2012年第一期起重检验师(李向东教授)培训课件.doc

2012起重机检验师学习资料材料焊接无损检测专业知识（2学时）江苏省特种设备安全监督检验研究院李向东2012.08.02目 录第1部分 金属材料和热处理技术（0.5学时）第一节金属材料一、金属材料基础知识（一）物理性能（三）化学性能（四）机械性能（五）工艺性能二、金属学基础知识（一）金属的晶体结构（二）金属的结晶（三）铁碳合金结构及相图三、常用材料介绍（一）钢的分类（二）钢的牌号表示方法（三）钢中杂质对性能的影响(四)起重机新材料：第二节 热处理技术一、热处理目的和要求二、常用热处理工艺（一）退火（二）正火（三）淬火（四）回火（五）其他类型的热处理相关内容第2部分 焊接技术（1学时）第一节 焊接基础知识一、焊接的定义与分类二、常用焊接方法（一）手工电弧焊（二）埋弧自动焊 (三)二氧化碳气体保护焊三、焊接接头及常用钢材的焊接（一）焊接接头形式（二）焊接接头的组成（三）焊接接头的组织和性能（四）常用钢材的焊接第二节 焊接工艺评定一、焊接工艺评定的基本概念（一）焊接工艺评定的目的（二）焊接工艺评定的一般过程二、焊接工艺评定的规则（一）焊接工艺因素（二）焊接方法（三）焊接接头（四）填充金属（五）母材（六）母材金属和熔敷金属厚度（七）焊接电特性和焊接技术三、焊接工艺评定试验要求和结果评价（一）检验项目（二）合格标准（三）焊接工艺评定报告（四）焊接工艺文件第三节 焊接应力及变形一、焊接变形和应力的形成（一）焊接变形原理（二）焊接残余变形分类（三）焊接变形的危害性（四）焊接残余应力二、焊接变形及应力的控制措施（一）控制焊接变形的措施（二）控制焊接应力的措施第四节 焊接质量及检验一、焊接质量检验方法（一）焊缝及接头的检验方法二焊接缺陷分类（一）焊缝内部缺陷（二）表面缺陷（三）裂纹缺陷相关内容第3部分 无损检测技术（0.5学时）第一节无损检测基础一、无损检测的目的二、无损检测的定义第二节 常用无损检测技术一、射线检测（一）射线照相法的原理（二）射线检测设备（三）射线照相工艺 (四)射线的安全防护（五）射线照相法的特点二、超声波检测（一）超声波的发生及其性质（二）声速 (三)分贝（四）界面的反射和透射（五）小物体上的超声波反射 (六)超声波检测的原理（七）试块（八）超声波检测的特点三、磁粉检测（一）有关磁场的概念（二）描述磁场的几个物理量（三）铁磁材料的磁化曲线（四）磁粉检测原理（五）影响漏磁场的几个因素（六）磁粉检测设备器材（七）磁粉检测工艺要点（八）磁粉检测的特点四、渗透检测（一）渗透检测的基本原理（二）渗透检测的分类 (三)渗透检测工艺要点（四）渗透检测的特点第三节 无损检测新技术简介一、TOFD 检测技术（一）TOFD 检测方法的基本原理（二）TOFD检测方法的应用（三）TOFD系统组成（四）TOFD的特点（五）TOFD检测技术的局限性二、数字化X射线检测技术（一）数字化X射线照相检测技术分类：（二） 计算机射线照相检测（三）数字化X射线照相检测（四）DR和CR的比较与分析（五） 数字化射线检测技术的其他方法相关内容参考文献第1部分 金属材料及热处理技术（0.5学时）第一节 金属材料技术一、金属材料基础知识起重机金属结构和零部件上使用了大量的金属材料。金属材料的选择主要是根据起重机的使用工况和材料的性能。通常所指的金属材料的性能包括以下几个方面：（一）金属材料的物理性能金属的物理性能包括：比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。比重，也称相对密度，是单位体积金属的重量和同等体积水的重量比值。比重大于5的金属（如钢为7.8），称为重金属；小于5的金属（如铝为2.7），称为轻金属。熔点是金属或合金从固态转变为液态时的温度。导电性是金属导电的性能。与导电性相反的性能是电阻。银的导电性最好，若作为100，铜为94，铝为55，铁为2，钛为0.3。导热性是金属传导热量的性能。一般情况下，导电性好的金属，导热性亦好。导热系数的单位为焦/厘米秒。热膨胀性是金属受热后要胀大的性能，通常用线膨胀系数表示，单位为1/K。磁性是金属吸引铁粉的性能。所有金属都有一定的磁性，只有强弱不同之分。按磁性大小，金属可分为铁磁性和弱磁性（又称无磁性）两大类。磁性可用奥斯特（磁场强度单位）或高斯（磁感应强度单位）表示。（二）金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属抵抗各种介质（大气、水蒸汽、有害气体、酸、碱、盐等）侵蚀的能力，又称为金属的耐腐蚀性能，它与金属的化学成分、加工性质、热处理条件、组织状态以及介质和温度条件等有关。耐腐蚀性能一般用腐蚀速度（毫米/年）表示。按腐蚀原理的不同，金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。金属与介质直接发生氧化反应而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。例如锅炉受热面管子与高温烟气、水蒸汽接触的过程中，对金属的表面产生强烈的氧化作用，腐蚀的结果，铁变成铁的氧化物或氢氧化物而失去金属性质。金属抵抗氧化腐蚀的性能称为抗氧化性。金属与电解液接触，产生电流，这种腐蚀过程，称为电化学腐蚀。