張勇：第3章金屬學(xué)

1、張勇 合肥市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局地址：合肥市蕪湖路139號 郵編：230001 E-mail：手機(jī):三章 金屬學(xué)、熱處理與壓力容器材料 本章學(xué)習(xí)重點和思考內(nèi)容：1，了解金屬材料主要力學(xué)性能指標(biāo)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(zhì)量檢驗方法及典型熱處理事例.4，了解低合金高強(qiáng)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(zhì)劣化。 拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗機(jī)拉伸試驗機(jī)拉伸試樣拉伸試樣3.1 3.1 金屬學(xué)

2、基本知識金屬學(xué)基本知識3.1.1 金屬材料力學(xué)性能概述1.金屬材料強(qiáng)度指標(biāo) 1)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度，GB/T 228.12010標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點。應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度，單位：MPa。（1）上屈服強(qiáng)度（ReH），試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力；（2）下屈服強(qiáng)度（ReL），在屈服期間，不計初始瞬間效應(yīng)時的最低應(yīng)力。2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度，GB/T 228.12010標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：相應(yīng)最大力(Fm)對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)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(yīng)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(biāo)1)斷后伸長率(延伸率)斷后伸長率，GB/T 228.12010標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：斷后標(biāo)距的殘余伸長（Lu-Lo）與原始標(biāo)距（Lo）之比的百分率為斷后伸長率（A），單位：%。其中，（Lu）為斷后標(biāo)距。2)斷面收縮率斷面收縮率，GB/T 228.12010標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分（%）3. 金屬材料韌性指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)沖擊試驗機(jī) 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?jīng)_擊試驗機(jī)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(qū)直入，當(dāng)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(biāo)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(guān)。由于不同的沖擊試樣在試驗時應(yīng)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(guān)，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(xué)性能指標(biāo)中對材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感的一個質(zhì)量指標(biāo)，而且也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標(biāo)。所以，對壓力容器用鋼來說，沖擊吸收功是衡量其裂紋擴(kuò)展阻力的重要指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，就不會出錯，應(yīng)用也簡便。但是進(jìn)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(jī)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(jī)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)的附錄C中也有方法介紹）1-2)側(cè)膨脹值 側(cè)膨脹值即為沖擊試樣缺口背部的兩側(cè)由于沖擊試驗時所受到的錘擊，而產(chǎn)生的尺寸增量。當(dāng)試樣斷裂成兩截時，應(yīng)分別測量兩截試樣斷口的側(cè)膨脹值，并取其中大者為該試樣

8、的側(cè)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了幾種測量側(cè)膨脹值的方法.2)斷裂韌度臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC GB/T4161標(biāo)準(zhǔn)裂紋張開位移COD GB/T2358標(biāo)準(zhǔn) 3.1.2 金屬學(xué)基本知識概述 1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)(圖3.1-12。后圖) 2.金屬強(qiáng)度的本質(zhì)與金屬材料的強(qiáng)化機(jī)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(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變-奧氏體A的形成2.冷卻時轉(zhuǎn)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(jié)晶3.再結(jié)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(diào)質(zhì)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(yīng)用) 2.調(diào)質(zhì)處

10、理 (目的、方法和應(yīng)用) 3.固溶處理 (目的、方法和應(yīng)用) 4.穩(wěn)定化處理 (目的、方法和應(yīng)用)5.消除應(yīng)力熱處理 (目的、方法和應(yīng)用)3.2.4 壓力容器制造中的消除應(yīng)力處理 1.焊后熱處理（PWHT）2.中間消除應(yīng)力處理3.焊后熱處理方法分類4.整體消除應(yīng)力處理5.局部消除應(yīng)力處理(表3.2-12)6.消除應(yīng)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(fù)合板及覆層材料的焊后熱處理11.低合金高強(qiáng)度鋼再熱裂紋的預(yù)防3.2.5 熱處理質(zhì)量檢驗方法1.零件熱處理后主要的檢驗方法： 硬度、力學(xué)性能、金相試驗和無損檢測2.焊后消應(yīng)力處理質(zhì)量監(jiān)督檢驗 檢

11、查熱處理工藝和設(shè)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(diào)質(zhì)處理 3.第一次中間消除應(yīng)力熱處理 4.第二次中間消除應(yīng)力熱處理 5.焊后最終消除應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)鋼(表3.3-3和3.3-4中16MnR和15MnNbR鋼號在GB713-2008中應(yīng)為Q345R和Q370R.13MnNiMoN

12、bR應(yīng)為13MnNiMoR)3.3.3 國產(chǎn)低合金結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(yīng)為相近鋼號對照表) 3.4低合金高強(qiáng)度鋼的進(jìn)一步知識3.4.1低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展概述（相應(yīng)的鋼管及鍛件標(biāo)準(zhǔn)） NB/T47008102010承壓設(shè)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(diào)質(zhì)) 1.熱軋及正火鋼

14、(熱軋,正火) 2.低碳調(diào)質(zhì)鋼 (淬火 +高溫回火; 淬火 +回火) (調(diào)質(zhì)的作用)3.4.4 低合金高強(qiáng)鋼壓力容器設(shè)計選材的注意事項(A,供設(shè)計評審,產(chǎn)品監(jiān)檢和在用檢驗時判斷)(B,介紹液氨的應(yīng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn) 2.鈦及鈦合金 JB/T4745-2002標(biāo)準(zhǔn) 3.銅及銅合金 JB/T4755-2006標(biāo)準(zhǔn) 4

15、.鎳及鎳合金 JB/T4756-2006標(biāo)準(zhǔn)3.5.2 壓力容器用復(fù)合材料 NB/T 47002.1 47002.4 2009壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jié)構(gòu),化學(xué)成份,晶粒度,夾雜物,熱處理與顯微組織,加工硬化,應(yīng)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(yīng)變時效脆性