《承压类特种设备无损检测相关知识》

第一章  金属材料及热处理基本知识1.1  材料力学基本知识1.2    金属材料与热处理基本知识1.3    特种设备常用材料第二章  焊接基本知识2.3    焊接应力与变形2.4    承压类特种设备常用材料的焊接第七章  缺陷的种类及产生原因7.1    焊接缺陷种类及产生原因,承压类特种设备无损检测相关知识-  无损检测级人员    综合闭卷  基本知识 30分,学习资料  注意保密,谢常欢深圳市特种设备安全检验研究院,0755-25928238,chxie21cn.com,学习资料  注意保密主编TSG Z7003-2004特种设备检验检测机构质量管理体系要求,考规  第12页,第一篇  金属材料、热处理及焊接基本知识,第一章  金属材料及热处理基本知识承压类特种设备对材料要求很高，如高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性能及工艺性能等。对材料的较高要求是推动特种设备用材不断发展的基本动力。在承压类特种设备制造业中，金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。产1000 吨炼    厂,知识  第1页,第1篇  金属材料、热处理及焊接基本知识,第一章  金属材料及热处理基本知识通常所指的金属材料的性能包括以下两个方面：1. 使用性能保证设备、构件等能正常工作材料所具有的性能，主要有力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）、化学性能（耐腐蚀性、热稳定性等）。其决定材料的应用范围，使用安全可靠和使用寿命。2. 工艺性能各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。其决定制造成本、生产效率与产品质量。,知识  第1页,1.1 材料力学基础知识材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能 。材料的力学性能指标主要有：强度、硬度、塑性、韧性等。,一、是非题：6、材料的力学性能指标主要有：强度、塑性、韧性、硬度、抗腐蚀性等。                                                     （          ）,二、单项选择题：2、下述指标中，哪个不属于材料的力学性能？（,）,A、强度,B、塑性,C、韧性,D、热稳定性,D,1.1.1  应力与应变（1）    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 P 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，通常简称它为内力 N 。,P,P,N,P,P=N,PA,NA,=,正应力      =,（,（N/mm2）   MPa ）,（2）    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；方向垂直于截面的应力称为正应力。,（,（N/mm2）   MPa ）,PA,NA,=,正应力      =,1.1.2 强度,金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。GB/T 228.1-2010金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法,拉伸试样  GB6397-1986 金属拉伸试验试样 圆截面：d=10mm标距：长试件L0=10d； 短试件 L0=5d,知识  第2页,金属材料拉伸试验装置,知识  第2页,e,第、阶段：    弹性变形与滞弹性变形当内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，称为正比例阶段。该段中应力的最高值称为比例极限p （Rp）。                 -proportion当外载荷卸除后，试件的变形可全部消除的，称为弹性阶段。对于p之后内应力与变形不再成正比的极短阶段称为滞弹性阶段，弹性阶段应力的最高值称为弹性极限e 。                         -elasticity,弹性变形,第、阶段：  屈服前微塑性变形与屈服变形当超过A点开始出现连续的均匀的微小塑性变形，与滞弹性变形很难准确区分； B上点为不连续屈服开始， B上点对应的应力为上屈服强度ReH ，进入到屈服，内应力并不增加，但塑性变形在不断增加，即材料已失去抵抗继续变形的能力， B下点对应的应力为下屈服强度ReL（s）。在屈服阶段，材料内部晶格间发生滑移，滑移线大致与轴线城450角。内部晶格间发生滑移，是材料内部剪切应力造成的。,ReH,上屈服点,对没有明显屈服现象的，规定达到一定残余伸长率对应的应力为屈服强度，如Rr0.2，残余伸长率为0.2%时的应力。,屈服,弹性变形,ReL（Rr0.2）下屈服点,第阶段：  均匀塑性变形（强化阶段）当变形超过屈服阶段，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，欲使试件继续变形，必须增加应力值，这种现象称为应变硬化现象，材料因此得到强化。C点对应的为材料的抗拉强度Rm （b）,应变硬化,屈服,弹性变形,第阶段：  局部塑性变形（颈缩阶段）当应力达到材料抗拉强度Rm（b）后，试件最弱的横截面的细微缺陷会扩展，导致该处截面开始变细，出现所谓颈缩现象，由于颈缩部分的横截面急剧减小，应力亦因此进一步升高，使变形集中于颈缩处，应力很快下降，曲线明显下降，直至到D点试件被拉断。,颈缩,屈服,断裂,弹性变形,应变硬化,塑性材料,只有一个强度指标,抗拉强度Rm、屈服强度ReH 与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，不允许发生塑性变形，所以在特种设备设计中应采用ReH 、ReL作为强度指标，并加以适当的安全系数ns； 但由于Rm测定较为方便， 也经常采用，但需使用较大的的安全系数nb来保证。