2023年特种设备无损检测培训

特种设备无损检测人员培训

（2013年07月）

授课教师：田学/p>

（管道检验三所所长）

河南省锅炉压力容器安全检测研究院

第一章金属材料及热处理基本知识

金属材料（金属及合金）的性能包括：力学性能（也称为机械性能）、物理性能、化学

性能和工艺性能。

合金：是由两种或者两种以上的金属或者金属与非金属元素相互熔合而成的。

1.1金属材料力学基本知识

一、金属材料力学性能概述

金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力大小，是金属材料在外力作

用下表现出来的特性。它是判定金属材料力学性能的依据，评定金属材料质量的判据，同时

也是设计选材和进行强度计算的主要依据。

金属材料的力学性能包括：

1.常温下的强度、硬度、弹性、塑性、韧性等，例如屈服点或屈服强度。S（。0.2）、

抗拉强度。b、伸长率6、断面收缩率中、冲击韧性Ak等；

2.特定条件下的力学性能，例如高温强度、低温冲击韧性、疲劳极限、断裂力学性

能等.

应当注意新的力学性能指标表示方法：

抗拉强度Rm

上屈服强度（ReH）

下屈服强度（ReL）

规定非比例延伸强度RpO.2

断后伸长率A

断面收缩率Z

冲击吸收功（AK）

时效冲击功

室温夏比冲击吸收功Akv

脆性转变温度FATT（50%脆性断口）

二、钢材的性能

（一）、钢材的物理性能

钢材的物理性能一般包括：密度P,比热容Cp,热导率入，线膨胀系数a,弹性模量E,电

阻率R等。

（二）、钢材的化学性能

耐腐蚀性：钢材抵抗周围介质腐蚀作用的能力。不锈钢具有相对优良的耐腐蚀性能。

抗氧化性：钢材在一定温度条件和外力作用下抵抗氧化的能力耐热钢丽丽就窟好的痴鼠

化性，不锈钢的抗氧化性更好。

（三）、钢材的力学性能

钢材在一定的温度条件和外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为力学性能。

1.常规力学性能，如强度、塑性、硬度和韧性等。

2.高温性能，如抗蠕变性能、持久强度、瞬时强度和热疲劳性等。

3.低温性能，如低温冲击韧性、脆性转变温度等。

（四）、钢材的工艺性能

1.铸造性能

2.切削加工性能

3.压力加工性能

4.焊接性能

1.1.1应力与应变

应力：单位面积上的作用力。

o=F/SQ（单位：N/m2orPascal（Pa））

应变：单位长度上的变化量，用来描述塑性变形和弹性变形程度。

e=AL/L0（无单位）

图1.1.1-1退火低碳钢的拉伸曲线

通过拉伸试验可以测得材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能

指标，它是材料的基本力学性能。

1.1.2强度

金属材料强度指标：

（1）屈服强度

屈服强度（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：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。又区分为上屈服强度和下屈服

强度。

（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。

材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象，称为屈

服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点（又称屈服强度或屈服极限），用Re

（ReH、ReL）表示。我国标准规定Re取钢材的下屈服点值（ReL）。

（2）抗拉强度

抗拉强度（GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》）定义：相应最大力的应力为

抗拉强度（血）。而最大力（Fm）是指试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力；对于无明显屈

服（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。

试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强

度，用Rm（%）表示。

（3）持久极限

持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下，达到规定时间而不断裂的最大应力。

常用符号为外带有一个或两个指数来表示。例如内瑞)0,表示在试验温度为700℃时，持

久时间为lOOOh的应力，即所谓高温持久极限。

(4)蠕变极限

蠕变极限又称蠕变强度，是指在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕变总伸长率或恒

定蠕变速率不超过规定值的最大应力。

1.1.3塑性

金属材料塑性指标

(1)断后伸长率(延伸率)

断后伸长率(GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》)定义：试样拉断后标距

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)o其中，(Lu)为

断后标距。

A=(Lu—Lo)/Lo(1.1.3-1)

(2)断面收缩率

断面收缩率(GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》)定义：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)o其中，

(Su)为断后最小横截面积。

Z=(So—Su)/So(1.1.3-3)

