培训参考资料4 2. 核设备金属材料简介.(1,2级人员).修改7 20110310.pdf

无损检验 级培训参考资料无损检验 级培训参考资料 核设备金属材料简介核设备金属材料简介 编写 蔡全旺编写 蔡全旺 中核武汉核电运行技术股份有限公司中核武汉核电运行技术股份有限公司 2011 年 03 月 10 日 1 22 目 录 目 录 1 概述 4 1 1 工程材料一般分类 4 1 2 金属的晶体结构 4 2 钢材 4 2 1 钢和铁 4 2 2 铁碳合金状态图 4 2 3 固态铁碳合金的基本组织 5 2 4 钢的分类 6 2 5 合金元素对钢性能的影响 8 3 有色金属 8 3 1 镍基合金 8 3 2 钛合金 9 4 金属材料的性能 9 4 1 机械性能 9 4 2 辐射环境下的材料性能 11 4 3 断裂力学 11 5 钢材加工 11 5 1 铸造 11 5 2 压力加工 11 5 3 焊接 11 5 4 热处理 12 6 核设备常用金属材料 13 6 1 核设备的工作环境 13 6 2 核设备材料的性能要求 13 6 3 核设备的常用结构材料 14 7 核设备的材料缺陷和在役检查 17 7 1 制造和使中产生的缺陷 17 7 2 在役检查 21 2 22 3 22 7 3 在役检查常用国际规范 21 课后思考题 22 参考资料 22 1 概述 1 1 工程材料一般分类 工程材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 金属材料 黑色金属 有色金属 黑色金属 以铁元素为主要基体的金属或合金 如各种钢材 包括不锈钢 和铸铁 有色金属 以其它元素为主要基体的金属或合金 如铝合金 钛合金等 1 2 金属的晶体结构 物质由原子组成 原子呈有序或规则排列的物质称为晶体 原子排列不规则的物质称为非 晶体 所有固态金属和合金都是晶体 液态金属转变为固态金属的过程 就是原子由不规则排 列过渡到规则排列的结晶过程 液态金属的温度降低到一定程度时开始结晶 即不断产生晶核 并不断长大 直到所有晶 粒相连 全部变成固体 固态金属由许多小晶粒组成 晶粒间的交接称为晶界 每种金属都有一定的结晶温度 如铁的结晶温度为 1535 晶体内部原子的排列方式不同 形成不同的晶体结构 常见的晶体结构有体心立方晶格 如 铁 面心立方晶格 如 铁 等 2 钢材 2 1 钢和铁 钢和铁统称为铁碳合金 钢和铁的成分很复杂 但基本上是由铁和碳元素组成的 含碳量对钢和铁的性质有决定性的影响 含碳量增加 钢的强度将增大 但塑性和韧性将 降低 含碳量小于 0 02 的铁碳合金称为铁或纯铁 很少使用 含碳量 0 02 2 的铁碳合金一般称为钢 使用范围很广 含碳量大于 2 的铁碳合金一般称为铸铁或生铁 较常使用 含碳量大于 6 69 的铁碳合金很脆 使用价值很小 2 2 铁碳合金状态图 钢铁的特性可以用铁碳合金状态图来研究 铁碳合金状态图只研究含碳量小于 6 69 的铁 碳合金 铁碳合金状态图如下图所示 含碳量 0 02 2 的铁碳合金一般称为钢 所以我们主要研究铁碳合金状态图左边的一 部分 用以说明含碳量不同的铁碳合金的结晶过程 组织形式 承压设备常用的碳素钢含碳量 一般小于 0 25 图中 ACD 为碳钢的液态线 AECF 为碳钢的固态线 GS 线 即 A3 线 和 PSK 线 即 A1 线 为固态碳钢的相变温度 4 22 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 2 3 固态铁碳合金的基本组织 固态铁碳合金的基本组织有铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 