压力容器培训——设计工程师培训-材料焊接热处理201405

1、 一、材料基础知识 1、钢材生产基本知识 1）炼钢的原料 （1）基本原料：生铁和废钢； (2)各种铁合金或金属料（适应工艺要求）； (3)各种造渣剂和辅助材料 原材料的优劣，影响钢的质量，炼钢设备和冶炼工艺 直接影响钢的性能。所以不同的钢种，不同质量要求的钢 材，需正确选择炼钢炉，制定合理的冶炼工艺。 2）炼钢的生产流程 现代钢铁企业的炼钢生产流程有以下三种： （1）转炉炼钢生产流程（长流程） 高炉炼铁铁水预处理氧气转炉炼钢炉外 精炼连铸钢坯热装热送（钢锭）连轧（轧 制）（热处理）； （2）电炉炼钢的生产流程（短流程）： 电炉炼钢炉外精炼连铸（模铸）钢坯热 装热送（钢锭）连轧（轧制）（热处理）

2、 （3）锻件的生产流程： 钢锭（坯）热压加工 3）炼钢炉 现代炼钢工艺中，炼钢炉只是作为初炼炉。 （1）主要功能 完成熔化及粗调钢液成分和温度； （2）种类： 氧气转炉、高功率或超高功率电弧炉、电渣炉、感应 炉等，各炼钢炉的主要特点如表1： 4）炉外精炼 钢经过炼钢炉初步冶炼后，仍存在大量杂质元素， 钢中的杂质元素的存在，将严重影响钢的质量和性能。 需要进一步炉外精炼提高钢材的内在质量，确保钢材的 性能。 炉外精炼是钢的二次精炼，是保证连铸机正常运行 的关键技术，目前用于炉外精炼的技术有：钢包脱气技 术、真空吹氧脱碳法（VOD）、氩氧吹炼炉(AOD)、 钢包精炼炉（LF）等,具体特点如下表2：

3、 表1 各种炼钢炉的特点 炼钢 炉 主要热源主要原 料 主要特点 热源来源 氧气 转炉 化学热/ 反应热 氧化放 热反应 生铁和 废钢 氧化熔炼，吹炼速度快，生产效率高， 有不同的吹炼方法 电弧 炉 电弧热交流或 直流电 废钢或 海绵铁 通用性大，炉内气氛可控，钢水脱氧良 好，能冶炼含易氧化元素和难熔金属的 钢种，产品多样化； 电渣 炉 电阻热外加电 源 锻造或 锻压的 坯料 有渣洗作用，脱氧、脱硫效果好，钢的 清洁度高，钢锭致密，偏析少，至上而 下凝固，能改善加工性能； 感应 炉 感应热外加电 源 优质废 钢，中 间合金 需要采用优质原料，脱硫磷效果差，可 避免电极增碳，氮含量低，能冶炼含易

4、 氧化元素的钢种 表2 炉外精炼技术分类及特点 分类功能特点备注 精炼脱碳技术强搅拌，真空脱碳， Wc0.005% 1）钢包脱气处理250t钢水，获得 Wc0.002%; 2)VOD精炼50t的30Cr-2Mo不锈 钢， 获得Wc0.0009%; 精炼脱硫技术1）钢包加顶渣脱硫； 2）当采用带加热设备； 3）钙系粉剂处理。 1）Ws0.0035-0.0007%； 2）Ws可降至0.0001%； 3）Ws0.002%； 精炼脱磷技术铁水脱磷+钢水脱磷超低磷钢生产流程：铁水脱磷喷 粉脱磷转炉吹炼炉外精炼脱磷 精炼脱氧技术VOD真空精炼不锈钢WN0.0015%； 钢清洁度和夹 杂物变性技术 钙处理使

5、夹杂物变性使钢中的氧、硫等降至最低； 微量有害杂质 去除技术 不锈钢中喷吹CaC2,脱 除钢种的微量有害杂质 微量有害杂质脱除率：As:85-As:85- 95%;Se:87-95%;S:79-94%;Pb:50-95%;Se:87-95%;S:79-94%;Pb:50- 8888% 5）脱氧工艺 氧作为有害元素，对钢的性能影响很大，容易造成钢变脆， 所以钢冶炼需要进行钢的脱氧处理，脱氧工艺、脱氧程度， 与钢的凝固结构、钢材性能和质量有密切关系，炼钢过程中 主要采用脱氧剂对钢进行脱氧处理。 6）钢的几个基本术语 （1）钢锭：将熔融钢水注入模型内，待钢水凝固脱模后所得 的具有一定形状的铸钢件。

6、（2）毛坯：用于制作某种钢件的坯料； （3）钢坯：用于轧制钢材的坯料； （4）板坯：用于轧制钢板的坯料： （5）原轧制钢板：由一块钢坯或板坯经轧制而形成的一张 钢板，由于运输是尺寸限制或其他原因，最终交货时可能裁 剪成几张钢板，但仍为同一张轧制钢板； （6）钢号：钢铁产品牌号，用汉语拼音、化学符号和阿 拉伯数字表示的钢材产品名称、用途、冶炼和浇铸方 法及分类、强度等级，主要化学成份和含量等； （7）炉号：炼钢炉次编号，同一炉号钢材具有基本相同 化学成份 （8）批号：钢厂按有关规定，将同一钢号的钢材组成一 个供货批次的编号。 通常同一钢号，同一炉号、同一轧制和热处理制度 的钢板为一批，有时同一批

7、钢材还受重量或根数限制 。 2、钢材分类方法 钢的分类方法很多，通常根据钢的化学成份、品质、熔炼 工艺、进行组织及用途可将钢分为5类，具体见表3； 为了规范钢的分类，常用的标准分类是我国钢分类标 准GB/T13304参照国际标准ISO 4948/1,4948/2将钢按化 学成份，质量等级、主要性能及使用特性两种方法进行分类 ： 1）按化学成份分类 根据各种合金元素规定含量界限值，将钢分为非合金钢、 低合金钢和合金钢三大类，其部分合金元素界限值如下表3. 低合金钢和非合金钢容易区分，低合金钢与合金钢之间 需要看Cr、Ni、Mo、Cu四元素含量： 当低合金钢中同时存在其中两种以上元素，需考虑这些合

