1、金屬材料及熱處理基本知識概 述 金屬材料是制造特種設備最常用的材料，因此了解和掌握金屬材料性能是十分必要的，所謂金屬材料的性能：是指金屬材料對產(chǎn)品設計、制造使用等性能的滿足程度，也就是金屬材料本身所具有的性質和能力。 通常所指的金屬材料性能是指金屬材料的使用性能和工藝性能。如力學性能、物理性能、化學性能等使用性能和冷、熱加工的工藝性能。 材料力學的基本知識 金屬材料在加工和使用過程中的基本特征都要承受不同形式外力的作用都會產(chǎn)生抵抗這些外力作用的能力（這種能力稱為材料的力學性能如Rm、HB、Ak、A等）直至能力消失而發(fā)生變形以至斷裂破壞應力與應變內(nèi)力：是指材料內(nèi)部各部分之間的相互作用的力，在未受

2、外力作用時，材料內(nèi)部相互平衡并保持其固有的形狀。當受到外力時，這種固有的平衡被打破，相互之間作用力會改變，材料會發(fā)生形變，這是由于材料在外力作用下產(chǎn)生的附加內(nèi)力的結果，通常簡稱它為內(nèi)力。應變與應力：物體在外力作用下，其形狀尺寸所發(fā)生的相對改變稱為應變；物體在外力作用下而變形時，其內(nèi)部任一截面單位面積上的內(nèi)力大小通常稱為應力；方向垂直于截面的應力稱為正應力。應力的種類：拉應力、壓應力、剪切應力、彎曲應力、交變應力等。應力集中的概念：由于截面的尺寸突然變化而引起的應力局部增大的現(xiàn)象稱為應力集中。應力集中系數(shù)a=max/ max-最大局部應力； -名義應力 應力集中的嚴重程度與缺口大小有關，同時與缺

3、口的尖銳程度有關，缺口越尖銳，即缺口根部曲率半徑越小，應力集中系數(shù)就越大。承壓類特種設備殼體的工作應力 絕大多數(shù)承壓類特種設備都承受內(nèi)壓，內(nèi)部壓強會使殼體產(chǎn)生拉應力，這一應力稱為工作應力。按照薄壁回轉理論，對于圓筒形容器來說，軸向應力是切向應力的一半，環(huán)焊縫受力僅是縱焊縫的一半。在相同的壓力和直徑下，球形容器的壁厚可比圓筒形容器減少大約一半。實際工作狀態(tài)下的容器，其殼體中的應力比較復雜，除了內(nèi)壓引起的總體薄膜應力外，還存在由于形狀變化、壁厚改變、結構不連續(xù)等引起的附加拉應力、壓應力、彎曲應力；由于缺口引起的峰值應力；由于冷熱加工留下的殘余應力；溫度變化產(chǎn)生的熱應力等等。強度金屬的強度是指金屬抵

4、抗永久變形和斷裂的能力，材料強度可以通過拉伸試驗測出。金屬材料拉伸試驗彈性變形滯彈性變形屈服前微塑性變形屈服變形均勻塑性變形局部塑性變形應用： 抗拉強度Rm、屈服強度(ReH、ReL）是評價材料性能的兩個主要指標。一般特種設備金屬材料構件都是在彈性狀態(tài)下工作的，不允許發(fā)生塑性變形，所以在特種設備設計中都選擇了適當?shù)陌踩禂?shù)來保證。一般機械設計若以ReH、ReL作為指標時，ns1.5-2.0，若采用屈服強度Rm作為指標時，安全系數(shù)nb1.5-3.0，我國鍋爐壓力容器規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)一般為ns 1.5， nb =2.7。塑性 塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。評定與計算：材

5、料塑性的指標通常用伸長率A和斷面收縮率Z。伸長率可用下式確定：A（L1L0）/L0100；L0試件原標距長度， L1拉斷后試件標距長度。斷面收縮率可用下式確定：Z（S0S1）/S0100式中：S0試件原來截面積，S1拉斷后試件頸縮處的截面積應用：鍋爐壓力容器對材料塑性要求是有一定限度的，并不是越大越好，應合理選擇。單純追求塑性會限制材料的使用能力，造成材料的極大浪費。硬度定義：是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。試驗：通常有以下幾種試驗形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV、里氏硬度HL。應用：布氏硬度試驗是指用一定直徑的（球體鋼球或硬質合金球）以相應的試驗壓力壓入被測材料或零件

6、表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，通過測量表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。洛氏硬度試驗是在初始試驗壓力及總試驗壓力的先后作用下，將頂角為1200金剛石圓錐體壓入試驗表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力。通過測量殘余壓痕深度，確定材料的硬度值。維氏硬度試驗是將相對面夾角為1360的正四棱錐體金剛石壓頭，已選定的試驗力壓入被測材料或零件的表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，用測量壓痕對角線長度計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。里氏硬度試驗是用規(guī)定重量的沖擊體在彈力作用下，以一定的速度沖擊被測材料或零件表面，采用沖頭在被測材料或零件表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值，計算硬度值。里氏硬度

