材料基础知识课件

压力容器设计审批人员

考前辅导山东科技大学机电学院胡效东2011.03第五章材料基础知识5.1钢材生产基本知识5.2钢材的常用合金元素及其主要作用5.3刚才的物理性能及其试验方法5.4力学性能及其试验方法5.5工艺性能及其试验方法5.6金相组织及其试验方法5.7金属材料的腐蚀类型及其试验方法5.1钢材生产基本知识转炉炼钢的生产流程：高炉炼铁铁水预处理氧气转炉炼钢炉外精炼连铸（模铸）钢坯热装热送（钢锭）连轧（轧制）；电炉炼钢的生产流程：电炉炼钢炉外炼钢连铸（模铸）钢坯热装热送（钢锭）连轧（轧制）热处理电炉炼钢电炉炼钢法主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000℃。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。5.1钢材生产基本知识5.1.1炼钢炉5.1.2炉外精炼5.1.3脱氧技术5.1.4几个基本术语5.1.5钢材分类5.1.6钢材的热处理5.1.2炉外精炼5.1.4几个基本术语钢锭：将熔融的钢水注入模型内，带钢水凝固脱模后所得到的具有一定形状的铸钢件。毛坯：用于制作某种钢件的坯料钢坯：用于轧（压）制钢材的坯料。板坯：用于轧制钢板的坯料原轧制钢板：由一块（个）钢坯或板坯（钢锭）径轧制而形成的一张钢板。5.1.5钢材分类我国常用的钢材分类方法有5种：按化学成分分类按品质分类(质量等级)按冶炼方法按金相组织分类按用途分类按化学成分分类：碳素钢和合金钢中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢按品质分类钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015按冶炼方法炉别：氧气转炉钢、电炉钢脱氧程度：镇静钢、半镇静钢、沸腾钢浇注制度：连铸钢、模铸钢按金相组织亚共析钢共析钢过共析钢

按退火组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢

按正火组织分5.1.6钢材的热处理热处理：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。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。

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。

5.1.6钢材的热处理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、渗其他元素等退火机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理→精加工。退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。热处理时间温度A1MSMfA冷过APBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线退火退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。完全退火：主要用于亚共析钢,Ac3+30~50℃等温退火:亚共析钢加热温度Ac3+30~50℃共析、过共析钢加热温度Ac1+30~50℃球化退火:球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。加热温度Ac1+30-50℃低温退火：在低于AC1点进行的，主要是为消除钢件的残余应力，稳定尺寸，消除冷作硬化，降低硬度，又称为去应力退火，是压力容器制造中常见的热处理方法。正火1、正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~50℃，保温后空冷的工艺。2、正火的目的⑴对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。⑵对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。⑶普通件最终热处理。改善切削性能低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。淬火淬火：将钢件加热到Ac3以上某一温度，保温一定时间，使之奥氏体化，急冷至室温，以获得淬硬组织的一种热处理工艺。目的：提高钢的强度和硬度；能改善某些特殊钢的力学和化学性能。常用淬火介质是水和油。各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法回火低温回火：回火温度，150~250℃低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火工件。中温回火：回火温度，350-500℃回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，主要用于各类弹簧的热处理。高温回火：回火温度，500-650℃调质回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。固溶和稳定化固溶：奥氏体不锈钢加热到1000℃~1100℃,保温一定时间然后快速冷却，获得单项奥氏体组织的工艺方法。处理后的不锈钢具有一定的强度，很高的韧性和优良的耐蚀性。稳定化：将含有Ti和Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢，加热到850℃~950℃，保温一定时间后水冷、油冷或空冷，使稳定化元素Ti、Nb和钢中的碳形成TiC和NbC，提高钢的耐晶间腐蚀等的能力。5.2钢材常用合金元素及其主要作用1、溶于铁素体,起固溶强化作用Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。2、形成碳化物，起强化相作用碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素5.2钢材常用合金元素及其主要作用3、阻碍奥氏体晶粒长大除Mn以外的合金元素均能阻碍奥氏体晶粒长大。4、提高钢的淬透性常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。5、提高回火稳定性