8、 金元素规定量总和，当钢中这些元素的规定量总和大于表4规 定各种元素上限的70%时，应划为合金钢。 表 3 常用的钢材分类方法 分类方法分类依据钢的种类 化学成份合金元素含量碳素钢,合金钢(低合金钢W5%;中 W=5-10%；高W10% 品质硫和磷的含量优质钢，高级优质钢，特级优质钢； 优质碳素结构钢钢； 合金结构钢 冶炼方法按炉别、脱氧程度、 及浇注制度分类 氧气转炉钢和电炉钢；镇静钢，半镇 静钢和沸腾钢。连铸钢和膜铸钢 金相组织交货状态，显微组织正火状态交货的低温钢组织为F+P 用途钢的应用要求建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、 特殊性能用钢，专业用钢等 2）按熔炼工艺分类 根据炼钢过程中脱

9、氧程度的不同，将钢分为 以下三种： 镇定钢：当加入足够数量强脱氧剂（Si,Al） 使钢水脱氧良好，在钢水凝固时不产生CO气泡， 钢水保持平静，这样产生的钢叫做镇静钢； 沸腾钢：控制脱氧剂种类和加入量(Mn)使钢 中残留一定量的氧，在钢水凝固过程中形成CO 气泡逸出并使钢水产生沸腾现象，这类钢称为沸 腾钢； 半镇静钢：脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之 间的钢，称为半镇静钢；压力容器受压元件用钢 应是镇静钢； 表4 镇静钢、半镇静钢、沸腾钢的性能特点 项目镇静钢半镇静钢沸腾钢 脱氧程度完全，基本无CO气 泡产生，钢水凝固 过程保持平静 中等程度脱氧， 维持一定的沸腾 现象 不用硅和铝脱氧， 保留一定氧

10、使钢水 产生适当沸腾。 钢锭 特点 成分限制无特殊限制 Wc0.25%;Wsi0.17% Wc0.25%;Wsi0.17% 表面质量一般良好良好 偏析及纯 洁度 较纯洁，内部杂质 偏析较轻； 介于镇静钢与沸 腾钢之间 外部纯净，内部杂质及 夹杂物较多，偏析严重 成材率 头部有巨大缩孔，切 头量多，成材率低； 介于镇静钢与沸 腾钢之间 无缩孔，成材率高 力学 性能 抗拉性能其他情况相同条件下，三类钢的强度和伸长率均大致相当 冲击韧性良好次于镇静钢较差，韧脆转变温 度高，时效严重 工艺 性能 冷冲压良好尚好宜作简单冲压件 焊接性能（ 碳当量一致） 焊接性好；可焊接焊接性差 3）按质量等级、主要性能

11、及使用特性分类方 法详见标准GB/T13304; 现行冶金产品标准中，还未广泛采用GB/T13304进 行分类。 4）压力容器用钢分类 在GB150中，按所应用的钢材标准分为碳素钢、低 合金钢（包括低合金高强钢、低温钢、中温抗氢钢和低 合金耐蚀钢等）和高合金钢（不锈钢和耐热钢），实际 上是按化学成份划分为三大类，在低合金钢和高合金钢 中又以使用特性将低合金钢分为四类和两类。 4、钢材中的合金元素及其作用 表5 非合金钢、合金钢非合金钢、合金钢部分合金元素规定含量界限值 合金元素合金元素规定含量界限值% 非合金钢低合金钢合金钢 Al0.10-0.10 B0.0005-0.0005 Cr0.300

12、.300.500.50 Cu0.100.100.500.50 Mn1.001.01.401.40 Mo0.050. 050.100.10 Ni0.300.300.500.50 Nb0.020.020.060.06 Si0.500.500.900.90 Ti0.050. 050.130.13 V0.040. 040.120.12 15 （1）I形坡口;（2）单面V形坡口;（3）X形坡口;（4） U形坡口;（5）双U形坡口。 低碳钢和低合金钢制容器的各种焊接接头，其手工电 弧焊、气体保护焊和埋弧自动焊坡口形式及尺寸，可详见 GB/T985气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的 基本形式与尺寸、GB

13、/T986 埋弧焊焊缝坡口的基本形 式与尺寸 、GB150附录J及HG/T20583 钢制化工容 器 结构设计规定 。 5、接头设计 压力容器焊接结构设计应综合考虑： 1）保证接头满足使用要求-包括安全和腐蚀； 2）焊接和无损检测的难易及防变形要求 3)焊接成本低-消耗低，加工容易 4)施工条件符合实际要求。 表6 钢中的合金元素及其主要作用 元素存在方式及主要作用 Mn防止热脆，奥氏体形成元素，强化作用，细化珠光体晶粒，提高钢的淬透性； 但对增加晶粒粗化和回火脆性有不利影响； Si脱氧剂，提高钢的淬透性和抗回火脆性，提高钢的弹性及耐大气腐蚀性能，含 量高时对焊接不利，对韧性有影响； Cr增加

14、钢的淬透性，提高钢的抗氧化性和热强性，具有一定的强化作用，铁素体 形成元素，含量高时易形成相和475脆性相； Ni奥氏体形成元素，有一定的固溶强化和提高钢的淬透性作用，细化晶粒提高钢 的塑韧性，特别是低温韧性，改善钢的耐湿性能和热强性；， Mo提高钢的淬透性，防止回火脆性，提高钢的热强性，改善钢的耐蚀性； Ti固溶强化，细化晶粒提高钢回火稳定性，有二次硬化作用，有防止和减轻不锈 耐酸钢晶间和应力腐蚀作用，对焊接有利。 V固溶与奥氏体时显著提高钢的淬透性，但以碳化物及氧化物微细颗粒形态存在 时，却细化晶粒并降低钢的淬透性，增加钢的回火脆性有二次硬化作用，固溶 与铁素体中有极强的固溶强化作用，有细

