求化工设备机械基础的课后习题答案

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《化工设备机械基础》习题解答
第一章 化工设备材料及其选择
一. 名词解释
A组：
1.蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的作用下逐渐产生塑性变形的现象。
2.延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。
3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。
4.硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。
5.冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。
6.泊桑比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材，μ=0.3 。
7.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。
8.抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。
9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
10.抗拉强度：金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。
B组：
1.镇静钢： 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 Si, Al等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和Al2O3。钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。
2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。
3.半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。
4.低碳钢：含碳量低于0.25%的碳素钢。
5.低合金钢：一般合金元素总含量小于5%的合金钢。
6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。
7.铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。
8.铁素体：碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体叫铁素体。
9.奥氏体：碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体叫奥氏体。
10.马氏体：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在α铁中过饱和的固溶体。
C.
1.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、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。
2.正火：将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。
3.退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得到接近平衡状态组织的热处理方法。
4.淬火：将钢加热至淬火温度（临界点以30～50oC）并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。
5.回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。
6.调质：淬火加高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般采用调质处理。
7.普通碳素钢：这种钢含硫,磷等有害杂质较多，要求S≤0.055%，P≤0.045%。普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成，例如： Q235—A•F。
8.优质碳素钢：含硫,磷等较少（含硫S、磷P均≤0.04%），非金属杂质少，组织均匀，表面质量较好。
9.不锈钢和不锈耐酸钢：不锈钢是耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。
10.锅炉钢：有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管主要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路，锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于中温高压状态，而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工，因此，对其性能要求也较高。
D.
1.容器钢：化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢板有比较严格的要求。
2.耐热钢：能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。
3.低温用钢：由于普通碳钢在低温下（-20℃以下）会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用作低温场合的钢要求具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性的钢。
4.腐蚀速度：评定金属的腐蚀有两种方法。
（1） 根据重量评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、单位时间腐蚀引起的重量变化。即：
（g/m2•h）
K：腐蚀速度，g/cm2•h；
p0：腐蚀前试件的重量，g；
p1：腐蚀后试件的重量，g；
F： 试件与腐蚀介质接触的面积，m2；
t ： 腐蚀作用的时间， h；
（2） 根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。即：
（mm/a）
式中：Ka：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；
ρ：金属的相对密度，g/cm3。
5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生
化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。
6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。
7.氢腐蚀：氢气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀，使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至破坏的现象。
8.晶间腐蚀：一种局部的,选择性的破坏。
9.应力腐蚀：金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。
10.阴极保护：把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和一辅助阳极相连。当电路接通后，电源便给金属设备以阴极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。
二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量
A组
牌号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义
Q235-A•F 普通碳素甲类钢 — — F：沸腾钢
Q:钢材屈服点
Q235-A 普通碳素甲类钢 — — A:甲类钢
20g 优质碳素结构钢 0.2% — g:锅炉钢
16Mn R 普通低合金钢 0.16% <1.5% R:容器钢
20MnMo 普通低合金钢 0.2% MnMo<1.5% —
16MnDR 普通低合金钢 0.16% Mn:<1.5% D:低温钢
14Cr1Mo 普通低合金钢 0.14% Cr:0.9-1.3%;Mo:<1.5% —
0Cr13 铬不锈钢 <0.08% Cr:13% —
1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 0.1% Cr:18%;Ni:9%;Ti:<1.5% —
00Cr19Ni10 奥氏体不锈钢 <0.03% Cr:19%;Ni:10% —
B组：
钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义
Q235-B 普通碳素乙类钢 — — F：沸腾钢
Q:钢材屈服点
Q235-AR 普通碳素甲类容器钢 — — R:容器钢
16Mng 普通低合金钢 0.16% Mn:<1.5% g:锅炉钢
18Nbb 普通低合金钢 0.18% Nb:<1.5% b:半镇静钢
18MnMoNbR 普通低合金钢 0.18% Mn.Mo.Nb:<1.5% —
09MnNiDR 普通低合金钢 0.09% Mn.Ni:<1.5% R:容器钢
06MnNb 普通低合金钢 0.06% Mn.Nb:<1.5% —
2Cr13 铬不锈钢 0.2% Cr:13% —
12Cr2Mo1 普通低合金钢 0.12% Cr:1.5～2.49%;
Mo:0.9～1.3% —
0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 <0.08% Cr:18%;Ni:12%;
Mo:1.5～2.49%;
Ti:<1.5% —
C组：
钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义
Q235-C 普通碳素特类钢 — — Q:钢材屈服点
15MnNbR 普通低合金容器钢 0.15% Mn.Nb:<1.5% R:容器钢
06AlCu 普通低合金钢 0.06% Al.Cu:<1.5% —
Cr22Ni14N 奥氏体钢 0.10% Cr:22%;Ni:14%;N:<1.5% —
Cr25Ni20 奥氏体钢 0.10% Cr:25%;Ni:20% —
0Cr17Ti 奥氏体不锈钢 <0.08% Cr:17%;Ti:<1.5% —
40Mn2A 普通低合金钢 0.40% Mn:1.5～2.49% A:高级优质钢
15g 优质碳素结构钢 0.15% － g:锅炉钢
20R 优质碳素结构钢 0.20% － R:容器钢