5.3钢材的物理性能及其试验方法5.3.1密度5.3.2线膨胀系数5.3.3弹性模量5.3.4泊松比5.3.5临界点5.3.1密度

5.3.2线膨胀系数密度：单位体积物质的质量称为密度。线膨胀系数：热膨胀是由于晶体的线长度和体积随温度升高而加大，晶体中相邻质子之间的平均距离随温度的升高而增大。5.3.3弹性模量5.3.4泊松比5.3.5临界点弹性模量E：弹性变形阶段，应力与应变之间的比值泊松比：当物体处于单向拉力或压缩力的作用时，物体沿作用力方向的几何尺寸将发生改变。是一个常数物体横向尺寸的相对变化物体纵向尺寸的相对变化泊松比和弹性模量均是材料的固有物理特性，有固定关系。5.4力学性能及其试验方法5.4.1拉伸试验5.4.2蠕变及持久试验5.4.3硬度试验5.4.4冲击试验5.4.5落锤试验5.4.1拉伸试验

低碳钢拉伸曲线ΔLF0

脆性材料拉伸曲线5.4.1拉伸试验可获得如下力学性能：抗拉强度：相应最大力的应力为抗拉强度屈服强度：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。断后伸长率：试样拉断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率。端面收缩率：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率。5.4.2蠕变及持久试验蠕变是指材料在一定温度和在恒定载荷的作用下，随着时间的延长形变逐渐增加的现象。5.4.2蠕变及持久试验蠕变极限和持久强度极限都反映材料高温性能的重要指标。持久强度极限：试样在一定的温度和在规定的持续时间内，引起断裂的最大应力值。主要考虑破坏时的应力。压力容器行业：钢材在设计温度t时，经10万小时断裂时的持久强度极限。5.4.3硬度试验布氏硬度HB洛氏硬度HRAHRBHRC维氏硬度HW5.4.4冲击试验夏比冲击试验：评定金属材料韧性。1.冲击吸收功：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。2.冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。5.4.5落锤试验又称落重试验。重锤从不同高度落到试样（片、薄膜、制品）上，求取落下高度与试样破坏率的关系。用破坏率为50%时的落下高度来表示试样的抗冲击能力。5.5工艺性能及其试验方法5.5.1压力加工工艺简介5.5.2冷加工工艺性能及其试验方法5.5.3焊接性能5.5.1压力加工工艺简介金属压力加工是利用外力作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。主要包括：轧制拉制挤压锻造（锻压）冷、热成型冷冲压。其中轧制、拉制、挤压主要用来生产各种断面的型材，钢板、钢管。后几种用来生产各种毛坯或半成品，如压力容器的法兰，管板。模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压5.5.2冷加工工艺性能及其试验方法弯曲：金属弯曲试验是一种工艺性能试验方法。弯曲试验就是按规定尺寸弯心，将试样弯曲至规定程度，以此检验金属承受塑性变形的能力，并显示其冶金或焊接缺陷。母材主要测定弯曲角度，观察弯曲部分的外侧，然后按照标准评定对焊接接头的弯曲试验是以试样上出现第一条裂纹时的弯曲角度来确定的。金属弯曲试验压扁试验压扁试验，是用以检验金属管压扁到规定尺寸的变形性能，并显示其缺陷的一种试验方法。在进行压扁试验时，将试样放在两个平行板之间，用压力机或其他方法，均匀地压至有关的技术条件规定的压扁距，检查试样弯曲变形处，如无裂缝、裂口或焊缝开裂，即认为合格。试验焊接管时，焊缝位置应在有关技术标准中规定，如无规定时，则焊缝应位于同施力方向成90°角的位置。试验均在常温下进行，但冬季不应低于-10℃。扩口试验扩口试验，是检验金属管端扩口工艺的变形性能一种方法。在进行扩口试验时，将具有一定锥度（如1：10，1：15等）的顶芯压入金属管试样一端，使其均匀地扩张到有关技术条件规定的扩口率（%），然后检查扩口处是否有裂纹等缺陷，以判定合格与否。5.5.3焊接性能焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。金属材料的焊接性能：指在限定的施工条件下焊接成符合要求的构件，并能满足预定使用的能力。即指材料焊接加工的适用性和使用可靠性。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。5.5.3焊接性能焊接性的好坏主要从两个方面来衡量。一是焊接工艺性的优劣；二是焊接接头在使用过程中的可靠性。一般情况下，合金的含碳量越高，其焊接性就会越差。碳当量：把钢材化学成分中的碳和其它合金元素的含量多少对焊后淬硬、冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量。

