金属学与热处理

金属学,Metallography & Heat Treatment,热处理,与,压力容器用材料及热处理,1.1概述 在压力容器制造业中，金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。 压力容器对材料要求很高，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压力容器用材不断发展的基本动力。,1金属材料的基础知识,,Company Logo,年产1000万吨炼油厂,物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。,1金属材料的基础知识,,科技开发研究中心,C60,1.2.1晶体结构的基本概念 (1)晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,1.2金属材料的基本概念,,科技开发研究中心,根本区别：晶体中原子（或分子）在三维空间有规律地周期性重复排列，而非晶体不具备这一特点。,(2)晶格与晶胞 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。 空间点阵:由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。,1.2.1金属材料晶体结构,,科技开发研究中心,晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 晶胞参数：晶胞的三组棱长a、b、c及棱间交角、。,1.2.1金属材料晶体结构,,科技开发研究中心,晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 1855年，法国学者奥古斯特布拉菲用数学方法证明空间点阵共有且只能有14种，并归纳为七个晶系。,1.2.1金属材料晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.1金属材料晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.1金属材料晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.2金属材料的晶体结构 1、纯金属的晶体结构 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。 金属原子趋向于紧密排列。 具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 体心立方晶格 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 面心立方晶格 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 密排六方晶格 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,2、实际金属的晶体结构 单晶体与多晶体 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,3、晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 空位、间隙原子、置换原子,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 线缺陷晶体中的位错 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。分为刃型位错和螺型位错。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,电子显微镜下的位错,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,电子显微镜下的位错观察,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 面缺陷晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,4、合金的晶体结构 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以、表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心, 金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 当合金中出现金属化合物时， 可提高其强度、硬度和耐磨性， 但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要 组成相。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格,1.2.2金属材料的晶体结构,,科技开发研究中心,铁碳合金中的Fe3C,金属材料分为两大类，即黑色金属和有色金属。在元素周期表中除铁、锰、铬三种元素为褐色金属元素外，其余的金属元素均为有的金属元素。 通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，其中以铁为基的合金通常称为钢。以其余金属元素为基的合金称为有色金属。 （1）按冶炼方法分类： 平炉钢、转炉钢和电炉钢，每一种还可以根据炉衬材料的不同，分为碱性和酸性。 按钢液脱氧程度和铸锭制度的不同，碳素钢可分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢,1.2.3金属材料分类方法,,科技开发研究中心,（2）按用途分类： 结构钢、工具钢、特殊性能更钢 （3）按金相组织分类 按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢 按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢 按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢 1.2.3金属材料的表示方法 GB/T 221-2000钢铁产品牌号表示方法,1.2.2金属材料分类方法,,科技开发研究中心,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,1.3压力容器用钢的选择,,科技开发研究中心,投入运行的加氢反应器,1化学成分 化学成分是决定其力学性能与使用性能最重要的因素。 容规第11条 2力学性能 具有较高的强度同时兼备优良的塑性、韧性。 钢制压力容器 铝制焊接容器 钛制焊接容器 3其他要求，力学性能满足外，还要进行无损检测 耐腐蚀性能容规、钢制压力容器,基本要求,,科技开发研究中心,材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。 (1)强度:是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。 常用的强度指标有屈服强度s或0.2和抗拉强度Rm（b） ，高温下工作时，还要考虑蠕变极限n和持久强度D，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。 另外，材料的屈强比(sb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。,1.3.1力学性能,,科技开发研究中心,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,1.3金属材料的性能,,科技开发研究中心,低碳钢拉伸曲线：弹性变形、塑性变形和断裂 弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,Q235拉伸试样,符合国标(GB/T228-2002),1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,线弹性变形阶段（OA） 塑性屈服阶段（BC） 强化阶段（CD） 局部颈缩阶段（DE） 其中OA部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A点和A点几乎重合在一起，一般不作区分。,屈服强度Re（s）：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度Rr0.2( 0.2) ：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度Rm（b） ：材料断裂前所承受的最大应力值。