金属材料及热处理基本知识1.pptx

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1、材料力学的基本知识 金属材料在加工和使用过程中的基本特征都要承受不同形式外力的作用都会产生抵抗这些外力作用的能力（这种能力称为材料的力学性能如Rm、HB、Ak、A等）直至能力消失而发生变形以至断裂破坏第1页/共74页应力与应变内力：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用下产生的附加内力的结果，通常简称它为内力。应变与应力：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变称为应变；物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力

2、；方向垂直于截面的应力称为正应力。第2页/共74页应力的种类：拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力、交变应力等。应力集中的概念：由于截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。应力集中系数a=max/max-最大局部应力；-名义应力 应力集中的严重程度与缺口大小有关，同时与缺口的尖锐程度有关，缺口越尖锐，即缺口根部曲率半径越小，应力集中系数就越大。第3页/共74页承压类特种设备壳体的工作应力 绝大多数承压类特种设备都承受内压，内部压强会使壳体产生拉应力，这一应力称为工作应力。按照薄壁回转理论，对于圆筒形容器来说，轴向应力是切向应力的一半，环焊缝受力仅是纵焊缝的一半。在相同的压力和直

3、径下，球形容器的壁厚可比圆筒形容器减少大约一半。实际工作状态下的容器，其壳体中的应力比较复杂，除了内压引起的总体薄膜应力外，还存在由于形状变化、壁厚改变、结构不连续等引起的附加拉应力、压应力、弯曲应力；由于缺口引起的峰值应力；由于冷热加工留下的残余应力；温度变化产生的热应力等等。第4页/共74页强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，材料强度可以通过拉伸试验测出。金属材料拉伸试验弹性变形滞弹性变形屈服前微塑性变形屈服变形均匀塑性变形局部塑性变形第5页/共74页应用：抗拉强度Rm、屈服强度(ReH、ReL）是评价材料性能的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允

4、许发生塑性变形，所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。一般机械设计若以ReH、ReL作为指标时，ns1.5-2.0，若采用屈服强度Rm作为指标时，安全系数nb1.5-3.0，我国锅炉压力容器规范规定的安全系数一般为ns 1.5，nb=2.7。第6页/共74页塑性 塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定与计算：材料塑性的指标通常用伸长率A和断面收缩率Z。伸长率可用下式确定：A（L1L0）/L0100；L0试件原标距长度，L1拉断后试件标距长度。断面收缩率可用下式确定：Z（S0S1）/S0100式中：S0试件原来截面积，S1拉断后试件颈缩处的截面积应用：锅炉压力容

5、器对材料塑性要求是有一定限度的，并不是越大越好，应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力，造成材料的极大浪费。第7页/共74页硬度定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。应用：布氏硬度试验是指用一定直径的（球体钢球或硬质合金球）以相应的试验压力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验方法。洛氏硬度试验是在初始试验压力及总试验压力的先后作用下，将顶角为1200金刚石圆锥体压入试验表面，经规定保持时间后，卸除试验力。通过测量残余压痕深度，确定材

6、料的硬度值。第8页/共74页维氏硬度试验是将相对面夹角为1360的正四棱锥体金刚石压头，已选定的试验力压入被测材料或零件的表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用测量压痕对角线长度计算硬度的一种压痕硬度试验方法。里氏硬度试验是用规定重量的冲击体在弹力作用下，以一定的速度冲击被测材料或零件表面，采用冲头在被测材料或零件表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值，计算硬度值。里氏硬度可方便实现多种硬度之间的相互转换以及与强度之间的相互转换。第9页/共74页冲击韧性定义：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。冲击韧性Kv（ku）AkSN。应用：材料冲击

7、韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力，冲击韧性高的一般都有较高的塑性，但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性。冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。第10页/共74页材料力学性能的进一步知识弯曲试验 判定焊缝和热影响区的塑性 暴露焊接接头内部缺陷，检查焊缝致密性 考核焊接接头不同区域协调变形的能力屈强比的概念 材料屈服极限和强度极限的比值称为屈强比，即ReL/Rm。这个值越小，表示材料的屈服极限和 强度极限的差距越大，材料的塑性越好，使用中的 安全裕度越大，反之则相反。使用高屈强比

