金屬材料及熱處理基本知識

金屬材料及熱處理基本知識第一頁，共128頁。第一章金屬材料與熱處理第二頁，共128頁。材料力學(xué)基本知識應(yīng)力與應(yīng)變強度塑性硬度沖擊韌度金屬學(xué)與熱處理基本知識承壓類特種設(shè)備常用材料第三頁，共128頁。1.1概述承壓類特種設(shè)備對材料要求很高，如高強度、高韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性能及工藝性能等。對材料的較高要求是推動特種設(shè)備用材不斷發(fā)展的基本動力。在承壓類特種設(shè)備制造業(yè)中，金屬材料具有其他材料無法替代的地位和作用。1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識年產(chǎn)1000萬噸煉油廠第四頁，共128頁。TITANIC:沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識總重量為46,328噸

泰坦尼克號于1912年4月15日被冰川撞沉。其遺骸于1985年9月1日被發(fā)現(xiàn)。船只已經(jīng)首尾分離，裂成了兩半。船頭仍然保持相對完整，而船尾則位于2000英尺之外，已經(jīng)嚴(yán)重受損變形。

第五頁，共128頁。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國制造的4694艘船只中，發(fā)現(xiàn)在970艘船上有1442處裂紋。其中24艘甲板全部橫斷，一艘船底發(fā)生完全斷裂，八艘從中腰斷為兩半，其中四艘沉沒。

Titanic近代船用鋼板1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識第六頁，共128頁。2007年8月2日，美國明尼蘇達州一座跨越密西西比河的大橋坍塌1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識第七頁，共128頁。金屬：通常把元素周期表中具有金屬光澤，可塑性，導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性良好的化學(xué)元素成為金屬。金屬最突出特點易失去電子，形成化合物狀態(tài)存在。金屬材料：指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬性質(zhì)的材料的統(tǒng)稱。純金屬，合金等使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識第八頁，共128頁。力學(xué)性能：材料在一定溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學(xué)性能。承壓類特種設(shè)備材料的常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)主要包括強度、硬度、塑性和韌性等。1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識第九頁，共128頁。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。1.1應(yīng)力與應(yīng)變第十頁，共128頁。應(yīng)力σ

：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:Fσ=—— S0

應(yīng)變ε：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl

ε=——l0應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同σbσsσeεσ1.1應(yīng)力與應(yīng)變第十一頁，共128頁。強度:是指材料抵抗永久變形或斷裂的能力。常用的強度指標(biāo)有屈服強度σs或σ0.2和抗拉強度b。另外，材料的屈強比(σs／σb)也是反映材料承載能力的一個指標(biāo)，不同材料具有不同的屈強比，即使是同一種材料，其屈強比也隨著材料熱處理情況及工作溫度的不同而有所變化。采用拉伸試驗測定其大小，即將一定尺寸試樣夾裝在實驗機上，通過逐漸施加拉力，直至把試樣拉斷而得到應(yīng)力與變形間的關(guān)系曲線。大體分為四個階段。1.2強度第十二頁，共128頁。

Q235拉伸試樣,符合國標(biāo)(GB/T228-2002)1.2強度線彈性變形階段（OA）（塑性）屈服階段（BC）強化階段（CD）（局部）頸縮階段（DE）其中OA’部分為一斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，A’點所對應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限。由于大多數(shù)材料的A點和A’點幾乎重合在一起，一般不作區(qū)分。第十三頁，共128頁。屈服強度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。條件屈服強度0.2：材料塑性伸長0.2%時的應(yīng)力值?？估瓘姸萣：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。1.2強度第十四頁，共128頁。

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。常用塑性指標(biāo)為斷后伸長率和斷面收縮率。試樣被拉斷后，標(biāo)距部分的殘余伸長與原始標(biāo)距之比的百分率稱為斷后伸長率。1.3

