第一章-化工設(shè)備常用材料及其選擇1課件

1、2022-3-24化工生產(chǎn)和化工機(jī)械 化工生產(chǎn)是以流體（氣體、液體、粉體）為原料，以化學(xué)處理和物理處理為手段，以獲得設(shè)計(jì)規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)?；どa(chǎn)過程的決定因素：化學(xué)工藝過程 化工機(jī)械裝備 化工機(jī)械通常分為：化工設(shè)備（靜設(shè)備） 化工機(jī)器（動(dòng)設(shè)備）2022-3-24化工設(shè)備：2022-3-242022-3-242022-3-24化工生產(chǎn)自身的特點(diǎn)：1、生產(chǎn)的連續(xù)性強(qiáng)2、生產(chǎn)的條件苛刻 介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng) ；溫度和壓力變化大 介質(zhì)大多易燃易爆有毒性 生產(chǎn)原理的多樣性2022-3-24本課程主要內(nèi)容：1、化工設(shè)備材料及其選擇（第1章）2、化工容器的設(shè)計(jì)（第2-6章） 1）內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的應(yīng)

2、力分析及強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 2）外壓圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 3）容器的零部件（法蘭 開孔補(bǔ)強(qiáng) ）。3、典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)（第7-8章） 1）換熱器； 2）塔設(shè)備；2022-3-24v要求：v 了解材料的各種性能，影響材料性能的因素，化工設(shè)備常用材料，學(xué)會(huì)根據(jù)工藝條件選用化工設(shè)備材料；v 掌握薄壁容器筒體與各種封頭的強(qiáng)度、穩(wěn)定設(shè)計(jì)原則，掌握中、低壓容器的強(qiáng)度、穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法；v 掌握容器零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和選用標(biāo)準(zhǔn)；v 掌握列管式換熱器、塔設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)方法。 2022-3-24本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能及化工設(shè)備材料 的選擇本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)：材料的性能計(jì)劃學(xué)時(shí)：計(jì)劃學(xué)時(shí)： 8學(xué)時(shí)第第

3、1 1章章 化工設(shè)備材料及其選擇化工設(shè)備材料及其選擇2022-3-241.1 1.1 概概 述述1.1.1 化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性1、操作條件的限制 壓力：從高真空到幾千大氣壓,故有強(qiáng)度要求 溫度：-2502000，材料受冷、熱 介質(zhì)：酸堿（腐蝕）、易燃、易爆、毒性以及核反應(yīng)堆中子照射（變脆)2、制造條件的限制 設(shè)備在制造過程中，要經(jīng)過各種冷、熱加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、熱處理等，要求材料的加工性能要好。2022-3-241.1 1.1 概概 述述1.1.2 選用材料的一般要求選用材料的一般要求 （1）材料品種應(yīng)符合我國(guó)資源和供應(yīng)情況； （2）材質(zhì)可靠，能保證使用壽命； （3）

4、足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，對(duì)腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）成本低，經(jīng)濟(jì)上合算。 選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。2022-3-241.2 材料的性能材料的性能v材料的性能：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能v物理性能：密度、熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、電阻率、彈性模數(shù)、泊桑比等；v化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性v工藝性能：v 指在保證加工質(zhì)量的前提下加工過程的難易程度。主要有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 1.2.1、力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能：材料抵抗外力而不產(chǎn)生超過

5、允許的變形或不被破壞的能力。 主要特征指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、彈性、韌性、硬度等一、強(qiáng)度 強(qiáng)度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。 2022-3-241.2 材料的性能材料的性能拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 試樣按試樣按標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)制備，然后將試件裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，然后將試件裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，啟動(dòng)加力機(jī)構(gòu)，緩慢增加拉力啟動(dòng)加力機(jī)構(gòu)，緩慢增加拉力P直至斷裂為止。直至斷裂為止。 在加力過程中隨時(shí)記錄載荷在加力過程中隨時(shí)記錄載荷P和相應(yīng)的變形量和相應(yīng)的變形量l 的的數(shù)值。同時(shí)還要注意觀察試件變形和破壞的現(xiàn)象。數(shù)值。同時(shí)還要注意觀察試件變形和破壞的現(xiàn)象。l0=10d02022-3-241.2 材料的性能