8、的材料可以节省材料用量，但该 类材料对应力集中较为敏感，抗疲劳性能较差，较 易出现加工硬化现象而使材料变脆。第11页/共74页 钢的强度等级越高，其屈强比也越高，特别是抗拉强度下限值大于540MPa的低合金高强度钢材料的使用要十分注意。屈强比大于0.7的材料应加以重视；大于0.8的材料要从严控制，慎重处理。断裂韧度 是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。材料的断裂韧度K1c值可通过试验测定。断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成份、内部组织和结构。第12页/共74页钢材的脆化冷脆性 随着温度的降低，大多数

9、钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。热脆性 钢材在400-500后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。氢脆 钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中氢的来源：冶炼过程中溶解在钢水中的氢未及时逸出；焊接过程中水、油在高温分解的氢溶入钢材；设备运行时工作介质中的氢进入钢材；钢试件酸洗不当导致氢脆。氢脆是一种延迟断裂，断裂延迟时间可由几分钟或者几天。氢脆断裂只发生在100150的温度范围，温度过低或过高均不易发生。第13页/共74页苛性脆化 由于介质内具有含量很高的苛性钠（NaOH）促使钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象（一

10、般都发生在受压元件的铆接等处）。苛性脆化 的破坏形式是在肉眼可看到的主裂纹上有大量肉眼看不到的分支细裂纹。元件发生苛性脆化时，裂纹附近的钢材仍具有良好的塑性及脆性性能。应力腐蚀脆性断裂 由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂。应力腐蚀的发生条件：元件承受拉应力的作用具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境材料应力腐蚀的敏感性 应力腐蚀裂纹发生在与腐蚀介质接触的表面。第14页/共74页金属学与热处理基本知识 金属的晶体结构定义：内部原子呈规则排列的物质称为晶体，原子的排列方式称为晶体结构。晶体结构种类：体心立方晶格 铁（9120C，-铁）、铬、钼、钨、钒等 面心立方晶格 铝、铜、镍、铅等

11、 密排六方晶格 铍、镁、锌、镉等 单晶体：晶体内的晶格位向完全一致 多晶体：由许多晶粒（单晶体）组成的晶体结构，不存在各向异性，因为其中晶粒的位向不同，结果只表现出它们的平均性能 实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。第15页/共74页三种常见的金属晶格第16页/共74页晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要指标之一。晶体的晶格缺陷点缺陷 晶格空位、间隙原子 线缺陷 即晶格中的“位错线”或简称“位错”面缺陷 即晶界和亚晶界 凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸形，因而会引起晶格

12、能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度便愈高 第17页/共74页位错示意图第18页/共74页金属的结晶结晶：一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为结晶。“平衡结晶温度”：凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”，高于此温度便熔化，低于此温度才能进行结晶。“自由能”：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能对外做功的这一部分能量。实际结晶温度(T1)与理论结晶温度(T0)之间的温度差叫“过冷度”（T=T0-T1）。由于结晶时总伴有一定的能量释放，即所谓的“结晶潜热”。影

13、响晶核的形成和成长速率的因素：过冷度、未熔杂质第19页/共74页铁碳合金的基本组织定义：通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量0.022.0的称为钢，含碳量大于2.0的称为铸铁。锅炉压力容器压力管道用钢含碳量一般低于0.25。基本组织形式铁素体（F）碳溶于铁或铁中的固溶体（铁和铁都是体心立方晶格），在770以下它具有铁磁性。渗碳体（Fe3C）铁和碳的金属化合物，含碳量为6.67%。珠光体（P）层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。它有较高的硬度和强度，塑性较好。铁素体、渗碳体和珠光体是室温平衡状态下铁碳合金组织中基本的组成物 奥氏体（A）碳在-Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，由于它的间隙

14、比铁素体大，因而溶碳能力比铁素体强，最大可达2.11%（11480C时）。第20页/共74页室温平衡状态下铁碳合金组织中基本组成物的机械性能 名称名称名称名称符号符号符号符号结合类型结合类型结合类型结合类型RmRmRmRm(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)HBHBHBHBZ Z Z Z(%)(%)(%)(%)AKAKAKAK（J J J J）铁素体铁素体铁素体铁素体F F F F碳在碳在碳在碳在-Fe-Fe-Fe-Fe中的固溶中的固溶中的固溶中的固溶体（体心立方晶格）体（体心立方晶格）体（体心立方晶格）体（体心立方晶格）2302302302308080808050505050160160