塑性試樣斷裂后，斷口處橫截面積的減少值與原始橫截面積的比值稱為斷面收縮率。第十五頁，共128頁。用塑性好的材料制造承壓類特種設(shè)備，可以緩和局部應(yīng)力的不良影響，有利于壓力加工，不易產(chǎn)生脆性斷裂，對缺口、傷痕不敏感，并且在發(fā)生爆炸時不易產(chǎn)生碎片。作為化工容器用的鋼，要求伸長率δ不低于10％。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象1.3

塑性第十六頁，共128頁。

硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。硬度與強度有一定關(guān)系。一般情況下，硬度較高的材料其強度也較高，所以可以通過測試硬度來估算材料強度。此外，硬度較好的材料，耐磨性較好。工程上常用的硬度測試方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV、里氏硬度HL1.4

硬度注：材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40）第十七頁，共128頁。布氏硬度HB將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。布氏硬度值可通過測量壓痕平均直徑d查表得到。1.4

硬度第十八頁，共128頁。壓頭為淬火鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。1.4

硬度第十九頁，共128頁。1.4

硬度洛氏硬度HR洛氏硬度用符號表示，HR=k-(h1-h0)/0.002在初載荷和總載荷（初載荷與主載荷之和）的先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保持一定時間后卸除主載荷，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度值。根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。第二十頁，共128頁。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕1.4

硬度第二十一頁，共128頁。維氏硬度HV將頂部兩相對面具有規(guī)定角度（136）的正四棱錐體金剛石壓頭在載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過測量壓痕對角線長度d查表得到。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。1.4

硬度第二十二頁，共128頁。采用較低的試驗力可使維氏試驗的壓痕非常小，這樣就可測出很小區(qū)域甚至是金相中不同相的硬度。焊接性能試驗中的最高硬度試驗，就是用維氏硬度來測量焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的硬度。1.4

硬度第二十三頁，共128頁。里氏硬度HL用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面１ｍｍ處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計測定的是沖擊體在試樣表面經(jīng)試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的計算公式如下：

HL=1000×νR/νA

式中：HL——里氏硬度符號

νR————球頭的沖擊速度，m/s；

νA————球頭的反彈速度，m/s。1.4硬度第二十四頁，共128頁。里氏硬度計體積小，重量輕，操作簡便，在任何方向上均可測試，所以特別適合現(xiàn)場使用。里氏硬度可及時換算成布氏、洛氏、維氏等各種硬度。目前里氏硬度計裝有鋼和鑄鋼，合金工具鋼，灰鑄鐵，球墨鑄鐵，鑄鋁合金，銅鋅合金，銅錫合金，純銅，不銹銅等9種材料的換算表。1.4硬度第二十五頁，共128頁。沖擊韌度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征。韌性常用沖擊功Ak和沖擊韌度ak表示。

ak=Ak/SN(SN：斷口處截面積)Ak值或ak值除反映材料的抗沖擊性能外，還對材料的一些缺陷很敏感，能靈敏地反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化。而且Ak對材料的脆性轉(zhuǎn)化情況十分敏感，低溫沖擊試驗?zāi)軝z驗鋼的冷脆性。容器用的鋼沖擊韌性ak在使用溫度下不低于35J／cm21.5

沖擊韌度第二十六頁，共128頁。GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》1.5

沖擊韌度夏比沖擊試驗的缺口形式有U型和V型兩種。V型缺口根部半徑小，對沖擊更敏感。承壓類特種設(shè)備材料的沖擊試驗規(guī)定試樣必須用V形缺口。第二十七頁，共128頁。1.5

沖擊韌度第二十八頁，共128頁。材料力學(xué)基本知識金屬學(xué)與熱處理基本知識金屬的晶體結(jié)構(gòu)鐵碳合金相圖熱處理的一般過程承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝承壓類特種設(shè)備常用材料第二十九頁，共128頁。物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)C60第三十頁，共128頁。2.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念(1)晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。根本區(qū)別：晶體中原子（或分子）在三維空間有規(guī)律地周期性重復(fù)排列，而非晶體不具備這一特點。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十一頁，共128頁。2.1.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十二頁，共128頁。⑴體心立方晶格常見金屬：-Fe、

