金属材料与监督

1、 2005年年9月月 l学习材料的一条主线学习材料的一条主线l金属材料的性能包括以下两个方面：使用性能和工艺性能l使用：力学性能：强度、硬度、刚度、塑性、韧性l物理性能：密度、熔点、导热性、热膨胀性l化学性能：耐蚀性、热稳定性l工艺：冷热加工，铸造焊接热处理压力加工切削加工l钢的熔化温度在1500左右力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性韧性物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变称为应变。相对改变称为应变。物体任一单位截面积上的内力大小常称为物体任一单位截面积上的内力大小常称为应力。应力。l金属的强度是指金属抵抗永

2、久变形和断裂的能金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力力l评价材料强度性能的两个主要指标是抗拉强度评价材料强度性能的两个主要指标是抗拉强度和屈服强度和屈服强度l0.2含义是材料塑性伸长含义是材料塑性伸长0.2%作为屈服点，其作为屈服点，其屈服强度用屈服强度用0.2表示表示l我国锅炉压力容器规范强度设计的安全系数的我国锅炉压力容器规范强度设计的安全系数的取值范围取值范围1.55.0 l锅炉锅炉ns 1.5 nb2.7 容器容器ns 1.6 nb3l塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生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。不可逆永久变形的能力。l常用伸长率和断面收缩率常用伸长率

3、和断面收缩率l5表示试件试件长度与直径的比值表示试件试件长度与直径的比值5l10表示试件试件长度与直径的比值表示试件试件长度与直径的比值10 l硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力能力l里氏硬度是采用测量冲击测头的弹跳速度方法里氏硬度是采用测量冲击测头的弹跳速度方法来确定硬度值来确定硬度值l布氏硬度是采用测量压痕直径来确定硬度值布氏硬度是采用测量压痕直径来确定硬度值l维氏硬度是采用测量压痕两对角线平均长度来维氏硬度是采用测量压痕两对角线平均长度来确定硬度值确定硬度值l洛氏硬度是采用测量压痕深度来确定硬度值洛氏硬度是采用测量压痕深度来确定硬度值l冲

4、击韧性是指材料在外加冲击载荷作用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下断裂时消耗能量大小的特性l塑性指标较高的材料不一定都具有较高塑性指标较高的材料不一定都具有较高的冲击韧性的冲击韧性 l剪切应力是一对方向相反，作用线相距很近的剪切应力是一对方向相反，作用线相距很近的横向集中力。横向集中力。l弯曲应力是一对大小相等方向相反的力偶。弯曲应力是一对大小相等方向相反的力偶。l交变应力，构件在工作时出现随时间而交交变应力，构件在工作时出现随时间而交替变化的应力，正弦替变化的应力，正弦l应力集中是由于截面的尺寸突然变化而引应力集中是由于截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象

5、，在锅炉压力容器中起的应力局部增大的现象，在锅炉压力容器中应力集中往往是缺陷引起，咬边、气孔、夹渣、应力集中往往是缺陷引起，咬边、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合裂纹、未焊透、未熔合l屈强比越大，材料的屈服强度与强度极限屈强比越大，材料的屈服强度与强度极限的比值越大的比值越大, 使用高屈强比的材料可以节省材使用高屈强比的材料可以节省材料用量料用量l体心立方：体心立方：铁、铁、铁铁Crl面心立方：面心立方：Al Cu Nil密排六方：密排六方：Mg Znl晶体的点缺陷、线缺陷、面缺陷晶体的点缺陷、线缺陷、面缺陷l晶格缺陷：空位、间隙原子、置代原子；晶格缺陷：空位、间隙原子、置代原子；位错；晶界位

6、错；晶界l空位、间隙原子、置代原子的存在使金属屈服空位、间隙原子、置代原子的存在使金属屈服点和抗拉强度增高点和抗拉强度增高l位错的存在则使金属容易塑性变形，强度降低位错的存在则使金属容易塑性变形，强度降低l钢和铸铁统称为铁碳合金钢和铸铁统称为铁碳合金l铁碳合金中含碳铁碳合金中含碳0.02%2%称为钢。称为钢。l铁碳合金中含碳大于铁碳合金中含碳大于2%称为铁。称为铁。l钢钢强而韧铁强而韧铁弱而脆弱而脆l铁碳合金状态图只研究含碳量小于铁碳合金状态图只研究含碳量小于6.67%的部的部分，这部分组元是铁与渗碳体分，这部分组元是铁与渗碳体 Fe FeC3l铁素体是碳溶于铁素体是碳溶于铁或铁或铁中的固溶体