15、160160渗碳体渗碳体渗碳体渗碳体Fe3C Fe3C Fe3C Fe3C 铁和碳的金属化合物铁和碳的金属化合物铁和碳的金属化合物铁和碳的金属化合物（复杂晶格）（复杂晶格）（复杂晶格）（复杂晶格）303030308008008008000 0 0 0 0 0 0 0 珠光体珠光体珠光体珠光体P P P P铁素体与渗碳体的机铁素体与渗碳体的机铁素体与渗碳体的机铁素体与渗碳体的机械混合物械混合物械混合物械混合物 75075075075018018018018020-2520-2520-2520-2524-3224-3224-3224-32第21页/共74页马氏体（M）：碳在-Fe中的过饱和固溶体（

16、钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点以下发生无扩散性相变的产物）。贝氏体（B）：过冷奥氏体在中温区间（约2504500C）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物。魏氏组织：亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体，在一定的过冷条件下（较快），除了在原来奥氏体晶粒边界上析出块状-Fe外，还有从晶界向晶粒内部生长的片状-Fe。带状组织：经热加工后低碳结构钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织。相：是指在铬镍不锈钢（特别是含铌、钛的）中存在的少量铁素体。相：是在研究Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相。第22页/共74页第23页/共74页第24页/共74页从铁碳合金状态图中可知:含碳量为

17、0.77的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100珠光体，称为共析钢;含碳量0.77的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P渗碳体Fe3C；含碳量0.77的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F珠光体P。组织中铁素体F的含量越多，表明碳含量越低，则材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。第25页/共74页含碳量0.2%的铁碳合金的结晶过程：液态金属随着温度的降低开始结晶，冷却至AB线以下时析出-Fe；至HJB线（14950C）发生包晶反应，液相和-Fe一起转变，形成奥氏体；继续冷至GS线，奥氏体开始向铁素体转变，同时引起母相奥氏体（A）中碳浓度的变化。随着温度降低，奥氏体（A）中的含碳量

18、沿GS线逐渐增加而趋近于S点，即合金冷却至7270C时，奥氏体（A）中的含碳量增为0.77%，故当合金再冷却至稍低于7270C时，其组织中剩余的奥氏体（A）便按共析反应而转变为珠光体，最终的显微组织为F+P。第26页/共74页热处理的一般过程定义：热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织从而获得所要求性能的一种工艺过程。热处理过程：热处理过程主要是由加热、保温（时间）、冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，因此热处理过程都可以用温度时间曲线来表述。钢在热处理过程中的组织变化，由两个过程组成：一是加热时，钢的常温组织转变为奥氏体；二是冷却时奥氏体

19、分解，随着冷却速度的不同，得到不同形态和组分的珠光体、铁素体或马氏体等转变产物。第27页/共74页加热时的转变奥氏体形成 奥氏体晶核的形成（易于在铁素体与渗碳体相界面形成）；奥氏体的长大（碳浓度破坏平衡和恢复平衡的反复循环过程）；残余渗碳体的溶解（铁素体比渗碳体先消失）；奥氏体均匀化（奥氏体中碳浓度不均匀）。冷却时的转变奥氏体的分解 冷却的目的是使加热转变的奥氏体A分解，随着冷却速度的不同，奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化。第28页/共74页第29页/共74页研究奥氏体转变过程的冷却方法有两种：连续冷却（与实际相近）和等温冷却（奥氏体转变易于测量）等温冷却的试验方法 将温

20、度在7270C以上，组织为均匀奥氏体的钢试样，急冷至7270C以下的某一温度，然后保持这一温度不变，经过一段时间，奥氏体开始转变，再经过一段时间，奥氏体转变结束，整个转变过程的时间变化范围可以从几秒至几昼夜。将不同温度下奥氏体转变开始和结束的时间绘制成曲线，即得到奥氏体等温转变曲线，由于曲线形状像字母C，所以又称C曲线。实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的，在连续冷却过程中，只要过冷度与等温转变相对应，则所得到的组织与性能也是对应的。第30页/共74页影响C曲线的因素：碳的影响：在正常加热条件下，亚共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而右移（亚共析钢在过冷奥氏体冷却时发生共析分解

21、，转变为珠光体类型组织之前就开始析出铁素体新相）；过共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而左移。合金元素的影响：除了钴以外，所有合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，C曲线的形状也发生改变。加热温度和保温时间的影响：随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体的成份更加均匀，作为奥氏体转变的晶核数量减少，同时奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，这些都不利于过冷奥氏体的转变，提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。第31页/共74页第32页/共74页锅炉压力容器压力管道用钢常用的热处理工艺 退火定义：将钢试件加热到适当的温度，保温一定的时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组

