机械设计基础材料性能.ppt

1、1化工设备机械基础化工设备机械基础北京化工大学机电工程学院北京化工大学机电工程学院2010.72课程简介课程简介31.确定设计原则确定设计原则经济指标，生产可靠度，能经济指标，生产可靠度，能力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的发展，等。发展，等。2.确定设计基础确定设计基础年操作时间，原材料，产品，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。消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格等。3.工艺流程图设计工艺流程图设计(PFD)过程确定，系统合过程确定，系统合成，工艺计算，设备特性要求，控制要求等。成，工艺计算，设备特性要求，控制

2、要求等。4.带控制点的管道流程图（带控制点的管道流程图（PID)5.工艺设备设计工艺设备设计设计温度，设计压力，结构设计温度，设计压力，结构设计，材质选择，壁厚确定等。设计，材质选择，壁厚确定等。46.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。56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78一一.主要内容：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

3、方法。9二二.学习本课程的目的与要求：学习本课程的目的与要求：n目的目的：基本掌握化工设备常用材料的基本掌握化工设备常用材料的主要主要性能及选用方法；性能及选用方法；基本掌握中低压、外压基本掌握中低压、外压容器及典型化工设备的容器及典型化工设备的设计方法设计方法。n要求要求：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。10三三.主要参考书及参考资料主要参考书及参考资料：n1.化工设备机械基础(第五版）刁玉玮 王立业编著；n2.压力容器安全技术监察规程 1999；n3.钢制压力容器 GB150-1998；n4.管壳式换热器 GB151-1999；n5.钢

4、制塔式容器 JB4710-2002；11第二篇第二篇 化工设备设计基础化工设备设计基础第七章第七章 化工设备常用金属材料的性能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使用环境：n压力：真空低压中压 高压超高压n温度：低温中温高温n介质：有毒；易燃；剧毒。127.4 金属材料的性能金属材料的性能7.4.1 力学性能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。1.强度强度及其主要指标及其主要指标.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！13金属材料的重要

5、强度指标金属材料的重要强度指标14（1）.屈服点屈服点n屈服现象屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍仍继续发生明显的塑性变形。继续发生明显的塑性变形。n屈服点：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,规定规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。记作0.2。15（2）.抗拉强度抗拉强度(b)n定义：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发生断裂所达到的最大应力值，以b 表示，单位MPa。是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。n屈强比屈强比：s/b 屈强比小，表明材料具有较大屈强比小，表明材料具有较大的的塑性储

6、备塑性储备。16（3）.蠕变强度（蠕变强度（n n）n“蠕变蠕变”现象：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。“蠕变强度蠕变强度”：材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力能力，以 n n 表示，单位MPa。17（4）.持久强度（持久强度（D D）n定义：在一定温度下，经过一定时间断定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以裂时的应力，以 D D 表示，单位表示，单位MPa MPa。-是一定温度和一定载荷下，材料抵抗是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。断裂的能力。n 材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支

7、持的时间越久。n规定规定：化工设备设计寿命一般化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。时断裂时的应力作为持久强度。18（5）疲劳强度）疲劳强度n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。n“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：-1 (MPa)。n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。192.塑性及其主要指标塑性及其主要指标n金属的塑性：金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性

8、质。n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20主要指标主要指标：(1)延伸率（）21（2）断面收缩率（）断面收缩率（y y）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%。积。断裂后试件的最小截面试件的原始截面积；式中kkFFFF000F%100y22（3）冷弯性能）冷弯性能 室温下对试板以一定的内半径（R=0.53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是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。23塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义：n

9、便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n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压力容器及其零件都需要具备这个性质备这个性质。243.硬度的概念硬度的概念n金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。n硬度高材料强度也高，耐磨性较好；综合性能指标综合性能指标。布氏硬度试验示意图25 常用硬度指标：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：硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢b36HBS;264.冲击韧性及指标（冲击韧性及指标（A Ak k）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑材料在外加动载荷

10、作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。性变形，抵抗断裂的能力。27看看冲击试验看看冲击试验28n摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功冲击功（试件所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳焦耳！吸收功的高低取决于！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧性值的试验确定29 材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，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。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。料，在动载荷下不一定能迅速塑

11、性变形。本质区别在于本质区别在于材料在动载荷作用下是材料在动载荷作用下是否能够否能够迅速发生塑性变形迅速发生塑性变形，吸收冲击能量，吸收冲击能量。305 缺口敏感性缺口敏感性在带有一定应力集中的缺口缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩静载荷下抵抗裂纹扩展的性能展的性能。冲击韧性？冲击韧性？是动载荷作用下抵抗裂是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。纹扩展的能力。317.4.2物理性能物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数线膨胀系数

12、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？碳钢表面电镀一层铜升温后会？322.弹性模量弹性模量E E与泊桑比泊桑比弹性模量E：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是衡量材料产生弹性变形难易程度的。易程度的。随着温度升高而降低随着温度升高而降低。泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为 =0.3=0.3。337.4.3 化学性能化学性能金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。

13、主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；2.抗氧化性抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2、SO2等。热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。347.4.4.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能n可焊性能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；n铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能切削加工性能n热处理性能热处理性能35看容器加工工艺看容器加工工艺制造压力容器的材料须具备什麽性能制造压力容器的材料须具备什麽性能367.5 钢铁牌号及表示方法

14、钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容372.2.钢号表示法钢号表示法例：优质碳素钢08F 20 R 沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%普通碳素钢Q235-A,F沸腾钢类别为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母38 低合金钢16MnR 16含碳量0.16%；Mn合金元素；R 容器钢。特殊性能钢1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；18含铬量18%；9

15、 含镍量9%。393.碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号（1）.普通碳钢普通碳钢n含P、S等有害杂质较多有害杂质较多（S0.055%P0.045%)n常用有：Q215-A,Q235-A,Q235-A.F#Q235-B,#Q235-C,Q275 (参见表1-6）式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。235材料屈服点（MPa)A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。F沸腾钢#GB150-98规定使用材料规定使用材料403.常用的材料：锅炉钢 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。容器钢（GB150-1998 钢制压力容器推荐）Q235-B，Q235-C;20R;16Mn

16、R，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。4.标准：压力容器用钢板GB6654-1996 压力容器用碳素钢和低合金厚钢板YB/T40-87417.6 化工设备材料选择的化工设备材料选择的一般原则一般原则要考虑要考虑：n设备的操作条件压力、温度、介质特性、操作特点；n材料的使用性能力学性能、物理性能、化学性能；n加工工艺性能焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；n经济合理性及设备结构材料价格、制造费用和使用寿命。42选材一般原则选材一般原则：1）压力容器用钢材应符合GB150-1998钢制压力容器的要求，设计压力不大于35MPa。接受压力容器安全技术监察规程的监督。2）压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：钢板牌号使用温度 设计压力 MPa壳体厚度 mm 其他限制Q235-B03501.620不得用于高度毒性和极度危害介质Q235-C04002.530433 3).设计温度应在允许使用温度范围内设计温度应在允许使用温度范围内。4 4).耐腐蚀耐腐蚀 !同时考虑正常生产、停车、空料、内填料等的实际情况。5 5).经济性好经济性好