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十三頁，共128頁。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十四頁，共128頁。⑵面心立方晶格常見金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十五頁，共128頁。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十六頁，共128頁。⑶密排六方晶格常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十七頁，共128頁。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十八頁，共128頁。2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑴單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。純鐵組織晶粒示意圖2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三十九頁，共128頁。晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第四十頁，共128頁。3、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，常見有空位、間隙原子、置代原子和位錯。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第四十一頁，共128頁。點缺陷：空間三維尺寸都很小的缺陷，在原子尺寸大小的缺陷。主要有空位、間隙原子、置換原子三種。a.空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。b.間隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第四十二頁，共128頁。c.置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位間隙原子大置換原子小置換原子2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第四十三頁，共128頁。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)不論哪種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)合點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。第四十四頁，共128頁。線缺陷—在三維空間的一個方向的尺寸很大（晶粒數(shù)量級），另外兩個方向尺寸很小的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯。位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。分為刃型位錯和螺型位錯。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)第四十五頁，共128頁。2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)刃位錯螺位錯第四十六頁，共128頁。2.1.3金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的一般過程1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。2.1.3金屬的結(jié)晶第四十七頁，共128頁。晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2.1.3金屬的結(jié)晶第四十八頁，共128頁。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。3、晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。均勻長大樹枝狀長大2.1.3金屬的結(jié)晶第四十九頁，共128頁。在正溫度梯度下，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。正溫度梯度2.1.3金屬的結(jié)晶第五十頁，共128頁。實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于存在負溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。負溫度梯度2.1.3金屬的結(jié)晶第五十一頁，共128頁。樹枝狀長大2.1.3金屬的結(jié)晶第五十二頁，共128頁。鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量0.02%~2.11%的稱鋼;2.11%~6.69%的稱鑄鐵鐵和碳化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→2.2鐵碳合金相圖第五十三頁，共128頁。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).2.2鐵碳合金相圖第五十四頁，共128頁。一、鐵—滲碳體相圖中鐵碳合金的分類Fe-Fe3C相圖中不同成分的鐵碳合金，具有不同顯微組織和性能，通常根據(jù)相圖中P點，E點將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵，鋼和白口鑄鐵三大類。1．工業(yè)純鐵成分P點以左（Wc<0.0218%）的鐵碳合金，其室溫組織為鐵素體和三次滲碳體。第五十五頁，共128頁。2、鋼成分為P點與E點間（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金。其特點是高溫固態(tài)組織為塑性很好的γ鐵，因而可進行熱加工。根據(jù)含碳量不同又可分為三類：（1）

共析鋼——含碳量=0.77%（2）

亞共析鋼——含碳量<0.77%（3）

過共析鋼——含碳量>0.77%第五十六頁，共128頁。3．

白口鑄鐵成分為E點右面（C%=2.11~6.69%）的鐵碳合金。其特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，因而與鋼相比有較好的鑄造性能。但高溫中組織硬脆的滲碳體量很多，故不能進行壓力加工，根據(jù)相圖：白口鑄鐵分為：共晶白口鑄鐵——C%=4.3%；亞共晶白口鑄鐵——C%<4.3%；過共晶白口鑄鐵——C%>4.3%第五十七頁，共128頁。鐵碳合金相圖的分析?????LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

2.2鐵碳合金相圖第五十八頁，共128頁。⒉特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是(A)與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體,用Ld表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體2.2鐵碳合金相圖第五十九頁，共128頁。PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是A與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。2.2鐵碳合金相圖第六十頁，共128頁。⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線，ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。2.2鐵碳合金相圖第六十一頁，共128頁。⒊相區(qū)⑴五個單相區(qū)：

L、、、、Fe3C⑵七個兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C⑶三個三相區(qū)：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

2.2

鐵碳合金相圖第六十二頁，共128頁。鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)⑴鐵素體：碳在-Fe（<910℃）中的固溶體稱鐵素體,用F或