7、可方便實現(xiàn)多種硬度之間的相互轉換以及與強度之間的相互轉換。沖擊韌性定義：是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特性。試驗：通常是在擺式?jīng)_擊試驗機上測定的。沖擊韌性Kv（ku）AkSN 。應用：材料沖擊韌性的高低，取決于材料有無迅速塑性變形的能力，沖擊韌性高的一般都有較高的塑性，但塑性較高的材料卻不一定都有較高的沖擊韌性。沖擊韌性是對材料的化學成分、冶金質量、組織狀態(tài)、內(nèi)部缺陷以及試驗溫度等比較敏感的一個質量指標，同時也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標。材料力學性能的進一步知識彎曲試驗 判定焊縫和熱影響區(qū)的塑性 暴露焊接接頭內(nèi)部缺陷，檢查焊縫致密性 考核焊接接頭不同區(qū)域協(xié)調變形的

8、能力屈強比的概念 材料屈服極限和強度極限的比值稱為屈強比， 即ReL / Rm 。這個值越小，表示材料的屈服極限和 強度極限的差距越大，材料的塑性越好，使用中的 安全裕度越大，反之則相反。 使用高屈強比的材料可以節(jié)省材料用量，但該 類材料對應力集中較為敏感，抗疲勞性能較差，較 易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象而使材料變脆。 鋼的強度等級越高，其屈強比也越高，特別是抗拉強度下限值大于540MPa的低合金高強度鋼材料的使用要十分注意。屈強比大于0.7的材料應加以重視；大于0.8的材料要從嚴控制，慎重處理。斷裂韌度 是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗脆性斷裂的指標。 材料的斷裂韌度K1c值可通過試驗測定。斷裂

9、韌度是材料固有的力學性能指標，是強度和韌性的綜合體現(xiàn)，與裂紋的大小、形狀、外加應力等無關，主要取決于材料的成份、內(nèi)部組織和結構。鋼材的脆化冷脆性 隨著溫度的降低，大多數(shù)鋼材的強度有所增加，而韌性下降，金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性。熱脆性 鋼材在400-500后再冷卻至室溫時，沖擊韌度值會有明顯的下降，這種現(xiàn)象稱為鋼材的熱脆性。氫脆 鋼材中的氫會使材料的力學性能脆化，這種現(xiàn)象稱為氫脆。鋼中氫的來源：冶煉過程中溶解在鋼水中的氫未及時逸出；焊接過程中水、油在高溫分解的氫溶入鋼材；設備運行時工作介質中的氫進入鋼材；鋼試件酸洗不當導致氫脆。 氫脆是一種延遲斷裂，斷裂延遲時間可由幾分鐘或者幾天。氫

10、脆斷裂只發(fā)生在100150的溫度范圍，溫度過低或過高均不易發(fā)生?？列源嗷?由于介質內(nèi)具有含量很高的苛性鈉（NaOH）促使鋼材腐蝕加劇而引起的脆化現(xiàn)象（一般都發(fā)生在受壓元件的鉚接等處）。 苛性脆化 的破壞形式是在肉眼可看到的主裂紋上有大量肉眼看不到的分支細裂紋。元件發(fā)生苛性脆化時，裂紋附近的鋼材仍具有良好的塑性及脆性性能。 應力腐蝕脆性斷裂 由拉應力與腐蝕介質聯(lián)合作用而引起的低應力脆性斷裂。 應力腐蝕的發(fā)生條件：元件承受拉應力的作用具有與材料種類相匹配的特定腐蝕介質環(huán)境材料應力腐蝕的敏感性 應力腐蝕裂紋發(fā)生在與腐蝕介質接觸的表面。金屬學與熱處理基本知識 金屬的晶體結構定義：內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物

11、質稱為晶體，原子的排列方式稱為晶體結構。晶體結構種類：體心立方晶格 鐵（9120C，-鐵）、鉻、鉬、鎢、釩等 面心立方晶格 鋁、銅、鎳、鉛等 密排六方晶格 鈹、鎂、鋅、鎘等 單晶體：晶體內(nèi)的晶格位向完全一致 多晶體：由許多晶粒（單晶體）組成的晶體結構，不存在各向異性，因為其中晶粒的位向不同，結果只表現(xiàn)出它們的平均性能 實際使用的金屬是由許多晶粒組成的，又叫多晶體。三種常見的金屬晶格晶體的各向異性 由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶體在不同方向上的性能便有所差異，晶體的這種“各向異性”的特點是它區(qū)別于非晶體的重要指標之一。晶體的晶格缺陷點缺陷 晶格空位、間隙原子 線缺陷 即晶格中的

12、“位錯線”或簡稱“位錯” 面缺陷 即晶界和亞晶界 凡晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸形，因而會引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化學和機械性能發(fā)生顯著的變化，如晶界和亞晶界愈多，位錯密度愈大，金屬的強度便愈高 位錯示意圖金屬的結晶結晶：一切物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程統(tǒng)稱為“凝固”，如果通過凝固能形成晶體結構，則可稱為結晶。“平衡結晶溫度”：凡純元素（金屬或非金屬）的結晶都具有一個嚴格的“平衡結晶溫度”，高于此溫度便熔化，低于此溫度才能進行結晶。“自由能”：物質中能夠自動向外界釋放出其多余的或能對外做功的這一部分能量。實際結晶溫度(T1)與理論結晶溫度(T0)之間的溫度差叫“過冷度”（T=

