2020/7/19
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）
2020/7/19
化工机器（动设备）
化工设备：
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
2020/7/19
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
'
2020/7/19
，称为横向变形系数或者泊桑比
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第1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 计划学时： 8学时
2020/7/19
1.1 概 述
1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性
1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反 应堆中子照射（变脆)
1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
பைடு நூலகம்
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”
化工设备材料及其选择
T
ss
二、物理性能
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、线膨胀系数α 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 。对同一种材料，弹性模数E随温 度的升高而 。
1）普通碳素结构钢（GBT700-2006）
代表钢材屈服点的字母 ＋ 屈服点的数值
＋ 材料质量等级符号 ＋ 脱氧方法符号，
常用Q235B，Q235C，Q235A· F
2）优质碳素结构钢（GBT699-1999） 较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。 常用10、Q245R（20g、20R）和20等。
高硅铸铁 ≥40 ≤沸 50~100 ＜120 (＜35) 30 STSi15R ＜40 ＜70 碳钢 × 70~80 20 × (80~100) (70) 沸 (80~100) ＜40 (沸 ) (＜10) (＜40) 40 (30) × × 60 × × 沸 × ×
耐 潮湿 100 耐 × 80 200 × 100 100 × ×
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。
55 10
10
R1 2
8
(a) U型缺口
55 10
10
R0.25
8
45°
(a) V型缺口
图1-3 冲击试验的标准试样
4、硬度： 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。
金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
第四节
化工设备机械基础(第七版)完整课后答案
第一篇: 化工设备材料第一章化工设备材料及其选择一.名词解释A组：1.蠕变2.延伸率3.弹性模数(E)4.硬度5.冲击功与冲击韧性6.泊桑比(μ)7.耐腐蚀性 8.抗氧化性 9.屈服点10.抗拉强度B组：1.镇静钢2.沸腾钢3.半镇静钢4.低碳钢5.低合金钢6.碳素钢7.铸铁8.铁素体9.奥氏体 10.马氏体C组：1.热处理2.正火3.退火4.淬火5.回火6.调质7.普通碳素钢8.优质碳素钢9.不锈钢及不绣耐酸钢 10.锅炉钢D组：1.容器钢2.耐热钢3.低温用钢4.腐蚀速度5.化学腐蚀6.电化学腐蚀7.氢腐蚀8.晶间腐蚀9.应力腐蚀 10.阴极保护答案:A. 1.蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和应力的作用下逐渐产生塑性变形的现象。
2.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百分率。
3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。
4.硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。
5.冲击功和冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。
冲击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。
6.泊桑比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。
对于钢材，μ=0.3 。
7.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。
8.抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。
9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。
它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
10.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。
B. 1.镇静钢：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Al2O3。
钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。
钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。
化工设备机械基础整理考点
1、容器分类：
低压容器（L）：0.1MPap< 1.6MPa；中压容器（M）：1.6MPap< 10MPa；
高压容器（H）：10MPap< 100MPa；超高压容器（U）：p> 100MPa；
按技术监督和管理分为三类，根据容器的压力、压力与容积的乘积、介质特性、用途和设计、制造特点以及在生产过程中的重要性等：一类容器，二类容器，三类容器（最危险）。
鞍座的安装：螺栓孔应根据其不同膨胀形式，按下图要求进行安装。热胀型、冷缩型。
有效壁厚δe（有效厚度）：名义厚度与厚度附加量C之差。钢板壁厚中真正可用于承受介质压力的那部分厚度：
最小厚度：对碳素钢和低合金钢钢制容器，取δmin≥3mm；对高合金钢制容器，取δmin≥2mm （重要）
2、设计温度：（高温往上取，低温往下取）若容器内的介质是被热载体（或冷载体）通过容器器壁从外边间接加热（或冷冻），取热载体的最高工作温度或冷载体最低工作温度为设计温度。
密封口泄露的两个途径：垫片渗漏与压紧面泄露。
2、松式法兰用法:不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构，均划为松式法兰，如活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰。活套法兰只适用于压力较低场合;螺纹法兰广泛用于高压管道上,一般只适用于压力较低的容器上;
3.提高法兰刚度的途径:a.增加法兰的厚度；b.减小螺栓力作用的力臂(即缩小螺栓中心圆直径)；c.增大法兰盘外径等都能提高法兰的抗弯刚度； 对于带长颈的整体和活套法兰，增大长颈部分的尺寸，将能显著提高法兰抗弯变形能力。
法兰的公称直径－指的是与法兰相配的筒体或封头的公称直径。
法兰的公称压力－指在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的压力。 法兰的公称压力并不一定等于法兰的操作压力。
第一章化工设备机械基础-3
化工设备腐蚀与防腐
例：油轮钢腐蚀
最大均匀腐蚀速率>0.1mm/y
50℃
25℃
干湿交替
最大点蚀速率~4mm/y
例：油气工业采集和输送过程中使用大量弯头、三通等复杂部件， 其多以高温高压流体的冲刷腐蚀失效为主
水下油气田生产设施
油气田中出现的冲刷腐蚀失效
腐蚀的定义
50年代，腐蚀的定义仅指金属的腐蚀： “在周围介质作用下，由于化学反应、电化学反应或物理
化工设备机械基础
第一章 化工设备材料及其选择
第三讲
上节回顾与联系
硬度 韧性 材料的物理、化学和加工工艺性 材料的分类 钢材牌号的命名规则
Q235A 16MnVR 18MnMoNb 1Cr18Ni9Ti 0Cr13 00Cr19Ni10
上节回顾与联系
铁碳合金的组织结构 钢的热处理
5. 金属设备的防腐措施
衬覆保护层
用耐腐蚀性更强的金属或合金包覆在设备表面； 用非金属(如瓷砖、有机物)保护层。
电化学保护
阴极保护
• 在被保护金属设备上连接一个更负的电极(强阳极)，促使阴极极 化(牺牲阳极保护)；
• 将被保护的金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流 进行阴极极化而使金属得到保护；
防止办法：可添加适量的合金元素如铬、硅、铝等。
2.1.2 氢腐蚀
在较低的温度和压力下，氢气一般对普通碳钢不会有明显的 腐蚀，但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显 著下降；
在合成氨工业中，就需要特别注意氢腐蚀现象的发生；
氢腐蚀分为两个阶段：
• 氢脆阶段：氢气直接被钢材吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解 在铁素体中形成固溶体，此时并未发生化学变化，但是钢材显著变脆， 塑性减少。
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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（s σ）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s σ(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（2.0σ）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（b σ）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（n σ）蠕变现象[实例1] （某工厂的蒸汽管，由于存在蠕变，管径随时间的延长不断增大，壁厚减薄，最后导致破裂。
）[实例2] （汽轮机的叶片，可能因蠕变发生过大的塑性变形，以致与轮壳相碰而打碎。
化工设备设计中材料的选择与应用分析
化工设备设计中材料的选择与应用分析摘要：在我国化工产业不断发展的背景下，化工产业制造过程中的各项工艺技术得到优化和提升。
化工设备作为化工产业制造的一个重要部分，其材料的选择尤为重要，它直接关乎到整个化工设备的使用性能和质量安全。
本文针对化工设备设计中材料的选择和应用进行了浅显分析，希望能够为化工企业的发展提供有效的参考。
关键词：化工设备设计；材料的选择；材料的应用引言：化工设备在化工企业生产活动中扮演着至关重要的角色，设备的性能直接关乎到整个生产活动的效率和质量。
在化工设备设计过程中，材料的选择和应用作为其中最为关键的环节之一，需要设计人员根据标准规范的最新规定、结合化工生产的工艺特点、依据设备材料的实际性能，对设备材料进行科学、合理、经济地选择，为化工生产活动的顺利有效开展奠定良好的基础。