15、化晶粒作用，提高钢的低温韧性，细 小碳化物颗粒弥散分布是可提高钢的蠕变和持久强度，提高钢的抗高温高压氢 腐蚀能力，对钢高温抗氧化性有利。 表6 钢中的合金元素及其主要作用（续） 元素存在方式及主要作用 Nb固溶于奥氏体钢显著提高钢的淬透性，但以碳化物及氧化物微细颗粒形 态存在时，却细化晶粒并降低钢的淬透性，增加钢的回火脆性有二次硬 化作用，微量的铌具有固溶强化作用，细化晶粒，提高钢的冲击韧性并 降低钢的脆性转变温度，有利于改善焊接性能。 Al脱氧和细化晶粒含量高时，赋予钢高温抗氧化及耐氧化性介质，H2S气 体腐蚀作用，固溶强化，有促使石墨化倾向； 注：回火脆性：是指一些钢材在较高温度范围回火，

16、其冲击韧性反而比较低温 度回火后显著下降的现象。 相:铬镍奥氏体不锈钢，在400-850长时间受热作用下形成的一种铁和 铬原子形成的铁铬金属间化合物，一种淬硬相； 475脆性：高铬不锈钢，在400-500长时间受热产生的严重脆化，脆化 最大速率发生在475 ，其特征是钢的硬度显著提高，其严重性随铁素体含量 和铬含量的增加而增加。 5、物理性能的相关概念 钢材的物理性能主要有热膨胀量、弹性变形、泊松比等 相关概念： 1）热膨胀是由于晶体的线长度和体积随温度升高而增 大，即晶体中相邻质子之间的平均距离随温度身高而增大。 2）弹性变形：物体在拉或压的外力作用下将发生形状和 尺寸的改变，在去掉外力后，

17、物体又恢复原来的形状和尺寸 的变形称为弹性变形。弹性变形阶段，应力与应变之间的关 系是直线关系，符合虎克定律；金属杨氏模量、玄线模量、 切变模量和泊松比试验方法标准：静态法GB/T 8653,动态 法GB/T2105： 3）泊松比是当物体处于单向拉力或压缩力作用时，物体 沿作用方向几何尺寸将发生改变，对于各向同性物体存在泊 松比； 4）临界点：Ac1加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度 ；Ar1冷却时奥氏体向珠光体转变的终了温度；Ac3加 热时珠光体向奥氏体转变的终了温度；Ar3冷却时时奥氏 体向珠光体转变的开始温度； 表7 钢材的物理性能及其试验方法 名称基本概念计算方法测定方法 密度 单位体

18、积物质的质量=m/v(kg/ m3 b、规定残余延伸强度 卸除应力后延伸率等于规定引伸计标距百分率是对应的 应力，如Rr0.2; （4）断后伸长率(A) 试样拉断后标距的残余伸长(Lu-Lo)与原始标距(Lo)之 比的百分率为断后伸长率; （5）端面收缩率（Z） 断裂后试样横向截面积的最大缩减量(So-Su)与原始横 截面积(So)之比的百分率为端面收缩率; 6.2、蠕变及持久试验 6.2.1、蠕变极限与持久强度极限的区别： 两者都是反映材料高温性能的重要指标； 其区别在于侧重点不同：蠕变极限以考虑变形为主， 即设备只允许产生一定量的变形量，设计时应考虑蠕变极 限；持久强度主要考虑在长期使用时

19、的破坏抗力，当部件 在高温下长期使用，对蠕变变形限制不严，但需要保证使 用时不破坏，需要以持久强度极限作为依据； 6.2.2、持久强度极限 是试样在一定温度和规定的持续时间内，引起断裂的 最大应力值。用符号t(下标表示时间h，上标t表示 试验温度)表示方法是：GB/T2039 金属拉伸蠕变及持久试验方法，在压力容器行业中以 t表示钢材的设计温度t时经10万小时断裂时的持久强 度极限，Mpa。 6.2.3、蠕变极限 金属材料在一定温度和一定应力作用下，随时间增加而 缓慢发生塑性变形的现象称为蠕变； 对不同材料，发生蠕变的温度条件各不相同，低碳钢和 碳锰钢的蠕变温度350，铬钼合金钢发生蠕变的温度

20、 400，温度越高，蠕变速度越快； 蠕变极限：在一定温度下，规定的持续时间内，所产生 的蠕变伸长率或在蠕变的稳定阶段，其蠕变速率等于其规 定值时的最大应力称为蠕变极限，以(/)t或vt,试验 方法：GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法，其 中表示极限应力（Mpa）,表示蠕变伸长率（%），表 示试验时间（h）,t表示试验温度（），v表示恒定蠕变 速率（%h）.例如(2/10000)800的含义： 压力容器行业，以nt表示钢材的设计温度t时，经过10 万小时蠕变率为1%的蠕变极限。Mpa. 6.3、硬度试验 硬度是指金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，可以说 是材料对局部塑性变形的抗

21、力。硬度越高，耐磨性越好。 钢的硬度与强度之间关系见GB/T1172黑色金属硬度 与强度换算值； 6.3.1、硬度的测定方法 最常用的硬度测试方法及指标有布氏硬度（HB）、洛 氏硬度（HR）、维氏硬度(HV) 1）布氏硬度试验 a、布氏硬度是指试验力F除以压痕球形表面积S所得的 商：HB=0.102F/S b、优点：代表性全面，能反映金属较大面积范围内各组 成相综合平均性能，数据稳定，重复性好， c、缺点：压痕较大，成品检验有困难； d、方法：用一直径D（单位为mm）的淬火钢或硬质 合金球，以一定大小的试验力F（单位N）压入试样表面 、经规定的保持时间t（单位S）后，卸去试验力，测出 试样表面

22、压痕球形面积S(单位mm2),计算如上式。 2）洛氏硬度试验 金属洛氏硬度的高低以试样上得到的由主试验应力所 产生的压痕的深度的残余增量e的大小来衡量。 e的单位为0.002mm,数值愈大，表示材料越软，反 之，则愈硬; 表示公式：HR=K-e/0.002 金刚石压头：HR=100HR(A、C、D)=100-e/0.002 钢球压头： HR=130HR(B、F、G)=130-e/0.002 HR洛氏硬度符号； A/B/C/D/F/G洛氏硬度的不同标尺符号； （1） HRC的K值为100，当压入深度e为0.08时，硬度 值：HRC=100-0.08/0.002=60 （2）HRB是应用较广的洛氏

