第二節(jié) 壓力容器常用材料與安全性能

1、第二節(jié)第二節(jié) 壓力容器常用鋼材基礎(chǔ)知識壓力容器常用鋼材基礎(chǔ)知識壓力容器用鋼的主要力學(xué)性能壓力容器用鋼的主要力學(xué)性能由鋼板制成的金屬儲罐由鋼材制成的金屬管力學(xué)性能：金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學(xué)性能：金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。一、強度一、強度 所謂強度是指金屬材料在所謂強度是指金屬材料在靜載荷靜載荷作用下，材料抵抗變作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。根據(jù)外力的作用方式，有多種強度指標(biāo)，形和斷裂的能力。根據(jù)外力的作用方式，有多種強度指標(biāo)，如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。一般情況下多以如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。一般情況下多以抗抗拉強度拉強度作為判別金屬強度高低的招標(biāo)

2、。作為判別金屬強度高低的招標(biāo)。 1、拉伸試樣：標(biāo)準(zhǔn)試樣、拉伸試樣：標(biāo)準(zhǔn)試樣d0 是試樣的直徑是試樣的直徑 l0是標(biāo)距長度是標(biāo)距長度長試樣長試樣l0=10d0短試樣短試樣l0=5d0 力力伸長曲線（拉伸圖）：拉伸試驗中記錄拉伸力與伸伸長曲線（拉伸圖）：拉伸試驗中記錄拉伸力與伸長的關(guān)系曲線。長的關(guān)系曲線。 低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線變形階段：變形階段： oeoe彈性變形階段；彈性變形階段；eses彈性變形彈性變形+塑性變形；塑性變形；sb塑性變形階段；塑性變形階段；bd縮頸階段；縮頸階段；d試樣斷裂試樣斷裂1-12 2、強度指標(biāo)、強度指標(biāo)：用應(yīng)力值表示：用應(yīng)力值表示 應(yīng)力應(yīng)力單位截面

3、積上的內(nèi)力。符號單位截面積上的內(nèi)力。符號 公式：公式：=F/S =F/S 屈服強度極限（屈服強度極限（ss）：指鋼材在開始塑性變形）：指鋼材在開始塑性變形時單位面積上所承受的拉力，表示鋼材抵抗塑性時單位面積上所承受的拉力，表示鋼材抵抗塑性變形的能力。變形的能力。 機械零件在使用時，一般不允許發(fā)生塑性變形，機械零件在使用時，一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設(shè)計時選材的主所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設(shè)計時選材的主要依據(jù)也是評定金屬材料承載能力的重要機械性要依據(jù)也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標(biāo)。能指標(biāo)。（2 2）抗拉強度極限（）抗拉強度極限（b b ） 指材料在拉斷之前

4、單位面積上所能承受的最大指材料在拉斷之前單位面積上所能承受的最大拉力，是材料承受能力的極限。表示鋼材抵抗斷拉力，是材料承受能力的極限。表示鋼材抵抗斷裂的能力。裂的能力。 屈服強度與抗拉強度的比值屈服強度與抗拉強度的比值S/bS/b稱為稱為屈強比屈強比。屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂?；蚰承┮馔庖蛩厥菇饘僮冃?，也不至于立即斷裂。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。二、塑性二、塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不被材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形

5、而不被斷裂的能力，稱為塑性。塑性指標(biāo)也主要是通過斷裂的能力，稱為塑性。塑性指標(biāo)也主要是通過拉伸實驗測得的拉伸實驗測得的. .工程上常用延伸率和斷面收縮率工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標(biāo)。作為材料的塑性指標(biāo)。1 1、 延伸率延伸率 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號表示，即表示，即 式中：式中：L0 L0 試樣原始標(biāo)距長度；試樣原始標(biāo)距長度； L1 L1 試樣拉斷后的標(biāo)距長度。試樣拉斷后的標(biāo)距長度。2、 斷面收縮率斷面收縮率 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號收縮率，用符號

6、表示，即表示，即 壓力容器在制造過程中要經(jīng)受彎卷、沖壓等成壓力容器在制造過程中要經(jīng)受彎卷、沖壓等成型加工，要求鋼材具有良好的塑性，以防止壓力型加工，要求鋼材具有良好的塑性，以防止壓力容器在使用過程中因意外超載而導(dǎo)致破壞。容器在使用過程中因意外超載而導(dǎo)致破壞。 材料的材料的和和值越大，塑性越好。兩者相比，值越大，塑性越好。兩者相比，用用表示塑性更接近材料的真實應(yīng)變。表示塑性更接近材料的真實應(yīng)變。 三、韌性三、韌性1 1、韌性：金屬抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。、韌性：金屬抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。2 2、沖擊載荷：加載速度很快而作用時間很短的突發(fā)、沖擊載荷：加載速度很快而作用時間很短的突發(fā)性載荷

