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1特种设备无损检测人员培训（2013年07月）授课教师：田学军13014683076（管道检验三所所长）河南省锅炉压力容器安全检测研究院2第一章金属材料及热处理基本知识金属材料（金属及合金）的性能包括：力学性能（也称为机械性能）、物理性能、化学性能和工艺性能。合金：是由两种或者两种以上的金属或者金属与非金属元素相互熔合而成的。1.1金属材料力学基本知识一、金属材料力学性能概述金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力大小，是金属材料在外力作用下表现出来的特性。它是判定金属材料力学性能的依据，评定金属材料质量的判据，同时也是设计选材和进行强度计算的主要依据。金属材料的力学性能包括：1.常温下的强度、硬度、弹性、塑性、韧性等，例如屈服点或屈服强度σS（σ0.2）、抗拉强度σb、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性Ak等；2.特定条件下的力学性能，例如高温强度、低温冲击韧性、疲劳极限、断裂力学性能等。应当注意新的力学性能指标表示方法：抗拉强度Rm上屈服强度（ReH）下屈服强度（ReL）规定非比例延伸强度Rp0.2断后伸长率A断面收缩率Z冲击吸收功（AK）时效冲击功室温夏比冲击吸收功Akv脆性转变温度FATT（50％脆性断口）二、钢材的性能（一）、钢材的物理性能钢材的物理性能一般包括：密度ρ，比热容Cp，热导率λ，线膨胀系数，弹性模量E，电阻率R等。（二）、钢材的化学性能耐腐蚀性：钢材抵抗周围介质腐蚀作用的能力。不锈钢具有相对优良的耐腐蚀性能。抗氧化性：钢材在一定温度条件和外力作用下抵抗氧化的能力。耐热钢具有相对良好的抗氧化性，不锈钢的抗氧化性更好。（三）、钢材的力学性能钢材在一定的温度条件和外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为力学性能。1.常规力学性能，如强度、塑性、硬度和韧性等。2.高温性能，如抗蠕变性能、持久强度、瞬时强度和热疲劳性等。3.低温性能，如低温冲击韧性、脆性转变温度等。（四）、钢材的工艺性能1.铸造性能2.切削加工性能33.压力加工性能4.焊接性能1.1.1应力与应变应力：单位面积上的作用力。σ=F/S0(单位:N/m2orPascal(Pa))应变：单位长度上的变化量，用来描述塑性变形和弹性变形程度。ε=△L/L0（无单位）图1.1.1-1退火低碳钢的拉伸曲线通过拉伸试验可以测得材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。1.1.2强度金属材料强度指标：（1）屈服强度屈服强度（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。又区分为上屈服强度和下屈服强度。（1）上屈服强度（ReH），试样发生屈服而力首次下降前的最高应力；（2）下屈服强度（ReL），在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最低应力。材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象，称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点（又称屈服强度或屈服极限），用Re（ReH、ReL）表示。我国标准规定Re取钢材的下屈服点值（ReL）。（2）抗拉强度抗拉强度（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：相应最大力的应力为抗拉强度（Rm）。而最大力(Fm)是指试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力；对于无明显屈服（连续屈服）的金属材料，为试验期间的最大力。应力是指试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商。试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用Rm（b）表示。（3）持久极限持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下，达到规定时间而不断裂的最大应力。