張勇：第3章金屬學

1、張勇 合肥市質量技術監(jiān)督局地址：合肥市蕪湖路139號 郵編：230001 E-mail：手機:三章 金屬學、熱處理與壓力容器材料 本章學習重點和思考內容：1，了解金屬材料主要力學性能指標定義及代表符號。2，了解壓力容器常用熱處理工藝方法及用途。3，了解熱處理質量檢驗方法及典型熱處理事例.4，了解低合金高強度鋼的發(fā)展概述。5，了解合金元素及熱處理狀態(tài)對鋼材性能的影響。6, 了解壓力容器選材注意事項。7，了解鋼的冷脆性,低溫沖擊韌性及其它脆化型式。8，了解壓力容器用鋼材高溫或臨氫環(huán)境下的材質劣化。 拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗機拉伸試驗機拉伸試樣拉伸試樣3.1 3.1 金屬學

2、基本知識金屬學基本知識3.1.1 金屬材料力學性能概述1.金屬材料強度指標 1)屈服強度屈服強度，GB/T 228.12010標準是這樣定義的：當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點。應區(qū)分為上屈服強度和下屈服強度，單位：MPa。（1）上屈服強度（ReH），試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應力；（2）下屈服強度（ReL），在屈服期間，不計初始瞬間效應時的最低應力。2)抗拉強度抗拉強度，GB/T 228.12010標準是這樣定義的：相應最大力(Fm)對應的應力為抗拉強度（Rm），單位：MPa。而最大力是指對于有不連續(xù)屈服的金屬材料，在加工硬化發(fā)生后，試樣所承受的最

3、大力；對于無明顯屈服（不連續(xù)屈服）的金屬材料，為試驗期間的最大力。應力是指試驗期間任一時刻的力除以試樣原始橫截面積之商。3).持久極限4).蠕變極限2. 金屬材料塑性指標1)斷后伸長率(延伸率)斷后伸長率，GB/T 228.12010標準是這樣定義的：斷后標距的殘余伸長（Lu-Lo）與原始標距（Lo）之比的百分率為斷后伸長率（A），單位：%。其中，（Lu）為斷后標距。2)斷面收縮率斷面收縮率，GB/T 228.12010標準是這樣定義的：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量（So-Su）與原始橫截面積（So）之比的百分率為斷面收縮率（Z），單位：%。其中，（Su）為斷后最小橫截面積。3).冷彎性能表

4、1. 試驗用材料化學成分（%）3. 金屬材料韌性指標1)沖擊吸收功(沖擊韌度) 沖擊吸收功（A AK K）是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時所消耗能量大小的特性，即沖擊試樣所吸收的功。其單位為焦耳（J）。（按GB/T 229-2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法標準定義：沖擊吸收能量，符號為：KV2）沖擊試驗沖擊試驗 沖擊試驗機沖擊試驗機 沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖 沖擊韌性通常是在擺錘式沖擊試驗機上測定的。沖擊試樣受到擺錘的突然打擊而斷裂時，它的斷裂過程是一個裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。在裂紋發(fā)展過程中，如果塑性變形能夠發(fā)生在它的前面，就將阻止裂紋的長驅直入，當其繼

5、續(xù)發(fā)展時就需消耗更多的能量。因此，沖擊吸收功的高低，決定于材料有無迅速塑性變形的能力。沖擊吸收功高的材料，一般都有較高的塑性，但塑性指標較高的材料卻不一定都有高的沖擊吸收功。這是因為在靜載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在沖擊載荷下不一定能迅速發(fā)生塑性變形。 沖擊吸收功與試樣的尺寸和缺口的形狀有關。由于不同的沖擊試樣在試驗時應力狀況各不相同，在破壞時所消耗的能量也不一樣，因此沖擊吸收功值也不同。壓力容器用鋼一般采用夏比V型缺口沖擊試樣，其沖擊吸收功為AkV。而以前多用U型缺口，其沖擊吸收功為AkU。兩者的數(shù)值不能換算。沖擊吸收功還與試驗溫度有關，有些材料在室溫時韌性很好，但在低于某一溫度時則可能發(fā)

