化工设备机械基础
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2、钢的分类
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2020/10/24
1.3 金属材料的分类及牌号
1.3.2 钢铁牌号及表示方法 1、牌号表示原则（GB/T 221-2000） ①牌号中化学元素用化学符号或汉字表示； （ 如：1铬13或1Cr13） ②产品用途、治炼和浇注方法采用汉字或拼 音字母并用的原则。 （如：Q235F F---沸腾钢） （表1－4）
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2020/10/24
1.2 材料的性能
（4）持久强度（ σD或σ105 ） （5）疲劳 强度（ σ－1 ） 2、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）。
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2020/10/24
1.2 材料的性能
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2020/10/24
1.2 材料的性能
1.2.4 加工工艺性能 金属和合金的加工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
和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度 等。
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2020/10/24
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。
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。
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2020/10/24
1.2 材料的性能
（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AK或冲击韧度αK表示。
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。
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2020/10/24
1.2 材料的性能
d d
d1 d d
l
l1 l
l
l
对于各种钢材它近乎为一个常数，即μ ＝0.3。
3、线膨胀系数αl
l
1 l
l [mm /(℃ mm)，简作1/℃] t
式中， l——试件原始长度，mm； △l——试件伸长量，mm； △t——温度差，℃。
冲击功
AK=GH1-GH2，
冲击韧度 αK= AK/F（F为面积）
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2020/10/24
1.2 材料的性能
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。
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1.2 材料的性能
（2）缺口敏感性 在带有一定应力集中的缺口条件下，材料
抵抗裂纹扩张的能力，是在静载荷下抵抗裂 纹扩张的能力，这一点与冲击韧性不同。两 者都属于材料的韧性范畴。
（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。）
炼钢生铁 铸造生铁
合金生铁
金属合金（黄铜）
铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等）
上一内容
轻金属及其合金
铝及铝合金 钛及钛合金
镁及镁合金
其它有色及其合金
铅、锡及其合金 锌及其合金
镍、钴及其合金
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1.3 金属材料的分类及牌号
对焊接工艺试板和产品，必须做冷弯实验。
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1.2 材料的性能
3、硬度 衡量材料软硬的一个指标，一般用： 布氏硬度（HBS、HBW），较软； 洛氏硬度-----HRC，较硬； 维氏硬度----HV，另有显微硬度。
4、冲击韧性 韧性是表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的
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1.2 材料的性能
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。
化工机械通常分为：化工设备和化工机器
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2020/10/24
绪论
化工设备：
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2020/10/24
绪论
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绪论
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2020/10/24
绪论
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
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。
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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、泊桑比μ
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
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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。
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
1.2.1、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。主要特征指标包括 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
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 生产技术含量高
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绪论
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择 2、化工容器的设计
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 支座 开孔补强 附件：接口 管 凸缘 人、手孔 视镜）。 3、典型化工设备的机械设计 1）换热器； 2）塔设备； 3）搅拌器。
（1）延伸率（ δ）
lk 100% lk l0 100%
l0
l0
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1.2 材料的性能
手册中常见的是δ10和δ5。 δ越大，材料的塑性 越好。
（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。 （3）冷弯角
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1.2 材料的性能
1.2.3 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：
在高温工作条件下，设备不仅有自由氧的 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。
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作用下逐渐产生塑性 变形的现象。
蠕变极限：材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的 能力。表现为两种： a 在工作温度下引起规定变形速度的应 力值； b 在一定工作温度下，在规定的使用时间 内，使试件发生一定量的总变形的应力 值。
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
试件的原始横截面积，m2
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2020/10/24
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” 。
0.2
P0.2 F0
（2）抗拉强度（ σb ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所
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2020/10/24
1.2 材料的性能
（1）屈服点（σs）
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，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
σs (MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的 能力。
化工设备机械基础
Fundamental Chemical Process Equipment
主讲：谭志伟
2008年 春
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2020/10/24
绪论
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 产过程不仅取决于化学工艺过程，而且与化工 机械装备密切相关，化工机械是化工生产得以 进行的外部条件，所以先进的化工机械，一方 面为化学工艺服务，另一方面又促进化学工艺 过程的发展。
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2020/10/24
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
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2020/10/24
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)
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：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。
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2020/10/24
1.3 金属材料的分类及牌号
1.3.1 分类
1、金属的分类 生铁 黑色金属
2、钢号表示法 目前制造压力容器所用钢材，一般有三大类别：
碳钢、合金钢、和特殊性能钢，其中碳钢又分为普 通碳素钢与优质碳素结构钢。
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1.3 金属材料的分类及牌号
①普通碳素结构钢 GB700-88规定，其牌号由代表钢材屈服点的字母Q、
屈服点的数值、材料质量等级符号和脱氧方法符号四 部分组成。如Q235－A·F。其钢号和化学成分、力学 性能见表1－6、1－7。 ②优质碳素结构钢 钢号表示方法如表1－5，其钢号和化学成分见附录2， P297。
能承受的最大应力值，叫做抗拉强度。
b
Pb F0
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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；
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1.3 金属材料的分类及牌号
③低合金钢及合金结构钢 钢号的表示方法有两个标准： GB1591－88，见表1－5 GB/T1591－94，见表1－9 两个标准的对照见表1－10
合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素， 比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等，从而提高钢的强 度、耐腐蚀性、低温性能，如大型化工容器常用 16MnR，15MnVR，15MnTi 来代替碳素钢制造容器，可 以在保证强度的情况下，使容器壁厚减少，从而节省 钢材30% ～ 45%左右。
屈强比越大，材料的强度水平发挥好，但塑性储备 越小。 (3) 蠕变极限（ σn ）
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2020/10/24
1.2 材料的性能
