金屬材料與監(jiān)督

1、 2005年年9月月 l學習材料的一條主線學習材料的一條主線l金屬材料的性能包括以下兩個方面：使用性能和工藝性能l使用：力學性能：強度、硬度、剛度、塑性、韌性l物理性能：密度、熔點、導熱性、熱膨脹性l化學性能：耐蝕性、熱穩(wěn)定性l工藝：冷熱加工，鑄造焊接熱處理壓力加工切削加工l鋼的熔化溫度在1500左右力學性能指標主要有強度、硬度、塑性、力學性能指標主要有強度、硬度、塑性、韌性韌性物體在外力作用下，其形狀尺寸所發(fā)生的物體在外力作用下，其形狀尺寸所發(fā)生的相對改變稱為應變。相對改變稱為應變。物體任一單位截面積上的內力大小常稱為物體任一單位截面積上的內力大小常稱為應力。應力。l金屬的強度是指金屬抵抗永

2、久變形和斷裂的能金屬的強度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力力l評價材料強度性能的兩個主要指標是抗拉強度評價材料強度性能的兩個主要指標是抗拉強度和屈服強度和屈服強度l0.2含義是材料塑性伸長含義是材料塑性伸長0.2%作為屈服點，其作為屈服點，其屈服強度用屈服強度用0.2表示表示l我國鍋爐壓力容器規(guī)范強度設計的安全系數的我國鍋爐壓力容器規(guī)范強度設計的安全系數的取值范圍取值范圍1.55.0 l鍋爐鍋爐ns 1.5 nb2.7 容器容器ns 1.6 nb3l塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。不可逆永久變形的能力。l常用伸長率和斷面收縮率常用伸長率

3、和斷面收縮率l5表示試件試件長度與直徑的比值表示試件試件長度與直徑的比值5l10表示試件試件長度與直徑的比值表示試件試件長度與直徑的比值10 l硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力能力l里氏硬度是采用測量沖擊測頭的彈跳速度方法里氏硬度是采用測量沖擊測頭的彈跳速度方法來確定硬度值來確定硬度值l布氏硬度是采用測量壓痕直徑來確定硬度值布氏硬度是采用測量壓痕直徑來確定硬度值l維氏硬度是采用測量壓痕兩對角線平均長度來維氏硬度是采用測量壓痕兩對角線平均長度來確定硬度值確定硬度值l洛氏硬度是采用測量壓痕深度來確定硬度值洛氏硬度是采用測量壓痕深度來確定硬度值l沖

4、擊韌性是指材料在外加沖擊載荷作用沖擊韌性是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特性下斷裂時消耗能量大小的特性l塑性指標較高的材料不一定都具有較高塑性指標較高的材料不一定都具有較高的沖擊韌性的沖擊韌性 l剪切應力是一對方向相反，作用線相距很近的剪切應力是一對方向相反，作用線相距很近的橫向集中力。橫向集中力。l彎曲應力是一對大小相等方向相反的力偶。彎曲應力是一對大小相等方向相反的力偶。l交變應力，構件在工作時出現隨時間而交交變應力，構件在工作時出現隨時間而交替變化的應力，正弦替變化的應力，正弦l應力集中是由于截面的尺寸突然變化而引應力集中是由于截面的尺寸突然變化而引起的應力局部增大的現象

5、，在鍋爐壓力容器中起的應力局部增大的現象，在鍋爐壓力容器中應力集中往往是缺陷引起，咬邊、氣孔、夾渣、應力集中往往是缺陷引起，咬邊、氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未熔合裂紋、未焊透、未熔合l屈強比越大，材料的屈服強度與強度極限屈強比越大，材料的屈服強度與強度極限的比值越大的比值越大, 使用高屈強比的材料可以節(jié)省材使用高屈強比的材料可以節(jié)省材料用量料用量l體心立方：體心立方：鐵、鐵、鐵鐵Crl面心立方：面心立方：Al Cu Nil密排六方：密排六方：Mg Znl晶體的點缺陷、線缺陷、面缺陷晶體的點缺陷、線缺陷、面缺陷l晶格缺陷：空位、間隙原子、置代原子；晶格缺陷：空位、間隙原子、置代原子；位錯；晶界位

