金属热处理基本知识.ppt

薛振林 陆志春,承压类特种设备无损检测相关知识,薛振林 陆志春,NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材,第1篇：金属材料、热处理及焊接基本知识,薛振林 陆志春,1.1 材料力学基本知识 1.2 金属学与热处理基本知识 1.3 承压类特种设备常用材料,第1章：金属材料及热处理基本知识,薛振林 陆志春,金属材料的性能,使用性能：为了保证零部件、设备、结构能正常工作所应具备的性能 主要有： 力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等 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 使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命,工艺性能：制造过程中适应各种冷热加工工艺的性能。 热加工：铸造、焊接、热处理 冷加工：压力加工、切削加工。 决定了材料被加工的难易程度，它对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。,薛振林 陆志春,1.1材料力学的基本知识,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。,P,P,P,P,N,N,薛振林 陆志春,1.2.1应力与应变,应变与应力： 应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变量称为应变；（L1L0）/L0 应力：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。,P,P,L,L1,L0,P,P,薛振林 陆志春,1.1.2强度,定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，主要有屈服强度和抗拉强度。材料强度可以通过拉伸试验测出。 金属材料拉伸试验 1）拉伸试样,拉伸试样(GB/T228-2002),长试样：L0 = 10d0 短试样：L0 = 5d0,P,P,拉伸试验,薛振林 陆志春,薛振林 陆志春,2）低碳钢拉伸试验曲线,低碳钢应力应变图,薛振林 陆志春,弹性阶段：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎克定律），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对应的应变值e，称为比例极限p 。,3）拉伸试验曲线分析,薛振林 陆志春,屈服阶段：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增加（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力，此时的应力称为屈服极限或称屈服强度S 。若以材料塑性伸长0.2作为屈服极限，则其屈服强度用0.2表示。 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，为使材料继续变形必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象，或称强化阶段。相应的拉力是拉伸过程中试样承受最大的，此时相应的应力即为抗拉强度b,薛振林 陆志春,颈缩阶段：当外加应力达到材料抗拉强度b后，试件某一局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。,薛振林 陆志春,应用,抗拉强度b、屈服强度s是评价材料性能（强度）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都选择了适当的安全系数来保证。 一般设计若以屈服强度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Ns1.6；若采用抗拉强度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Nb3.0。,薛振林 陆志春,1.1.3塑性,定义： 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和断面收缩率，伸长 率可用右式确定： （L1L0）/L0100； 式中：L0试件原标距长度， L1拉断后试件标距长度。 断面收缩率可用右式确定： （A0A1）/A0100 式中：A0试件原来截面积， A1拉断后试件颈缩处的截面积,薛振林 陆志春,应用,伸长率与试样的长度有关，不同试样长度的伸长率不能比较塑性的优劣； 断面收缩率与试样的长度无关。 锅炉压力容器对材料塑性有要求的，一是要适应冷加工成形，二是要求设备在破坏前有较大的变形，破坏时无碎片，但是有一定限度的，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，设备也相当庞大。,薛振林 陆志春,1.1.4硬度,定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 工程上常用硬度试验方法：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。 应用： HB主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正火、调质处理的钢材。