22、织的热处理工艺，称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同，退火又可分为完全退火、不完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火等。完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上3050，保温后在炉内缓慢冷却。不完全退火是将工件加热到Ac1以上3050，保温后缓慢冷却的方法。第33页/共74页第34页/共74页消除应力退火：一般是将工件加热到Ac1以下100-2000C（碳钢和低合金钢大致在500-6500C），保温然后缓慢冷却。消除应力退火中无组织变化。消除应力退火的目的：消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力；使焊缝中的氢较完全地扩散；提高焊缝抗裂性和韧性；改善

23、焊缝和热影响区组织；稳定结构形状。方法局部热处理整体热处理第35页/共74页正火：正火是将工件加热到Ac3或Acm以上3050，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。目的是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。许多锅炉压力容器用的钢板都是以正火状态供货的。淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，经过适当的保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。目的是通过淬火获得马氏体组织，以提高材料硬度和强度。如轴承、模具等工件。锅炉压力容器材料和焊缝的组织不希望有马氏体。第36页/共74页

24、回火：回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的工艺。目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可以获得不同的硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外回火还可以稳定工件的尺寸，改善加工性能。按回火的温度不同可将回火分为低度、中温和高温回火三种。第37页/共74页奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理：固溶处理：把奥氏体不锈钢加热到10501100（此温度下碳能在奥氏体中固溶），保温一定时间（约每25mm厚度不小于1小时），然后快速冷却至427以下（要求从925至538冷却时间小于3分钟），以获得均匀的

25、奥氏体组织的工艺称为固溶处理。目的是保证其强度、硬度低而韧性好，并具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。稳定化处理：对于含有钛或铌的铬镍奥氐体不锈钢，为防止晶间腐蚀，必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中，以此为目的的热处理称为稳定化处理。即把铬镍奥氐体不锈钢加热到850900，保温6小时，在空气中冷却或缓冷。第38页/共74页锅炉压力容器常用材料 材料的一般要求应有足够的强度，即有较高的屈服极限和强度极限，以保证安全性和经济性；应有良好的韧性，以保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏；应有良好的加工工艺性能，包括冷热加工成型性能和焊接性能；应有良好的低倍组织和表面质量，不允许有裂纹和白点；用于高

26、温元件的材料应具有良好的高温性能，包括足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性，有良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性；与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。第39页/共74页钢的分类和命名方法分类方法：钢的分类方法有“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两种。碳钢的分类和命名按含碳量分类：可分为低碳钢，C0.25；中碳钢，C0.25 0.6；高碳钢，C0.6；按钢的质量（即S、P含量）分类：可分为普通碳素钢，S0.050；P0.045；优质碳素钢，S0.040；P0.040；高级优质碳素钢，S0.030；P0.035；按冶炼时脱氧程度分类：可分为沸腾钢用“F”表示；镇静

27、钢，用“Z”表示；半镇静钢，用“b”表示；按冶炼方法分类：可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。按炉衬里材料又可分酸性和碱性两类。第40页/共74页碳钢的牌号及表示方法碳素结构钢普通碳素结构钢表示方法：QXXXXX，其中Q是“屈服极限”汉语拼音第一个字母大写，XXX为钢的屈服强度值（单位MPa），XX中第一个X表示质量等级（分为A、B两级），第二个X表示脱氧方法（分为沸腾钢F、镇静钢Z和半镇静钢b）；优质碳素结构钢表示方法：其牌号用钢平均含碳量的万分比两位数字表示，如08钢表示平均含碳量为0.08。优质碳素结构钢又可分为有意加锰（即Mn0.71.2）的，用牌号后附加“Mn”表示；专门用途的碳素钢表示方

28、法：在牌号尾部加代表用途的符号，锅炉用钢加“g”、压力容器用钢加“R”，如20g、20R等。碳素铸钢表示方法：用“铸钢”的汉语拼音字首ZG表示，其后两组数字分别表示铸钢的S、b值，如ZG200400，ZG270500等。第41页/共74页碳素工具钢表示方法：用碳字汉语拼音首“T”表示，之后的数字表示平均含碳量的千分比，数字后的“A、B”表示材料质量等级（B级优于A级），如T8、T12A分别表示含碳量为0.8碳素工具钢和1.2高级碳素工具钢。第42页/共74页合金钢的分类和命名定义：在钢中特意加入了除铁碳以外的其他合金元素（如：锰、铬、镍、钼、铜、铝、硅、钨、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等）以改善