6、錯；晶界l空位、間隙原子、置代原子的存在使金屬屈服空位、間隙原子、置代原子的存在使金屬屈服點和抗拉強度增高點和抗拉強度增高l位錯的存在則使金屬容易塑性變形，強度降低位錯的存在則使金屬容易塑性變形，強度降低l鋼和鑄鐵統稱為鐵碳合金鋼和鑄鐵統稱為鐵碳合金l鐵碳合金中含碳鐵碳合金中含碳0.02%2%稱為鋼。稱為鋼。l鐵碳合金中含碳大于鐵碳合金中含碳大于2%稱為鐵。稱為鐵。l鋼鋼強而韌鐵強而韌鐵弱而脆弱而脆l(xiāng)鐵碳合金狀態(tài)圖只研究含碳量小于鐵碳合金狀態(tài)圖只研究含碳量小于6.67%的部的部分，這部分組元是鐵與滲碳體分，這部分組元是鐵與滲碳體 Fe FeC3l鐵素體是碳溶于鐵素體是碳溶于鐵或鐵或鐵中的固溶體

7、鐵中的固溶體l奧氏體是碳溶于奧氏體是碳溶于鐵的固溶體鐵的固溶體l滲碳體是鐵和碳的金屬化合物滲碳體是鐵和碳的金屬化合物l珠光體是含碳量為珠光體是含碳量為0.77%的鐵碳合金的組織的鐵碳合金的組織l含碳量小于含碳量小于0.77%的鐵碳合金稱為亞共析鋼的鐵碳合金稱為亞共析鋼l含碳量大于含碳量大于0.77%的鐵碳合金稱為過共析鋼的鐵碳合金稱為過共析鋼l含碳量等于含碳量等于0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼的鐵碳合金稱為共析鋼l低碳鋼的正常組織是鐵素體珠光體，低碳鋼的正常組織是鐵素體珠光體，碳含量越低，鐵素體含量越多，塑性和碳含量越低，鐵素體含量越多，塑性和韌性也就越好，但強度和硬度卻隨之降韌性也就越好，但

8、強度和硬度卻隨之降低。低。l過共析鋼的組織是珠光體滲碳體過共析鋼的組織是珠光體滲碳體l含碳量等于含碳量等于0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼的鐵碳合金稱為共析鋼l熱處理的基本工藝是由加熱、保溫、冷熱處理的基本工藝是由加熱、保溫、冷卻階段構成。卻階段構成。l熱處理不能夠改變材料的成分。熱處理不能夠改變材料的成分。l熱處理能夠改變材料的組織。熱處理能夠改變材料的組織。l熱處理能夠改變材料的性能。熱處理能夠改變材料的性能。l加熱時的轉變加熱時的轉變奧氏體的形成奧氏體的形成l冷卻時的轉變冷卻時的轉變奧氏體的分解奧氏體的分解l含碳量為含碳量為0.2%的鋼加熱的鋼加熱1000會變成奧會變成奧氏體。氏體。l含碳

9、量為含碳量為0.16%的鋼加熱的鋼加熱727左右會開左右會開始生出奧氏體。始生出奧氏體。 l奧氏體塑性很高，硬度和屈服點較低；奧氏體塑性很高，硬度和屈服點較低；奧氏體是碳溶于奧氏體是碳溶于鐵的固溶體，面心立鐵的固溶體，面心立方，奧氏體不具有鐵磁性。方，奧氏體不具有鐵磁性。l鐵素體是碳與合金元素溶解于鐵素體是碳與合金元素溶解于鐵中的鐵中的固溶體，體心立方，鐵素體在固溶體，體心立方，鐵素體在770以下以下具有鐵磁性，超過具有鐵磁性，超過770不具有鐵磁性。不具有鐵磁性。 l滲碳體滲碳體Fe3C是鐵和碳的金屬化合物，也是鐵和碳的金屬化合物，也稱碳化鐵，硬度高，含碳量稱碳化鐵，硬度高，含碳量6.67%

