【2017年整理】金属材料与热处理

1金属材料与热处理一、金属材料及热处理（一）硬度是指金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力。HB钢球印痕面积法2PDD（单位面积上的力）；DD2HB450时不能用布氏方法；不能测太薄的金属10H压坑深度；HRC测量淬火回火后的工件（120O金钢锥）；HRB测量较软的退火件铜、铝（1588MM钢球）；HRA测量硬度很高或硬而薄的金属，如硬质合金表面处理工件等（120O金钢锥）；B60230HB1588MMP1090KG25100HRBC230700HB10140KG2067HRCA700HB120O金钢锥1050KG70HRAHRKH/0002；H压痕深度（MM）；K常数，用钢球时为130，用金钢石时为100；0002为压痕深，每0002为洛氏硬度一度；高硬度时HRC1/10HB；HV用顶角为136O金刚石四方角锥体，根据被测工件越薄，选用越小载荷5、10、20、30、50、100、和120KG；HV18544P/D21公斤/MM2；HV可测量很薄的工件和渗碳层、氮化层、氰化层硬度。（二）强度指材料抵抗外力作用而不被破坏的一种能力。BPB/F0SPS/F002产生02永久变型量时的强度。（三）塑性指材料发生永久变形而不被破坏的一种能力伸长率断裂的长度增加量与原长度之比。（L1L0）/L0100断面收缩率拉断的横截面积减小量与试样原来横截面积之比，百分数。硬度与强度的近似关系轧制或锻钢件B（034036）HB铸钢件B（0304）HB灰口铸铁件B（HB40）/62（四）韧性指材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的一种能力。冲击韧性AKAK/F1公斤米/厘米2脆性与韧性相反，脆性材料的破坏是突然发生，没有显著变形，断口处很明亮并有金属光泽。而韧性材料的破坏都有预兆，并且断口呈灰色纤维状。如M24螺栓断裂表面呈灰色纤维状，说明有一定韧性。材料晶粒越细，AK值越高。二、热处理基础知识原子顺续排列的状态叫晶体，晶体颗粒组合在一起组织金属材料。晶粒之间的结合面叫晶界。晶粒有体心立方晶格和面心立方晶格，晶格是组成晶粒的最小单元。体心立方体晶格的8个顶点各有一个原子，中心一个原子。面心立方体晶格的8个顶点和6个平面各有一个原子。体心立方晶格组织材料较硬，抗力较大，不易锻造。如CR、W、MO、MN、V、FE（常温铁）。面心立方晶格较软，易变形如AL、CU、NI、PB、FE（奥氏体）3晶粒大小（或称粗细）会直接影响到钢材的质量，晶粒愈细小，钢材的性能越好，晶粒愈粗大，钢材的性能就愈差，特别是AK就愈低。正火、淬火温度控制就是为细化晶粒。此外，细晶粒的钢材在热处理淬火加热与冷却时，引起变形与开裂的倾向也小的多，所以细化晶粒的预先热处理是最终热处理的必备工序。具有体心立方晶格的纯铁叫FE面心立方晶格的纯铁叫FEFE和FE在910OC时发生较变；纯铁在770OC以下具有磁性，770OC以上没有磁性。三、名词1、固溶体固态下溶解有其它元素的组织叫做“固溶体”（FE和FE对C的溶解能力是大小不一样的）2、铁素体就是碳在FE中的固溶体。室温下可溶解0006的碳，723OC时可溶解达到最大值0025。3、奥氏体就是碳在FE中间隙式的固溶体。由于FE的原子间的空隙较大，723OC时可溶解碳量为08（共析钢），1130OC溶解量达到最大值2。4、渗碳体即FE3C（碳化铁），FEC31原子数比，具有复杂的晶格结构的化合物称为渗碳体，渗碳体中含碳量为667，其溶解度不随温度的变化（化合物）。熔点1600OC左右，硬度很高HB800，很耐磨，但很脆，渗碳体和铁素体混合在一起就是常用的钢材，随含碳量的增高，硬度强度增高，AK下降。加入合金元素形成合金碳化物，其硬度还会更高，如碳化钨（WC）碳化钛（TIC）等。5、珠光体珠光体是铁素体和渗碳体两者所组成的机械混合物，他存在于723OC以下，是铁素体与渗碳体一层一层交替分布着，显微镜下白亮呈片状为渗碳体中间较宽的白色间隔层为铁素体。这种组织显出珍珠表面相似的纹路和光泽，所以称珠光体。纯珠光体含碳量为08（共析钢）。粗片状铁素体加粗片状渗碳体叫珠光体，等温转变670723度HB170250（HRC024）通过热处理方法（加热到AC1线略高保温时间长）可以获得一种渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上的组织，这种组织叫做粒状（或球状）珠光体，以改善加工性能和热处理变形开裂性能。46、网状渗碳体过共析钢在ACM线以下奥氏体中析出的渗碳体分布在奥氏体晶界上或降到A1线以下渗碳体固化在珠光体晶界上即呈网状分布。7、索氏体在等温转变C形线鼻尖所得到的较细片状铁素体较细片状渗碳体叫之索氏体。等温转变温度600670OC（珠光体的一种）HB250320，HRC2432。8、屈氏体同上是珠光体的一种，更细片状铁素体更细片状渗碳体叫之为屈氏体，形成温度600550OC。HB330400（HRC3238）。珠光体、索氏体、屈氏体、都属珠光体只是粗细不同，性能上有差异。9、上贝氏体铁素体形成密集面相互平行的扁片渗碳体呈短片状断断续续地分布在铁素体片层之间，上贝氏体在显微镜下呈羽毛形态，HRC45左右，形成温度500400OC。