低碳钢 b0.36HB HR主要用于测定硬度较高的材料，其中HRB测定同HB，HRA和HRC用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。 HV主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组织中不同区域的硬度，测定焊缝不同区域的硬度。 HL主要用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，并能及时转换为布、洛、维等各种硬度值。,薛振林 陆志春,硬度试验图示,洛氏硬度（HR）测量方法,布氏硬度（HB）测量方法,薛振林 陆志春,维氏硬度（HV）测量方法,薛振林 陆志春,薛振林 陆志春,1.1.5冲击韧度,（1）定义： 韧性：是指金属材料抵抗冲击力而不被破坏的能力。有些金属材料在承担静载荷时，显示较高强度。但当承担冲击力时，却显得非常脆弱，我们就说这些材料的韧性较差。 冲击韧性：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。,（2）试验： 通常是在摆式冲击试验机上测定的。 冲击韧度ku（kuv）AkSN 。 标准试样时用Ak表示。 如标准试样截面为1010mm (3)影响冲击韧性值的因素 试样的尺寸、试样缺口的形式（试样的缺口型式有夏比U型和夏比V型两种）、试验温度、材料的化学成分，冶金质量，组织状态，内部缺陷等,薛振林 陆志春,图3-3 冲击试验机,薛振林 陆志春,1.1.5冲击韧度,应用： 材料冲击韧性的高低，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。,温度对冲击韧度的影响,用于制作承压类特种设备受压元件所用的钢材在常温、静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。人们在使用这些材料时，对可能会发生的脆性破坏往往不够注意，实际上，在一些不利的条件或环境下使用的塑性材料会发生脆化，即塑性和韧性降低的现象，这一现象对承压类特种设备的使用安全是不利的。,薛振林 陆志春,冲击试样,2、脆性分类 1）冷脆性随着温度的降低，大多数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。 用落锤冲击试验判断冷脆性.材料在低温度下工作时，由塑性状态转变为脆性状态，使材料的冲击韧性值急剧降低的温度。材料由塑性破坏转变到脆性破坏的上限温度称为韧脆转变温度。 上图为用低碳钢材料制作的有缺口的试样，进行冲击试验，得到的冲击韧度随温度变化的典型曲线。可以看出随着温度降低，值不断减小，即材料的韧性降低，脆性增加。要防止发生低温脆性破坏，钢材的最低允许工作温度就应高于韧脆转变温度的上限。,薛振林 陆志春,1.1.7 脆性,薛振林 陆志春,1.1.7 脆性转变温度,3、影响脆性转变温度的因素 1）含碳量含碳量越高，脆性转变温度越高，对在低温度下工作的安全性不利； 2）合金元素Mn、Ni能降低脆性转变温度 3）含氢量含氢越多越容易导致氢脆,薛振林 陆志春,1.1.7 脆性,2）热脆性钢材长时间停留在400500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。注意脆化温度,无损检测不能检测和判断热脆性,用冲击试验判断。 值得注意的是具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化，仍具有较高的冲击韧度，只有当冷却至室温时，才显示出脆化现象。,薛振林 陆志春,1.1.7 脆性,3）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。氢脆主要发生在碳钢和低合金钢。,不同屈服极限的钢氢脆关系曲线,当钢材中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展过程。 由图可见，钢材的强度愈高（所承受的应力愈大），对氢脆愈敏感。容器中工作应力及残余应力是导致氢脆很重要的因素。,钢中氢的主要来源： 1）冶炼过程中氢溶于钢水中； 2）钢材在较高温度时暴露在空气中吸收较多氢，如锻造加热时。焊接时油、水、有机物分解等产生的氢； 3）工作介质中的氢，如酸洗时的氢，湿硫化氢； 注意： 1）能进入钢中的和在钢中扩散的是氢原子，不是分子 2）无损检测方法是无法检出氢脆的。 氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可能几天。 氢脆断裂只发生在100150的温度范围内,因为很低的温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。,薛振林 陆志春,（4）苛性脆化 碳钢或低合金钢在含苛性钠（NaOH）很高的介 质中引起的晶间腐蚀，钢材 外观看不出，但其冲击韧 性降低很多的现象，主要发生在应力较大的部位，如 锅炉上的胀接部位，焊接残余应较大部位。 （5）应力腐蚀脆性破坏 钢材在特定的介质中在拉应力的作用下产生的晶 间腐蚀，外观无变化，但到一定时间发生脆性破坏。 一般钢材强度级别高的材料对应力腐蚀倾向敏感 应力腐蚀三要素：拉应力、腐蚀介质、敏感材料,钢材的脆性,1.2.7疲劳,疲劳在交变载荷（大小、方向呈周期性变化）的作用下，材料断裂时的应力远低于其抗拉强度，甚至低于屈服强度，这种破坏现象叫疲劳破坏。 疲劳强度-1表示在无数次（钢常常以107次）交变载荷作用下仍不会断裂时所能承受的最大应力值。一般 -1（0.4-0.6）b 提高疲劳强度的方法 1）改善零件结构，避免应力集中； 2）提高零件表面光洁度； 3）进行表面热处理（降低应力，改善组织）。