表示。碳在δ-Fe（1390~1535℃

）中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，強、硬度不高，塑、韌性良好。超過770℃，鐵磁性消失2.2鐵碳合金相圖鐵素體第六十三頁，共128頁。材料：純鐵放大：500×工藝情況：退火狀態(tài)浸蝕方法：苦味酸酒精溶液浸蝕組織說明：白色顆粒狀為鐵素體，明顯黑色曲折線條為晶界，其上黑色小點為氧化物鐵素體金相第六十四頁，共128頁。⑵奧氏體:碳在

-Fe（910~1390℃

）中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。無磁性強度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體2.2鐵碳合金相圖第六十五頁，共128頁。材料：1Cr18Ni9Ti放大：250×工藝情況：固溶處理浸蝕方法：鹽酸、硝酸、甘油混合溶液浸蝕組織說明：均一的奧氏體組織，部分晶粒呈孿晶分布，其上黑色小點為碳化物，多邊形小塊狀為氮化物。

奧氏體金相第六十六頁，共128頁。⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.67%,用Fe3C表示。Fe3C硬度高、強度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體2.2鐵碳合金相圖第六十七頁，共128頁。亞共析鋼的結(jié)晶過程承壓設(shè)備常用碳素鋼含碳量一般低于0.25%.以0.2%C的鋼為例說明結(jié)晶過程2.2

鐵碳合金相圖第六十八頁，共128頁。2.2

鐵碳合金相圖第六十九頁，共128頁。亞共析鋼的結(jié)晶過程2.2鐵碳合金相圖第七十頁，共128頁。亞共析鋼室溫下的組織為F+P.在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加,硬度、強度增加，塑性、韌性降低。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織2.2

鐵碳合金相圖第七十一頁，共128頁。臨界溫度與實際轉(zhuǎn)變溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示.實際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將鋼加熱時的實際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示;冷卻時的實際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示。2.2