(3)冷弯性能

金属材料在常温下承受弯曲而不破裂的能力，称为冷弯性能。冷弯试验用以考核材料弯

曲变形的能力并且能使存在的缺陷显示出来，在一定程度上模拟了压力容器制造时卷板机的

工艺情况，是锅炉压力容器用钢材与焊接接头力学性能考核的重要指标。

出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。弯曲程度一般用弯曲角度

或弯芯直径d对材料厚度a的比值来表示。

1.1.4硬度

硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系。一般情况

下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试材料的硬度值来估算材料的强度。此

外，硬度较高的材料，其耐磨性也较好。

工程上常用的硬度试验方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度

H$和里氏硬度HL。

检验中硬度检测的应用

材料硬度值与其强度存在着一定的比例关系，对钢铁材料来说，其抗拉强度近似等于

3.55倍的布氏硬度值；材料化学成分中，大多数合金元素都会使材料的硬度升高，其中碳

对材料硬度的影响最直接，材料中的碳含量越大，其硬度越高，因此硬度试验有时用来判断

材料强度等级或鉴别材质；材料中不同金相组织具有不同硬度，一般来说，马氏体硬度高于

珠光体，珠光体的硬度高于铁素体，铁素体的硬度高于奥氏体，故通过硬度值可大致了解材

料的金相组织、以及材料在加工过程中的组织变化和热处理效果。加工残余应力与焊接残应

力的存在对材料的硬度也会产生影响，加工残余应力与焊接残余应力值越大，硬度越高。

正因为影响材料硬度的因素较多，工程上硬度检测的应用也较多，锅炉、压力容器、压

力管道检验中硬度检测的应用概括如下：

(1)对于一般的碳素钢、低合金钢制压力容器，当材质不清或有疑问时，可通过测定

硬度，并根据硬度与强度的关系，近似求出材料的强度值。常用的一个换算公式：

Re=3.28HV-221(适用于母材);另一公式为Rmg3.55HB(适用于HBW175的材料)

(2)锅炉、压力容器、压力管道焊接性试验中检测焊接接头断面的母材.、焊缝和热影

响区的硬度，据此判断材料的焊接性和工艺的适用性的方法称最高硬度试验法。例如用最高

硬度法评价材料的焊接性和工艺的适用性时，要求16MnR的HVW390；15MnVR的HVW400

（3）现场经常通过检测母材、焊缝和热影响区的硬度，判断焊接工艺执行情况和焊接

接头质量。

（4）锅炉、压力容器、压力管道进行局部或整体热处理后，可通过对焊缝金属、热影

响区及母材进行硬度测定，检查热处理效果，判断焊缝接头的消除应力情况。例如现场组焊

的压力容器，整体热处理后焊缝金属和热影响区的硬度值要求不大于母材的120%（碳素钢）

或125%（合金钢）。

（5）低合金钢制压力容器焊接返修时，对返修部位进行硬度测定，检查返修补焊工艺

的可行性及焊接质量。

（6）压力容器使用过程中，由于压力、温度、介质等工况条件的影响，会出现脱碳现

象。在用检验中，当怀疑有脱碳时，应对可疑部位进行硬度测定。

（7）锅炉、压力容器、压力管道在高温下长期使用后，有可能引起渗碳、渗氮、硫化、

钗化及石墨化等现象。使材料的硬度改变。在用检验时，应选择适当部位进行硬度测定。

（8）高强度钢压力容器在用检验中，应进行硬度检测，了解焊接接头是否有淬硬组织。

（9）在应力腐蚀环境中使用的压力容器，在制造或在用检验中应进行硬度检测，以判

断应力腐蚀倾向。例如，要求湿硫化氢应力腐蚀环境中的碳钢HBW200；合金钢HBW235；

液氨储罐材料临界硬度为HV210o

（10）锅炉、压力容器、压力管道的主要附件，例如螺栓、螺母等，当材质不清或热处

理状态不明时，可通过测定硬度加以判断。

1.1.5冲击韧度（冲击韧性）

1.1.5.1冲击吸收功（AK）

冲击吸收功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）。

1.1.5.2冲击韧度（毁）

冲击韧度很大程度上反映钢的冶金质量和成品热处理的质量，是材料强度（Re,Rm）

与塑性（A、Z）的综合反映。

冲击韧度通常是在摆锤式冲击试验机上测定的。摆锤冲断带有缺口的试样所消耗的功

（即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功）称为冲击吸收功，用Ak表示；冲击

试样缺口底部单位横截面上的冲击吸收功称为冲击韧度。若试样断口处横截面积为S”则冲

2

击韧度念=Ak/SN,单位为J/cm.