,ReL（Rr0.2）,Rm,一般设计若以屈服强度Re （s）作为指标时，锅炉规范规定安全系数ns1.5，压力容器规范规定安全系数ns 1.5（原1.6） 。若采用抗拉强度Rm （b）作为指标时，锅炉规范规定安全系数nb2.7，压力容器规范规定安全系数ns 2.7（原3.0） 。,许用应力：,最大工作应力,=,sns,b或  nb,max,  工作,   ,=,maxA,N,1.1.3  塑性,A <  5%,为脆性材料；,A 510%为韧性材料；,A 10%,为塑性材料。,低碳钢：20-30%，铸铁：1%,知识  第4页,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。当外力作用除去后，固体的变形不能完全消失的称为塑性变形。材料塑性的指标通常用断后伸长率A和断面收缩率Z。断后伸长率：A（L1L0）/L0100；L0试件原标距长度， L1拉断后试件标距长度。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程,2.4.3  断后伸长率,表2,（1）压力容器受压元件用钢板、钢管和钢锻件的断后伸长率应当符合本规程引用标准以及相应钢材标准的规定；（2）焊接结构用碳素钢、低合金高强度钢和低合金低温钢钢板，其断后伸长率（A）指标应当符合表2-2的规定；,（3）采用不同尺寸试样的断后伸长率指标，应当按照GB/T 17600.1钢的伸长率换算 第1部分：碳素钢和低合金钢和GB/T 17600.2钢的伸长率换算第2部分：奥氏体钢进行换算，换算后的指标应当符合本条规定。,锅炉要求：,A 18%,TSG G0001-2012锅炉监察规程,压力管道要求：A 14%,TSG D0001-2009管道监察规程工业管道,容规  第6页,断面收缩率： Z （S0S1） /S0100,S0试件原来截面积，S1拉断后试件颈缩处的截面积,低碳钢：60%,重要的受力元件要求具有一定的塑性，因为塑性指标较高的材料制成的元件不容易发生脆性破坏，在破坏前元件将出现较大的塑性变形，与脆性材料相比有较大的安全性。材料强度越高，其塑性就越差。,但一味追求高的塑性，会造成产品粗大笨重，材料浪费。,1.1.4  硬度,知识  第5页,硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。工程上根据所采用的测定仪器和测定方法的不同，硬度值一般可分为布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。硬度试验方法：（1）压入法  -  布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV（2）划痕法  -（3）回跳法  - 里氏硬度HL,1.布氏硬度HB,GB/T 231.1-2009金属布氏硬度试验 第1部分:试验方法用直径D钢球在力P的作用下压在试样上，保持规定的时间，测量表面压痕直径为d。由d计算出压痕表面积S。然后计算HB=P/S。布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell）于1900年提出来的,知识  第5页,优点：,测量准确，因压痕大，数据稳定，重复性,强，主要用于硬度较低的一些材料。缺点：,压痕面积较大，测量费时，不能测量成品,零件或薄工件。,应用：,压头为淬火钢球，HBS表示，,只能测试布氏硬度 < 450的材料；压头为硬质合金钢球，HBW表示，可测试布氏硬度为450650的材料。,试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按下表选择,2.洛氏硬度HR,GB 230.1-2004金属洛氏硬度试验,采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm（1/16）的淬火钢球作为压头。,试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕深度（h）来确定材料的硬度值。,根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种,洛氏硬度是由美国的洛克威尔,（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell）于1919年提出来的,常用洛氏硬度标度的试验范围与应用范围,优点：,表示：7085 HRA,测量操作简单，方便快捷，压痕小；    25100 HRB测量范围大，适用于测量成品和薄工件。   2070 HRC缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较 。不适于测量组织不均与材料。,3.维氏硬度HVGB 4340.1-1999金属维氏硬度试验维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（49.031176.80N）。-与布氏硬度原理基本相同。压出正方形压痕，测量压痕两对角平均长度，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。620HV30/20 表示：在30kfg载荷下保持20s测得维氏硬度为620620HV30 表示：在30kfg载荷下保持1015s测得维氏硬度为620,它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度。如测定金相组织中不同区域的硬度、测定焊缝不同区域（熔合区、热影响区）的硬度。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。