第一章 化工设备材料及其选择

（5）疲劳强度（R-1）

疲劳——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的现象 “疲劳极限” （MPa）——构件或零件 在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。 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。
1.2 材料的性能
（2）断面收缩率（Z）

试样受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率
S0 S u Z 100% S0
Su-试样断裂后的最小横截面积，mm2 S0-试样的原始横截面积，mm2
如：纯铁的延伸率为50%，
20R的Z5不小于25% ； 16MnR的Z5不小于21%； 1Cr18Ni9Ti的Z5不小于40%。
Fm Rm S0

拉断前试件承受的最大载荷（N）
屈强比：Rel / Rm
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1.2 材料的性能

屈强比越大，屈服点与抗拉强度愈接近，塑性储备越 小，这时有可能发生脆性断裂；这类材料如木棒 屈强比越小，屈服点愈小于抗拉强度，这时塑性储备

愈大，但材料的强度往往得不到充分的发挥；这类材
料如竹条。
因此，在工程上希望所选用的材料具有合适的 屈强比。

有足够的力学性能 具有良好的加工性能
具有良好的耐腐蚀性能
经济合算

其它各种性能符合设计要求
1.2 材料的性能
1.2.1 力学性能
在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力
第一章
化工设备材料及其选择
化工设备机械基础 6
1.2 材料的性能
脆性断裂 韧性断裂
第一章
化工设备材料及其选择
C ≤ 0.25% C : 0.25%~0.60% C ≥ 0.60%
高合金钢 合金元素总含量≥ 10%
1 A D D D2 d 2 2


1.2 材料的性能
布氏硬度的特点

优点
因为其压痕面积大，能反映材料的综合性能指标，因而代表性 全面；
试验数据稳定； 比较准确，用途很广； 试验数据可以从小达到统一起来（用大球与小球测得的数据具 有可比性）。
• 缺点
钢球本身变形问题； 因压痕大，可能使薄件材料受到破坏，因此不宜用于薄件试验。
第1章 化工设备材料及其选择
Q235AF Q345R 16MnR
HT250 QT400-18 ZG20Cr13
T2 T3 H80
聚乙烯塑料
聚四氟乙烯 塑料
教学内容
1.1、化工设备概述 1.2、材料的性能 1.3、金属材料的分类与牌号 1.4、碳钢与铸铁 1.5、低合金钢 1.6、有色金属材料与非金属 1.7、非金属材料 1.8、化工设备防腐及防腐措施 1.9、化工设备选材的原则
工作的容器。对碳素钢或低合金钢容器，温度超过 420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃。
容器
常温容器：-20 ℃—200 ℃ 中温容器：温度介于高温与常温之间的容器 低温容器 浅冷容器： - 40 ℃ ≤t ≤ - 20 ℃ 深冷容器： t < - 40 ℃
1.1 概 述
2. 设备选材的基本要求
1.2 材料的性能
洛氏硬度HR

（始于1919年）
压头分为两种：
硬质压头：顶角为120o的金刚石圆锥体，适用于钢材；
软质压头：直径为1.5875mm、3.175mm的钢球，适用于有色金属。
优点：
• 不存在压头变形问题（两种压头适用于不同的材料）； • 压痕小，不伤工件表面； • 操作迅速，效率高。
• 断面收缩率愈大，塑性愈好；
• 由于断面收缩率与材料尺寸无关，故它能更加可靠地反映出材 料塑性的变化。
1.2 材料的性能
（3）冷弯性能---是钢材塑性指标和冶金质量的 综合指标。
室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）
进行弯曲，是否出现裂纹或起层。在试样被弯曲受拉伸
面出现第一条裂纹前,金属材料的变形越大,塑性越好.
1.2 材料的性能
（3） 蠕变极限（Rnt）
“蠕变”现象：在高温时，在一定的应力下，应变随时 间而增加的现象，或金属在高温和存在内应力情况下逐 渐产生塑性变形的现象。

高温高压的蒸汽管道下挠变形； 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏； 铅丝在常温下受重力作用而变长变细。
蠕变极限Rnt （MPa）：
试件原始长度
1 l l t mm
mm/（mm ·℃）
温度差 ℃
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？ 33 碳钢表面电镀一层铜——升温后会？
布氏硬度（HBW 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC) 维氏硬度（HV)等
23
1.2 材料的性能
布氏硬度HBW
（始于1900年，历史悠久） 由于测量压痕深度t困难， 因此一般测压痕直径d。

F 2F HBW 0.102 0.102 A金球直径，mm A—压痕表面积，mm2 d—压痕直径，mm
化工设备机械基础 7
1.2 材料的性能
应力（ σ ）——单位面积上所承受的力
按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可 以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。
当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几 何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变ε。
1.2 材料的性能
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


影响因素：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。
17
1.2 材料的性能 2、塑性
在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力
◎锻件裂纹; ◎卷板裂纹; ◎焊缝热影响区裂纹
1.2 材料的性能
(1)断后伸长率（A）

试样受力拉断后，总伸长的长度 与原始长度之比的百分率
缺点：不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来。
1.2 材料的性能
维氏硬度HV

（始于1925年）
原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o 的四方角锥体，由金刚石制成； 优点：
• 因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷 可以任意选择（最大优点）；
• 通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的 硬度值完全相等；
• 试验数据可以从小到大统一起来； • 精度极高。
缺点：效率较低。
1.2 材料的性能
4、冲击功（KV2）
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。
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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）： KV2 =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。
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1.2 材料的性能
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。
22
1.2 材料的性能
3、硬度

金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力 硬度高材料强度也高，耐磨性较好； —综合性能指标
常用硬度指标：
热加工——如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。
35
1.2 材料的性能
1.2.4.加工工艺性能

指在保证加工质量的前提下，加工过程的难易程度.

可焊性能—母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收
缩率、热塑性等；


铸造性能—流动性、凝固收缩率等；
可锻性能—抗热裂性、抗氧化性、热塑性等； 切削加工性能 热处理性能
Lu L0 A 100% L0
• Lu-室温下将断后的两部分试样紧密地对接在 一起，保证两部分的轴线位于同一条直线上， 测量试样断裂后的标距，mm • L0-室温下施力前的试样标距 • Lu-L0-试样断后标距的残余伸长，即断后试件 的绝对伸长，mm
• 断后伸长率愈大，材料的塑性愈好；
• 试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故A与试样尺寸有关。
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1.3 金属材料的分类及牌号
1.3.1 分类 1.黑色金属 Fe Cr Mn及其合金的统称 1）生铁 碳含量（2.11 ~ 6.67%）
炼钢生铁（生铁）
普通生铁 合金生铁 白口铸铁 灰口铸铁
用途
铸造生铁（铸铁）
可锻铸铁
球墨铸铁 特种铸铁
1.3 金属材料的分类及牌号
2）钢 碳含量（< 2.11 %）
1.1 概 述
1. 设备的分类 按压力分类:
外压容器 容器 低压容器(L) 0.1≤ P<1.6MPa
内压容器
中压容器(M) 1.6≤ P<10MPa 高压容器(H) 超高压容器(U) 10≤ P<100MPa P≥ 100MPa
1.1 概 述
按温度分类:
高温容器：高温容器指在壁温达到材料蠕变温度下
1.2 材料的性能
5、缺口敏感性
——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。 韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。 冲击韧性？——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。
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1.2 材料的性能
1.2.2 物理性能
——密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率， 磁导率，弹性模量，泊松比等。 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能： 试件伸长量 mm 1.线膨胀系数