Ak或ak的值越大，材料的韧性越好。

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。试样的缺口形式有夏

比U形和夏比V形两种，其冲击韧度分别用Aku和Akv表示。我国锅炉压力容器用钢规定采

用夏比V型缺口冲击试样，其冲击吸收功为Akvo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。

对锅炉压力容器用钢来说，冲击吸收功是衡量其裂纹扩展阻力的重要指标之一。

1.1.5.8锅炉压力容器材料的脆化

用于制作锅炉压力容器受压元件所用的钢材在常温静载条件下一般都有较好的塑性和

韧性，工程上习惯称之为塑性材料。但实际上，塑性很好的材料在一些不利的条件或环境下

使用也会出现塑性和韧性降低的现象，即发生脆化。不了解和不注意塑性材料使用不当时可

能会发生脆性破坏，这对压力容器的安全是极为不利的。由于材料的脆化单靠外观检查和无

损检测不能有效地发现，因此由脆性断裂引起的事故往往具有突发性。脆性断裂具有快速扩

展特点，所以是最危险的失效形式。

钢的冷脆性和低温冲击韧性

钢的冷脆是锅炉压力容器材料脆化最重要的类型。所谓冷脆性是指金属材料在低温下呈

现韧性降低，脆性增大的现象。对于在低温条件下工作的受压元件，考虑钢材冷脆性是选用

钢材种类的基本要求。对于高温条件下工作的受压设备，例如锅筒、集箱、高温反应容器、

换热器、超高压反应釜等，所用的材料虽然在运行状态下塑性性能较好，但在室温下进行水

压试验时仍有可能引起脆性破坏，这也属于冷脆问题。为了避免发生破坏，在水压试验时对

不同材料规定了不同的最低水温值。

可通过断口形貌法来确定材料韧脆转变温度：由于温度下降时，试样断口上结晶区面

积增大，纤维区面积减小，根据两者相对面积的变化来确定韧脆转变温度。通常在脆性断面

率-温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度即为韧脆转变温度7,用FATT.表示。例

如脆性断面率为50%所对应的温度记为FATTs。。

脆性转变温度FATT（50%脆性断口）：在整个断口面积中，呈韧性断口和脆性断口特征面

积各占50%所对应的温度，即材料在低于该温度以下时会发生脆裂。

蠕变一一金属材料在一定的高温环境下，即使应力低于屈服极限，材料也能发生缓慢的

塑性变形。即：金属材料长期处在一定的高温环境下，随着时间的增加，虽然力不增加但变

形不断增加的现象。

这种塑性变形经过长时间的积累，最终会导致材料破坏一一蠕变破坏。

碳素钢和普通低合金钢的蠕变温度界限为350-450C。

蠕变破坏一般都有明显的塑性变形，其变形量的大小取决于材料的塑性。

L2金属学与热处理基本知识

1.2.1金属的晶体结构

物质是由原子构成的。根据原子在

物质内部的排列方式不同，可将物质分

为晶体和非晶体两大类。由基本单元按

一定间隔重复，按规则的排列方式构成图1.2.1-1三种典型晶胞示意图

的材料称为晶体。而内部原子呈不规则a）体心立方晶胞（b）面心立方晶胞

排列的物质称为非晶体,（c）密排六方晶胞

都是能偏，

在固态金属中，晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。

常见的晶体结构有：

1.体心立方晶格，其晶胞是一个立方体，原子排列于立方体的各节点上和立方体的中

心。属于此类的金属有a一铁（纯铁在温度降至910℃以下时），方一铁（纯铁从液态开始

凝固，在温度降至1534〜1390℃时），Cr,Mo、W、V,£—Ti（B型钛合金）等。

2.面心立方晶格，其晶胞也是一个立方体，除各节点处排列着原子外，在立方体每个

面的中心也排列着原子。属于此类的金属有/一铁（铁在910〜1390℃时），Al,Cu,Ni、

铅、金、银等。

3.密排六方晶格，属于此类的金属有Mg,Zn,a—Ti等。

不同晶体结构的材料具有不同特性：

（1）体心立方晶格的金属均具有较低的强度、硬度、熔点，而塑性、韧性很好，且

具有冷脆性；

（2）面心立方晶格的金属具有较好的塑性、韧性，没有冷脆性。

（3）密排六方晶格强度低且塑性韧性差，一般不用作结构材料。

实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破

