承压类特种设备无损检测相关知识（闭卷）

承压类特种设备无损检测 相关知识（闭卷）李伟浙江宁波 2007年 8月第一篇金属材料、热处理及焊接基本知识第一章 金属材料及热处理基本知识金属材料的性能主要包括以下两个方面1.使用性能（力学性能、物理性能、化学性能）2.工艺性能使用性能：决定了材料的应用范围，使用的可靠性和使用的寿命工艺性能：对制造成本，生产效率产品质量有很大的影响。1.1 材料力学基本知识承压类特种设备材料的力学性能指标主要包 括强度、硬度、塑性、韧性等而这些指标可以通过力学性能试验测定。1.1.1 应力和应变应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内应力的大小。（方向垂直于截面的应力称为正应力它可分为拉应力和压应力两种）应变：物体在外力作用下，其形状尺寸发生相对变化。1.1.2 强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力（材料强度指标可以通过拉伸试验测出）抗拉强度 b， 屈服 强 度 s 是 评 价材料 强 度性能指 标 的两个最重要的指 标 。1.1.3 塑性塑性是指材料在 载 荷作用下断裂前 发 生不可逆永久 变 形的能力。（ 评 定材料塑性的指 标 用伸长 率和断面收 缩 率表示）特 别 要指出的是 单纯 追求塑性会限制材料的 强度，造成 产 品粗大笨重，浪 费 材料减少使用寿命。1.1.4 硬度硬度是指材料抵抗局部变形或表面损伤的能力。硬度试验的主要方法1.布氏硬度 HB 2.洛氏硬度 HR 3.里氏硬度 HL4.维氏硬度 HV 维氏硬度主要测定金属表面硬度的。焊接性能试验中最高硬度试验是用维氏硬度来测定焊缝、熔合线和热影响区硬度的1.1.5 冲击韧性冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标。冲击韧性指标用 AK表示，试样缺口的形式有 U型和 V型两种。材料力学方面需要掌握的问题1.了解使用性能、工艺性能主要目的是什么？2.承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括哪些内容？3.强度的定义4.维氏硬度的作用以及焊接接头硬度的测定一般应包括哪些部位？5.冲击韧性可以衡量焊接接头的哪些质量指标？1.1.6 有关材料方面的进一步知识1.应力 （ 1）应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交变应力当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚度改变时，会在不连续出及其附近产生剪切应力和弯曲应力在长期交变应力下工作的承压类特种设备有些会出现疲劳和破坏现象。（ 2）应力集中的概念在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生突变，往往是缺陷引起的。这些缺陷统称为缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹引起的应力集中最为严重。（ 3）承压类特种设备的工作压力试验表明；对对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。2.有关材料力学方面的进一步知识（ 1）弯曲试验弯曲试验是焊接接头力学性能试验的主要项目弯曲试验可以考核焊接接头的主要项目包括：焊缝和热影响区的塑性、内部缺陷、焊缝的致密性、焊接接头不同区域协调变形能力。（ 2）屈服比的概念描述高强度金属材料的一个术语。（ 3）断裂韧度断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。断裂韧度是材料的固有指标它与裂纹的大小，形状，外加应力无关。主要取决材料的成分，内部组织和结构。（ 4）钢材的脆化a.冷脆化；金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。b.热脆性；钢材长时间停留在 400 5000C后再冷却到室温，冲击韧度值会有明显下降，这种现象称之为钢材的热脆性。c.氢脆；钢中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中的氢主要来源三个方面 1.冶炼过程中溶解在钢水中的氢2.焊接过程中由于水或油污在高温下分解出来的氢溶解在钢材中 3.工作介质中的氢进入钢中。氢致断裂只发生在 -1001500C的温度范围内。d.苛性脆化；苛性脆化一般都发生在受压元件的铆接和涨接处。E.应力腐蚀脆性断裂；由于拉应力与介质腐蚀联合作用引起的低应力脆性断裂叫做应力腐蚀。应力腐蚀产生的必要条件：1.元件承受拉应力的作用2.具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境3.材料对应力腐蚀的敏感程度。对钢材而言应力腐蚀的敏感性与的成分、组织及热处理情况有关。有关材料和材料力学近一步知识方面需要掌握的问题1.在承压类特种设备中，哪些缺陷会引起应力集中？2.弯曲试验可以考核焊接接头的哪些性能指标？3.钢中的氢是怎样产生的 ?4.断裂韧度与哪些因素有关哪些因素无关？5.产生应力腐蚀的条件？1.2 金属学与热处理基本知识1.2.1金属的晶体结构常见的晶体结构： 1.体心立方晶格 2.面心立方晶格 3.密排六方晶格1.2.2 铁碳合金的基本组织通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。一般把含碳量 0.02 2 的称为钢，把含碳量大于 2 的称为铸铁。含碳量对钢铁的性质有决定性的影响，所以可以通过铁碳合金状态图来研究铁碳的有关特性。Fe Fe3C0合金中的相构1.