鐵碳合金相圖第七十二頁，共128頁。改善鋼的性能，主要有兩條途徑：一是合金化二是熱處理1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。2.3熱處理的一般過程第七十三頁，共128頁。2、熱處理特點:熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。4、熱處理分類熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱熱處理原理。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時間、介質(zhì)等參數(shù)稱熱處理工藝。2.3熱處理的一般過程第七十四頁，共128頁。其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等2.3熱處理的一般過程第七十五頁，共128頁。鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1(PSK)以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。2.3.1鋼的加熱轉(zhuǎn)變第七十六頁，共128頁。2.3.1鋼的加熱轉(zhuǎn)變第七十七頁，共128頁。影響奧氏體晶粒長大的因素⑴加熱溫度和保溫時間:加熱溫度高、保溫時間長,晶粒粗大.⑵加熱速度:加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細.⑶合金元素：阻礙奧氏體晶粒長大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促進奧氏體晶粒長大的元素：Mn、P、C、N。⑷原始組織:平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。2.3.1鋼的加熱轉(zhuǎn)變第七十八頁，共128頁。冷卻是熱處理更重要的工序。一、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過程處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以共析鋼為例說明：2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第七十九頁，共128頁。㈠珠光體轉(zhuǎn)變1、珠光體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在A1到550℃間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織，它是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合物，根據(jù)片層厚薄不同,又細分為珠光體、索氏體和托氏體.珠光體索氏體托氏體2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十頁，共128頁。材料：T8放大：500×工藝情況：退火浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：層片狀珠光體。層片狀珠光體是一種雙相結(jié)構(gòu)的組織，是一層鐵素體和一層滲碳體的混合物。它是由高溫奧氏體冷卻到727℃時共析反應(yīng)后所得到的產(chǎn)物，含碳量為0.77%珠光體金相第八十一頁，共128頁。材料：GCr15放大：500×工藝情況：球化退火浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：球粒狀珠光體。通過正常球化退火工藝，促使碳化物呈均勻的球粒狀分布在鐵素體基體上，從而降低了硬度，改善了軸承鋼的切削性能，并且利于淬火時不易造成過熱現(xiàn)象。球狀珠光體第八十二頁，共128頁。材料：2Cr13放大：800×工藝情況：調(diào)質(zhì)處理浸蝕方法：經(jīng)氯化高鐵、鹽酸水溶液浸蝕組織說明：顯示奧氏體晶界和孿晶的回火索氏體。索氏體本質(zhì)上是滲碳體與鐵素體的機械混合物，但在光學(xué)顯微鏡下常常難以分辨出滲碳體顆粒。索氏體金相第八十三頁，共128頁。2、珠光體轉(zhuǎn)變過程珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側(cè)奧氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并長大，形成一個珠光體團。珠光體轉(zhuǎn)變是擴散型轉(zhuǎn)變。2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十四頁，共128頁。2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十五頁，共128頁。珠光體轉(zhuǎn)變觀察2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十六頁，共128頁。2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十七頁，共128頁。㈡貝氏體轉(zhuǎn)變1、貝氏體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下).上貝氏體下貝氏體2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第八十八頁，共128頁。材料：70Si3Mn（彈簧鋼）放大：550×工藝情況：加熱至1200℃保溫，在400℃鹽浴中等溫3min后空冷浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：黑色針狀下貝氏體、羽毛狀上貝氏體和部分灰色馬氏體及殘余奧氏體等混合分布。貝氏體金相第八十九頁，共128頁。㈢馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)奧氏體過冷到Ms以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。馬氏體轉(zhuǎn)變是強化鋼的重要途徑之一。1、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。馬氏體組織2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第九十頁，共128頁。當(dāng)奧氏體含碳量小于0.2％時得到全部板條馬氏體組織，呈扁擔(dān)狀，亞結(jié)構(gòu)以位錯為主，有較高的強度和韌性，具有良好的綜合機械性能。馬氏體金相第九十一頁，共128頁。材料：15MnB放大：550×工藝情況：920℃滲碳淬火浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：滲碳淬火的心部組織，主要為呈板條狀分布的低碳馬氏體，又稱板條狀馬氏體。板條狀馬氏體是由許多一束束尺寸大致相同并幾乎平行排列的細板條結(jié)合起來的組織，馬氏體束之間的角度比較大。此圖由于是滲碳淬火，在高溫狀態(tài)材料心部形成較粗大的奧氏體晶粒，淬火后得到較粗大的板條狀馬氏體。馬氏體金相第九十二頁，共128頁。馬氏體的組織形態(tài)主要取決于過冷奧氏體的含碳量當(dāng)奧氏體的含碳量大于1.0％時，得到全部針狀（片狀）馬氏體，呈雙凸透鏡狀，亞結(jié)構(gòu)以攣晶為主，硬度和強度高，但塑性和韌性很低。含碳量在0.2～1.0%之間為板條與針狀的混合組織。馬氏體金相第九十三頁，共128頁。材料：T10放大：550×工藝情況：高溫淬火后浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：較粗大的針狀馬氏體和殘余奧氏體。針狀馬氏體呈竹葉狀或凸透鏡狀，在空間形似鐵餅。針狀馬氏體之間通?；コ?0°或120°角，一般限制在奧氏體晶粒內(nèi)，最初形成的馬氏體針貫穿奧氏體晶粒，后形成的馬氏體較短，先形成的馬氏體較易浸蝕。所以完全轉(zhuǎn)變的馬氏體為大小不同，分布不規(guī)則，顏色深淺不一的針狀組織。馬氏體金相第九十四頁，共128頁。承壓類特種設(shè)備用鋼常用熱處理工藝有：退火、正火、淬火、回火等。奧氏體不銹鋼有固溶處理和穩(wěn)定化處理。退火將鋼加熱到高于或等于奧氏體化臨界點，保溫一段時間后，緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。在承壓類特種設(shè)備制造過程中應(yīng)用最多的是去應(yīng)力退火（消除應(yīng)力退火）。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第九十五頁，共128頁。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝消除應(yīng)力退火可分為整體焊后熱處理和局部焊后熱處理兩大類，整體焊后熱處理效果好于局部焊后熱處理。整體焊后熱處理又可分為爐內(nèi)整體熱處理和內(nèi)部加熱整體熱處理。第九十六頁，共128頁。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝7000立方米球罐焊后熱處理第九十七頁，共128頁。熱處理方法的選擇盡可能采取爐內(nèi)整體熱處理分段時，加熱重疊部分至少1500mm局部熱處理時，每側(cè)加熱帶寬度不小于厚度的2倍接管與容器相焊的整圈焊縫，加熱帶寬度不小于殼體厚度的6倍熱處理工藝溫度的一般控制進、出爐溫度：≤400℃升溫速度：≤5000/δ(℃/h)，且≤200(℃/h)降溫速度：≤6500/δ(℃/h)，且≤260(℃/h)保溫期間，加熱區(qū)內(nèi)溫差：≤65℃2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第九十八頁，共128頁。某設(shè)備制造時環(huán)境溫度過低，焊接時不同部位溫差較大造成殘余應(yīng)力過大，由于未能進行有效熱處理，導(dǎo)致產(chǎn)生大量縱向冷裂紋。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第九十九頁，共128頁。

