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1、浙江金盾压力容器有限公司尹谢平,金属材料与热处理,主要内容,第一节 概述 第二节 金属材料黑色金属 第三节 常用的工程材料 第四节 金属材料加工方式与缺陷 第五节 钢的热处理,第一节 概述,机械工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,钢,有色金属,铸铁,合金钢,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷,合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,第二节 金属材料黑色金属,C2.11%称为钢，C2.11%称为铁 基本元素：C, Si, Mn 杂质元素：P,S 合金元素：Cr, Ni, Mo, V, Nb, B, Zr, Ti等 微量元素：Cu, V, Nb, B, Zr, Ti等,2.1金属材料

2、元素,2.2钢分类,按化学成分分：碳素结构钢（合金元素含量很低)、合金结构钢 合金结构钢分为：低合金钢（5% ）、中合金钢（5-10%）和高合金钢（10% ） 按冶金质量分：普通质量钢、优质钢、高级优质钢(A)和特级优质钢(E) 按用途分：结构钢、机械零件用钢、工模具钢、特殊性能钢,2.2钢分类,按冶炼方法分 ：平炉钢、转炉钢、电炉钢 按脱氧程度分 ：镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和沸腾钢（F） 按金相组织分： 在退火状态下（平衡状态），将钢分为亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢 在正火状态下，将钢分为珠光体钢、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组织分类：铁素体钢、贝

3、氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢和双相钢（F+A不锈钢）,2.3钢的牌号表示,碳素结构钢和低合金钢： Q235A,Q235AF（沸腾钢）, L415, HP345, Q345R 16MnR, 20G, 30CrMo（低合金钢特殊表示） 优质碳素结构钢： 08F, 50A, 50MnE（特级）,45A（高级）H(保证淬透性）, 65Mn 合金结构钢： 25Cr2MoVA,18MnMoNbE(特级）R,2.4钢的化学成分表示,C含量：平均碳含量万分之几，如20钢：0.20%=20/10000 不锈钢和耐热钢GB/T 221-2008： 0.08%C：06；0.15%C:12; 0.20%C:16。 超低

4、碳时： 0.020%C:015； 0.030%C:22 合金元素含量：1.50%，表示元素；1.50%-2.49%，表示“元素2”，依次类推,2.5晶体结构,体心立方：Fe, Fe, Cr, V, Ti等 面心立方：Fe, Al, Cu, Ni等 密排六方：Mg, Zn,Ti等,2.6金相组织与性能,奥氏体A ：碳与合金元素在Fe中的固溶体。塑性、韧性很高，具有加工硬化能力，硬度HB170-220。晶粒粗大。 铁素体F ：碳与合金元素在Fe中的固溶体。F接近纯铁，硬度低HB80-100，强度较低（b一般为245MPa左右）、塑性好（5=50%、=80%）。以片状（针状）、条状或网状形态存在 渗

5、碳体Fe3C：硬度高（HB700）、脆性大、几乎无塑性。以片状、点状形态存在。 珠光体P ：F与Fe3C的混合物（相间排列的片状组织） ，根据片间距的大小，又分为珠光体（650-700，HB190-230）、索氏体（600-650，HB240-320）和屈氏体（550-600，HB330-400）,2.6金相组织与性能,马氏体M ：C在Fe中的固溶体 ，亚稳定状态，形成时产生很大相变应力 。M具有很高的硬度（HB640-760）、很脆、冲击韧性低，几乎无塑性 贝氏体B ：在250-450相变产生的过饱和F和Fe3C混合物 ，上贝氏体强度小于同一温度形成的细片状珠光体，脆性较大。下贝氏体与相同温

