第一章金属热处理基本知识

1、薛振林 陆志春承压类特种设备无损检测承压类特种设备无损检测相关知识相关知识 薛振林 陆志春 NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材薛振林 陆志春金属材料的性能u使用性能使用性能：为了保证零部件、设备、结构能正常工作所应具备的性能：为了保证零部件、设备、结构能正常工作所应具备的性能主要有：主要有： 力学性能力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等：强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等 物理性能：物理性能：密度、熔点、导热性、热膨胀性等密度、熔点、导热性、热膨胀性等 化学性能化学性能：耐腐蚀性、热稳定性：耐腐蚀性、热稳定性使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和

2、使用寿命使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命 u工艺性能工艺性能：制造过程中适应各种冷热加工工艺的性能。：制造过程中适应各种冷热加工工艺的性能。 热加工：热加工：铸造、焊接、热处理铸造、焊接、热处理 冷加工：冷加工：压力加工、切削加工。压力加工、切削加工。决定了材料被加工的难易程度，它对制造成本、生产效率、产品质量有决定了材料被加工的难易程度，它对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。重要影响。薛振林 陆志春1.11.1材料力学的基本知识材料力学的基本知识n1.1.11.1.1应力与应变应力与应变n（1 1）内力内力：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，

3、：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用下产生的附加内力的结果，通常简称它为内力。下产生的附加内力的结果，通常简称它为内力。PPPPNN薛振林 陆志春1.2.11.2.1应力与应变应力与应变n 应变与应力：应变与应力：n应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变量称为应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的

4、相对改变量称为应变；应变；（L L1 1L L0 0）/L/L0 0n应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力称为正应力。力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力称为正应力。PPLL1L0PP薛振林 陆志春1.1.21.1.2强度强度n定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，主要有主要有屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度。材料强度可以通过拉伸试验。材料强度可以通过拉伸试验测出。测出。n金属材料拉伸试验金属材料拉伸试

5、验n1 1）拉伸试样）拉伸试样拉伸试样拉伸试样(GB/T228-2002)(GB/T228-2002)长试样：长试样：L L0 0 = = 1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0 = = 5 5d d0 0P PP P拉伸试验薛振林 陆志春图3-1 金属试样图3-2 低碳钢应力应变曲线薛振林 陆志春n2）低碳钢拉伸试验曲线）低碳钢拉伸试验曲线低碳钢应力应变图薛振林 陆志春n弹性阶段弹性阶段：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎克：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎克定律），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对应的定律），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对应的应变值应变

6、值e e，称为比例极限，称为比例极限p p 。 3）拉伸试验曲线分析）拉伸试验曲线分析薛振林 陆志春n屈服阶段屈服阶段：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增加：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增加（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力，此（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力，此时的应力称为屈服极限或称时的应力称为屈服极限或称屈服强度屈服强度S S 。若以材料塑性伸。若以材料塑性伸长长0.20.2作为屈服极限，则其屈服强度用作为屈服极限，则其屈服强度用0.20.2表示。表示。n强化阶段强化阶段：当变形超过屈服阶段，材料又恢复了对继续变：当变形超过屈服阶段，材料又恢复了

7、对继续变形的抵抗能力，为使材料继续变形必须增加应力值，这种现形的抵抗能力，为使材料继续变形必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象，或称强化阶段。相应的拉力是拉伸过象称为加工硬化现象，或称强化阶段。相应的拉力是拉伸过程中试样承受最大的，此时相应的应力即为程中试样承受最大的，此时相应的应力即为抗拉强度抗拉强度b b薛振林 陆志春n颈缩阶段颈缩阶段：当外加应力达到材料抗拉强度：当外加应力达到材料抗拉强度bb后，试件后，试件某一局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。某一局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。薛振林 陆志春应用应用n抗拉强度抗拉强度bb、屈服强度、屈服强度ss是是评价材料性能评价材

8、料性能（强度）的两个（强度）的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工主要指标。一般特种设备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，所以在特种设备设计中都选择作的，不允许发生塑性变形，所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。了适当的安全系数来保证。n一般设计若以屈服强度一般设计若以屈服强度ss作为指标时，锅炉规范规定安全作为指标时，锅炉规范规定安全系数系数NsNs1.51.5，压力容器规范规定安全系数，压力容器规范规定安全系数NsNs1.61.6；若采用；若采用抗拉强度抗拉强度bb作为指标时，锅炉规范规定安全系数作为指标时，锅炉规范规定安全系数NbNb

9、2.72.7，压力容器规范规定安全系数压力容器规范规定安全系数NbNb3.03.0。薛振林 陆志春1.1.31.1.3塑性塑性n定义：定义： 塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。形的能力。n评定与计算：评定与计算： 材料塑性的指标通常用伸长率材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率和断面收缩率，伸长，伸长率可用右式确定：率可用右式确定： （L L1 1L L0 0）/L/L0 0100100； 式中：式中：L L0 0试件原标距长度，试件原标距长度， L L1 1拉断后试件标距长度。拉断后试件标距长度。 断面收缩率可用右式确定：断