23、硬度标尺，常用于测定低碳 钢、低合金钢、铜合金、铝合金及可锻铸铁等中、低硬度材 料 HRC主要用于测定一般钢材、硬度较高的锻件、珠光体 （3）可锻铸铁以及淬火+回火的合金钢，是用途广泛的洛 氏硬度标尺。 （4）试验方法标准：GB/T230金属洛氏硬度试验方法 用顶角为120金刚石圆锥体或一定直径（1.587或 3.175mm）淬火钢球做压头，先在初试验力F0作用下，将 压头压入试件表面一定深度h0，作为测量压痕深度的基准， 再加上主试验力F1，在总试验力F（F0+F1）作用下，压痕 深度增量h1，规定时间后，卸除主试验力F1，压头回升一 定高度，得到主试验力所产生的压痕深度残余增量e 3)维氏

24、硬度试验 维氏硬度试验是采用压头为两相对面间夹角为136 的金刚石正四棱体进行试验这一点与布氏硬度不同。 a、维氏硬度值: HV=F/S F试验力， S压痕表面积 b、维氏硬度种类： 根据试验力的大小分为维氏硬度试验、小载荷维氏 硬度试验和显微维氏硬度试验。 c、维氏硬度试验方法标准及方法 GB/T4340金属维氏硬度试验， 试验方法：用选定试验压力F（单位N）将压头压入 试样表面，保持规定时间，卸载试验压力，测量试样表 面压出的正四锥形压痕对角线长度d（单位为mm）， 用压痕对角线平均值计算压痕的表面积S然后计算HV. d、特点 显微维氏硬度计上带有金相显微镜，可观察试样金相组 织，确定压痕

25、位置，精确测量压痕对角线长度。 缺点：操作复杂、功效低；压痕较小、代表性差； e、应用 测定值的重复性差且分散度大。显微硬度是最精确的硬 度试验方法，主要用于测定各种表面处理后渗层或镀层的 硬度及较小、较薄工件硬度，测定合金中组织硬度； 6.4、冲击试验 冲击试验是由法国工程师（charpy）夏比建立，是一种 简支梁式冲击弯曲试验，试验时通过一次施加过载三点弯 曲冲击载荷使试样发生断裂，来显示试样的缺口韧性。是 评定金属材料韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。 a、试验标准方法：GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法 b、冲击吸收功 指材料在外加冲击载荷作用下，断裂时所消耗能量大 小的特性，

26、即冲击试样所吸收的功（单位为J） （1）、冲击韧性测定 一般在摆锤式冲击试验机上测定，冲击试样受摆锤突 然打击断裂时，其的断裂过程是一裂纹发生、发展过程 ：A、在裂纹发展过程中，若塑性变形能发生在它前面 ，将阻止裂纹扩展，当继续发展时将消耗更多能量。如 此，冲击吸收功高低，决定于材料有无迅速塑性变形能 力；B、冲击吸收功高材料，一般具有较高塑性，但塑 性指标较高材料，不一定都有高冲击吸收功，这是因为 在静载荷下能够缓慢塑性变形材料，在冲击载荷下不一 定能迅速发生塑性变形。 （2）、影响冲击吸收功的因素 与试样的尺寸、缺口形状有关，如不同冲击试样，试验 时应力状况不同，在破坏时所消耗能量不同，冲

27、击吸收功值 不同；压力容器用钢一般采用夏比V型缺口冲击试样，冲击 吸收功为Akv. 与温度有关，如材料在室温韧性好，低于某一温度时可 能发生脆性断裂。 与材料化学成份、冶金质量、组织状态及内部缺陷有关。 是衡量其裂纹扩展阻力的重要指标之一,是衡量材料脆性转变 和断裂特性的重要指标。 c、脆性断面率 指断口中晶状区面积与断口原始横截面积的百分比。 (1)脆性断面率的测定 1) 测定标准: GB/T12778金属夏比冲击断口测定方 法,规定的测定方法有： 对比法，冲击试样断口与标准断面图谱对比，估算 脆性断面率； 尺寸测量法，按断口晶状区形状，若能分为矩形、 梯形时，用游标卡尺测量晶状断面尺寸，按

28、标准中的表即 可计算出脆性断面率； 放大测量法 冲击试样断口拍成放大照片，用求积法 测量晶状区面积，也可用低倍显微镜等光学仪器测量晶状 区面积； 卡片测量法 用透明塑料膜制成方孔卡片或网络卡片 ，测量晶状区面积； 2）计算方法：CA=Ac/A0100% Ac断口中晶状区的总面积mm2；Ao原始横截面 积mm2;CA脆性断面率； d、侧向膨胀量 侧向膨胀量是冲击试验时缺口背部两侧由于冲击试验 时受到锤击，产生的尺寸增量，具体规定见GB/T12778 ，测量方法有： 1）侧膨胀仪测量法，2）投影仪测量法；3）游标卡 尺测量法； e、韧脆转变温度 金属材料韧性随温度下降而降低。当温度达到某一值 时发

29、生韧脆转变现象，这一温度为韧脆转变温度。 材料发生韧脆转变时的特征：冲击吸收功明显下降 ，断口由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为 穿晶解理型，韧脆转变实际上在一定温度范围内发生。 韧脆转变温度的测定 韧脆转变温度是通过一系列温度下夏比V型缺口冲击 试验测得，由于V型缺口试样对低温脆性较为敏感； 测定方法标准：GB/T229 附录B，具体如下： （1）冲击吸收功法：温度曲线上平台与下平台区间 规定百分数（n）所对应的温度ETTn； （2）脆性端面率法：温度曲线中规定脆性断面率（n ）所对应的温度，FATTn （3）侧膨胀值法：温度曲线上平台与下平台区间某规 定值所对应的温度，LETT.