29、钢的性能，这一类钢称为合金钢。分类按合金元素加入量分类：可分为低合金钢，合金元素总量5；中合金钢，合金元素总量5 10；高合金钢，合金元素总量10。按用途分类：可分为专用于制造各种工程结构和机器零件的钢种，专用于制造各种工具的钢种，特殊性能合金钢（具有特殊物理、化学性能的）如：耐酸、耐热和电工钢等。按钢的组织分类：可分为珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢等。按所含主要合金元素分类：可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅钢等。第43页/共74页合金钢牌号表示方法：我国合金钢牌号是按碳含量、合金元素种类和含量、质量级别和用途来编排。牌号首部用数字表明碳含量，低合金钢、合金结构钢用两位数表示平均量的万分比

30、；高合金钢、不锈耐酸钢、耐热钢用一位数表示平均含碳量的千分比，当平均含碳量小于千分之一时用“0”表示，含碳量小于万分之三时用“00”表示。牌号第二部分用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字表明，当平均含量少于1.5%时不标数字；平均含量为1.5-2.49%时，标数字2；平均含量为2.5-3.49%时，标数字3；、牌号尾部加A表示钢的质量等级，加“R”表示压力容器用钢。第44页/共74页例如：Q345R 表示该合金平均含碳量0.20%，平均含锰量1.2-1.6%，是压力容器专用钢。09MnNiDR 表示该合金平均含碳量0.09%，锰镍平均含量均小于1.5%，是低温压力容器专用钢。0Cr1

31、8Ni9Ti 表示该合金钢属高合金钢，含碳量小于0.1%，含铬量为17.5-18.49%，含镍量为8.5-9.49%；含钛量小于1.5%。第45页/共74页低碳钢定义：碳含量0.25的碳素钢统称为低碳钢。低碳钢主要化学成分：碳是碳素钢中的主要合金元素，除了碳以外，还有少量的锰、硅、硫、磷以及氮、氧、氢等杂质。各种元素对钢的性能的影响：碳 碳含量增加会增加钢的强度，降低塑性和韧性，使焊接性能变差，淬硬倾向变大；锰 增加强度、细化组织、提高韧性；硅 提高强度、硬度、弹性，降低塑性、韧性；第46页/共74页硫 产生“热脆”，有害元素，严格限制。“热脆”：硫在铁素体中溶解度极小，在钢中主要以硫化铁的形

32、式存在。硫化铁与铁形成低熔点共晶体（熔点985）分布于晶界上，当钢材在800-1200 锻轧时，由于低熔点共晶体熔化而使钢材沿晶界开裂的现象。磷 产生“冷脆”，有害元素，严格限制。“冷脆”：少量的磷溶于铁素体中，由于其原子直径比铁大很多，造成铁素体晶格畸变严重，从而使钢的塑性和韧性大大降低，尤其在低温时，韧性降低特别厉害。氮 形成气泡和疏松，含氮量高的低碳钢特别不耐腐蚀，氮的存在会使低碳钢出现时效现象。所谓时效就是钢的强度、硬度和塑性，特别是冲击韧性在一定时间内自发改变的现象（热时效、应变时效）。氧 使钢强度、塑性降低，热脆现象加重，疲劳强度下降。氢 引起钢的氢脆，产生延迟裂纹、白点等第47页

33、/共74页低合金钢包括低合金结构钢、低温钢、耐热钢低合金钢合金元素：锰、硅、铬、镍、钼、钒、硼和稀土元素合金元素的作用：硅和锰 低合金钢最常用的强化元素，每增加1%的锰或1%硅可使铁素体屈服点分别增高33MPa或85MPa(但屈服点每增加10MPa，伸长率分别下降0.6%或0.65%,应适当限制，一般锰量和硅量分别不超过2.2%和0.8%）。硅能提高抗氧化性和耐蚀性，含量低的锰影响不显著。铬和镍 增大奥氏体的过冷度，从而细化晶粒，取得强化效果；增加钢的耐大气腐蚀能力，改善冲击韧性，降低冷脆转变温度；铬还可以提高渗碳体稳定性，降低珠光体球化倾向，防止钢的石墨化。第48页/共74页钼 起明显的固溶

