化工设备机械基础
化工设备机械基础
第一部分金属材料基础知识 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能就是金属在外力作用下表现出来 的特性。化工设备用材料的常规力学性能指标主要包括强度、 硬度、塑性和韧性等。 1.强度 强度是指金属材料在外力的作用下对变形或断我的抗力 常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度,高温下工作时,还 要考虑蠕变极限和持久强度
第一部分 金属材料基础知识 一 .金属材料的力学性能 金属材料的力学性能就是金属在外力作用下表现出来 的特性。化工设备用材料的常规力学性能指标主要包括强度、 硬度、塑性和韧性等。 1.强度 强度是指金属材料在外力的作用下对变形或断裂的抗力。 常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度，高温下工作时，还 要考虑蠕变极限和持久强度
图1-圆柱形拉仲试样 a)拉仲前b)拉新后 图1-2低碳钢的力伸长曲线
(1)屈服强度极限(o):指钢材在开始塑性变形时单位 面积所玳受的拉力,这个指标表示钢材抵抗塑性变形的能 力。实际上许多材料的拉伸曲线不出现明显的塑性平台,不 能明显的确定出屈服点,所以用其变形量0.2%时的应力表示 屈服强度值。 (2)抗拉强度极限(o):指材料在拉断之前单位面积上 所能承受的最大拉力,是材料承载能力的极限。这个指标表 示钢材抵抗断裂的能力。□ (3)蠕变极限(σ):反映材料高温下的变形问题。它 定温度下,产生10m/mh蠕变速度的应力值。即在该 温度下经过10万小时(约12年)产生1%总变形的应力值
(1)屈服强度极限(σs )：指钢材在开始塑性变形时单位 面积上所承受的拉力，这个指标表示钢材抵抗塑性变形的能 力。实际上许多材料的拉伸曲线不出现明显的塑性平台，不 能明显的确定出屈服点，所以用其变形量0.2%时的应力表示 屈服强度值。 (2)抗拉强度极限(σb ):指材料在拉断之前单位面积上 所能承受的最大拉力，是材料承载能力的极限。这个指标表 示钢材抵抗断裂的能力。 (3)蠕变极限(σt ):反映材料高温下的变形问题。它是 一定温度下，产生10 -7 mm/mm·hr蠕变速度的应力值。即在该 温度下经过10万小时(约12年)产生1%总变形的应力值
(4)持久强度(D):反映材料高温下断裂性能,它是在 定温度下经过规定的工作期限(10万小时)后产生断裂的的 应力值。常作为设计高温元件的依据 (5)疲劳强度(0n):反映材料在变载荷的作用下抵抗 破坏的能力 2.塑性 金属材料在一定的外力作用下,构件的形状或尺寸发生 变化,这种变化称为材料的变形。金属材料在载荷的作用下, 其材料会发生弹性变形、塑性变形和断裂。 弹性变形是指构件在外力的作用下发生变形,当外力撤 除后变形完全消失,构件恢复原来的状态 塑性变形是指构件在外力的作用下发生变形,当外力撤 除后变形不能完全消失,构件不能恢复原来的状态
(4)持久强度(σD )：反映材料高温下断裂性能，它是在 一定温度下经过规定的工作期限(10万小时)后产生断裂时的 应力值。常作为设计高温元件的依据。 （5）疲劳强度（σrN):反映材料在变载荷的作用下抵抗 破坏的能力。 2.塑性 金属材料在一定的外力作用下，构件的形状或尺寸发生 变化，这种变化称为材料的变形。金属材料在载荷的作用下， 其材料会发生弹性变形、塑性变形和断裂。 弹性变形是指构件在外力的作用下发生变形，当外力撤 除后变形完全消失，构件恢复原来的状态。 塑性变形是指构件在外力的作用下发生变形，当外力撤 除后变形不能完全消失，构件不能恢复原来的状态
塑性是指金属材料发生残余交形(交形不能完全复的 性舶。化工设备在制造的过程中要经受弯卷、冲压等成形加 工,要求用于制造化工设备的钢材具有较好的塑性。以防止 化工设备在使用过程中因意外超载而导致破坏,也便于加工。 这是因为塑性好的钢材在破坏前一般都会产生较明显的塑性 变形,不但易于发现,且松驰局部应力而避免断裂。金属材 料的塑性可用延伸率和断面收缩率作为衡量指标。囻 (1)延伸率:取试件做拉伸试验,试件被拉断后的总伸 长与原长比值的百分数。用下式表示: ×100% 式中:L1一试件拉断后长度(m)。L-试件原始长度(mm)