4常用符号为b带有一个或两个指数来表示。例如7001000/b，表示在试验温度为700℃时，持久时间为1000h的应力，即所谓高温持久极限。（4）蠕变极限蠕变极限又称蠕变强度，是指在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕变总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。1.1.3塑性金属材料塑性指标（1）断后伸长率（延伸率）断后伸长率（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：试样拉断后标距的残余伸长（Lu—Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率为断后伸长率（A）。其中，（Lu）为断后标距。A＝（Lu—Lo）/Lo(1.1.3-1)（2）断面收缩率断面收缩率（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：断裂后试样横截面积的最大缩减量（So—Su）与原始横截面积（So）之比的百分率为断面收缩率（Z）。其中，（Su）为断后最小横截面积。Z＝（So—Su）/So(1.1.3-3)（3）冷弯性能金属材料在常温下承受弯曲而不破裂的能力，称为冷弯性能。冷弯试验用以考核材料弯曲变形的能力并且能使存在的缺陷显示出来，在一定程度上模拟了压力容器制造时卷板机的工艺情况，是锅炉压力容器用钢材与焊接接头力学性能考核的重要指标。出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d对材料厚度a的比值来表示。1.1.4硬度硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系。一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试材料的硬度值来估算材料的强度。此外，硬度较高的材料，其耐磨性也较好。工程上常用的硬度试验方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度HS和里氏硬度HL。检验中硬度检测的应用材料硬度值与其强度存在着一定的比例关系，对钢铁材料来说，其抗拉强度近似等于3.55倍的布氏硬度值；材料化学成分中，大多数合金元素都会使材料的硬度升高，其中碳对材料硬度的影响最直接，材料中的碳含量越大，其硬度越高，因此硬度试验有时用来判断材料强度等级或鉴别材质；材料中不同金相组织具有不同硬度，一般来说，马氏体硬度高于珠光体，珠光体的硬度高于铁素体，铁素体的硬度高于奥氏体，故通过硬度值可大致了解材料的金相组织、以及材料在加工过程中的组织变化和热处理效果。加工残余应力与焊接残应力的存在对材料的硬度也会产生影响，加工残余应力与焊接残余应力值越大，硬度越高。正因为影响材料硬度的因素较多，工程上硬度检测的应用也较多，锅炉、压力容器、压力管道检验中硬度检测的应用概括如下：（1）对于一般的碳素钢、低合金钢制压力容器，当材质不清或有疑问时，可通过测定硬度，并根据硬度与强度的关系，近似求出材料的强度值。常用的一个换算公式：Re=3.28HV-221（适用于母材）；另一公式为Rm≈3.55HB（适用于HB≤175的材料）（2）锅炉、压力容器、压力管道焊接性试验中检测焊接接头断面的母材、焊缝和热影响区的硬度，据此判断材料的焊接性和工艺的适用性的方法称最高硬度试验法。例如用最高硬度法评价材料的焊接性和工艺的适用性时，要求16MnR的HV≤390；15MnVR的HV≤4005（3）现场经常通过检测母材、焊缝和热影响区的硬度，判断焊接工艺执行情况和焊接接头质量。（4）锅炉、压力容器、压力管道进行局部或整体热处理后，可通过对焊缝金属、热影响区及母材进行硬度测定，检查热处理效果，判断焊缝接头的消除应力情况。例如现场组焊的压力容器，整体热处理后焊缝金属和热影响区的硬度值要求不大于母材的120%（碳素钢）或125%（合金钢）。（5）低合金钢制压力容器焊接返修时，对返修部位进行硬度测定，检查返修补焊工艺的可行性及焊接质量。（6）压力容器使用过程中，由于压力、温度、介质等工况条件的影响，会出现脱碳现象。在用检验中，当怀疑有脱碳时，应对可疑部位进行硬度测定。（7）锅炉、压力容器、压力管道在高温下长期使用后，有可能引起渗碳、渗氮、硫化、钒化及石墨化等现象。使材料的硬度改变。在用检验时，应选择适当部位进行硬度测定。