34、强化作用，能提高钢的高温强度，防止钢的回火脆性。不良影响是促进钢的石墨化。钒 对碳、氮有很强的亲和力，能在钢中形成极稳定的碳化物和氮化物，以细小颗粒呈弥散分布，阻止晶粒长大，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，显著地提高钢的常温和高温强度以及韧性。增强钢的抗氢腐蚀能力。钛 是最强的碳化物形成元素，能提高钢在高温高压氢气氛中的稳定性，能细化晶粒，提高钢的强度和韧性。铌 和钛相似，也是强碳化物形成元素，当含量大于含碳量的8倍时，几乎可以固定钢中所有的碳，使钢具有良好的抗氢性能，能细化晶粒，提高钢的强度和韧性。第49页/共74页硼 提高钢的淬透性，改善钢的高温强度氮 溶入铁素体，起固溶强化作用

35、，与其它合金元素形成氮化物，产生细化晶粒的效果。稀土元素（镧、铈、镨等）净化晶界上的杂质，提高钢的高温强度，改变钢中非金属夹杂物的形态，改善钢的塑性。铜 不是特意加入，炼钢时带入。少量的铜与适量的磷同时存在时刻提高钢的抗大气腐蚀性能。铜元素对钢的热加工不利，也使焊接性能恶化。第50页/共74页低合金结构钢特点：有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，使用低合金钢代替碳素结构钢，可在相同承载条件下，使结构重量减轻2030。低合金钢中合金元素含量少，价格较低，冷、热成型及焊接工艺性能良好，锅炉压力容器制造应用广泛。锅炉压力容器常用的低合金钢牌号 Q345R、18MnMoNbR等，15MnVR、13Mn

36、NiMoR、07MnCrMoVR、X系列管线钢等。Q345R 具有良好的力学性能，可焊性好，对大气的耐腐蚀性能优于低碳钢，该材料的缺口敏感性大于碳素钢，在有缺口存在时，疲劳强度下降，且易产生裂纹。X70钢 具有高强度、高韧性和抗脆断能力，低焊接碳当量和良好焊接性、以及抗腐蚀和H2S应力腐蚀能力。第51页/共74页低温用钢要求：应有良好的低温韧性。影响材料的低温韧性因素：材料晶体结构、晶粒尺寸、冶炼的脱氧方法、热处理状态、钢板厚度及合金元素，其中以合金元素的影响为显著。合金元素与低温韧性：碳强烈地影响钢的低温韧性，随着碳含量增加，钢的冷脆转变温度急剧上升，因此低温钢C含量0.2。锰对改善钢的低温

37、韧性十分有利，随着锰含量增加，钢的冷脆转变温度下降。镍具有与锰相似的功能，钢中镍含量每增加1，冷脆转变温度约可降低10。硫、磷、砷、锑、锡、铅等微量元素和氮、氢、氧等气体对钢的低温韧性都会产生不良影响。第52页/共74页低温压力容器及用钢：我国目前规范标准规定，低温压力容器与非低温压力容器的温度界限为20，低温压力容器用钢的冲击试验温度应低于或等于该容器的最低设计温度，冲击试验采用夏比V型缺口，三个试样冲击功平均值应大于标准规定的数值。铁素体钢：显微组织为铁素体加少量珠光体。焊接性能良好，焊接工艺控制要点是采用小的焊接线能量和快速多层多道焊。低碳马氏体钢:该类钢淬火后的显微组织为板条状马氏体，

38、回火后为铁素体加一定数量的回转奥氏体。可采用手工焊、惰性气体保护焊和埋弧焊等焊接方法。奥氏体钢：铬镍系和铁锰铝系，具有面心立方晶格，具有良好的低温韧性。第53页/共74页低合金耐热钢要求：应能在中等温度（400600）时具有良好的耐热性，且所含的合金元素量不多，价格低廉。应用：主要用于制造石油化工压力容器和高压锅炉，如钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢。这类钢在使用时间较长后，会发生影响力学性能的组织结构变化，包括珠光体球化、石墨化、合金化再分配等。珠光体球化：珠光体中的碳化物由片状转变为球状，细小分散的碳化物聚集成大颗粒碳化物。这种变化将引起钢的强烈软化，导致高温（包括常温）强度降低。石墨化：钢中渗碳体