,薛振林 陆志春,1.1.6 应力集中,1、应力集中的定义： 由于承载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。如:结构件的凸台、焊缝、焊接缺陷等。 应力集中系数a应力集中的程度通常用最大局部应力与该截面上的名义应力之比来衡量，称为应力集中系数a， 即a= max/ 。,应力集中的概念,2、影响应力集中的因素： 1）与缺口大小有关，缺口越大，应力集中越大； 2）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，应力集中就越大。 在承压类特种设备中，构件横截面尺寸发生突变往往是缺陷引起的，这些缺陷统称为缺口，例如表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。在各种缺陷形成的缺口中，以裂纹的根部曲率半径最小，所以裂纹引起的应力集中最为严重。,1.2.9屈强比的概念,定义： 材料的屈服极限和强度极限的比值，即s b称为屈强比。 屈强比是七十至八十年代常用的描述高强度金属材料的一个术语。 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；相反，如果屈强比值较大，则表示该材料的屈服极限与强度极限较接近，材料在断裂前的塑性“储备”较少，使用中的安全裕度相对较小。,1.2.9屈强比的概念,使用高屈强比的材料可以节省材料用量，但这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。 钢的强度等级越高，其屈强比也越高。 所以对高强度钢，特别是抗拉强度下限大于540MPa的低合金高强度钢材料的使用要十分注意。,1.2.9屈强比的概念,一般说来，对屈强比大于0.7的材料就应加以重视，对屈强比大于0.8的材料更要从严控制，谨慎处理：结构设计时应尽量避免局部应力过高或应力集中，制造时要尽量避免加工硬化，减少残余应力。对设备的表面质量要求更高，例如表面成形要圆滑过渡，对表面各种划伤和损伤的控制更严，焊缝不允许咬边等。无损检测的应用也有所增加，检测比例进一步扩大，对允许存在的各种缺陷的限制应从严。,薛振林 陆志春,1.2金属学与热处理基本知识,1.2.1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。 晶体特性 1）具有一定的熔点； 2）各向异性（不同方向上其导电性、弹性强度等性能不一样）； 3）在一定条件下（压力和温度）可以发生状态转变。,晶体结构种类：有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。 晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 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，直至所有的晶粒长大到互相接触，结晶即告结束。,薛振林 陆志春,薛振林 陆志春,1.2.1金属的晶体结构,体心立方bcc,面心立方fcc,密排六方 hcp,铁的同素异构转变： 铁 铁 铁 体心立方 面心立方 体心立方 当晶体结构改变时，金属的性能(如体积、强度、塑性、磁性、导电性等)往往要发生突变。,1394 ,912 ,薛振林 陆志春,同素异构转变,同素异构转变：金属在固态下晶格随温度发生改变的现象。,薛振林 陆志春,大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异构性。 纯铁是具有同素异构性的金属，如图是铁的同素异构转变的冷却曲线。 金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放出和过冷现象。 铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。,薛振林 陆志春,1.2.1金属的晶体结构,（4）晶体缺陷 实际晶体的原子排列并非完美无缺，在排列中常常会出现原子排列不规则的地方，称为晶体缺陷。晶体缺陷有三类 点缺陷：晶格空位、间隙原子、异类原子 线缺陷：位错 面缺陷：晶体的外表面和内表面(晶界、亚晶界、位错墙),薛振林 陆志春,1.2.1金属的晶体结构,（4）缺陷对金属的影响 晶体缺陷使晶格发生了畸变，结果使金属不容易发生变形，表现为屈服强度和抗拉强度的升高。 位错的存在，使原子间容易产生滑移，相当于金属容易产生塑性变形，强度降低。但只要位错很密时，位错与位错緾绕在一起，又不容易变形了，此时强度升高了。 面缺陷 晶粒细金属材料强度硬度也大,但由于界面能的存在,使晶界的熔点低于晶粒内部,容易腐蚀和氧化,薛振林 陆志春,1.2.2铁碳合金的基本组织,（1）名词解释 1）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。 组成合金的元素即可全部是金属，也可是金属与非金属。合金有固溶体和金属化合物两大类 2）固溶体 ：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 如糖溶于水后结成冰就成为糖与水的固溶体。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,薛振林 陆志春,1.2.2铁碳合金的基本组织,a、 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 b、间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如 C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。 