容器选材基本思路、力学性能指标

压力容器设计文件中通常会对材料提出一些高于标准（GB/T 150或GB/T 713、GB/T 24511等材料标准）的技术要求，这些要求内容繁多，常让人看得云里雾里，并且材料的力学性能指标较多，有时也容易糊涂，这都需要捋一捋。

一、选材基本思路

化工生产的多样性和化工设备的功能性，让压力容器选材具有一定的复杂性。而材料科学的半科学、半经验性质又给选材增加了难度。

压力容器承受的载荷是影响强度计算的主要因素，不是影响选材的主要因素。压力容器更重视材料的韧性，即塑性储备。压力容器选材的基本思路是：成分决定组织，组织决定性能，性能决定选用，具体包括以下环节：

种类——钢：碳钢、低合金钢、Cr-Mo钢、不锈钢；

形式——钢材：板材、管材、锻件、棒材；

限制——范围：温度、压力、介质、结构；

条件——附加技术要求：冶炼，成分，冷、热加工，强度，冲击韧性，检验，性能复验等。

二、材料力学性能指标

金属材料的力学性能主要取决于其化学成分，并受加工工艺影响。

1.屈服强度R_eL

是材料在拉伸试验过程中发生塑性变形的最小应力，反应抵抗塑性变形的能力。如果材料没有明显的屈服现象，如不锈钢、淬火钢等，按产生0.2%残余变形（塑性延伸率）的应力值作为条件屈服强度，记为R_P0.2。

奥氏体不锈钢具有良好的韧性和应变强化性能，当塑性延伸率达到1.0%，其条件屈服强度可提高30%左右，且塑性和韧性也可以满足要求。为了充分利用这一特性，GB/T 150.1-2011在表1的注2规定：如果引用标准规定了R_P1.0，则可以选用该值计算其许用应力。

2. 抗拉强度R_m

这是大家比较熟悉的指标，材料所受应力如果超过这个值，即进入低应力破坏阶段。抗拉强度是最容易测定的力学性能指标，重现性好，反应了材料抵抗断裂的能力。

3. 断后延伸率A、断收缩率Z

这两个是材料的塑性指标，在材料的拉伸试验中试样拉断后测量确定，比较直观。

4. 硬度

硬度表示材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度是材料的一个综合性能指标，表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等，与抗拉强度有一定的对应关系（大致为正比关系）。

压力容器用材并非硬度越高越好，包括焊缝在内，需要对硬度进行控制。

5. 冲击韧性KV₂

韧性是材料在断裂前吸收变形能量的能力，其大小取决于材料有无迅速塑性变形的能力。冲击韧性是强度与塑性的综合指标，塑性的影响相对主要。

特定钢材的冲击韧性与一定的温度对应，在所要求的冲击功一定时，可通过降低试验温度来实现提高冲击韧性指标的目的。

焊接是一个小冶金过程，会导致焊接接头冲击韧性降低，所以KV₂是焊接接头倍受关注的指标。另外需要注意的是，标准对奥氏体钢材本身是没有冲击韧性要求的，但对奥氏体不锈钢的焊缝有要求。

除冲击功外，侧向膨胀量L_E也是材料的韧性指标，但这个指标国内还在积累阶段，见此前的文章《“冷门“韧性指标：侧向膨胀量》。

6. 断裂韧性K_IC

断裂韧性属于断裂力学上的概念，反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的能力。具体地可参考之前的文章《压力容器的防脆断设计》。

总的来说，除断裂韧性外，上述其他指标的测定都有相应的GB可依，可记住这么几个粗暴的结论：

硬度和冲击韧性是综合指标；

硬度和强度可视为正比关系；

韧性表征塑性的储备。

参考文献：王非. 化工压力容器设计选材[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013