第3章 金属学

张勇安徽省特种设备检测院地址：合肥市长江中路333号（省劳动厅9楼）电话：[phone]传真：[phone]邮编：230061E-mail：[e-mail]第三章金属学、热处理与材料本章学习和思考内容：1，了解金属材料主要力学性能指标定义及代表符号。2，了解压力容器常用热处理工艺方法及用途。3，了解热处理质量检验方法及典型热处理事例.4，了解低合金高强度钢的发展概述。5，了解合金元素及热处理状态对钢材性能的影响。6,了解压力容器选材注意事项及Nelseon曲线。6，了解钢的冷脆性,低温冲击韧性及其它脆化型式。7，了解压力容器用钢材高温或临氢环境下的材质劣化情况3.1金属材料基本知识3.1.1金属材料力学性能概述1.金属材料强度指标1)．屈服强度屈服强度，GB/T228—2002标准是这样定义的：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。2)．抗拉强度抗拉强度，GB/T228—2002标准是这样定义的：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。3).持久强度4).蠕变强度2.金属材料塑性指标1)．断后伸长率断后伸长率，GB/T228—2002标准是这样定义的：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。2)．断面收缩率断面收缩率，GB/T228—2002标准是这样定义的：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。3).冷弯性能表1.试验用材料化学成分（%）3.金属材料韧性指标1)．冲击吸收功(冲击韧度)冲击吸收功（AK）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）。冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的。冲击试样受到摆锤的突然打击而断裂时，它的断裂过程是一个裂纹发生和发展的过程。在裂纹发展过程中，如果塑性变形能够发生在它的前面，就将阻止裂纹的长驱直入，当其继续发展时就需消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。冲击吸收功高的材料，一般都有较高的塑性，但塑性指标较高的材料却不一定都有高的冲击吸收功。这是因为在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在冲击载荷下不一定能迅速发生塑性变形。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。压力容器用钢一般采用夏比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。冲击吸收功还与试验温度有关，有些材料在室温时韧性很好，但在低于某一温度时则可能发生脆性断裂。由于冲击吸收功是材料各项力学性能指标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。所以，对压力容器用钢来说，冲击吸收功是衡量其裂纹扩展阻力的重要指标之一。1-1)．脆性断面率脆性断口也称为晶状断口，是指出现大量晶粒开裂或晶界破坏的有光泽断口，断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比即为脆性断面率，也称晶状断面率。GB/T12778—1991《金属夏比冲击断口测定方法》对冲击试样断口的有关测定方法做了规定。一般有以下几种方法测定脆性断面率：1-2)．側膨胀值側膨胀值即为冲击试样缺口背部的两側由于冲击试验时所受到的锤击，而产生的尺寸增量。当试样断裂成两截时，应分别测量两截试样断口的側膨胀值，并取其中大者为该试样的側膨胀值。具体的测量方法见GB/T12778—1991《金属夏比冲击断口测定方法》标准。该标准规定了三种测量側膨胀值的方法：2)断裂韧度①临界应力强度因子KIC②裂纹张开位移COD3.1.2金属学基本知识概述1.金属的晶体结构(图3.1-1～2)2.金属强度的本质与金属材料的强化机制3.压力容器钢材的金相组织和性能4.金属结晶3.1.3铁碳合金状态图3.2压力容器热处理知识3.2.1热处理一般过程1.加热时的转变---奥氏体A的形成2.冷却时转变---奥氏体A的分解(图3.1-3～6)3.2.2压力容器处理名词1.