10、，脆性，脆性很大，塑性近乎于零很大，塑性近乎于零l馬氏體是碳在馬氏體是碳在鐵中的過飽和固溶體，鐵中的過飽和固溶體，回火低碳馬氏體具有較高的強度和較好回火低碳馬氏體具有較高的強度和較好的韌性的韌性l珠光體由鐵素體和滲碳體相間排列的片珠光體由鐵素體和滲碳體相間排列的片層狀組織層狀組織l貝氏體是過冷奧氏體在中溫區(qū)間相變產貝氏體是過冷奧氏體在中溫區(qū)間相變產生的過飽和的鐵素體和滲碳體混合物生的過飽和的鐵素體和滲碳體混合物l帶狀組織鐵素體和珠光體沿加工方向平帶狀組織鐵素體和珠光體沿加工方向平行成層分布的條帶組織行成層分布的條帶組織l魏氏組織亞共析鋼從晶界向晶粒內部生魏氏組織亞共析鋼從晶界向晶粒內部生長的片

11、狀長的片狀鐵鐵l退火將試件加熱到適當溫度，保溫一定退火將試件加熱到適當溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻。時間后緩慢冷卻。l完 全 退 火 是 將 工 件 加 熱 到完 全 退 火 是 將 工 件 加 熱 到 A c 3A c 3 以 上以 上30503050，保溫后在爐內緩慢冷卻。，保溫后在爐內緩慢冷卻。l不完全退火是將工件加熱到不完全退火是將工件加熱到Ac1Ac1以上以上30503050，保溫后在爐內緩慢冷卻。，保溫后在爐內緩慢冷卻。l消除應力退火是將工件加熱到消除應力退火是將工件加熱到Ac1Ac1以下以下100200100200左右消除應力。左右消除應力。l正火將工件加熱到正火將工件加熱到Ac

12、3或或Acm以上以上3050，保保持一定時間在空氣中冷卻持一定時間在空氣中冷卻l正火處理后材料晶粒細化。正火處理后材料晶粒細化。l淬火是將鋼加熱到臨界溫度淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3Ac3以上，經過適以上，經過適當保溫后快冷，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的過程。當保溫后快冷，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的過程。l回火是將材料加熱到回火是將材料加熱到Ac1以下的適當溫度，保以下的適當溫度，保持一定時間，然后冷卻，以獲得所需的組織和持一定時間，然后冷卻，以獲得所需的組織和性能的熱處理工藝。性能的熱處理工藝。l調質：淬火加高溫回火調質：淬火加高溫回火l奧氏體不銹鋼的固溶處理把奧氏體不銹鋼加熱奧氏體不銹鋼的固溶處理

13、把奧氏體不銹鋼加熱到到10501100，碳在奧氏體中固溶，保溫一，碳在奧氏體中固溶，保溫一定時間，快速冷卻到定時間，快速冷卻到427427以下，以獲得均勻以下，以獲得均勻的奧氏體組織的奧氏體組織l奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化處理把鋼中的碳全部固奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化處理把鋼中的碳全部固定在碳化鈦中或碳化鈮中，把奧氏體不銹鋼加定在碳化鈦中或碳化鈮中，把奧氏體不銹鋼加熱到熱到850900，保溫，保溫6 6小時，在空氣中冷卻小時，在空氣中冷卻或緩冷?；蚓徖洹對材料要求：對材料要求：ll l 較高的屈服強度和抗拉強度較高的屈服強度和抗拉強度ll l 良好沖擊韌性良好沖擊韌性ll l 冷熱加工成形性能和焊接性能