13、 T0- T1）。由于結晶時總伴有一定的能量釋放，即所謂的“結晶潛熱” 。影響晶核的形成和成長速率的因素：過冷度、未熔雜質鐵碳合金的基本組織定義：通常把鋼和鑄鐵統(tǒng)稱為鐵碳合金，一般把碳含量0.022.0的稱為鋼，含碳量大于2.0的稱為鑄鐵。鍋爐壓力容器壓力管道用鋼含碳量一般低于0.25。基本組織形式鐵素體（F） 碳溶于鐵或鐵中的固溶體（鐵和鐵都是體心立方晶格），在770以下它具有鐵磁性。滲碳體（Fe3C） 鐵和碳的金屬化合物，含碳量為6.67%。珠光體（P） 層片狀鐵素體與滲碳體構成的機械混合物。它有較高的硬度和強度，塑性較好。 鐵素體、滲碳體和珠光體是室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本的組成物

14、 奧氏體（A） 碳在-Fe中的固溶體，具有面心立方晶格，由于它的間隙比鐵素體大，因而溶碳能力比鐵素體強，最大可達2.11%（11480C時）。室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本組成物的機械性能 名稱符號結合類型Rm(MPa) HBZ(%) AK（J） 鐵素體F碳在-Fe中的固溶體（體心立方晶格） 2308050160滲碳體Fe3C 鐵和碳的金屬化合物（復雜晶格） 308000 0 珠光體P鐵素體與滲碳體的機械混合物 75018020-2524-32馬氏體（M）：碳在-Fe中的過飽和固溶體（鋼在奧氏體化后快速冷卻到馬氏體點以下發(fā)生無擴散性相變的產(chǎn)物）。貝氏體（B）：過冷奧氏體在中溫區(qū)間（約2504

15、500C）相變產(chǎn)生的過飽和的鐵素體和滲碳體混合物 。魏氏組織：亞共析鋼因為過熱而形成的粗晶奧氏體，在一定的過冷條件下（較快），除了在原來奧氏體晶粒邊界上析出塊狀-Fe外，還有從晶界向晶粒內(nèi)部生長的片狀-Fe。 帶狀組織：經(jīng)熱加工后低碳結構鋼顯微組織中，鐵素體和珠光體沿加工方向平行成層分布的條帶組織。 相：是指在鉻鎳不銹鋼（特別是含鈮、鈦的）中存在的少量鐵素體。 相：是在研究Fe-Cr合金變脆時發(fā)現(xiàn)的一種合金相 。從鐵碳合金狀態(tài)圖中可知: 含碳量為0.77的鐵碳合金只發(fā)生共析轉變，其組織是100珠光體，稱為共析鋼; 含碳量0.77的鐵碳合金稱為過共析鋼，其組織是珠光體P滲碳體Fe3C； 含碳量0

16、.77的鐵碳合金稱為亞共析鋼，其組織是鐵素體F珠光體P。組織中鐵素體F的含量越多，表明碳含量越低，則材料的塑性和韌性就越好，但強度和硬度就隨之降低。含碳量0.2%的鐵碳合金的結晶過程： 液態(tài)金屬隨著溫度的降低開始結晶，冷卻至AB線以下時析出-Fe；至HJB線（14950C）發(fā)生包晶反應，液相和-Fe一起轉變，形成奧氏體；繼續(xù)冷至GS線，奧氏體開始向鐵素體轉變，同時引起母相奧氏體（A）中碳濃度的變化。隨著溫度降低，奧氏體（A）中的含碳量沿GS線逐漸增加而趨近于S點，即合金冷卻至7270C時，奧氏體（A）中的含碳量增為0.77%，故當合金再冷卻至稍低于7270C時，其組織中剩余的奧氏體（A）便按共

17、析反應而轉變?yōu)橹楣怏w，最終的顯微組織為F+P。熱處理的一般過程定義：熱處理是將固態(tài)金屬及合金按預定的要求進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織從而獲得所要求性能的一種工藝過程。熱處理過程：熱處理過程主要是由加熱、保溫（時間）、冷卻三個階段構成的，溫度和時間是影響熱處理的主要因素，因此熱處理過程都可以用溫度時間曲線來表述。鋼在熱處理過程中的組織變化，由兩個過程組成：一是加熱時，鋼的常溫組織轉變?yōu)閵W氏體；二是冷卻時奧氏體分解，隨著冷卻速度的不同，得到不同形態(tài)和組分的珠光體、鐵素體或馬氏體等轉變產(chǎn)物。加熱時的轉變奧氏體形成 奧氏體晶核的形成（易于在鐵素體與滲碳體相界面形成）；奧氏體的長大（碳濃度破壞

18、平衡和恢復平衡的反復循環(huán)過程）；殘余滲碳體的溶解（鐵素體比滲碳體先消失）；奧氏體均勻化（奧氏體中碳濃度不均勻）。冷卻時的轉變奧氏體的分解 冷卻的目的是使加熱轉變的奧氏體A分解，隨著冷卻速度的不同，奧氏體分解的產(chǎn)物的形態(tài)、分散度及性能都將發(fā)生不同的變化。研究奧氏體轉變過程的冷卻方法有兩種：連續(xù)冷卻（與實際相近）和等溫冷卻（奧氏體轉變易于測量）等溫冷卻的試驗方法 將溫度在7270C以上，組織為均勻奧氏體的鋼試樣，急冷至7270C以下的某一溫度，然后保持這一溫度不變，經(jīng)過一段時間，奧氏體開始轉變，再經(jīng)過一段時間，奧氏體轉變結束，整個轉變過程的時間變化范圍可以從幾秒至幾晝夜。將不同溫度下奧氏體轉變開始

