第一章 金屬材料及熱處理.ppt

1、第一章 金屬材料及熱處理,金屬材料的性能通常指兩個方面： 一、使用性能：決定材料的使用范圍，使用安全可靠性和使用壽命。主要有：力學性能（強度、硬度、剛度、塑性、韌性等），物理性能（密度、熔點、導熱性、熱膨脹性等），化學性能（耐蝕性、熱穩(wěn)定性等）。 二、工藝性能：即材料在被制成機械零件、設備、結構件的過程中適應各種冷、熱加工的性能。如：鑄造、焊接、熱處理、壓力加工、切削加工等方面的性能。,1-1 金屬的機械性能 金屬材料在一定的溫度條件和受外力(載荷)作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱材料的機械性能 金屬材料的常規(guī)機械性能指標包括：強度、塑性、硬度、韌性等。 對鍋爐壓力容器壓力管道的用材，最關心的是

2、材料的強度指標、塑性指標和韌性指標。 強度和塑性指標，可通過拉伸試驗得知。 韌性指標,可通過沖擊試驗得知。,強度與塑性. 1拉伸試驗,2強度金屬材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。,=P/F （N/mm2） 彈性極限 e=Pe/Fo （N/mm2） 屈服極限(s) 材料承受的載荷不再增加，而仍繼續(xù)發(fā)生塑性變形時的應力。 s= Ps/Fo （N/mm2） 有許多金屬或合金材料，并沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，為表明這些材料的屈服極限。規(guī)定的試樣產(chǎn)生的伸長量為試樣長度的0.2%時的應力作為材料“條件屈服極限”，用o.2表示。,強度極限（b） 材料抵抗拉力破壞作用的最大能力。 b= Pb/Fo （N/m

3、m2） 在鍋爐壓力容器選材上，不僅希望材料具有高的s，而且具有一定的屈強比（s/b），屈強比越小，結構零件的可靠性越高，由于塑性變形不致立即破壞。,3塑性 金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生最大塑性變形（永久變形）而不破壞的能力。以試樣斷裂后殘留塑性變形的大小來表示。,延伸率（） =（L1-L0）/ L0100% L1試樣拉斷后的標準長度。 L0試樣原始的標準長度。 斷面收縮率（） =（F0-F1）/ F0100% F1試樣斷后細頸處最小截面積。 F0拉伸前試樣原始截面積。 例 低碳鋼 =2030%，在鑄鐵=1%。,鍋爐壓力容器的主要零部件都是承壓的，無論從制造工藝要求，還是從安全使用的要求，都應選用

4、塑性好的材料。一方面易于加工制造；另一方面。一旦超壓爆炸時，不致產(chǎn)生碎片飛出，這樣可降低破壞力。,4、硬度 金屬材料抵抗硬物壓入其表面的能力。,布氏硬度，洛氏硬度，維氏硬度。 1）布氏硬度 HB=P/F （N/mm2） 根據(jù)經(jīng)驗，布氏硬度與抗拉強度之間有一定的比例關系 bK.HB 對于低碳鋼 b0.362HB 對于高碳鋼 b0.345HB 對于合金鋼 b0.325HB 只能測量硬度不高（HB450）材料。,2）洛氏硬度（HR）原理和布氏硬度相同,金屬體壓頭對金屬表面加壓，用一定的載荷P把壓頭壓入被測金屬表面，卸載后以壓痕的深度來確定金屬材料的硬度。壓痕越深，硬度越低。 可用于測定從極軟到極硬的

5、金屬或合金。 洛氏硬度與布氏硬度的關系大致如下： HRC1/10HB（HB在200600之間） HV（維氏硬度）HB（當HB400時） HL（里氏硬度） 硬度可確定焊接接頭熱影響組織的淬硬情況。,5、韌性 金屬材料在沖擊載荷的作用下，抵抗破壞的能力。,1）沖擊韌性k 單位面積上所承受的沖擊功；J/cm2 材料在外加沖擊負荷作用下，斷裂時吸收能量大小的特性。表示材料對沖擊負荷的抗力。 k =Ak/F （N.m/cm2） Ak 沖擊功 ，J F 試樣缺口處的截面積， cm2 沖擊值k與試樣和缺口形式有關，與試驗溫度有關。 材料在低溫下會出現(xiàn)由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，使材料的沖擊韌性值急劇下降的溫度