6、材料的性能2022-3-241.2 材料的性能材料的性能=l / l0=P / Fo低碳鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示低碳鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 金屬材料的變形和破壞過程： （1）彈性變形階段 （2）彈塑性變形階段 （3）斷裂 斷裂的兩種形式： 脆性斷裂：斷裂之前沒有明顯塑性變形階段的。 （更危險(xiǎn)） 韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形之后才發(fā)生斷裂的。2022-3-241.2 材料的性能材料的性能1、 低碳鋼在外力作用下低碳鋼在外力作用下的變形和破壞過程的變形和破壞過程強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限b屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s比例極限比例極限p彈性極限

7、彈性極限eoabcdfPesb2022-3-241.2 材料的性能材料的性能（1）彈性變形階段與虎克定律（）彈性變形階段與虎克定律（Ob段段）oabPetanEE在彈性階段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系在彈性階段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系E為彈性模量，其單位和應(yīng)力為彈性模量，其單位和應(yīng)力相同，如何相同，如何理解彈性模量理解彈性模量？(1)(1)式稱為式稱為虎克定律，虎克定律，該定律也可用于受壓桿件，但符號(hào)為負(fù)該定律也可用于受壓桿件，但符號(hào)為負(fù)2022-3-241.2 材料的性能材料的性能橫向線應(yīng)變：橫向線應(yīng)變：dd1拉伸拉伸1ddddd 為橫向線應(yīng)變?yōu)闄M向線應(yīng)變研究表明在彈性階段桿件的橫向研究表明在彈

8、性階段桿件的橫向應(yīng)變應(yīng)變和軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變之比的絕對(duì)之比的絕對(duì)值是一個(gè)常數(shù)值是一個(gè)常數(shù)，稱為橫向變形系數(shù)或者泊桑比，稱為橫向變形系數(shù)或者泊桑比2022-3-241.2 材料的性能材料的性能（2）屈服階段（）屈服階段（bc段段）在此階段，曲線上升在此階段，曲線上升坡度變緩，在坡度變緩，在C點(diǎn)附近，點(diǎn)附近，應(yīng)力幾乎不變的情況應(yīng)力幾乎不變的情況下，試件的應(yīng)變量在下，試件的應(yīng)變量在增加，此時(shí)我們認(rèn)為增加，此時(shí)我們認(rèn)為材料對(duì)外力材料對(duì)外力“屈服屈服”obcs2022-3-241.2 材料的性能材料的性能v屈服v 金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣

9、上稱為“屈服”。v屈服點(diǎn)（s）v 發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為“屈服點(diǎn)”，用s (MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。v注：應(yīng)力不是力，是壓強(qiáng)。2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能0ssPF載荷不再增加，甚至有所降低時(shí)，試件還在繼續(xù)伸長(zhǎng)的最小載荷，N試件的原始橫截面積，m22022-3-241.2 材料的性能材料的性能cdb（3）強(qiáng)化階段）強(qiáng)化階段(cd段段)材料過了屈服點(diǎn)后，曲線又開始材料過了屈服點(diǎn)后，曲線又開始上升，曲線陡度變得十分平緩，這上升，曲線陡度變得十分平緩，這說明材料又具備較弱的抵抗形變說明材料又具備較弱的抵抗形變的能力，稱

