金属材料基础知识

金属材料基础知识 申孝民 金属材料基础知识 一 力学性能 二 耐腐蚀性能 三 物理性能 四 工艺性能 五 热处理 六 承压类特种设备常用材料 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 引言 CompanyLogo 年产1000万吨炼油厂 引言 锡疫 四方结构的白锡在13 下转变为金刚石立方结构的灰锡 拿破仑兵败莫斯科 引言 引言 工业纯铁的结晶过程 引言 工业纯铁的显微组织 奥氏体不锈钢显微组织 引言 科技开发研究中心 引言 Al Cu合金 黄铜 引言 钢中的渗碳体 铸铁中的石墨 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 铬三种元素为黑色金属元素外 其余的金属元素均为有色金属元素 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 金属材料基本知识 金属及合金在工业上有着广泛的应用 根据不同的使用目的 不同的工作条件 对金属材料有不同的要求 金属材料的性能主要包括以下两个方面 1 使用性能 即为了保证机械零件 设备 结构件等正常工作 材料所具备的性能 包括力学性能 物理性能 化学性能等 2 工艺性能 即材料在被制成机械零件 结构件 设备的过程中 适应各种冷 热加工 如铸造 轧制 锻压 焊接 热处理 切削加工等 的性能 投入运行的加氢反应器 金属材料基本知识 一 力学性能是指在外力作用下 材料抵抗破裂和过度变形的能力 包括下列指标 强度 弹性 塑性 韧性 疲劳强度 断裂韧性 硬度等 1 强度 是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力 屈服强度 当金属材料呈现屈服现象时 在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点 GB T228 2002金属材料室温拉伸试验方法 抗拉强度指材料在外力的作用下 由开始加载到断裂时为止所能承受的最大应力 它是反映材料抵抗大量均匀塑性变形的强度指标 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 2 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 金属材料基本知识 3 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 伸长率 原始标距的伸长与原始标距 Lo 之比的百分率 断后伸长率 A 断后标距的残余伸长 Lu Lo 与原始标距 Lo 之比的百分率 断面收缩率 Z 断裂后试样横截面积的最大缩减量 Su So 与原始横截面积 So 之比的百分率 老标准 延伸率 断面收缩率 金属材料基本知识 金属材料基本知识 4 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 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 金属材料基本知识 TITANIC 沉没与船体材料的质量直接有关 金属材料基本知识 5 疲劳强度 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值 金属材料基本知识 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 6 断裂韧性 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性 断裂韧度是判断材料内部裂纹危险性的一个指标 该指标常被用在断裂力学设计中 或者用于在役压力管道的安全评定和剩余寿命的评估上 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 1943年美国T 2油轮发生断裂 北极星导弹 金属材料基本知识 7 硬度 指材料抵抗局部塑性变形的能力 现在多用压入法测定 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 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 科技开发研究中心 金属材料基本知识 二 耐腐蚀性能金属材料在特定的介质环境中 会遭受腐蚀 腐蚀不仅会造成金属的损失 更重要的是会导致金属的破坏 从而威胁到压力管道的安全 事实已证明 许多承压类特种设备的破坏都与材料的腐蚀有关 材料的选择应避免应力腐蚀的发生 因为它会带来特种设备在不可预知的情况下突然断裂 从而导致重大事故的发生 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力 以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的特种设备壁厚急剧减薄而失效 金属材料基本知识 三 物理性能材料的物理性能主要是指 密度 kg m3 导热系数 比热 熔点Tm 线膨胀系数 弹性模量E 四 工艺性能1 切削加工性能 2 可铸性 3 可锻性 它是指通过锻造等压力加工方式而成形的能力 金属材料基本知识 15000吨重型自由锻造水压机 4 可焊性 它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能 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0 25 5 热处理性能 是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性 淬透性 变形 开裂 氧化 脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等 金属材料基本知识 五 钢的热处理改善钢的性能 主要有两条途径 一是合金化二是热处理 热处理 是指将固态金属或合金加热 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 金属材料基本知识 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 