6、叫做“脆性轉(zhuǎn)變溫度”,沖擊功 沖擊功Ak 沖擊韌性ak 工程上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測定沖擊載荷試樣被折斷而消耗的沖擊功Ak，單位為焦耳（J）。 而用試樣缺口處的截面積F去除Ak，可得到材料的沖擊韌度（沖擊值）指標，即ak=Ak/F，其單位為kJ/m2或J/cm2。 因此，沖擊韌度ak表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。ak值的大小表示材料的韌性好壞。 一般把ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。 ak值取決于材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關系。ak值對材料的內(nèi)部結構缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部

7、裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會使ak值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現(xiàn)出來的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其ak或Ak值不能直接比較。 材料的ak值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，ak值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tk）”。 沖擊韌度指標的實際意義在于揭示材料的變脆傾向。,6、疲勞 材料在無數(shù)次重復和交變載荷下發(fā)生損壞的現(xiàn)象,大多數(shù)鍋爐壓力容器都是在交變載荷（大小、方向周期性變化）作用下工作，其斷裂時的應力遠低于該材料的抗拉強度，且低于其屈服強度，這種現(xiàn)象稱為金屬的“疲

8、勞”破壞。 GB4337金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗方法規(guī)定，低碳鋼在5106交變載荷作用，低合金鋼在107交變載荷作用下不會斷裂時最大應力值稱為疲勞強度，用-1表示。 -1 (0.40.6)b 提高鋼材的疲勞強度可采取改善結構、避免應力集中、提高表面光潔度、進行表面熱處理等措施。,7、斷裂韌度 用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗脆性斷裂的指標。 是強度和韌性的綜合體現(xiàn)，與裂紋的大小、形狀、外加應力等無關，主要取決于材料的成分，內(nèi)部組織的結構。 常規(guī)設計中，都假設材料是均勻的、連續(xù)的、各向同性的。 實際上材料遠非是均勻的、連續(xù)的、各向同性的，其組織中存在微裂紋、夾雜、氣孔等各種缺陷。,1-2 金屬的

9、結構及鐵碳合金,一、鐵碳合金的基本組織 鋼材的性能不僅取決于鋼材的化學成分，而且還與鋼材的組織有關。鋼材組織無法用肉眼直接觀察，只有經(jīng)過取樣打磨、拋光、腐蝕顯示后在金相顯微鏡下才能觀察到鋼材的組織。 鋼材是鐵碳合金，在固態(tài)下都是晶體，流態(tài)純鐵在1538開始結晶，得到體心立方晶格的Fe，繼續(xù)冷卻到1394轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦腇e，繼續(xù)冷卻到910時又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的Fe，如再繼續(xù)冷卻晶格類型不再變化。以上這些變化稱鐵的同素異構轉(zhuǎn)變。,二、鐵碳合金中的基本組織,1鐵素體（F） 是碳溶解于Fe中形成的間隙固溶體。室溫時鐵內(nèi)含碳量為0.006%。 特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度低。 2滲碳

10、體（Fe3C） 是鐵和碳的化合物。其含碳量為6.67%. 特點：熔點高、硬度高、脆性大、塑性和韌性幾乎為零。,3奧氏體（A） 是碳在Fe中形成的間隙固溶體。其溶碳能力較大，在727時溶碳量為0.77%，在1148為2.11%。碳鋼只有加熱到727以上（稱為臨界點）組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時才有奧氏體組織產(chǎn)生。 4珠光體（P） 是鐵素體和滲碳體二者組成的機械混合物，主要是奧氏體在冷卻過程中在727的恒溫下共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，因此只存在于727以下。珠光體的平均含碳量為0.77%（Fe3C的數(shù)量僅為F的1/8），其機械性能介于F和Fe3C之間。,三、鐵碳合金狀態(tài)圖 用來表示在平衡狀態(tài)下不同含碳量的鐵碳合金在不同溫

11、度下的狀態(tài)、晶體結構和顯微組織特征。,1狀態(tài)圖的主要特性線 ACD 液相線 AECF 固相線 PSK 又叫A1線表示鋼在緩慢冷卻時，A開始轉(zhuǎn)變?yōu)镻的溫度線（共析線） GS線又叫A3線，表示鋼在緩慢冷卻時，A開始析出F的溫度線。 PQ 碳在F中的溶解度曲線 ES線又叫AC線，表示鋼在緩慢冷卻時由A開始析出Fe3C的溫度線（表示碳在奧氏體中的溶解度曲線） S點為共析點對應該點鋼含碳量為0.8%，共析鋼 E點，碳在Fe中的最大溶解度點。其含碳量為2.11%，也是鋼和鑄鐵（白口鐵）的分界點 P點，碳在Fe中的最大溶解度，其含碳量為0.02%。還是純鐵與鋼的分界點。,鋼和鐵的區(qū)別在于含碳量的多少： 含碳

