1、金屬材料和金屬監(jiān)督 2005年9月 成分組織性能學(xué)習(xí)材料的一條主線一、 金屬材料及熱處理基本知識(shí)金屬材料的性能包括以下兩個(gè)方面：使用性能和工藝性能使用：力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、剛度、塑性、韌性物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、熱膨脹性化學(xué)性能：耐蝕性、熱穩(wěn)定性工藝：冷熱加工，鑄造焊接熱處理壓力加工切削加工鋼的熔化溫度在1500左右1、材料力學(xué)基本知識(shí)力學(xué)性能指標(biāo)主要有強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性1.1應(yīng)力與應(yīng)變物體在外力作用下，其形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變稱為應(yīng)變。物體任一單位截面積上的內(nèi)力大小常稱為應(yīng)力。1.2強(qiáng)度金屬的強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度性能的兩個(gè)主要指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

2、0.2含義是材料塑性伸長(zhǎng)0.2%作為屈服點(diǎn)，其屈服強(qiáng)度用0.2表示我國(guó)鍋爐壓力容器規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)的取值范圍1.55.0 鍋爐ns 1.5 nb2.7 容器ns 1.6 nb31.3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。常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率5表示試件試件長(zhǎng)度與直徑的比值510表示試件試件長(zhǎng)度與直徑的比值10 1.4硬度硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力里氏硬度是采用測(cè)量沖擊測(cè)頭的彈跳速度方法來(lái)確定硬度值布氏硬度是采用測(cè)量壓痕直徑來(lái)確定硬度值維氏硬度是采用測(cè)量壓痕兩對(duì)角線平均長(zhǎng)度來(lái)確定硬度值洛氏硬度是采用測(cè)量壓痕深度來(lái)確定硬度值1.5沖擊韌性沖擊韌性是指材

3、料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量大小的特性塑性指標(biāo)較高的材料不一定都具有較高的沖擊韌性 1.6有關(guān)材料方面的進(jìn)一步知識(shí)剪切應(yīng)力是一對(duì)方向相反，作用線相距很近的橫向集中力。彎曲應(yīng)力是一對(duì)大小相等方向相反的力偶。交變應(yīng)力，構(gòu)件在工作時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)間而交替變化的應(yīng)力，正弦應(yīng)力集中是由于截面的尺寸突然變化而引起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象，在鍋爐壓力容器中應(yīng)力集中往往是缺陷引起，咬邊、氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未熔合屈強(qiáng)比越大，材料的屈服強(qiáng)度與強(qiáng)度極限的比值越大, 使用高屈強(qiáng)比的材料可以節(jié)省材料用量2、金屬學(xué)與熱處理基本知識(shí)2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方：鐵、鐵Cr面心立方：Al Cu Ni密排六方：Mg Zn

4、晶體的點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷晶格缺陷：空位、間隙原子、置代原子；位錯(cuò)；晶界空位、間隙原子、置代原子的存在使金屬屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度增高位錯(cuò)的存在則使金屬容易塑性變形，強(qiáng)度降低2.2鐵碳合金的基本組織鋼和鑄鐵統(tǒng)稱為鐵碳合金鐵碳合金中含碳0.02%2%稱為鋼。鐵碳合金中含碳大于2%稱為鐵。鋼強(qiáng)而韌鐵弱而脆鐵碳合金狀態(tài)圖只研究含碳量小于6.67%的部分，這部分組元是鐵與滲碳體 Fe FeC3鐵素體是碳溶于鐵或鐵中的固溶體奧氏體是碳溶于鐵的固溶體2.2鐵碳合金的基本組織滲碳體是鐵和碳的金屬化合物珠光體是含碳量為0.77%的鐵碳合金的組織含碳量小于0.77%的鐵碳合金稱為亞共析鋼含碳量大于0.77%的鐵碳合

5、金稱為過(guò)共析鋼含碳量等于0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼2.2鐵碳合金的基本組織低碳鋼的正常組織是鐵素體珠光體，碳含量越低，鐵素體含量越多，塑性和韌性也就越好，但強(qiáng)度和硬度卻隨之降低。過(guò)共析鋼的組織是珠光體滲碳體含碳量等于0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼2.3熱處理的一般過(guò)程熱處理的基本工藝是由加熱、保溫、冷卻階段構(gòu)成。熱處理不能夠改變材料的成分。熱處理能夠改變材料的組織。熱處理能夠改變材料的性能。2.3熱處理的一般過(guò)程加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體的形成冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體的分解含碳量為0.2%的鋼加熱1000會(huì)變成奧氏體。含碳量為0.16%的鋼加熱727左右會(huì)開(kāi)始生出奧氏體。 2.4鍋爐壓力容器用鋼常見(jiàn)金相