10、面收缩率可用右式确定： （A A0 0A A1 1）/A/A0 0100100 式中：式中：A A0 0试件原来截面积，试件原来截面积， A A1 1拉断后试件颈缩处的截面积拉断后试件颈缩处的截面积薛振林 陆志春应用应用n伸长率伸长率与试样的与试样的长度长度有关，不同试样长有关，不同试样长度的伸长率不能比较塑性的优劣；度的伸长率不能比较塑性的优劣；n断面收缩率断面收缩率与试样的与试样的长度长度无关。无关。n锅炉压力容器对材料塑性有要求的，锅炉压力容器对材料塑性有要求的，一一是要适应冷加工成形，二是要求设备在是要适应冷加工成形，二是要求设备在破坏前有较大的变形破坏前有较大的变形，破坏时无碎片，破

11、坏时无碎片，但是有一定限度的，并不是越大越好，但是有一定限度的，并不是越大越好，应合理选择。单纯追求塑性会限制材料应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力，造成材料的极大浪费，设的使用能力，造成材料的极大浪费，设备也相当庞大。备也相当庞大。薛振林 陆志春1.1.41.1.4硬度硬度n定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。n工程上常用硬度试验方法：工程上常用硬度试验方法：布氏硬度布氏硬度HBHB、洛氏硬度、洛氏硬度HRHR、维、维氏硬度氏硬度HVHV、里氏硬度、里氏硬度HLHL。n应用：应用：nHBHB主要用于测定硬度较低的材料，如退

12、火、正火、调质处理主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正火、调质处理的钢材。低碳钢的钢材。低碳钢 b b0.36HBnHRHR主要用于测定硬度较高的材料，其中主要用于测定硬度较高的材料，其中HRBHRB测定同测定同HBHB，HRAHRA和和HRCHRC用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。nHVHV主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组织中不同区域主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组织中不同区域的硬度，测定焊缝不同区域的硬度。的硬度，测定焊缝不同区域的硬度。nHLHL主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测后可以直接读主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测后可

13、以直接读出硬度值，并能及时转换为布、洛、维等各种硬度值。出硬度值，并能及时转换为布、洛、维等各种硬度值。薛振林 陆志春硬度试验图示硬度试验图示洛氏硬度（洛氏硬度（HR）测量方法）测量方法布氏硬度（布氏硬度（HB）测量方法）测量方法薛振林 陆志春钢球压头与金刚钢球压头与金刚石压头石压头洛氏硬度洛氏硬度压压痕痕维氏硬度（维氏硬度（HV）测量方法）测量方法薛振林 陆志春薛振林 陆志春1.1.51.1.5冲击韧度冲击韧度n（1 1）定义：）定义： n韧性：是指金属材料抵抗冲击力而不被破坏的能力。有些金属材料在承担静载荷时，显示较高强度。但当承担冲击力时，却显得非常脆弱，我们就说这些材料的韧性较差。n冲

14、击韧性：冲击韧性：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。时消耗能量大小的特性。n（2 2）试验：）试验： 通常是在通常是在摆式冲击试验机摆式冲击试验机上测定的。上测定的。n冲击韧度冲击韧度kuku（kuvkuv）AkAkSN SN 。n标准试样时用标准试样时用AkAk表示。表示。 如标准试样截面为如标准试样截面为101010mm10mm (3) (3)影响冲击韧性值的因素影响冲击韧性值的因素 试样的尺寸、试样的尺寸、试样缺口的形式（试样的缺口型式有夏比夏比U U型和夏型和夏比比V V型型两种）、试验温度、材料的化学成分，冶金质量，组织状态，内部缺

15、陷等 薛振林 陆志春图3-3 冲击试验机薛振林 陆志春1.1.51.1.5冲击韧度冲击韧度n应用：应用： 材料冲击韧性的高低，取决于材料材料冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形有无迅速塑性变形的的能力，能力，冲击韧性高的一般都有较高的塑性，但塑性较高的材冲击韧性高的一般都有较高的塑性，但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性料却不一定都有较高的冲击韧性。 冲击韧性是对材料的冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态、化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标，同时也等比较敏感的一个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要

16、指标。是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。温度对冲击韧度的影响温度对冲击韧度的影响n用于制作承压类特种设备受压元件所用的钢材在常温、静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。人们在使用这些材料时，对可能会发生的脆性破坏往往不够注意，实际上，在一些不利的条件或环境下使用的塑性材料会发生脆化，即塑性和韧性降低的现象，这一现象对承压类特种设备的使用安全是不利的。薛振林 陆志春冲击试样n2、脆性分类脆性分类n1）冷脆性冷脆性随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性低温下呈现的脆性称为冷脆性。n 用落锤冲击试验判断冷脆性.材料在低