临界点A1(AC1Ar1),A3(Ac3Ar3)2.重结晶3.再结晶4.过热(温度过高,性能显著降低)5.过烧(晶界部分熔化或氧化)6.时效7.沉淀硬化8.固溶处理9.退火10.淬火11.正火12.回火13.调质3.2.3压力容器的常用热处理方法1.正火处理(目的、方法和应用)(表3.2-1～2改)2.调质处理(目的、方法和应用)(表3.2-1～2改)3.固溶处理(目的、方法和应用)(表3.2-3改)4.稳定化处理(目的、方法和应用)5.消除应力热处理(目的、方法和应用)3.2.4压力容器制造中的消除应力处理1.焊后热处理（PWHT）2.中间消除应力处理3.焊后热处理方法分类4.整体消除应力处理5.局部消除应力处理(表3.2-4～6)6.消除应力热处理的加热温度7.炉温测量8.加热和冷却速度9.异常材料焊缝的热处理（PWHT）10.复合板及覆层材料的焊后热处理11.低合金高强度钢再热裂纹的预防3.2.5热处理质量检验方法1.零件热处理后主要的检验方法：硬度、力学性能、金相试验和无损检测2.焊后消应力处理质量监督检验检查热处理工艺和设备压力容器及焊件外部检验审查热处理工艺记录3.2.6典型热处理实例(图3.2-5)1.外购锻件为退火状态的二次正火处理2.调质处理3.第一次中间消应力处理4.第二次中间消应力处理5.焊后最终消应力处理3.3压力容器常用钢材3.3.1压力容器常用碳素钢牌号特性及特性（GB150第1号修改单已取消Q235AF，Q235A钢号）（GB6654中钢号20R，16MnR等S，P含量分别≤0.020,0.030）3.3.2压力容器用低合金高强度钢牌号及特性(表3.3-6～7改)(GB3531第1号修改单已取消09Mn2VDR钢号)3.3.3国产低合金高强度钢板材特性简介：1.16MnR2.15MnVR（GB150中已取消此钢号）3.15MnVNR（GB150中已取消此钢号）4.18MnMoNbR5.13MnNiMoNbR6.07MnCrMoVR（GB19189—2003）3.3.4压力容器用低合金耐热钢牌号及特性(表3-3-8中12Cr2Mo1R)3.3.5压力容器低温用钢牌号及特性(表3.3-9,表3.3-11改,图3.3-1左侧)3.3.6进口低合金高强度钢材(表3.3-13名称应为相似钢号对照表)3.3.7低合金高强钢锻件(2000版标准)3.3.8低合金钢钢管（GB6479—2000，GB/T8163—1999）（GB1501998中有09MnD（—50℃））3.3.9压力容器用不锈耐酸钢牌号及特性1.奥氏体不锈钢2.马氏体钢3.高铬铁素体钢4.双相钢（表3.3-14GB/T4237中有二个钢号，00Cr18Ni5Mo3Si2(GB150),0Cr26Ni5Mo2）5.复合钢板简介(JB4733---1996,JB4748---2002)3.4低合金高度钢的进一步知识3.4.1低合金高度钢的发展概述3.4.2合金元素对钢的性能的影响(Si,Mn,Cr,Ni,Mo,V,Nb)3.4.3热处理状态对钢的性能的影响(热轧,控轧,正火,调质)1.热轧及正火钢(热轧,正火)2.低碳调质钢(淬火+高温回火)3.4.4低合金高强钢压力容器设计选材的注意事项(A,供设计评审,产品监检和在用检验时判断)(B,介绍液氨的应力腐蚀,GB536---液体无水氨等)3.4.5低合金耐热钢选材和Nelson曲线(图3.4-1)(15CrMoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R)3.5压力容器材料脆化3.5.1钢的冷脆性和低温冲击韧性1.冷脆性的机理2.低温冲击试验(GB/T229—1994,AKV—T,A(%)—T,Le—T,GB/T6803-1986NDT)3.影响低温韧性的因素(晶体结构,化学成份,晶粒度,夹杂物,显微组织,加工硬化,应力状态)4.低温用钢的冲击韧度5.焊接接头的低温冲击值6.焊接接头的低温冲击值离散问题(图3.5-11)3.5.2压力容器材料的其它脆化型式1.热脆性2.回火脆性(第一类回火脆性,第二类回火脆性)3.应变时效脆性(GB4160)4.蓝脆(图3.5-12)5.氢脆(分为可逆和不可逆.注意氢的来源)6.苛性脆化7.应力腐蚀脆断(祥见第5.2节)8.475℃脆性3.6压力容器材料性能的劣化3.6.1高温材料性能的劣化1.珠光体球化(珠光体球化到一定程度出现石墨化)2.石墨化(由轻到重分为4级)3.合金元素的再分配3.6.2高温高压临氢环境下的腐蚀(氢→甲烷→表面脱碳或晶界裂纹。影响因素:温度,氢分压,合金成份,应力等.)