6、組織和性能奧氏體塑性很高，硬度和屈服點(diǎn)較低；奧氏體是碳溶于鐵的固溶體，面心立方，奧氏體不具有鐵磁性。鐵素體是碳與合金元素溶解于鐵中的固溶體，體心立方，鐵素體在770以下具有鐵磁性，超過(guò)770不具有鐵磁性。 2.4鍋爐壓力容器用鋼常見(jiàn)金相組織和性能滲碳體Fe3C是鐵和碳的金屬化合物，也稱碳化鐵，硬度高，含碳量6.67%，脆性很大，塑性近乎于零馬氏體是碳在鐵中的過(guò)飽和固溶體，回火低碳馬氏體具有較高的強(qiáng)度和較好的韌性珠光體由鐵素體和滲碳體相間排列的片層狀組織2.4鍋爐壓力容器用鋼常見(jiàn)金相組織和性能貝氏體是過(guò)冷奧氏體在中溫區(qū)間相變產(chǎn)生的過(guò)飽和的鐵素體和滲碳體混合物帶狀組織鐵素體和珠光體沿加工方向平行成

7、層分布的條帶組織魏氏組織亞共析鋼從晶界向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)的片狀鐵2.5鍋爐壓力容器常用熱處理工藝退火將試件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻。完全退火是將工件加熱到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，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。消除應(yīng)力退火是將工件加熱到Ac1以下100200左右消除應(yīng)力。2.5鍋爐壓力容器常用熱處理工藝正火將工件加熱到Ac3或Acm以上3050，保持一定時(shí)間在空氣中冷卻正火處理后材料晶粒細(xì)化。淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3以上，經(jīng)過(guò)適當(dāng)保溫后快冷，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程?；鼗鹗菍⒉牧霞訜岬紸c1以下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后

8、冷卻，以獲得所需的組織和性能的熱處理工藝。2.5鍋爐壓力容器常用熱處理工藝調(diào)質(zhì)：淬火加高溫回火奧氏體不銹鋼的固溶處理把奧氏體不銹鋼加熱到10501100，碳在奧氏體中固溶，保溫一定時(shí)間，快速冷卻到427以下，以獲得均勻的奧氏體組織奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化處理把鋼中的碳全部固定在碳化鈦中或碳化鈮中，把奧氏體不銹鋼加熱到850900，保溫6小時(shí)，在空氣中冷卻或緩冷。3、鍋爐壓力容器常用材料對(duì)材料要求：l 較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度l 良好沖擊韌性l 冷熱加工成形性能和焊接性能l 良好低倍組織和表面質(zhì)量l 良好高溫特性l 抗腐蝕性3.1鋼的分類和命名方法（1）碳鋼的分類按含碳量分低碳鋼含碳量小等于0.25

9、%中碳鋼含碳量0.25%0.60%含碳量大于0.6%為高碳鋼。3.1鋼的分類和命名方法按鋼質(zhì)量分類普通碳素鋼S小等于0.050% P小等于0.045%優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S小等于0.040% P小等于0.040%高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S小等于0.030% P小等于0.035%普通與優(yōu)質(zhì)碳素鋼是按硫和磷的含量來(lái)區(qū)分的。3.1鋼的分類和命名方法按用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼一般為低碳鋼，Q235，20，20g，20R，ZG200400表示鑄鋼，屈服強(qiáng)度200MPa，抗拉強(qiáng)度400MPa。碳素工具鋼，碳素鋼工具鋼一般為高碳鋼。碳素工具鋼T12表示含碳量1.2%（2）合金鋼的分類低合金鋼，鋼中的合金總量不超過(guò)5

10、%中合金鋼，鋼中的合金總量5%10%高合金鋼，鋼中的合金總量超過(guò)10%16MnR表示含碳量0.16% 平均含錳量小于1.5%，壓力容器專用鋼09MnNiDR含碳量0.09% 不銹鋼、耐熱鋼中含碳量小于0.1%用0表示，小于0.03%用00表示3.2低碳鋼Q235A Q235BQ235CQ235DQ235鋼中的235表示鋼的屈服強(qiáng)度值（單位MPa），Q表示屈服碳是碳素鋼中的主要合金元素，含碳量增加，強(qiáng)度增加，但塑性韌性降低除碳外，還有Mn Si S P N3.3低合金鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼，低溫鋼，耐熱鋼Mn SiCr Ni Mo Vl 低合金結(jié)構(gòu)鋼：16MnR鋼16的表示鋼的平均含碳量為0.16%，大