19、和結束的時間繪制成曲線，即得到奧氏體等溫轉變曲線，由于曲線形狀像字母C，所以又稱C曲線。 實際生產(chǎn)中，過冷奧氏體的轉變大多是在連續(xù)冷卻過程中進行的，在連續(xù)冷卻過程中，只要過冷度與等溫轉變相對應，則所得到的組織與性能也是對應的。影響C曲線的因素：碳的影響：在正常加熱條件下，亞共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移（亞共析鋼在過冷奧氏體冷卻時發(fā)生共析分解，轉變?yōu)橹楣怏w類型組織之前就開始析出鐵素體新相）；過共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移。 合金元素的影響：除了鈷以外，所有合金元素溶入奧氏體后，都增大其穩(wěn)定性，使C曲線右移。碳化物形成元素含量較多時，C曲線的形狀也發(fā)生改變。加熱溫度和保溫時間的影響

20、：隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，奧氏體的成份更加均勻，作為奧氏體轉變的晶核數(shù)量減少，同時奧氏體晶粒長大，晶界面積減少，這些都不利于過冷奧氏體的轉變，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。鍋爐壓力容器壓力管道用鋼常用的熱處理工藝 退火定義：將鋼試件加熱到適當?shù)臏囟?，保溫一定的時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，稱為退火。根據(jù)材料化學成分和熱處理的目的的不同，退火又可分為完全退火、不完全退火、消除應力退火、等溫退火、球化退火等。完全退火又稱重結晶退火，其方法是將工件加熱到Ac3以上3050，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。不完全退火是將工件加熱到Ac1以上3050，保溫后緩慢冷卻的方法

21、。消除應力退火：一般是將工件加熱到Ac1以下100-2000C（碳鋼和低合金鋼大致在500-6500C），保溫然后緩慢冷卻。消除應力退火中無組織變化。消除應力退火的目的：消除焊接、冷變形加工、鑄造、鍛造等加工方法所產(chǎn)生的內(nèi)應力；使焊縫中的氫較完全地擴散；提高焊縫抗裂性和韌性；改善焊縫和熱影響區(qū)組織；穩(wěn)定結構形狀。方法局部熱處理整體熱處理正火：正火是將工件加熱到Ac3或Acm以上3050，保持一定時間后在空氣中冷卻的熱處理工藝。目的是細化晶粒，均勻組織，降低內(nèi)應力。由于正火的冷卻速度較快，過冷度較大，易使組織中珠光體量增多，且珠光體片層厚度減小，所以正火后的鋼強度、硬度、韌性都比退火的鋼高。許多

22、鍋爐壓力容器用的鋼板都是以正火狀態(tài)供貨的。淬火：淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，經(jīng)過適當?shù)谋睾罂炖洌箠W氏體轉變?yōu)轳R氏體的過程。目的是通過淬火獲得馬氏體組織，以提高材料硬度和強度。如軸承、模具等工件。鍋爐壓力容器材料和焊縫的組織不希望有馬氏體。 回火：回火是將經(jīng)過淬火的鋼加熱到Ac1以下的適當溫度，保持一定時間，然后用符合要求的方法冷卻（通常是空冷），以獲得所需組織和性能的工藝。目的是降低材料的內(nèi)應力，提高韌性。通過調整回火溫度，可以獲得不同的硬度、強度和韌性，以滿足所要求的力學性能。此外回火還可以穩(wěn)定工件的尺寸，改善加工性能。按回火的溫度不同可將回火分為低度、中溫和高溫回火三種。奧氏體不銹鋼

23、的固溶處理和穩(wěn)定化處理：固溶處理：把奧氏體不銹鋼加熱到10501100（此溫度下碳能在奧氏體中固溶），保溫一定時間（約每25mm厚度不小于1小時），然后快速冷卻至427以下（要求從925至538冷卻時間小于3分鐘），以獲得均勻的奧氏體組織的工藝稱為固溶處理。目的是保證其強度、硬度低而韌性好，并具有很高的耐腐蝕性和良好的高溫性能。穩(wěn)定化處理：對于含有鈦或鈮的鉻鎳奧氐體不銹鋼，為防止晶間腐蝕，必須使鋼中的碳全部固定在碳化鈦或碳化鈮中，以此為目的的熱處理稱為穩(wěn)定化處理。即把鉻鎳奧氐體不銹鋼加熱到850900，保溫6小時，在空氣中冷卻或緩冷。 鍋爐壓力容器常用材料 材料的一般要求應有足夠的強度，即有較