3）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。 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。如Fe3C 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。,薛振林 陆志春,1.2.2铁碳合金的基本组织,（2）铁碳合金铁与碳的合金，铁与碳形成的化合物为Fe3C 、Fe2C、 FeC ，其中FeC含碳量为6.67。含碳量大于6.67的铁碳合金没有实用意义，所以铁碳合金只研究小于6.67这部分。 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。 结晶由液态转变为晶体的过程，如由液态转为固态的过程称为凝固。 共析-从一种成份固体中同时分解出两种成份的固体的过程,薛振林 陆志春,（3）铁碳合金相图,薛振林 陆志春,（3）铁碳合金相图,需要注意的特性点和特性线 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度 ABCD线：液相线 AECF线：固相线 PSK线:也称A1线表示钢在缓慢冷却时A开始转变为P的温度线或在缓慢加热时P开始转变为A的温度线 GS线:也称A3线表示钢在缓慢冷却时A开始析出F的温度线或在缓慢加热时F开始转变为A的终止温度线 ES线:也称ACm线表示钢在缓慢冷却时A开始析出Fe3C的温度线或在缓慢加热时Fe3C开始转变为A的终止温度线,薛振林 陆志春,（4）基本组织形式,1）铁素体： 碳与合金元素溶解于铁或铁中的固溶体，用符号“F”表示。 铁和铁都是体心立方晶格，前者是指温度低于910的铁，后者是温度在13901535之间的铁。,铁素体的溶碳能力极差，在727溶碳量最大时也仅有0.022。铁素体的强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770以下具有铁磁性，超过770则丧失铁磁性。 铁素体性能接近纯铁，硬度低（约为80100HB），塑性好。固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。 铁素体仍然保持体心立方晶格 。,薛振林 陆志春,2）奥氏体：,碳与合金元素溶解于铁中的固溶体，用符号“A”表示。 铁是面心立方晶格，奥氏体溶碳能力较大，最大可达2.11（1148），在727溶碳量为0.77。在铁碳合金系中，奥氏体仅存在于727以上的高温范围内。奥氏体不具有铁磁性。,A强度、硬度比F高，但A仍然是单一的固溶体，所以塑性良好，变形抗力较低，即绝大多数钢在高温下进行压力加工和热处理都要求在A区内进行。 奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，布氏硬度值一般为170220HB，是钢中比容最小的组织。 奥氏体仍然保持Fe的面心立方晶格,薛振林 陆志春,3）渗碳体：,铁和碳的金属化合物，其含碳量为6.67，符号为Fe3C。渗碳体的硬度（约为700HB）很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体在217以下具有铁磁性。,渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中碳大部分以渗碳体存在。 根据铁碳平衡图，渗碳体可分为： 一次渗碳体，多呈柱状；二次渗碳体多以白色网状出现；三次渗碳体，多以白色网状出现。 渗碳体在低温下有弱磁性，高于217磁性消失。渗碳体的熔化温度约为1227。,薛振林 陆志春,4）珠光体：,珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，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。它有较高的硬度和强度，塑性较好。,珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距越小。 按片间距的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体。由于它们没有本质上区别，统称为珠光体。 金属实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度To，两者之差称为过冷度。 过冷是金属结晶的必要条件。,珠光体,薛振林 陆志春,1.2.3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：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。,时间,温度,加热,加热温度,冷却,保温时间,热处理基本工艺曲线,薛振林 陆志春,1.2.3热处理的一般过程,钢的热处理过程： 1）加热时使钢的常温组织转变为奥氏体（珠光体P向奥氏体A的转变），使剩余铁素体F向奥氏体A溶解，直至组织为单一奥氏体A。,2）保温时使晶粒内的成分扩散均匀，获得均匀的奥氏体A。 3）冷却时使奥氏体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（珠光体、铁素体或马氏体等）。,薛振林 陆志春,按冷却速度可以分为等温冷却和连续冷却 等温冷却是将某温度的奥氏体急冷至某温度如700，然后在此温度下保温，让奥氏体进行转变。