6、生脆性斷裂。 由于沖擊吸收功是材料各項力學性能指標中對材料的化學成分、冶金質量、組織狀態(tài)及內部缺陷等比較敏感的一個質量指標，而且也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標。所以，對壓力容器用鋼來說，沖擊吸收功是衡量其裂紋擴展阻力的重要指標之一。 國際上通常用沖擊功Ak作為沖斷試樣消耗的總功，只要試樣符合標準，就不會出錯，應用也簡便。但是進一步研究發(fā)現(xiàn)用Ak表示也存在問題，因為Ak值也不能完全代表試樣斷裂前所吸收的總功。沖斷試樣消耗的總功可分為兩部分，其一消耗于試樣的變形和斷裂；其二消耗于試樣擲出及機座本身振動。因此，所吸收的總功Ak為： Ak 試樣斷裂吸收的能量+試樣擲出功+機座振動+。由于一般

7、情況下，后幾項功很小，因此以Ak作為試樣斷裂所吸收的能量誤差很小，有足夠精度。KA 1-1)脆性斷面率 脆性斷口也稱為晶狀斷口，是指出現(xiàn)大量晶粒開裂或晶界破壞的有光澤斷口，斷口中晶狀區(qū)的面積與斷口原始橫截面積的百分比即為脆性斷面率，也稱晶狀斷面率。GB/T 12778金屬夏比沖擊斷口測定方法對沖擊試樣斷口的有關測定方法做了規(guī)定。一般有幾種方法測定脆性斷面率： 對比法和測量法等（新版GB/T 229標準的附錄C中也有方法介紹）1-2)側膨脹值 側膨脹值即為沖擊試樣缺口背部的兩側由于沖擊試驗時所受到的錘擊，而產生的尺寸增量。當試樣斷裂成兩截時，應分別測量兩截試樣斷口的側膨脹值，并取其中大者為該試樣

8、的側膨脹值。具體的測量方法見GB/T 12778金屬夏比沖擊斷口測定方法標準。該標準規(guī)定了幾種測量側膨脹值的方法.2)斷裂韌度臨界應力強度因子KIC GB/T4161標準裂紋張開位移COD GB/T2358標準 3.1.2 金屬學基本知識概述 1.金屬的晶體結構(圖3.1-12。后圖) 2.金屬強度的本質與金屬材料的強化機制 3.壓力容器鋼材的金相組織和性能 (奧氏體 ,鐵素體 ,珠光體 ,馬氏體 ,貝氏體 ,相 ) 4.金屬結晶金屬的晶體結構金屬的晶體結構體心立方體心立方 bcc （Body-centered cubic）面心立方面心立方 fcc （Face-centered cubic）密

9、堆六方密堆六方 hcp （Hexagonal close-packed）bccfcchcp3.1.3 鐵碳合金狀態(tài)圖3.2 壓力容器熱處理知識3.2.1 熱處理一般過程1.加熱時的轉變-奧氏體A的形成2.冷卻時轉變-奧氏體A的分解(圖3.2-36)3.2.2 壓力容器處理名詞1.臨界點 A1 (AC1 Ar1),A3 (Ac3 Ar3)2.重結晶3.再結晶4.過熱 (溫度過高,性能顯著降低.可逆)5.過燒 (晶界部分熔化或氧化.不可逆)6.時效7.沉淀硬化8.固溶處理9.退火10.淬火11.正火12.回火13.調質3.2.3壓力容器的常用熱處理方法1.正火處理 (目的、方法和應用) 2.調質處

10、理 (目的、方法和應用) 3.固溶處理 (目的、方法和應用) 4.穩(wěn)定化處理 (目的、方法和應用)5.消除應力熱處理 (目的、方法和應用)3.2.4 壓力容器制造中的消除應力處理 1.焊后熱處理（PWHT）2.中間消除應力處理3.焊后熱處理方法分類4.整體消除應力處理5.局部消除應力處理(表3.2-12)6.消除應力熱處理的加熱溫度7.爐溫測量8.加熱和冷卻速度9.異常材料焊縫的熱處理（PWHT）10.復合板及覆層材料的焊后熱處理11.低合金高強度鋼再熱裂紋的預防3.2.5 熱處理質量檢驗方法1.零件熱處理后主要的檢驗方法： 硬度、力學性能、金相試驗和無損檢測2.焊后消應力處理質量監(jiān)督檢驗 檢