铁素体 F；铁素体的强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性。2.奥氏体 A；奥氏体仅存在 7270以上的高温范围内，奥氏体不具备铁磁性。3.渗碳体 Fe3C0 ；铁和碳的金属化合物，渗碳体的硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。4.珠光体 P；珠光体的硬度和强度较高，塑性也好。含碳量为 0.77 铁碳合金只发生共析转变，其组织为 100 的珠光体。称为共析钢。含碳量大于 0.77 铁碳合金称为过共析钢。其组织是珠光体 P 渗碳体Fe3C0 含碳量小于 0.77 铁碳合金称为亚共析钢。其组织是铁素体 F珠光体P1.2.3 热处理一般过程热处理的工艺过程是由加热、保温、冷却三个过程组成的，其中温度和时间是影响热处理的主要因素。简要叙述钢在热处理过程中的组织变化（ 1）加热时的转变奥氏体 A的形成（ 2）冷却时的转变奥氏体 A的分解1.2.4承压类特种设备用钢常见的金 相组织和性能承压类特种设备用钢常见的金相组织中有：1.奥氏体 2.铁素体 3.渗碳体 4.珠光体 5.马氏体 6.贝氏体 7.魏氏组织 8.带状组织性能（略）1.2.5 承压类特种设备常用的热处理工艺1.退火；将钢试件加热到适当温度，保温一定时间缓冷。以获得接近平衡状态的组织。目的 （ 1） 细化组织、降低硬度、改善切削加工性能 完全退火 目的（ 2） 降低硬度、改善切削加工性能、消除内应力。 不 完全退火）消除应力退火：主要是指焊后热处理，主要目的是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化。2.正火；将工件加热到 Ac3或 Acm以上 30 500C，保持一定的时间在空气中冷却的热处理工艺。目的：和退火的目的相同。所不同之处在于冷却的速度。3.淬火；将钢加热到临界温度以上，经适当的保温后快冷，使奥氏体转变成马氏体的过程 。目的：提高硬度和强度（轴承、模具）由于马氏体硬而脆，韧性很差，内应力很大，容易产生裂纹，故承压类设备材料和焊缝组织中一般不希望出现马氏体。4.回火；将经过淬火的钢加热到 AcI一下的适当温度，保持一定的时间空冷。目的：降低材料 的内应力，提高韧性。5.奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理把铬镍奥氏体不锈钢加热到 105011000C，在保温一段时间，然后快速冷却至 4270一下已获得均匀的奥氏体组织，这种方法称为固溶处理的铬镍奥氏体不锈钢目的：强度和硬度较低，韧性较好。而且具有很好的耐腐蚀性和耐高温性能。稳定化处理的目的是防止产生晶间裂纹。其工艺条件是；把铬镍奥氏体不锈钢加热到 850 9000C,保温 6小时，在空气中缓冷。金属学与热处理基本知识应掌握的内容1.承压类特种设备用钢含碳量的规定。2.共析钢、过共析钢、亚共析钢和含碳量的关系及其组织。3.承压类特种设备常用的热处理工艺过程包括哪些内容？4.退火的主要目的？5.何谓奥氏体不锈钢的固溶处理，稳定化处理的工艺条件？1.3承压类特种设备常用材料承压类特种设备是在承压状态下运行，材料要承受较大的工作压力，有些还要同时承受高温和介质腐蚀，工作条件十分恶劣，如果在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重损失，因此对制作承压类特种设备的材料有一定的要求这些要求主要包括：1.为保证安全性和经济性，所用材料应有足够的强度，即较高的屈服极限和强度极限。2.为保证在承受外加载荷 时不发生脆性破坏，所用材料应有良好的韧性。3.所用材料应有良好的加工工艺性能，包括冷热加工性能和焊接性能。4.所用材料应有良好的低倍组织和表面质量。5.用以制造高温受压元件的材料应具有良好的耐高温性6.与腐蚀介质接触的材料应具有良好的抗腐蚀性能。1.3.1钢的分类1.按含碳量分(1)低碳钢，含碳量 0.25(2)中碳钢，含碳量 0.25 0.6(3) 高碳钢，含碳量 0.6 2.按钢的质量分类，碳钢可分为：(1)普通碳素钢（ 2）优质碳素钢（ 3）高级优质碳素钢。3.按钢的用途分类：（ 1）碳素结构钢 （ 2）碳素工具钢1.3.2 低碳钢低碳钢是锅炉和压力容器常用的钢材，碳是碳素钢中的主要合金元素，含碳量增加，钢的强度增大，但塑性和韧性降低，焊接性能变差，因此制作焊接结构的锅炉和压力容器所使用的碳素钢，含碳量一般不超过 0.25。此外钢中还含有其他少量的元素；锰、硅、硫、磷、氮等压力容器用钢的含磷量不应大于 0.031.3.3 低合金钢承压类特种设备常用的低合金钢包括低合金结构钢、低温钢、耐热钢。低合金钢中通常添加的元素有锰、硅、铬、镍、钼、钒、硼和稀土元素。1.低合金结构钢低合金结构钢又称为低合金高强度钢，这类钢既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，使用低合金钢代替碳素钢，在相同的条件下，重量可以减少 20 30 另外 价格低，冷、热成型及焊接性能较好，因此在锅炉压力容器制造中广泛应用。2.低温钢随着工业的发展众多的压力容器要在低温下运行。目前国内规范标准将低温压力容器和非低温压力容器的温度界限定为 200C.值得注意的是碳会强烈的影响钢的低温韧性，因此低温钢的含碳量要控制在 0.2 已下。另外锰对改善低温韧性十分有利随着锰含量的增加，钢的脆变温度下降，镍具有与锰相同的性能。但是存在于钢中的硫、磷、砷、锑铅等微量元素对钢的低温韧性会产生不良的影响，低温压力容器使用的专用钢中的硫、磷含量都低于低合金钢3.低合金耐热钢当工作温度在 400 6000C时所使用的钢称之为低合金耐热钢。（钼钢、铬钼钢、铬钼钒钢）1.3.4 奥氏体不锈钢不锈钢种类有三种 1.铁素体不锈钢（以铬为主加元素， 0Cr13、 1Cr17等） 2.马氏体不锈钢（ 1Cr13、2C