坏，从而产生各种各样的缺陷。金属主体原子中存在的另类原子称为杂质，杂质和晶体中的

原子排列错误统称为“缺陷”，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四类。

常见的晶格缺陷有空位、间隙原子、置代原子、位错等。

1.2.2金属强度的本质与金属材料的强化机制

金属的强度指标Re(4)、Rm(4)是代表金属在一定变形过程中对塑性变形的抵抗

能力。金属对塑性变形的抗力越大，表明金属的强度越高。因此，一切提高金属变形抗力的

因素均能提高金属的强度。

金属及合金的基本强化方式：

(1)固溶强化

(2)应变强化

(3)晶粒细化

(4)沉淀强化

123金属结晶

高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程，即原子由不规则状态(液

态)过渡到规则状态(固态)的过程。

过冷是金属结晶的必要条件。每一种金属都有一定的结晶温度，例如铁的结晶温度为

1535℃,铜的结晶温度为1083℃,这种结晶温度称为理论结

晶温度或平衡结晶温度，用7表示，但实际上液态金属只有

冷却到低于7；以下才开始结晶，也就是说，实际结晶温度7；总

是低于理论结晶温度7；,两者之差称为过冷度，用AT表示，

即^T=Ta-Tn.

过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈快，过冷度愈

大。当冷却加快时，实际结晶温度下降，过冷度增大，并使

晶粒细化。由于细晶粒组织具有良好的机械性能，通常总是

希望得到细晶粒组织，这可以通过热处理的方法来达到。

结晶过程总是从晶核开始，晶核通常依附于液态金属中

的固态微粒杂质而形成。液体中的原子不断产生新的晶核，

并不断长大，直到所有的晶粒长大到相互接触，结晶即告结

束(图1.2.3T)。图1.2.3-1金属的结晶过程示意图

同素异晶转变

某些金属，例如铁、镒、锡等，凝固后在不同的温度下，有着不同的晶格形式，这种由

于由于温度改变而晶格也改变的现象称为同素异晶转变.金属的同素异晶转变与液态金属的

结晶很相似。例如，转变过程也包含晶核的生成与长大；转变时也放出潜热，因而也是这恒

温下进行的，也有过冷现象等。

根据纯铁冷却曲线，纯铁液体从1534c开始凝固后所得到的是体心立方晶格的铁，称

为5—Fe(1534〜1390℃)。在1390℃时发生同素异晶转变，b—Fe转变成面心立方晶格的

y—Fe(铁在1390〜910℃时)。当温度降至910℃时，面心立方晶格的y—Fe又转变成体心

立方晶格的a—Fe(910℃以下时)。

需要注意的是，a—Fe在768℃发生磁性转变：768℃以下的铁具有磁性，768℃以上

的铁无磁性。

1.2.4铁碳合金的基本组织

铁碳合金状态图.

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，这是因为钢和铸铁的成份虽然复杂，但都是由铁和

碳两种元素组成的。

一般把含碳量为0.02%〜2.11%的铁碳合金称为钢；

含碳量大于2.11%的称为铸铁；

含碳量为0.0218〜0.04%的称为工业纯铁；

含碳量小于0.0218%的称为纯铁。

纯铁是很软的金属，有银白色金属光泽。但当纯铁中含有一定量的碳后，就变成了

钢。一般纯铁中含碳在0.02%至0.25%称为低碳钢，硬度较低，塑性很好；含碳量0.25%

至0.6%的钢叫中碳钢，其硬度中等；含碳量0.6%至2.11%的称为高碳钢，硬度很高，

可制刀枪、模具等。低、中、高碳钢合在一起就叫“碳素钢”。铁中碳含量超过2.11%

称为铸铁（生铁）。

1

1538LH

A

一目1495

1500

---、^053^J―

,——.L

1400

NJ394

L+A

13001227

A

D

1200

F1148'L+Fe2

^2.113•F

1100

/Tif

10001

A+FesCjj+Ld与Fe3cl+Ld

900J(912

4-------------------

/A+F

e3Cn

1

800/声

727(A|)

11)K

700J00218-1

1

产1

600

1

F+P1P+Fc3cHFe3cl+L'd

1

11

H+Fe34

1

40011

30011.t-J_

|P(F-FejC)