6、度的回火马氏体强度相近，且优于上贝氏体 魏氏体 ：在晶粒中出现的互成一定角度或彼此平行的片状Fe，即为魏氏体（过热形成的粗晶奥氏体）。魏氏体严重时使冲击韧性、断面收缩率下降，变脆，可使用完全退火消除 。,2.7金属材料的拉伸试验曲线,应力极限,弹性阶段,弹性极限P,屈服阶段,屈服极限S,强化阶段,强度极限b,颈缩阶段,2.8金属材料力学性能指标,强度：材料抵抗破坏的能力: s(0.2),b 。 刚度：材料抵抗变形的能力: E、G 塑性：材料破坏时，遗留变形的大小:（10、5 ）、冷弯性能（抵抗弯曲断裂能力） 韧性：材料在断裂破坏前吸收能量的能力：Akv 、KIC 、c 硬度：材料抵抗硬物压入的

7、能力：HB、HR（HRC)、HV 疲劳强度：材料抵抗交变载荷破坏的能力,2.9 影响力学性能的主要因素,含碳量：碳，强度和硬度，塑性和韧性 合金元素：改善综合性能，得到特殊性能 热处理温度：温度，强度和硬度，塑性 热处理工艺：改变力学性能 塑性决定了材料冷热加工成型的难易程度 焊接性以碳当量来表示 ： Ceq（%）=（C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14）,第三节 常用的工程材料,碳钢：含碳量大于0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金。 具有较好的力学性能和工艺性能，量大价低。但淬透性、回火抗力较差，屈强比低。 合金钢：人为加入合金元素，以提高钢的性能并获得某

8、些特殊性能。 一般具有高的强度、韧性、硬度。,3.1黑色金属钢,3.2 压力容器常见材料,钢板：GB/T 3274-2007: Q235A; GB 6653-2008： HP295; GB 6654-1996 : 16MnR; GB 3531-2008: 16MnDR 钢管：GB/T 8163-2008: 20 GB 3087-1999: 20g GB 5310-1995: 20G GB 6479-2000: 20G GB 13296- 2007: 0Cr19Ni9(304) GB 9948-2006: 16Mn,20,3.2 压力容器常见材料,锻件：分为，级 JB/T 4726-2000:

9、16Mn, 20MnMo JB/T 4727-2000: 16MnD,15MnNiD JB/T 4728-2000: 0Cr18Ni9Ti,3.3 锅炉常见材料,钢板：GB713-2008 :20g, 16Mng 钢管：同压力容器钢管 锻件：JB/T 9626-1999:20、25、35、45、12CrMo、15CrMo、30CrMo、35CrMo、12Cr1Mo1V、25Cr2MoVA、25Cr2Mo1VA、2Cr13、3Cr13、1Cr18Ni9T ,共14个 铸件：ZBJ98015-1985: ZG200-400 (碳),ZG20CrMo(合) GB/T 9439-1988 (灰铸铁):

10、 HT150 GB/T 9440-1988 (可锻铸铁): KTH(黑心)300-06 KTZ(珠光体)450-06 KTB(白心)450-06 GB/T 1348-2009(球墨铸铁 ) :QT400-18 (最小抗拉强度-伸长率）,3.4 管道常用材料,无缝钢管：同锅炉、压力容器钢管标准 焊接钢管：包括螺旋缝、直缝两种 焊接方式：包括埋弧焊、高频感应焊（不锈钢） SY/T 5037-2000低压流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管； SY/T5038-1999普通流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管； SY/T5040-2000桩用螺旋焊缝钢管,3.5 黑色金属铸铁,灰铸铁：C自由状态的片状石墨形式

11、成本低，铸造性、减振性好，抗压强度高，但脆性很大，不宜承受冲击载荷。 可锻铸铁：C团絮状石墨形式 耐磨性和减振性优于铸钢，综合机械性能优于灰铸铁，而接近同样基体的球墨铸铁 。 球墨铸铁：C球状石墨形式 具有较高的延展性和耐磨性。强度高（近于碳素结构钢），减振性优，可承受冲击载荷。,3.7 有色金属,铜及其合金：良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。 纯铜、黄铜、青铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜 铝及其合金：纯铝、铸铝、硬铝 钛及其合金：纯钛、钛合金,3.8 非金属材料,工程塑料：密度小，比强度高，耐腐蚀性能好，优良的电绝缘性，耐磨、减摩及自润滑性能好，易加工，易老化，难回收。 橡胶：高弹耐磨，绝缘