一、化工设备设计中材料的选择分析（一）化工设备设计中金属材料选择的相关分析其一，对金属材料碳钢进行合理选择。
在实际使用过程中，碳钢是设计人员选择频率最高的一种金属材料。
碳钢具有较高的稳定性，其力学性能以及物理性能良好，适用的环境范围较广。
碳钢的制造工艺简单，市场价格低廉，大部分企业也都会选择碳钢作为化工设备的主要材料。
在设计的过程中，设计人员应充分发挥碳钢材料的优势，通过喷涂防腐涂料、衬里防腐等方法，让碳钢材料在化工设备中物尽其用。
其二，对金属材料不锈钢进行合理选择。
化工生产活动的开展过程中，往往会生产大量具有强腐蚀性的强酸强碱物质，同时现代生产工艺过程逐步向高压、高温、低温等方向拓展，因此对于化工设备的质量安全提出了更高要求，设计人员在进行化工设备设计工作选材时，往往选择不锈钢材料[1]。
针对弱腐蚀性介质，比如水、蒸汽、空气等介质，不锈钢具有较好的耐受性；针对化学侵蚀性介质，比如酸、碱、盐等介质，不锈钢具有一定的耐腐蚀性。
不同牌号的不锈钢的耐腐蚀性根据其化学成分所含的合金元素决定，因此在选择材料的过程中，设计人员应对不锈钢的合金元素成分着重考虑。
《化工设备机械基础》习题解答
1 《化工设备机械基础》习题解答第一篇: 化工设备材料第一章化工设备材料及其选择一. 名词解释A组 1.蠕变在高温时在一定的应力下应变随时间而增加的现象。
或者金属在高温和应力的作用下逐渐产生塑性变形的现象。
2.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百分率。
3.弹性模数E材料在弹性范围内应力和应变成正比即σEε比例系数E为弹性模数。
4.硬度金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。
5.冲击功与冲击韧性冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。
冲击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。
6.泊桑比μ拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。
对于钢材μ0.3 。
7.耐腐蚀性金属和合金对周围介质侵蚀发生化学和电化学作用引起的破坏的抵抗能力。
8.抗氧化性金属和合金抵抗被氧化的能力。
9.屈服点金属材料发生屈服现象的应力即开始出现塑性变形的应力。
它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
10.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。
B组 1.镇静钢镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂Si Al等完全脱氧脱氧是脱氧完全的钢。
把FeO中的氧还原出来生成SiO2和Al2O3。
钢锭膜上大下小浇注后钢液从底部向上向中心顺序地凝固。
钢锭上部形成集中缩孔内部紧密坚实。
2.沸腾钢沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧是脱氧不完全的钢。
其锭模上小下大浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应放出大量CO 气体造成沸腾现象。
沸腾钢锭中没有缩孔凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡布满全锭之中因而内部结构疏松。
3.半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间锭模也是上小下大钢锭内部结构下半部像沸腾钢上半部像镇静钢。
4.低碳钢含碳量低于0.25的碳素钢。
5.低合金钢一般合金元素总含量小于5的合金钢。
6.碳素钢这种钢的合金元素含量低而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。
7.铸铁含碳量大于2的铁碳合金。
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中、低压和高压容器：常处于有腐蚀性介质的条件 下工作，除 承受较高的介质内压 (或外压) 外有时还会受到冲击和疲劳载荷的作 用；在 制造过程中，要经过各种冷、热加工使之成型；
对钢板的要求：除随介质的不同要有耐腐蚀的要求以外，应有 较高的强度、良 好的塑性、韧性和冷弯性能，缺口敏感性要低，加 工和焊接性能良好。对低合金钢板材要注意 是否有分层、夹渣、白 点和裂纹等缺陷。
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 慨 述 第二节 材料的性能 第三节 金属材料的分类及牌号 第四节 碳钢与铸铁 第五节 低合金钢及化工设备用特种钢 第六节 有色金属材料 第七节 非金属材料 第八节 化工设备的腐蚀及防腐措施 第九节 化工设备材料的选择
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
化工设备的种类： 按操作压力分为：真空、常压、低压、中压以至高 压和超高压； 按操作温度分为：低温、常温、中温和高温。 处理的介质大多数又有腐蚀性，或为易燃、易 爆、 有毒、剧毒等。 有时具体设备既有温度、压力要求，又有耐腐蚀要求， 而且 这些要求有时还互相矛盾，某些条件又经常变化。
(2)零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的 表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳强度。