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,抗拉强度Rm的测定 抗拉强度同样可采取图解方法和指针方法两种方法测定抗拉强度。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,(2)塑性 塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力，指标为断后伸长率和断面收缩率。 试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率A()。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,试样断裂后，断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率Z()。,用塑性好的材料制造容器，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。作为化工容器用的钢，要求伸长率不低于14。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,拉伸试样的颈缩现象,依据国标GB/T 2282002金属室温拉伸实验方法 新旧标准性能名称对照,1.3.1力学性能,,科技开发研究中心,(3)韧性:是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak表示。Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。 容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35Jcm2 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法,断裂韧性 工程上有时会出现材料在远低于b的情况下发生断裂的现象。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。 断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力的作用下，这些裂纹将发生扩展，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性。,1.3.1力学性能,,科技开发研究中心,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,1.3.1力学性能,,科技开发研究中心,韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。 体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,韧,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关,疲劳 材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 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。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,(4)硬度 硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，现在多用压入法测定。 布氏硬度HB: 将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,洛氏硬度HR 洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,维氏硬度HV 将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,1.3.1 力学性能,,科技开发研究中心,1.3.2物理性能 在容器设计中，应注意到材料的物理性能。例如，在计算容器的温差应力时，就要用到材料的线胀系数；在设计换热器及计算容器外壳热损失时，还要用到材料的热导率入等。因此，材料的使用场合不同，对材料物理性能亦有不同的要求。主要的物理性能指标有密度，热导率，比热容c，熔点tm，线胀系数，电阻率r，弹性模量E等。,1.3 压力容器用钢的选择,,科技开发研究中心,1.3.3耐腐蚀性能 化工厂中经常处理有腐蚀性的介质，故设计化工容器时，在很多场合下，耐腐蚀性对材料的选择起决定性的作用。材料的耐蚀程度会影响设备使用寿命、产品的质量，有时甚至影响化学反应的进行。因此，考虑材料的耐蚀性是化工容器材料选择中的一个重要问题。 材料的腐蚀速度在工程上常用Ka(mma)来表示，材料腐蚀速度在1mma以下的，可认为能用于化工容器。有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。,1.3 压力容器用钢的选择,,科技开发研究中心,1.3.4制造工艺性能 材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。对制造化工容器的钢材来说，焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。 (1)可焊性:是指金属材料在一定的焊接工艺条件下能否获得优良焊接接头的性能。 通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。 制造一般受压容器所用钢材的含碳量最好不大于025,1.3 金属材料的机械性能,,科技开发研究中心,(2)其他:材料成型的主要方法是滚卷与冲压。材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或微裂纹。材料的冷作硬化性会降低塑性指标，而且会在受热时出现结晶粗化，降低强度。一般材料的残余变形超过3时，需经退火处理。,1.3 压力容器用钢的选择,,科技开发研究中心,15000吨重型自由锻造水压机,1.3.5价格与采源 设备成本的很大一部分决定于材料的价格。因此，在选用材料时，应了解它们的价格。如果将碳素钢板Q235-A的价格定为1，其余的板材相对价格大致有如下关系，16MnR为1.4、20R(20g)为1.8、铬钢(1Cr13，2Cr13)为5.1、高合金钢0Cr18Ni10为14.1。 当然，采用价廉的材料不一定在经济上就是合理的，因为价贵的材料可能具有较好的性能，用它可以制成器壁较薄而轻的容器，而且使用年限也比较长，经济效果更好。 分析材料的经济性不能仅看它们的价格，同时要看国家的资源情况。应多用普通易取的材料，少用昂贵稀缺的材料；多用国产材料，少用或不用进口材料。,1.3 压力容器用钢的选择,,科技开发研究中心,1.4.1压力容器常用钢材 一、钢材形状：主要是板、管材和锻件 1、钢板 主要用途：壳体、封头、板状构件等 加工要求：下料、卷板、冲压、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能 GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板 GB6654 压力容器用钢板,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,2、钢管 主要用途：接管、换热管等 主要类型：无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管 加工要求：下料、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、焊接性能 请比较各类钢管的优缺点 3、锻件 主要用途：高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等 分级：、四个级别。级别越高， 要求检验项目越多，越严格，价格越高。,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,二、钢材类型 按化学成分分类：碳素钢、低合金钢、高合金钢 1、碳素钢 含碳量小于2.06的铁碳合金，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。 压力容器用钢 优质碳素结构钢：Q235-B、Q235-C钢板；10、20钢钢管；20、35钢锻件。 压力容器专用钢板：20R （R表示压力容器专用钢板） 20R的特点和应用场合： 强度低，塑性和可焊性较好价格低廉； 常用于常压或中、低压容器；垫板、支座等零部件材料。,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,2、低合金钢 特点及优点 是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。 