高温 （比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）
一定应力
联合作用下
金属将逐渐产生塑性变形
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1.2 材料的性能
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1.3 金属材料的分类及牌号
1.3.2 钢铁牌号及表示方法 1、牌号表示原则（GB/T 221-2000） ①牌号中化学元素用化学符号或汉字表示； （ 如：1铬13或1Cr13） ②产品用途、治炼和浇注方法采用汉字或拼 音字母并用的原则。 （如：Q235F F---沸腾钢） （表1－4）
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1.2 材料的性能
（4）持久强度（ σD或σ105 ） （5）疲劳 强度（ σ－1 ） 2、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）。
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1.2 材料的性能
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1.2 材料的性能
1.2.4 加工工艺性能 金属和合金的加工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
和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度 等。
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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。
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。
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1.2 材料的性能
（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AK或冲击韧度αK表示。
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。
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1.2 材料的性能
d d
d1 d d
l
l1 l
l
l
对于各种钢材它近乎为一个常数，即μ ＝0.3。
3、线膨胀系数αl
l
1 l
l [mm /(℃ mm)，简作1/℃] t
式中， l——试件原始长度，mm； △l——试件伸长量，mm； △t——温度差，℃。
冲击功
AK=GH1-GH2，
冲击韧度 αK= AK/F（F为面积）
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1.2 材料的性能
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。
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1.2 材料的性能
（2）缺口敏感性 在带有一定应力集中的缺口条件下，材料
抵抗裂纹扩张的能力，是在静载荷下抵抗裂 纹扩张的能力，这一点与冲击韧性不同。两 者都属于材料的韧性范畴。
（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。）
炼钢生铁 铸造生铁
合金生铁
金属合金（黄铜）
铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等）
上一内容
轻金属及其合金
铝及铝合金 钛及钛合金
镁及镁合金
其它有色及其合金
铅、锡及其合金 锌及其合金
镍、钴及其合金
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1.3 金属材料的分类及牌号
对焊接工艺试板和产品，必须做冷弯实验。
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1.2 材料的性能
3、硬度 衡量材料软硬的一个指标，一般用： 布氏硬度（HBS、HBW），较软； 洛氏硬度-----HRC，较硬； 维氏硬度----HV，另有显微硬度。
4、冲击韧性 韧性是表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的
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1.2 材料的性能
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。
化工机械通常分为：化工设备和化工机器
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绪论
化工设备：
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绪论
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绪论
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绪论
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
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。
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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、泊桑比μ
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
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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。
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
1.2.1、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。主要特征指标包括 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
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 生产技术含量高
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绪论
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择 2、化工容器的设计
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 支座 开孔补强 附件：接口 管 凸缘 人、手孔 视镜）。 3、典型化工设备的机械设计 1）换热器； 2）塔设备； 3）搅拌器。
（1）延伸率（ δ）
lk 100% lk l0 100%
l0
l0
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1.2 材料的性能
手册中常见的是δ10和δ5。 δ越大，材料的塑性 越好。
（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。 （3）冷弯角
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1.2 材料的性能
1.2.3 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：
在高温工作条件下，设备不仅有自由氧的 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。
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作用下逐渐产生塑性 变形的现象。
蠕变极限：材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的 能力。表现为两种： a 在工作温度下引起规定变形速度的应 力值； b 在一定工作温度下，在规定的使用时间 内，使试件发生一定量的总变形的应力 值。
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
试件的原始横截面积，m2
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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” 。
0.2
P0.2 F0
（2）抗拉强度（ σb ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所
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1.2 材料的性能
（1）屈服点（σs）
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，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
σs (MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的 能力。
化工设备机械基础
Fundamental Chemical Process Equipment
主讲：谭志伟
2008年 春
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绪论
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 产过程不仅取决于化学工艺过程，而且与化工 机械装备密切相关，化工机械是化工生产得以 进行的外部条件，所以先进的化工机械，一方 面为化学工艺服务，另一方面又促进化学工艺 过程的发展。
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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
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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)
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：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。
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1.3 金属材料的分类及牌号
1.3.1 分类
1、金属的分类 生铁 黑色金属
2、钢号表示法 目前制造压力容器所用钢材，一般有三大类别：
碳钢、合金钢、和特殊性能钢，其中碳钢又分为普 通碳素钢与优质碳素结构钢。
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1.3 金属材料的分类及牌号
①普通碳素结构钢 GB700-88规定，其牌号由代表钢材屈服点的字母Q、
屈服点的数值、材料质量等级符号和脱氧方法符号四 部分组成。如Q235－A·F。其钢号和化学成分、力学 性能见表1－6、1－7。 ②优质碳素结构钢 钢号表示方法如表1－5，其钢号和化学成分见附录2， P297。
能承受的最大应力值，叫做抗拉强度。
b
Pb F0
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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；
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1.3 金属材料的分类及牌号
③低合金钢及合金结构钢 钢号的表示方法有两个标准： GB1591－88，见表1－5 GB/T1591－94，见表1－9 两个标准的对照见表1－10
合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素， 比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等，从而提高钢的强 度、耐腐蚀性、低温性能，如大型化工容器常用 16MnR，15MnVR，15MnTi 来代替碳素钢制造容器，可 以在保证强度的情况下，使容器壁厚减少，从而节省 钢材30% ～ 45%左右。
屈强比越大，材料的强度水平发挥好，但塑性储备 越小。 (3) 蠕变极限（ σn ）
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1.2 材料的性能
高温 （比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）
一定应力
联合作用下
金属将逐渐产生塑性变形
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1.2 材料的性能