金属材料基础知识

1、金属材料基础知识金属材料基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心u材料的力学性能应力与应变强度塑性硬度冲击韧度u热处理基本知识u承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心概述 在压力容器制造业中，金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。 压力容器对材料要求很高，如高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性能及工艺性能等。 对材料的较高要求是推动压力容器用材不断发展的基本动力。引言年年产产1000万万吨炼吨炼油油厂厂特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心引言锡疫：四方结构的白锡在-13下转变为金刚石立方结构的灰锡。(Sn-0.5%Cu铸态，铸态，255K)锡疫锡疫拿破仑兵败莫

2、斯科特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板引言特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 使用性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。投入运行的加氢反应器金属材料的性能主要包括两个方面特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和

3、冲击韧度等。1材料的力学性能15000吨吨重型自由重型自由锻锻造水造水压压机机特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 依据国标GB/T 2282002金属室温拉伸实验方法新旧标准性能名称对照1材料的力学性能特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 1.1 应力与应变特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示: F = S0 应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样

4、的原始标距表示: l = l0应力应变曲线（ - 曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同bse1.1 应力与应变特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心强度:是指材料抵抗永久变形或断裂的能力。常用的强度指标有屈服强度s或0.2和抗拉强度b ，高温下工作时，还要考虑蠕变极限n和持久强度D，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。另外，材料的屈强比(sb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。1.2 强度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 1.2 强度 线弹性变形阶段（OA） （塑性）屈服阶段（BC）

5、强化阶段（CD） （局部）颈缩阶段（DE） 其中OA部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A点和A点几乎重合在一起，一般不作区分。特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b ：材料断裂前所承受的最大应力值。1.2 强度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心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。 常用塑性指标为断后伸长率伸长率和断面收缩率断面收缩率。 试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始

6、标距之比的百分率称为断后伸长率。1.3 塑性%lll100001u试样断裂后，断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率。%FFF100010特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 用塑性好的材料制造承压类特种设备，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。作为化工容器用的钢，要求伸长率不低于14。拉伸拉伸试样试样的的颈缩现颈缩现象象1.3 塑性特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 硬度硬度是指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

7、测试硬度来估算材料强度。此外，硬度较好的材料，耐磨性较好。工程上常用的硬度测试方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心布氏硬度HB将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的优点：

8、测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及 比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心1.4 硬度洛氏硬度HR 洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心lHRAHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如硬如硬质

9、合金、表淬层和渗碳层。质合金、表淬层和渗碳层。lHRBHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, , 如有如有色金属和退火色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRCHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度洛氏硬度压压痕痕1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心维氏硬度HV 将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作

10、用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心采用较低的试验力可使维氏试验的压痕非常小，这样就可测出很小区域甚至是金相中不同相的硬度。焊接性能试验中的最高硬度试验，就是用维氏硬度来测量焊缝、熔合线和热影响区的硬度。1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心里氏硬度HL用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。里氏硬度计测定的是

11、冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。 里氏硬度的计算公式如下： HL=1000R/A 式中：HL里氏硬度符号 R球头的冲击速度，m/s； A球头的反弹速度，m/s。1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心u里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用。u里氏硬度可及时换算成布氏、洛氏、维氏等各种硬度。目前里氏硬度计装有钢和铸钢，合金工具钢，灰铸铁，球墨铸铁，铸铝合金，铜锌合金，铜锡合金，纯铜，不锈铜等9种材料的换算表。1.4 硬度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心冲击韧度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征。韧

12、性常用冲击功Ak和冲击韧度ak表示。 ak= Ak/SN (SN：断口处截面积)Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35Jcm21.5 冲击韧度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法1.5 冲击韧度夏比冲击试验的缺口形式有U型和V型两种。V型缺口根部半径小，对冲击更敏感。承压类特种设备材料的冲击试验规定试样必须用V形缺口。特种设备工程技术中心特种设备

13、工程技术中心1.5 冲击韧度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心u材料的力学性能u热处理基本知识概述退火、正火、淬火、回火调质稳定化、热处理u承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化 二是热处理1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。 2 热处理概述特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

14、3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。 4、热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。2 热处理概述特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等2 热处理概述特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心2 热处理概述特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心l 临界温度与实际转变温度l