30、 6.5、应变时效敏感性及其试验方法 钢的应变时效敏感性试验方法：GB/T钢的应变时 效敏感性试验方法（夏比冲击法） 应变时效敏感性系数: C=100%*(Akv1-Akv2)/Akv1 Akv1未经受应变时效材料冲击功平均值 Akv2经受应变时效材料冲击功平均值 6.6、落锤试验 a、落锤试验是1952年由美国海军研究所在爆炸鼓胀 试验基础上发展起来工业性试验方法，是用来测定铁素 体钢无塑性转变温度（NDTT）.是一种裂纹传播试验。 b、落锤试验的意义：是对压力容器进行安全评定不 可缺少的数据，可作为评定材料和工艺质量的重要参数 ； c、落锤试验的特点：直接给出无塑性转变温度，试验 结果波动

31、幅度小（5左右），试验结果误差相对较小， 重复性好，能一定程度上模拟实际构件中存在的裂纹或 其他缺陷，试验结果与试样取样方向无关，试样制备较 容易，试样装置及试样操作简单； d、落锤试验过程：在试样受拉伸表面上堆焊一道硬 度较高的脆性焊道，焊道中部垂直方法上用机械方法开 一人工缺口，实验时将试样堆焊面朝下，置于中部放有 终止块的特制砧座上，不同温度下，用一有一定质量，头 部半径25mm的圆柱面重锤自由落体向试样中部加载，根 据不同温度下试验受拉面开裂情况，判断试样材料的无塑 性转变温度，当缺口起裂裂纹刚好扩展到试样边缘上时的 最高温度，为无塑性转变温度。 e、试验标准：ASTM E208-19

32、63，GB/T6803- 1986铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法。 6.7、裂纹尖端张开位移（CTOD）试验 金属材料断裂韧性CTOD是在断裂力学形成后提炼出 来的一个力学性能指标，采用裂纹尖端张开位移法表示。 a、断裂力学是研究物体受力时内部裂纹附近应力 应变场情况及变化规律，裂纹尖端开裂条件及裂纹在交变 载荷下扩展规律等的学科。 b、裂纹尖端张开位移法当塑性材料构件受力时， 裂纹尖端区产生较大范围屈服，变形较快而应力上升较慢 ，（基本观点）当裂纹尖端张开位移达到材料某一临界值时 ，裂纹发生失稳扩展，称为裂纹尖端张开位移法。 c、特点：试验结果直观、应用简单、测试简便、稳定 等优点，不

33、能直接严密的反映裂纹尖端弹塑性应力应变 场表达参量，是一种简单有效的解决工程断裂问题的方 法； d、应用范围：压力容器新材料的研制、材料应用研究 、材料强度研究、热处理工艺的选择、零部件的失效分 析等方面得到应用。 e、现行试验标准：GB/T2358金属材料裂纹尖端张 开位移试验方法 6.8、J积分试验 当裂纹尖端塑性区应力应变场强度随外加载荷增加， 直到使裂纹开裂并开始扩展到临界点时，由裂纹尖端区 域应力应变分量通过回路线积分或形变功率定义所求得 的J积分达到了相应的临界值JIC.与试样几何形状无关。 a、意义：可定量描述含裂纹构件的应力应变强度，易 于在实践中测定或理论上估算的场的参量；可

34、作为弹塑性 条件下的断裂判据； b、现行试验方法标准：GB/T2038-1991金属材料延性 断裂韧度JIC试验方法 7、工艺性能及其试验方法 7.1、压力加工工艺 金属压力加工是利用外力使金属坯料产生塑性变形， 而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加 工方法。材料的塑性是压力加工的基础； 7.2、压力加工的基本工艺方法 1）轧制 利用金属坯料与轧辊接触表面产生的摩擦力，使坯料 强行通过一对旋转轧辊之间间隙，金属受碾压作用缩减 截面，增加长度，从而获得各种端面形状产品的方法。 一般采用热轧，薄板（带）采用冷轧。 2）拉制 常温下，将已经轧制过的坯料拉过一个比坯料横断 面小的模孔，使

35、坯料横断面积减少长度增加的冷变形加 工方法。 3)挤压 将装在圆筒型容器内的金属，从比其截面小的模孔中 挤压出来，获得需要截面形状和尺寸的方法； 4）锻造 利用锻锤或压力机，对加热坯料锻打和加压，使金 属发生塑性变形，获得所需形状的过程，与此同时，金 属力学性能也得以改善和提高； 5）冷热成型 金属在冷、热状态下经过弯卷、弯曲、冲压等外来作 用，产生塑性变形形成所需形状的零件加工工艺过程； 6）冷冲压 利用装在压力机上的冲模，使金属板料在冷态（室温 ）下分离或变形的一种加工方法。 7.3、冷加工工艺性能及试验方法 1）弯曲 弯曲是塑性和弹性变形相结合的加工工艺，是一种工 艺性能试验方法。 a、

36、金属弯曲过程中，试样断面上的应力分布是不均 匀的，受弯部分内侧受压，外侧受拉。主要检验金属承 受塑性变形的能力，显示冶金或焊接缺陷，所以弯曲试 验可以较灵敏的反映材料表面工艺质量和缺陷情况。 b、弯曲试验是按规定尺寸弯芯，将试样弯曲到规定 角度，测定弯曲角度，观察弯曲部分外侧，按照相关产品 标准进行结果评定。弯曲角度以试样承受载荷时测量为准 ，当弯曲角度为180时，可将试样弯曲至两臂相距规定 距离且相互平行或时两臂直接接触。 c、弯曲试验方法：GB/T232 金属材料 弯曲试验方 法 GB/T2653焊接接头弯曲及压扁试验方法 NB/T47015承压类设备产品焊接试板的力学性能检验 d、试验结

37、果的判定： 弯曲试验是以试样上出现第一条裂纹时弯曲角度确定 ，如试样未出现裂缝，则一直试验到试样两面平行为止， 也可将试样弯曲到规定角度后在检查有无裂缝。 试样弯曲后，应按照相关产品标准要求评定弯曲试验 结果，无规定具体要求，若试样弯曲外表面无肉眼可见裂 纹，则应评定为合格。 2）压扁 a、压扁试验是一种金属管工艺性能试验，在给定试 验条件下检验金属管的极限塑性变形能力，试验结果仅 与给定试验条件和具体试验尺寸有关。 b、压扁试验可用于金属管材产品验收试验，压扁试 验后检验管材产品试样压弯变形处，按相关标准评定， 是否符合产品标准或规范要求。一般试样压弯变形处无 肉眼可见裂纹、开裂，则可认为合