11、于34mm焊前要預(yù)熱，15MnVR，15MnVNR，18MnMoNbR注意防止冷裂紋是主要問(wèn)題l 低溫用鋼：16MnDR，至關(guān)重要是低溫韌性，隨著碳含量增加，NDT急劇上升，具有改善低溫韌性的元素 鎳l 低合金耐熱鋼：12CrMo 15CrMo 焊接方面主要是近縫區(qū)硬化和冷裂紋及再熱裂紋3.4奧氏體不銹鋼奧氏體塑性很高，硬度和屈服點(diǎn)較低鐵素體不銹鋼0Cr13 1Cr17馬氏體不銹鋼1Cr13 2Cr13奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9 00Cr18Ni103.4奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼不出現(xiàn)低溫脆性0Cr18Ni9碳小于0.06% ；00Cr18Ni10碳小于0.03%就奧氏體不銹鋼耐蝕性而言，存

12、在晶界腐蝕，點(diǎn)蝕，應(yīng)力腐蝕，使用兩相不銹鋼是解決應(yīng)力腐蝕最有效的措施?；顒?dòng)。二、金屬監(jiān)督1、裂紋:熱裂紋 、冷裂紋 、再熱裂紋 、層狀撕裂 、應(yīng)力腐蝕裂紋 1.1熱裂紋顯著特點(diǎn)：沿晶低熔點(diǎn)共晶物富集于晶界，受拉應(yīng)力，最終開(kāi)裂S、P等雜質(zhì)、冷卻速度大、結(jié)晶應(yīng)力與拘束應(yīng)力 1.2冷裂紋冷裂紋：延遲裂紋：焊接接頭淬硬組織、焊接接頭擴(kuò)散氫的存在、焊接接頭拘束應(yīng)力1.3再熱裂紋再熱裂紋四大特征：含Cr Mo等沉淀強(qiáng)化合金元素，過(guò)熱區(qū)，沿晶，再熱500 到700 防范措施：低Cr Mo，低C，低應(yīng)力，再熱停留時(shí)間1.4層狀撕裂硫化物，Z向應(yīng)力1.5應(yīng)力腐蝕裂紋硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋材料、應(yīng)力、介質(zhì)，不銹鋼應(yīng)力

13、腐蝕裂紋2、蠕變?cè)诟邷睾鸵欢☉?yīng)力的作用下，材料的塑性變形隨著時(shí)間逐漸增加的現(xiàn)象叫材料的蠕變現(xiàn)象。 蠕變溫度為熔點(diǎn)溫度的25%35%，碳鋼300350時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)蠕變。2、蠕變影響蠕變的因素： 應(yīng)力水平 溫度水平材料的抗蠕變性能 Mo Cr W V Ni Mn 3、松弛 常溫下擰緊的螺栓或拉（壓）緊的彈簧，在高溫下自行變松的現(xiàn)象，叫應(yīng)力松弛。 松弛在本質(zhì)上和蠕變是一樣的，是特定情況下的一種蠕變現(xiàn)象。 蠕變時(shí)，構(gòu)件中的應(yīng)力值基本上不變，而塑性應(yīng)變和總應(yīng)變不斷增加；3、松弛松弛時(shí)，由于螺栓、彈簧的工作特點(diǎn)，其總應(yīng)變是不變的，塑性變形的增加伴隨彈性變形的減少，彈性變形逐步轉(zhuǎn)化成了塑性變形，螺栓或彈簧中的

14、應(yīng)力水平逐漸降低，本來(lái)拉緊的螺栓或彈簧即產(chǎn)生了松弛。 4、長(zhǎng)期高溫時(shí)的鋼材組織變化珠光體球化 石墨化 合金元素再分配 4.1珠光體球化常用的鍋爐鋼材是低碳鋼及低碳低合金鋼，如20g，16Mng，15CrMo，12Cr1Mo等都是珠光體鋼，由片狀的滲碳體和片狀的鐵素體互相層疊，組成相間排列的片狀機(jī)械混合物，即珠光體。4.1珠光體球化片狀體的表面能遠(yuǎn)比球狀體為大。高能態(tài)有自行轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的趨勢(shì)，因而在高溫原子擴(kuò)散能力強(qiáng)的條件下，片狀滲碳體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為球體，由于大球體有更小的表面能，隨著高溫作用時(shí)間的加長(zhǎng)，小球體又聚攏成大球體，這種現(xiàn)象叫珠光體球化。 4.1珠光體球化這種變化引起鋼的強(qiáng)烈軟化，珠光體

