机械设计基础材料性能

常用硬度指标：
布氏硬度（HBS); 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC); 维氏硬度（HV)等。
硬度和强度间有一定关系：
如：低碳钢b≈36HBS;
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4. 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。
包饺子用面？ 冲压成型用的材料？ ——变形？断裂？
化工设备机械基础
北京化工大学机电工程学院 2019.7
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课程简介
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1.确定设计原则——经济指标，生产可靠度，能 力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的 发展，等。
2.确定设计基础——年操作时间，原材料，产品， 消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格等。
3.工艺流程图设计(PFD)——过程确定，系统合 成，工艺计算，设备特性要求，控制要求等。
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一.主要内容：
1.化工设备常用材料—— 简介化工设备常用材料性能、分
类、热处理方法； 2.中、低压化工容器设计——
薄膜理论；内、外压容器设计方 法、容器零部件设计； 3.典型化工设备机械设计——
列管式换热器、塔设备以及反 应釜的结构及机械设计方法。
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二.学习本课程的目的与要求：
目的：基本掌握化工设备常用材料的主要 性能及选用方法；基本掌握中低压、外压 容器及典型化工设备的设计方法。
屈服点： （s）
——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”。
σ 记作 0.2 。 14
（2）.抗拉强度(b)
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。
1. 强度及其主要指标.
固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的 特性。
例如： ※容器爆裂；
※管道破裂;
※地脚螺栓拉断; ※炉管爆裂；…..
——强度不够！
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金属材料的重要强度指标
金属材料的“拉—伸图”
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（1）.屈服点
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。
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看看冲击试验
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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）：
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。
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材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之， 材料塑性高，其冲击韧性不一定高。
——静载荷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。 ——本质区别在于材料在动载荷作用下是 否能够迅速发生塑性变形，吸收冲击能量。
定义：在一定温度下，经过一定时间断
裂时的应力，以 D 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。
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（5）疲劳强度
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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。
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3. 硬度的概念
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。
布氏硬度试验示意图
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2. 塑性及其主要指标
金属的塑性wk.baidu.com外力作用下产生塑性变形，而 不破坏的性质。
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
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主要指标：
(1) 延伸率（δ）
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（2）断面收缩率（y）
y F0 Fk 100%
F0 式中F0 试件的原始截面积；
Fk 断裂后试件的最小积 截。 面
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第二篇 化工设备设计基础
第七章 化工设备常用金属材料的性能
7.4 概述 1）.化工设备的使用环境： 压力：真空—低压—中压—
高压—超高压 温度：低温—中温—高温 介质：有毒；易燃；剧毒。
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7.4 金属材料的性能
7.4.1 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。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。
屈强比：s/ b
屈强比小，表明材料具有较大 的塑性储备。
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（3）. 蠕变强度（n）
“蠕变”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。
“蠕变强度”：
材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变
形的能力，以n 表示，单位MPa 。
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（4）.持久强度（D）
4.带控制点的管道流程图（PID) 5.工艺设备设计——设计温度，设计压力，结构
设计，材质选择，壁厚确定等。
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6.定型设备选型。 7.设备布置设计。 8.管道工程设计。 9.保温工程设计。 10.公用工程设计。
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——看看再说
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化工设备——储罐
固定管板式换热器
膨胀节式固定管板换热器
塔设备
反应釜
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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。
如：纯铁的延伸率为50%，
20R的d5不小于25% ； 16MnR的d5不小于21%； 1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。
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（3）冷弯性能
室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3 板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂 纹或起层。 -----是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。
要求： 1. 重点掌握——设计概念及方法； 2.掌握——化工设备的结构特点； 3.领会贯通——课堂上讲授的内容。
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三.主要参考书及参考资料：
1.《化工设备机械基础》(第五版） 刁玉玮 王立业编著；
2.《 压力容器安全技术监察规程》 2019；
3. 《钢制压力容器》 GB150---2019； 4. 《管壳式换热器》 GB151---2019 ； 5. 《钢制塔式容器》 JB4710---2019 ；