10、下贝氏体铁素体形成针状，极为细小的渗碳体质点呈弥散状分布在针状铁素体内，呈黑色针状显微形态。HRC55左右，形成温度230400OC。11、马氏体奥氏体快速冷却不触及C形线鼻尖直接降到230OC以下（共析钢），即低于MS，FE转变为FE，碳原子全部被保留在FE中，形成一种过饱和的固溶体组织，这就是马氏体。这种转变也称非扩散形转变。马氏体金相显微组织呈针状，黑色针状物为马氏体，白色基体称为残余奥氏体。性能十分脆硬。HB可达600700（HRC6065）。淬火即可获得这种组织。硬度取决于C含量，低C钢淬不硬，含C量高于08，硬度几乎不再增加了。马氏体的转变随C含量增高而降低含碳量05时MZ约0OC，MS290OC随着含C增MS下降，C量小于08时MZ也随C而下降，09以上时MZ在100OC附近下降不大。奥氏体向马氏体的转变有一个很大的特点奥氏体不能百分之百转化为马氏体总有较少的奥氏保留下来，称保留下来的为残氏奥氏体。因奥氏体为FE面心产方晶格，比容（单位重量的体积）较小，约只有01220125，而马氏体为FE过饱和固溶体，比容较大，约有01270130，可见，在转变过程中，在马氏体形成的同时还伴随着体积的膨胀，从而会对尚未转变的奥氏体造成一内压力，合使其不易发生向马氏体的转变而被保留下来。MSMZ点越低剩余奥氏体量也就越多。12、过冷奥氏体低于A1线温度状态下存在的奥氏体，C形曲线鼻尖温度处的过冷奥氏体最不稳定，最容易发生分解。13、晶粒度晶粒度就是用来表示晶粒大小的尺度，共分为8级冶金部规定标准测定方法将制成的试样在放大100倍的显微镜下观察与标准晶粒度作比较以确定实际晶粒的大小。凡在14级者为粗晶粒钢，58级者为细晶粒钢。粗晶粒钢温度、韧性等变坏，所以热处理时加热温度不能过高，时间不能过长，防止晶粒过大。5第二讲14退火就是将钢加热到AC3线（过共析钢为A1线）以上，保温一定时间为工件厚度（）小时，合金钢（）小时，随炉冷却，得到铁素体加珠M25M20光体（亚共析），珠光体（共析钢），渗碳体加珠光体（过共析钢）的方法，降低硬度，提高塑性，改善压力和切削性能。15、正火就是将钢加热到AC3线和ACM以上3050OC，保温后出炉空冷，分别得到铁素体加索氏体、索氏体，有细化晶粒、调整组织、削除前道铸造、锻造冷加工产生的缺陷，作为预先热处理作用。提高钢材加工性能（最好HB200250时）提高加工面光洁度，不粘刀，加工表面光滑。比如管路密封胶圈结合面，O型圈沟槽，缸、泵接口平面。16、等温退火钢加热到AC3以上3050OC,保温后较快冷却到略低于AR1的温度（或转入略低于AR1的炉中）在此温度下奥氏体金部转变完成，主要用于合金钢退火。17、球化退火目的在于过共析钢得到球状珠光体，便于加工，也是热处理的前处理。球化退火的工艺是加热到温度略高于AC1以上1020OC，保温后缓慢冷却到略低于AR1的温度并停留一段时间，使组织转变全部完成，然后冷至500OC以下再空冷。加热温度超过AC1越高，则冷却以后得到的片状珠光体会愈多。若超过ACM时，则冷却下来所得到的全部为片状珠光体。球化退火所以能形成球状珠光体，是因为钢在加热到略高于AC1时呈现一不均匀的组织。即除了奥氏体的浓度不均匀外，还有大量未溶解的渗碳体存在。其中片状渗碳体在较长时间的保温过程中会自发地趋于球状（因后者最为稳定）。当钢随后冷却下来时，由奥氏体分解而形成的FE3C也逐渐球状化因而最终便获得在铁素体基体上分布着许多颗粒状渗碳体，这就是球状珠光体。18、低温退火为消除铸、锻、焊接、切削冷冲压过程的内应力，缓慢速度加热到6500650OC，经适当保温，再缓冷下来的过程，又叫去应力退火。钢的显微组织不发生改变。19、淬火将钢加热到AC3线或AC1线上3050OC，保温一段时间（均匀化）快速冷却下来，以得到高硬度马氏体组织的方法。细晶粒奥氏体得到细晶粒马氏体组织。过共析钢有网状FE3C时，应先正火细化晶粒再淬火。合金钢加热温度相对较高。20、显微裂纹工件淬火后得到马氏体组织，此时的组织中存在着极大的内应力，如果不及时回火，则会由于淬火应力的作用容易在工件内部产生显微裂纹，严重时会导致工件的脆性增大而开裂。21、回火工件淬火后一般都要进行回火，淬火后得到马氏体性能很脆，并存在很大应力，不及时予以回火，时间久了可能会引起工件发生开裂，回火就是将淬火后的工件重新加热到A1以下某温度保温一段时间，然后取出工件以一定的方式冷却下来。22、回火马氏体（低温回火）马氏体是一种过饱和FE固溶体，从室温加热到300OC左右，随着升温原子活力增加，C原子开始以某种碳化物的形式从马氏体中析出，因温度不高，析出的碳化物未全部脱离原马氏体组织，仍处在一定的过饱和状态，这种组织称为回火马氏体。对硬度影响不大，但内应力清除了一部分。23、第一类回火脆性马氏体中C的过饱和度大时，淬火后内存较多的残余奥氏体，大约在250350OC时，残余奥氏体也发生向较为稳定的回火马氏体转变，转变的结果可使硬度有增加（12HRC），这种现象在高碳钢中尤为明显，与此同时冲击韧性却略有下降，7称为第一类回火脆性。24、第二类回火脆性主要发生在合金钢450650OC含CR、NI、MN、SI等在此温度回火后进行缓冷时，有极其细小的片状硬脆物。