38、格。 c、现行金属管压扁试验方法GB/T246-1997金属 管压扁试验方法。 3)扩口 扩口目的：确定管材对后续机械加工如胀接、膨胀 节、扩口式直通管头、扩口式直角管接头等工艺过程的 适应性。 主要通过扩口试验判定管材的塑性加工性能； 试验结果：试验后试样无肉眼可见的裂纹即为合格， 若有开口或开裂，则为不合格，仅在试样棱角处出现轻微 的开裂，不应判为报废。 现行金属管扩口试验方法标准:GB/T242 金属管扩口试 验方法。 4）焊接性能 金属焊接性能指在限定施工条件下焊接完成符合要 求构件，并能满足预定使用要求的能力，即材料焊接加工 的适应性和使用可靠性。 钢材焊接性的评价 碳当量法 碳当量

39、与焊接热影响区最高硬度间存在确定的关系， 一般强度越高，热影响区的硬度越高，出现焊接裂纹的可 能性越大，所以焊接性能可采用碳当量间接评估。 影响钢材焊接性的主要因素是化学成分，碳的影响最为明 显，其它元素影响可折合成碳的影响。 计算公式如下： w(c)当量C+Mn/6+Cr/5+Mo/4 V/14+Ni/40+Si/24 式中各元素符号为钢中相应元素的质量百分数,根据经验 w(c)当量0.4时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性 良好。一般焊接工艺条件下，焊件不会产 生裂纹。但厚大工件或在低温下焊接时， 应考虑预热。 w(c)当量0.40.6时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊 接性能相对较差

40、。焊前工件需要适当预 热，焊后要缓冷。要采取一定的工艺措 施才能防止裂纹。 w(c)0.6时，钢材塑性较低，淬硬倾向明显，焊接 性不好，焊前必须预热到较高的温度，焊接时要采取减少 焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处 理。 注意，当量法估算是粗略的，因为钢材的焊接性还受 结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因数影响，实际工 作中根据实际情况进行抗裂试验及焊接接头使用焊接性的 试验。 8、金相组织及其试验方法 金相组织检验方法：GB/T13298-1991金属显微组 织检验方法 a、铁碳合金及相变 由铁和碳两种主要元素组成的合金。如：碳钢、铸铁 b、钢中常见金相组织 (1）铁素体 碳

41、溶于-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，钢 的最基本相。 （2）渗碳体 碳与铁形成化合物，钢的另外一个主要相，铁的碳 化物中最重要一种。常用Fe3C表示，硬而脆，是提高钢 硬度和强度的主要金相组织之一。 （3）石墨化 渗碳体在高温长时间作用下分解并析出石墨状自由 碳的现象，会使材料脆性急剧增加，Fe3C=3Fe+C(石墨) （4）珠光体 铁素体和渗碳体的机械混合物，根据渗碳体的形态 ，可分为片状珠光体和球状珠光体； FeFe3C相图 （5）马氏体 过冷奥氏体快冷的产物，是过饱和铁素体，有原来面心立 方晶格变为体心正方晶格，根据其形态，可分为板条、针状 和孪晶马氏体。 （6）贝氏体 过冷奥氏体在

42、中温区（即珠光体与马氏体转变之间的区 域）的转变产物。是由铁素体、碳化物组成的非层片组织。 根据形成温度和形态可分为上贝、下贝和粒状贝氏体； 上贝氏体;由成束的、大致平行排列的铁素体和条状的 渗碳体所组成，典型特征是成羽毛状。 下贝氏体;针叶状铁素体内沿一定晶面分布着细小的碳 化物，这些碳化物颗粒排列与铁素体的长轴呈55度夹角。 粒状贝氏体;块状铁素体中包含有碳化物颗粒和不规则 的细小岛状物，这些细小岛状物是残留奥氏体或马氏体。 上贝氏体的强度和韧性都较差，而下贝氏体的强度和韧性都较 好，粒状贝氏体的强度比珠光体组织为高，塑性较好 （7)奥氏体 碳溶于-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格，属铁的

43、 同素异构体。 （8）回火马氏体 即马氏体在100-250范围时的分解产物，为过饱和铁素体与 之共格的-碳化物。 （9）回火索氏体 即马氏体在500-650范围时的回火产物，为铁素体基体上均 匀分布着地细粒状渗碳体。 表8 典型钢号的金相组织 钢号标准号供货状态金相组织 Q245RGB713热轧或正火F+P Q345RGB713热轧或正火F+P 15MnNbRGB713正火F+P 15CrMoRGB713正火+回火F+P 09MnNiDRGB3531正火、正火加回火F+P O7MnCrMoVRGB19189调质回火索氏体 0Cr13AlGB4237退火F OCr18Ni9GB4237固溶 OC

44、r17Ni12Mo2GB4237固溶 00Cr18Ni5Mo3Si2GB4237固溶+F C、焊接接头的金相组织 焊接接头的组成及区域特征 1）焊接接头组成: 焊缝、熔合区和热影响区； （1）焊缝在焊接热源作用下母材和填充金属熔化形成 熔池，随热源移动，逐渐冷却形成焊缝； （2）热影响区在焊接或热切割过程中，工件受热影响 而发生金相组织和机械性能变化的区域； （3）熔合区焊缝与母材交接的过渡区域,金相难于观 察，性能差； 2）焊接热影响区 由于焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，受热 循环影响，和母材组织性能的不同，热影响区的分区 和特征各不相同，热影响区的分区和特征主要与三个 方面因素有关：

45、 （1）母材的冶金特征即是否存在固态相变 （2）母材焊接前的状态 （3）焊接方法及其工艺参数 3）焊接热影响区的组成 常见碳素钢和低合金钢属于不易淬火钢，焊接条件 下热影响区大致划分如下： 熔合区、 过热区、正火区、部分相变区等 焊接接头及热影响区组成 熔合区 处于液相线、固相线之间，所以也称半熔化区。因温 度过高而成为过热粗晶，强度、塑性和韧性都下降。此处 接头断面变化，易引起应力集中。此区很大程度上决定着 焊接接头的性能。 过热区 被加热到Ac3以上100200C至固相线温度区间。 奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，故塑性、韧性降低 ，对易淬火钢，此区脆性更大 正火区 被加热到Ac1到Ac