（三）金属材料的机械性能金属材料的机械性能是抵抗外力而不超过允许变形或不被破坏的能力，它包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳等。1强度金属材料的强度指材料抵抗外力破坏作用的最大能力。材料强度可以通过拉伸试验测出。把一定尺寸和形状的金属试样装夹在材料试验机上，如图11所示，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线，如图12所示。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的相关数据。图12所示的曲线，其纵坐标是载荷F，横坐标是伸长量L，故曲线称为F一L曲线。图中曲线是低碳钢的拉伸曲线，可以将拉伸过程分为四个阶段：(a)拉伸前（a)拉伸前(b)拉伸后图11钢的标准拉伸试棒 图12退火低碳钢的拉伸曲线（1）弹性阶段 如图12曲线的OA段。在此段若加载不超过A点的应力，卸载后试件的变形可全部消失，故A点的应力值为材料只产生弹性变形时应力的最高限，称为弹性极限，用e表示。的OA段为直线，在此段内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，该段称为线弹性阶段。（2）屈服阶段 即曲线的BC段，有微小颤动的水平线，B点称作屈服点，B点之后的一段水平线表明应力不再增加，但应变却继续增大，材料已失去抵抗继续变形的能力，在该阶段材料的变形主要是塑性变形，此时的应力称为屈服强度，用s表示，单位为MPa。有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，工程上以发生微量的塑性变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。通常在这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料屈服强度的指标。(3)强化阶段 即曲线的CD段。当变形超过屈服阶段后，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，欲使试件继续变形，必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象。材料因此得到强化，曲线的最高点D点所对应的拉力Fb是拉伸过程中试样承受的最大载荷值，相应的应力即为材料的抗拉强度，用b表示，单位为MPa。（4）颈缩阶段 即曲线的DE段。应力达到抗拉强度b后，试件的某一局部开始变细，出现所谓颈缩现象，如图12（b）所示。由于颈缩部分的横截面急剧减小，因而使试件继续变形所需的载荷也减小了，曲线明显下降，到达E点时试件被拉断。抗拉强度b、屈服强度s是评价材料强度性能的两个主要指标。一般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，所以机械设计中应采用s作为强度指标，并加上适当的安全系数。但由于抗拉强度b测定较方便，数据也较准确，所以机械设计中也经常采用b，但需使用较大的安全系数。2塑性塑性是指金属材料在载荷作用下断裂前发生永久变形的能力，通常以金属材料断裂时的最大相对塑性变形来表示，即断后伸长率（伸长率）和断面收缩率。断后伸长率可用下式确定：=( L1一L0)L0100式中：L0试件原标距长度（mm）； L1试件拉断后的标距长度（mm）；工程上常用5和10两种符号来分别表示用L。=5d和L。=10d(d为试件直径)两种不同长度试件测定的伸长率。应该注意的是同一材料的5和10是不同的，只有相同符号的伸长率才能互相比较。断面收缩率则可用下式求得：=( A0一A1)A0100式中：A0试件原始的截面积（mm2）； A1试件拉断后颈缩处的最小截面积（mm2）；由于断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能更可靠地反映材料的塑性。塑性指标具有重要意义，这是因为塑性指标较高的材料制成的受力元件不易发生脆性破坏，在破坏发生前材料会产生较大的塑性变形，与脆性材料相比有较大的安全性。伸长率和断面收缩率还表明材料在静载和缓慢拉伸状态下的韧性。在很多情况下，具有高收缩率的材料往往可承受较高的冲击吸收功。3.硬度硬度是材料抵抗局部弹性变形、塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度，此外，硬度较高的材料耐磨性较好。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。所以，硬度不仅取决于材料本身，还与硬度试验的方法和条件有关。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种。工程上常用的硬度试验方法有以下几种：（1）布氏硬度布氏硬度是把一定直径的硬质合金钢球以一定的载荷F压入被测材料的表面，在保持规定时间卸去载荷后，通过测量表面压痕直径d计算出压痕表面积A。布氏硬度值由压痕表面积A及载荷F计算得之：HB=FA。布氏硬度试验方法的优点是测量方法简便，数据准确和稳定。主要用于硬度较低的一些材料，例如经退火正火，调质处理的钢材以及铸铁，非铁金属等。