如碳化物、氮化物、或磷化物沿铁素体晶界析出所致。快速冷却会使溶于铁素体中的硬脆物来不及析出。随温度升高，K提高是因所析出的化合物球化的结果。我们常用的40CR有二类回火脆性的倾向，一般谈到回火脆性主要指第二类回火脆性。生产中防止回火脆性的方法主要有回火后进行快速冷却（油或水冷）为消除重新产生的热应力，则在回火后可再进行一次温度低于发生回火脆性温度的补充回火。加入少量防止回火脆性的合金元素MO和W等。25、中温回火屈氏体将马氏体回热到300400OC左右，过饱和的C原子析出与铁原子结合生成颗粒状碳化物，马氏体组织中碳浓度减少，晶格改组转变成铁素体组织，形成由极细小的颗粒状渗碳体分布在铁素体基体上这种机械混合物称之为回火屈氏体。26、高温回火索氏体马氏体加热到400650OC左右细小FE3C颗粒聚集成较大颗粒（自发合并长大）得到较大渗碳体与铁素体所组成的机械化合物。这种组织叫回火索氏体，强度、硬度降低，塑性、韧性增加。与正火索氏体相比，渗碳体呈球状而不是呈片状。27、魏氏体组织铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢材的塑性和韧性大大下降（FE从P中析出时未形成清晰的晶界，冷却凝固成的组织）28、莱氏体YAFE3CLPFE3CFE3C29、一次渗碳体FE3C过共析钢从液体转变为AFE3C时的FE3C叫一次渗碳体。30、二次渗碳体FE3C随温度降低，从A中析出的FE3C叫8二次渗碳体FE3C。31、三次渗碳体FE3C含碳量小于002的铁素体，温度降到PQ线以下时，析出的渗碳体叫三次渗碳体FE3C32、淬透性材料淬火能够得到淬透层深度的能力称为“淬透性”，与化学成分和尺寸有关。33、淬透深度是指由钢的表面测量到马氏体占50，珠光体占50的组织深度。34、淬硬性钢经过淬火后得到的最大硬度值，含C越高淬硬性越大，反之越小。一、钢的加热与冷却基本组织（一）加热温度与奥氏体的晶粒度当共析钢加热到AC1亚共析钢加热到AC3，过共析钢加热到ACM线以上不多时，便产生了室温时的珠光体，全部转变成为奥氏体组织，此时钢形成的奥氏体的起始晶粒是很细小的，它与转变前原来珠光体组织晶粒的大小无关，如果此时的细晶粒的奥氏体再冷却下来，则所得到的转变产物珠光体，索氏体、屈氏体或马氏体的晶粒也必须是细小的，这就是说，高温奥氏体（高于转变线温度的A）晶粒的大小，决定了转变的产物的晶粒的大小，而与以后工件的水冷、油冷、空冷的等方式无关；对得到什么金相组织与冷却速度，冷却相变温度有关。亚共析钢和过共析钢在加热到AC1以上不多时，室温时的珠光体全部转化为细小晶粒的奥氏体A。与共析钢不同的是在AC1以上继续加热时，亚共析钢铁素体和过共析钢中的渗碳体FE3C逐步溶解到奥氏体组织去，不过溶解过程并不影响奥氏体A晶粒的大小，直到AC3以上不多时，FE和FE3C全部溶入A中，A仍能保持细小的晶粒，所以热处理加热温度均为AC1或AC3以上3050。当加热温度继续升了，经过AC3或ACM以上很多时，及保温时的不恰当延长，均会促使奥氏体A晶粒的长大，这种“长大”经过是靠大晶粒吞并（或聚集）小晶粒来实现的，粗大的A晶粒在以后冷却下来时会得到是粗大晶粒的转变产物，从而使钢的性能，特别是K值显著下降，引起淬火9过程中变型与开裂倾向也增大，这种由于加热温度过高，引起A晶粒粗大的现象称为“过热”，一旦产生这种情况，可采用重新退火或正火，控制最高加热温度加M消除；若加热温度更高（接近于固相线AE线）这时不只是晶粒的粗大，而且还会造成A体晶粒边界严重氧化和低熔点组成物的溶化。（如FES熔点985），破坏了晶粒间的相互联系，以致使工件报废，这种现象称作“过烧”或叫“烧毁”。钢材的晶粒度分为18级YB2764。规定，加热到930奥氏体的晶粒度分线，测定方法是将制成试样在放大100倍的显微镜下观察，并与标准晶粒度做比较，以确定A氏体实际晶粒大小，因A晶粒度决定了室温组织的晶粒度，所以以室温样块作对照；有两种分发一可认为13级为粗晶粒，46级为中等晶粒，78级为细晶粒，在评定钢材时一般加热到930时，具有14级晶粒的称为“本质粗晶粒钢”而58级晶粒度的称为本质细晶粒钢，增加合金元素可以调整同种加热温度的钢材晶粒度。（二）碳及合金元素对加热转变的影响在加热亚共析或过共析钢时，其奥氏体的形成过程是在珠光体P转变成A的还有铁素体FE或二次渗碳体继续向A转变或溶解的过程。合金元素对奥氏体形成的影响，大致归纳为如下两点（1）除个别合金元素如MN、NI造成临界点降低处，TIMO、W、SICR由强至弱，均在不同程度上提高了钢的临界点AC1、AC3、ACM。（2）除CO等外，大多数合金元素都会减慢碳在A中的扩散速度也较小，所以温度较高外必须进行较长的保温时间，或采取二次加热。（3）碳及合金元素对A晶粒的影响A、共析钢加热时A晶粒最易长大。B、过共析钢加热到AC1以上不太高时由于大量二次FE3CII的存在，可以得到比较细的晶粒。C、各种合金钢中，除了个别合金元素如MN、P等外，大多数合金元素使钢不同程度的细化，尤其是强烈形成碳化物的元素TI、V、AL、NB、W、MO、CR由强到弱，均能阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，原因是合金元素在钢中形成难于溶解于A的碳化物及氮化物分布在A的晶界上，会阻止A晶粒长大，影响较弱的元素SI和NI，只有MN元素起到促进奥氏体晶粒长大，TI、V、AL常作为细化晶粒元素加入钢中，减少加热时的过热倾向。