24、高的屈服極限和強度極限，以保證安全性和經(jīng)濟性；應有良好的韌性，以保證在承受外加載荷時不發(fā)生脆性破壞；應有良好的加工工藝性能，包括冷熱加工成型性能和焊接性能；應有良好的低倍組織和表面質量，不允許有裂紋和白點；用于高溫元件的材料應具有良好的高溫性能，包括足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性，有良好的高溫組織穩(wěn)定性和高溫抗氧化性；與腐蝕介質接觸的材料應具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。鋼的分類和命名方法分類方法：鋼的分類方法有“按化學成份分類”和“按主要質量等級和主要性能及使用特性分類”兩種。碳鋼的分類和命名按含碳量分類：可分為低碳鋼，C0.25；中碳鋼，C0.25 0.6；高碳鋼，C0.6；按鋼的質量（即S、P

25、含量）分類：可分為普通碳素鋼，S0.050；P0.045；優(yōu)質碳素鋼，S0.040；P0.040；高級優(yōu)質碳素鋼，S0.030；P0.035；按冶煉時脫氧程度分類：可分為沸騰鋼用“F”表示；鎮(zhèn)靜鋼，用“Z”表示；半鎮(zhèn)靜鋼，用“b”表示；按冶煉方法分類：可分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。按爐襯里材料又可分酸性和堿性兩類。 碳鋼的牌號及表示方法碳素結構鋼普通碳素結構鋼表示方法：QXXXXX，其中Q是“屈服極限”漢語拼音第一個字母大寫，XXX為鋼的屈服強度值（單位MPa），XX中第一個X表示質量等級（分為A、B兩級），第二個X表示脫氧方法（分為沸騰鋼F、鎮(zhèn)靜鋼Z和半鎮(zhèn)靜鋼b）；優(yōu)質碳素結構鋼表示方法：其

26、牌號用鋼平均含碳量的萬分比兩位數(shù)字表示，如08鋼表示平均含碳量為0.08。優(yōu)質碳素結構鋼又可分為有意加錳（即Mn0.71.2）的，用牌號后附加“Mn”表示；專門用途的碳素鋼表示方法：在牌號尾部加代表用途的符號，鍋爐用鋼加“g”、壓力容器用鋼加“R”，如20g、20R等。碳素鑄鋼表示方法：用“鑄鋼”的漢語拼音字首ZG表示，其后兩組數(shù)字分別表示鑄鋼的S、b值，如ZG200400，ZG270500等。 碳素工具鋼表示方法：用碳字漢語拼音首“T”表示，之后的數(shù)字表示平均含碳量的千分比，數(shù)字后的“A、B”表示材料質量等級（B級優(yōu)于A級），如T8、T12A分別表示含碳量為0.8碳素工具鋼和1.2高級碳素工

27、具鋼。 合金鋼的分類和命名定義：在鋼中特意加入了除鐵碳以外的其他合金元素（如：錳、鉻、鎳、鉬、銅、鋁、硅、鎢、釩、鈮、鋯、鈷、鈦、硼、氮等）以改善鋼的性能，這一類鋼稱為合金鋼。分類按合金元素加入量分類：可分為低合金鋼，合金元素總量5；中合金鋼，合金元素總量5 10；高合金鋼，合金元素總量10。按用途分類：可分為專用于制造各種工程結構和機器零件的鋼種，專用于制造各種工具的鋼種，特殊性能合金鋼（具有特殊物理、化學性能的）如：耐酸、耐熱和電工鋼等。按鋼的組織分類：可分為珠光體鋼、奧氏體鋼、鐵素體鋼、馬氏體鋼等。按所含主要合金元素分類：可分為鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅鋼等。合金鋼牌號表示方法： 我國合金鋼

28、牌號是按碳含量、合金元素種類和含量、質量級別和用途來編排。牌號首部用數(shù)字表明碳含量，低合金鋼、合金結構鋼用兩位數(shù)表示平均量的萬分比；高合金鋼、不銹耐酸鋼、耐熱鋼用一位數(shù)表示平均含碳量的千分比，當平均含碳量小于千分之一時用“0”表示，含碳量小于萬分之三時用“00”表示。 牌號第二部分用元素符號表明鋼中主要合金元素，含量由其后數(shù)字表明，當平均含量少于1.5%時不標數(shù)字；平均含量為1.5-2.49%時，標數(shù)字2；平均含量為2.5-3.49%時，標數(shù)字3；、牌號尾部加A表示鋼的質量等級，加“R”表示壓力容器用鋼。例如：Q345R 表示該合金平均含碳量0.20%，平均含錳量1.2-1.6%，是壓力容器專

29、用鋼。09MnNiDR 表示該合金平均含碳量0.09%，錳鎳平均含量均小于1.5%，是低溫壓力容器專用鋼。0Cr18Ni9Ti 表示該合金鋼屬高合金鋼，含碳量小于0.1%，含鉻量為17.5-18.49%，含鎳量為8.5-9.49%；含鈦量小于1.5%。低碳鋼定義：碳含量0.25的碳素鋼統(tǒng)稱為低碳鋼。低碳鋼主要化學成分：碳是碳素鋼中的主要合金元素，除了碳以外，還有少量的錳、硅、硫、磷以及氮、氧、氫等雜質。各種元素對鋼的性能的影響：碳 碳含量增加會增加鋼的強度，降低塑性和韌性，使焊接性能變差，淬硬傾向變大；錳 增加強度、細化組織、提高韌性；硅 提高強度、硬度、彈性，降低塑性、韌性；硫 產(chǎn)生“熱脆”

