张勇：第3章金属学

1、张勇 合肥市质量技术监督局地址：合肥市芜湖路139号 邮编：230001 E-mail：手机:三章 金属学、热处理与压力容器材料 本章学习重点和思考内容：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。7，了解钢的冷脆性,低温冲击韧性及其它脆化型式。8，了解压力容器用钢材高温或临氢环境下的材质劣化。 拉伸试验拉伸试验拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样拉伸试样3.1 3.1 金属学

2、基本知识金属学基本知识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/T 228.12010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。应区分为上屈服强度和下屈服强度，单位：MPa。（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/T 228.12010标准是这样定义的：相应最大力(Fm)对应的应力为抗拉强度（Rm），单位：MPa。而最大力是指对于有不连续屈服的金属材料，在加工硬化发生后，试样所承受的最

3、大力；对于无明显屈服（不连续屈服）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).持久极限4).蠕变极限2. 金属材料塑性指标1)断后伸长率(延伸率)断后伸长率，GB/T 228.12010标准是这样定义的：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），单位：%。其中，（Lu）为断后标距。2)断面收缩率断面收缩率，GB/T 228.12010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），单位：%。其中，（Su）为断后最小横截面积。3).冷弯性能表

4、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（A AK K）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）。（按GB/T 229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法标准定义：冲击吸收能量，符号为：KV2）冲击试验冲击试验 冲击试验机冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图 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

5、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

6、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。 国际上通常用冲击功Ak作为冲断试样消耗的总功，只要试样符合标准，就不会出错，应用也简便。但是进一步研究发现用Ak表示也存在问题，因为Ak值也不能完全代表试样断裂前所吸收的总功。冲断试样消耗的总功可分为两部分，其一消耗于试样的变形和断裂；其二消耗于试样掷出及机座本身振动。因此，所吸收的总功Ak为： Ak 试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动+。由于一般

7、情况下，后几项功很小，因此以Ak作为试样断裂所吸收的能量误差很小，有足够精度。KA 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/T 12778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。一般有几种方法测定脆性断面率： 对比法和测量法等（新版GB/T 229标准的附录C中也有方法介绍）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

8、的側膨胀值。具体的测量方法见GB/T 12778金属夏比冲击断口测定方法标准。该标准规定了几种测量側膨胀值的方法.2)断裂韧度临界应力强度因子KIC GB/T4161标准裂纹张开位移COD GB/T2358标准 3.1.2 金属学基本知识概述 1.金属的晶体结构(图3.1-12。后图) 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 (奥氏体 ,铁素体 ,珠光体 ,马氏体 ,贝氏体 ,相 ) 4.金属结晶金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方体心立方 bcc （Body-centered cubic）面心立方面心立方 fcc （Face-centered cubic）密

9、堆六方密堆六方 hcp （Hexagonal close-packed）bccfcchcp3.1.3 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3.2-36)3.2.2 压力容器处理名词1.临界点 A1 (AC1 Ar1),A3 (Ac3 Ar3)2.重结晶3.再结晶4.过热 (温度过高,性能显著降低.可逆)5.过烧 (晶界部分熔化或氧化.不可逆)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) 2.调质处

10、理 (目的、方法和应用) 3.固溶处理 (目的、方法和应用) 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3.2-12)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

11、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3.2-8)1.外购锻件为退火状态 2.调质处理 3.第一次中间消除应力热处理 4.第二次中间消除应力热处理 5.焊后最终消除应力热处理 3.3 压力容器常用钢材对制造压力容器的材料6条要求很实用.3.3.1 压力容器用碳素钢 （表3.3-1和3.3-2中20R钢号在GB713-2008中应为Q245R,其S，P含量分别0.015,0.025）3.3.2 压力容器用低合金结构钢(表3.3-3和3.3-4中16MnR和15MnNbR钢号在GB713-2008中应为Q345R和Q370R.13MnNiMoN

12、bR应为13MnNiMoR)3.3.3 国产低合金结构钢板材特性简介 1.16MnR (GB713-2008改为Q345R) 2. 15MnVR （GB150中已取消此钢号） 3. 15MnVNR（GB150中已取消此钢号） 4.18MnMoNbR(GB713-2008同) 5. 13MnNiMoNbR(GB713改为13MnNiMoR) 6. 07MnCrMoVR（GB191892011）3.3.4 压力容器用低合金耐热钢(表3.3-5中后四个钢号见GB 713-2008中相应钢号)3.3.5 压力容器低温用钢 (表3.3-6见附表.GB3531-2008)3.3.63.3.6 压力容器用不

13、锈耐酸钢压力容器用不锈耐酸钢(GB24511-2009 承压设备用不锈钢板和钢带) 1.奥氏体不锈钢; 2.铁素体不锈钢 3.马氏体钢; 4.双相钢(GB/T4237-2007)3.3.7 3.3.7 国外压力容器用钢简介国外压力容器用钢简介 (表3.3-11名称应为相近钢号对照表) 3.4低合金高强度钢的进一步知识3.4.1低合金高强度钢的发展概述（相应的钢管及锻件标准） NB/T47008102010承压设备用钢锻件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

14、(热轧,正火) 2.低碳调质钢 (淬火 +高温回火; 淬火 +回火) (调质的作用)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和12Cr1MoVR)3.5压力容器用有色金属、复合材料与非金属材料3.5.1 压力容器用有色金属材料 1.铝及铝合金 JB/T4734-2002标准 2.钛及钛合金 JB/T4745-2002标准 3.铜及铜合金 JB/T4755-2006标准 4

15、.镍及镍合金 JB/T4756-2006标准3.5.2 压力容器用复合材料 NB/T 47002.1 47002.4 2009压力容器用爆炸焊接复合板标准3.5.3 压力容器用非金属材料3.6 压力容器材料脆化3.6.1 钢的冷脆性和低温冲击韧性(韧度) 1.冷脆性的机理 2.低温冲击试验(GB/T229,AKVT, A(%) T,LeT. GB/T6803 NDT) 3.影响低温韧性的因素 (晶体结构,化学成份,晶粒度,夹杂物,热处理与显微组织,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)3.6.2 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,第二类回火脆性第二类回火脆性) 3.应变时效脆性