P 1 铁素体 铁素体是碳溶于 铁中形成的固溶体 所谓固溶体 指的是组成合金的各种元素相互溶解 而形成的均匀物质 常用 F 或 表示 铁素体的溶碳能力很低 在 727 时溶碳量最大 也仅 有 0 022 性能与纯铁相近 即强度和硬度不高 但塑性和韧性良好 在 770 以下才具有铁 磁性 2 奥氏体 奥氏体是碳溶于 铁中形成的固溶体 常用 A 或 表示 奥氏体的溶碳能力较大 727 时 溶碳量为 0 77 1148 时为 2 11 在铁碳合金中 奥氏体仅存在于 727 以上的温度 无铁磁性 其硬度较低 塑性较好 5 22 3 渗碳体 渗碳体是铁和碳的化合物 符号为 Fe3C 含碳量为 6 69 其特点是熔点高 硬度很高 HB800 脆性极大 塑性和韧性几乎为零 在 217 以下具有铁磁性 4 珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物 用 P 表示 平均含碳量为 0 77 性能 介于渗碳体与铁素体之间 强度较高 硬度适中 有一定塑性 2 4 钢的分类 按照化学成分 钢材可以分为碳钢和合金钢 1 碳钢 碳钢属于非合金钢范畴 铁和碳为基本元素 还存在其它元素 碳钢指的是含碳量在 0 02 2 之间的铁碳合金 1 碳钢的分类 按含碳量不同分为 低碳钢 含碳量 0 25 低碳钢用于核电站 2 3 级设备 主蒸汽管道 安全壳衬里等 中碳钢 含碳量 0 25 0 6 高碳钢 含碳量 0 6 碳钢含的杂质有锰 硅 硫 磷 氮 氧 氢等 按质量不同分为 普通碳素钢 S 0 05 P 0 045 优质碳素钢 S 0 04 P 0 04 高级优质碳素钢 S 0 03 P 0 035 按用途不同分为 碳素结构钢 C 0 7 碳素工具钢 C 0 7 按冶炼时脱氧程度不同分为 沸腾钢 不完全脱氧 组织不致密 性能不均 镇静钢 完全脱氧 组织致密 性能均匀 成本高 2 碳钢的牌号 普通碳素结构钢 现行标准规定普通碳素结构钢的表示为 Q Q 代表 屈服限 为钢的 屈服强度值 单位 MPa 分别代表质量等级 A B 和脱氧方法 F 表示沸腾钢 b 表示 半镇静钢 Z 表示镇静钢 优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示 如 08 钢的平均含碳量为 0 08 20 钢的平均含碳量为 0 20 含 6 22 锰 Mn 量较高 0 7 1 2 的优质碳素结构钢的牌号后应附加 Mn 如 20Mn 碳素工具钢 含碳 T 量在 0 7 1 35 之间 用 T7 T8 T13 表示 数字表示平 均含碳量为千分之几 如 T7 表示平均含碳量为 0 7 钢号后加 A 表示高级碳素工具钢 如 T7A 2 合金钢 在碳钢中有目的地加入一些合金元素的钢 称为合金钢 常用合金元素有 Cr Ni Mo Ti Nb W V Si Mn 等 1 合金钢的分类 按合金元素含量不同分为低合金钢 合金元素总量 5 中合金钢 合金元素总量 5 10 和高合金钢 合金元素总量 10 按用途不同分为合金结构钢 合金工具钢和特殊性能钢 按钢的组织不同分为珠光体钢 奥氏体钢 马氏体钢 铁素体钢等 按主要合金元素不同分为 Cr 钢 Cr Ni 钢 Mn 钢 Si 钢等 低合金高强度钢是在钢中控制和添加了适量的合金元素 10 而成 使钢材具有较好 的强度 塑性和韧性 核电站的各种压力容器和螺栓常采用这种材料 2 合金钢的牌号 我国合金钢牌号按含碳量 合金元素和含量 质量级别和用途来编排 牌号的第一部分用数字表示含碳量 低合金钢 合金结构钢用两位数表示平均含碳量的万 分之几 高合金钢用一位数表示平均含碳量的千分之几 含碳量小于 0 1 时用 