30、，有害元素，嚴格限制?！盁岽唷保毫蛟阼F素體中溶解度極小，在鋼中主要以硫化鐵的形式存在。硫化鐵與鐵形成低熔點共晶體（熔點985）分布于晶界上，當鋼材在800-1200 鍛軋時，由于低熔點共晶體熔化而使鋼材沿晶界開裂的現(xiàn)象。磷 產(chǎn)生“冷脆”，有害元素，嚴格限制?！袄浯唷保荷倭康牧兹苡阼F素體中，由于其原子直徑比鐵大很多，造成鐵素體晶格畸變嚴重，從而使鋼的塑性和韌性大大降低，尤其在低溫時，韌性降低特別厲害。氮 形成氣泡和疏松，含氮量高的低碳鋼特別不耐腐蝕，氮的存在會使低碳鋼出現(xiàn)時效現(xiàn)象。所謂時效就是鋼的強度、硬度和塑性，特別是沖擊韌性在一定時間內(nèi)自發(fā)改變的現(xiàn)象（熱時效、應變時效）。氧 使鋼強度、塑性降

31、低，熱脆現(xiàn)象加重，疲勞強度下降。氫 引起鋼的氫脆，產(chǎn)生延遲裂紋、白點等低合金鋼包括低合金結構鋼、低溫鋼、耐熱鋼低合金鋼合金元素：錳、硅、鉻、鎳、鉬、釩、硼和稀土元素合金元素的作用：硅和錳 低合金鋼最常用的強化元素，每增加1%的錳或1%硅可使鐵素體屈服點分別增高33MPa或85MPa(但屈服點每增加10MPa，伸長率分別下降0.6%或0.65%,應適當限制，一般錳量和硅量分別不超過2.2%和0.8%）。硅能提高抗氧化性和耐蝕性，含量低的錳影響不顯著。鉻和鎳 增大奧氏體的過冷度，從而細化晶粒，取得強化效果；增加鋼的耐大氣腐蝕能力，改善沖擊韌性，降低冷脆轉變溫度；鉻還可以提高滲碳體穩(wěn)定性，降低珠光體

32、球化傾向，防止鋼的石墨化。鉬 起明顯的固溶強化作用，能提高鋼的高溫強度，防止鋼的回火脆性。不良影響是促進鋼的石墨化。釩 對碳、氮有很強的親和力，能在鋼中形成極穩(wěn)定的碳化物和氮化物，以細小顆粒呈彌散分布，阻止晶粒長大，提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過熱敏感性，顯著地提高鋼的常溫和高溫強度以及韌性。增強鋼的抗氫腐蝕能力。鈦 是最強的碳化物形成元素，能提高鋼在高溫高壓氫氣氛中的穩(wěn)定性，能細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。鈮 和鈦相似，也是強碳化物形成元素，當含量大于含碳量的8倍時，幾乎可以固定鋼中所有的碳，使鋼具有良好的抗氫性能，能細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。硼 提高鋼的淬透性，改善鋼的高溫強度氮 溶

33、入鐵素體，起固溶強化作用，與其它合金元素形成氮化物，產(chǎn)生細化晶粒的效果。稀土元素（鑭、鈰、鐠等） 凈化晶界上的雜質，提高鋼的高溫強度，改變鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)，改善鋼的塑性。銅 不是特意加入，煉鋼時帶入。少量的銅與適量的磷同時存在時刻提高鋼的抗大氣腐蝕性能。銅元素對鋼的熱加工不利，也使焊接性能惡化。低合金結構鋼特點：有較高的強度，又有較好的塑性和韌性，使用低合金鋼代替碳素結構鋼，可在相同承載條件下，使結構重量減輕2030。低合金鋼中合金元素含量少，價格較低，冷、熱成型及焊接工藝性能良好，鍋爐壓力容器制造應用廣泛。鍋爐壓力容器常用的低合金鋼牌號 Q345R、18MnMoNbR等，15MnVR、

34、13MnNiMoR、07MnCrMoVR、X系列管線鋼等。Q345R 具有良好的力學性能，可焊性好，對大氣的耐腐蝕性能優(yōu)于低碳鋼，該材料的缺口敏感性大于碳素鋼，在有缺口存在時，疲勞強度下降，且易產(chǎn)生裂紋。X70鋼 具有高強度、高韌性和抗脆斷能力，低焊接碳當量和良好焊接性、以及抗腐蝕和H2S應力腐蝕能力。低溫用鋼要求：應有良好的低溫韌性。影響材料的低溫韌性因素：材料晶體結構、晶粒尺寸、冶煉的脫氧方法、熱處理狀態(tài)、鋼板厚度及合金元素，其中以合金元素的影響為顯著。合金元素與低溫韌性：碳強烈地影響鋼的低溫韌性，隨著碳含量增加，鋼的冷脆轉變溫度急劇上升，因此低溫鋼C含量0.2。錳對改善鋼的低溫韌性十分有