39、在高温自行分解为游离碳（石墨）的过程。石墨的存在相当于钢中出现裂纹，不仅消除了渗碳体原有的强化作用，并且使钢的韧性大为降低，以致引起脆性断裂。第54页/共74页合金元素再分配：合金元素在固溶体和碳化物中的含量发生变化，是通过合金元素扩散进行的的，由不平衡状态向平衡状态转变的一种自发过程。结果是合金元素在固溶体中贫化和在碳化物中富集，甚至形成特殊碳化物。往往会引起钢的蠕变强度降低。第55页/共74页奥氏体不锈钢不锈钢的分类：以铬为主加元素的铁素体不锈钢（0Cr13、1Cr17等）；以铬为主加元素的马氏体不锈钢（1Cr13、2Cr13等）；以铬、镍为主加入元素的奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、00

40、Cr18Ni10等）。奥氏体不锈钢特点：奥氏体不锈钢的力学性能与铁素体类相比较，其屈服强度低，但屈服后的加工硬化性高，塑性、韧性好，不会发生低温脆性，且有较好的高温性能。奥氏体不锈钢在冷加工时，亚稳的奥氏体在塑性变形过程中形成马氏体，所以奥氏体不锈钢只能采用冷加工方法进行强化处理。奥氏体不锈钢常用牌号及性能：常用牌号是0Cr18Ni9，它具有良好的化学稳定性，在氧化性和某些还原性介质中耐蚀性很高，但在敏化状态，存在晶间腐蚀的敏感性，在高温氯化物溶液中极易发生应力腐蚀开裂。第56页/共74页奥氏体不锈钢的晶间腐蚀、点蚀及应力腐蚀破裂晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在450-850的温度范围内长时间停留，钢

41、中的碳会向奥氏体晶界扩散，并在晶界处与铬化合析出碳化铬，在碳化物两侧出现含铬低于11.4%、厚度约为数十至数百纳米的贫铬区。由于这种贫铬使晶间不能抵抗某些介质的浸蚀，所以这样的晶间对腐蚀介质就十分敏感。点腐蚀 是一种局部腐蚀，当介质中含有Cl-，Br-时，会使不锈钢产生点蚀。应力腐蚀破裂 由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂。第57页/共74页复习思考题：1、承压类特种设备力学性能指标有哪些？分别通过哪些方法进行测定？2、承压类特种设备用钢常见金相组织有哪些？3、产生应力腐蚀的条件有哪些？4、承压类特种设备用钢含碳量有何规定？5、承压类特种设备常用的热处理工艺有哪些？6、碳、锰两元

42、素对低温钢的性能各有什么影响？7、奥氏体不锈钢有哪些特点？8、对制作承压类特种设备的材料都有哪些要求？9、压力容器用钢的硫、磷含量是如何规定的？硫、磷对材料性能有何影响？10、如何提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的性能？11、金属材料的性能具体包括哪些内容？第58页/共74页12、何为应力集中?应力集中的严重程度与什么因素有关？13、冲击韧性具体考核材料的哪些指标？14、何为材料的“屈强比”？有何实际应用意义？15、晶体的晶格缺陷有哪些？晶格缺陷对材料性能有什么影响？16、钢在热处理中的组织变化由哪两个过程组成？17、消除应力退火能达到哪些目的？18、试叙述0Cr18Ni9Ti材料中各合金元素的含量

43、。19、什么是奥氏体不锈钢的固溶处理、稳定化处理？20、试叙述热处理的等温冷却试验方法。21、弯曲试验可考核焊接接头的哪些性能？22、金属材料拉伸试验经历哪些过程？23、何为金属结晶的“过冷度”？其对结晶有何影响？第59页/共74页安全技术规范的相关要求第60页/共74页材料的通用要求选材应当考虑材料的力学性能、化学性能、物理性能和工艺性能；材料的质量、规格与标志，应当符合相应材料的国家标准或行业标准的规定，其使用方面的要求应当符合安全技术规范引用标准的规定；压力容器专用钢板（带）的制造单位应当取得特种设备制造许可证；材料制造单位应当在材料的明显部位作出清晰、牢固的钢印标志或采用其它方法的标志

44、，实施制造许可的专用材料，质量证明书和材料上的标志内容还应包括制造许可标志和许可证编号；材料制造单位应当向材料使用单位提高质量证明书，材料质量证明书的内容应当齐全、清晰，并且盖有制造单位质量检验章；第61页/共74页对于压力容器专用钢板，由材料制造单位直接向压力容器制造单位供货时，双方商定钢板质量证明书的份数；由非制造单位供货时，材料制造单位应当分别为每张钢板出具质量证明书；压力容器制造单位从非材料制造单位取得压力容器材料时，应当取得材料制造单位提供的质量证明书原件或者加盖材料供应单位检验公章和经办人章的复印件（压力容器专用钢板除外）；压力容器制造单位应当对所取得的压力容器用材料及材料质量证明