0 表示 含碳 量小于 0 03 时用 00 表示 牌号第二部分为合金元素 其后的数字表示含量的百分之几 含量少于 1 5 时不标数字 含量 1 5 2 49 时标 2 含量 2 5 3 49 时标 3 例 0Cr18Ni9Ti 为高合金钢 含碳量小于 0 1 含含铬量为 17 5 18 49 含镍量为 8 5 9 49 含钛量小于 1 5 12CrNi3 表示低合金钢 平均含碳量为 0 12 含铬量为 1 含 镍量为 3 左右 合金工具钢的前面数字表示含碳量 含碳量 1 不标出 含碳量 1 用千分之几表示 合金元素用百分之几表示 例 Cr12Mo C 1 Cr 为 12 左右 Mo 为 1 左右 3 不锈钢 不锈钢指含 Cr 大于 11 的合金钢 它是工业上最重要的高合金钢 1 以 Cr 为主加元素的不锈钢 铁素体不锈钢 含 Cr 12 27 含 Ni 0 5 不能经热处理硬化 但可经冷加工硬化 如 0Cr13 1Cr17 马氏体不锈钢 含 Cr 12 不含或含少量 Ni 约 2 可以经热处理硬化 获得高强度 和高硬度 如 1Cr13 2Cr13 7 22 2 以 Cr Ni 为主加元素的不锈钢 奥氏体不锈钢 含 Cr 16 18 Ni 8 又称为 18 8 不锈钢 常温下为奥氏体组 织 无铁磁性 不能经热处理硬化 可经冷加工硬化 它的耐蚀性和加工性都比前两类好 用 途最广泛 如 0Cr18Ni9 00Cr18Ni10 0Cr18Ni9Ti 等 奥氏体不锈钢是性能优良 防腐 高 强 良好的焊接性能 用途很大的钢种 常用于核电站的堆内构件 主管道 传热管等 2 5 合金元素对钢性能的影响 合金元素 Mn Si Cr Ni Ti S P C 对钢的性能有不同的影响 锰 Mn 锰具有脱氧作用 能减轻硫的有害作用 含锰量适当 能提高钢的强度和硬度 增加钢的耐磨性 减少气孔 提高焊缝的抗热裂性能 但塑性和冲击值降低 当 Mn 1 时 将增加焊缝的强度和韧性 当 Mn 1 时 则焊缝易产生裂纹和夹渣 焊接性变坏 压力容器 用碳钢中的含锰量一般在 0 35 0 65 之间 硅 Si 硅是强脱氧剂 溶入铁素体中能提高钢的强度 使焊缝致密均匀 提高钢的抗 腐蚀性和抗氧化能力 加工硬化作用强 但含量过大时易使焊缝中形成夹渣 同时降低抗弯角 度和冲击韧性 焊接性变差 压力容器用碳钢中的含硅量一般在 0 15 0 30 之间 铬 Cr 为了提高钢的耐腐蚀性能 使其在氧化介质作用下 表面形成致密的 稳定的钝化 膜 在这方面铬是最有效的合金元素 铬在奥氏体不锈钢中最低含量为 11 7 镍 Ni 镍是扩大奥氏体区的元素 将镍提高至 8 时 合金在常温下也具有奥氏体组织 除具有耐腐蚀性能外 还具有冷变形性能 焊接性能 冲击韧性 没有铁磁性等 钛 Ti 钛加入不锈钢中是为了防止晶间腐蚀 必须与碳保持一定比例 另外还要考虑到 钛与氧和氮易形成氧化物和氮化物等夹杂物 硫 S 硫是钢中的有害杂质 含硫量多时 晶界存在低熔点组成相 在热加工过程中 容易产生热裂现象 即热脆 焊接时 容易导致焊缝热裂 在焊接过程中硫易与氧化合 生成 SO2 使焊缝中产生气孔和疏松 故应限制含硫量 压力容器用碳钢中含硫量一般控制在 0 02 以下 磷 P 磷是钢中的有害杂质 能与碳化合 并析出脆性化合物 Fe3P 使钢的塑性 韧 性 特别是冲击值明显下降 在低温时尤为显著 即出现冷脆现象 磷的存在使钢的焊接性变 坏 焊接时易产生裂纹 压力容器用碳钢的含磷量一般控制在 0 03 以下 碳 C 碳是钢中的重要强化元素 含碳量增加 钢的强度和硬度提高 但塑性和韧性 降低 焊接性变坏 基于碳与铬相结合生成碳化铬 从而降低不锈钢的耐腐蚀性能 一般压力容 器用钢含碳量必须控制在 