46、3以上100200C区间。在此 区温度范围内，加热时发生重结晶，转变为细小的奥氏 体 晶粒，冷却后为均匀而细小的铁素体和珠光体，其力学性 能优于母材。 部分相变区 相当于加热到Ac1Ac3温度区间。珠光体和部分铁 素体发生重结晶，转变成细小奥氏体晶粒。部分铁素体 不发生相变，但晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均 ，因而其力学性能比正火区稍差。 冷轧板，在焊接过程中加热到AC1以下温度的区域发 生再结晶退火，其破碎的或纤维状地晶粒将变成完整的 等轴晶粒，无相变发生。强度和硬度有所降低，塑性和 韧性有所恢复； 没有发生冷作变形的热轧钢板和退火钢板，不存在再 结晶现象，热影响区主要有过热区、重结晶区

47、和不完全 重结晶区三部分。 焊接热影响区的大小和组织、性能变化的程度，决定 于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因 素。 金属发生重结晶相变，其余部分没发生相变的 原始铁素体晶粒粗大原始铁素体晶粒和细小铁素 体+珠光体晶粒混合区力学性能不均匀）、再结晶 区（晶粒外形发生变化，强度和硬度低于母材，塑 性和韧性较好）组成。 奥氏体不锈钢焊接接头组织 奥氏体不锈钢以固溶状态供货，组织为纯奥氏体 焊接条件下，除奥氏体之外，还有下列组织：针状 高温1250-1300铁素体3-5%高温铁素体，防 止裂纹。 二次铁素体在900-300之间形成产生在 近缝区母材上 西格玛相是一种铁和铬原子形成的金属

48、间化 合物，硬而脆由高铬铁素体转化而成。 C、晶粒度及夹杂物 1）晶粒度 钢的晶粒度大小对钢的性能有重要影响，室温下，钢的 晶粒度越小，强度和韧性越高，晶粒度分为起始晶粒度和 实际晶粒度： （1）起始晶粒度：钢加热达到刚高于AC3临界点时，这 时珠光体向奥氏体转变结束时的奥氏体晶粒很细小，通常 称为起始晶粒度。 （2）实际晶粒度 在交货状态下钢材的实际晶粒大小，以及经过不同热处理 后，钢材或零件体得到的实际晶粒大小。 （3）钢材的晶粒度分为16级，晶粒度级数越小，晶粒越 粗大，晶粒度级数越大，晶粒越细小。 （4）影响钢材实际晶粒度的因素 主要因素：加热温度，保温时间；温度越高，保温时 间越长，

49、晶粒越大； 其次原始组织状态、热加工、热处理等对钢的实际晶 粒度也有一定影响。 （5）钢的晶粒度测定：YB/T5184金属平均晶粒度 测定方法测定； 2）夹杂物 钢在高温冶炼及浇铸过程中，不可避免的出现一些 非金属夹杂物，即非金属化合物。 （1）夹杂物的危害;削弱有效工作断面，带来应力集中 ，显著降低钢的强度和韧性；其危害程度与夹杂物的类 型、大小、数量、形态分布等有关； （2）钢中夹杂物测定 GB/T10561钢中非金属夹杂物 显微评定方法进行检测与评定等级。 （3）常见夹杂物种类： 常见夹杂物分脆性夹杂物（氧化物及脆性硅酸盐） 和塑性夹杂物（硫化物及易变形的硅酸盐）等； 氧化物： AI2O

50、3氧化物，Al脱氧时所产生的细小难 熔、高硬度的脆性夹杂物。这种夹杂物热加工后不变形 ，而沿加工方向分布成短线状和颗粒带，对钢的疲劳性 能影响较大； 硫化物：硫化物如FeS、MnS及两者的固溶体（FeS- MnS），存在时这种夹杂物在热加工时能导致热脆； 硅酸盐：硅酸盐有硅酸亚铁、硅酸亚锰和锰铁硅酸 盐等，它有脆性硅酸盐和易变形的硅酸盐两种。 9、金属材料的腐蚀类型及其试验方法 腐蚀是金属材料与周围环境作用发生的损坏和变质； a、腐蚀的分类 按腐蚀环境分为化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀 、土壤腐蚀等，按作用机理可分为化学腐蚀、电化学腐蚀 和物理腐蚀；按破环形式可分局部腐蚀和均匀腐蚀。 b、均

51、匀腐蚀室指在整个合金材料表面上以比较均匀的 方式发生的腐蚀现象，是机械设备在实际使用中发生腐蚀 失效的基本形式，是选用材料时需要考虑的最基本性能； (1)、形貌特征：材料厚度逐渐减薄，甚至腐蚀穿透； 均匀腐蚀时代表材料总的重量损失，所以均匀腐蚀试 验可采用简单的浸泡试验、查阅资料或凭生产经验简单估 算设备寿命 (2)、最常用试验方法重量法，按标准GB/T10124 金属材料试验室均匀腐蚀全浸试验方法。 C、点腐蚀 设备的某些特定点域，形成向深处发展的腐蚀小坑，而金 属的大部分表面仍保持钝性的腐蚀现象。 （1）点腐蚀试验方法： 电化学方法GB/T17899 不锈钢点蚀电位测量方法 化学浸泡法GB

52、/T17897 不锈钢三氯化铁点腐蚀试验 方法 电化学方法主要是测量试样的不锈钢击穿部位，化学浸 泡法主要采用三氯化铁溶液进行点腐蚀化学加速试验。 d、晶间腐蚀 金属中各种溶质元素或金属化合物在晶粒晶界偏析或沉 淀，在某些腐蚀介质中，晶粒晶界优先被腐蚀，使晶粒之间 丧失结合力的局部破坏现象，称为晶间腐蚀； （1）不锈钢和镍基合金是通常会发生晶间腐蚀现象。 （2）不锈钢和合金晶间腐蚀试验方法有： 草酸电介质浸蚀法GB/T4334.1 不锈钢10%草酸 浸蚀试验方法硫酸-硫酸铁法法GB/T4334.2 不锈 钢硫酸-硫酸铁腐蚀试验方法沸腾硝酸法GB/T4334.3 不锈钢65%硝酸腐蚀试验方法硝酸

