Механические характеристики материалов

Вопросами прочности, жёсткости и устойчивости частей сооружений и машин занимается наука сопротивление материалов.

Упругие и механические характеристики материалов определяются экспериментально путём постановки опытов на растяжение и сжатие образцов, изготовленных из изучаемого материала.

- стандартный образец.

Нагрузка, вызывающая растяжение или сжатие, прикладывается ступенями. При каждом увеличении нагрузки отмечаются абсолютные удлинения образца. График зависимости удлинения от нагрузки называется диаграммой растяжения. Диаграмма имеет 5 характерных точек:

Предел пропорциональности

Предел упругости

Предел текучести

Предел прочности

Истинное сопротивление разрыву

Модуль упругости .

Является тангенсом угла наклона касательной к диаграмме напряжений.

Механические свойства материалов зависят не только от абсолютной величины температуры, но и продолжительности её действия.

Обычно, с повышением температуры, механические характеристики (s_P, s_T, s_B) уменьшаются с проявлением пластичности, а при понижении температуры увеличиваются с увеличением хрупкости.

СВД широко используют в различных химических и нефтехимических производствах (аммиака, метанола, карбамида, синтетических, жирных спиртов, переработке нефтепродуктов при получении искусственного кварца и других продуктов).

Конструкции СВД определяются требованиями химико – технолгического процесса, эксплуатационными параметрами и характеристиками (Р, Т, свойства рабочей среды, режим работы), производительностью, мощностью, условиями транспортировки и монтажа и др.

В зависимости от назначения, условий и технологических особенностей изготовления используют сосуды с монолитной стенкой (кованые, ковано – сварные, штампованные), многослойные (с концентрически расположенными слоями, руконированные, витые).

При выборе конструкций и методов расчёта СВД определяющими характеристиками являются: рабочее, расчётное, пробное давление, расчётная температура, условия нагрузки.

Рабочее давление «Р _Р» для СВД – наибольшее внутренне избыточное давление при нормальном течении рабочего процесса.

Расчётное давление «Р» в рабочих условиях – это давление, на которое рассчитывают прочность СВД. Обычно Р=Р_Р. При срабатывании предохранительного клапана более чем 10% по сравнению с Р_Р, Р=90% от Р_{срабатывания пред клапана.}

СВД подвергают поверочному расчёту на пробное давление Р_ПР, т.е. давление гидравлических испытаний Р_ПР регламентировано ГОСГОРТЕХНАДЗОРОМ.

Расчётную температуру, необходимую для определения физико-механических характеристик материала и допускаемых напряжений, определяют на основании тепловых расчётов или результатов испытаний.

Чем прочнее сталь, тем меньшими будут размеры аппарата при одинаковой ёмкости. Критерием качества стали, служит предел прочности при разрыве. Для некоторых сталей .

Другим критерием стали, служит её вязкость. Недостаточно вязкая сталь с малым относительным удлинением непригодна для изготовления аппаратов В.Д.

Обычные конструкционные стали (ст.3, ст.5) для установок с высоким давлением не применяют. (Р < 0.05 кбар). Эти стали легко обрабатываются, подвергаются термообработке. Из них изготавливают ниппели, корпусы вентилей.

Ограниченное применение в технике высоких давлений нашли и углеродистые качественные стали (сталь 30, сталь 50…).Их применяют до .

Инструментальные стали (47,48 …) имеют повышенное содержание углерода. Они могут закаливаться (процесс повышения твёрдости), но проявляют большую склонность к хрупкости.

При и применяют легированные стали.

Легированные стали – это сплавы на основе железа имеющие ряд добавок: никель, хром, марганец, кобальт и т.д.

Нержавеющая сталь имеет повышенное содержание никеля и хрома.

Группу сталей 25ХНВА, 18ХНВА, 30ХМА, 0ХНЗМ, 30ХГСА, 40Х, 45ХНМФА применяют при давлениях выше 1 кбар. Если , то необходимо искать специальные конструкционные решения.

Для изготовления сосудов В.Д. рекомендуются также стали ЭИ643, ЭИ 958, а при большой толщине стенки 33ХНЗМА, 40ХНМА и 23Х2НФВА.

Стали Х18Н9Т, Х18Н10Т применяют при и температурах для аппаратов малых размеров.

Сталь 2Х13 – при , .

Сталь Х18Н9Т обладает меньшей ползучестью, чем 2Х13, но зато последняя намного прочнее.

Сталь ЭИ437Б пригодна для изготовления аппаратуры, работающей в коррозионной среде под , при .

Сталь ЭИ445Р выдерживает давление до .

Сталь УНС, разработанная в СССР выдерживает давление до 17 кбар.

Детали, выдерживающие большие напряжения изготавливают из ТХ-12 и ТХ-15 – очень твёрдых, но хрупких. Из них делают плунжеры, нажимные кольца и т.д.

Для этой же цели используют сталь ХВГ – она обладает ценным качеством – не деформируется и не меняет объёма при термообработке.

Для сталей ТХ-12, ТХ-15 и ХВГ давление 15-17 кбар можно считать предельным.

Твёрдые сплавы

Для изготовления деталей аппаратуры, работающей при давлениях в десятки и сотни килобар, применяют твёрдые сплавы. Твёрдые сплавы изготавливают на основе карбидов различных металлов (кобальта, вольфрама, титана и т.п.).

Карбиды представляют собой мелкодисперсные частицы, которые затем спекают. Обладают высокой прочностью. Имеется две группы сплавов.

1. Вольфрамовая

ВК-6 – 94 %карбида вольфрама + 6 %кобальта

2. Титано – вольфрамовая Т5К10, Т15К6, Т30К4

Т15К6 – 15 %карбида титана, 6% -кобальт, остальное карбид вольфрама.

Эти материалы выдерживают давление до 500 кбар!

При изготовлении деталей из твёрдых сплавов им заранее придают необходимую форму.

Хорошими механическими свойствами и коррозионной стойкостью обладают сплавы титана.