17、温度下工作时，由塑性状态转变为脆性状态，使材料的冲击韧性值急剧降低的温度。材料由塑性破坏转变到脆性破坏的上限温度上限温度称为韧脆转变温度。n上图为用低碳钢材料制作的有缺口的试样，进行冲击试验，得到的冲击韧度随温度变化的典型曲线。可以看出随着温度降低，值不断减小，即材料的韧性降低，脆性增加。要防止发生低温脆性破坏，钢材的最低允许工作温度就应高于韧脆转变温度的上限。薛振林 陆志春1.1.7 脆性脆性薛振林 陆志春1.1.7 脆性转变温度脆性转变温度n3、影响脆性转变温度的因素n1）含碳量含碳量越高，脆性转变温度越高，对在低温度下工作的安全性不利；n2）合金元素Mn、Ni能降低脆性转变温度n3）含氢

18、量含氢越多越容易导致氢脆氢脆金相图2（0.2m）氢脆金相图1（10m）薛振林 陆志春1.1.7 脆性脆性n2）热脆性热脆性钢材长时间停留在400500后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。注意脆化温度,无损检测不能检测和判断热脆性,用冲击试验判断。n值得注意的是具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化，仍具有较高的冲击韧度，只有当冷却至室温时，才显示出脆化现象。薛振林 陆志春1.1.7 脆性脆性n3）氢脆氢脆钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。氢脆主要发生在碳钢和低合金钢。称为氢脆。氢脆主要发生在碳钢和低合金

19、钢。不同屈服极限的钢氢脆关系曲线 n当钢材中存在氢，而应力当钢材中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。氢对钢材的脆生氢脆断裂。氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高化过程是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展过程。应力作用下的扩展过程。n由图可见，钢材的强度愈由图可见，钢材的强度愈高（所承受的应力愈大），高（所承受的应力愈大），对氢脆愈敏感。容器中工作对氢脆愈敏感。容器中工作应力及残余应力是导致氢脆应力及残余应力是导致氢脆很重要的因素。很重要的因素。n钢中氢的主要来源：钢中氢的主要来源：n1 1）冶炼过程中氢溶于钢水中；）冶炼过程中氢溶于钢水中；n2 2）钢材在

20、较高温度时暴露在空气中吸收较多氢，如锻造）钢材在较高温度时暴露在空气中吸收较多氢，如锻造加热时。焊接时油、水、有机物分解等产生的氢；加热时。焊接时油、水、有机物分解等产生的氢；n3 3）工作介质中的氢，如酸洗时的氢，湿硫化氢；）工作介质中的氢，如酸洗时的氢，湿硫化氢；n注意：注意：n1 1）能进入钢中的和在钢中扩散的是氢原子，不是分子）能进入钢中的和在钢中扩散的是氢原子，不是分子n2 2）无损检测方法是无法检出氢脆的。）无损检测方法是无法检出氢脆的。n氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可能几天。能几天。n氢脆断裂只发生在氢脆断

21、裂只发生在100100150150的温度范围内的温度范围内, ,因为很低的因为很低的温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。薛振林 陆志春n（4）苛性脆化 碳钢或低合金钢在含苛性钠（NaOH）很高的介质中引起的晶间腐蚀，钢材 外观看不出，但其冲击韧性降低很多的现象，主要发生在应力较大的部位，如锅炉上的胀接部位，焊接残余应较大部位。n（5）应力腐蚀脆性破坏 钢材在特定的介质中在拉应力的作用下产生的晶间腐蚀，外观无变化，但到一定时间

22、发生脆性破坏。 一般钢材强度级别高的材料对应力腐蚀倾向敏感应力腐蚀三要素：拉应力、腐蚀介质、敏感材料应力腐蚀三要素：拉应力、腐蚀介质、敏感材料钢材的脆性钢材的脆性1.2.71.2.7疲劳疲劳n疲劳疲劳在交变载荷（大小、方向呈周期性变化）的作用下，材料断裂时的应力远低于其抗拉强度，甚至低于屈服强度，这种破坏现象叫疲劳破坏。 疲劳强度-1表示在无数次（钢常常以107次）交变载荷作用下仍不会断裂时所能承受的最大应力值。一般 -1（0.4-0.6）b 提高疲劳强度的方法 1）改善零件结构，避免应力集中； 2）提高零件表面光洁度； 3）进行表面热处理（降低应力，改善组织）。薛振林 陆志春1.1.6 应力

23、集中应力集中n1、应力集中的、应力集中的定义定义：n由于承载截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象由于承载截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象称为称为应力集中。如应力集中。如:结构件的凸台、焊缝、焊接缺陷等。结构件的凸台、焊缝、焊接缺陷等。n应力集中系数a应力集中的程度通常用最大局部应力与该截面上的名义应力之比来衡量，称为应力集中系数a，n 即a= max/ 。应力集中的概念应力集中的概念n2、影响应力集中的、影响应力集中的因素因素：n1）与缺口大小有关，缺口越大，应力集中越大；）与缺口大小有关，缺口越大，应力集中越大；n2）与缺口的尖锐程度有关，缺口越尖锐，即缺口根部曲率）与缺