7、性載荷3 3、沖擊實驗、沖擊實驗 試驗原理試驗原理 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣：兩種，一種是常用的梅氏試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣：兩種，一種是常用的梅氏試樣（試樣缺口為（試樣缺口為U U型）；另一種是夏氏試樣（試樣缺型）；另一種是夏氏試樣（試樣缺口為口為V V型）。夏氏試樣必須注明型）。夏氏試樣必須注明aKaK（夏）。（夏）。沖擊試樣（3 3）沖擊功：擺錘沖斷試樣所消耗的功）沖擊功：擺錘沖斷試樣所消耗的功 A Ak k=mg(h1-h2)=mg(h1-h2)（4 4）沖擊韌度值：）沖擊韌度值：A Ak k除以試樣缺口處橫截面積除以試樣缺口處橫截面積F F k k=A=Akvkv/F /F 單位：焦耳單位：焦耳/ /厘

8、米厘米 （J/cmJ/cm）k k值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯塑性變值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯塑性變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。k k值高的材料叫做韌性材料值高的材料叫做韌性材料 ，斷裂時發(fā)生明顯塑，斷裂時發(fā)生明顯塑性變形，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。性變形，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。一般來說，強度、塑性兩者均好的材料一般來說，強度、塑性兩者均好的材料, ,k k值也高值也高k k一般只作設(shè)計和選材的參考。一般只作設(shè)計和選材的參考。四、硬度四、硬度 硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃裂是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃裂的能力。通常材料的的能力。

9、通常材料的強度越高，硬度也越高強度越高，硬度也越高。硬度。硬度測試應(yīng)用得最廣的是測試應(yīng)用得最廣的是壓入法壓入法，即在一定載荷作用下，即在一定載荷作用下，用比工件更硬的壓頭緩慢壓入被測工件表面，使材用比工件更硬的壓頭緩慢壓入被測工件表面，使材料局部塑性變形而形成壓痕，然后根據(jù)壓痕面積大料局部塑性變形而形成壓痕，然后根據(jù)壓痕面積大小或壓痕深度來確定硬度值。從這個意義來說，硬小或壓痕深度來確定硬度值。從這個意義來說，硬度反映材料表面抵抗其它物體壓入的能力。工程上度反映材料表面抵抗其它物體壓入的能力。工程上常用的硬度指標(biāo)有常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等等。1

10、、布氏硬度、布氏硬度HB 布氏硬度是用一定載荷布氏硬度是用一定載荷P，將直徑為，將直徑為D 的的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積根據(jù)壓痕面積S確定硬度大小。其確定硬度大小。其單位面積單位面積所受載荷稱為布氏硬度。所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度試驗原理圖 布氏硬度計 計算公式計算公式 布氏硬度值布氏硬度值=F/S=2F/=F/S=2F/D D（D-D-（D D2 2-d-d2 2）1/21/2）布氏硬度的符號布氏硬度的符號 壓頭為淬火鋼球，測試硬度值在壓頭為淬火鋼球，測

11、試硬度值在450450以下材料：以下材料： HBSHBS 壓頭為硬質(zhì)合金球，測試硬度值在壓頭為硬質(zhì)合金球，測試硬度值在450450650650的材料：的材料：HBWHBW表示表示：硬度值：硬度值符號符號壓球直徑壓球直徑載荷載荷載荷保持時間載荷保持時間 如：如： 150 HBS10/10000/30150 HBS10/10000/30 500 HBW5/7500 500 HBW5/7500 應(yīng)用應(yīng)用 由于布氏硬度所用的測試壓頭材料較軟，所以由于布氏硬度所用的測試壓頭材料較軟，所以不能測試太硬的材料。不能測試太硬的材料。 材料的材料的b與與HB之間，有以下近似經(jīng)驗關(guān)系：之間，有以下近似經(jīng)驗關(guān)系：對

12、于低碳鋼：對于低碳鋼：b0.36HB；對于高碳鋼：對于高碳鋼：b0.34HB；對于灰鑄鐵：對于灰鑄鐵：b0.10HB。 二、洛氏硬度HR 洛氏硬度是將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓痕深度壓痕深度來確定硬度值。根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種。 計算公式：洛氏硬度值=c-h/0.002 應(yīng)用：材料硬度較高或試樣過小時。 HRA適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；HRB適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等；HRC適用于測量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度操作簡便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的

13、應(yīng)用。洛氏硬度測量原理圖 洛氏硬度計 三、維氏硬度HV 維氏硬度的實驗原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為金剛石四棱錐體，所加負(fù)荷較小（5120kgf）。它所測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負(fù)荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測定過程比較麻煩。 三種硬度值之間的換算表1-3 近似關(guān)系： 1、HRC 1/10HBSHRC 1/10HBS（W W） 硬度值在200600 HBS（W） 2、HBS HV HBS HV 硬度值在小于450 HBS（W）壓力容器用鋼的主要元素組成壓力容器用鋼的主要元素組成及分類方法與牌號及分類方法與牌號一、鋼的元素