5.6金相组织及其试验方法

5.6.1钢中常见的金相组织5.6.2典型钢号的金相组织5.6.3焊接接头的金相组织5.6.4晶粒度及夹杂物5.6.1钢中常见的金相组织1、铁素体：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。工业上使用的纯铁会有微量的碳，常温下几乎是100%的铁素体组成。2、渗碳体：铁与碳形成的化合物。是铁的碳化物中最重要的一种。常用Fe3C化学式表示。它质强而脆，是提高钢硬度和强度的主要相组织之一。3、珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。根据渗碳体的形态，又可分为片状珠光体和球状珠光体。4、奥氏体：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方格，属铁的同素异形体。5.6.1钢中常见的金相组织5、马氏体：过冷奥氏体快冷的产物，是过饱和铁素体，由原来面心立方格变为体心立方格。（1）回火马氏体即马氏体在100℃~250℃范围时的分解产物。（2）回火索氏体即马氏体在500℃~650℃范围时的回火产物，为铁素体基体上均匀分布着的细粒状渗碳体。6、贝氏体：过冷奥氏体在中温区（即珠光体与马氏体转变之间的区域）的转变产物。它通常由铁素体和碳化物组成的非层片组织。5.6.1钢中常见的金相组织5.6.2典型钢号的金相组织典型压力容器用钢的供货状态和其金相组织5.6.3焊接接头的金相组织5.6.3焊接接头的金相组织典型的对接焊接接头主要由三个部分组成：1）焊缝：金属结晶很自然呈柱状晶成长，且成长方向垂直于焊接熔池壁2）熔合区：指焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材半熔化区。区域很窄，金相观察难以区分，但对焊接强度和韧性却有很大影响，常是产生裂纹和脆性破坏的发源地。3）热影响区：在焊接和切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和机械性能变化的区域。焊接形成了再组织和性能上不均匀的焊接热影响区。显然劣于母材的部位变成为焊接接头中最薄弱的环节。决定热影响区的分区及特征的因素大致可分为三个方面：1）母材的冶金特征：晶粒粗细、有无再结晶、是否易淬火钢2）母材焊前的状态：同一种金属材料，焊前状态不同，焊后热影响区的组织和性能是不同的；3）焊接方法及其工艺参数。实质上是焊接温度场和焊接热循环特征参数对热影响区的范围大小、以及范围内各部位的组织和性能的影响。5.6.3焊接接头的金相组织2、焊接热影响区的组成压力容器用碳素钢和低合金钢一般属于不易淬火钢，即在焊接条件下淬火倾向很小，其焊接影响大致可以分为：（1）过热区，又称粗晶区，降低了金属材料的韧性，是不易淬火焊接接头变脆的主要原因；（2）重结晶区，又称细晶区，或正火区，加热时铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，类似于正火组织。由于该区组织细化，故其塑性和韧性较好，甚至优于母材。5.6.3焊接接头的金相组织（3）不完全重结晶区，又称不完全正火区或部分相变区。该区晶粒大小不均匀，其力学性能也不均匀。（4）再结晶区：再结晶时只有晶粒外形的变化，并没有内部晶体结构的变化。再结晶区的强度和硬度都低于冷作变形状态的母材。塑性变形的热轧钢板或是退火状态下的钢板，则在热影响区内就不会出现这种再结晶现象，因此有明显组织变化的热影响区只有三部分：过热区、重结晶区、不完全结晶区。