14、冷熱加工成形性能和焊接性能ll l 良好低倍組織和表面質量良好低倍組織和表面質量ll l 良好高溫特性良好高溫特性ll l 抗腐蝕性抗腐蝕性l（1）碳鋼的分類）碳鋼的分類l按含碳量分按含碳量分l低碳鋼含碳量小等于低碳鋼含碳量小等于0.25%l中碳鋼含碳量中碳鋼含碳量0.25%0.60%l含碳量大于含碳量大于0.6%為高碳鋼。為高碳鋼。l按鋼質量分類l普通碳素鋼S小等于0.050% P小等于0.045%l優(yōu)質碳素鋼 S小等于0.040% P小等于0.040%l高級優(yōu)質碳素鋼 S小等于0.030% P小等于0.035%l普通與優(yōu)質碳素鋼是按硫和磷的含量來區(qū)分的。按用途分類碳素結構鋼，碳素鋼結構鋼一

15、般為低碳鋼，Q235，20，20g，20R，ZG200400表示鑄鋼，屈服強度200MPa，抗拉強度400MPa。 碳素工具鋼，碳素鋼工具鋼一般為高碳鋼。碳素工具鋼T12表示含碳量1.2%低合金鋼，鋼中的合金總量不超過5%中合金鋼，鋼中的合金總量5%10%高合金鋼，鋼中的合金總量超過10%16MnR表示含碳量0.16% 平均含錳量小于1.5%，壓力容器專用鋼09MnNiDR含碳量0.09% 不銹鋼、耐熱鋼中含碳量小于0.1%用0表示，小于0.03%用00表示Q235A Q235BQ235CQ235DQ235鋼中的235表示鋼的屈服強度值（單位MPa），Q表示屈服碳是碳素鋼中的主要合金元素，含碳

16、量增加，強度增加，但塑性韌性降低除碳外，還有Mn Si S P N低合金結構鋼，低溫鋼，耐熱鋼Mn SiCr Ni Mo Vl 低合金結構鋼：16MnR鋼16的表示鋼的平均含碳量為0.16%，大于34mm焊前要預熱，15MnVR，15MnVNR，18MnMoNbR注意防止冷裂紋是主要問題l 低溫用鋼：16MnDR，至關重要是低溫韌性，隨著碳含量增加，NDT急劇上升，具有改善低溫韌性的元素 鎳l 低合金耐熱鋼：12CrMo 15CrMo 焊接方面主要是近縫區(qū)硬化和冷裂紋及再熱裂紋奧氏體塑性很高，硬度和屈服點較低鐵素體不銹鋼0Cr13 1Cr17馬氏體不銹鋼1Cr13 2Cr13奧氏體不銹鋼0Cr

17、18Ni9 00Cr18Ni10奧氏體不銹鋼不出現低溫脆性0Cr18Ni9碳小于0.06% ；00Cr18Ni10碳小于0.03%就奧氏體不銹鋼耐蝕性而言，存在晶界腐蝕，點蝕，應力腐蝕，使用兩相不銹鋼是解決應力腐蝕最有效的措施。活動。1、裂紋、裂紋:熱裂紋熱裂紋 、冷裂紋冷裂紋 、再熱裂紋再熱裂紋 、層層狀撕裂狀撕裂 、應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋 l顯著特點：沿晶l低熔點共晶物富集于晶界，受拉應力，最終開裂lS、P等雜質、冷卻速度大、結晶應力與拘束應力 l冷裂紋：l延遲裂紋：l焊接接頭淬硬組織、焊接接頭擴散氫的存在、焊接接頭拘束應力再熱裂紋四大特征：含Cr Mo等沉淀強化合金元素，過熱區(qū)，沿晶，

18、再熱500 到700 防范措施：低Cr Mo，低C，低應力，再熱停留時間硫化物，Z向應力硫化氫應力腐蝕裂紋材料、應力、介質，不銹鋼應力腐蝕裂紋在高溫和一定應力的作用下，材料的塑性變形隨著時間逐漸增加的現象叫材料的蠕變現象。 蠕變溫度為熔點溫度的25%35%，碳鋼300350時開始出現蠕變。影響蠕變的因素：l 應力水平l 溫度水平l材料的抗蠕變性能 Mo Cr W V Ni Mn 常溫下擰緊的螺栓或拉（壓）緊的彈簧，在高溫下自行變松的現象，叫應力松弛。 松弛在本質上和蠕變是一樣的，是特定情況下的一種蠕變現象。 蠕變時，構件中的應力值基本上不變，而塑性應變和總應變不斷增加；松弛時，由于螺栓、彈簧的

