硬度高、但很脆，不稳定。
(2). 碳与铁形成化合物——渗碳体Fe3C
又脆又硬，熔点高。当碳含量大于2% 时，部分碳
以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。渗碳体 在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以 石墨的形式存在的，对强度影响极大。
(3). 碳与铁形成混合物
珠光体：铁素体(88%)和渗碳体(12%)组成，平均含碳量
D D D 2 d 2

2P

测量HB时P与D的规定
• 测量布氏硬度时，P与D是有规定的； • 为了保证用大球与小球测得的HB相同， 就必须要求二者的压入角相等，这就 是确定P、D规定条件的依据；
D d sin d D sin 2 2 2 2
P 2 HB 2 D 1 cos 2
构、夹杂物的多少与分布状况、应力集中情况。
2. 塑性
定义：在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力
2.1 延伸率δ
• 试样受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率

l k l l0 100% k 100% l0 l0
• 延伸率愈大，材料的塑性愈好； • 由于试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故延伸率与 试样尺寸有关。
的条件下，能支持的时间越久，则该材料抵抗断裂的能力也越大。
1.5 疲劳强度 1
很多构件经常受到大小及方向变化的交变载荷，这种交变载荷使 金属材料在应力还远低于屈服点时就发生断裂，这种现象称为 “疲劳”。金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最 大应力，称为“疲劳极限”； 实际上不可能进行无数次试验，一般以106~108次 循环试验作为 疲劳强度； 影响金属疲劳强度的因素主要有：合金成分、表面状态、组织结
• 由于晶体往往存在晶体缺陷； • 晶界处于案子排列不整齐。
1.2
面心立方晶格 金属铁的三种点阵结构 体心立方晶格 密排六方晶格
1.3 纯铁的同素异构转变
• 同素异构转变是固态铁原子重 新排列的过程，也是一种结晶 过程； • 居里温度：金属由有磁性变为 无磁性的温度。
1.4 铁碳合金的基本组织
由于变形前后总体积保持不变：
l0 A0 lA
l ) l0 (1 ) l0 A A A0 A A0 (1 ) A0 (1 ) A0 l l 0 l l 0 (1
l0 A0 l0 (1 ) A0 (1 )
(1 )(1 ) 1
蠕变：在一定应力下，应变随时间而增加的现象； 发生蠕变现象往往需要很长的时间，如古罗马教堂 的玻璃。 蠕变强度：材料抵抗蠕变现象发生的能力； 有两种表达蠕变强度的方法：
• 达到某一蠕变速度的应力值；
• 达到某一总变形的应力值；
δ
b a o
d
c
蠕变速率 d
d
η
对于高聚物，蠕变有 非常经典而完整的数 学模型，可参考《高 分子物理》。
为0.8%。性能介于铁素体与渗碳体之间。 莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的 组织。
1.5 铁碳合金状态图
铁的熔点
γ -Fe
α -Fe
(亚共析钢) (过共析钢) 共晶白口铁
含碳量（百分含量）
1.6
碳含量对碳钢机械性能的影响
2. 杂质元素对碳钢性能的影响
对碳钢性能有利的元素
低温容器
浅冷容器： -40 ℃ ≤t ≤ -20 ℃ 深冷容器： t < -40 ℃
2. 设备选材的基本要求
• 有足够的力学性能； • 具有良好的加工性能； • 具有良好的耐腐蚀性能； • 经济合算； • 其它各种性能符合设计要求。
基本概念
应力（Stress） σ 应力定义为“单位面积上所承受的力”。 按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以 分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。 当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何 形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变ε （Strain）。
E