7、铁中的固溶体l奥氏体是碳溶于奥氏体是碳溶于铁的固溶体铁的固溶体l渗碳体是铁和碳的金属化合物渗碳体是铁和碳的金属化合物l珠光体是含碳量为珠光体是含碳量为0.77%的铁碳合金的组织的铁碳合金的组织l含碳量小于含碳量小于0.77%的铁碳合金称为亚共析钢的铁碳合金称为亚共析钢l含碳量大于含碳量大于0.77%的铁碳合金称为过共析钢的铁碳合金称为过共析钢l含碳量等于含碳量等于0.77%的铁碳合金称为共析钢的铁碳合金称为共析钢l低碳钢的正常组织是铁素体珠光体，低碳钢的正常组织是铁素体珠光体，碳含量越低，铁素体含量越多，塑性和碳含量越低，铁素体含量越多，塑性和韧性也就越好，但强度和硬度却随之降韧性也就越好，但

8、强度和硬度却随之降低。低。l过共析钢的组织是珠光体渗碳体过共析钢的组织是珠光体渗碳体l含碳量等于含碳量等于0.77%的铁碳合金称为共析钢的铁碳合金称为共析钢l热处理的基本工艺是由加热、保温、冷热处理的基本工艺是由加热、保温、冷却阶段构成。却阶段构成。l热处理不能够改变材料的成分。热处理不能够改变材料的成分。l热处理能够改变材料的组织。热处理能够改变材料的组织。l热处理能够改变材料的性能。热处理能够改变材料的性能。l加热时的转变加热时的转变奥氏体的形成奥氏体的形成l冷却时的转变冷却时的转变奥氏体的分解奥氏体的分解l含碳量为含碳量为0.2%的钢加热的钢加热1000会变成奥会变成奥氏体。氏体。l含碳

9、量为含碳量为0.16%的钢加热的钢加热727左右会开左右会开始生出奥氏体。始生出奥氏体。 l奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低；奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低；奥氏体是碳溶于奥氏体是碳溶于铁的固溶体，面心立铁的固溶体，面心立方，奥氏体不具有铁磁性。方，奥氏体不具有铁磁性。l铁素体是碳与合金元素溶解于铁素体是碳与合金元素溶解于铁中的铁中的固溶体，体心立方，铁素体在固溶体，体心立方，铁素体在770以下以下具有铁磁性，超过具有铁磁性，超过770不具有铁磁性。不具有铁磁性。 l渗碳体渗碳体Fe3C是铁和碳的金属化合物，也是铁和碳的金属化合物，也称碳化铁，硬度高，含碳量称碳化铁，硬度高，含碳量6.67%

10、，脆性，脆性很大，塑性近乎于零很大，塑性近乎于零l马氏体是碳在马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，铁中的过饱和固溶体，回火低碳马氏体具有较高的强度和较好回火低碳马氏体具有较高的强度和较好的韧性的韧性l珠光体由铁素体和渗碳体相间排列的片珠光体由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织层状组织l贝氏体是过冷奥氏体在中温区间相变产贝氏体是过冷奥氏体在中温区间相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物l带状组织铁素体和珠光体沿加工方向平带状组织铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织行成层分布的条带组织l魏氏组织亚共析钢从晶界向晶粒内部生魏氏组织亚共析钢从晶界向晶粒内部生长的片

11、状长的片状铁铁l退火将试件加热到适当温度，保温一定退火将试件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却。时间后缓慢冷却。l完 全 退 火 是 将 工 件 加 热 到完 全 退 火 是 将 工 件 加 热 到 A c 3A c 3 以 上以 上30503050，保温后在炉内缓慢冷却。，保温后在炉内缓慢冷却。l不完全退火是将工件加热到不完全退火是将工件加热到Ac1Ac1以上以上30503050，保温后在炉内缓慢冷却。，保温后在炉内缓慢冷却。l消除应力退火是将工件加热到消除应力退火是将工件加热到Ac1Ac1以下以下100200100200左右消除应力。左右消除应力。l正火将工件加热到正火将工件加热到Ac