布氏硬度的符号用HBS或HBW表示。HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和有色金属等。HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的材料。（2）洛氏硬度洛氏硬度是以测量压痕深度来确定硬度值的试验方法，为满足各种材料硬度的测定，压头有软、硬两种，软质压头是淬火钢球制成，适用于退火材料的硬度测定，而硬质压头为顶角是l200金钢石圆锥体，用于淬火类等较硬质材料的硬度测定。根据压头材质不同和按照总试验力的大小分成三种洛氏硬度标度，分别用HRA、HRB、HRC表示。其中HRB使用的是钢球压头，用于测量退火或正火钢以及非铁金属等；HRA和HRC使用l200金钢石圆锥体压头，用于测量淬火钢、硬质全金、渗碳层等，而HRA主要用于不适合使用HRC的场合。洛氏硬度试验方法的优点是测量操作简便，数据可直接由硬度计读出，压痕小，但准确性较差。（3）维氏硬度维氏硬度同样是采用压入法，但它采用的是将正棱角锥体金刚石压头以一定试验力F在试件表面压出正棱形压痕，测量压痕的两对角线得到平均值，从而求得压痕表面积A，以试验力F除以计算所得压痕表面积A便得到硬度值HV。维氏硬度试验方法特点是当采用较低的试验力可以使其压痕非常小，这样就可以测出很小一点区域的硬度值，甚至可以测出金相组织中不同相间的硬度值。焊接性能试验中的硬度试验就是用维氏硬度来测定焊缝，熔合线和热影响区硬度的。维氏硬度也适用于测量金属的表面硬度。（4）里氏硬度里氏硬度是一种动态硬度试验法，原理由瑞士Dr.Dietmar Leeb博士提出，结构上里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的硬度传感器（冲击测头），在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量出冲击测头距试样表面lmm处的冲击速度和反弹速度。里氏硬度值HL定义为冲击测头反弹速度VB与冲击速度VA之比，表示为：HL=1000VB/VA。里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合于现场使用，里氏硬度在测量时能即时读出，也能即时换算为布、洛、维等各种硬度值。但受受测表面粗糙度影响较大，故测试面应有金属光泽，不应有氧化皮及其它污物。（4）韧性金属材料在断裂时所吸收变形能量的能力，称为韧性。冲击韧性是评价材料在外加冲击载荷作用下断裂时所消耗能量大小的抗力指标，以冲击韧度或冲击吸收功来表示。材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功，以Ak表示，若试样断口处截面积为A0，则冲击韧度k=AkA0，试样的缺口型式有夏比U型和夏比V型两种，其冲击韧性分别用ku和kv表示。V型缺口根部半径小，对冲击更敏感，应用于对材料冲击试验要求较高时。（5）疲劳疲劳是指金属在无数次重复和交变载荷下发生损坏的现象，通常用疲劳极限来表示。疲劳实验用的较广的是弯曲疲劳，它规定在一定的循环次数下（对黑色金属为107次，对有色金属味108次）所测得的不发生破坏的最大应力作为弯曲疲劳极限（-1）。（四）金属材料的工艺性能金属的工艺性能包括：铸造性、可锻性、可焊性、淬透性、切削加工性。1铸造性它决定于液态金属的流动性、收缩性和偏析的倾向。流动性是指液态金属充满铸型的能力；收缩性是指金属凝固时的体积收缩；偏析是指凝固后的化学成分和组织的不均匀程度。铸铁有良好的铸造性。2可锻性它是指金属承受压力加工产生塑性变形的能力。黄铜在冷状态下就具有好的可锻性，钢的可锻性也较好，铸铁则几乎没有可锻性。塑性好的金属就有较好的可锻性。3可焊性它是指在一定工艺条件下获得优质焊接接头的可能性。低碳钢具有良好的的可焊性；随着含碳量的增加以及合金元素含量的增加，钢材的可焊性变坏。4淬透性它是指钢奥氏体化后，接受淬火的能力。它用淬透层的深度来表示。5切削加工性它是指接受切削加工的能力，也就是金属经过切削加工获得一定外形零件的难易程度。铸铁、铜（或铝）合金的切削加工性能比钢好。二、金属学基础知识金属是具有光泽，有良好的导电性和导热性以及良好的机械性能，并具有正的温度电阻系数的物质。可分为黑色、有色两大类，黑色金属主要指铁、锰、铬元素及合金如钢、生铁等，而有色金属指除黑色金属外的金属元素及合金。而要更深入地学习了解金属材料，就有必要学习晶体的结构。（一）金属的晶体结构物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类：内部原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，而内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体。所有的固态金属内部原子都按规则呈周期性排列结构，故它们都是晶体，而非晶体物质的典型例子是玻璃。1 晶体的特性由于晶体的这种规则的排列，造成了晶体与非晶体在某些性能上存在明显的差异。首先是晶体具有熔点，在熔点以上，晶体为液体，处于非结晶状态。在熔点以下，液体又变成晶体处于结晶状态。