,标注：与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）但测定过程比较麻烦。例：580HV30，表示用30kgf （294.2N）试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。优点：,显微硬度：采用较低的试验力可使维氏硬度的压痕非常小，这样就可以测定金相组织中不同相的硬度。如测定焊缝不同区域的硬度。,4.里氏硬度HL,GB 17394-1998金属里氏硬度试验,里氏硬度的计算公式如下：,HL=1000VB/ VA式中：,HL 里氏硬度符号,VA 球头的冲击速度，m/s；VB 球头的反弹速度，m/s。,是利用电磁感应原理，测量小冲头撞击被测表面的回弹速度，然后与冲击速度相比，用里氏硬度HL 来表示硬度值。               8里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向均可测试，所以特别适合于现场构件材料表面硬度的测定，测后可以直接读出硬度值，并能及时转换（近似）为布、洛、维等各种硬度值。,硬度与强度有一定关系。一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。此外，硬度较好的材料，耐磨性较好。材料的强度Rm与硬度HB之间的经验关系：对于低碳钢:   Rm （MPa） 3.6HB对于高碳钢：Rm （MPa） 3.4HB,Rm （MPa） 1HB 或 Rm （MPa）  0.6（HB -,对于铸铁：40）,1.1.5  冲击韧度,知识  第6页,冲击韧度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。            -摆锤冲击试样前后的势能差，即是摆锤冲击试样所做的功。试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法冲击吸收能量（势能差）：,K= G（h1 h2）,（J）焦耳,冲击吸收功：AK= G（h1 h2）    （J）焦耳冲击韧度：,K= AK/  SN,（J/m2）,GB/T 229-2007金属材料,夏比摆锤冲击试验方法,1.1.5  冲击韧度冲击韧度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。                                                                                                                            知识  第6页试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。,材料冲击韧度的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力。V型缺口根部半径越小，对冲击越敏感。,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征的重要指标。,我国用于压力容器所有材料牌号其冲击功均能满足要求。境外一些牌号材料标准值（如ASME标准中很多牌号的材料）不能满足上述规定，设计人员在选用时应予以注意。（实物水平）,新标准 GB/T2292007,名称冲击吸收能量,-焦耳（J）,符号K,名称冲击吸收功,符号AK,U型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量U型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量V型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量转变温度,KU  2KU 8KV  2KV  8Tt,U型缺口冲击吸收功（2mm锤刃）V型缺口冲击吸收功（2mm锤刃）韧脆转变温度,AKUAKVTC,按国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2 。,活学活用旧标准 GB/T2291994,TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程2.4.2  冲击功,厚度不小于6mm的钢板、直径和厚度可以制备宽度为5mm小尺寸冲击试样的钢管、任何尺寸的钢锻件，按照设计要求的冲击试验温度下的V型缺口试样冲击功 （KV2）  指标应当符合下表2-1的规定。,容规  第6页,活学活用, max, max,1.1.6  有关材料的进一步知识1. 有关应力的进一步知识（1）    应力的种类2）  弯曲应力,M,M,M,M,中性层,中性层与截面交线,实际,t,z,y,x,cMz,知识  第7页, 交变应力-疲劳强度,在工程中，有许多构件在工作时出现随时间而交替变化的应力，这种应力称之为交变应力。构件长期在低于屈服应力的交变应力的作用下，有些会出现疲劳破坏现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定的循环基数N0 ：钢为107，有色金属为108。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:   -1 = （0.450.55）b,知识  第7页,疲劳破坏是损伤的积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、,瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环次数有关。,据统计，约80%的构件失效为疲劳破坏。,（2）应力集中的概念     由于构件横截面的尺寸的突变，而引起的应力局部增大的现象。知识  第8页,a、形状尺寸的影响：尺寸变化越急剧、角越尖锐、孔越小、裂纹缺陷，应力集中的程度越严重。