12、量0.02%為工業(yè)純鐵； 含碳量在 0.022.06%為鋼（共析鋼0.77%）； 含碳量2.06%為生鐵（鑄鐵） 鋼加熱到高于727 時出現(xiàn)A組織，則塑性好的抗變形能力強。,1-3 鋼的熱處理,一、概述 1熱處理的基本概念： 1）改善鋼的性質(zhì)，通常可以通過兩種途徑來實現(xiàn)： 調(diào)整鋼的化學成分； 對鋼進行熱處理。 2）鋼的熱處理是指對鋼在固態(tài)下加熱，保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織結構，從而改變鋼的性能的一種工藝法； 3）目的在于充分發(fā)揮材料潛力、節(jié)約鋼材、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命；,4）根據(jù)加熱、冷卻和處理方式的不同，熱處理可分為以下幾種：,普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理：表面淬火

13、、化學熱處理。 熱處理中的加熱溫度、保溫時間、冷卻速度為三大工藝參數(shù)。,2熱處理與狀態(tài)圖,圖中是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下建立的，故相變點稱為理論臨界點。在實際生產(chǎn)中鋼的加熱和冷卻總有一定的過熱和過冷度，實際發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度和狀態(tài)圖上所示的理論臨界點之間有一定的偏離。為區(qū)別，故加熱時的臨界點加注“C”，冷卻時的臨界點加注“”,二、鋼在加熱及冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,1鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 例，對共析鋼，加熱到AC1以上時P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，具體轉(zhuǎn)變過程通過以下四個步驟 奧氏體晶粒的產(chǎn)生； 奧氏體晶粒的長大； 剩余Fe3C體中的繼續(xù)溶解；bi A的成分均勻化 在加熱過程中，P開始全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳時晶粒比較細小，再繼

14、續(xù)加熱、保溫，晶粒就可長大，結果使鋼在常溫下機械性能（特別是k值）變壞。,2鋼冷卻時的轉(zhuǎn)變,鋼在熱處理時，加熱和保溫的主要目的是為了使鋼獲得細而均勻的A晶粒。試驗說明，鋼的機械性能，不僅與高溫加熱狀態(tài)獲得奧氏體晶粒的大小，化學成分的均勻程度有關，而且與奧氏體在冷卻時的轉(zhuǎn)變有直接的關系（冷卻方式和冷卻速度等），冷卻速度不同，組織結構也不同，鋼的性能也不同。,例: 共析鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,A等溫轉(zhuǎn)變曲線,A等溫轉(zhuǎn)變的組織和性能,上圖中有兩條“C”字行曲線，左邊曲線是A轉(zhuǎn)變開始線，曲線以左的區(qū)域為過冷A區(qū)，即過冷到A1（727）以下未發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域，此區(qū)域A過冷不穩(wěn)定。右邊曲線是A轉(zhuǎn)變終了線，曲線以右

15、的區(qū)域為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，不同溫度區(qū)域組織轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物及其特性為： a在A1（727550）為P轉(zhuǎn)變即高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，按轉(zhuǎn)變溫度的高低產(chǎn)物可分為粗P、 索氏體（即細P，等溫轉(zhuǎn)變在650 ）和 屈氏體（極細P，等溫轉(zhuǎn)變在540 ）；,b在550 240 之間為貝氏體轉(zhuǎn)變，中溫轉(zhuǎn)變區(qū)。在500350 轉(zhuǎn)變?yōu)榘坠鈼l狀組織，形若羽毛為上B（其塑性差）；在350320 區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)槌屎谏珎€體狀的下B（硬度高韌性較好） c在Ms（240 ）Ms之間為馬氏體轉(zhuǎn)變，稱為低溫轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物為馬氏體（碳在Fe中的過飽和固溶體）。它具有很高的硬度，但沖擊韌性低、脆性大、延伸率很低。 在實際生產(chǎn)中，A的轉(zhuǎn)變是在連續(xù)冷卻的過程中進行的，