从晶体至液体或从液体至晶体的转变是突变的。而非金属则不然，他们从固体至液体，或从液体至固体的转变是逐渐过渡的，没有确定的熔点或凝固点，所以可以把固态非晶体看成过冷状态的液体，它只是在物理性质方面不同于通常的液体而已。晶体的另外一个特点是在不同方向上的各向异性。在不同的方向上，晶体的各种性能(导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等)都表现出或大或小的差异。2 晶格与晶胞为了直观地研究原子的排列规律，我们可以假定理想晶体中的原子都是固定不动的钢球，那么晶体即由这些钢球堆剁而成。研究表明，原子在各个方向的排列都是很规则的。由于晶格中原子的排列是周期性的，因此，可以从品格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角、表示。工业中使用的金属元素，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大部分都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。（1）体心立方晶格，如图13a。晶胞的三个棱边等长，三个轴间夹角均为900，构成立方体。除了在晶胞的八个角各有一个原子外，在中心还有一个原子。属于此类的金属有-Fe，Cr，V，Nb等：（2）面心立方晶格，如图13b。在晶胞的八个角各有一个原子，构成立方体，在立方体的六个面中心各还有一个原子。属于此类的金属有-Fe，Al，Cu，Ni等；（3）密排六方晶格，如图13c。在晶胞的十二个角各有一个原子，构成六方柱体，在上底面和下底面的中心各有一个原子外，晶胞内还有三个原子。属于此类的金属有Mg，Zn，-Ti，Cd等。图13a体心立方晶胞图13b面心立方晶胞 图13c 密排六方晶胞实际应用的金属材料，其晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，从而产生各种各样的缺陷。常见的晶格缺陷有空位，间隙原子，置换原子，位错等。晶格缺陷使材料的物理，化学性质发生改变，例如空位，间隙原子，置换原子的存在引起周围晶格畸变(图14)，其结果使金属屈服点和抗拉强度增高。而位错的存在(图15)则使金属容易塑性变形，强度降低。 图14空位及间隙原子引起畸变 图1一5 螺形位错示意图实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体，每一晶料相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，如图77所示。晶粒之间的界面称为晶界。图1一6 晶粒位向和晶界示意图（二）金属的结晶高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程，即原子由不规则的液态过渡到规则的固态过程。金属的熔炼和浇铸是这样的过程，金属在焊接时，同样在焊缝中的金属也会发生结晶。金属结晶后所形成的组织，包括了各种相的晶粒形状、大小和分布等，将极大的影响到金属的加工性能和使用性能。对于铸件和焊接件来讲，结晶过程就基本上决定了它的使用性能和使用寿命。因此，研究和控制金属的结晶过程，是提高金属力学性能和工艺性能的重点。每一种金属都有一定的结晶温度，例如铁的结晶温度为1535，铜的结晶温度为1083，这种结晶温度称为理论结晶温度或平衡结晶温度，用Tm表示，但实际上液态金属只有冷却到低于Tm以下才开始结晶，这种现象称为过冷，过冷是金属结晶的必要条件。即实际结晶温度总是低于理论结晶温度，两者之差称为过冷度。结晶过程总是从晶核开始，金属的过冷液体首先形成固态晶核，形核有两种方式，一种是均匀形核，另一种是非均匀形核,又称异质形核，工业金属材料的结晶都是非均匀形核的方式。结晶过程中，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核长大，同时液体中又不断产生新的晶核，并不断长大，直到所有的晶粒长大到相互接触，结晶即告结束。图17 金属的结晶过程示意图（三）铁碳合金结构及相图纯金属由于强度大多很低，远不能满足使用要求。因此在工业生产中广泛使用的不是纯金属，而是合金。所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。要了解合金性能优良的原因，首先要了解各合金组元彼此相互作用形成哪些合金相、它们的化学成分及晶体如何，然后才能研究组成相的形态、大小数量及分布，即组织结构，并进一步探讨其变化规律。1 相的概念组成合金最基本的、独立的物质叫做组元，简称元。通常组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。由给定的组元可以以不同的比例形成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。当不同的组元组成合金时，这些组元间由于物理和化学的互相作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。因此，相是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。