19、工作特點，其總應變是不變的，塑性變形的增加伴隨彈性變形的減少，彈性變形逐步轉化成了塑性變形，螺栓或彈簧中的應力水平逐漸降低，本來拉緊的螺栓或彈簧即產生了松弛。 珠光體球化 石墨化 合金元素再分配 常用的鍋爐鋼材是低碳鋼及低碳低合金鋼，如20g，16Mng，15CrMo，12Cr1Mo等都是珠光體鋼，由片狀的滲碳體和片狀的鐵素體互相層疊，組成相間排列的片狀機械混合物，即珠光體。片狀體的表面能遠比球狀體為大。高能態(tài)有自行轉變?yōu)榈湍軕B(tài)的趨勢，因而在高溫原子擴散能力強的條件下，片狀滲碳體會逐漸轉化為球體，由于大球體有更小的表面能，隨著高溫作用時間的加長，小球體又聚攏成大球體，這種現象叫珠光體球化。 這

20、種變化引起鋼的強烈軟化，珠光體球化會使鋼材的常溫強度下降，并能明顯地加快蠕變速度，降低持久強度。球化嚴重時，持久強度降低約40%50%Mo Cr VTi Nb 能提高珠光體穩(wěn)定性石墨化是指鋼材中的滲碳體在高溫長期作用下自行分解成石墨和鐵的現象。這是一種比珠光體球化更為危險的組織變化。石墨的存在相當于鋼中出現了裂紋，不僅消除了滲碳體原有的強化作用，并且使鋼的韌性大為降低，以致引起脆性斷裂。凡能形成高穩(wěn)定性碳化物的元素，如Cr、Nb、Ti都能阻止石墨化。表現為合金元素在固溶體和碳化物中的含量發(fā)生變化，是通過合金元素擴散進行的、由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉變的一種自發(fā)過程。其結果常是合金元素在固溶體中貧

21、化和在碳化物中富集，甚至形成碳化物。如Cr23C6冷脆性 熱脆性氫脆 苛性脆化 應力腐蝕脆性斷裂 溫度降低，韌性下降，金屬材料在低溫下呈現的脆性稱為冷脆性。無塑性轉變溫度NDT鋼材長時間停留在400500后再冷卻至室溫時，沖擊韌度值會有明顯下降，這就是熱脆性。在高溫下不呈現，降下來到室溫才呈現。鋼材中的氫會使材料的力學性能脆化，這種現象稱為氫脆發(fā)生在100150，溫度低，氫不移動聚集，溫度高氫逸出 由于介質內具有含量很高的NaOH促使鋼材腐蝕加劇而引起的脆化現象由拉應力與腐蝕介質聯合作用而引起的低應力脆性斷裂稱為應力腐蝕腐蝕是一種物質與環(huán)境作用引起的破壞或變質化學腐蝕和電化學腐蝕 有下列十種全

22、面腐蝕：基本均勻化學或電化學反應電偶腐蝕：電位負（陽極）的腐蝕速度增加孔蝕：集中金屬表面?zhèn)€別小點深度較大的腐蝕縫隙腐蝕：在縫隙和其他隱蔽區(qū)常常發(fā)生強烈腐蝕選擇性腐蝕：合金某種組分被腐蝕而脫除晶間腐蝕：腐蝕局限在晶界和晶界附近磨損腐蝕：腐蝕介質與金屬的相對運動而使腐蝕過程加速應力腐蝕破裂：受拉應力的材料與特定腐蝕介質共同作用的脆性破壞腐蝕疲勞：金屬受腐蝕介質和交變應力而產生的破裂氫損傷：氫滲入金屬內部而造成金屬性能的惡化稱為氫損傷熱處理是將固態(tài)金屬及合金按預定的要求進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織，從而獲得所要求性能的一種工藝過程。熱處理不改變材料的成分，但改變了材料的組織，從而改變了材料的性能。 l高溫下的液態(tài)金屬隨著溫度降低開始結晶，到