24、口的尖锐程度有关，缺口越尖锐，即缺口根部曲率半径越小，应力集中就越大。半径越小，应力集中就越大。n在承压类特种设备中，构件横截面尺寸发生突变往往是缺陷在承压类特种设备中，构件横截面尺寸发生突变往往是缺陷引起的，这些缺陷统称为引起的，这些缺陷统称为缺口缺口，例如表面损伤、焊缝咬边、，例如表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。在各种缺陷形成的气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。在各种缺陷形成的缺口中，以裂纹的根部曲率半径最小，所以缺口中，以裂纹的根部曲率半径最小，所以裂纹裂纹引起的应力引起的应力集中最为严重。集中最为严重。1.2.91.2.9屈强比的概念屈强比的概念n定义：n材料

25、的屈服极限和强度极限的比值，即s b称为屈强比。n屈强比是七十至八十年代常用的描述高强度金属材料的一个术语。n这个值越小，表示材料的屈服极限和强度极限的差距越大，材料的塑性越好，使用中的安全裕度越大；相反，如果屈强比值较大，则表示该材料的屈服极限与强度极限较接近，材料在断裂前的塑性“储备”较少，使用中的安全裕度相对较小。1.2.91.2.9屈强比的概念屈强比的概念n使用高屈强比的材料可以节省材料用量，但这类材料对应力集中较为敏感，抗疲劳性能较差，较易出现加工硬化现象而使材料变脆。n钢的强度等级越高，其屈强比也越高。 所以对高强度钢，特别是抗拉强度下限大于540MPa的低合金高强度钢材料的使用要

26、十分注意。1.2.91.2.9屈强比的概念屈强比的概念 一般说来，对屈强比大于0.7的材料就应加以重视，对屈强比大于0.8的材料更要从严控制，谨慎处理：结构设计时应尽量避免局部应力过高或应力集中，制造时要尽量避免加工硬化，减少残余应力。对设备的表面质量要求更高，例如表面成形要圆滑过渡，对表面各种划伤和损伤的控制更严，焊缝不允许咬边等。无损检测的应用也有所增加，检测比例进一步扩大，对允许存在的各种缺陷的限制应从严。薛振林 陆志春1.21.2金属学与热处理基本知识金属学与热处理基本知识n1.2.11.2.1金属的晶体结构金属的晶体结构n定义：定义：n内部原子内部原子呈规则排列呈规则排列的物质称为的

27、物质称为晶体晶体，原子的排列方式称，原子的排列方式称为为晶体结构晶体结构。n晶体特性n1）具有一定的熔点；n2）各向异性（不同方向上其导电性、弹性强度等性能不一样）；n3）在一定条件下（压力和温度）可以发生状态转变。n晶体结构种类：有晶体结构种类：有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格方晶格，实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫，实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体多晶体。n晶格晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成。用假想的直线将原子中心连接起来所形成。n 金属材料在冶炼过程中是由高温的液态金属冷却转变为固态金属的结晶过程，结晶总是从晶核开始

28、（晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成），液体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大，直至所有的晶粒长大到互相接触，结晶即告结束。薛振林 陆志春薛振林 陆志春1.2.11.2.1金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方体心立方bcc面心立方面心立方fcc密排六方密排六方hcp铁的同素异构转变：铁的同素异构转变：铁铁 铁铁 铁铁 体心立方体心立方 面心立方面心立方 体心立方体心立方 当晶体结构改变时，金属的性能当晶体结构改变时，金属的性能(如体积、强度、塑性、磁性、导电性等如体积、强度、塑性、磁性、导电性等)往往要发生突变。往往要发生突变。 1394 912 薛振林 陆志春同素异构转变 同素异构同

29、素异构转变：金转变：金属在固态属在固态下晶格随下晶格随温度发生温度发生改变的现改变的现象。象。薛振林 陆志春n大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异构性。质称为同素异构性。n 纯铁是具有同素异构性的金属，如图是铁的同素异构转变纯铁是具有同素异构性的金属，如图是铁的同素异构转变的冷却曲线。的冷却曲线。金属的同素

30、异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放出和过冷现象。出和过冷现象。n铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。薛振林 陆志春1.2.11.2.1金属的晶体结构金属的晶体结构n（4 4）晶体缺陷）晶体缺陷 实际晶体的原子排列并非完美无缺，在排列中常常会出现原子排列不实际晶体的原子排列并非完美无缺，在排列中常常会出现原子排列不规则的地方，称为晶体缺陷。晶体缺陷有三类规则的地方，称为晶体缺陷。晶体

31、缺陷有三类n点缺陷点缺陷：晶格空位、间隙原子、异类原子：晶格空位、间隙原子、异类原子n线缺陷线缺陷：位错：位错n面缺陷面缺陷：晶体的外表面和内表面：晶体的外表面和内表面( (晶界、亚晶界、位错墙晶界、亚晶界、位错墙) )间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位置代原子置代原子晶体点缺陷晶体点缺陷位错位错薛振林 陆志春1.2.11.2.1金属的晶体结构金属的晶体结构 （4 4）缺陷对金属的影响）缺陷对金属的影响n晶体缺陷晶体缺陷使晶格发生了畸变，结果使金属不容易发生变形，使晶格发生了畸变，结果使金属不容易发生变形，表现为表现为屈服强度和抗拉强度的升高屈服强度和抗拉强度的升高。n位错位错的存在，使原子间容