三、选择材料
设备 介质 设计温度/℃ 设计压力/MPa 供选材料 应选材料
氨合成塔外筒 氮、氢、少量氨 ≤200 15 0Cr18Ni9Ti，20，Q235-A•F ，18MnMoNbR，15MnVR, 13MnNiMoNbR 18MnMoNbR
或13MnNiMoNbR
氯化氢吸收塔 氯化氢气体，盐酸，水 80~120 0.2 Q235-A•R ，1Cr18Ni9Ti，铜，铝，硬聚氯乙烯塑料，酚醛树脂漆浸渍的不透性石墨 Q235-A•R+铜衬里
溶解乙炔气瓶蒸压釜 水蒸汽 ≤200 15 Q235-A，0Cr19Ni10，20，16MnR，18MnMoNbR，07MnCrMoVR 18MnMoNbR
高温高压废热锅炉的高温气侧壳体内衬 转化气（H2,CO2,N2,CO,H2O,CH4,Ar） 890~
1000 3.14 18MnMoNbR，0Cr13，Q235-A•R，Cr25Ni20，0Cr18Ni9Ti，Cr22Ni14N Cr25Ni20

四、判断题
1．对于均匀腐蚀、氢腐蚀和晶间腐蚀，采取增加腐蚀裕量的方法，都能有效地解决设备在使用寿命内的腐蚀问题。（╳）
2．材料的屈强比（σs/σb）越高，越有利于充分发挥材料的潜力，因此，应极力追求高的屈强比。（╳）
3．材料的冲击韧度αk高，则其塑性指标δ5也高；反之，当材料的δ5高，则αk也一定高。（╳）
4．只要设备的使用温度在0～350℃范围内，设计压力≤1.6MPa，且容器厚度≤20mm，不论处理何种介质，均可采用Q235-B钢板制造。（╳）
5．弹性模量E和泊桑比μ是材料的重要力学性能，一般钢材的E和μ都不随温度的变化而变化，所以都可以取为定值。（╳）
6．蠕变强度表示材料在高温下抵抗产生缓慢塑性变形的能力；持久强度表示材料在高温下抵抗断裂的能力；而冲击韧性则表示材料在外加载荷突然袭击时及时和迅速塑性变形的能力。（√）

五、填空题
1．对于铁碳合金，其屈服点随着温度的升高而（降低），弹性模量E随着温度的升高而（降低）。
2．δ、ψ是金属材料的（塑性）指标；σb、σs是金属材料的（强度）指标；Ak是金属材料的（冲击韧性）指标。
3．对钢材，其泊桑比μ＝（0.3）。
4．氢腐蚀属于化学腐蚀与电化学腐蚀中的（化学）腐蚀，而晶间腐蚀与应力腐蚀属于（电化学）腐蚀。
5．奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的温度范围是（450）～（850）℃，防止晶间腐蚀的方法一是减少奥氏体不锈钢中的含（碳）量，二是在奥氏体不锈钢中加入（Ti）和（Nb）元素。
6．应力腐蚀只有在（拉）应力状态下才能发生，在（压应力）和（剪切）应力状态下则不会发生应力腐蚀。