2 相的晶体结构不同的相具有不同的晶体结构，虽然相的种类很多，但根据相的晶体结构特点可以将其分为两大类。一种是固溶体，另一种则是金属化合物。合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体，而该组元称为溶剂，其他的组元则称为溶质。在合金系中，组元间发生相互作用，除了彼此形成固溶体外，还可能形成一种具有金属性质的新相，即金属化合物。金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构和性质不同，一般可以用分子式来大致表示其组成。固溶体结构示意图如图18所示。固溶体的形成，使合金的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径。 a)置换固溶体 b)间隙固溶体图18 固溶体结构示意图3 铁碳合金相图通常是把钢和铸铁统称为铁碳合金，这是因为钢和铸铁的成份虽然复杂，但基本上是铁和碳两种元素组成的，即铁碳二元合金。一般将含碳0.022的铁碳合金称为钢，而含碳量大于219)，研究钢铁的有关特性，对于制订有关钢铁材料的加工工艺，分析失效原因等有重要的指导意义。为此，在铁碳合金相图中，对重要的特征点和相关线应着重理解。图19 铁碳合金相图（1）特征点钢的相图中各重要点的特性、温度值及相对应碳的质量分数w(c)见表71。表11 钢的相图中各特性点特性点温度w(c)()说 明A 1538 0纯铁的熔点B 1495 0.53包晶转变时液态合金的浓度E 1148 2.1l碳在-Fe中的最大浓度G 912 O-Fe与-FeFe纯铁的同素异晶转变点H 1495 0.09碳在-Fe中的最大溶解度J 1495 0.17包晶点N 1394 0-Fe与-Fe纯铁的同素异晶转变点P 727 0.O218碳在-Fe中的最大溶解度S 727 0.77共析点-Fe与-Fe+Fe3C转变点Q 600 0.01碳在-Fe中的溶解度（2）相关线ABC线为合金的液相线，钢加热到ABC线以上温度时将全部熔化为液态，而冷却到此线时，开始结晶出现固相。AHJE线为铁碳合金的固相线，钢加热到此线相应的温度，开始出现液相；而冷却到此线时全部变成固相。ES线是碳在奥氏体中的溶解度线，常用Acm表示。从线上可以看出，ll48时-Fe中溶解碳的质量分数最大为2.11，在727时溶解碳的质量分数为0.77。因此碳质量分数大于077的铁碳合金，自1148冷却到727的过程中，由于奥氏体溶解碳量的减少，将从奥氏体中析出渗碳体，一般称为二次渗碳体(Fe3CII)。GS线，常用A3表示，它表示碳的质量分数不同的奥氏体，冷却时奥氏体开始析出铁素体的温度线，或加热时铁素体完全转变为奥氏体的温度线。PQ线，是碳在铁素体中的溶解度线。铁素体(体积分数)在727时溶解度量最大为0.0218，600时为0.Ol，而室温时仅溶解质量分数为0.0008的碳。GP线为碳的质量分数在0.0218以下的铁碳合金，在冷却时奥氏体全部转变为铁素体的温度线；或在加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度线。铁碳合金相图，是在平衡状态下，即加热和冷却速度极为缓慢，并在要求的温度范围内保持相当长时间后得到的相图。在实际生产中，加热和冷却十分迅速，达不到平衡状态，钢常经受各种速度的快速冷却，因而出现非平衡组织，如贝氏体、马氏体等。（3）钢的组织所谓组织是指用微观金相等方法，在金属或合金内部看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。铁与碳可以形成了FeC、Fe2C、Fe3C等一系列化合物，但含碳量高的铁碳合金很脆，没有实用价值，所以铁碳合金状态图只研究含碳量小于667的部分，这部分铁碳合金系的组元是铁与渗碳体，即FeFe3C、Fe和Fe3C合金中的金相组织有以下几种： 铁素体用“F”表示，是碳溶于铁或铁中的固溶体(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)。铁素体的溶碳能力很差，在727溶碳量最大时也仅有0.022。它的强度、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。 奥氏体用“A”表示，是碳溶于铁中的固溶体，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。 渗碳体用“Fe3C”表示，是铁和碳的金属化合物，其含碳量为667。渗碳体的硬度很高，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。 珠光体用“P”表示，是由奥氏体从高温缓冷时发生共析转变所形成。其本质是层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物，它的硬度和强度较高，塑性也较好。常用的碳素钢含碳量一般低于0.25，所以研究的重点是铁碳合金相图左边的部分。现以含碳量0.2的铁碳合金来说明结晶过程：高温下的液态金属随着温度降低开始结晶到结晶点以下析出-Fe：当温度降到大约l495以下时，液相和-Fe一起转变，生成奥氏体；到达大约860以下时，开始从奥氏体中析出铁素体，在缓慢冷却过程中，铁素体在奥氏体晶界上成核并长大。