因此，合金钢淬火加热温度稍高，仍可获得细晶粒奥氏体，只有锰钢热敏感性较大，应选择较低的淬火加热温度。（三）钢在高温A状态冷却转变（1）铁碳图、C形线、自热冷却转变的几个图表。10铁碳合金平衡图11FE体心立方晶格13901534C01以下FE面心立方晶格9101390FE体心立方晶格910以下实际加热临界点实际冷却临界点A3亚共析钢A转变线AC3AR3ACM过共析钢A转变线ACCMARCMA1珠光体A转变线AC1AR112代号P珠光体、S索氏体、T屈氏体、B贝氏体、M马氏体、F铁素体、FE3C渗碳体、A奥氏体、Y液体、L莱氏体、FE高温铁素体、FE中温铁素体。FE低温铁素体。13M马氏体叫过饱和FE固溶体M体积大，A体积小（同质量），AM，体积膨胀，因此过冷A可能出现残余A，是个不稳定，造成内应力开裂、变形、硬度低等。珠光体和残余A含量反应热处理水平。消除残余A，采取冷处理5080，再做一次回火处理消除残A。高碳钢，淬火560，回火三次，每次保温1小时，应能消除残A。随碳量增加，饱和度增加，M硬度增加14（2）碳在钢中含量对C形成形状位置的影响与共析钢比较，亚共析和过共析钢，都会造成A稳定性变差，即在含C量高于08或低于08范围的材料，C形线发生左移，在A向P转变前还分别有下贝氏体和渗碳体析出，析出量过冷量的增加而减少。合金元素对A分解有推迟作用，使C曲线右移，故合金钢采用油淬，空气淬火，一些碳化物元素，如CR、MO、W、V还会使C曲线形状发生改变使AP，AB分开。C曲线除受A成分影响外还同A的晶粒度、均匀度及不溶于A的质点有关，A晶粒越大，C形曲线右移，成分越均匀，越难分解，也会右移。凡不溶于A的质点（如碳化物、氮化物）越多，A发生分解时成为天然核心，使C左移，即加热温度愈高，A成分愈均匀，晶粒越大，碳化物溶入奥氏体中量就愈多，使A稳定性增加，结果使C曲线右移，只有当合金碳化物溶入奥氏体时，才能减慢A分解速度，如果在A的晶界未被溶入，反而会加快奥氏体分解速度，使C曲线左移。（3）合金元素对M点的影响除AL、CO外，A中的合金元素都会使M点降低，依次MN、MO、CR、NI、CU对M点降的越厉害，测淬火后残余A量也就越多。合金元素对马氏体开始转变温度MS点的影响15合金元素对残余奥氏体量的影响（4）合金元素对回火的影响合金钢的回火稳定性比相应的C钢来的好，其原因在于回火时，合金元素不仅自动扩散速度较慢，还起到了阻碍碳原子从马氏体中析出和阻碍碳化物聚集的缘故。各种合金元素对材料强度、塑性、高温强度、过热倾向、淬透性、回火稳定性、回火脆性的影响。（5）钢在回火中的组织与性能的变化马氏体分解淬火M是过饱和固溶体，20150回火时，M内部不断析出细小碳化物，从而使碳化物周围局部区域的M的含碳量下降在150350时，M的含碳量继续下降，直到350时，M分解结束，固溶体中含碳量接近于正常的饱和状态，内应力减少大为下降。残余A的转变，残余A在200300回火分解为过饱和的固溶体碳化物，过饱和的固溶体的含碳量与回火至同样温度的M一样。碳化物为薄片状，以后在继续加热时，渗碳体将逐渐球化。碳化物的形成和长大，实验证明，在350以下回火时，由马氏体中最初分解出的碳化物并非渗碳体（是什么），而是一种呈薄片状的极不稳定的铁碳化合物，随温度的升高，将转变为颗粒状的比较稳定的渗碳体，温度继续上升，渗碳体颗粒不断聚集长大。性能的温升变化200以上时硬度内应力KB300左右时，B随硬度而下降，而K，650左右时，和K达到最大值，650较多时，和K因晶粒的粗化而有所降低。16合金钢碳钢中特意加入一些合金元素的钢，常用的合金元素铬CR、锰MN、硅SI、铝AL、硼B、钨W、钼MO、钒V、钛TI、铌NB锆ZR和稀土元素RE等。合金钢分三大类1、合金结构钢；2、合金工具钢；3、特殊性能钢（一）合金结构钢合金结构钢是在碳钢的基础上适当地加入一种或树种合金元素，如CR、MN、SI、NI、MO、V、TI等，使之具有好的强度，足够地韧性和好的淬透性，好地回火稳定性，奥氏体稳定性。合金结构钢分类1、普通低合金结构钢（含碳量低）含碳量在010025之间的并含有少量多元合金元素（SI、MN、CU、NI、NB、RE）的低碳结构钢，主要用于焊接铆合结构。如16MN、09M2、16MNCU、15MNTI、15MNV、10MNSICU等。2、机械制造结构钢A、渗碳钢含碳量015025之间，主要有15、20、20CR、20CRMNTI、20CRMNMO、20MOB、25MNTIB、12CRNI3A、20CR2NI4A、18CR2NI4WA。经渗碳淬火及低温回火，用于表面耐磨的受力件，如齿轮花键轴等。B、调质钢含碳量在02505之间，主要用于淬火加高温回火（调质），高强度高韧性零件，也有为到达更高的强度采用淬火加中温或低温回火的。常用材料1740、45、45MN2、40CR、35CRMO、40CRMNMO、40MNB、40MNVB、40CRNIMOA、38CRMOALA。注意防止二类回火脆性的回火冷却方法和次数、C、弹簧钢含碳量在060070之间，经淬火和中温回火的弹性零件，常用材料65、65MN、60SI2MN、70SI3MNA、50CRVA、60SI2CRVA、65SI2MNWA、55SIMNMOVNB、55SIMNMOV。