15、球化會(huì)使鋼材的常溫強(qiáng)度下降，并能明顯地加快蠕變速度，降低持久強(qiáng)度。球化嚴(yán)重時(shí)，持久強(qiáng)度降低約40%50%Mo Cr VTi Nb 能提高珠光體穩(wěn)定性4.2石墨化石墨化是指鋼材中的滲碳體在高溫長(zhǎng)期作用下自行分解成石墨和鐵的現(xiàn)象。這是一種比珠光體球化更為危險(xiǎn)的組織變化。4.2石墨化石墨的存在相當(dāng)于鋼中出現(xiàn)了裂紋，不僅消除了滲碳體原有的強(qiáng)化作用，并且使鋼的韌性大為降低，以致引起脆性斷裂。凡能形成高穩(wěn)定性碳化物的元素，如Cr、Nb、Ti都能阻止石墨化。4.3合金元素再分配表現(xiàn)為合金元素在固溶體和碳化物中的含量發(fā)生變化，是通過(guò)合金元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行的、由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的一種自發(fā)過(guò)程。其結(jié)果常是合金元

16、素在固溶體中貧化和在碳化物中富集，甚至形成碳化物。如Cr23C65、鋼材的脆化冷脆性 熱脆性氫脆 苛性脆化 應(yīng)力腐蝕脆性斷裂 5.1冷脆性溫度降低，韌性下降，金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性。無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT5.2熱脆性鋼材長(zhǎng)時(shí)間停留在400500后再冷卻至室溫時(shí)，沖擊韌度值會(huì)有明顯下降，這就是熱脆性。在高溫下不呈現(xiàn)，降下來(lái)到室溫才呈現(xiàn)。5.3氫脆 鋼材中的氫會(huì)使材料的力學(xué)性能脆化，這種現(xiàn)象稱為氫脆發(fā)生在100150，溫度低，氫不移動(dòng)聚集，溫度高氫逸出 5.4苛性脆化由于介質(zhì)內(nèi)具有含量很高的NaOH促使鋼材腐蝕加劇而引起的脆化現(xiàn)象5.5應(yīng)力腐蝕脆性斷裂由拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的

17、低應(yīng)力脆性斷裂稱為應(yīng)力腐蝕6、腐蝕腐蝕是一種物質(zhì)與環(huán)境作用引起的破壞或變質(zhì)6.1按腐蝕原理分二類： 化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕 6.2按金屬破壞的形態(tài)分 有下列十種全面腐蝕：基本均勻化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)電偶腐蝕：電位負(fù)（陽(yáng)極）的腐蝕速度增加孔蝕：集中金屬表面?zhèn)€別小點(diǎn)深度較大的腐蝕縫隙腐蝕：在縫隙和其他隱蔽區(qū)常常發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕6.2按金屬破壞的形態(tài)分選擇性腐蝕：合金某種組分被腐蝕而脫除晶間腐蝕：腐蝕局限在晶界和晶界附近磨損腐蝕：腐蝕介質(zhì)與金屬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使腐蝕過(guò)程加速6.2按金屬破壞的形態(tài)分應(yīng)力腐蝕破裂：受拉應(yīng)力的材料與特定腐蝕介質(zhì)共同作用的脆性破壞腐蝕疲勞：金屬受腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力而產(chǎn)生的破裂氫損傷：氫滲

18、入金屬內(nèi)部而造成金屬性能的惡化稱為氫損傷材料的熱處理的作用 熱處理是將固態(tài)金屬及合金按預(yù)定的要求進(jìn)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(guò)程。熱處理不改變材料的成分，但改變了材料的組織，從而改變了材料的性能。 以鐵碳合金狀態(tài)圖敘述含碳量為0.2%鋼結(jié)晶過(guò)程 高溫下的液態(tài)金屬隨著溫度降低開(kāi)始結(jié)晶，到點(diǎn)1析出鐵，溫度降到點(diǎn)2液相和鐵一起轉(zhuǎn)變，生成奧氏體，到點(diǎn)3以下（大約860）開(kāi)始從奧氏體中析出鐵素體，到溫度727時(shí)，含碳量為0.77%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，原先析出鐵素體保持不變，此時(shí)組織為鐵素體加珠光體，其后溫度降到室溫，合金組織沒(méi)有變化。 鋼的石墨化影響 石墨化是鋼中滲碳體在高溫下自行分解為游離碳（石墨）的過(guò)程。石墨的存在相當(dāng)于鋼中出現(xiàn)裂紋，不僅消除了滲