0 24 以下 3 有色金属 有色金属以铁以外的金属元素为基体 如镍基合金 钛合金 铝合金 铜合金 镍基合金和 钛合金常用于核电站 3 1 镍基合金 以前用奥氏体不锈钢制造核电站蒸汽发生器的 U 型传热管 由于发生应力腐蚀的几率高 后来改用耐应力腐蚀性能强的材料 Inconel1600 Inconel1690 等 这种合金材料含镍量很高 故 归类为镍基合金 8 22 3 2 钛合金 钛合金是以钛为基体加入其它元素组成的合金 钛合金的特点是 比强度高 抗拉强度可达 10 14MPa 而密度仅为钢的 60 热强性好 可在 450 500 的温度下长期工作 资源丰富 耐海水腐蚀 不发生应力腐蚀和接触腐蚀 大量用于核电厂凝汽器的传热管 可用 UT ECT PT 等多种 NDT 方法对其进行检测 4 金属材料的性能 4 1 机械性能 1 机械性能指标 材料的机械性能指金属材料在一定的温度条件下受到外力作用时 抵抗变形和断裂的能力 机械性能包括强度 塑性 韧性 硬度等 强度 指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力 塑性 指金属材料在外力作用下断裂前产生不可逆永久变形的能力 指标为延伸率和断 面收缩率 硬度 指金属材料抵抗局部表面损伤或硬物压入的能力 表示材料的坚硬 耐磨程度 金属的冲击韧性 指金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 除了上述的性能之外 还有金属结构的刚性与稳定性等性能 2 拉伸试验 材料的强度和塑性通过拉伸试验测定 韧性通过冲击试验测定 硬度通过硬度试验测定 低碳钢试样拉伸的应力 应变曲线如图 1 所示 从图 1 可以看出 比例极限 A 弹性极限 B 屈服强度 C 抗拉强度 极限强度 D 断裂点 E 9 22 图 1 低碳钢试样拉伸的应力 应变曲线 铁 时的拉应力作为屈服强度 图 2 高碳钢试样拉伸的应力 应变曲线 3 变为脆性 这时的温度叫做脆性转变温度 NDTT Nil Ductility Transition Tem 荷 脆性转变温度的高低也是核用金属材料的性能指标之一 高碳钢试样拉伸的应力 应变曲线如图 2 所示 随着含碳量的增加 材料的抗拉强度增大 屈服现象逐渐变得不明显 如高碳钢 铸 多数合金钢 工程上规定将其拉伸试样发生塑性伸长 0 2 脆性转变 材料的冲击韧性与试验温度有关 当温度低到一定程度时 材料的冲击韧性急剧降低 材料由塑性转 perature 脆性转变温度越低的金属 就能在越低的温度下承受冲击载 10 22 4 2 辐射环境下的材料性能 核性能 中子吸收截面 活化截面 半衰期 抗辐照性能 辐照敏感 高通量中子辐照导致强度增加 冲击韧性降低 脆性转变温度 会升高 脆化 抗腐蚀性能 辐照分解效应使 O2 H2O2的浓度提高 加快钢材腐蚀 辐照电化学效应和 分解破坏效应会加快金属材料的腐蚀速度 4 3 断裂力学 在材料力学中 假定材料是均匀的 连续的 各向同性的 设计以屈服强度或抗拉强度为 依据 然而 按这种方法设计的材料在实用中有时会发生意外断裂事故 在研究低应力脆断的 过程中 产生了另一种力学分析方法 断裂力学 断裂力学是研究带裂纹物体的强度以及裂纹扩展规律的一门科学 断裂力学建立在 缺陷理 论 的基础上 认为断裂的发生是由于材料中存在微小裂纹而引起 材料是否会发生脆性断裂 应考虑下列三个条件 1 存在足够大的缺陷 裂纹或缺口 2 存在足够大的拉伸应力 3 在足够低的温度下 材料发生脆性转变 5 钢材加工 5 1 铸造 定义 熔炼金属 制造铸型 并将熔融金属浇入铸型 凝固后获得一定形状和一定性能铸 件的方法 包括砂型铸造 