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 K 就越大。一般说来，焊接接头咬边缺陷引起的应力集中，比气孔缺陷严重得多。而裂纹引起的应力集中最为严重。b、材料的影响：应力集中对塑性材料的影响不太大，对脆性材料的影响严重，对脆性材料应特别注意。,max,K   =,4,pD4, 1 =,D 2 + 1D  = 0,  p,（3）   承压特种设备壳体的工作应力,轴向应力：,周向应力：,  2,pD2轴向应力是周向应力的一半。,=,  pDl   +  2 2l  = 0,2. 有关力学性能的进一步知识,（1）    弯曲试验,GB/T 232-1999金属材料 弯曲试验方法,通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。弯曲试验可以考核：焊缝和热影响区的塑性；焊接接头内部缺陷；焊缝致密性；焊接接头不同区域协调变形的能力。应用于：焊工考试、焊接工艺评定,知识  第9页,Rm,ReL,知识  第9页（2）    屈强比材料的屈服强度与强度极限的比值，即ReH（ReL） / Rm,称为屈强比。这个值越小，表明屈服强度与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，安全裕度相对越小。使用高屈强比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。对于高强钢，屈强比也越高，当其大于0.7，应加以重视。大于0.8的材料要从严控制，慎重处理。,机械学,bzx,（3） 断裂韧度,早期的材料力学研究中，都假设材料是均匀的、连续的、各向同性的。工程上有时会出现材料在远低于b的情况下发生意外断裂事故。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应力为7kg/mm2，远低于b（30 - 40kg/mm2）。美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1- 1mm的裂纹并扩展所致。1943年美国T-2油轮发生断裂,知识  第10页,机械学,bzx,实际上材料远非是均匀的、连续的、各向同性的，其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等各种缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。在材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便会出现应力集中，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧度。纹扩,式中：,Y-无量纲系数，与裂纹形状、加载方式、试样几何尺寸有关-外加拉应力（MPa） -裂纹长度的一半（m）,知识  第10页a应力场强度因子K  I当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便会出现应力集中，形成裂纹尖端的应力场，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，裂纹前端附近应力场的强弱主要取决于一个力学参数-应力场强度因子K  I（MN/m3/2）,裂纹尺寸的平方根与应力的乘积定义,b断裂韧度,对某一个有裂纹的试样，在拉伸外力作用下，Y值是一定的。,当外加拉应力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子K  I也不断增大；,当应力场强度因子K  I增大到某一临界值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，导致脆断，这个临界值称为材料的断裂韧度，用K  I C表示。,K  I K  I C时，裂纹扩展很慢或不扩展；,K  I K  I C，则材料处于失稳扩展发生脆裂。,c材料断裂韧度K  I C的测定：K  I C可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标，是材料的一种固有特性，是与强度和韧性的综合体现，与裂纹本身的大小、形状，外加应力等无关，主要取决于材料本身的成分、内部组织（热处理及加工工艺）和结构。d材料断裂韧度K  I C的应用：i）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KIKIC ，失稳扩展。ii）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。iii）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。,知识  第10页,（4）    材料的脆化,知识  第11页,用于承压特种设备受压元件所用的材料在常温静载荷条件下一般都有较好的塑性和韧性。但，在一些不利的条件或环境下，塑性材料也会发生脆化，即塑性或韧性降低。 冷脆性随着温度的降低，韧性会下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中,位于加拿大的圣劳伦斯河之上的Quebec Bridge本该是著名设计师TheodoreCooper的一个真正有价值的不朽杰作。作为当时世界上最长跨度的钢悬臂桥，就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。1907年8月29日，大桥杆件发生失稳，突然倒塌，19000吨钢材和86名建桥工人落入水中，只有11人生还。1913年，这座大桥的建设重新开始，然而不幸的是悲剧再次发生。1916年9月，中间跨度最长的一段桥身在被举起过程中突然掉落塌陷。结果13名工人被夺去了生命。