时间-温度曲线 称TTT曲线 连续冷却是将某温度的奥氏体连续冷却，奥氏体在冷却过程中进行转变。时间温度曲线称CCT曲线,共析钢的等温转 变曲线（TTT）,共析钢的连续冷却转变曲线（CCT）,薛振林 陆志春,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,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。,薛振林 陆志春,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,铁素体FFe(C)： F是碳与合金元素溶解在-Fe中的固溶体。,其性能接近纯铁，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。,薛振林 陆志春,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,渗碳体Fe3C： 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， 熔化温度为1227其含碳量 为6.67，硬度高，脆性 大，塑性近似于零,薛振林 陆志春,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,珠光体 P： 是铁素体和渗碳体的混合物，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。按其片层状间距大小可分为珠光体、索氏体和屈氏体。,在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲，在一定热处理条件下（球化退火或工件在高温下长期工作，珠光体会球化即球化组织，亦叫粒状珠光体。,1.3.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,珠光体、索氏体和屈氏体没有本质的区别，故可统称为珠光体。 粗片状珠光体，是奥氏体在650700高温分解的产物，硬度约为190230HB，用一般金相显微镜（500倍以下）能分辨Fe3C片。 索氏体S，是奥氏体在600650高温分解的产物，硬度约为240320HB，用高倍显微镜放大1000倍才能分辨Fe3C片。 屈氏体T，是奥氏体在550600高温分解的产物，硬度约为330400HB，用电子显微镜放大10000倍才能分辨Fe3C片。,屈氏体,索氏体,珠光体在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲。在一定热处理条件下（球化退火或高温回火），渗碳体以颗粒状分布于铁素体基底之上，即球化组织，亦叫粒状珠光体。在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲，在一定热处理条件下（球化退火或工件在高温下长期工作，珠光体会球化即球化组织，亦叫粒状珠光体。,1.3.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,薛振林 陆志春,1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能,马氏体 M： 是碳在-Fe中的过饱和固溶体。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，形成了体心正方晶格。当钢高温奥氏体化之后，若快速冷却至马氏体点以下时，由于Fe在低温下结构不稳定，便转变为Fe，但冷却速度快，钢中碳原子来不及扩散，保留了高温时母相奥氏体的成分.,钢的含碳量不同得到的马氏体形态也不同，低碳钢淬火得到的是条状马氏体，其性能较好。含碳量较大时得到的马氏体是片状马氏体，其性能较脆。,针状马氏体,板条状马氏体,它具有很高的硬度，很脆，冲击韧性低，和几乎等于零。金相组织中马氏体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。回火马氏体有较好的韧性。 由于过饱和的碳使晶格发生畸变，因此马氏体的比容较奥氏体大，钢中马氏体形成时产生很大的相变应力。 并非所有马氏体组织都是硬而脆的，例如含锰、铬、镍、钼等元素的低合金高强度钢经调质处理后的金相组织为回火低碳马氏体，这种回火低碳马氏体组织具有较高的强度和较好的韧性。,薛振林 陆志春,马氏体晶相照片,低碳条状马氏体组织金相图,高碳片状马氏体组织金相图,回火马氏体,马氏体+贝氏体+索氏体,6）贝氏体B,贝氏体是过冷奥氏体在中温区间（约250450）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物。 贝氏体形成的温度不同，组织特征也不相同。 在接近珠光体形成温度所生成的组织叫“上贝氏体”，其特征为由晶粒边界开始向晶内同一方向平行排列的Fe片，片间夹着渗碳体颗粒，在金相组织中呈羽毛可对称或不对称。 在300附近形成的组织叫“下贝氏体”，在金相组织中呈黑针状。上、下贝氏体只是形状和碳化物分布不同，没有质的区别。上贝氏体的强度小于同一温度形成的细片状珠光体，脆性也较大。下贝氏体与相同温度的回火马氏体强度相近，下贝氏体的性能优于上贝氏体，有时甚至优于回火马氏体。,上贝氏体,下贝氏体,7）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，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 。