D、轴承钢含碳量在095110之间，经淬火加低温回火使用的轴承件，主要有GCR9、GCR15、GCR15SIMN、GMNMOVRE、GSIMNV、GSIMNMOV。合金钢编号方法数字化学元素数字化学元素数字合金元素含量小于15时，只标元素，不标明含量（数值），如果平均含量等于或大于15、25、35则相应也以2、3、4等表示。若含硫、磷量较低（S002P003）的高级优质钢，在钢号后加“A”或“高”。工具钢的编号方法1、合金工具含碳量平均含量C1，不标出，C20。且与普结钢有更低的冷淬临界温度。一般规定要求在40。C时的AK不低于室温的50。可焊性好，0。C以上时一般不用预热，因加入MN、SI等元素，主要是起到对铁素体的固溶强化及细化晶粒等作用，为了提高耐蚀性能，还加入了适量的铜（0205）和钢的平均含碳量（万分之几）合金元素符号合金元素符号（百分之几）18磷（005010）。低碳结构钢大多在正火状态下使用，他们在正火状态下的组织应为铁素体索氏体。（三）渗碳钢为得到高的表面硬度和耐磨性，而心部要求有较高的强度和适当的韧性AK值，在结构钢中加入一定量的合金元素，如CR、MN、NI、MO、W、TI、B等，其中CR、MN、NI所起的主要作用是增加合金渗碳钢淬透性，并使淬火和低温回火后表面和心部组织得到强化，其余如MO、W、TI、B等合金元素在合金渗碳钢中含量一般是少的，B的含量是极微量的，仅为00010004。MO、W、TI所起的作用是形成稳定的合金碳化物，阻碍A晶粒长大，并使钢在淬火和低温回火后表层和心部组织强化，特别是增加表层的耐磨性，微量的B能强烈的增加合金渗碳钢的淬透性。心部为低碳淬火组织，保证了高的AK和足够的强度B，表层含碳085105，经淬火后硬度高达HRC60，有良好的耐磨性。如齿轮常用材料20CRMNTI（原18CRMNTI），锻造后950970正火，硬度为HB170210，加工性能良好，930940渗碳68小时，预冷870880时油淬后160200低温回火，23小时，强度、韧性、塑性都有升高，表面硬度HRC5860，心部硬度HRC3545，表面得到回火马氏体，残A和碳化物，心部为铁素体PT低碳回火M，B100公斤/2，50，AK80公斤米/2，200回火强度最高。（四）调质钢调质钢主要用于受力情况复杂的重要零部件，最为良好的机械性能，既强又韧，调质钢的含碳量一般在025050之间，碳素调质钢的含碳量应控制在050以下，而合金调质钢的含碳量025以上。19合金调质钢中主要的合金元素又CR、NI、MN、SI，主要作用是增加淬透性，调质后内部组织为回火索式体（实际上这些元素大多溶入铁素体中，使铁素体得到强化，与渗碳钢心部组织相似），其余MO、V、B等元素，他们在合金调质钢中很少，B的含量极微（与合金渗碳钢相同），MO所起的主要作用是防止二类回火脆性现象（与合金渗碳钢有区别），而V所起的主要做用是阻碍高温A晶粒长大，AL是加速钢的氮化，细化晶粒（为什么）。微量的B能强烈的使C行曲线向右移动，从而显著增加钢的淬透性。即滞后开始转变时间，对对结束时间影响不大。注意1、调质回火后，要使得回火索氏体不允许有块状铁素体出现，否则会降低强度和韧性；2、回火保温后要注意二类回火脆性，可以用水冷或油冷，甚至再去应力回火，对于大截面件内部快速冷却越过500650是困难的，普遍加入抑制二类回火脆性的合金元素，最有效的是MO和W，MO在钢中的含量0304；W0812。3、调质钢也可在中低温回火下使用，金相为回火屈式体或回火马氏体，用于高强度的工具耐磨件。（五）弹簧钢含碳0609高的S/BSI、MN作为主合金，强化铁素体，SI、MN热处理易于石墨化加入少量W、V、CR碳化物形成元素来防止。D10或热成形弹簧，淬火加中温回火，获回火屈氏体T，中温回火温度350520淬火温度一般不超过900，防止过热（锰）和脱碳（SI有促进脱碳作用），表面喷丸强化，表层增加残余压应力，寿命提高56倍。（六）轴承钢锻造球化退火HB10，含锰1310001100，碳化物能全部溶到A中，淬水冷却，碳化物析不出，形成单A，HB180220，冲击下HB450550耐磨，必须全部获得全部A组织，才表现最良好的韧性和抗磨性，但必须是冲击使用状态，表面硬化现象。合金元素在钢中的作用一、合金元素对钢的强度、硬度、冲击强度的影响。合金元素在钢中，以原子固溶体状态（A、F、M）引起晶格变形强化，主要发生在弱碳化元素MN、CR、MO、W外围电子数量多，靠近碳的弱碱金属。和强碳化物形成元素如V、TI、NB、ZR外层电子较少，强碱金属与碳合力较强在缺少碳的情况下才不能溶入固溶体。碳化物在高温时能够溶入A,弱碳化物在较低温度下就开始溶入A，强碳化物溶入A的温度高，如VC只有在950时才开始溶入A，碳化物本身一般都具有硬而脆的特性，强碳化物尤其严重，钢中存在碳化物时能够提高硬度，可是并不一定增加脆性，只有当有粗大、网状或带状碳化物存在，在提高硬度的同时，K会降低。合金钢中碳化物，在最终热处理后大多呈细晶粒均有分布，在铁素体基础上（回火S、回火T的基本都是铁素体）不会降低K，还能强化铁素体（固溶晶格变形强化）提高钢的强度。