退火的目的：

降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。

2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百頁，共128頁。正火將鋼加熱至奧氏體化溫度并保溫使之均勻化后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。壓力容器鋼板正火一般在鋼廠進行，目的在于改善熱軋狀態(tài)鋼板的力學(xué)性能，主要是提高塑性和韌性。對于低溫容器用鋼，通過正火可細化晶粒，達到低溫韌性要求。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝正火溫度第一百零一頁，共128頁。過熱：鋼在加熱時，由于溫度過高，并且較長時間保溫，會使晶粒長得恨粗大，致使性能顯著降低的現(xiàn)象。可通過正火或高溫擴散退火等方法矯正和恢復(fù)。過燒：鋼加熱時加熱溫度比過熱溫度還要高，達到固相線附近時，會發(fā)生晶界開始部分熔化或氧化的現(xiàn)象。不能用熱處理方法恢復(fù)，只能報廢。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零二頁，共128頁。淬火：鋼加熱到臨界點以上，保溫后迅速冷卻，以得到馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。壓力容器用低碳鋼、低合金鋼淬火的目的是為獲得低碳馬氏體（板條馬氏體）或貝氏體組織。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零三頁，共128頁。淬火溫度為Ac3+30-50℃。預(yù)備熱處理組織為退火或正火組織。壓力容器用鋼淬火一般采用水冷，主要有：噴淋淬火：噴淋裝置在強烈循環(huán)水中進入淬火：用水泵浸入法：水槽2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零四頁，共128頁?；鼗饘⒋慊鸹蛘鸷蟮匿摷訜岬较嘧凕c以下某一選定溫度，并保溫一段時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以消除淬火或正火所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，增加鋼的塑性和韌性的熱處理工藝。壓力容器用鋼回火一般采用高溫回火處理，回火后的組織一般為回火馬氏體或回火馬氏體+回火貝氏體。對于正火后獲得鐵素體+珠光體組織的鋼種一般沒有必要進行高溫回火。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零五頁，共128頁。回火脆性：指淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻通過該溫度區(qū)間的脆化現(xiàn)象?；鼗鸫嘈钥煞譃榈谝活惢鼗鸫嘈院偷诙惢鼗鸫嘈浴５谝活惢鼗鸫嘈杂址Q不可逆回火脆性，主要發(fā)生在回火溫度為250～400℃時，在重新加熱脆性消失后，重復(fù)在此區(qū)間回火，不再發(fā)生脆性第二類回火脆性又稱可逆回火脆性，發(fā)生的溫度在400～650℃，當(dāng)重新加熱脆性消失后，應(yīng)迅速冷卻，不能在400～650℃區(qū)間長時間停留或緩冷，否則會再次發(fā)生催化現(xiàn)象。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零六頁，共128頁。規(guī)格Φ273×40mm，材質(zhì)20鋼，長約14.3米；操作壓力25.5MPa，操作溫度-2℃，操作介質(zhì)為H2、N2、CH4、NH3等。因制造過程中的第一類回火脆性導(dǎo)致材質(zhì)裂化2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零七頁，共128頁?；鼗鸫嗷轰撝茐毫θ萜髟?80～570℃范圍內(nèi)長期運行，使鋼材脆化的現(xiàn)象。例如：2.25Cr-1Mo鋼制熱壁加氫反應(yīng)器在高溫高壓臨氫環(huán)境中長期運行時，反應(yīng)器器壁母材及對接焊縫金屬的回火脆化?；鼗鸫嗷臏囟仁歉鶕?jù)壓力-溫度-材質(zhì)曲線來定的2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零八頁，共128頁。調(diào)質(zhì)鋼材淬火后再進行高溫回火的熱處理工藝。壓力容器用低碳鋼和低合金鋼采用調(diào)質(zhì)處理，可以提高鋼材的強度和韌性，以更好發(fā)揮材料的潛力。穩(wěn)定化處理含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼在850～900℃加熱，并保溫一段時間，然后空冷，使碳充分與穩(wěn)定化元素（如鈦）形成碳化物，并使奧氏體晶內(nèi)元素擴散均勻，從而提高抗晶間腐蝕性能的處理方法。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百零九頁，共128頁。