事故的原因是举起过程中一个支撑点的材料指标不到位造成的。,1917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥。,材料由延性破坏转变到脆性破坏的上限温度称为韧脆转变温度。一般说来，要防止发生低温脆性破坏，钢材的最低允许工作温度应高于韧脆转变温度的上限。保证不产生低温脆断的措施：使用低温专用材料；应经低温冲击试验合格；在结构设计上，应避免应力集中产生；焊缝 不允许咬边。,GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB 4159-1984 金属低温夏比缺口冲击试验方法,每个试验温度一般用三支试样,知识  第11页,能量吸收冲击试验,体心立方,面心立方密排六方,温度体心立方晶格的冲击韧性值会急剧降低，具有脆韧转变温度NDT。,体心立方晶格金属具有脆韧转变温度，而大多数面心立方晶格金属没有,活学活用体心立方晶格金属具有脆韧转变温度，而大多数面心立方晶格金属没有,20g、20R,16Mng、16MnR15MnVR, 热脆性,钢材长时间停留在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。值得注意的是具有热脆性的钢材，往往在高温下并不呈现脆性，仍具有较高的冲击韧性，只有冷却至室温时，才显现脆化现象；钢材的热脆性只有通过冲击试验才会明显地显示出来，一般冲击韧性下降50% 60%，甚至是80% 90% 。对于工作温度在400-500的受压元件，必须注意热脆性问题。具有热脆性的钢材，金相组织没有明显变化。NDT无法检测和评定热脆性，材料是否具有热脆一般采用冲击试验方法判断。,知识  第11页, 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。主要发生在碳钢和低合金钢。钢中氢的来源：冶炼过程中溶解在钢水中的氢，结晶时未及时逸出存留在钢材中；焊接过程中水或油在高温下分解出的氢溶解入钢材中；设备运行过程中工作介质中的氢进入钢材；钢试件酸洗不当也可能导致氢脆。含氢的钢材当应力大于某一临界值（几十个到上百个MPa）时，这时氢原子具有最小的原子半径可容易渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷 甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压，就会发生氢脆断裂。其是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展，脆断应力可低至20%下屈服强度ReL。钢材的强度越高，对氢脆越敏感；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，很低的温度不利于氢的移动和聚集；而较高的温度可使氢从钢中逸出，减轻钢中氢浓度。焊后及时保温及热处理（消氢处理）就是利用高温下氢能逸出的原理。,知识  第11页,氢对钢材危害较大，导致材料劣化统称为氢损伤：,氢脆,氢会使材料的力学性能脆化,不能用NDT检测,氢鼓包 氢在分层处聚集,肉眼观察,白点,氢在细微处聚集,用UT检测,氢腐蚀 温度大于250、氢分压 2MPa氢致表面 裂纹 氢腐蚀使脱碳、渗碳体分解,打硬度和金相检测用MT或PT检测,知识  第12页, 苛性脆化,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。一般都发生在受压元件的铆接及胀接处。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。苛性脆化的细裂纹需要通过金相方法检测判定。,知识  第12页,分析锅炉的苛性脆化：A、锅炉运行中炉水PH值失控，炉水中含有较高浓度的游离碱。B、在锅炉结构上有造成炉水局部高度浓缩的条件，如在铆钉缝隙和胀接口缝隙处，由于接合不严密，炉水容易在此发生高度的浓缩。C、在金属中有接近于它的屈服点的拉伸应力。苛性脆化就是晶间腐蚀，腐蚀沿着金属晶粒的边界进行，形成极为细小的犬牙交错的裂纹，苛性脆化一旦发生，金属遭到破坏的速度会加速进行。当能觉察到有裂纹时，金属的损伤已达到了严重的程度，苛性脆化的危害是很大的，由于苛性脆化的结果轻者使锅炉停止运行，重者会发生爆炸。,  应力腐蚀（SCC Stress Crack Corrosion ）,由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。无论是塑性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀。应力腐蚀只有在特定条件下才会发生：a）  元件承受拉应力；b）  具有特定腐蚀介质环境；碳钢和低合金钢最常见的应力腐蚀环境为：奥氏体不锈钢最常见的应力腐蚀环境为：,c）  材料的敏感性：低合金钢的应力腐蚀的敏感性比低碳钢的应力腐蚀的敏感性大。整体消除应力热处理是防止承压设备发生应力腐蚀的有效措施。,奥氏体不锈钢碳钢低合金钢,氯离子湿硫化氢/液氨/NaOH,知识  第13页,1.2    金属学与热处理基本知识,1.2.1  金属的晶体结构物质是由原子组成的。液态金属冷却至凝固温度时，金属原子例由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态，这种由液态金属转变为晶体的过程称为金属的结晶。凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体。所有固态金属都是晶体。,凡内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体。如：玻璃，松香，沥青等。电子显微镜观察到晶体内部原子各种规则排列，称为金属的晶体结构。,知识  第14页,晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。