15、 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示.实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。2 热处理概述特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 承压类特种设备用钢常用热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火等。奥氏体不锈钢有固溶处理和稳定化处理。退火退火 将钢加热到高于或等于奥氏体化临界点，保温一段时间后，缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。在承压类特种设备制造过程中应用最多的是去应力退火（消除应力退火）。2热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心

16、 退火的目的： 降低硬度，改善切削加工性； 消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。 2 热处理基础知识真空退火炉真空退火炉特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心再热裂纹 再热裂纹：分两种情况 1、焊接时未产生，消除应力热处理时产生，简称SR裂纹 2、长期处于高温条件下使用的容器，也会出现类似的裂纹 再热裂纹的特征 1、裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区，终止于细晶区，具有晶间性质，裂纹并不一定是连续的，而焊缝和母材均不产生裂纹； 2、必须有大的残余应力和应变，一般均发生在应力集中处。焊缝向母材过渡不平滑，如：咬边、焊瘤、未焊透、边缘未融合、余高过大 3、

17、焊后不会自行发生，与焊后消应处理的加热温度和加热时间密切相关。低合金高强钢，500700，600附近最敏感。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心防止再热裂纹的措施（1）焊接的预热和后热适当提高预热温度，提高焊后加热的加热速度和温度，并越过再热裂纹敏感温度区。（2）控制适宜的线能量控制线能量的目的：避免过快冷，产生马氏体；避免过慢冷，防止出现低塑性的组织单纯企图增大线能量降低再热裂纹敏感性的方法并不可取。应根据焊评结果控制线能量。（3）焊接接头的匹配性（4）采用回火焊道（5）不采用再热开裂敏感的材料（6）制定合理的焊接顺序，减少焊接应力（7）改进焊接接头的设计2 热处理基础

18、知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心正火将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺。压力容器钢板正火一般在钢厂进行，目的在于改善热轧状态钢板的力学性能，主要是提高塑性和韧性。对于低温容器用钢，通过正火可细化晶粒，达到低温韧性要求。2 热处理基础知识正火温度正火温度特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心过热过热：钢在加热时，由于温度过高，并且较长时间保温，会使晶粒长得恨粗大，致使性能显著降低的现象。可通过正火或高温扩散退火等方法矫正和恢复。过烧过烧：钢加热时加热温度比过热温度还要高，达到固相线附近时，会发生晶界开始部分熔化或氧化的现象。不能用热处理方法恢复，只能

19、报废。特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心正火温度正火温度（2）正火将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺。一般在钢厂进行，目的在于改善热轧状态的力学性能，主要是提高塑性和韧性。对于低温用钢，通过正火可细化晶粒，达到低温韧性要求。过热；过烧金属材料基本知识金属材料基本知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心淬火：钢加热到临界点以上，保温后迅速冷却，以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。压力容器用低碳钢、低合金钢淬火的目的是为获得低碳马氏体（板条马氏体）或贝氏体组织。2 热处理基础知识l淬火温度为淬火温度为Ac3+30-50。l预备热处理组织为退火或正火组织。

20、预备热处理组织为退火或正火组织。特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心回火 将淬火或正火后的钢加热到相变点以下某一选定温度，并保温一段时间，然后以适当的速度冷却，以消除淬火或正火所产生的残余应力，增加钢的塑性和韧性的热处理工艺。 压力容器用钢回火一般采用高温回火处理，回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体。对于正火后获得铁素体+珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 回火脆性：指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。 回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。 第一类回火脆性又称不

21、可逆回火脆性，主要发生在回火温度为250400时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性 第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400650，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400650区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 回火脆化：钢制压力容器在380570范围内长期运行，使钢材脆化的现象。 例如：2.25Cr-1Mo钢制热壁加氢反应器在高温高压临氢环境中长期运行时，反应器器壁母材及对接焊缝金属的回火脆化。回火脆化的温度是根据压力-温度-材质曲线来定的2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备

