2.2 Основные характеристики материалов

Материалы обладают определенным набором свойств. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые предопределяют их применение в той или иной отрасли промышленности.

К основным физическим свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность, намагниченность, температура плавления, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения и др.

К механическим свойствам материала относятся прочность, пластичность, твердость, ползучесть, ударная вязкость, усталость, износостойкость.

Прочность. Прочность - способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Стали и другие металлы и сплавы для аппаратуры должны иметь предел прочности и предел текучести, обеспечивающие надежную работу аппаратов под внутренним давлением, ветровой и другими нагрузками, когда явление ползучести практически можно не принимать во внимание.

Ударная вязкость - это прочность при динамических нагрузках, Дж/м²:

, (2.1)

где А - работа, затраченная на разрушение образца;

F - площадь образца в месте надреза.

Значения ударной вязкости характеризуют вязкостные свойства металла и особенно важны для оценки возможности хрупкого разрушения элементов оборудования при низких температурах и ударных нагрузках.

Наряду с этим показатели ударной вязкости позволяют косвенно судить и о качестве металла, степени его загрязненности неметаллическими включениями, сплошности, соблюдении режима термической обработки. Пример: ферросилид.

Теплоустойчивость (длительная прочность, ползучесть) - свойство материала медленно деформироваться под действием постоянно растягивающей нагрузки, которая создает напряжение ниже предела упругости данного материала. Потеря работоспособности и даже разрушение оборудования, эксплуатируемого под внутренним давлением при высоких температурах, возможны в результате постепенного, более или менее равномерного по длине аппарата увеличения диаметра с одновременным уменьшением толщины стенки. Причиной этого является свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при высоких температурах под воздействием постоянной нагрузки (ползучесть). Способность металла противостоять развитию ползучести, называемая теплоустойчивостью, оценивается по результатам длительных испытаний показателями:

а) длительной прочности, т.е. напряжениями, вызывающими при данной температуре разрушение образца за определенный промежуток времени, для оборудования химзаводов обычно за 10000 и 100000 ч) или

б) показателями ползучести (напряжениями, вызывающими при данной температуре за 1000, 10 000 или 100 000 ч суммарное удлинение образца, равное 1%, что соответствует средней скорости ползучести 10 ³, 10⁴ и 10⁵ % в час или относительной деформации 10 ^-5, 10 ^-6 и 10 ^-7 мм/мм в час).

Тепловая хрупкость и разупрочнение. В результате длительного пребывания при повышенных температурах некоторые стали теряют свои исходные значения вязкости, пластичности и прочности, что связано, прежде всего, с изменениями кристаллической решетки и микроструктуры стали. Указанное явление потери вязкости и пластичности получило название «тепловой хрупкости». Подобные изменения свойств сталей крайне нежелательны и опасны, так как могут, привести к разрушению оборудования во время эксплуатации и при ремонтах. Поэтому к материалам обязательно, предъявляется требование достаточной стабильности механических свойств и структуры в процессе длительного воздействия рабочих температур.

Пластичность - способность материала получать остаточное (остающееся после удаления нагрузки) изменение формы и размеров без разрушения. Характеристикой пластичности являются относительное удлинение и сужение испытуемого образца.

Металл должен обладать достаточно высокой пластичностью, оцениваемой показателями относительного удлинения и поперечного сужения. Это требование обусловливается тем, что стальной прокат при изготовлении из него сборочных элементов и деталей аппаратуры, а также при сборке и монтаже аппаратуры и трубопроводов подвергается пластической деформации (штамповка днищ, гибка листа, развальцовка труб и т. д.), выдержать которую без разрушения хрупкий металл не способен.

Коррозионная стойкость: В зависимости от скорости коррозии различные стали и сплавы по отношению к определенной среде классифицируются согласно (ГОСТ 13819-68) как:

- совершенно стойкие;

- весьма стойкие;

- стойкие;

- пониженно-стойкие;

- малостойкие;

- нестойкие.

Детали аппаратов должны обладать необходимой стойкостью против коррозии, обеспечивающей срок их службы не менее чем в течение 5-8 лет.

Свариваемость. Подавляющее большинство аппаратов изготовляют и монтируют с помощью сварки, поэтому металл должен обеспечивать возможность создания надежных сварных соединений, у которых механические и физико-химические свойства одинаковы со свойствами основного металла или весьма близки к ним.

Усталость материала - свойство постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство материалов сопротивляться усталости называется выносливостью (сопротивлением усталости). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости.

Предел выносливости - это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без признаков разрушения.