10、強(qiáng)化階段的能力，稱強(qiáng)化階段特點(diǎn)特點(diǎn)：（：（1）大比例的大比例的塑性變塑性變形形，少量的，少量的彈性變形彈性變形；（2）所加）所加拉力拉力達(dá)到達(dá)到最大值最大值2022-3-241.2 材料的性能材料的性能df（4）頸縮階段（）頸縮階段（df段段）當(dāng)載荷加到上述最大值當(dāng)載荷加到上述最大值后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在試件后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在試件的某個(gè)部位直接突然變的某個(gè)部位直接突然變細(xì)，出現(xiàn)所謂的細(xì)，出現(xiàn)所謂的“頸縮頸縮”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。f點(diǎn)為斷裂點(diǎn)點(diǎn)為斷裂點(diǎn)2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 將從材料開始出現(xiàn)頸縮時(shí)的將從材料開始出現(xiàn)頸縮時(shí)的最高名義壓力最高名義壓力表示為表示為P b ，其反應(yīng)的是材

11、料抵抗斷裂能力的大小，其反應(yīng)的是材料抵抗斷裂能力的大小 抗拉強(qiáng)度（ b ） 金屬材料在拉伸條件下，從開始加載到發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。 0bbPF2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等?？估瓘?qiáng)度是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)。 屈強(qiáng)比（ s / b ）： 屈強(qiáng)比越小，材料的塑性儲(chǔ)備越大，越不容易發(fā)生危險(xiǎn)的脆性破壞； 屈強(qiáng)比越大，材料的強(qiáng)度水平發(fā)揮好，但塑性儲(chǔ)備越小。 2022-3-241.2 材料的性能材料的性能（5）試件斷裂后的處理）試件斷裂后的處理試件斷裂后，將其對(duì)接起來(lái)測(cè)出其長(zhǎng)度試件斷裂后，

12、將其對(duì)接起來(lái)測(cè)出其長(zhǎng)度l1稱為稱為標(biāo)距長(zhǎng)度標(biāo)距長(zhǎng)度，得出，得出總伸長(zhǎng)量總伸長(zhǎng)量為為 l1 - l0 ，則，則100lll稱做材料的稱做材料的延長(zhǎng)率延長(zhǎng)率，其值是評(píng)價(jià)，其值是評(píng)價(jià)材料塑性好壞材料塑性好壞的一個(gè)指的一個(gè)指標(biāo)，為材料在斷裂前最大能夠經(jīng)受的塑料變形量。標(biāo)，為材料在斷裂前最大能夠經(jīng)受的塑料變形量。斷面收縮率定義斷面收縮率定義材料材料的的塑性塑性指標(biāo)之一。材料受指標(biāo)之一。材料受拉力拉力斷裂時(shí)斷裂時(shí)斷面斷面縮小，縮小，斷面縮小的斷面縮小的面積面積與原面積之比值叫斷面收縮率，以與原面積之比值叫斷面收縮率，以表示。表示。單位為單位為%。 2022-3-241.2 材料的性能材料的性能2.其它材料

13、的拉伸曲線其它材料的拉伸曲線 （1）無(wú)屈服階段塑性材料）無(wú)屈服階段塑性材料 只有彈性和強(qiáng)化階段，沒有明顯的屈服階段，但有良只有彈性和強(qiáng)化階段，沒有明顯的屈服階段，但有良好的塑性。好的塑性。O-曲線曲線錳鋼錳鋼鎳鋼鎳鋼青銅青銅2022-3-241.2 材料的性能材料的性能v 無(wú)明顯屈服點(diǎn)的材料，工程中規(guī)定發(fā)生0.2殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)” ，用0.2表示。0.20.20PF-曲線曲線O0.22022-3-241.2 材料的性能材料的性能 在整個(gè)拉伸過程中無(wú)明顯塑性變形，無(wú)屈服無(wú)頸縮，在整個(gè)拉伸過程中無(wú)明顯塑性變形，無(wú)屈服無(wú)頸縮，拉到一定程度即突然斷裂。拉斷時(shí)的應(yīng)力稱為拉到一定程度即突