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造 离心铸造是将液态 金属浇入高速旋转的铸型 在离心力作用下凝固成型的铸造方法 有些核电厂的主管道的直管 采用的就是离心铸造工艺 5 2 压力加工 定义 在外力的作用下 使金属坯料产生塑性变形 从而获得一定形状 尺寸和机械性能 的原材料 毛坯或零件的成型加工方法 包括轧制 锻造 挤压 冷拔 冲压 5 3 焊接 定义 利用加热 加压或两者兼用 用或不用填充材料 使两焊接件原子间互相扩散 从 而牢固地连在一起 形成一个整体的工艺过程 焊接在许多设备的制造中占有重要地位 焊接质量对设备的安全可靠性具有十分重要的影 响 特别是许多承压设备事故源于焊接缺陷 焊接的方法很多 按工艺特点可分为熔焊 压焊和钎焊三大类 其中 熔焊包括电弧焊 手 工电弧焊 气体保护焊 埋弧焊 等离子弧焊 气焊 电渣焊 电子束焊 激光焊等 接头形式和对接接头的坡口形式如下图所示 11 22 焊接接头的横截面可分为以下三部分 其组织和性能互不相同 焊缝区 母材和填充金属熔化后形成液态熔池 熔池凝固后形成焊缝区 一般具有较好 的力学性能 熔合区 指焊缝和母材过渡区 是裂纹等缺陷的发源地 热影响区 指未熔化但金属组织和机械性能因受热而发生变化的区域 5 4 热处理 钢的热处理指的是钢在固态下通过加热 保温和冷却 改变其内部组织 从而获得所需性 能的一种工艺方法 目前常用的热处理方法有退火 正火 淬火和回火 由于钢在固态下 随着加热温度和冷 却速度的变化 其内部组织结构将发生相应的变化 不同的组织结构 具有不同的性能 所以 热处理能改变钢的性能 退火 把钢加热到某一温度后 保温一定时间 然后缓慢冷却 以获得接近平衡状态的组织 退火是为了降低硬度 细化晶粒 提高塑性和韧性 消除内应力等 正火 正火是将钢加热到 Ac3 或 Acm 以上 30 50 保温一定时间 然后在空气中冷却 正火比 退火的冷却速度快 所获得组织比较细 强度 硬度 韧性比退火高一些 12 22 淬火 淬火是将钢材加热到 Ac3 或 Ac1 以上 30 50 保温一定的时间 然后快速冷却得到马 氏体组织 马氏体组织硬而脆 韧性差 内应力大 承压设备材料和焊缝中不希望出现 淬火的目的是提高钢的强度和硬度 增加耐磨性 与随后的回火相配合 可以获得高强度 和高韧性的综合性能 回火 回火是将淬火后的钢材加热到 A1 共析线 727 以下的某一温度 保温一段时间 然后 在空气中或油中冷却的一种热处理方法 回火的目的是降低脆性 消除内应力 稳定工件尺寸和获得所要求的机械性能 奥氏体不锈钢的稳定化处理和固溶处理 目的是提高奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能 6 核设备常用金属材料 6 1 核设备的工作环境 反应堆冷却剂系统 即一回路系统 设备的工作环境 高压 15MPa 甚至 17 1 MPa 高温 330 甚至343 强辐照 中子通量 6 1010n cm2 s 腐蚀 潮湿 疲劳 工作寿命要求有 30 年 甚至60 年 6 2 核设备材料的性能要求 1 应考虑的材料性能 1 物理性能 导热 热膨胀 熔点 晶体结构稳定 2 化学性能 化学稳定性 相容性 抗腐蚀性 包括抗应力腐蚀 晶间腐蚀和局部腐蚀 3 机械性能 强度 韧性 4 耐热性 对制造高温容器用钢的要求是 在高温条件下 具有足够的强度 稳定性和高温抗氧化 性能 高温容器用钢不宜选用碳钢 因为碳钢在 300 以上时 强度显著下降 400 900 是奥氏体不锈钢的敏化温度区间 晶间碳化物析出温度区 5 工艺性能 加工 制造 焊接等 6 核性能 7 辐照性能 8 