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 铸造 轧制 金属材料基本知识 热处理分类 金属材料基本知识 1 退火将钢加热到高于或等于奥氏体化临界点 保温一段时间后 缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 退火目的 调整硬度 便于切削加工 适合加工的硬度为170 250HB 消除内应力 防止加工中变形 细化晶粒 为最终热处理作组织准备 真空退火炉 金属材料基本知识 正火温度 2 正火将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后 在空气中冷却的热处理工艺 一般在钢厂进行 目的在于改善热轧状态的力学性能 主要是提高塑性和韧性 对于低温用钢 通过正火可细化晶粒 达到低温韧性要求 过热 过烧 金属材料基本知识 3 淬火钢加热到临界点以上 保温后迅速冷却 以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 的目的是为获得低碳马氏体 板条马氏体 或贝氏体组织 淬火温度为Ac3 30 50 预备热处理组织为退火或正火组织 金属材料基本知识 4 回火将淬火或正火后的钢加热到相变点以下某一选定温度 并保温一段时间 然后以适当的速度冷却 以消除淬火或正火所产生的残余应力 增加钢的塑性和韧性的热处理工艺 压力管道用钢回火一般采用高温回火处理 回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体 回火贝氏体 对于正火后获得铁素体 珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火 回火脆性 指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象 回火脆化 钢制压力管道在380 570 范围内长期运行 使钢材脆化的现象 金属材料基本知识 1 第一类回火脆性又称不可逆回火脆性 是指淬火钢在250 350 回火时出现的脆性 2 第二类回火脆性又称可逆回火脆性 是指淬火钢在500 650 范围内回火后缓冷时出现的脆性 金属材料基本知识 调质钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺 压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理 可以提高钢材的强度和韧性 以更好发挥材料的潜力 稳定化处理含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850 900 加热 并保温一段时间 然后空冷 使碳充分与稳定化元素 如钛 形成碳化物 并使奥氏体晶内元素扩散均匀 从而提高抗晶间腐蚀性能的处理方法 金属材料基本知识 固溶化处理 将奥氏体不锈钢加热至1100 左右的高温并保温 使所有碳化物充分溶入奥氏体中 然后以较快的速度冷却 一般采用水冷或风冷 以获得碳化物完全固溶于奥氏体基体内均匀的单相组织 从而提高抗晶间腐蚀性和延展性的工艺方法 室温下18 18 2钢接触聚合硫酸一小时后产生的晶间裂纹 金属材料基本知识 不锈钢在腐蚀介质作用下 在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀 产生晶间腐蚀的不锈钢 当受到应力作用时 即会沿晶界断裂 强度几乎完全消失 这是不锈钢的一种最危险的破坏形式 晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区 焊缝或熔合线上 在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀 金属材料基本知识 敏化温度区不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关 1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系 当加热温度小于450 或大于850 时 不会产生晶间腐蚀 因为温度小于450 时 由于温度较低 不会形成碳化铬化合物 而当温度超过850 时 晶粒内的铬扩散能力增强 有足够的铬扩散至晶界和碳结合 不会在晶界形成贫铬区 450 850 称 敏化温度区 其中尤以650 为最危险 金属材料基本知识 过热 钢在加热时 由于温度过高 并且较长时间保温 会使晶粒长得很粗大 致使性能显著降低的现象 可通过正火或高温扩散退火等方法矫正和恢复 过烧 钢加热时加热温度比过热温度还要高 达到固相线附近时 会发生晶界开始部分熔化或氧化的现象 不能用热处理方法恢复 只能报废 压力容器用材的要求 1 保证安全性和经济性 材料应有较高的强度 2 为保证承载时不发生脆性破坏 材料应有良好的韧性 3 应有良好的加工工艺性能 包括 冷加工 焊接等等 4 所用材料应有良好的低倍组织和表面质量 分层 疏松 非金属夹杂 气孔等缺陷应尽可能少 不允许有裂纹 白点 5 高温受压元件用材 应有良好的高温特性 6 与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能 承压类特种设备常用材料 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 承压类特种设备常用材料 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 科技开发研究中心 承压类特种设备常用材料 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 科技开发研究中心 承压类特种设备常用材料 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 锻件 16Mn 20MnMo 16MnD 09MnNiD 2 25Cr 1Mo D表示低温用钢 科技开发研究中心 承压类特种设备常用材料 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