12、3或或Acm以上以上3050，保保持一定时间在空气中冷却持一定时间在空气中冷却l正火处理后材料晶粒细化。正火处理后材料晶粒细化。l淬火是将钢加热到临界温度淬火是将钢加热到临界温度Ac3Ac3以上，经过适以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。l回火是将材料加热到回火是将材料加热到Ac1以下的适当温度，保以下的适当温度，保持一定时间，然后冷却，以获得所需的组织和持一定时间，然后冷却，以获得所需的组织和性能的热处理工艺。性能的热处理工艺。l调质：淬火加高温回火调质：淬火加高温回火l奥氏体不锈钢的固溶处理把奥氏体不锈钢加热奥氏体不锈钢的固溶处理

13、把奥氏体不锈钢加热到到10501100，碳在奥氏体中固溶，保温一，碳在奥氏体中固溶，保温一定时间，快速冷却到定时间，快速冷却到427427以下，以获得均匀以下，以获得均匀的奥氏体组织的奥氏体组织l奥氏体不锈钢的稳定化处理把钢中的碳全部固奥氏体不锈钢的稳定化处理把钢中的碳全部固定在碳化钛中或碳化铌中，把奥氏体不锈钢加定在碳化钛中或碳化铌中，把奥氏体不锈钢加热到热到850900，保温，保温6 6小时，在空气中冷却小时，在空气中冷却或缓冷。或缓冷。l对材料要求：对材料要求：ll l 较高的屈服强度和抗拉强度较高的屈服强度和抗拉强度ll l 良好冲击韧性良好冲击韧性ll l 冷热加工成形性能和焊接性能

14、冷热加工成形性能和焊接性能ll l 良好低倍组织和表面质量良好低倍组织和表面质量ll l 良好高温特性良好高温特性ll l 抗腐蚀性抗腐蚀性l（1）碳钢的分类）碳钢的分类l按含碳量分按含碳量分l低碳钢含碳量小等于低碳钢含碳量小等于0.25%l中碳钢含碳量中碳钢含碳量0.25%0.60%l含碳量大于含碳量大于0.6%为高碳钢。为高碳钢。l按钢质量分类l普通碳素钢S小等于0.050% P小等于0.045%l优质碳素钢 S小等于0.040% P小等于0.040%l高级优质碳素钢 S小等于0.030% P小等于0.035%l普通与优质碳素钢是按硫和磷的含量来区分的。按用途分类碳素结构钢，碳素钢结构钢一

15、般为低碳钢，Q235，20，20g，20R，ZG200400表示铸钢，屈服强度200MPa，抗拉强度400MPa。 碳素工具钢，碳素钢工具钢一般为高碳钢。碳素工具钢T12表示含碳量1.2%低合金钢，钢中的合金总量不超过5%中合金钢，钢中的合金总量5%10%高合金钢，钢中的合金总量超过10%16MnR表示含碳量0.16% 平均含锰量小于1.5%，压力容器专用钢09MnNiDR含碳量0.09% 不锈钢、耐热钢中含碳量小于0.1%用0表示，小于0.03%用00表示Q235A Q235BQ235CQ235DQ235钢中的235表示钢的屈服强度值（单位MPa），Q表示屈服碳是碳素钢中的主要合金元素，含碳

16、量增加，强度增加，但塑性韧性降低除碳外，还有Mn Si S P N低合金结构钢，低温钢，耐热钢Mn SiCr Ni Mo Vl 低合金结构钢：16MnR钢16的表示钢的平均含碳量为0.16%，大于34mm焊前要预热，15MnVR，15MnVNR，18MnMoNbR注意防止冷裂纹是主要问题l 低温用钢：16MnDR，至关重要是低温韧性，随着碳含量增加，NDT急剧上升，具有改善低温韧性的元素 镍l 低合金耐热钢：12CrMo 15CrMo 焊接方面主要是近缝区硬化和冷裂纹及再热裂纹奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低铁素体不锈钢0Cr13 1Cr17马氏体不锈钢1Cr13 2Cr13奥氏体不锈钢0Cr

17、18Ni9 00Cr18Ni10奥氏体不锈钢不出现低温脆性0Cr18Ni9碳小于0.06% ；00Cr18Ni10碳小于0.03%就奥氏体不锈钢耐蚀性而言，存在晶界腐蚀，点蚀，应力腐蚀，使用两相不锈钢是解决应力腐蚀最有效的措施。活动。1、裂纹、裂纹:热裂纹热裂纹 、冷裂纹冷裂纹 、再热裂纹再热裂纹 、层层状撕裂状撕裂 、应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹 l显著特点：沿晶l低熔点共晶物富集于晶界，受拉应力，最终开裂lS、P等杂质、冷却速度大、结晶应力与拘束应力 l冷裂纹：l延迟裂纹：l焊接接头淬硬组织、焊接接头扩散氢的存在、焊接接头拘束应力再热裂纹四大特征：含Cr Mo等沉淀强化合金元素，过热区，沿晶，