32、易产生滑移，相当于金属容易产生的存在，使原子间容易产生滑移，相当于金属容易产生塑性变形，强度降低塑性变形，强度降低。但只要。但只要位错很密时位错很密时，位错与位错緾绕，位错与位错緾绕在一起，又不容易变形了，此时在一起，又不容易变形了，此时强度升高强度升高了。了。n面缺陷面缺陷 晶粒细金属材料强度硬度也大晶粒细金属材料强度硬度也大, ,但由于界面能的存但由于界面能的存在在, ,使晶界的熔点低于晶粒内部使晶界的熔点低于晶粒内部, ,容易腐蚀和氧化容易腐蚀和氧化薛振林 陆志春1.2.21.2.2铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（1）名词解释）名词解释n1）合金合金：是指由：是指由两种或两种以上元

33、素组成两种或两种以上元素组成的具有的具有金属特金属特 性性的物质。的物质。 组成合金的元素即可全部是金属，也可是金属与非组成合金的元素即可全部是金属，也可是金属与非金属。合金有固溶体和金属化合物两大类金属。合金有固溶体和金属化合物两大类 n2）固溶体固溶体 ：合金组元通过：合金组元通过溶解溶解形成一种成分和性能均匀的、形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 如糖溶于水后结成冰就成为糖与水的固溶体。如糖溶于水后结成冰就成为糖与水的固溶体。n与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶剂溶剂。其它元素称。其它元素

34、称溶质溶质。 n按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体置换固溶体和间隙固溶体。 薛振林 陆志春1.2.21.2.2铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织na、 置换固溶体置换固溶体 n溶质原子溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。所形成的固溶体。 nb、间隙固溶体间隙固溶体 n溶质原子溶质原子嵌入溶剂晶格间隙嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如质元素是原子半径较小的非金属元素，如 C、N、B等，而溶剂元素等，而溶剂元素一般是过渡族元素。一般是过渡族元

35、素。 n3）金属化合物：金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同晶体结构均不相同的固相。的固相。 金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性， 并可用分子式并可用分子式表示其组成。如表示其组成。如Fe3C n当合金中出现金属化合物时，可提高其强当合金中出现金属化合物时，可提高其强 度、硬度和耐磨性，但降度、硬度和耐磨性，但降低塑性。低塑性。 薛振林 陆志春1.2.21.2.2铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织n（2 2）铁碳合金铁碳合金铁与碳的合金，铁与碳形成的化合物为铁与碳的合金，铁与碳形成的化合物为Fe3C 、F

36、e2C、 FeC ，其中，其中FeC含碳量为含碳量为6.67。含碳量大于。含碳量大于6.67的铁碳的铁碳合金没有实用意义，所以铁碳合金只研究小于合金没有实用意义，所以铁碳合金只研究小于6.67这部分。这部分。n通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量0.020.022.02.0的称的称为为钢钢，含碳量大于，含碳量大于2.02.0的称为的称为铸铁铸铁。锅炉压力容器压力管道用钢含。锅炉压力容器压力管道用钢含碳量一般低于碳量一般低于0.250.25。n结晶结晶由液态转变为晶体的过程，如由液态转为固态的过程称为凝固。由液态转变为晶体的过程，如由液态转为固态的

37、过程称为凝固。n共析共析-从一种成份固体中同时分解出两种成份的固体的过程从一种成份固体中同时分解出两种成份的固体的过程薛振林 陆志春（3）铁碳合金相图）铁碳合金相图薛振林 陆志春（3）铁碳合金相图）铁碳合金相图n需要注意的特性点和特性线n A点：纯铁的熔点 1538 n C点：共晶点 1148n D点：渗碳体的熔点 1227n S点：共析点 727n G点：纯铁的同素异晶转变点 912n E点：C在-Fe中最大溶解度 1148n P点：C在-Fe中最大溶解度 727 n Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度nABCD线：液相线nAECF线：固相线nPSK线:也称A1线表示钢在缓慢冷却时A开始转变

38、为P的温度线或在缓慢加热时P开始转变为A的温度线nGS线:也称A3线表示钢在缓慢冷却时A开始析出F的温度线或在缓慢加热时F开始转变为A的终止温度线nES线:也称ACm线表示钢在缓慢冷却时A开始析出Fe3C的温度线或在缓慢加热时Fe3C开始转变为A的终止温度线薛振林 陆志春（4 4）基本组织形式）基本组织形式n1 1）铁素体）铁素体：n碳与合金元素溶解于碳与合金元素溶解于铁或铁或铁中的固溶体，用符号铁中的固溶体，用符号“F”表表示。示。 铁和铁和铁都是体心立方晶格，前者是指温度低于铁都是体心立方晶格，前者是指温度低于910的铁，后者是温度在的铁，后者是温度在13901535之间的铁。之间的铁。n