1+J____

1盟L

Q0.00813|L

3y(111

0.20.40.60.81.01.21.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.69

WCX100

图1.2.4-1（a）铁碳合金状态图

碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。例如，钢的含碳量低，其性质是“强而韧”，而

普通铸铁的含碳量高，其性质是“脆而弱”。钢的熔点高，铸铁的熔点低，等等。

Fe〜Fe£合金中的基本相结构有：铁素体、奥氏体、渗碳体。

1.铁素体

铁素体是碳溶于a—铁或者5—铁中的固溶体，用符号“F”表示。a一铁或者铁

都是体心立方晶格，前者是指温度低于910℃的铁，后者是温度在1390〜1534c之间的铁。

所谓“固溶体”是指组成合金的两种或两种以上元素，相互溶解形成单一均匀的物质。

铁素体的溶碳能力极差（0.008-0.022%）,在727℃溶碳量最大时也仅有0.022%。铁素体的

强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770℃（磁性转变温度）以下具有铁磁性，超

过770℃则丧失铁磁性。

2.奥氏体

奥氏体是碳溶于/一铁中的固溶体，用符号“A”表示。7一铁是面心立方晶格，奥氏

体溶碳能力较大，最大可达2.在727℃时溶碳量为0.77%。在铁碳合金系中，

奥氏体仅存在于727c以上的高温范围内。奥氏体不具有铁磁性。

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳的金属化合物，又称碳化铁，其含碳量为6.67%,符号是“FesC”。常

温下铁碳合金中的碳大部分以渗碳体存在。渗碳体的硬度很高（约为＞700HB）,而塑性和韧

性几乎为零，脆性极大。渗碳体的熔化温度约为1600℃,渗碳体在217℃以下具有弱铁磁性，

高于217℃磁性消失。

珠光体是层片状铁素体与渗碳体组成的机械混合物，珠光体的硬度和强度较高，塑性也

较好。

共析钢：含碳量为0.77%的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100%珠光体，称为共析

钢。

过共析钢:含碳量大于0.77%的铁碳合金称为过共析钢，其常温组织是珠光体P+渗碳体

Fe3C；

过共析钢的碳含量增加，组织中的渗碳体增多，珠光体含量减少，塑性和韧性下降，但

硬度却随之增加。

亚共析钢:含碳量小于0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，其常温组织是铁素体F+珠光体

P。

1.2.5热处理一般过程

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。由于钢是承压类特种设备制造中使用最广泛的金属材

料，因此本节只介绍钢的热处理。

在实际生产过程中，热处理过程是比较复杂的，可以由多次加热和冷却过程组成，但其

基本工艺是由加热、保温和冷却三个阶段构成的，温度和时间是热处理的主要因素.任何热

处理过程都可以用温度一时间曲线来说明，图L2.5T即为基本热处理工艺曲线图。

由铁碳合金状态图可知，随着温度的变化，钢在固体状态下能够发生相变，图1.2.5-2

为铁碳合金状态图中钢的固态部分，与低碳钢相关的固态相变温度为G—S线和P—S—K线，

分别称为4线和4线。在实际加热和冷却时，由于存在过热和过冷现象，加热时钢的相变

温度将高于4线和4线，所以在加热时相变临界点用M线和线表示；冷却时钢的相变

温度将低于As线和Ai线，所以在冷却时的相变临界点用A,3线和A,”线表示。

钢在热处理过程中的组织变化，由两个过程组成：

一是加热时，钢的常温组织转变为奥氏体；

二是冷却时奥氏体分解，随着冷却速度的不同，得到不同形态和组织的珠光体、铁素体

或马氏体等转变产物。

1.2.6承压类特种设备用钢常见金相组织和性能

(1)奥氏体A[Fer(C)]

奥氏体是碳在y—Fe中的间隙固溶体，在合金钢中是碳和合金元素溶解在7—Fe中的

固溶体。

奥氏体塑性很高，具有韧性，耐磨性及加工硬化能力。其硬度和屈服点较低，布氏硬度

值一般为170〜220HB。奥氏体溶碳能力较大，在1147℃时最大可溶解碳为2.1魏。在727℃

时可溶解碳为0.77缸是钢中比容最小的组织。

(2)铁素体F[Fea(C)]