随着温度的降低，从奥氏体中不断析出铁素体，当温度降到低于727时，其余奥氏体全部进行共析转变成为珠光体，而原先析出的铁素体保持不变，所以共析转变后的组织为铁素体F+珠光体P。直至温度降到室温，其显微组织没变化。三、起重机械常用材料介绍起重机械材料包括金属结构材料、零件、连接材料（如焊接材料、螺栓材料、销轴材料）等。低碳钢，低合金钢等是起重机常用的金属材料，而锻件和螺栓也有采用中碳钢的。下面介绍钢的分类，牌号以及低碳钢，低合金钢的有关特性。（一）钢的分类国家标准GBT33041991钢分类中规定，钢的分类方式分别按“化学成份分类”和“主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两部分。若按化学成份分类，钢可以分为碳素钢（非合金钢）、合金钢两大类。1按化学成份分类 碳素钢是指含碳量2.11的铁碳合金。以铁与碳为两个基本组元，此外还存在少量的其它元素，例如Mn、Si、S、P、O、N、H等，这些元素不是为了改善钢的性能而特意加入的，而是由于冶炼过程无法去除，或是由于冶炼工艺需要而加入的，这些元素在碳素钢中被称为杂质元素。按含碳量分类，碳素钢可分为低碳钢（含碳量0.25）；中碳钢（含碳量0.250.6）；高碳钢（含碳量0.6）。合金钢是在碳钢基础上特意加入了除铁和碳以外的其它合金元素元素，以改善钢的性能。通常在钢中加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、铜、铝、硅、钨、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等。按合金元素的加入量分类，合金钢可分为低合金钢（合金总量5）；中合金钢（合金总量5l0）；高合金钢（合金总量l0）。2按钢的质量分类 碳钢可分为普通碳素钢（含硫量0.050，含磷量0.045）；优质碳素钢（含硫量0.040，含磷量0.040）；高级优质碳素钢（含硫量0.030，含磷量0.035）。3按钢用途、冶炼及金相组织等分类（1）按用途分类，可分为结构钢和工具钢。结构钢主要用于制做各种工程结构件和机器零件，一般为低碳钢；工具钢主要用于制做各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。（2）按冶炼脱氧程度分类，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。钢水浇注前未作脱氧处理钢水注入锭模后，钢中的氧与碳反应，产生大量一氧化碳，引起钢液沸腾，故称沸腾钢，以符号“F”表示。沸腾钢成材率高，材料塑性好，但组织不致密，化学成分偏析大，力学性能不均匀，不适合用于重要结构；镇静钢则为完全脱氧钢，浇注时锭模内钢液平静，故称镇静钢。镇静钢材质均匀致密，强度较高，化学成分偏析小，但因冷凝时有缩孔而成材率低，成本高，由于质量好而应用广泛，以符号“Z”表示，但一般省略；半镇静钢的脱氧程度不够充分，浇注时产生轻微沸腾，用符号“b”表示。（二）钢的牌号表示方法我国钢材牌号的表示方法，是采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用。钢号中的化学元素用国际化学符号表示；钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等一般以汉语拼音的缩写字母表示；钢中主要化学元素含量(百分率质量分数)采用阿拉伯数字表示。1碳素钢GB/T700-2006碳素结构钢规定普通碳素结构钢的表示方法为：Qxxxxx，其中第一部分Q是“屈服点”的汉语拼音第一个字母大写；第二部分xxx为钢的屈服强度值(单位MPa)；第三部分x是质量等级，分为A、B、C、D4个等级，其中A级质量最低；第四部分x是脱氧方法，有F、b、z三种，其中F代表沸腾钢，b发表半镇静钢，z代表镇静钢。Q235A、Q235B、Q235C都是低碳镇静钢，质量优于Q235AF。碳素钢结构的化学成分和力学性能分别列于表1-2、表1-3。表1-2 Q235碳素结构钢的化学成分 钢号化学成分(质量分数，) C Mn Si S P不大于Q235AF 0.140.220.30.6 0.070.O5 0.45Q235A0.3O.65 0.3Q235B0.12O.20.30.70.45Q235C 0.180.35O.8 0.4 0.4表1-3 Q235碳素结构钢的力学性能屈服点MPa抗拉强度MPa伸长率()冲击吸收功钢材厚度或直径mm钢材厚度或直径mm试验温度（）Akv（J）钢号l61640406060100100l50150l61640406060100100150150Q235AF375460Q235AQ235B23522520520519518525252423222l2027Q235c027GB/T699-1999优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢平均含碳量质量的万分比，如20钢，表示钢中平均含碳量0.20。优质碳素结构钢按含锰量不同分为普通含锰量(0.350.8)和较高含锰量(0.7l.2)两组。