固溶化處理：將奧氏體不銹鋼加熱至1100℃左右的高溫并保溫，使所有碳化物充分溶入奧氏體中，然后以較快的速度冷卻（一般采用水冷或風(fēng)冷），以獲得碳化物完全固溶于奧氏體基體內(nèi)均勻的單相組織，從而提高抗晶間腐蝕性和延展性的工藝方法。室溫下18-18-2鋼接觸聚合硫酸一小時后產(chǎn)生的晶間裂紋2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百一十頁，共128頁。不銹鋼在腐蝕介質(zhì)作用下，在晶粒之間產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕。產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，即會沿晶界斷裂、強度幾乎完全消失，這是不銹鋼的一種最危險的破壞形式。晶閘腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線上，在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又稱刀狀腐蝕。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百一十一頁，共128頁。不銹鋼熔合線刀狀腐蝕不銹鋼熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋（敏化區(qū)）2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百一十二頁，共128頁。敏化溫度區(qū)不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕與鋼的加熱溫度和加熱時間有關(guān)。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的晶間腐蝕與加熱溫度和加熱時間的關(guān)系，當(dāng)加熱溫度小于450℃或大于850℃時，不會產(chǎn)生晶間腐蝕。因為溫度小于450℃時，由于溫度較低，不會形成碳化鉻化合物；而當(dāng)溫度超過850℃時，晶粒內(nèi)的鉻擴散能力增強，有足夠的鉻擴散至晶界和碳結(jié)合，不會在晶界形成貧鉻區(qū)。450～850℃稱“敏化溫度區(qū)”，其中尤以650℃為最危險。2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百一十三頁，共128頁。壓力容器用鋼常用參考熱處理規(guī)范碳素鋼、16MnR：600~640℃07MnCrMoVR：550~590℃09MnNiDR：540~580℃12CrMo、15CrMo：≥600℃12Cr1MoV：≥640℃1Cr5Mo：≥660℃調(diào)質(zhì)鋼熱處理溫度應(yīng)低于調(diào)質(zhì)處理的回火溫度電渣焊后應(yīng)進行正火+回火熱處理不同鋼號：按溫度要求高的進行，但不應(yīng)超過任一鋼號的下臨界點奧氏體不銹鋼可不進行熱處理2.4承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝第一百一十四頁，共128頁。

承壓類特種設(shè)備都是在承壓狀態(tài)下運行，材料要承受較大的工作應(yīng)力，有些還要同時承受高溫和腐蝕介質(zhì)的作用，工作條件惡劣，如果在使用過程中發(fā)生破壞性事故，將會造成嚴(yán)重損失，因此，對承壓類特種設(shè)備的材料有一定的要求。這些要求包括：

2.5承壓類特種設(shè)備常用材料第一百一十五頁，共128頁。

2.5承壓類特種設(shè)備常用材料第一百一