22在合金工具钢中，碳化物呈颗粒状均有分布在M基体上，碳化物提高了硬度、耐磨性而脆性并没有增加。所有合金P、SI、MN、NI、MO、V、W、CR含量增加HB，1以下时NI、CR、MN、K，MO、W、SI、K。二、合金元素对热处理的影响（一）对本质晶粒度的影响除MN外，几乎所有合金元素都能细化A晶粒，最强烈的是碳化物形成元素，从弱到强的排列顺序是CR、MO、V、TI、NB、ZR等，越容易缺电子的元素，细化能力越强，碳化物形成元素SI、NI、CO等影响较小，（FE的右侧）但AI特殊，它能强烈细化晶粒，往往加入少量V、TI、NB强碳化物元素或加入AI脱氧，或用VTIAI混合脱氧、细化作用更强，（铸钢件）合金中有MN往往容易过热，晶粒变大，加入强碳化物元素形成碳化物很稳定，高温稳定性，不易分解和溶入A晶粒，在A晶界阻碍A晶粒长大，如20CRMNTI中的TI，渗碳体在930950的高温进行长时间加热，而MN又是促进A长大元素，TI的碳化物分布在晶界上阻止A长大，使晶粒细化，渗碳后不需正火可直接淬火。（二）对淬透性的影响除CO外，所有溶入A的合金元素都能提高淬透性（50M厚度）。如SI、MN、NI、MO、W、V、B、TI、CR等。他们溶入A内，提高A的稳定性，减慢A分解速度，使C曲线右移，只有当他溶于A中才有作用。如未溶入只在A晶界（温度低、时间短）将加快分解，使C曲线左移。CO使C曲线左移的元素，他降低了钢的淬透性。V、TI、NB和部分W，很难完全溶于A。造成C曲线左移，如果提高淬火温度，这些元素的碳化物深入A，则显著增加淬透性。B的作用非常强烈，仅仅0。0010。004的B，就能使钢的淬透性显著增加。（三）对残A的影响马氏体MS越低MZ也越低，与冷却速度无关，与A成分有关，与淬透性有对应关系的是CO，是降低淬透性元素，同时提高MS和MZ能减少残余A。其它合金增大A稳定性，提高淬透性，另一方面又都降低MS和MZ。AL和CO与其它元素相反，能升高MS和MZ，减少残A。AL能增强细化晶粒度和降低残A，但对淬透性有何影响尚不知晓。铝不能单原子存在也不与碳化合，不能与淬透性元影响（不明显）。（四）对回火稳定性的影响23回火时对马氏体分解和回火软化的推迟作用，影响显著合金有V、W、TI、CR、MO、CO、SI影响不明显的有AL、MN、NI，要达到内一回火硬度时，合金钢的回火温度比碳钢高，时间比碳钢长，内应力小，K比碳钢高。（五）合金元素对回火脆性的影响含CR、MN、NI的钢对第二类回火脆性最敏感，MO、W能减少这种敏感性，因此大截面工件选用含MO、W的钢，避免二类回火脆性。24电厂分散控制系统故障分析与处理作者单位摘要归纳、分析了电厂DCS系统出现的故障原因，对故障处理的过程及注意事项进行了说明。为提高分散控制系统可靠性，从管理角度提出了一些预防措施建议，供参考。关键词DCS故障统计分析预防措施随着机组增多、容量增加和老机组自动化化改造的完成，分散控制系统以其系统和网络结构的先进性、控制软件功能的灵活性、人机接口系统的直观性、工程设计和维护的方便性以及通讯系统的开放性等特点，在电力生产过程中得到了广泛应用，其功能在DAS、MCS、BMS、SCS、DEH系统成功应用的基础上，正逐步向MEH、BPC、ETS和ECS方向扩展。但与此同时，分散控制系统对机组安全经济运行的影响也在逐渐增加；因此如何提高分散控制系统的可靠性和故障后迅速判断原因的能力，对机组的安全经济运行至关重要。本文通过对浙江电网机组分散控制系统运行中发生的几个比较典型故障案例的分析处理，归纳出提高分散系统的可靠性的几点建议，供同行参考。1考核故障统计浙江省电力行业所属机组，目前在线运行的分散控制系统，有TELEPERMME、MOD300，INFI90，NETWORK6000，MACS和MACS，XDPS400，A/I。DEH有TOSAMAPGS/C800，DEHIIIA等系统。笔者根据各电厂安全简报记载，将近几年因分散控制系统异常而引起的机组故障次数及定性统计于表1表1热工考核故障定性统计2热工考核故障原因分析与处理根据表1统计，结合笔者参加现场事故原因分析查找过程了解到的情况，下面将分散控制系统异常（浙江省电力行业范围内）而引起上述机组设备二类及以上故障中的典型案例分类浅析如下21测量模件故障典型案例分析25测量模件“异常”引起的机组跳炉、跳机故障占故障比例较高，但相对来讲故障原因的分析查找和处理比较容易，根据故障现象、故障首出信号和SOE记录，通过分析判断和试验，通常能较快的查出“异常”模件。这种“异常”模件有硬性故障和软性故障二种，硬性故障只能通过更换有问题模件，才能恢复该系统正常运行；而软性故障通过对模件复位或初始化，系统一般能恢复正常。比较典型的案例有三种（1）未冗余配置的输入/输出信号模件异常引起机组故障。如有台130MW机组正常运行中突然跳机，故障首出信号为“轴向位移大”，经现场检查，跳机前后有关参数均无异常，轴向位移实际运行中未达到报警值保护动作值，本特利装置也未发讯，但LPC模件却有报警且发出了跳机指令。因此分析判断跳机原因为DEH主保护中的LPC模件故障引起，更换LPC模件后没有再发生类似故障。另一台600MW机组，运行中汽机备用盘上“汽机轴承振动高”、“汽机跳闸”报警，同时汽机高、中压主汽门和调门关闭，发电机逆功率保护动作跳闸；随即高低压旁路快开，磨煤机B跳闸，锅炉因“汽包水位低低”MFT。