5.6.3焊接接头的金相组织5.6.4晶粒度及夹杂物1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。室温下钢材的晶粒度越小，其强度和韧性越高。反之，粗晶粒往往会使钢的强度下降，尤其是韧性。（1）起始晶粒度：钢加热达到刚高于Ac3临界点时，这时珠光体向奥氏体转变刚结束时的奥氏体晶粒很小，通常称起始晶粒度。（2）实际晶粒度：在交货状态下钢材的实际晶粒大小，以及经过不同热处理（加热）后，钢材或零件体得到的实际晶粒大小。5.6.4晶粒度及夹杂物（3）本质晶粒度。通常将钢加热到93010℃,保温3-8小时，冷却后得到金相试样来判断。晶粒度为1-8级的是本质粗晶粒钢，9-16级的是本质细晶粒钢。一般常用的钢材晶粒度分为16（1~16）级。晶粒级数越小，晶粒越粗大，晶粒度级数越大，晶粒越细小。影响钢材实际晶粒度的因素很多：其加热和保温时间起着决定性作用，温度高，保温时间长，则晶粒大；另外合金元素、原始组织状态、热加工、热处理等对钢的实际晶粒度也有一定的影响。2、夹杂物钢在高温冶炼及浇铸过程中，不可避免地会出现一些非金属夹杂物，即非金属化合物。主要是一些氧化物、硫化物和硅酸盐等。他们存在钢中，虽含量极少，但对钢材的性能危害不可忽视，其危害程度与夹杂物的类型、大小、数量、形态分布等有关。钢中常见的内在夹杂物分脆性夹杂物（氧化物及脆性硅酸盐）和塑性夹杂物（硫化物及易变形的硅酸盐）等。5.6.4晶粒度及夹杂物5.7金属材料的腐蚀类型及其试验方法腐蚀是指金属材料与周围环境作用而发生的损坏和变质。按腐蚀环境分：化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀；按作用机理分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀；按其破坏形式分为腐蚀和局部腐蚀。5.7.1均匀腐蚀均匀腐蚀（全面腐蚀）是指在整个合金材料表面上以比较均匀方式所发生的腐蚀现象，是机械设备在实际使用中发生腐蚀失效的基本形式相貌特征：发生全面腐蚀时，材料的厚度逐渐变薄，甚至腐蚀透彻。用于估算设备的寿命：浸泡试验；查阅文献；凭经验预测。选用耐腐蚀材料，其耐全面腐蚀性能是耐腐蚀性最基本的性能。均匀腐蚀试验常用的是重量法，即将试样置于试验介质中，经一定时间后测量其质量变化，求出其腐蚀速度。5.7.2点腐蚀钝化型金属之所以能抗腐蚀乃是由于其表面能形成一层具有保护性的钝化膜。这层钝化膜遭到破坏，而又缺乏自钝化的条件或能力，金属就会发生腐蚀，如果腐蚀仅仅集中在设备的某些特定点域，并在这些点域形成向深处发展的腐蚀小坑，而金属的大部分表面仍保持钝性的腐蚀现象，称为点腐蚀。点腐蚀的试验方法主要是电化学方法和化学浸泡法。5.7.3晶间腐蚀晶粒间界是结晶方向不同的晶粒间紊乱错合的界域，因而，它们是金属中各溶质元素偏析或金属化合物沉淀析出的有利区域。这种沿着材料晶粒间界先行发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的局部破坏现象，称为晶间腐蚀。在某些腐蚀介质中，晶粒间界可能先行被腐蚀。5.7.4缝隙腐蚀在腐蚀介质中的金属构件，由于金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙，造成缝内介质处于滞流状态而发生的一种局部腐蚀形态，称为缝隙腐蚀。几乎所有工业用金属和合金都会产生缝隙腐蚀，但具有自钝化特性的金属和合金对缝隙