,金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。,常见纯金属的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。,晶胞：能够完整地反映晶格特征的最小几何单元,（bcc）,体心立方晶胞中的原子数为1/8 x 8 + 1 = 2 个，致密度为0.68,体心立方：Cr铬,W钨   V钒,Cb铌   Ta钽   Mo钼,钢铁（-Fe、-Fe）,1、体心立方晶胞Body centered  cubic lattice,面心立方晶胞中的原子数为1/8 x 8 + 1/2 x 6  = 4 个，致密度为0.74,Ag银    钢铁（-,面心立方：Al铝   Cu铜   Au金   Pb铅   Ni 镍  Pt 铂Fe）,2、面心立方晶胞Face centered cubic  lattice    （fcc）,密排六方晶胞中的原子数为1/6 x 12 + 1/2 x 2 + 3  = 6 个，致密度为0.74,密排六方：Zn锌  Mg镁   Zr 锆,Ca钙  Co钴   Mn锰  Ti钛,3、密排六方晶胞hexagonal close packed lattice    （hcp）,能量吸收冲击试验,冲击韧度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。,体心立方,面心立方密排六方,温度体心立方晶格的冲击韧性值会急剧降低，具有脆韧转变温度NDT。,晶粒之间的界面称为晶界。,实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。,每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子的排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。,知识  第14页,接触，结晶即告结束。,金属材料在冶炼过程中是由高温的液态金属冷却转变为固态金属的结晶过程。,结晶过程总是从晶核开始，晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成，液体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大；同时液体中又不断产生新的晶粒，并不断长大，直至所有的晶粒长大到互相,知识  第15页,晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。,实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，从而产生各种各样的缺陷。,常见的缺陷有:点缺陷-空位、间隙原子、置代原子；位错。,知识  第14页,点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格发生扭曲，称晶格畸变。其结果使金属屈服点、抗拉强度增高，塑性、韧性下降。,机械学,bzx,空位,间隙原子,大置换原子,小置换原子,位错，晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。位错的存在则使金属容易塑性变形，强度降低。,机械学,高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）,一般把碳含量0.022的称为钢。含碳量大于2的称为铸铁。含碳量大于4.3的铸铁极脆。当含碳量小于0.02时称纯铁（工业纯铁）。容规规定，压力容器（锅炉、压力管道）用钢含碳量一般低于0.25。,1.2.2  铁碳合金的基本组织通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。铁碳合金是由95以上铁和0.054碳及1左右杂质元素所组成合金。知识  第15页,碳钢,知识  第16页,1、ACD线  液相线；液体到此开始结晶。2、AECF线固相线；合金至此全部结晶为固体。,过共晶白口铸铁,亚共晶白口铸铁,亚共析钢,（1） 工业纯铁,Wc 0.0218,显微组织：F + Fe3CF是呈亮白色的等轴状晶粒,F 铁素体,（2）    钢的基本组织有奥氏体、铁素体、渗碳体等（3种）。,1.铁素体（F）,知识  第16页,碳在 -Fe（低于910）中的固溶体，称铁素体, 用F或表示。碳在-Fe（13901535 之间）中的固溶体，称-铁素体，用表示铁和铁，都是体心立方晶格（有冷脆性的）。铁素体溶碳量极差， 在727时为0.022% ；室温时为0.0008%，几乎为零。                                                                                                                                         知识  第22页金相组织为明亮的多边形晶粒。其强度和硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770以下它具有铁磁性，超过770 则丧失铁磁性。,纯铁的基体组织，主要为白色铁素体，晶粒均匀分布（6级），图中黑色细条为晶界腐蚀线。,晶粒度：常见18级。8级细小而均匀、综合力学性能好。,2. 奥氏体（A）,碳熔于- Fe中（9101390 ）的所形成的间隙固溶体。,-铁是面心立方晶格。用A表示。,奥氏体溶碳能力比铁素体大，1148时达2.11%，在727时为0.77%。奥氏体与铁素体相比，塑性很高，硬度和屈服点较低。在铁碳合金系中，仅存在于727以上的高温范围内，不具有铁磁性，因此，在轧制、锻造时常加热到奥氏体状态，以提高其塑性。奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较铁素体平直。