这种片状Fe与原来的奥氏体有着一定的结晶位向关系。这些在晶粒中出现的互成一定角度或彼此平行的片状，即为通常所称的亚共析钢的魏氏组织。 过热的亚共析钢在较快的冷却速度下容易产生魏氏组织。魏氏组织严重时会使钢的冲击韧性、断面收缩率下降，使钢变脆。可采用完全退火使之消除。,45#钢热处理时加热温度过高,F先共析+F针状+P,焊缝中的魏氏组织,薛振林 陆志春,1.2.5承压类特种设备常用热处理工艺,退火 1）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（随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，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。 2）目的：细化组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。,薛振林 陆志春,退火,3）工艺 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（球化退火）是将工件加热到Ac1以上3050，保温后缓慢冷却的方法，主要用于过共析钢。其主要：降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。 应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。 消除应力(消氢)退火是将工件加热到Ac1以下100200，保温后缓慢冷却使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛的方法。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。,薛振林 陆志春,各种退火工艺加热温度,Ac3,Ac1,薛振林 陆志春,正火：,1）定义： 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。 2）目的： 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。,薛振林 陆志春,正火加热温度,Ac3,Acm,薛振林 陆志春,淬火,1）定义： 将钢加热到临界温度以上（一般情况是：亚共析钢为Ac3以上3050；过共析钢为Ac1以上3050），经过适当的保温后快冷(油冷或水冷或双淬)，使奥氏体转变为马氏体的过程。 希望在650 以上缓慢冷却降低淬火热应力,650-400 之间快速冷却避开A不稳定区域,400 应该缓慢冷却减小M组织转变时的组织应力. 2）目的： A化后的工件获得尽量多的M并配以不同温度的回火获得各自需要的性能. 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。,薛振林 陆志春,淬火加热温度,700,800,900,1000,1100,1200,温度,C（%）,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0,Ac3,奥氏体+铁素体,珠光体+铁素体,珠光体+Fe3C,Acm,Ar,奥氏体,奥氏体+ Fe3C,Ac1,薛振林 陆志春,回火,1）定义： 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。 2）目的： 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温、中温和高温回火三种。,薛振林 陆志春,回火,3）低温回火： 淬火后在150-250范围内的回火称为低温回火 回火后得到的组织为回火马氏体，主要用于高碳工具； 4)中温回火： 淬火后在300-500范围内的回火称为中温回火 回火后得到的组织为回火屈氏体，主要用于模具、弹簧； 5)高温回火： 淬火后在500-650范围内的回火称为高温回火，回火后 得到的组织为回火索氏体，主要用于齿轮轴等。 淬火加高温回火的工艺又称为“调质”，调质后金属有较高的 强度，同时又有较高的塑性和冲击韧性。,薛振林 陆志春,奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理,1）定义： 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-钢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 ），以获得均匀的奥氏体组织的工艺称为固溶处理。 2）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。 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。,薛振林 陆志春,1.3承压类特种设备常用材料,制作承压类特种设备的材料的一般要求： 为保证安全性和经济性，应有足够的强度，即有较高的屈服极限和强度极限，； 应有良好的韧性，包括常温冲击韧性、低温冲击韧性和实效冲击韧性等； 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，缺陷尽可能少，不允许有裂纹和白点； 用于高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。