14、然斷裂。拉斷時(shí)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度極抗拉強(qiáng)度極限限b 。 （2）脆性材料）脆性材料O-曲線曲線玻璃鋼玻璃鋼灰鑄鐵灰鑄鐵b是衡量脆性材料強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。是衡量脆性材料強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。脆性材料脆性材料b很低，所以不宜作承拉件。很低，所以不宜作承拉件。2022-3-241.2 材料的性能材料的性能壓縮試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)（了解內(nèi)容）（了解內(nèi)容）混凝土、石料、木材等非金屬材做成立方體?；炷痢⑹?、木材等非金屬材做成立方體。 金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取h=(1.53)d2022-3-241.2 材料的性能材料的性能（1）塑性材料）塑性材料 屈服前應(yīng)力屈服

15、前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與拉伸時(shí)重合（但越壓越扁，應(yīng)變曲線與拉伸時(shí)重合（但越壓越扁，并不會(huì)壓潰，所以測(cè)不到強(qiáng)度極限）。所以塑性材料一并不會(huì)壓潰，所以測(cè)不到強(qiáng)度極限）。所以塑性材料一般不作壓縮試驗(yàn)。般不作壓縮試驗(yàn)。 壓縮壓縮拉伸拉伸2022-3-241.2 材料的性能材料的性能（2）脆性材料）脆性材料 脆性材料在受壓縮時(shí)所顯示的力學(xué)性能的最大特點(diǎn)是抗壓脆性材料在受壓縮時(shí)所顯示的力學(xué)性能的最大特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度限比抗拉強(qiáng)度限高出數(shù)倍強(qiáng)度限比抗拉強(qiáng)度限高出數(shù)倍 2022-3-241.2 材料的性能材料的性能3、溫度對(duì)材料機(jī)械性能的影響、溫度對(duì)材料機(jī)械性能的影響（1） 溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響（短時(shí)靜載）短時(shí)、靜

16、載：短時(shí)、靜載：試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，載荷逐漸增加。試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，載荷逐漸增加?？傏厔?shì)：總趨勢(shì)：溫度升高，溫度升高，E E、 s s 、 b b下降，下降， 增大。增大。2022-3-241.2 材料的性能材料的性能 E105 MPa2.52.01.51.00.5/MPabsp溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響2022-3-241.2 材料的性能材料的性能0200104006008002030405060708090100C/% /%0200400600800001000.10.5x1052003004005001.0 x1051.5x1052.0 x1052.5x105

17、0.20.30.40.5pebEbEC溫度對(duì)低碳鋼溫度對(duì)低碳鋼和和值的影響值的影響2022-3-241.2 材料的性能材料的性能低溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響：低溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響： 碳鋼、低合金鋼碳鋼、低合金鋼：強(qiáng)度（彈性、屈服點(diǎn)等）提高，脆強(qiáng)度（彈性、屈服點(diǎn)等）提高，脆性增加（延伸率性增加（延伸率），具有冷脆性（冷脆現(xiàn)象）。），具有冷脆性（冷脆現(xiàn)象）。不銹鋼、銅、鋁等無(wú)此現(xiàn)象不銹鋼、銅、鋁等無(wú)此現(xiàn)象 化工容器中凡是在化工容器中凡是在-20以下操作的容器，且容器壁以下操作的容器，且容器壁應(yīng)力又達(dá)到材料常溫屈服極限的應(yīng)力又達(dá)到材料常溫屈服極限的1/6時(shí)，定為時(shí)，定為低溫壓力容低溫壓力容器器，其選