14、組成一、鋼的元素組成 鋼是含碳量在鋼是含碳量在0.04%-2.3%之間的鐵碳合金。之間的鐵碳合金。為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。等。 碳鋼：以鐵為基本成分，含有少量碳元素的鐵碳鋼：以鐵為基本成分，含有少量碳元素的鐵碳合金。實際上，碳鋼中還含有極少量的錳和硅，碳合金。實際上，碳鋼中還含有極少量的錳和硅，錳含量一般小于錳含量一般小于1%，硅含量都在，硅含量都在0.5%以下。以下。 合金鋼：合金鋼： 鋼里除鐵、碳外，加入其他的元素，鋼里除鐵、碳外，加入其他的

15、元素，就叫合金鋼。就叫合金鋼。1、壓力容器用鋼中所包含的元素按作用可分為：、壓力容器用鋼中所包含的元素按作用可分為：基本元素基本元素 鐵、碳鐵、碳?xì)埩粼貧埩粼?硫、磷、錳、硅、氧、氫等硫、磷、錳、硅、氧、氫等添加元素添加元素 錳、鉬、釩、鎳、鉻、硼等錳、鉬、釩、鎳、鉻、硼等各添加元素的作用 Add your title in here碳碳(C):含碳量增加含碳量增加,鋼的可焊性下降鋼的可焊性下降 所以耐熱鋼中一般要控制在所以耐熱鋼中一般要控制在0.20%以下以下 錳錳(Mn):是一種良好的脫氧劑、脫硫劑是一種良好的脫氧劑、脫硫劑增加含錳量可以提高鋼的耐磨性增加含錳量可以提高鋼的耐磨性.硅硅

16、(Si)：是強脫氧劑，若含量超過：是強脫氧劑，若含量超過2%時時會使鋼的塑性和韌性降低。會使鋼的塑性和韌性降低。 Add your title in here鉻鉻(Cr)：能提高鋼的硬度、耐蝕性：能提高鋼的硬度、耐蝕性 和抗氧化性。含鉻量增加，可焊性變差和抗氧化性。含鉻量增加，可焊性變差 鉬鉬(Mo)(Mo)：可提高鋼的再結(jié)晶溫度，：可提高鋼的再結(jié)晶溫度，強度和硬度。強度和硬度。鎳鎳(Ni)(Ni)：可提高耐蝕性能，提鋼的：可提高耐蝕性能，提鋼的高溫強度和持久強度，提高鋼的塑性。高溫強度和持久強度，提高鋼的塑性。 硫是鋼中有害元素，導(dǎo)致鋼的熱脆性。硫是鋼中有害元素，導(dǎo)致鋼的熱脆性。 磷也是鋼中

17、有害元素，導(dǎo)致鋼的冷脆性。磷也是鋼中有害元素，導(dǎo)致鋼的冷脆性。 壓力容器用鋼二、壓力容器鋼材的常見分類方法二、壓力容器鋼材的常見分類方法1、按化學(xué)成分分類、按化學(xué)成分分類鋼材合金鋼碳素鋼中碳鋼低碳鋼高碳鋼碳素鋼:碳素鋼碳素鋼容器中合金鋼低合金鋼高合金鋼合金鋼合金鋼合合金金鋼鋼壓壓力力容容器器合金鋼合金鋼輸油管2、按金屬品質(zhì)分類、按金屬品質(zhì)分類 (1) 普通鋼（普通鋼（P0.045%，S0.050%） (2) 優(yōu)質(zhì)鋼（優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均均0.035%） (3) 高級優(yōu)質(zhì)鋼（高級優(yōu)質(zhì)鋼（P0.035%，S0.030%） 純潔度越來越高純潔度越來越高優(yōu)質(zhì)鋼普通鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼3、按脫氧程度分類、按脫氧程度

18、分類沸騰鋼沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼三、鋼的牌號三、鋼的牌號1碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 由由Q+數(shù)字?jǐn)?shù)字+質(zhì)量等級符號質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號組成。脫氧方法符號組成?！癚”，代表鋼材的屈服點，后面的數(shù)字表示屈服，代表鋼材的屈服點，后面的數(shù)字表示屈服點數(shù)值，單位是點數(shù)值，單位是MPa 必要時鋼號后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級和脫氧方必要時鋼號后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級和脫氧方法的符號。質(zhì)量等級符號分別為法的符號。質(zhì)量等級符號分別為A、B、C、D。脫氧方法符號：脫氧方法符號：F表示沸騰鋼；表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼：表示半鎮(zhèn)靜鋼：Z表示鎮(zhèn)靜鋼；鎮(zhèn)靜鋼可不標(biāo)符號，表示鎮(zhèn)靜鋼；鎮(zhèn)靜鋼可不標(biāo)符號， Q 235 - AFQ屈服點字母屈服點字母235屈服點數(shù)值屈服點數(shù)值A(chǔ)質(zhì)量等級質(zhì)量等級F沸騰鋼沸騰鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼:2、