45、书的真实性和一致性负责。第62页/共74页熔炼方法压力容器受压元件用钢，应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢。对标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的低合金钢板和奥氏体-铁素体不锈钢钢板，以及用于设计温度低于-20的低温钢板和低温锻件，还应当采用炉外精炼工艺。化学成分（熔炼分析）用于焊接的碳素钢和低合金钢C0.25%、P 0.035%、S 0.035%压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢基本要求 P 0.030%、S 0.020%标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的钢材 P 0.025%、S 0.015%用于设计温度低于-20且标准抗拉强度下限值小于540MPa的钢材P 0.025%

46、、S 0.012%用于设计温度低于-20且标准抗拉强度下限值大于或等于540MPa的钢材 P 0.020%、S 0.010%第63页/共74页力学性能冲击功碳素钢和低合金钢冲击功钢材标准抗拉强度下限值钢材标准抗拉强度下限值钢材标准抗拉强度下限值钢材标准抗拉强度下限值R R R Rm m m m(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)3 3 3 3个标准试样冲击功平均值个标准试样冲击功平均值个标准试样冲击功平均值个标准试样冲击功平均值KVKVKVKV2 2 2 2（J)J)J)J)45045045045020202020450-510450-510450-510450-5102424242451

47、0-570510-570510-570510-57031313131570-630570-630570-630570-63034343434630-690630-690630-690630-69038383838第64页/共74页断后伸长率压力容器受压元件用钢板、钢管和锻件的断后伸长率应符合安全技术规范引用标准和相应钢材标准的规定；焊接结构用碳素钢、低合金高强度钢和低合金低温钢断后伸长率指标见下表；采用不同尺寸试样的断后伸长率指标，按标准换算后应符合本规定。钢板标准抗拉强度下限值钢板标准抗拉强度下限值钢板标准抗拉强度下限值钢板标准抗拉强度下限值Rm(MPa)Rm(MPa)Rm(MPa)Rm(M

48、Pa)断后伸长率断后伸长率断后伸长率断后伸长率A A A A（%）42042042042023232323420-550420-550420-550420-55020202020550-680550-680550-680550-68017171717第65页/共74页屈服强度与抗拉强度比值 用于移动式压力容器焊接结构受压元件的碳素钢或者低合金钢，常温下的标准屈服强度与抗拉强度下限值之比（ReL/Rm)不大于0.85。钢板超声检测检测要求 厚度大于或者等于12mm的碳素钢和低合金钢钢板（不包括多层压力容器的层板）用于制造压力容器壳体时，凡符合下列条件之一的,应逐张进行超声检测：盛装介质毒性程度为

49、极度、高度危害的；在湿H2S腐蚀环境中使用的；设计压力大于或者等于10MPa的；引用标准中要求逐张进行超声检测的。检测合格标准 JB4730承压设备无损检测级或按引用标准规定。第66页/共74页压力容器用铸铁应用限制铸铁不得用于盛装毒性程度为极度、高度或者中度危害介质；不得用于设计压力大于或者等于0.15MPa的易爆介质压力容器的受压元件；不得用于管壳式余热锅炉的受压元件。允许使用的铸铁材料灰铸铁，牌号为HT200 HT250 HT300 HT350球墨铸铁，牌号为QT400-18R和QT400-18L第67页/共74页设计压力、温度的限制灰铸铁，设计压力不大于0.8MPa,设计温度范围为10

50、-200；球墨铸铁，设计压力不大于1.6MPa,QT400-18R设计温度范围为0-300，1.6MPa,QT400-18L设计温度范围为-10-300。复合钢板复合钢板复合间面的结合剪切强度：不锈钢-钢复合板不小于210MPa;镍-钢复合板不小于210MPa;钛-钢复合板不小于140MPa;铜-钢复合板不小于100MPa.复合钢板基层材料的使用状态应符合引用标准规定碳素钢和低合金钢基层材料（包括钢板和钢锻件）按照基层材料标准的规定进行冲击试验，冲击功合格指标符合基层材料标准或者订货合同的规定。第68页/共74页境外牌号材料的使用境外材料制造单位制造的材料境外牌号材料应当是境外压力容器现行标准