对含锰较高的一组，牌号数字后面应附加“Mn”，以示与普通含锰量的区别，如15Mn、20Mn等。如为沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”，如08F、45F等。2合金钢我国合金钢牌号是按碳含量、合金元素种类及含量以及质量级别、用途来命名。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、耐热钢则以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。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；。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。对于低合金高强度结构钢(简称低合金高强钢)，主要用于建筑与工程结构的钢种。GB/T15911994低合金高强度结构钢规定其牌号命名不再采用化学成分命名方法，而与碳素结构钢取得一致，改用以屈服点命名，其前缀为“Q”，并与GB/T700在强度上形成系列。共有Q295A(B)、Q345A(B、C、D、E)、Q390A(B、C、D、E)、Q420A(B、C、D、E)、Q460C(D、E)5个牌号。一般以热轧、控轧、正火及正火加回火状态交货。强度级别为294490MPa的低合金高强度钢，在热轧或正火条件下供货使用，一般称为热轧或正火钢，属非热处理强化钢。热轧钢是在平均含碳量0.2的基础上加入少量合金元素，这类钢主要是靠Mn的固溶强化来保证强度，其加入的质量分数不超过1.8时仍可保持较高的韧性和塑性。固溶强化是在钢中加入Mn、Si、Mo、V、Cu等合金元素，这些元素的原子溶解于铁素体的晶格中，形成的固溶体使铁素体晶格发生畸变而强化了铁素体。溶入的原子越多，强化作用就越大，强度提高越多，但也使得材料的塑性和韧性下降。（三）钢中杂质对性能的影响除了添加上述合金元素外、钢中还含有少量硅、硫、磷以及氮、氧、氢等杂质，这些杂质对钢性能也产生影响： 锰(Mn)能溶入铁素体形成固溶体，更多的作用是作为脱氧去硫剂加入钢液中，Mn与S合成MnS，从而减少S的危害性。当Mn在碳钢中作为杂质存在时含量较少(一般小于0.8)，对钢的性能影响不大； 硅(Si)是作为脱氧剂加入钢液中的，硅能溶入铁素体，在钢中有提高强度、硬度的作用，但会使钢的塑性、韧性降低。硅作为杂质在镇静钢中含量约0.10.4在沸腾钢中约0.030.07.少量的硅对钢的性能影响并不显著。 硫(S)是由矿石，生铁和燃料中进入钢内的有害杂质。硫在铁素体中溶解度极小，在钢中主要以硫化铁形式存在。硫化铁与铁形成低熔点共晶体(熔点985)分布于晶界上，当钢材在8001200之间锻轧时，由于低熔点共晶体熔化而使钢材沿晶界开裂，这种现象称为“热脆”。硫在钢中含量有严格限制，优质钢的硫含量不应大0.035，特级优质钢的硫含量不应大0.020。 磷(P)主要来自矿石和生铁。少量的磷溶于铁素体中，可能由于其原子直径比铁大很多，造成铁素体晶格畸变严重，从而使钢的塑性和韧性大大降低，尤其在低温时，韧性降低幅度很大，这种现象称为“冷脆”。磷在钢中含量有严格限制，像优质钢含量不大于0.035。 氮(N)、氢(H)、氧(O)是钢在冶炼过程中由于与空气接触，钢液会吸收一定数量的氮和氧。而钢中氢含量的增加则是由于潮湿的炉料，浇注系统和潮湿的空气。氮、氧、氢在其中都是有害杂质。钢中含氮会形成气泡和疏松，含氮高的低碳钢特别不耐腐蚀。此外，氮的存在会使碳钢出现时效现象。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发生改变的现象。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后快速冷却，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、卷边等冷变形后再行焊接时，有时会在距焊缝4050mm处出现裂纹，此即应变时效导致的结果。而氢的存在会使钢的强度、塑性降低，热脆现象加重，疲劳强度下降，钢中溶入氢，会引起钢的氢脆，产生白点等严重缺陷。(四) 起重机新材料：采用轻金属（铝合金）或高强度钢（低合金钢）制造金属结构。用轻金属（铝合金）或高强度钢（低合金钢）制造金属结构，是节省材料、减轻自重的有效途径。国外已试制过铝合金结构的桥式起重机、龙门起重机、和轮式起重机的臂架，自重减轻了30%-60%。德国制造的铝合金箱形单主梁桥式起重机，自重比相同参数的双梁桥式起重机减轻了70%，从而减轻了厂房结构和支撑结构的载荷。我国铝资源丰富，用铝合金制造起重机金属结构，具有广阔前景。低合金高强度钢如Q345已广泛用于制造各种起重机金属结构。大吨为轮式起重机的臂架材料，目前国内外广泛采用屈服强度为6001000MPa的高强度结构钢。（五）其他材料（结合复习资料习题讲解）第二节 热处理技术一、热处理目的和要求热处理是为获得金属材料所需求性能而将其按预定的工艺参数和要求进行加热，保温及冷却的一种工艺过程，以改变其内部组织，改善材料的性能的目的。热处理的基本工艺过程由加热，保温，冷却三个阶段构成，温度和时间是影响热处理的主要因素。