39、铁素体的溶碳能力极差，在铁素体的溶碳能力极差，在727溶碳溶碳量最大时也仅有量最大时也仅有0.022。铁素体的强度、。铁素体的强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770以下具有铁磁性，超过以下具有铁磁性，超过770则丧则丧失铁磁性。失铁磁性。n铁素体性能接近纯铁，硬度低（约为铁素体性能接近纯铁，硬度低（约为80100HB），塑性好。固溶有合金元），塑性好。固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。素的铁素体能提高钢的强度和硬度。n铁素体仍然保持体心立方晶格铁素体仍然保持体心立方晶格 。薛振林 陆志春2 2）奥氏体：）奥氏体：n碳与合金元素溶解于碳与合金元

40、素溶解于铁中的固溶体，用符号铁中的固溶体，用符号“A”表示。表示。 铁是面心立方铁是面心立方晶格，奥氏体溶碳能力较大，最大可达晶格，奥氏体溶碳能力较大，最大可达2.11（1148），在），在727溶溶碳量为碳量为0.77。在铁碳合金系中，奥氏体仅存在于。在铁碳合金系中，奥氏体仅存在于727以上的高温范以上的高温范围内。奥氏体不具有铁磁性。围内。奥氏体不具有铁磁性。 nA强度、硬度比F高，但A仍然是单一的固溶体，所以塑性良好，变形抗力较低，即绝大多数钢在高温下进行压力加工和热处理都要求在A区内进行。n奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，布氏硬度值一般为170220HB，是钢中比容最小的组织。n奥氏

41、体仍然保持Fe的面心立方晶格 薛振林 陆志春3 3）渗碳体：）渗碳体：n铁和碳的金属化合物，其含碳量为铁和碳的金属化合物，其含碳量为6.67，符号为，符号为Fe3C。渗碳体。渗碳体的硬度（约为的硬度（约为700HB）很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。）很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体在渗碳体在217以下具有铁磁性。以下具有铁磁性。n渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中碳大部分以渗碳体存在。n根据铁碳平衡图，渗碳体可分为：一次渗碳体，多呈柱状；二次渗碳体多以白色网状出现；三次渗碳体，多以白色网状出现。n渗碳体在低温下有弱磁性，高于217磁性消失。渗碳体的熔化温度约

42、为1227。薛振林 陆志春4 4）珠光体：）珠光体：n珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为0.77的碳钢共析转的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。它有较高的硬度它有较高的硬度和强度，塑性较好。和强度，塑性较好。n珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距越小。越小。n按片间距的大小，又可分为珠光体、索按片间距的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体。由于它们没有本质上区别，氏体和屈

43、氏体。由于它们没有本质上区别，统称为珠光体。统称为珠光体。n金属实际结晶温度金属实际结晶温度Tn总是低于理论结晶总是低于理论结晶温度温度To，两者之差称为过冷度。，两者之差称为过冷度。n过冷是金属结晶的必要条件过冷是金属结晶的必要条件。 珠光体onTTT=-onTTT=-T薛振林 陆志春1.2.31.2.3热处理的一般过程热处理的一般过程n定义定义：热处理是将固态金：热处理是将固态金属及合金属及合金按预定的要求进行按预定的要求进行加热、保温和冷却加热、保温和冷却，以，以改变改变其内部组织其内部组织从而获得所要求从而获得所要求性能的一种工艺过程。性能的一种工艺过程。 n热处理过程：主要是由热处理

44、过程：主要是由加加热、保温（时间）、冷却热、保温（时间）、冷却三三个阶段构成的，个阶段构成的，温度和时间温度和时间是影响热处理的主要因素，是影响热处理的主要因素，因此热处理过程都可以用温因此热处理过程都可以用温度时间曲线来表述。度时间曲线来表述。时间时间温度温度加热加热加热温度加热温度冷却冷却保温时间保温时间热处理基本工艺曲线薛振林 陆志春1.2.31.2.3热处理的一般过程热处理的一般过程n钢的热处理过程：钢的热处理过程：n1 1）加热加热时使钢的时使钢的常温组织转变为奥氏体常温组织转变为奥氏体（珠光体（珠光体P P向奥氏体向奥氏体A A的转变），使剩余铁素体的转变），使剩余铁素体F F向奥

45、氏体向奥氏体A A溶解，直至组织为单溶解，直至组织为单一奥氏体一奥氏体A A。n2 2）保温保温时使晶粒内的成分扩散均匀，获得时使晶粒内的成分扩散均匀，获得均匀的奥氏体均匀的奥氏体A A。n3 3）冷却冷却时使时使奥氏体奥氏体A A分解分解，随着冷却速度的不同，奥氏体分，随着冷却速度的不同，奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化（珠光解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化（珠光体、铁素体或马氏体等）。体、铁素体或马氏体等）。薛振林 陆志春n按冷却速度可以分为等温冷却和连续冷却n等温冷却是将某温度的奥氏体急冷至某温度如700，然后在此温度下保温，让奥氏体进行转变。时间-温