16、它與等溫轉(zhuǎn)變有區(qū)別。但為了方便在生產(chǎn)實踐中，把代表連續(xù)冷卻的冷卻速度線（V1、V2、V3等）點在等溫轉(zhuǎn)變曲線上。根據(jù)與c曲線的相交位置，可得出組織及性質(zhì),圖中：V1 相當于緩冷（退火）與“C”相交位置可以判斷轉(zhuǎn)變?yōu)镻； V2 相當于空冷（正火）可判斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w（細P） V3 相當于油冷（油淬）與“C”開始相交故一部分轉(zhuǎn)變?yōu)門；另一部分來不及轉(zhuǎn)變，為過冷A最后轉(zhuǎn)為Ms； V4 相當于水冷（水淬）不與“C”線相交，冷卻時A來不及發(fā)生分解，象馬氏體轉(zhuǎn)變。,三、鋼的熱處理工藝,1退火 將鋼件加熱到AC1或AC3以上某一溫度，保溫一定時間后隨爐冷卻，從而得到近似平衡組織的熱處理方法。 目的：降低硬度，

17、細化晶粒，提高強度，塑性和韌性，消除內(nèi)應力等 完全退火（重結晶退火）：將鋼加熱到AC3以上2040 使鋼組織完全重結晶，可細化晶粒、均勻組織、降低強度。, 消除應力退火（低溫退火）：將鋼加熱到A1以下，一般為500650 ，保溫緩冷到300 空冷； 主要用于消除焊接體、熱軋體、冷格壓件等的內(nèi)應力，無組織變化.殘余應力，是通過塑性變形或蠕變變形產(chǎn)生松弛而消除的。,2正火：將鋼加熱到AC3或Accm以上4060 ，保溫后從爐中取出空冷的熱處理方法。,目的： 低碳鋼：細化晶粒、均化組織、改善性能 中碳鋼：提高強度、硬度 高碳鋼：消除網(wǎng)狀Fe3C 由于正火的冷卻速度較退火快，所以得到的P組織較細，強度

18、、硬度都有提高，具有較好的綜合機械性能。,3淬火：將鋼加熱到臨界點以上（AC3或AC1+3050 ）經(jīng)過保溫使鋼組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳，然后快速冷卻、淬火得到M組織的一種熱處理方法。,目的：提高鋼的強度和硬度，增加耐磨性，以及在隨后的回火過程中獲得高強度和高韌性相配合的性能。,4回火：將淬火后的鋼材加熱到A1(723 )以下某一溫度,保溫一段時間,然后在空氣或油中冷卻的一種熱處理方法.,目的：降低鋼材的脆性，消除內(nèi)應力、穩(wěn)定工件尺寸，獲得新要求的機械性能。 低溫回火：在150250 中進行，回火M組織，降低了淬火鋼的內(nèi)應力和脆性，保持其高硬度和高耐磨性的特點（用于工具、模具等）；,中溫回火：在350

19、450 中進行，回火T組織，具有高的彈性極限和屈服極限，較好的韌性（用于彈簧、軸套）； 高溫回火：在500650 中進行，回火S組織，具有一定的強度、硬度而又有較好的塑性、韌性，淬火+高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理，用于重要零件，如連桿等； 回火脆化：理論上講淬火鋼回火后沖擊韌性可得到提高。但有些結構鋼在250400 中回火后，沖擊韌性反而降低，這種現(xiàn)象稱為“第一回火脆性”。在450575 出現(xiàn)“第二回火脆性”。,1-4 鍋爐壓力容器常用鋼材,一、工藝特點與使用要求 鍋爐、壓力容器都是由鋼板拼焊而成的。在制造過程中，鋼板必須經(jīng)受冷熱成型加工和焊接，這就要求鍋爐壓力容器用鋼具有良好的工藝和焊接性能。在使用中

20、，必須滿足使用條件下的力學性能要求，要求有足夠的韌性，必須保證其高溫下的抗拉強度和屈服強度。,二、鋼的分類和命名方法 GB/T3304-91鋼分類規(guī)定： 按化學成分分類：非合金鋼 、低合金鋼、 合金鋼 按主要質(zhì)量等級和主要性能及使用特性分類： 普通、優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼； 碳素結構鋼、碳素工具鋼等 1碳素鋼的分類 按鋼的含碳量分： 低碳鋼：含碳量0.25%; 中碳鋼：含碳量0.25%0.6% 高碳鋼：含碳量0.6%;,按脫氧方法分： 沸騰鋼：組織不致密，性能不均勻，沖擊韌性差 鎮(zhèn)靜鋼：材質(zhì)均勻致密，強度較高、成分偏析小 按鋼的質(zhì)量分： 普通碳素鋼： S0.05% P0.045%； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼：