53、-氢氟酸法 GB/T4334.4 不锈钢硝酸-氢氟酸腐蚀试验方法 硫 酸-硫酸铜法GB/T4334.5 不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验 方法。 e、缝隙腐蚀 在电解质溶液中（特别是含有卤素离子的介质），在金 属与金属或非金属表面之间狭窄的缝隙内，由于溶液的移 动受到阻滞，在缝隙内溶液中氧耗竭后，氯氯离子即从缝 隙外向缝隙内迁移，又由于金属氯化物的水解自催化酸化 过程，导致钝化膜的破裂，因而产生与自催化点腐蚀相类 似的局部腐蚀。 （1）危害：破坏机械连接的整体性和密封面，给设备 的正常运行造成严重的障碍或失败，甚至出现破坏事故。 （2）缝隙腐蚀产生与工件的结构有关，通常发生在一 些电解质溶液停滞的缝

54、隙中或屏蔽的表面内，如法兰的连 接处、与铆钉、螺栓、垫片、垫圈、阀座、松动的表面沉 积物以及附着的海洋生物接触处、列管换热器换热管与管 板间隙等； （3）常用试验方法是三氯化铁化学浸泡GB/T10127 不锈钢三氯化铁缝隙腐蚀试验方法和电化学方法两种 。 f、应力腐蚀 工件在应力和腐蚀介质的联合作用下，将出现低于材料 强度极限的脆性开裂现象，致使设备和零部件失效，这种 现象称为应力腐蚀开裂。 （1）分类 根据介质的成分不同，开裂方式分为：氯裂、碱脆、 硝脆、氧脆等无预兆突然开裂。 （2）应力腐蚀开裂的特征 在极低的负荷应力下也产生开裂；腐蚀性极弱的介质 也能引起应力腐蚀开裂；全面腐蚀很轻，没有

55、变形预兆 ，会发生突然断裂。 （3）发生应力腐蚀必须满足材料、环境和应力三个条件 （4） 根据应力加载的方法，应力腐蚀试验方法有： 恒变形法：给定变形，对其在试验环境中的开裂 敏感性进行评定； 横载荷法：对试样沿轴向施加应力，在腐蚀介质 中试验，比较断裂时间的长短，或利用应力与断裂事件 的关系曲线，提出应力腐蚀开裂的临界应力； 慢应变速率法：在慢应力试验机上，在腐蚀介质中以 一定应变速率拉伸，直至断裂，分析试样破断情况和断口特 征等，以评定其应力腐蚀开裂敏感性； 断裂力学法：使用契型张开加载试样，对预先制有裂 纹的试样给以各种K值，测定裂纹停止扩展的临界值； （5）试验方法标准：GB/T415

56、7金属抗硫化物应力腐蚀 开裂恒负荷拉伸试验方法、 GB/T17898不锈钢在沸腾 氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法、 GB/T10126铁-铬- 镍合金在高温水中应力腐蚀试验方法等，其他腐蚀方法如 氢脆和高温氧化等。 G、其他腐蚀 1）氢脆 金属材料因吸收氢而导致塑性降低，性能恶化的现 象； 2）高温氧化：金属材料与氧气在高温下反应生成金属氧化 物的过程，广义的讲，反应气体可以是卤族元素、硫、碳、 氮等，其反应生成的产物膜统称为氧化膜。 二 、压力容器用材料 1、法规、标准对压力容器用材料要求法规、标准对压力容器用材料要求 1 1）压力容器材料特点）压力容器材料特点 （1）材料应具有满足容器的安全

57、使用性能； （2）具有良好的加工工艺性能； （3）与一般材料标准相比具有更为严格的要求如成分、 力学性能等方面，见表 8和表9 ； 2 2）容器用材料的要求）容器用材料的要求 （1）受压元件用钢应为氧气转炉或电炉冶炼的镇静钢； （2）Rm540Mpa低合金钢板、双相不锈钢板、-20以下 低温钢板或低温钢锻件应进行炉外精炼。 （3）压力容器受压元件用钢板、钢管和钢锻件的断后伸 长率应符合容规应用标准要求及相应钢材标准的规定。 （4）焊接材料力学性能高于或等于母材规定值，当需要 时，其他性能不低于母材。 表8 容器用钢的化学成分要求 钢材类别碳含量(%)磷含量(%)硫含量(%)备注 碳 素 钢 、

58、 低 合 金 钢 结构 0.25% 0.035%0.035% 焊接用钢 压 力 容 器 专 用 钢 0.25% 0.030%0.020% 容器用钢 0.25% 0.025%0.015% 540Mpa 0.25% 0.025%0.012% -20低温钢 540Mpa 0.25% 0.020%0.010% -20低温钢 540Mpa 表表9 9 力学性能要求力学性能要求 厚度6mm的钢板、直径和厚度可以制备5mm小尺 寸冲击试样的钢管，任何尺寸锻件，按照设计要求的冲 击试验温度下进行V型缺口冲击试验并符合下表要求： 钢材标准抗拉强度下限 值Rm(Mpa) 3个标准试样冲击 功平均值 KV2(J)

59、焊接结构用钢的断后 伸长率 A(%) 420 2023 420-450 2020 450-510 2420 510-550-570 3120， 17 570-630 3417 630-690 3817 3）无损检测要求 对于盛装介质毒性程度为极度、高度危害、在湿 H2S腐蚀环境中使用、设计压力大于等于10MPA、相 关标准要求进行超声检测的，厚度大于或等于12mm的 碳素钢板、低合金钢板用于制造单层压力容器壳体时， 需要逐张超声检测，按JB/T4730规定，II级合格或相关 标准要求。 2、锅炉压力容器用钢 压力容器用钢可采用板、管、锻件及棒材。 2.1、锅炉压力容器用钢的牌号和性能 碳素钢、

60、低合金钢、奥氏体不锈钢是制造锅炉压力 容器的常用钢种，根据使用要求，可采用铜、铝、钛、镍 、鋯、钽及合金，铁素体不锈钢，双相不锈钢及与钢的复 合板均可用于压力容器制造。 1）普通低碳钢 Q X X XX X 脱氧方法(F、b、Z、TZ) 质量等级（A、B、C、D） 屈服强度值（Mpa） 屈服强度的汉语拼音第一个字母 常用的普通低碳钢牌号有Q235B、Q235C, 现行钢板标准为GB/T912-1989和GB/T3274-1988 钢材的化学成份主要以少量的C（0.20/0.18）、 Si(0.12-0.30)、Mn(0.70/0.80)为合金元素,材料的 强度较低，一般Rm=375-500Mp