46、度曲线 称TTT曲线n连续冷却是将某温度的奥氏体连续冷却，奥氏体在冷却过程中进行转变。时间温度曲线称CCT曲线共析钢的等温转 变曲线（TTT）共析钢的连续冷却转变曲线（共析钢的连续冷却转变曲线（CCTCCT）薛振林 陆志春1.2.41.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能承压类特种设备用钢常见金相组织和性能n奥氏体奥氏体A AFeFe（C C）：n是碳在是碳在-Fe-Fe中的固溶体中的固溶体, ,在合金钢中是碳和合金元素溶解在在合金钢中是碳和合金元素溶解在-Fe-Fe中的固溶体。中的固溶体。n奥氏体塑性很高，硬度和屈服奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，是钢中比容最小的组点较低，是钢中比容

47、最小的组织。织。n奥氏体保持奥氏体保持-Fe的面心立方的面心立方晶格，在金相组织中为规则的晶格，在金相组织中为规则的多边形。多边形。薛振林 陆志春1.2.41.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能承压类特种设备用钢常见金相组织和性能n铁素体铁素体F FFe(C)Fe(C)：nF F是碳与合金元素溶解在是碳与合金元素溶解在-Fe-Fe中的固溶体。中的固溶体。n其性能接近纯铁，硬度低，塑性其性能接近纯铁，硬度低，塑性好。好。n固溶有合金元素的铁素体能提高固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。钢的强度和硬度。n常温下含碳量为常温下含碳量为0.008。n保持保持-Fe的体心立方晶格，在的体

48、心立方晶格，在金相组织中为规则多边形。金相组织中为规则多边形。薛振林 陆志春1.2.41.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能承压类特种设备用钢常见金相组织和性能n渗碳体渗碳体Fe3CFe3C：n是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中大部分是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中大部分以渗碳体存在。以渗碳体存在。n渗碳体在低温下为弱磁性，渗碳体在低温下为弱磁性，熔化温度为熔化温度为12271227其含碳量其含碳量为为6.676.67，硬度高，脆性，硬度高，脆性大，塑性近似于零大，塑性近似于零薛振林 陆志春1.2.41.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能承压类特种设备

49、用钢常见金相组织和性能n珠光体珠光体 P P：n是铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为是铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为0.770.77的碳钢共析转变的产的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。按其片层状间距大小物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。按其片层状间距大小可分为珠光体、索氏体和屈氏体。可分为珠光体、索氏体和屈氏体。n在金相组织中，多为铁素体和渗碳体在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲，在一定热处理条件下（球化退弯曲，在一定热处理条件下（球化退火或工件在高温下长期工作，珠光体火或工件在高温下长期工

50、作，珠光体会球化即球化组织，亦叫粒状珠光体。会球化即球化组织，亦叫粒状珠光体。1.3.41.3.4承压类特种设备用钢常见金相组织和承压类特种设备用钢常见金相组织和性能性能n珠光体、索氏体和屈氏体没有本质的区别，故可统称为珠珠光体、索氏体和屈氏体没有本质的区别，故可统称为珠光体。光体。n粗片状珠光体，是奥氏体在650700高温分解的产物，硬度约为190230HB，用一般金相显微镜（500倍以下）能分辨Fe3C片。n索氏体S，是奥氏体在600650高温分解的产物，硬度约为240320HB，用高倍显微镜放大1000倍才能分辨Fe3C片。n屈氏体T，是奥氏体在550600高温分解的产物，硬度约为330

51、400HB，用电子显微镜放大10000倍才能分辨Fe3C片。屈氏体屈氏体索氏体索氏体n珠光体在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲。在一定热处理条件下（球化退火或高温回火），渗碳体以颗粒状分布于铁素体基底之上，即球化组织，亦叫粒状珠光体。在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲，在一定热处理条件下（球化退火或工件在高温下长期工作，珠光体会球化即球化组织，亦叫粒状珠光体。1.3.4承压类特种设备用钢常见金相组织和承压类特种设备用钢常见金相组织和性能性能薛振林 陆志春1.2.41.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能承压类特种设备用钢

52、常见金相组织和性能n马氏体马氏体 M M：n是碳在是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体。是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点中的过饱和固溶体。是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点之下发生无扩散性相变的产物，形成了体心正方晶格。当钢高温奥氏体之下发生无扩散性相变的产物，形成了体心正方晶格。当钢高温奥氏体化之后，若快速冷却至马氏体点以下时，由于化之后，若快速冷却至马氏体点以下时，由于FeFe在低温下结构不稳在低温下结构不稳定，便转变为定，便转变为FeFe，但冷却速度快，钢中碳原子来不及扩散，保留了，但冷却速度快，钢中碳原子来不及扩散，保留了高温时母相奥氏体的成分高温时母相奥氏体的成分. . n钢的含碳量