碳钢室温组织中无奥氏体。,知识  第16页知识  第22页,3.渗碳体（ Fe3C ）铁和碳的金属化合物，具有复杂的晶格结构。,知识  第17页,知识  第22页,渗碳体的熔化温度为1600，碳含量为6.67，渗碳体的硬度很高，脆性极大，而塑性和韧性几乎为零。渗碳体在低温下弱磁性，高于217磁性消失。铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。含碳量大于2时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳大部分以渗碳体Fe3C的形式存在。,亚共析钢的组织转变,含碳量0.2%的铁碳合金结晶过程（亚共析钢）：,知识  第17页,奥氏体,铁素体+奥氏体,铁素体+珠光体F+P,珠光体显微组织 5000,钢的基本组织除了奥氏体、铁素体、渗碳体基本相组成的单相组织外，还有由两种基本相组成多相组织，即珠光体、莱氏体。,4. 珠光体（P）,珠光体是铁素体与渗碳体以片层相间排列而成机械混合物。片层间距和,片层厚度主要取决于奥氏体分解时的过冷度，据片层厚薄分 ：粗珠光体P、索氏体S、屈氏体T,在缓慢冷却的条件下，含碳量为0.77%的铁碳合金只发生共析反应，其组织是100%珠光体，称为共析钢。,珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强度和硬度较高，塑性也较好。,含碳量大于0.77%的铁碳合金为过共析钢，其组织为:P+渗碳体Fe3C含碳量小于0.77%的铁碳合金为亚共析钢，其组织为:F+P。,第17页,片状珠光体，透射电镜二次碳复型图像。图中可见不同取向的珠光体领域。,第23页,钢的基本组织除了奥氏体、铁素体、渗碳体基本相组成的单相组织外，还有由两种基本相组成多相组织，即珠光体、莱氏体。,5、莱氏体（Ld）,莱氏体是奥氏体与渗碳体的混合物，莱氏体是一种高温组织，在高于1148 时存在， 4.3%C 。,莱氏体的硬度很高，脆性很大，塑性很差。,莱氏体显微组织 5000,F,F+P,P,P+Fe3C,P+Fe3C +Le,Le,Le+ Fe3C,C%,0.77,2.11,4.3,6.69,0  0.02,F,P,Le,Fe3C,Fe3C,低碳钢是亚共析钢，其正常组织是铁素体F珠光体P。碳含量越低，组织中铁素体F的含量就越多，材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。第18页含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,碳钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,（a） 0.20% C,（c） 0.60% C,亮白色为铁素体暗黑色为珠光体,（b） 0.45% C亚共析钢显微组（100）浸蚀剂为4硝酸酒精溶液,低碳钢是亚共析钢，其正常组织是铁素体F珠光体P。碳含量越低，组织中铁素体F的含量就越多，材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。第18页亚共析钢的室温平衡组织,性就越好，但强度和硬度就随之降低。,低碳钢是亚共析钢，其正常组织是铁素体F珠光体P。碳含量越低，组织中铁素体F的含量就越多，材料的塑性和韧,强度：当C0.9时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。,硬度：随C的增加而提高。,塑性：随C的增加而迅速降低。,冲击韧性：随C的增加而迅速降低。,第16页,这种合金就称为奥氏体合金，这种。,如果把合金元素加入钢中，Fe-Fe3C相图将发生变化，即改变A3、A4的位置。                                                                                                                                         第18页1、扩大铁相区，锰、镍、碳、氮、铜等元素。其中镍和锰能使 A3 急剧下降，当加入量达到30%时， 就在室温下得到单一的奥氏体组织，,A4铁,扩大相区的元素亦称奥氏体稳定化元素，主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu， 它们使A3点（-Fe 向-Fe的转变点）下降，A4点（-Fe的转变点）上升， 从而扩大-相的存在范围。,A3A,如果把合金元素加入钢中，Fe-Fe3C相图将发生变化，即改变A3、A4的位置。                                                                                                                                         第18页2、缩小铁相区，铬、钼、钛、硅等元素。铬增至20%能使A3、A4线重合，此时，合金没有奥氏体，称为铁素体合金。A4,A3,铁,缩小相区的元素亦称铁素体稳定化元素，主要是Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr， 它们使A3点上升，A4点下降， 从而缩小-相的存在范围。,0Cr131Cr18Ni9Ti,是铁素体不锈钢是奥氏体不锈钢,时间 Time,保温,冷却,加热,温度 Temperature,1.2.3 热处理的一般过程,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。,知识  第19页,40,铁素体F珠光体P,铁素体F奥氏体A,奥氏体A,钢的冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能,加热时，高于合金相图临界温度才发生相变的现象。如图所示Ac3、Ac1 、Acm为加热时钢的临界温度。