35、利，隨著錳含量增加，鋼的冷脆轉變溫度下降。鎳具有與錳相似的功能，鋼中鎳含量每增加1，冷脆轉變溫度約可降低10。硫、磷、砷、銻、錫、鉛等微量元素和氮、氫、氧等氣體對鋼的低溫韌性都會產(chǎn)生不良影響。低溫壓力容器及用鋼： 我國目前規(guī)范標準規(guī)定，低溫壓力容器與非低溫壓力容器的溫度界限為20，低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗溫度應低于或等于該容器的最低設計溫度，沖擊試驗采用夏比V型缺口，三個試樣沖擊功平均值應大于標準規(guī)定的數(shù)值。鐵素體鋼：顯微組織為鐵素體加少量珠光體。焊接性能良好，焊接工藝控制要點是采用小的焊接線能量和快速多層多道焊。低碳馬氏體鋼: 該類鋼淬火后的顯微組織為板條狀馬氏體，回火后為鐵素體加一定數(shù)量

36、的回轉奧氏體?？刹捎檬止ず浮⒍栊詺怏w保護焊和埋弧焊等焊接方法。奧氏體鋼： 鉻鎳系和鐵錳鋁系，具有面心立方晶格，具有良好的低溫韌性。低合金耐熱鋼要求：應能在中等溫度（400600）時具有良好的耐熱性，且所含的合金元素量不多，價格低廉。應用：主要用于制造石油化工壓力容器和高壓鍋爐，如鉬鋼、鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼。這類鋼在使用時間較長后，會發(fā)生影響力學性能的組織結構變化，包括珠光體球化、石墨化、合金化再分配等。 珠光體球化： 珠光體中的碳化物由片狀轉變?yōu)榍驙?，細小分散的碳化物聚集成大顆粒碳化物。這種變化將引起鋼的強烈軟化，導致高溫（包括常溫）強度降低。石墨化： 鋼中滲碳體在高溫自行分解為游離碳（石墨）的過

37、程。石墨的存在相當于鋼中出現(xiàn)裂紋，不僅消除了滲碳體原有的強化作用，并且使鋼的韌性大為降低，以致引起脆性斷裂。合金元素再分配： 合金元素在固溶體和碳化物中的含量發(fā)生變化，是通過合金元素擴散進行的的，由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉變的一種自發(fā)過程。結果是合金元素在固溶體中貧化和在碳化物中富集，甚至形成特殊碳化物。往往會引起鋼的蠕變強度降低。奧氏體不銹鋼不銹鋼的分類：以鉻為主加元素的鐵素體不銹鋼（0Cr13、1Cr17等）；以鉻為主加元素的馬氏體不銹鋼（1Cr13、2Cr13等）；以鉻、鎳為主加入元素的奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9、00Cr18Ni10等）。奧氏體不銹鋼特點： 奧氏體不銹鋼的力學性能與鐵

38、素體類相比較，其屈服強度低，但屈服后的加工硬化性高，塑性、韌性好，不會發(fā)生低溫脆性，且有較好的高溫性能。奧氏體不銹鋼在冷加工時，亞穩(wěn)的奧氏體在塑性變形過程中形成馬氏體，所以奧氏體不銹鋼只能采用冷加工方法進行強化處理。奧氏體不銹鋼常用牌號及性能： 常用牌號是0Cr18Ni9，它具有良好的化學穩(wěn)定性，在氧化性和某些還原性介質中耐蝕性很高，但在敏化狀態(tài)，存在晶間腐蝕的敏感性，在高溫氯化物溶液中極易發(fā)生應力腐蝕開裂。 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕、點蝕及應力腐蝕破裂晶間腐蝕 奧氏體不銹鋼在450-850的溫度范圍內(nèi)長時間停留，鋼中的碳會向奧氏體晶界擴散，并在晶界處與鉻化合析出碳化鉻，在碳化物兩側出現(xiàn)含鉻低于

39、11.4%、厚度約為數(shù)十至數(shù)百納米的貧鉻區(qū)。由于這種貧鉻使晶間不能抵抗某些介質的浸蝕，所以這樣的晶間對腐蝕介質就十分敏感。點腐蝕 是一種局部腐蝕，當介質中含有Cl-，Br-時，會使不銹鋼產(chǎn)生點蝕。應力腐蝕破裂 由拉應力與腐蝕介質聯(lián)合作用而引起的低應力脆性斷裂。復習思考題：1、承壓類特種設備力學性能指標有哪些？分別通過哪些方法進行測定？2、承壓類特種設備用鋼常見金相組織有哪些？3、產(chǎn)生應力腐蝕的條件有哪些？4、承壓類特種設備用鋼含碳量有何規(guī)定？5、承壓類特種設備常用的熱處理工藝有哪些？6、碳、錳兩元素對低溫鋼的性能各有什么影響？7、奧氏體不銹鋼有哪些特點？8、對制作承壓類特種設備的材料都有哪些要

40、求？9、壓力容器用鋼的硫、磷含量是如何規(guī)定的？硫、磷對材料性能有何影響？10、如何提高奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕的性能？11、金屬材料的性能具體包括哪些內(nèi)容？12、何為應力集中?應力集中的嚴重程度與什么因素有關？13、沖擊韌性具體考核材料的哪些指標？14、何為材料的“屈強比”？有何實際應用意義？15、晶體的晶格缺陷有哪些？晶格缺陷對材料性能有什么影響？16、鋼在熱處理中的組織變化由哪兩個過程組成？17、消除應力退火能達到哪些目的？18、試敘述0Cr18Ni9Ti材料中各合金元素的含量。19、什么是奧氏體不銹鋼的固溶處理、穩(wěn)定化處理？20、試敘述熱處理的等溫冷卻試驗方法。21、彎曲試驗可考核焊接接頭