(3)载荷类型：载荷类型不同，疲劳强度不同。 (4)工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，疲
劳强度降低。 (5)腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显
降低。
第二节：材料的性能
二、塑性
金属在断裂前产 生永久变形而不破坏 的能力。
化工设备机械基础A
（32学时）
教师： Email: xiongjianjun@
Tel: 13912005119 846878578
化工设备机械基础A
第一章：化工设备材料及其选用 第二章：化工容器设计概述 第三章：内压薄壁容器的应力分析 第四章：内压薄壁圆筒与封头的强度设计 第五章：外压圆筒与封头的设计 第六章：容器零部件 第七章：管壳式换热器的机械设计 第八章：塔设备的机械设计 第九章：搅拌器的机械设计
• 1、伸长（延伸） 率
试样拉断后标距 增长量ΔL与原长L。 之比。
L 100%
L 1
L 0
100%
L
L
0
0
第二节：材料的性能
二、塑性
•
2、断面收缩率
试样拉断后断口处横截面积的改变
量与原始横截积之比。
F
100%
F 0
F 1
100%
F
F
0
0
第二节：材料的性能
二、塑性
3、冷弯(角) 衡量金属材料和焊缝塑性的指标，
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能
第1章 化工设备材料及其选择
第二节：材料的性能
金属材料的力学性能
硬度 弹性 塑性 强度 冲击韧性
第二节：材料的性能
拉伸试验
拉伸试验机
第二节：材料的性能
一、强度指标
材料强度：在外力作用下，材料抵抗变 形和断裂的能力。
P / F0ห้องสมุดไป่ตู้(MPa)
P / F (MPa)
s
s
0
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
3、抗拉强度（强度极限）
材料抗拉伸断裂前承受的最大应力。
设计时塑性材料多用σs；脆性材料多用σb作为极限应力。 σs/σb之比叫“屈强比”。屈强比越小，可靠性越大； 但比值太小，材料利用率太低。
抗弯强度
第二节：材料的性能
一、强度指标
4、高温性能： 蠕变：金属在高温长时间应力作用下，所加应力远小 于σs 逐渐产生明显的塑性变形的现象。导致零件尺寸变 化，甚至断裂造成事故。 应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变 形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。 原因是零件的弹性变形逐渐变为了塑性变形。 蠕变强度：高温长时间载荷作用下，在给定温度下和 规定时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。
4
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
选用材料的一般要求是： (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)经济。
5
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
500 100MPa 1105
在500℃温度下，工作1×105h后变形量为1%的蠕变强 度为100Mpa。
一、强度指标
第二节：材料的性能
第二节：材料的性能
持久强度(σD)
在给定温度下，促使试样或工件经过一定 时间发生断裂的应力叫做持久强度。
在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般 为十万小时，以σ105表示试件经十万小时断裂 的应力。
中、高温容器：钢材在 中、高温的长期作用下，金相组织和机 械性能等将发生明显的变化，并要承受一定的介质压力，选择设备 用钢时，需考虑材料的组 织稳定性和中、高温的机械性能。
低温设备：着重考虑设备在低温下的脆性破 裂问题。
6
第二节
第1章 化工设备材料及其选择
材料的性能
使用性能 金属材料的性能
工艺性能
由冷弯试验测定的。 冷弯试验：金属材料和焊接接头在
疲劳强度
第二节：材料的性能
疲劳曲线:钢铁所受重复或交变应力σ与其断裂前所受的 应力循环次数N之间有关系。两者之间的关系曲线叫。
钢的疲劳强度σ-1 ≈σb(40～50%），循环次数为107；有 色金属的疲劳强度σ-1 ≈σb(25～50%），循环次数为10８ 。
第二节：材料的性能
疲劳强度影响因素
(1)材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂 物对疲劳强度有显著影响。
持久强度是一定温度和一定应力下材料抵 抗断裂的能力。在相同的条件下，能支持的时 间越久，则该材料抵抗断裂的能力越大。
疲劳强度
第二节：材料的性能
疲劳：在多次重复或交变应力作用 下，使金属材料在远小于金属的屈服强 度时发生断裂的现象。
疲劳强度：材料经交变应力无数次 循环作用而不发生断裂的最大应力σ-1。
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
1、弹性强度（弹性极限）
弹性强度：材料保持完全弹性变形时的 最大应力。
弹性变形：外力解除后变形全部消除恢 复原状的变形。
e Pe / F0 (MPa)
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
2、屈服强度（屈服极限）
材料产生屈服现象时的最小应力。
没有明显屈服的材料，用发生 0.2%塑性变形时的应力值σ0.2代表其 屈服强度。