22、工程技术中心 规格27340mm，材质20钢，长约14.3米；操作压力25.5MPa，操作温度-2，操作介质为H2、N2、CH4、NH3等。 因制造过程中的第一类回火脆性导致材质裂化2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心调质 钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺。 压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理，可以提高钢材的强度和韧性，以更好发挥材料的潜力。稳定化处理 含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850900加热，并保温一段时间，然后空冷，使碳充分与稳定化元素（如钛）形成碳化物，并使奥氏体晶内元素扩散均匀，从而提高抗晶间腐蚀性能的处理方法。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特

23、种设备工程技术中心固溶化处理： 将奥氏体不锈钢加热至1100左右的高温并保温，使所有碳化物充分溶入奥氏体中，然后以较快的速度冷却（一般采用水冷或风冷），以获得碳化物完全固溶于奥氏体基体内均匀的单相组织，从而提高抗晶间腐蚀性和延展性的工艺方法。室温下18-18-2钢接触聚合硫酸一小时后产生的晶间裂纹2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，在熔合线上

24、产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心 敏化温度区 不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关。1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系，当加热温度小于450或大于850时，不会产生晶间腐蚀。因为温度小于450时，由于温度较低，不会形成碳化铬化合物；而当温度超过850时 ，晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳结合，不会在晶界形成贫铬区。450850称“敏化温度区”，其中尤以650为最危险。2 热处理基础知识特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心u材料的力学性能u热处理基本知识u承压类特种设备常用材料特种设备

25、工程技术中心特种设备工程技术中心承压设备用材要求足够的强度良好的韧性良好的加工工艺性能良好的低倍组织和表面质量高温元件材料应由良好的高温特性与耐蚀介质接触的材料应由良好的抗腐蚀性能承压设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心压力容器常用钢材压力容器常用钢材一、钢材形状：主要是板、管材和锻件1、钢板 主要用途：壳体、封头、板状构件等 加工要求：下料、卷板、冲压、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能 GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板 GB6654 压力容器用钢板承压类特种设备常用材料承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中

26、心 2、钢管 主要用途：接管、换热管等 主要类型：无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管 加工要求：下料、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、焊接性能 请比较各类钢管的优缺点 3、锻件 主要用途：高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等 分级：、四个级别。级别越高， 要求检验项目越多，越严格，价格越高。 承压类特种设备常用材料承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心二、钢材类型 按化学成分分类：碳素钢、低合金钢、高合金钢1、碳素钢 含碳量小于2.06的铁碳合金，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。u压力容器用钢 优质碳素结构钢：Q235-B、Q235-C钢板；

27、10、20钢钢管；20、35钢锻件。 压力容器专用钢板：20R （R表示压力容器专用钢板） u20R的特点和应用场合： 强度低，塑性和可焊性较好价格低廉； 常用于常压或中、低压容器；垫板、支座等零部件材料。 承压类特种设备常用材料承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心1.1.按碳含量分类按碳含量分类低碳钢（C0.25%）中碳钢（C0.25-0.60%）高碳钢（C0.60%）。2.2.按钢的质量分类按钢的质量分类普通钢（P0.045%，S0.050%）优质钢（P、S均0.035%）高级优质钢（P0.035%，S0.030%）3.3.按钢的用途分按钢的用途分碳素结构钢碳素工

28、具钢4.4.按冶炼时脱氧程度分按冶炼时脱氧程度分沸腾钢 半镇静钢镇静钢 碳钢的分类和命名特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心2、低合金钢 特点及优点 是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。 u压力容器常用低合金钢 钢板：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR；07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR 钢管：16Mn、09MnD； 锻件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。 （D表示低温用钢） 承

29、压类特种设备常用材料承压类特种设备常用材料特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心1.1.按合金元素加入量分类按合金元素加入量分类低合金钢（5%）中合金钢（5-10%）高合金钢（10%）。2.2.按钢的用途分按钢的用途分合金结构钢合金工具钢特殊性能合金钢3.3.按钢的组织分类按钢的组织分类：珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢4.4.按所含主要合金分类按所含主要合金分类：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢合金钢的分类和命名注：注：金属材料的表示方法：GB/T 221-2000钢铁产品牌号表示方法特种设备工程技术中心特种设备工程技术中心注：GB/T 221-2008 钢铁产品牌号表示方法 2009-04-01实行取代GB/T 221-2008Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnR、16Mn等多个