21、 S0.04% P0.040%； 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼： S0.030% P0.035%。 按用途分： 碳素結構鋼：主要用于制做工程結構件 C0.7% 碳素工具鋼：主要用于制做刀具、模具 C0.7%,2、低碳鋼 指含碳量小于2.06%的鐵碳合金。 根據(jù)GB700-88中規(guī)定， 1）普通碳素結構鋼的表示方法： QXXX Q鋼的屈服點，XXX鋼的屈服強度值MPa），-鋼的質(zhì)量等級或用途（分A、B、C、D、R），脫氧方法（F、b、Z）； 2）優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的表示方法：用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字是鋼平均含碳量質(zhì)量的萬分比。 3）鍋爐壓力容器常用的碳素鋼有： Q235AF、Q235A、Q235B、Q235C、

22、Q245R等， 一般以熱軋或正火狀態(tài)供貨. 正常的金相組織為：F+P,4）化學元素對碳鋼的影響 碳鋼是以鐵和碳為基本，同時含有少量錳、硅、硫、磷等元素。 C，是一種強化元素。含碳量高，鋼的強度、硬度高，塑性、韌性差，可焊性差。 鍋爐壓力容器用鋼的含碳量必須控制在0.25%以下。 Mn，具有一定的脫氧能力，能與硫化合成MnS減輕硫的有害作用。含錳量適當時，可提高強度、硬度、耐磨性，減少氣孔，提高焊縫的抗熱裂性能，但塑性、沖擊值降低。 當Mn1%，可提高焊縫的強度和韌性，當Mn1%則焊縫易產(chǎn)生裂紋和夾渣。 鍋爐壓力容器用碳鋼中的含錳量一般在0.150.65%。,Si，強脫氧劑，可提高鋼的強度，使焊

23、縫致密均勻。當含硅量過大時易使焊縫形成夾渣，降低抗彎角度和沖擊韌性。 鍋爐壓力容器用碳鋼中含硅量一般在0.150.30%。 S，有害雜質(zhì)，含硫量多時，晶界處存在低熔點組成相(硫化鐵與鐵，熔點985)。在熱加工過程中容易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，即熱脆，焊接時容易導致焊縫熱裂。 鍋爐壓力容器用碳鋼中含硫量一般控制在0.045%以下。 P，有害雜質(zhì)，磷能與碳化合，并析出脆性化合物Fe3P，使鋼的塑性、韌性，特別是沖擊值明顯下降，在低溫時尤為顯著，即出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象。P的存在使鋼的可焊性變壞，焊接時易產(chǎn)生裂紋； 鍋爐壓力容器用碳鋼的含磷量一般控制在0.040以下。 氧、氮、氫有害元素,3、低合金鋼,1）低合金鋼的應

24、用特點與要求 性能特點：良好的焊接性能和耐磨性能；良好的塑性和比碳鋼低的脆性轉(zhuǎn)變溫度；較高的屈服極限； 使用特點：可減輕結構重量，保證使用可靠耐久； 工藝要求：工藝要求比碳鋼嚴格，一般焊前要預熱、焊后緩慢冷卻，選用低 型焊條，焊材要嚴格烘烤。 鍋爐壓力容器采用低合金鋼代替碳鋼，可減薄容器壁厚，節(jié)省鋼材，用時對不同的使用場合還具有不同的優(yōu)越性。,2）化學元素對合金鋼的影響,錳：鋼中含錳量超過1%時稱為錳鋼。錳鋼可提高強度，降低塑性、韌性、焊接性能變壞，耐蝕性能下降，一般含量控制在1.101.65%; 硅：一般大于0.40%，可提高鋼的抗腐蝕和抗氧化能力。冷加工硬化程度的作用極強，惡化焊接性能。 鉻：可提高鋼的淬透性和強度、硬度，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕能力。當Cr10%時，鋼材塑性降低，可焊性變壞 鉬：可提高鋼的淬透性及熱強性，可消除或降低鋼的熱脆性和回火脆性，改善鋼在高溫高壓下抗氫腐蝕能力。 釩：可細化晶粒，改善鋼的強度和韌性，提高鋼的耐磨性及回火穩(wěn)定性，改善鋼的焊接性能，含量不宜過多。,3）鍋爐壓力容器常用低合金鋼 低合金結構鋼（低合金高強鋼）如：Q345R Q375R、15MnVR(g) 18MnMoNbR(g)、 15MnVNR、07MnCrMoVR等 低溫鋼（用于-20以下）