• 温度升高，弹性模量E降低。
泊桑比μ
• 定义：拉伸试验中试样单位横向收缩与单位纵向伸长之比。
• 对于各种钢材，泊桑比近乎于一个常数， μ=0.3
耐腐蚀性能
四、金属材料的分类与牌号
生铁
黑色金属
钢
纯铜
黄铜 铜锡合金
1. 金属的分类
有色金属
铜及其合金 铝及其合金 钛及其合金
无锡合金
二、材料的机械性能
应力σ 应力定义为“单位面积上所承受的力”。
抗拉强度 蠕变强度 持久强度 疲劳强度
强度： 屈服点
机械 性能
塑性： 延伸率
硬度： 布氏硬度 韧性
冲击韧性
断面收缩率 洛氏硬度
冷弯性能
维氏硬度
按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以 分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。
1. 强度
缺点：不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来。
3.3
维氏硬度HV
（始于1925年）
原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四 方角锥体，由金刚石制成；
P HV 1.854 2 d kgf 2 mm
其中：d为压痕对角线长度
优点：
• 因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以 任意选择（最大优点）； • 通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度 值完全相等； • 试验数据可以从小到大统一起来； • 精度极高。
锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用； 硅(Si)：有利于脱氧； 绝大多数金属元素：如钛、铬、镍等。
对碳钢性能有害的元素
硫(S)：热脆性；
磷(P)：冷脆性；
氧(O)：降低钢的机械性能；
一般而言，金属元素的 存在有利，非金属元素 存在不利。
氮(N)：时效现象，使钢的塑性降低；
• oa段：材料在温度t下承受拉应力时 所产生的起始伸长率（不计入蠕变）； • ab段：减速蠕变阶段； • bc段：恒速蠕变阶段 ； • cd段：加速蠕变阶段 ；
1.4
持久强度 D
在给定温度下，促使材料经过一定时间发生断裂的应力叫做持久 强度； 在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万小时； 持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。在相同
定义：在外力作用下抵抗变形和断裂的能力
屈服点
ζ
韧性断裂
完全断裂
脆性断裂
弹性形变阶段
塑性形变阶段
材料的应力应变曲线
ε
1.1
屈服点 s
• 在外力不再增加，仍发生明显塑性变形，这个现象称为材料达 到了屈服点； • 屈服点：开始出现屈服现象时相对应的应力，MPa； • 金属或合金一般很少有明显的屈服现象，而高分子材料一般具 有明显的屈服现象； • 条件屈服点：发生0.2%残余伸长时的应力； • 在教材P302-308可以查到常用金属材料的屈服点数据。
由于一般 s b ，屈强比一般小于1，
屈强比越大，屈服点与抗拉强度愈接近，塑性储备越小，这时 有可能发生脆性断裂；这类材料如木棒； 屈强比越小，屈服点愈小于抗拉强度，这时塑性储备愈大，但 材料的强度往往得不到充分的发挥；这类材料如竹条。
因此，在工程上希望所选用的材料具有合适的屈强比。
1.3 蠕变强度 n
氢(H)：氢腐蚀。
3. 钢的热处理
钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式。以 改变其组织，满足不同要求的物理、化学和机械性能。
锌及其合金 ……
镇静钢 按脱氧情况和锭模形式分类 沸腾钢 半镇静钢
2. 钢铁牌号及表示方法
2.1 牌号表示方法
2.2 钢号表示方法
Q235—A· F
2.3 铸铁、铸钢牌号表示方法
五、碳钢与铸铁
• 碳钢和铸铁都是由95%以上的铁和0.05-4%的碳及1%左右的杂 质元素组成的，因此又称为“铁碳合金”；
第1章 化工设备材料及其选择
一、化工设备概述 二、材料的机械性能 三、材料的物理化学性能 四、金属材料的分类与牌号 五、碳钢与铸铁 六、特种钢、有色金属与非金属 七、化工设备防腐及防腐措施 八、化工设备选材的原则
一、化工设备概述
1. 设备的分类 按压力分类:
外压容器
容器 内压容器
低压容器(L) 0.1≤ P<1.6MPa
1
或


1
若发生缩颈，延伸率与断面收缩率之间难以确定明确 的数学关系。
2.3
冷弯性能
• b=2a，d=1.5a； • 用弯心直径等于1.5a的弯心将试样弯曲180o，不得出现裂纹、 裂缝为合格。
3. 硬度
定义：材料抵抗其它更硬物压入表面的能力
• 硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料弹性、强度、塑性 和韧性等的一个综合性能指标； • 常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头 压入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一 定时，压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。 • 根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛 氏硬度和维氏硬度。
2.2 断面收缩率ψ
• 试样受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率
Fk F0 Fk 100% 100% F0 F0
• 断面收缩率愈大，塑性愈好； • 由于断面收缩率与材料尺寸无关，故它能更加可靠地反映出
材料塑性的变化。
延伸率与断面收缩率的关系
若只有均匀伸长：
• 为了使压入角一定，必须P/D2为一常数 。
例如：P/D2=300
布氏硬度的特点
• 优点
因为其压痕面积大，能反映材料的综合性能指标，因而代表性全面；
试验数据稳定； 比较准确，用途很广；