41、的哪些性能？22、金屬材料拉伸試驗經(jīng)歷哪些過程？23、何為金屬結晶的“過冷度”？其對結晶有何影響？安全技術規(guī)范的相關要求材料的通用要求選材應當考慮材料的力學性能、化學性能、物理性能和工藝性能；材料的質量、規(guī)格與標志，應當符合相應材料的國家標準或行業(yè)標準的規(guī)定，其使用方面的要求應當符合安全技術規(guī)范引用標準的規(guī)定；壓力容器專用鋼板（帶）的制造單位應當取得特種設備制造許可證；材料制造單位應當在材料的明顯部位作出清晰、牢固的鋼印標志或采用其它方法的標志，實施制造許可的專用材料，質量證明書和材料上的標志內(nèi)容還應包括制造許可標志和許可證編號；材料制造單位應當向材料使用單位提高質量證明書，材料質量證明書的內(nèi)

42、容應當齊全、清晰，并且蓋有制造單位質量檢驗章；對于壓力容器專用鋼板，由材料制造單位直接向壓力容器制造單位供貨時，雙方商定鋼板質量證明書的份數(shù)；由非制造單位供貨時，材料制造單位應當分別為每張鋼板出具質量證明書；壓力容器制造單位從非材料制造單位取得壓力容器材料時，應當取得材料制造單位提供的質量證明書原件或者加蓋材料供應單位檢驗公章和經(jīng)辦人章的復印件（壓力容器專用鋼板除外）；壓力容器制造單位應當對所取得的壓力容器用材料及材料質量證明書的真實性和一致性負責。熔煉方法壓力容器受壓元件用鋼，應當是氧氣轉爐或者電爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼。對標準抗拉強度下限值大于或者等于540MPa的低合金鋼板和奧氏體-鐵素體不銹鋼鋼

43、板，以及用于設計溫度低于-20的低溫鋼板和低溫鍛件，還應當采用爐外精煉工藝?；瘜W成分（熔煉分析）用于焊接的碳素鋼和低合金鋼C0.25%、P 0.035%、S 0.035%壓力容器專用鋼中的碳素鋼和低合金鋼基本要求 P 0.030%、S 0.020%標準抗拉強度下限值大于或者等于540MPa的鋼材 P 0.025%、S 0.015%用于設計溫度低于-20且標準抗拉強度下限值小于540MPa的鋼材P 0.025%、S 0.012%用于設計溫度低于-20且標準抗拉強度下限值大于或等于540MPa的鋼材 P 0.020%、S 0.010%力學性能沖擊功碳素鋼和低合金鋼沖擊功鋼材標準抗拉強度下限值Rm(

44、MPa)3個標準試樣沖擊功平均值KV2（J)45020450-51024510-57031570-63034630-69038斷后伸長率壓力容器受壓元件用鋼板、鋼管和鍛件的斷后伸長率應符合安全技術規(guī)范引用標準和相應鋼材標準的規(guī)定；焊接結構用碳素鋼、低合金高強度鋼和低合金低溫鋼斷后伸長率指標見下表；采用不同尺寸試樣的斷后伸長率指標，按標準換算后應符合本規(guī)定。 鋼板標準抗拉強度下限值Rm(MPa)斷后伸長率A（%）42023420-55020550-68017屈服強度與抗拉強度比值 用于移動式壓力容器焊接結構受壓元件的碳素鋼或者低合金鋼，常溫下的標準屈服強度與抗拉強度下限值之比（ReL/Rm)不大

45、于0.85。鋼板超聲檢測檢測要求 厚度大于或者等于12mm的碳素鋼和低合金鋼鋼板（不包括多層壓力容器的層板）用于制造壓力容器殼體時，凡符合下列條件之一的,應逐張進行超聲檢測：盛裝介質毒性程度為極度、高度危害的；在濕H2S腐蝕環(huán)境中使用的；設計壓力大于或者等于10MPa的；引用標準中要求逐張進行超聲檢測的。檢測合格標準 JB4730承壓設備無損檢測級或按引用標準規(guī)定。壓力容器用鑄鐵應用限制鑄鐵不得用于盛裝毒性程度為極度、高度或者中度危害介質；不得用于設計壓力大于或者等于0.15MPa的易爆介質壓力容器的受壓元件；不得用于管殼式余熱鍋爐的受壓元件。允許使用的鑄鐵材料灰鑄鐵，牌號為HT200 HT250 HT300 HT350球墨鑄鐵，牌號為QT400-18R和QT400-18L設計壓力、溫度的限制灰鑄鐵，設計壓力不大于0.8MPa,設計溫度范圍為10-200；球墨鑄鐵，設計壓力不大于1.6MPa,QT400-18R設計溫度范圍為0-300， 1.6MPa,QT400-18L設計溫度范圍為-10-300。復合鋼板復合鋼板復合間面的結合剪切強度：不銹鋼-鋼復合板不小于210MPa;鎳-鋼復合板不小于210MPa;鈦-鋼復合板