18、再热500 到700 防范措施：低Cr Mo，低C，低应力，再热停留时间硫化物，Z向应力硫化氢应力腐蚀裂纹材料、应力、介质，不锈钢应力腐蚀裂纹在高温和一定应力的作用下，材料的塑性变形随着时间逐渐增加的现象叫材料的蠕变现象。 蠕变温度为熔点温度的25%35%，碳钢300350时开始出现蠕变。影响蠕变的因素：l 应力水平l 温度水平l材料的抗蠕变性能 Mo Cr W V Ni Mn 常温下拧紧的螺栓或拉（压）紧的弹簧，在高温下自行变松的现象，叫应力松弛。 松弛在本质上和蠕变是一样的，是特定情况下的一种蠕变现象。 蠕变时，构件中的应力值基本上不变，而塑性应变和总应变不断增加；松弛时，由于螺栓、弹簧的

19、工作特点，其总应变是不变的，塑性变形的增加伴随弹性变形的减少，弹性变形逐步转化成了塑性变形，螺栓或弹簧中的应力水平逐渐降低，本来拉紧的螺栓或弹簧即产生了松弛。 珠光体球化 石墨化 合金元素再分配 常用的锅炉钢材是低碳钢及低碳低合金钢，如20g，16Mng，15CrMo，12Cr1Mo等都是珠光体钢，由片状的渗碳体和片状的铁素体互相层叠，组成相间排列的片状机械混合物，即珠光体。片状体的表面能远比球状体为大。高能态有自行转变为低能态的趋势，因而在高温原子扩散能力强的条件下，片状渗碳体会逐渐转化为球体，由于大球体有更小的表面能，随着高温作用时间的加长，小球体又聚拢成大球体，这种现象叫珠光体球化。 这

20、种变化引起钢的强烈软化，珠光体球化会使钢材的常温强度下降，并能明显地加快蠕变速度，降低持久强度。球化严重时，持久强度降低约40%50%Mo Cr VTi Nb 能提高珠光体稳定性石墨化是指钢材中的渗碳体在高温长期作用下自行分解成石墨和铁的现象。这是一种比珠光体球化更为危险的组织变化。石墨的存在相当于钢中出现了裂纹，不仅消除了渗碳体原有的强化作用，并且使钢的韧性大为降低，以致引起脆性断裂。凡能形成高稳定性碳化物的元素，如Cr、Nb、Ti都能阻止石墨化。表现为合金元素在固溶体和碳化物中的含量发生变化，是通过合金元素扩散进行的、由不平衡状态向平衡状态转变的一种自发过程。其结果常是合金元素在固溶体中贫

21、化和在碳化物中富集，甚至形成碳化物。如Cr23C6冷脆性 热脆性氢脆 苛性脆化 应力腐蚀脆性断裂 温度降低，韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。无塑性转变温度NDT钢材长时间停留在400500后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显下降，这就是热脆性。在高温下不呈现，降下来到室温才呈现。钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆发生在100150，温度低，氢不移动聚集，温度高氢逸出 由于介质内具有含量很高的NaOH促使钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀腐蚀是一种物质与环境作用引起的破坏或变质化学腐蚀和电化学腐蚀 有下列十种全

22、面腐蚀：基本均匀化学或电化学反应电偶腐蚀：电位负（阳极）的腐蚀速度增加孔蚀：集中金属表面个别小点深度较大的腐蚀缝隙腐蚀：在缝隙和其他隐蔽区常常发生强烈腐蚀选择性腐蚀：合金某种组分被腐蚀而脱除晶间腐蚀：腐蚀局限在晶界和晶界附近磨损腐蚀：腐蚀介质与金属的相对运动而使腐蚀过程加速应力腐蚀破裂：受拉应力的材料与特定腐蚀介质共同作用的脆性破坏腐蚀疲劳：金属受腐蚀介质和交变应力而产生的破裂氢损伤：氢渗入金属内部而造成金属性能的恶化称为氢损伤热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。热处理不改变材料的成分，但改变了材料的组织，从而改变了材料的性能。 l高温下的液态金属随着温度降低开始结晶，到