经济性 材料来源 生产工艺 制造成本 2 选材的一般技术要求 1 化学成分 2 交货热处理状态 13 22 3 腐蚀试验 4 室温下的机械性能 5 设计温度下机械性能 即 保载 5 分钟测定残余伸长 0 2 条件下屈服强度 如有必要 时 也适用测定抗拉强度 6 在含氯离子和含氧的高温水中 应力腐蚀性能试验 6 3 核设备的常用结构材料 1 核设备的常用结构材料 低碳钢用于核电站 2 3 级设备 蒸汽管道 二回路管道 安全壳衬里等 低合金高强度钢用于核电站的各种压力容器 反应堆容器 蒸汽发生器 稳压器 主泵壳 和螺栓 奥氏体不锈钢用于堆内构件 主管道 驱动机构 热交换器传热管 牌号有 0Cr19Ni9 00Cr19Ni11 0Cr18Ni11Ti 00Cr17Ni14Mo2 美国牌号 304 304L 321 316L 等 有色金属如镍基合金 钛合金 常用于热交换器传热管 2 反应堆堆内主要部件的材料 1 核燃料组件 燃料芯块 铀合金 UO2 粉末冷压 烧结 GNPS 8 9 13 5 燃料包壳 燃料包壳材料性能要求 热中子吸收截面小 感生放射性小 半衰期短 强度好 塑韧性好 抗腐蚀性强 对晶间腐蚀 应力腐蚀和吸氢不敏感 热强性 热稳定性和抗辐照性能好 导热率高 热膨胀系数小 与材料和冷却剂相容性好 易加工 便于焊接和成本低廉 适宜作包壳用的材料 锆合金 铝合金 奥氏体不锈钢 2 控制棒吸收体 银铟铬 铪 3 中子源 锎 锑 铍 4 堆内支撑部件 奥氏体不锈钢 14 22 15 22 3 主要核设备的金属材料实例 16 22 4 核设备材料常用国际规范 IAEA 国际原子能机构 IAEA 50 C D 核电厂安全设计实施 法规 美国 ASME 锅炉和压力容器规范 第 III 卷 法国 RCC M 压水堆核电厂核岛机械部件的设计和建造规则 第 II 卷 M 卷 7 核设备的材料缺陷和在役检查 7 1 制造和使中产生的缺陷 1 制造 冶炼和加工 过程中的常见缺陷 1 铸件中常见的缺陷 气孔 缩孔 夹杂 疏松 裂纹 2 锻件中常见的缺陷 裂纹 白点 折叠和夹杂等 形成的原因主要是 裂纹 锻造或锻后热处理工艺操作不当造成应力过大引起锻件局部破裂而形成裂纹 锻 件裂纹多见于锻件表面 白点 锻件在锻后快速冷却时 过量的氢来不及逸出 产生很大的应力 引起金属破裂 形成白点 热处理时 相变应力和热应力会加速白点的形成 锻件白点常位于锻件大截面的中 心部位 成群出现 属于密集性缺陷 危害大 多见于镍钢 镍铬钢 铬钢 锰钢中 折叠 锻造时操作不当 锻件表面凸出部位或氧化皮被挤压在锻件中形成折叠 折叠位 于锻件表面或近表面 又称重皮 夹杂 冶炼 浇铸时 残留在金属中的难熔金属或非金属杂质经锻造形成片状夹杂 3 板材中常见的缺陷 钢板是由板坯轧制而成的 而板坯是由钢锭轧制或连续浇铸而成的 钢板中常见缺陷有分层 折叠 白点和裂纹等 分层是板坯中缩孔 夹渣等在轧制过程中未焊合而形成的分离层 折叠是钢板表面局部形成的互相叠合的双层金属 白点是钢板在轧制后的冷却过程中氢原子来不及扩散而形成的微小裂纹 其裂面呈白色 常见于厚度大于 40mm 的钢板中 裂纹是由于轧制变形量过大和温度不当而形成的破裂 常见于钢板的棱角处 钢板中最危险的缺陷是裂纹和白点 压力容器用钢板中不允许存在裂纹和白点 钢板中的分层 折叠一般平行于板面 4 管材中常见的缺陷 无缝钢管是通过穿孔法或高速挤压法得到的 无缝钢管中常见缺陷有折叠 夹杂 夹层和裂纹等 焊接管中常见缺陷与焊缝类似 一般为气孔 夹渣 未焊透和裂纹等 厚壁大口径管常由钢锭经锻造 轧制等工艺加工而成 常见缺陷与锻件相同 一般为白 点 重皮和裂纹等 5 焊缝的缺陷 a 焊缝中常见的缺陷及形成原因 