铁素体是碳与合金元素溶解在a—Fe中的固溶体。

铁素体性能接近纯铁，硬度低(约为80〜100HB),强度比较低(抗拉强度一般为245MPa

左右)；塑性好(伸长率可达50%,断面收缩率可达80%)。固溶有合金元素的铁素体能提高

钢的强度和硬度。在727℃时，碳在铁素体中溶解量为0.022%,在常温下含碳量为0.008%。

铁素体仍然保持a—Fe的体心立方晶格，在金相组织中具有典型纯金属的多面体金相

特征。

(3)渗碳体[Fe3C]

渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中的碳大部分以渗碳体存在。

渗碳体在低温下有弱磁性，高于217℃磁性消失。渗碳体的熔化温度约为1600℃,含碳

量为6.67%,硬度很高(约为＞700HB),脆性很大，塑性近乎于零。

(4)珠光体[P]

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是含碳量为0.77%的碳钢共析转变的产物，由

铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。

珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距越小，

强度越高。按片间距的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体。由于它们没有本质上区别，

统称为珠光体。

粗片状球光体［P］：是奥氏体在650〜700℃高温分解的产物，硬度约为190〜230HB,用

一般金相显微镜（500倍以下）能分辨Fe3c片，

索氏体［S］：是奥氏体在600〜650℃高温分解的产物，硬度约为240〜320HB,用高倍显

微镜放大1000倍才能分辨Fe3c片、

屈氏体［门：是奥氏体在550〜600℃高温分解的产物，硬度约为330〜400HB,用电子显

微镜放大10000倍才能分辨Fe3c片，

珠光体在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲。

在一定热处理条件下（球化退火或高温回火），渗碳体以颗粒状分布于铁素体基底之上，即

球化组织，亦叫粒状珠光体。

（5）马氏体［M］

马氏体是碳在a—Fe中的过饱和固溶体。当钢被高温奥氏体化之后，若快速冷却至马

氏体点以下时;由于/—Fe在低温下结构不稳定，便转变为a—Fe。但因冷却速度快，钢

中碳原子来不及扩散，便保留了高温时母相奥氏体的成分，因此马氏体是钢在奥氏体化后快

速冷却到马氏体点之下发生无扩散性相变的产物。

马氏体处于亚稳定状态，由于碳在a—Fe中过饱和，使a—Fe的体心立方晶格发生了

畸变，形成了体心正方晶格。马氏体具有很高的硬度（约为640〜760HB）,很脆，冲击韧性

低，断面收缩率和延伸率几乎近等于零。由于过饱和的碳使晶格发生畸变，因此马氏体的比

容较奥氏体大，钢中马氏体形成时产生很大相变应力。

（6）贝氏体［B］

贝氏体是过冷奥氏体在中温区间（约250〜450℃）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳

体混合物。

贝氏体形成的温度不同，组织特征也不相同。在接近珠光体形成温度所生成的组织叫“上

贝氏体”，其特征为由晶粒边界开始向晶内同一方向平行排列的a—Fe片，处理片间夹着渗

碳体颗粒，在金相组织中呈羽毛可对称或不对称。在300℃附近形成的组织叫“下贝氏体”，

在金相组织中呈黑针状。上、下贝氏体只是形状和碳化物分布不同，没有质的区别。上贝氏

体的强度小于同一温度形成的细片状珠光体，脆性也较大。下贝氏体与相同温度的回火马氏

体强度相近，下贝氏体的性能优于上贝氏体，有时甚至优于回火马氏体。

（7）魏氏组织

亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体，在较慢的冷却速度下，除了在原来奥氏体晶粒

边界上析出块状a-Fe外，还有从晶界向晶粒内部生长的片状a-Fe。这些在晶粒中出现

的互成一定角度或彼此平行的片状a—Fe,即为通常所称的亚共析钢的魏氏组织。

魏氏组织的产生与以下因素有关：奥氏体晶粒大小（取决于过热程度）、钢的含碳量、

冷却速度。

魏氏组织严重时会使钢的冲击韧性、断面收缩率下降，使钢变脆。可用完全退火使之消

除。

1.2.7承压类特种设备常用热处理工艺

1.2.7.1承压类特种设备热处理名词

L临界点

临界点又称为临界温度，是指钢加热或冷却时发生相变的温度。对钢来说，常用的临界

点有：

Ai—表示钢加热时珠光体向奥氏体转变，冷却时奥氏体向珠光体转变的温度。

M一表示亚共析钢加热时，先共析铁素体完全溶入奥氏体的温度，或冷却时先共析铁素

体开始从奥氏体中析出的温度。

A%一表示过共析钢加热时，先共析渗碳体完全溶入奥氏体的温度，或冷却时先共析渗碳

体开始从奥氏体中析出的温度。

如一为与平衡条件下的临界点相区别，将在加热时实际的人温度称为At“。

心一冷却时实际的M温度称为AH»