18、材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等均有特殊要求，其選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等均有特殊要求。（自。（自學(xué)內(nèi)容：第學(xué)內(nèi)容：第2章容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)）章容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)）2022-3-241.2 材料的性能材料的性能v（2） 高溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響（蠕變和應(yīng)力松弛） 1）蠕變：蠕變：在高溫和長(zhǎng)期靜載作用下，即使構(gòu)件上的在高溫和長(zhǎng)期靜載作用下，即使構(gòu)件上的應(yīng)力不變應(yīng)力不變，塑性，塑性變形變形卻隨時(shí)間而緩慢卻隨時(shí)間而緩慢增加增加，直至破壞。，直至破壞。注意：應(yīng)力沒增加，桿自己在變長(zhǎng)注意：應(yīng)力沒增加，桿自己在變長(zhǎng)P經(jīng)過較長(zhǎng)經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后時(shí)間后P加靜載加靜載2022-3-241.2 材料的性能材料的性能蠕變：在高溫時(shí)

19、，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象，或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變速度蠕變速度：變形增長(zhǎng)的速度叫蠕變速度。變形增長(zhǎng)的速度叫蠕變速度。蠕變條件蠕變條件：高溫；一定的應(yīng)力。高溫；一定的應(yīng)力。蠕變變形是不可恢復(fù)的塑性變形。蠕變變形是不可恢復(fù)的塑性變形。蠕變速率與應(yīng)力和溫度成正比。蠕變速率與應(yīng)力和溫度成正比。 2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 蠕變極限的物理意義：反映材料在高溫條件下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。 影響蠕變極限的因素：材料、溫度、變形速度蠕變極限蠕變極限nn： 通常把在某一高溫下，為使試件在通常把在某一高溫下，為使試件在1010萬(wàn)小時(shí)萬(wàn)

20、小時(shí)內(nèi)的內(nèi)的塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變值值不超過不超過1 1，允許試件能承受的，允許試件能承受的最高最高應(yīng)力值應(yīng)力值，稱為材料在該溫度、該蠕變速度條件下的，稱為材料在該溫度、該蠕變速度條件下的蠕蠕變極限變極限。 2022-3-241.2 材料的性能材料的性能 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D ：在一定高溫下，在在一定高溫下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)規(guī)定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生不發(fā)生斷裂所允許的斷裂所允許的最高應(yīng)力最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下、該持續(xù)，稱為材料在該溫度下、該持續(xù)時(shí)間內(nèi)的時(shí)間內(nèi)的持久強(qiáng)度限持久強(qiáng)度限。 蠕變極限蠕變極限n和和持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D都是材料的高溫都是材料的高溫強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)。2022-3-241.2 材料的性能材料的

21、性能2）應(yīng)力松弛）應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛：應(yīng)力松弛：在一定的在一定的高溫高溫下，構(gòu)件上的總下，構(gòu)件上的總變形不變變形不變時(shí)，時(shí)，彈性變形會(huì)隨時(shí)間而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危ㄔ驗(yàn)槿渥儯瑥膹椥宰冃螘?huì)隨時(shí)間而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危ㄔ驗(yàn)槿渥儯?，從而使?gòu)件內(nèi)的而使構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力變小應(yīng)力變小的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 實(shí)例：實(shí)例：高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）（第壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）（第6章）章） 2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能二、塑性 塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。 塑性指標(biāo)是指金屬在外力作用

22、下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。 常用的塑性指標(biāo)是延伸率（）和斷面收縮率（）。1、延伸率（ ）100lll2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能 2、斷面收縮率（）00100%KFFF斷面收縮率與尺寸無(wú)關(guān)。延伸率和斷面收縮率越大，表示金屬材料的塑性越好。2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能三、硬度四、沖擊韌性五、缺口敏感性以上為課下自學(xué)內(nèi)容思考題：韌性與塑性的關(guān)系2022-3-241.2 1.2 材料的性能材料的性能1.2.2 物理性能 主要有相對(duì)密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。1、彈性模數(shù)E =E,這個(gè)比例系數(shù)E稱為彈性模數(shù)，彈性模數(shù)是金屬材料對(duì)彈性變形抗力的指標(biāo)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的，材料的彈性模數(shù)越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。對(duì)同一種材料，彈性模數(shù)隨溫度的升高而降低。