53、不同得到的马氏体形态也不同，低碳钢淬火得到的是条状马钢的含碳量不同得到的马氏体形态也不同，低碳钢淬火得到的是条状马氏体，其性能较好。含碳量较大时得到的马氏体是片状马氏体，其性能较氏体，其性能较好。含碳量较大时得到的马氏体是片状马氏体，其性能较脆。脆。针状马氏体板条状马氏体n它具有很高的硬度，很脆，冲击韧性低，它具有很高的硬度，很脆，冲击韧性低，和和几乎等于零。金相组织中几乎等于零。金相组织中马氏体互成一定角度的白色针状结构。马氏体互成一定角度的白色针状结构。 正常淬火工艺下，马氏体大部分正常淬火工艺下，马氏体大部分为细针状或隐针状。回火马氏体有较好的韧性。为细针状或隐针状。回火马氏体有较好的韧

54、性。n由于过饱和的碳使晶格发生畸变，因此马氏体的比容较奥氏体大，钢中由于过饱和的碳使晶格发生畸变，因此马氏体的比容较奥氏体大，钢中马氏体形成时产生很大的相变应力。马氏体形成时产生很大的相变应力。 n并非所有马氏体组织都是硬而脆的，例如含锰、铬、镍、钼等元素的低合金高强度钢经调质处理后的金相组织为回火低碳马氏体，这种回火低碳马氏体组织具有较高的强度和较好的韧性。 薛振林 陆志春马氏体晶相照片马氏体晶相照片 低碳条状马氏体组织金相图低碳条状马氏体组织金相图 高碳片状马氏体组织金相图高碳片状马氏体组织金相图回火马氏体回火马氏体马氏体马氏体+贝氏体贝氏体+索氏体索氏体6 6）贝氏体）贝氏体B Bn贝氏

55、体是过冷奥氏体在中温区间（约250450）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物。n贝氏体形成的温度不同，组织特征也不相同。n在接近珠光体形成温度所生成的组织叫“上贝氏体”，其特征为由晶粒边界开始向晶内同一方向平行排列的FeFe片，片间夹着渗碳体颗粒，在金相组织中呈羽毛可对称或不对称。n在300附近形成的组织叫“下贝氏体”，在金相组织中呈黑针状。上、下贝氏体只是形状和碳化物分布不同，没有质的区别。上贝氏体的强度小于同一温度形成的细片状珠光体，脆性也较大。下贝氏体与相同温度的回火马氏体强度相近，下贝氏体的性能优于上贝氏体，有时甚至优于回火马氏体。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体7 7）魏氏组织）

56、魏氏组织n亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体，在一定的过冷条件下，除了在原来奥氏体晶粒边界上析出块状FeFe外，还有从晶界向晶粒内部生长的片状Fe Fe 。这种片状FeFe与原来的奥氏体有着一定的结晶位向关系。这些在晶粒中出现的互成一定角度或彼此平行的片状，即为通常所称的亚共析钢的魏氏组织。n过热的亚共析钢在较快的冷却速度下容易产生魏氏组织。魏氏组织严重时会使钢的冲击韧性、断面收缩率下降，使钢变脆。可采用完全退火使之消除。45#钢热处理时加热温度过高钢热处理时加热温度过高F先共析先共析+F针状针状+P焊缝中的魏氏组织焊缝中的魏氏组织薛振林 陆志春1.2.51.2.5承压类特种设备常用热处理工艺

57、承压类特种设备常用热处理工艺n退火退火n1 1）定义：）定义：n将钢试件将钢试件加热到适当的温度加热到适当的温度，保温一定的时间后缓慢冷却保温一定的时间后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称（随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同，退火又为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同，退火又可分为可分为完全退火、不完全退火、消除应力退火、等温退火、完全退火、不完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火球化退火等。等。n2 2）目的：）目的：细化组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工细化组织，消除应力，降低硬度，改善切

58、削加工性能性能。主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，。主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。有时也用于焊接结构件。薛振林 陆志春退火退火n3 3）工艺）工艺n完全退火完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3Ac3以上以上30305050，保，保温后在温后在炉内缓慢冷却炉内缓慢冷却。n不完全退火不完全退火（球化退火）是将工件加热到（球化退火）是将工件加热到Ac1Ac1以上以上30305050，保温后，保温后缓慢缓慢冷却冷却的方法，主要用于过共析钢。其主要：降低硬度，改善切削加工性的方法，主要用于过共析钢。其

59、主要：降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。能，消除内应力。 应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。n消除应力消除应力( (消氢消氢) )退火退火是将工件加热到是将工件加热到Ac1Ac1以下以下100100200200，保温后，保温后缓慢冷缓慢冷却却使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛应力松弛的方法。目的：消除的方法。目的：消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力。焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力。薛振林 陆志春各种退火工艺加热温度各种退火工艺加热温度Ac3Ac1薛振林 陆志

60、春正火：正火：n1 1）定义：）定义：n将工件加热到将工件加热到Ac3Ac3或或AcmAcm以上以上30305050，保持一定时间后在，保持一定时间后在空气中冷却空气中冷却的的热处理工艺。热处理工艺。n2 2）目的：）目的：n细化晶粒，均匀组织，降低内应力细化晶粒，均匀组织，降低内应力。由于正火的冷却速度较快，过冷度。由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。n许多锅炉压力容器用的钢板都是以正火状态供货的。许多锅