焊缝中常见缺陷有气孔 夹渣 未焊透 未溶合和裂纹等几种 气孔是焊接熔池在高温时吸收的过量的气体或冶金反应产生的气体在冷却凝固之前来不 17 22 及逸出而残留在焊缝中所形成的空穴 夹渣是焊后残留在焊缝金属内的溶渣或非金属夹杂物 未焊透是焊缝接头根部母材未完全溶透的现象 未溶合主要是填充金属与母材或填充金属间没有溶合在一起 裂纹是在焊接过程中或焊后 在焊缝或母材的热影响区产生的局部破裂 热裂纹是在施焊时产生的 冷裂纹是焊件后冷却到一定的温度时产生的 再热裂纹是焊 件焊后再加热时产生的 b 焊缝外的常见缺陷 咬边 焊瘤 弧坑 表面气孔 裂纹等 咬边的形成及危害 咬边是在工件表面上沿焊缝边缘所形成的凹陷 咬边主要是焊接规范不当 如电流过大 电弧过长 操作不正确 如焊条角度不对 所造成的 立 横 仰焊时 容易产生咬边 咬边严重时 会产生应力集中 容易引起裂缝 并减少焊缝的面积 使工件强度降低 重要的构件 一般不允许存在咬边 气孔 夹渣 裂纹 18 22 未焊透 咬边 6 热处理出现的缺陷 a 氧化和脱碳 钢材表层氧化生成铁皮 降低硬度和抗疲劳性 b 淬火软点 加温不足 保温不足 局部冷却不足 形成软点 c 过热和过烧 温度过高 保温过久使奥氏体晶粒粗大 称为过热 使晶介熔化 称为 过烧 d 变形和开裂 淬火应力超过屈服限产生变形 超过强度限产生开裂 2 使用或运行中产生的缺陷 1 腐蚀 在使用中 应特别注意钢材的腐蚀 特别是奥氏体不锈钢的腐蚀 a 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在 450 850 的温度范围内 如焊缝及热影响区 容易产生晶间腐蚀 虽然 从外表看不出与正常钢材有什么不同 但是 在腐蚀介质作用下 晶间迅速溶解 被腐蚀的晶 间失去强度 并不断深入 完全破坏了晶粒之间的联系 晶间腐蚀在应力作用下会迅速产生晶 间断裂 19 22 例 奥氏体不锈钢焊接时 工件被加热 碳和铬会从奥氏体晶粒内部向晶界扩散 并在晶 界上生成碳化铬 一般为 Cr4C 致使晶界产生 贫铬 现象 当晶界上铬的含量下降到 13 以 下时 就失去了防腐作用 在腐蚀介质作用下 晶界会被迅速腐蚀 即产生 晶间腐蚀 防止晶间腐蚀方法 加入稳定化元素 如合金元素钛 Ti 或铌 Nb 减少形成碳化铬的可能性 将含有钛和 铌的铬镍奥氏体不锈钢加热到 850 900 保温 快冷 使碳全部固定在碳化钛和碳化铌中 以防止晶间腐蚀 这种处理称为稳定化处理 把奥氏体不锈钢加热到 1050 1100 使碳在奥 氏体中固溶 保温一定时间 然后快冷至 427 以下 使钢材具有好的韧性 耐腐蚀性和高温 性能 这种处理称为固溶处理 减少焊缝中的含碳量 可以减少和避免形成铬的碳化物 从而降低形成晶间腐蚀的倾向 超低碳 0 04 C 不锈钢晶间腐蚀的倾向非常小 工艺措施 控制在危险温度区 450 850 C 敏化区 的停留时间 防止过热 快焊快 冷 使碳来不及析出 b 奥氏体不锈钢的点腐蚀 点腐蚀是一种局部腐蚀 在含氯 离子的介质中会产生点蚀 增加 Cr Mo Ni 元素的含量 可以提高奥氏体不锈钢的抗点腐蚀性能 c 钢材的应力腐蚀 在拉应力与特定腐蚀介质的联合作用下而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀 不论塑性 材料和脆性材料都可能产生应力腐蚀 与单纯应力或单纯腐蚀引起的破坏不同 应力腐蚀可能 会在低应力或弱腐蚀性介质中发生 事先往往没有明显的变形预兆而突发脆性断裂 危害很大 产生应力腐蚀有特定的条件 即存在拉应力 外加的或残余的 与材料种类相匹配的特定 的腐蚀环境 材料本身对应力腐蚀的敏感性 应力腐蚀裂纹发生在与腐蚀介质接