塑性是指金属材料发生残余变形(变形不能完全恢复)的 性能。化工设备在制造的过程中要经受弯卷、冲压等成形加 工，要求用于制造化工设备的钢材具有较好的塑性。以防止 化工设备在使用过程中因意外超载而导致破坏，也便于加工。 这是因为塑性好的钢材在破坏前一般都会产生较明显的塑性 变形，不但易于发现，且松驰局部应力而避免断裂。金属材 料的塑性可用延伸率和断面收缩率作为衡量指标。 (1)延伸率：取试件做拉伸试验，试件被拉断后的总伸 长与原长比值的百分数。用下式表示： 式中：L1－试件拉断后长度(mm)。L0－试件原始长度(mm)。 100% 0 1 0 − = L L L
2)断面收缩率:取试件做拉伸试验,试件被拉断后的 断面缩减值与原截面积比值的百分数。用下式表示: F0-F1 ×100 式中:F试件初始截面积(mm2)。F1试件拉断后断口处的截面积 mm 3.韧性 为了防止或减少化工设备零件发生脆性破坏(在较低应力状 态下发生无显著塑性变形的破坏),要求化工设备零件用钢材在 使用温度下有好的韧性(a:一定尺寸和形状的试件在规定类型的 试验机上受冲击载荷折断时,试件槽口处单位面积上所消耗的 冲击功),表征材料抵抗冲击我荷破坏的能力
(2)断面收缩率：取试件做拉伸试验，试件被拉断后的 断面缩减值与原截面积比值的百分数。用下式表示： 100% 0 0 1 − = F F F 式中：F0试件初始截面积(mm2)。F1试件拉断后断口处的截面积 (mm2)。 3.韧性 为了防止或减少化工设备零件发生脆性破坏(在较低应力状 态下发生无显著塑性变形的破坏)，要求化工设备零件用钢材在 使用温度下有好的韧性(aK :一定尺寸和形状的试件在规定类型的 试验机上受冲击载荷折断时，试件槽口处单位面积上所消耗的 冲击功)，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力
冲击方向 3 图1-7夏比冲击试验原理图 1—摆锤2-试样3机架4刻度盘
用下式表示: F 式中: 冲击试验机的摆锤冲断试件时所作的功,F一试 件槽口处的初始截面积。 4.硬度 材料抵抗更硬物压入其表面的能力,称为硬度。根据试验 方法和适用范围的不同,硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度 维氏硬度。最常见的是布氏硬度。用一定直径D的淬硬钢球, 以规定载荷P压入试验金属表面并保持一定时间,除去载荷后, 测量金属表面的压痕直径,以直径算出压痕球面积F,再以载 荷P除以压痕球面积F所得之商,为该金属的布氏硬度值。布 氏硬度以HBW(HBS)表示,我国一直惯用的单位为Nm2,但使 用中一般不标注单位
用下式表示： F A a K K = 式中： AK－冲击试验机的摆锤冲断试件时所作的功， F－试 件槽口处的初始截面积。 4.硬度 材料抵抗更硬物压入其表面的能力，称为硬度。根据试验 方法和适用范围的不同，硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度、 维氏硬度。最常见的是布氏硬度。用一定直径D的淬硬钢球， 以规定载荷P压入试验金属表面并保持一定时间，除去载荷后， 测量金属表面的压痕直径，以直径算出压痕球面积F，再以载 荷P除以压痕球面积F所得之商，为该金属的布氏硬度值。布 氏硬度以HBW(HBS)表示，我国一直惯用的单位为N/mm2 ,但使 用中一般不标注单位
计算公式为: 2P HBS(HBW)=0.102× MPa mD(D-√D2-a2 式中:P一所加规定载荷,N D一钢球直径,m。 d一压痕直径,mm 布氏硬度压头为淬火钢球(HBS),硬度值测试范 围小于450,压头为硬质合金钢球(HBW),硬度值测 试范围小于650。 咨氏硬度压头为顶角12的金刚石圆锥体,根据 加载不同,分三个标尺,硬度符号为HRA、HRB和HRC。 维氏硬度压头为相对面夹角136的金刚石正四棱锥 体,硬度符号用HV表示
计算公式为： 布氏硬度压头为淬火钢球（HBS），硬度值测试范 围小于450，压头为硬质合金钢球（HBW），硬度值测 试范围小于650。 洛氏硬度压头为锥顶角1200的金刚石圆锥体，根据 加载不同，分三个标尺，硬度符号为HRA、HRB和HRC。 维氏硬度压头为相对面夹角1360的金刚石正四棱锥 体，硬度符号用HV表示。 2 2 ( 2 ( ) 0.102 D D D d P HBS HBW − − = MPa 式中：P－所加规定载荷，N。 D－钢球直径，mm。 d－压痕直径，mm