12、性好，不透水、气，但易老化。 人工合成矿物 刚玉：高的弹性模量和硬度。 石英：具有压电效应。,第四节 金属材料加工方式与常见缺陷,工艺流程：炼铁铁水预处理(控S)加废钢(控其他微量元素)BOF转炉初炼（控P）LF炉精炼(控微量元素)RH真空脱气铸造 常见缺陷：缩孔、缩松、裂纹(白点)、夹杂物、成份偏析,4.1 炼钢,4.2 铸造,分类：砂型铸造（粘土、水玻璃）、熔模铸造（蜡模） 、离心铸造（立式、卧式） 缩孔、缩松 、铸造应力 、铸件变形 、裂纹 、偏析 、气孔、夹杂物,4.3 锻造,按成形温度：热锻、温锻和冷锻 按所用设备和工具：自由锻、模型锻造、胎模锻造和特种锻造 常见缺陷：过热、过烧、内

13、部裂纹、表面裂纹、角裂、折叠,4.4 钢板,制造方法：钢锭热轧(中厚板) 钢锭热轧冷轧(薄板) 常见缺陷：裂纹、夹杂、分层,4.5 钢管,无缝钢管：圆钢打中心孔扩孔热轧，或冷轧，或热拔，或冷拔 常见缺陷：纵向裂纹、表面损伤 焊接钢管：钢板按规定宽度下料螺旋卷制，或直缝卷制埋弧焊，或高频焊(HF) 常见缺陷：焊缝中存在未熔合、未焊透、裂纹、内凹、夹渣、气孔,第五节 钢的热处理,热处理三个过程： 加热、保温、冷却 改变金属整体或表面组织，获得所需性能。 热处理种类： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理和化学热处理：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗,5.1

14、钢的热处理种类,5.2 Fe-Fe3C相图,5.3 奥氏体连续冷却组织转变,5.4 退火,退火过程：加热、保温、随炉冷却 目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力， 预先热处理 退火工艺种类： 1、完全退火 2、球化退火 3、扩散退火 4、去应力退火,5.5 正火,正火：加热、保温、空气冷却 目的：同退火，更高的力学性能 应用： 1、最终热处理 2、预先热处理 3、改善切削加工性能,5.6 淬火,淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却 目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。 但淬火后，材料变脆，出现内应力，故必须回火。 方法： 1、单介质淬火； 2、双介质淬火：水淬油冷,5.7 回火,回火：零件淬火

15、后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。 目的：达到规定的硬度，消除内应力。 回火工艺的种类： 1、低温回火（150250C） 2、中温回火（350500C） 3、高温回火（500650C）,5.8 表面处理,表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。 目的：增强零件的表层硬度，提高抗磨损性能。 方式：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热等。 电感应加热 火焰加热,5.9 化学热处理,方法：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。 目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧

16、化性和疲劳强度等力学性能。 分类：按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。,5.10 热处理产生的缺陷,裂纹，特别是淬火裂纹： 热应力：工件不同部位的加热，或冷却速度不同，产生的膨胀，或收缩也不同，因此，产生热应力； 相变应力：加热时，F，P A，体积缩小；淬火时，A M，体积增加；回火时，M析出C，体积缩小，因此，产生相变应力。,5.10 热处理产生的缺陷,裂纹形成原因： 加热不当：升温速度太快，表面脱碳、氧化或增碳，过热，过烧； 冷却不当：冷却速度过快，相变应力，材料质量（带状或网状结构、碳化物偏析、未预处理、杂质含量过高等）、零件结构应力集中； 回火裂纹：表面体积收缩、二次淬火（A M）； 冷处理裂纹：进一步冷却时产生的裂纹（未冷至室温的处理）,5.10 热处理产生的缺陷,残余应力：加热、冷却中的热应力和组织应力，是工件中出现残余应力。