热处理过程是一个温度与时间的关系曲线，如图110所示为基本热处理工艺曲线图。在实际生产中，热处理过程可能是比较复杂的，要反复多次加热和冷却过程才能达到目的。根据铁碳合金相图可知，随着温度的变化，钢在固体状态下也会发生相变，其组织变化有两个过程构成，一是在加热时，钢的常温组织转变为奥氏体，而当冷却时奥氏体又分解，随冷却速度的不同，可以得到不同形态和组分的铁素体、珠光体以及其它转化物等。与低碳钢相关的固态相变温度为GS线和PSK线，分别称为A3、A1线。在实际加热和冷却时，由于存在过热和过冷现象，故在加热或冷却时钢的相变温度将分别会高于或低于上述温度线，图111所示。 图110热处理的基本工艺曲线 图111实际相变温度线二、常用热处理工艺根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、回火、淬火及化学热处理等，本节作扼要介绍。（一）退火将钢材或试件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。根据钢的成分和目的的不同，退火分为完全退火，不完全退火，消除应力退火，等温退火，球化退火等，其工艺示意如图112所示。图112 各种退火工艺示意图完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件试样加热到Ac3线以上3050，铁碳合金加热到完全奥氏体化后，缓慢冷却以获得接近平衡状态组织；而不完全退火则是加热到Ac1Ac3线之间的温度，不完全奥氏体化后缓慢冷却的退火工艺；消除应力退火，其目的是为了消除由于冷、热加工引起的残余应力。退火可降低钢或金属的硬度，细化晶粒，提高塑性。使组织均匀化并消除残余应力。（二）正火将工件试样加热到奥氏体化后，在空气中冷却的过程，称为正火。把钢件加热到Ac3以上100150的正火则称为高温正火。因正火的冷却速度高于退火，故正火后得到的珠光体组织比退火的细，一般为索氏体。正火是为了细化晶粒，提高钢的强度并兼有良好的塑性和韧性，以具备良好的综合力学性能。正火工艺简单、经济，应用也很广泛。（三）淬火将工件试样加热到Ac3以上或Ac3以上某一温度，保持一定时间后，在水、空气或油等介质中以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。淬火的目的是提高钢的强度和硬度，可以提高轴承、刃具之类的工件的强度和耐磨性能，故多用于这类机械零件或刃具的生产中。（四）回火回火是把淬火后的工件试样，重新加热到Ac1点以下的某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理过程。回火的主要目的是降低工件试样的内应力，稳定组织，提高塑性和韧性而适当降低硬度。通过调整回火温度，可获得不同硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外，回火还可稳定零件尺寸。按回火温度的不同可将回火分为低温、中温、高温回火三种。 工件试样淬火后在250内的回火称为低温回火。回火后的组织为回火马氏体，低温回火可以降低淬火工件的脆性，消除部分淬火内应力。工件试样淬火后在300500之间的回火称为中温回火。回火后的组织为回火屈氏体：主要用于模具、弹簧等。 淬火后在高于500以上的回火称为高温回火。高温回火可以显著地消除淬火内应力。回火后的组织为回火索氏体，具有一定的强度，同时又有较高的塑性和冲击韧性，即有良好的综合机械性能。淬火加高温回火的复合热处理工艺又称为调质热处理。高温回火后，材料经再结晶，内应力基本消除，其力学性能指标都有显著的提高。故许多机械零件如齿轮，曲轴，螺栓等均需经过调质处理，一些结构用的钢板也有采用调质处理的。（五）其他类型的热处理某些机械零件在复杂应力条件下工作时，表面和心部承受不同的应力状况，对它们各部分的要求也不一样。为此，除了上述的整体热处理外，还发展了表面热处理技术，其中包括只改变工件表面层组织的表面淬火工艺和既改变工件表面层组织、又改变表面化学成分的化学热处理工艺。钢的表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使工件表层获得淬火组织的热处理方法。根据工件表面加热热源的不同，钢的表面淬火有感应加热、火焰加热、电接触加热、电解液加热以及激光加热等。经过表面淬火处理的工件，具有零件表面高强度、高硬度和高耐磨性，而心部则具有一定的强度、足够的塑性和韧性。钢的化学热处理，是将工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子扩散渗入工件一定深度的表面，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、多元共渗等多种。一般可分为分解、吸附和扩散三个基本阶段。化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火更高的硬度、耐磨性和疲劳强度。其心部又具有良好的塑性、韧性和强度。【相关知识】：一、起重机械技术检验（王福棉主编）第一章/第三节/起重机常用材料P14二、起重机械检验人员考核复习参考资料（2011版）2.1.4 金属材料及热处理2.1.4.1金属材料可分为哪两类