压力容器常用低合金钢 钢板：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR；07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR 钢管：16Mn、09MnD；（D表示低温用钢） 锻件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,3、高合金钢 压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢；铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢 （1）铬钢：0Cr13 是常用的铁素体不锈钢 有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能 在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性 但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,（2）铬镍钢 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。 0Cr18Ni9：在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳；但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。 （3）铬镍钼钢：00Cr18Ni5Mo3Si2 是奥氏体-铁素体双相不锈钢 耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,4、复合板 基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。 复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。 复合板应用特点： 用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,1.4.2压力容器常用有色金属和非金属 压力容器常用有色金属：铜及其合金、铝及其合金、镍及镍合金、钛及钛合金 压力容器用非金属材料要求：除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，好的热稳定性，良好的加工制造性能。 缺点：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低(除玻璃钢外)。 压力容器常用非金属材料：涂料、工程塑料、不透性石墨、搪瓷、陶瓷,1.4压力容器用材料,,科技开发研究中心,热 处 理,,科技开发研究中心,改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化 二是热处理 1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺. 为简明表示热处理的基本 工艺过程，通常用 温度时间坐标绘出 热处理工艺曲线。,钢的热处理,,科技开发研究中心,2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。 4、热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。,,科技开发研究中心,,科技开发研究中心,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。,2.2钢的热处理基础知识,,科技开发研究中心,2.2.1金属的结晶 纯金属的结晶 一、结晶的一般过程 1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,2.2钢的热处理基础知识,,科技开发研究中心,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,正温度梯度,实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,负温度梯度,树枝状长大,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,二、同素异构转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,-Fe -Fe -Fe,纯铁的同素异构转变,-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,2、固态转变的特点 形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。 由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,固态相变的晶界形核,合金的结晶 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。,2.2.1金属的结晶,,科技开发研究中心,铁碳合金相图 是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量0.0218% 2.11%的称钢;2.11% 6.69%的称铸铁 铁和碳化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC， 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,铁碳合金的组元和相 组元：Fe、 Fe3C 相 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,铁素体, 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。 组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。强度低、塑性好， 钢材热加工都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,奥氏体, 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一定 条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C(石墨), 由于碳在-Fe中的溶解度 很小，因而常温下碳在铁碳 合金中主要以Fe3C或石墨的 形式存在。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,铁碳合金相图的分析,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心, 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECFD 三条水平线： HJB：包晶线LB+H J ECF：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体, 用Le表示。为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,莱氏体,PSK：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。 珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心, 其它相线 GS,GP 固溶体转变线, GS又称A3 线。 HN,JN 固溶体转变线， ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固溶线。,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心, 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三条水平线,2.2.2铁碳合金相图,,科技开发研究中心,工业纯铁的结晶过程 合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间。到7点，从中析出Fe3C。,2.2.2铁碳合金相图,工业纯铁的结晶过程,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。 随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3C。