11、查熱處理工藝和設備 壓力容器及焊件外部檢驗 審查熱處理工藝記錄3.2.6 典型熱處理實例(圖3.2-8)1.外購鍛件為退火狀態(tài) 2.調質處理 3.第一次中間消除應力熱處理 4.第二次中間消除應力熱處理 5.焊后最終消除應力熱處理 3.3 壓力容器常用鋼材對制造壓力容器的材料6條要求很實用.3.3.1 壓力容器用碳素鋼 （表3.3-1和3.3-2中20R鋼號在GB713-2008中應為Q245R,其S，P含量分別0.015,0.025）3.3.2 壓力容器用低合金結構鋼(表3.3-3和3.3-4中16MnR和15MnNbR鋼號在GB713-2008中應為Q345R和Q370R.13MnNiMoN

12、bR應為13MnNiMoR)3.3.3 國產低合金結構鋼板材特性簡介 1.16MnR (GB713-2008改為Q345R) 2. 15MnVR （GB150中已取消此鋼號） 3. 15MnVNR（GB150中已取消此鋼號） 4.18MnMoNbR(GB713-2008同) 5. 13MnNiMoNbR(GB713改為13MnNiMoR) 6. 07MnCrMoVR（GB191892011）3.3.4 壓力容器用低合金耐熱鋼(表3.3-5中后四個鋼號見GB 713-2008中相應鋼號)3.3.5 壓力容器低溫用鋼 (表3.3-6見附表.GB3531-2008)3.3.63.3.6 壓力容器用不

13、銹耐酸鋼壓力容器用不銹耐酸鋼(GB24511-2009 承壓設備用不銹鋼板和鋼帶) 1.奧氏體不銹鋼; 2.鐵素體不銹鋼 3.馬氏體鋼; 4.雙相鋼(GB/T4237-2007)3.3.7 3.3.7 國外壓力容器用鋼簡介國外壓力容器用鋼簡介 (表3.3-11名稱應為相近鋼號對照表) 3.4低合金高強度鋼的進一步知識3.4.1低合金高強度鋼的發(fā)展概述（相應的鋼管及鍛件標準） NB/T47008102010承壓設備用鋼鍛件3.4.2合金元素對鋼的性能的影響 (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Nb)3.4.3 熱處理狀態(tài)對鋼的性能的影響 (熱軋,控軋,正火,調質) 1.熱軋及正火鋼

14、(熱軋,正火) 2.低碳調質鋼 (淬火 +高溫回火; 淬火 +回火) (調質的作用)3.4.4 低合金高強鋼壓力容器設計選材的注意事項(A,供設計評審,產品監(jiān)檢和在用檢驗時判斷)(B,介紹液氨的應力腐蝕,GB536-液體無水氨等)3.4.5 低合金耐熱鋼選材和 Nelson曲線(圖3.4-1) (15CrMoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R和12Cr1MoVR)3.5壓力容器用有色金屬、復合材料與非金屬材料3.5.1 壓力容器用有色金屬材料 1.鋁及鋁合金 JB/T4734-2002標準 2.鈦及鈦合金 JB/T4745-2002標準 3.銅及銅合金 JB/T4755-2006標準 4

15、.鎳及鎳合金 JB/T4756-2006標準3.5.2 壓力容器用復合材料 NB/T 47002.1 47002.4 2009壓力容器用爆炸焊接復合板標準3.5.3 壓力容器用非金屬材料3.6 壓力容器材料脆化3.6.1 鋼的冷脆性和低溫沖擊韌性(韌度) 1.冷脆性的機理 2.低溫沖擊試驗(GB/T229,AKVT, A(%) T,LeT. GB/T6803 NDT) 3.影響低溫韌性的因素 (晶體結構,化學成份,晶粒度,夾雜物,熱處理與顯微組織,加工硬化,應力狀態(tài)) 4.低溫用鋼的沖擊韌度 5.焊接接頭的低溫沖擊值 6.焊接接頭的低溫沖擊值離散問題(圖3.5-11)3.6.2 壓力容器材料的其它脆化型式 1.熱脆性 2.回火脆性(第一類回火脆性,第二類回火脆性第二類回火脆性) 3.應變時效脆性