经查原因系1高压调门因阀位变送器和控制模件异常，使调门出现大幅度晃动直至故障全关，过程中引起1轴承振动高高保护动作跳机。更换1高压调门阀位控制卡和阀位变送器后，机组启动并网，恢复正常运行。（2）冗余输入信号未分模件配置，当模件故障时引起机组跳闸如有一台600MW机组运行中汽机跳闸，随即高低压旁路快开，磨煤机B和D相继跳闸，锅炉因“炉膛压力低低”MFT。当时因系统负荷紧张，根据SOE及DEH内部故障记录，初步判断的跳闸原因而强制汽机应力保护后恢复机组运行。二日后机组再次跳闸，全面查找分析后，确认2次机组跳闸原因均系DEH系统三路“安全油压力低”信号共用一模件，当该模件异常时导致汽轮机跳闸，更换故障模件后机组并网恢复运行。另一台200MW机组运行中，汽包水位高值，值相继报警后MFT保护动作停炉。查看CRT上汽包水位，2点显示300MM，另1点与电接点水位计显示都正常。进一步检查显示300MM的2点汽包水位信号共用的模件故障，更换模件后系统恢复正常。针对此类故障，事后热工所采取的主要反事故措施，是在检修中有针对性地对冗余的输入信号的布置进行检查，尽可能地进行分模件处理。（3）一块I/O模件损坏，引起其它I/O模件及对应的主模件故障如有台机组“CCS控制模件故障“及“一次风压高低”报警的同时，CRT上所有磨煤机出口温度、电流、给煤机煤量反馈显示和总煤量百分比、氧量反馈，燃料主控BTU输出消失，F磨跳闸（首出信号为“一次风量低”）。4分钟后CRT上磨煤机其它相关参数也失去且状态变白色，运行人员手动MFT（当时负荷410MW）。经检查电子室制粉系统过程控制站（PCU01柜MOD4）的电源电压及处理模件底板正常，二块MFP模件死机且相关的一块CSI模件（模位153，有关F磨CCS参数）故障报警，拔出检查发现其5VDC逻辑电源输入回路、第4输出通道、连接MFP的I/O扩展总线电路有元件烧坏（由于输出通道至BCS（24VDC），因此不存在外电串入损坏元件的可能）。经复位二块死机的MFP模件，更换故障的CSI模件后系统恢复正常。根据软报警记录和检查分析，故障原因是CSI模件先故障，在该模件故障过程中引起电压波动或I/O扩展总线故障，导致其它I/O模件无法与主模件MFP03通讯而故障，信号保持原值，最26终导致主模件MFP03故障（所带AF磨煤机CCS参数），CRT上相关的监视参数全部失去且呈白色。22主控制器故障案例分析由于重要系统的主控制器冗余配置，大大减少了主控制器“异常”引发机组跳闸的次数。主控制器“异常”多数为软故障，通过复位或初始化能恢复其正常工作，但也有少数引起机组跳闸，多发生在双机切换不成功时，如（1）有台机组运行人员发现电接点水位计显示下降，调整给泵转速无效，而CRT上汽包水位保持不变。当电接点水位计分别下降至甲300MM，乙250MM，并继续下降且汽包水位低信号未发，MFT未动作情况下，值长令手动停炉停机，此时CRT上调节给水调整门无效，就地关闭调整门；停运给泵无效，汽包水位急剧上升，开启事故放水门，甲、丙给泵开关室就地分闸，油泵不能投运。故障原因是给水操作站运行DPU死机，备用DPU不能自启动引起。事后热工对给泵、引风、送风进行了分站控制，并增设故障软手操。（2）有台机组运行中空预器甲、乙挡板突然关闭，炉膛压力高MFT动作停炉；经查原因是风烟系统I/O站DPU发生异常，工作机向备份机自动切换不成功引起。事后电厂人员将空预器烟气挡板甲1、乙1和甲2、乙2两组控制指令分离，分别接至不同的控制站进行控制，防止类似故障再次发生。23DAS系统异常案例分析DAS系统是构成自动和保护系统的基础，但由于受到自身及接地系统的可靠性、现场磁场干扰和安装调试质量的影响，DAS信号值瞬间较大幅度变化而导致保护系统误动，甚至机组误跳闸故障在我省也有多次发生，比较典型的这类故障有（1）模拟量信号漂移为了消除DCS系统抗无线电干扰能力差的缺陷，有的DCS厂家对所有的模拟量输入通道加装了隔离器，但由此带来部分热电偶和热电阻通道易电荷积累，引起信号无规律的漂移，当漂移越限时则导致保护系统误动作。我省曾有三台机组发生此类情况（二次引起送风机一侧马达线圈温度信号向上漂移跳闸送风机，联跳引风机对应侧），但往往只要松一下端子板接线（或拆下接线与地碰一下）再重新接上，信号就恢复了正常。开始热工人员认为是端子柜接地不好或者I/O屏蔽接线不好引起，但处理后问题依旧。厂家多次派专家到现场处理也未能解决问题。后在机组检修期间对系统的接地进行了彻底改造，拆除原来连接到电缆桥架的AC、DC接地电缆；柜内的所有备用电缆全部通过导线接地；UPS至DCS电源间增加1台20KVA的隔离变压器，专门用于系统供电，且隔离变压器的输出端N线与接地线相连，接地线直接连接机柜作为系统的接地。同时紧固每个端子的接线；更换部份模件并将模件的软件版本升级等。使漂移现象基本消除。（2）DCS故障诊断功能设置不全或未设置。信号线接触不良、断线、受干扰，使信号值瞬间变化超过设定值或超量程的情况，现场难以避免，通过DCS模拟量信号变化速率保护功能的正确设置，可以避免或减少这类故障引起的保护系统误动。但实际应用中往往由于此功能未设置或设置不全，使此类故障屡次发生。如一次风机B跳闸引起机组RB动作，首出信号为轴承温度高。