,薛振林 陆志春,1.3.1钢的分类和命名方法,按化学成分分类,非合金钢,钢,按主要质量等级和主要性能及使用特性分类,低合金钢,合金钢,铸铁,铝合金,高碳钢,镇静钢,薛振林 陆志春,1、碳钢的分类,碳钢,按含碳量分类,按质量分类,按用途分类,低碳钢,按脱氧程度分类,中碳钢,高碳钢,普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质碳素钢,碳素结构钢,碳素工具钢,镇静钢（Z）,半镇静钢（b）,沸腾钢（F）,C0.25,0.25C 0.6,C0.6,S0.050，P0.045,S0.040，P0.040,S0.030；P0.035,制作工程结构件、机器零件，一般为低碳钢,制作各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢,浇注前作脱氧处理,脱氧程度不够充分,浇注前未作脱氧处理,薛振林 陆志春,2、碳钢的牌号及表示方法,碳素结构钢 A.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）；,薛振林 陆志春,碳素结构钢,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；,薛振林 陆志春,碳素结构钢,C.专门用途的碳素钢表示方法：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。 D.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。,20g,ZG200400,薛振林 陆志春,1.4 锅炉和压力容器用钢板 GB713-2008,GB713-2008锅炉和压力容器用钢板标准中规定了9种钢号：Q245R、 Q345R、 Q370R、18MnMoNiR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR Q245R代替20R和20g Q345R代替16MnR和16Mng 13MnNiMoR代替13MnNiMoNbR、13MnNiCrMoNbg,薛振林 陆志春,2、碳钢的牌号及表示方法,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。,T12A,薛振林 陆志春,3、合金钢的分类,合金钢,按合金元素 加入量,按用途,按钢的组织,低合金钢,按主要合金元素,中合金钢,高合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能合金钢,珠光体钢,奥氏体钢,铬镍钢,锰 钢,铬 钢,合金元素总量5,5合金元素总量 10,合金元素总量10,制造各种工程结构和机器零件,制造各种工具,具有特殊物理、化学性能,铁素体钢,马氏体钢,硅 钢,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、钼硅、钨、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等）以改善钢的性能，这一类钢称为合金钢。,薛振林 陆志春,4、合金钢的命名,（1）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）以改善钢的性能，这一类钢称为合金钢。 （2）分类 A.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510；高合金钢，合金元素总量10。 B.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。,薛振林 陆志春,2、合金钢的分类和命名,C.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。 D.按所含主要合金元素分类：可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅钢等。,薛振林 陆志春,4、合金钢的命名,（3）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。 1）牌号首部用数字表明碳含量。为区别用途，低合金钢，合金结构钢用两位数表示平均含碳量的万分比；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。 2）牌号的第二部分用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字标明。当平均含量少于1.5时不标数字；平均含量为1.52.49时，标数字2；平均含量为2.53.49时，标数字3；。 3）高级优质合金钢在牌号尾部加A，专门用途的低合金钢、合金结构钢在牌号尾部加代表用途的符号。,薛振林 陆志春,1.3.2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。 Q245(原20g20R),低碳钢,承压类特种设备常用钢材及性能,1、低碳钢用于承压类种设备的使用规定： Q235-AF钢板 用于压力容器，设计压力p0.6MPa；钢板使用温度为0250；用于壳体制造时，钢板厚度不大于12mm；不得用于易燃介质以及毒性程度为中度、高度或极度危害介质的压力容器。 Q235-A钢板 容器设计压力p1.0MPa；钢板使用温度为0350；用于壳体时，钢板厚度不大于16mm；不得用于液化石油介质及毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。 Q235-B钢板 容器设计压力p1.6MPa；钢板使用温度为0350；用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。