（8）高强度钢压力容器在用检验中，应进行硬度检测，了解焊接接头是否有淬硬组织。（9）在应力腐蚀环境中使用的压力容器，在制造或在用检验中应进行硬度检测，以判断应力腐蚀倾向。例如，要求湿硫化氢应力腐蚀环境中的碳钢HB≤200；合金钢HB≤235；液氨储罐材料临界硬度为HV210。（10）锅炉、压力容器、压力管道的主要附件，例如螺栓、螺母等，当材质不清或热处理状态不明时，可通过测定硬度加以判断。1.1.5冲击韧度(冲击韧性)1.1.5.1冲击吸收功（AK）冲击吸收功是指材料在受到外加冲击载荷的作用下，断裂时所消耗能量大小的特性，即冲击试样所吸收的功，其单位为焦耳（J）。1.1.5.2冲击韧度（ka）冲击韧度很大程度上反映钢的冶金质量和成品热处理的质量，是材料强度（Re、Rm）与塑性（A、Z）的综合反映。冲击韧度通常是在摆锤式冲击试验机上测定的。摆锤冲断带有缺口的试样所消耗的功（即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功）称为冲击吸收功，用Ak表示；冲击试样缺口底部单位横截面上的冲击吸收功称为冲击韧度。若试样断口处横截面积为SN，则冲击韧度ka＝Ak/SN，单位为J/cm2。Ak或ak的值越大，材料的韧性越好。冲击吸收功与试样的尺寸和缺口的形状有关。由于不同的冲击试样在试验时应力状况各不相同，在破坏时所消耗的能量也不一样，因此冲击吸收功值也不同。试样的缺口形式有夏比U形和夏比V形两种，其冲击韧度分别用Aku和Akv表示。我国锅炉压力容器用钢规定采用夏比V型缺口冲击试样，其冲击吸收功为Akv。而以前多用U型缺口，其冲击吸收功为Aku。两者的数值不能换算。对锅炉压力容器用钢来说，冲击吸收功是衡量其裂纹扩展阻力的重要指标之一。1.1.5.8锅炉压力容器材料的脆化用于制作锅炉压力容器受压元件所用的钢材在常温静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。但实际上，塑性很好的材料在一些不利的条件或环境下使用也会出现塑性和韧性降低的现象，即发生脆化。不了解和不注意塑性材料使用不当时可能会发生脆性破坏，这对压力容器的安全是极为不利的。由于材料的脆化单靠外观检查和无损检测不能有效地发现，因此由脆性断裂引起的事故往往具有突发性。脆性断裂具有快速扩展特点，所以是最危险的失效形式。钢的冷脆性和低温冲击韧性钢的冷脆是锅炉压力容器材料脆化最重要的类型。所谓冷脆性是指金属材料在低温下呈6现韧性降低，脆性增大的现象。对于在低温条件下工作的受压元件，考虑钢材冷脆性是选用钢材种类的基本要求。对于高温条件下工作的受压设备，例如锅筒、集箱、高温反应容器、换热器、超高压反应釜等，所用的材料虽然在运行状态下塑性性能较好，但在室温下进行水压试验时仍有可能引起脆性破坏，这也属于冷脆问题。为了避免发生破坏，在水压试验时对不同材料规定了不同的最低水温值。可通过断口形貌法来确定材料韧脆转变温度：由于温度下降时，试样断口上结晶区面积增大，纤维区面积减小，根据两者相对面积的变化来确定韧脆转变温度。通常在脆性断面率-温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度即为韧脆转变温度Kt，用FATTn表示。例如脆性断面率为50％所对应的温度记为FATT50。脆性转变温度FATT（50％脆性断口）：在整个断口面积中，呈韧性断口和脆性断口特征面积各占50%所对应的温度，即材料在低于该温度以下时会发生脆裂。蠕变——金属材料在一定的高温环境下，即使应力低于屈服极限，材料也能发生缓慢的塑性变形。即：金属材料长期处在一定的高温环境下，随着时间的增加，虽然力不增加但变形不断增加的现象。这种塑性变形经过长时间的积累，最终会导致材料破坏——蠕变破坏。碳素钢和普通低合金钢的蠕变温度界限为350-450℃。蠕变破坏一般都有明显的塑性变形，其变形量的大小取决于材料的塑性。1.2金属学与热处理基本知识1.2.1金属的晶体结构物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。由基本单元按一定间隔重复，按规则的排列方式构成的材料称为晶体。而内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。在固态金属中，晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：1.体心立方晶格，其晶胞是一个立方体，原子排列于立方体的各