经查原因是由于测温热电阻引线是细的多股线，而信号电缆是较27粗的单股线，两线采用绞接方式，在震动或外力影响下连接处松动引起轴承温度中有点信号从正常值突变至无穷大引起（事后对连接处进行锡焊处理）。类似的故障有民工打扫现场时造成送风机轴承温度热电阻接线松动引起送风机跳闸；轴承温度热电阻本身损坏引起一次风机跳闸；因现场干扰造成推力瓦温瞬间从99突升至117，1秒钟左右回到99，由于相邻第八点已达85，满足推力瓦温度任一点105同时相邻点达85跳机条件而导致机组跳闸等等。预防此类故障的办法，除机组检修时紧固电缆和电缆接线，并采用手松拉接线方式确认无接线松动外，是完善DCS的故障诊断功能，对参与保护连锁的模拟量信号，增加信号变化速率保护功能尤显重要（一当信号变化速率超过设定值，自动将该信号退出相应保护并报警。当信号低于设定值时，自动或手动恢复该信号的保护连锁功能）。（3）DCS故障诊断功能设置错误我省有台机组因为电气直流接地，保安1A段工作进线开关因跳闸，引起挂在该段上的汽泵A的工作油泵A连跳，油泵B连锁启动过程中由于油压下降而跳汽泵A，汽泵B升速的同时电泵连锁启动成功。但由于运行操作速度过度，电泵出口流量超过量程，超量程保护连锁开再循环门，使得电泵实际出水小，B泵转速上升到5760转时突然下降1000转左右（事后查明是抽汽逆止阀问题），最终导致汽包水位低低保护动作停炉。此次故障是信号超量程保护设置不合理引起。一般来说，DAS的模拟量信号超量程、变化速率大等保护动作后，应自动撤出相应保护，待信号正常后再自动或手动恢复保护投运。24软件故障案例分析分散控制系统软件原因引起的故障，多数发生在投运不久的新软件上，运行的老系统发生的概率相对较少，但一当发生，此类故障原因的查找比较困难，需要对控制系统软件有较全面的了解和掌握，才能通过分析、试验，判断可能的故障原因，因此通常都需要厂家人员到现场一起进行。这类故障的典型案例有三种（1）软件不成熟引起系统故障此类故障多发生在新系统软件上，如有台机组80额定负荷时，除DEH画面外所有DCS的CRT画面均死机（包括两台服务器），参数显示为零，无法操作，但投入的自动系统运行正常。当时采取的措施是运行人员就地监视水位，保持负荷稳定运行，热工人员赶到现场进行系统重启等紧急处理，经过30分钟的处理系统恢复正常运行。故障原因经与厂家人员一起分析后，确认为DCS上层网络崩溃导致死机，其过程是服务器向操作员站发送数据时网络阻塞，引起服务器与各操作员站的连接中断，造成操作员站读不到数据而不停地超时等待，导致操作员站图形切换的速度十分缓慢（网络任务未死）。针对管理网络数据阻塞情况，厂家修改程序考机测试后进行了更换。另一台机组曾同时出现4台主控单元“白灯”现象，现场检查其中2台是因为A机备份网停止发送，1台是A机备份网不能接收，1台是A机备份网收、发数据变慢（比正常的站慢几倍）。这类故障的原因是主控工作机的网络发送出现中断丢失，导致工作机发往备份机的数据全部丢失，而双机的诊断是由工作机向备份机发诊断申请，由备份机响应诊断请求，工作机获得备份机的工作状态，上报给服务器。由于工作机的发送数据丢失，所以工作机发不出申请，也就收不到备份机的响应数据，认为备份机故障。临时的解决28方法是当长时间没有正确发送数据后，重新初始化硬件和软件，使硬件和软件从一个初始的状态开始运行，最终通过更新现场控制站网络诊断程序予以解决。（2）通信阻塞引发故障使用TELEPERMME系统的有台机组，负荷300MW时,运行人员发现煤量突减，汽机调门速关且CRT上所有火检、油枪、燃油系统均无信号显示。热工人员检查发现机组EHF系统一柜内的I/OBUS接口模件ZT报警灯红闪，操作员站与EHF系统失去偶合，当试着从工作站耦合机进入OS250PC软件包调用EHF系统时，提示不能访问该系统。通过查阅DCS手册以及与SIEMENS专家间的电话分析讨论，判断故障原因最大的可能是在三层CPU切换时，系统处理信息过多造成中央CPU与近程总线之间的通信阻塞引起。根据商量的处理方案于当晚11点多在线处理，分别按三层中央柜的同步模件的SYNC键，对三层CPU进行软件复位先按CPU1的SYNC键，相应的红灯亮后再按CPU2的SYNC键。第二层的同步红灯亮后再按CPU3的同步模件的SYNC键，按3秒后所有的SYNC的同步红灯都熄灭，系统恢复正常。（3）软件安装或操作不当引起有两台30万机组均使用CONDUCTORNT50作为其操作员站，每套机组配置3个SERVER和3个CLIENT，三个CLIENT分别配置为大屏、值长站和操作员站,机组投运后大屏和操作员站多次死机。经对全部操作员站的SERVER和CLIENT进行全面诊断和多次分析后，发现死机的原因是1一台SERVER因趋势数据文件错误引起它和挂在它上的CLIENT在当调用趋势画面时画面响应特别缓慢（俗称死机）。在删除该趋势数据文件后恢复正常。2一台SERVER因文件类型打印设备出错引起该SERVER的内存全部耗尽，引起它和挂在它上的CLIENT的任何操作均特别缓慢，这可通过任务管理器看到DEVEXE进程消耗掉大量内存。该问题通过删除文件类型打印设备和重新组态后恢复正常。3两台大屏和工程师室的CLIENT因声音程序没有正确安装，当有报警时会引起进程CHANGEEXE调用后不能自动退出，大量的CHANGEEXE堆积消耗直至耗尽内存，当内存耗尽