,1.4.4承压类特种设备常用钢材及性能, Q235-C钢板 容器设计压力p2.5MPa；钢板使用温度为0400；用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。 20R（20g） 其冶炼和检验都严于一般碳素结构钢，钢中S、P含量较低，分别控制在不大于0.030%和0.035%。6-16mm厚度钢板，其抗拉强度为400-520MPa，屈服强度245MPa，延伸率25%，同时焊接性能良好。但由于强度低，一般用于制造中低压的中小型锅炉和容器。,薛振林 陆志春,1.3.2低碳钢,各种元素对钢的性能的影响： 1）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；碳素钢中其他少量元素均属无意加入，视为杂质。 2）锰：其中锰Mn若是冶炼中仅作为脱氧去硫加入的，即Mn含量0.8时，对钢的性能影响并不大，当Mn含量0.8时，属为改变性能有意加入，锰在钢中有增加强度、细化组织、提高韧性的作用； 3）硅Si若是冶炼中仅作为脱氧加入的，即Si含量0.4 时，对钢的性能影响并不大，当Si含量0.4时，属 于为改变性能有意加入，硅在钢中有增加强度、硬度、 弹性的作用，但会使钢的塑性、韧性降低。,薛振林 陆志春,1.3.2低碳钢,4）硫S、磷P都是由矿石、生铁或燃料中代入钢中的有害杂质，硫会由于低熔共晶体熔化而导致钢材沿晶界开裂的“热脆”现象,FeS严重偏析；少量磷会溶于铁素体中，由于磷原子直径远远大于铁原子，从而使铁素体晶格畸变严重致使钢塑性、韧性大大降低，特别是在低温时韧性降低会有更加严重的“冷脆”现象；P有严重偏析现象. 5）氮在钢中会形成气泡和疏松，会使低碳钢出现时效现象，即钢的强度、硬度和塑性，特别是冲击韧性在一定的时间内自发改变的现象。含氮高的低碳钢特别不耐腐蚀。 6）氧存在会使钢的强度、塑性降低，热脆现象加重，疲劳强度下降。 7）氢会引起钢的氢脆，产生裂纹、白点等缺陷、,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。低碳钢的时效有两种：热时效和应变时效， 热时效是指碳钢加热至570720然后快冷，再放置一段时间后韧性降低的现象； 应变时效是指经过冷变形（变形量超过5）的低碳钢，再加热至250350时韧性降低的现象。当钢材经过冷弯、卷边等冷变形后再进行焊接，有时会在距焊缝4050mm处出现裂纹，此即应变时效导致的结果。,薛振林 陆志春,1.3.3低合金钢,（1）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 锅炉压力容器用低合金钢牌号：有Q345R、 Q370R、18MnMoNiR、13MnNiMoR，15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR 等,合金元素对过冷奥氏体转变的影响,合金元素对C曲线的影响,除Co外，几乎所有合金元素溶入奥氏体后都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。 Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al对淬透性作用依次由强到弱。 对C曲线形状的影响,加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性。 两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强得多。,合金元素对VK影响的示意图,1.4.3钢的常用合金元素介绍,1）铬（Cr）能提高钢的淬透性和强度。具有极好的抗氧化性和耐大气腐蚀能力，是不锈钢的主加元素。铬部分溶于铁素体中，部分存在于渗碳体中，可提高渗碳体的稳定性，降低珠光体球化倾向，防止钢的石墨化。当其含量超过10%时，塑性、可焊性明显降低。 2）镍（Ni）能提高钢的淬透性和强度。改善冲击韧性和降低冷脆转变温度。镍几乎全部溶于铁素体中，不形成碳化物。和Mn一样是低温容器用钢的主加元素。,1.4.3钢的常用合金元素介绍,3）钼（Mo）能大大提高钢的淬透性和热强性，可以消除或降低钢的热脆性，改善钢在高温度下抗氢腐蚀能力，和Cr一样是耐热钢的主加元素。钼的主要不良影响是促进钢的石墨化。 4）钒（V）有较好的细化晶粒作用，对碳、氮都有很强的亲和力，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，并且显著地提高钢的常温和高温强度以及韧性。钒还能增强钢的抗氢腐蚀能力。,1.4.3钢的常用合金元素介绍,5）钛（Ti）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。钛与碳形成的化合物碳化钛（TiC）极为稳定。因此钛能细化晶粒，提高钢的强度和韧性。 6）铌（Nb）和钛相似，也是强的碳化物形成元素，当其含量大于含碳量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。由于碳化铌具有稳定、弥散的特点，可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性。,薛振林 陆志春,1.3.3低合金钢,（1）Q345R(16Mng 和16MnR)：屈服强度350Mpa左右,具有良好的力学性能，一般在热轧状态使用。对于中、厚板材可进行900920正火处理，正火后强度略有下降，但塑性、韧性、低温冲击值都显著提高。,15MnVR,15MnVg,1.4.4承压类特种设备常用钢材及性能,1