,过冷度冷却时，低于合金相图临界温度才发生相变的现象。如图所示Ar3、Ar1 、Arcm为冷却时钢的临界温度。实际生产中钢的热处理的冷却总是在一定速度条件下进行的，即存在过冷现象，冷却时理论临界点与实际临界点温度的差值为过冷度。对于同一金属，冷却速度越快，成分过冷度也越大。,1.2.3 热处理的一般过程,钢在热处理过程中，组织变化，一是加热时，二是冷却时的转变：1、加热时的转变奥氏体的形成：常温组织系F+P，加热温度超过AC1，珠光体P向奥氏体A的转变，继续加热，剩余铁素体F向奥氏体A溶解，直至组织为单一奥氏体A。,2、冷却时的转变奥氏体A的分解：冷却的目的，是使高温下的奥氏体A组织随着温度的降低发生分解，当缓慢冷却时，A转化为F+P； 但实际冷却不是一个缓慢的过程，存在着一定的过冷度，那么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19页,727,912,第17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）。（1）等温冷却（曲线2）：将温度在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。,（2）连续冷却（曲线1）：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。,奥氏体A,铁素体F奥氏体A铁素体F珠光体P,第20页,上贝氏体下贝氏体针状马氏体板条状马氏体,过冷奥氏体,第23页,（2）连续冷却实际生产中，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21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）。,第21页,V0,铁素体F珠光体P,珠光体,索氏体贝氏体,过冷奥氏体,影响C曲线的因素：1、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左移（亚共析钢在过冷奥氏体冷却时发生共析分解，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右移。2、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。3、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21页,亚共析钢等温转变曲线,亚共析钢比共析钢多一个先析出铁素体的过程亚共析钢相对共析钢的C曲线位置左移，等温转变所需时间较短，意味着P析出的总时间更长、晶粒更大些，故塑性、韧性相对较好,第21页,加入锰、铬、钼、镍、钒等各种合金元素，会使C曲线发生变化：1、C曲线向右移使淬火临界冷却速度减小，有利于零件的淬透性；但易发生脆硬现象，即低合金钢焊后自然冷却，往往会脆硬。,2、改变C曲线的形状,第22页,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,1、奥氏体AFe（C）是碳在-Fe中的固溶体，在合金钢中是碳和合金元素溶解在-Fe中的固溶体。奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，是钢中比容最小的组织。奥氏体保持-Fe的面心立方晶格，在金相组织中为规则的多边形。,2、铁素体FFe（C）：铁素体是碳与合金元素溶解在-Fe中的固溶体。,铁素体性能接近纯铁，硬度低，塑性好。固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。常温下含碳量为0.008。保持-Fe的体心立方晶格，在金相组织中为规则多边形。3、渗碳体Fe3C：渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中大部分以渗碳体存在。渗碳体在低温下为弱磁性。渗碳体熔化温度为1600，碳量为6.67，硬度高，脆性大，塑性近似于零。,第22页,复习一下,4、珠光体 P ：,索氏体；,屈氏体。,珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是含碳量为0.77的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。第23页粗片珠光体；,复习一下,屈氏体，在550600范围内形成的片层更细，平均片层间距小于0.1 mm，只有在电子显微镜放大10000倍才能分辨出层片的珠光体。它们没有本质的区别，故可统称为珠光体。,按珠光体片层状间距大小可分为：粗片珠光体，在A1700范围内形成的片层较厚，平均片层间距大于0.5mm，在一般500倍的光学显微镜下能分辩出层片的珠光体；第23页索氏体，在600650范围内形成的片层较细，平均片层间距0.3mm0.4mm，在1000倍的光学显微镜下才能分辩出层片的珠光体；,5、马氏体 M ：,马氏体金相组织中，互成一定角度的白色针状结构。 正常淬火工艺下，马氏体大部分为细针状或隐针状。,马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。当钢在高温奥氏体化后，若快速冷却到马氏体点之下时，钢中碳原子来不及扩散，保留了高温时母相奥氏体的成分，因此，马氏体是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点之下发生无扩散性相变的产物。                                                                                                        第23页体心立方晶格发生了畸变，形成了体心正方晶格。马氏体具有很高的硬度，很脆，冲击韧性低，塑性韧性几乎等于零。,