,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图, 共析钢的结晶过程 合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变： SP+Fe3C, 全部转变为珠光体。,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,共析钢的结晶过程,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,珠光体在光镜下呈指纹状. 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 S点以下，共析 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图, 亚共析钢的结晶过程 0.090.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应. 以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。到4点，由 中析出 。到5点, 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计.,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,亚共析钢的结晶过程,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,亚共析钢室温下的组织为F+P . 在0.02180.77%C 范围内 珠光体的量随含碳量增加而增加。,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图, 过共析钢的结晶过程 合金在12点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈网状分布. 温度下降, Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,过共析钢的结晶过程,,科技开发研究中心,过共析钢室温组织为P+ Fe3C ,含1.4%C钢的组织,2.2.2铁碳合金相图,临界温度与实际转变温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示. 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。,,科技开发研究中心,2.2.2铁碳合金相图,钢在加热时的转变 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,2.2.3钢的加热转变,,科技开发研究中心,2.2.3钢的加热转变,,科技开发研究中心,影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, 晶粒粗大. 加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细. 合金元素： 阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,2.2.3钢的加热转变,,科技开发研究中心,冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明：,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心, 珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。 珠光体转变是扩散型转变。,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,珠光体转变观察,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心, 贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。 根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心, 马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1、马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。 马氏体的形态分板条和针状两类。,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,马氏体组织,马氏体转变观察,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,2.2.4钢的冷却转变,,科技开发研究中心,压力容器筒体结构的分类 整体结构:为满足强度、刚度和稳定性要求所需要的厚度（不包括为防腐而设置的衬层）是由一整块连续钢制成的结构。 主要形式 a)整体锻造：锻造的筒和筒之间用法兰或螺纹连接。主要用于超高压设备。,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,b)单层卷焊：应用普遍； c)锻焊结构：总结了整体锻造和单层卷焊容器的优点，进行了有机的结合。质量 好，适用于重要场合，如核工业、加氢反应器等。,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,d)无缝钢管：公称直径较小容器,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,e)复合板结构：在一定厚度下很经济。,复合板粗丙酮塔,1.2 组合式结构 1.2.1 定义：为满足强度、刚度和稳定性要求所需要的厚度是由钢板对钢板、钢板对钢带、钢板对钢丝制成的结构。内筒是板式结构。 1.2.2 主要形式 a)多层包扎：最开始为美国专利，但现在已不存在专利了，南京大化机已研制成功。但此类设备制造工艺太复杂，生产工期长；,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,b)热套结构：内筒和外筒的配合采用过盈配合。在安装时外筒加热冷却后很好地与内筒结合在一起。适用于超大容器，有时分3层或更多层进行套合,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,c)绕板结构：是日本人发明的。自动化程度很高，先做内筒再用另一筒体搭接。虽然角焊缝受力不好、不好焊接且不易检测，但进行承压爆破试验效果很好。目前我国由于冶金能力有限，板长和宽度不太适合，所以采用较少,d)钢板对钢带：中国人的发明，ASME已承认其可靠性。内筒单层卷焊，外层缠绕。钢带在缠绕时分左右两个方向，同时旋转方向相反。但缠绕后由于中间紧两端松，所以在承压能力上会低10。在小化肥生产装置中有一些应用,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,e)钢板对钢丝：内筒单层卷焊，外层用高强度的不锈钢丝缠绕，同时给内筒一定的压应力，承受的外压甚至等于设计压力，使设备在操作工况时压力趋于0。世界上设计压力最高的设备1000Mpa就是采用此种结构； f)衬里容器：基层归GB150管辖，衬层GB150不管辖（不好制定制造、检验及验收的最低要求）。,压力容器筒体结构的分类,,科技开发研究中心,塑性变形对组织和性能的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,塑性变形的形式：滑移和孪生 金属常以滑移方式发生塑性变形。 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,1、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移的同时伴随着晶体的转动,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心, 孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,奥氏体不锈钢中退火孪晶,合金的塑性变形与强化 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,一、应变硬化 在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象称为应变硬化（加工硬化、冷作硬化） 应变硬化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低。,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,,科技开发研究中心,2.3.2压力容器制造塑性变形对钢材性能的影响,www.sei.s