心一为与平衡条件下的临界点相区别，将在加热时实际的限温度称为心。

Ar3一冷却时实际的A3温度称为A,3«

2.重结晶

固态的金属及合金，在加热（或冷却）通过临界点时，从一种晶体结构转变为另一种晶

体结构的现象，称为重结晶。

3.再结晶

经过冷塑性变形的金属或合金，加热到再结晶温度以上时，严重畸变的晶格通过形核及

长大成新的无畸变的晶格完整的等轴晶粒的过程，称为再结晶。再结晶时，金属或合金没有

晶体结构类型的变化。

4.过热

金属或合金在热加工时，由于温度过高，晶粒长得很大，致使性能显著降低的现象，称

为过热。过热的材料可以通过热处理的方法使其恢复。

5.■

金属或合金加热温度达到固相线附近时，发生晶界开始部分溶化或氧化的现象，称为过

烧。过烧的金属或合金不能用热处理及塑性变形加工的方法使其恢复。

6.时效

合金经固溶处理或冷变形后，性能随时间而变化的现象，称为时效。由固溶处理所引起

的时效称为热时效或淬火时效，而由冷变形所引起的时效则称为应变时效或机械时效。

7.沉淀硬化处理

采用物理方法使过饱和固溶体中析出弥散的碳化物或金属间化合物等第二相而引起的

硬化现象，称为沉淀硬化处理。

8.固溶处理

将合金加热至高温单相区，并经过充分的保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷

却，以得到过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。固溶处理的目的，是为了改善金属的塑性

和韧性，并为进一步进行沉淀硬化处理准备条件。

9.退火

把钢加热到临界点（A“或AQ或再结晶温度以上，保温适当时间，然后缓慢冷却，使

组织达到接近平衡状态的热处理工艺。可分为：

（1）完全退火（又称重结晶退火，一般简称退火），是加热至储以上20〜40℃保温后

缓冷的一种热处理操作。

作用：退火可以细化晶粒，消除内应力，改善钢的性能，主要用于亚共析成分的各种钢

材和热轧型材。

（2）消除应力退火（又称低温退火或高温回火）是将钢加热到500~600℃（A«以下），

然后保温、缓冷的热处理操作。

作用：主要用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力。

（3）再结晶退火是将经过冷塑性变形的金属，加热到再结晶温度以上的适当温度，保

温后以适应方式冷却的热处理操作。

作用：主要用来消除形变硬化和残余应力，以降低硬度，提高塑性。

10.淬火

将钢加热到(亚共析钢)或鼠(过共析钢)以上30〜50℃,保温后以大于临界冷却

速度的速度快速冷却，这种热处理操作称为淬火。

作用：一般说来，淬火是为了得到马氏体组织，使钢得到强化。

淬透性和淬硬性：钢在淬火后能获得淬硬层深度的性质叫做淬透性，又叫可淬性。钢在

正常淬火条件下所能达到的最高硬度，称为淬硬性。

11.正火

将钢加热到人3(或AQ以上30〜50℃,保温一定时间后在空气中冷却，得到珠光体型

组织的热处理操作称为正火。正火的冷却速度比退火大，得到的组织比较细，机械性能也有

所提高。所以正火主要用于碳钢和低合金钢，提高其机械性能、细化晶粒、改善组织(如消

除魏氏组织、带状组织、大块状铁素体和网状碳化物).

12.回火

钢淬火后为了消除残余应力、提高韧性，以及获得所需要的组织和性能，把己淬火的钢

重新加热到A”以下某一温度，保温后机械冷却的热处理工艺，称为回火。通过调整回火温

度，可获得不同硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外，回火还可稳定零件尺

寸，改善加工性能。

按回火温度的不同，可分为低温回火(150~250℃),中温回火(350~500℃)和高温

回火(500〜650℃)。当要求钢件有较高的硬度和较好的耐磨性时，淬火后常采用低温回火；

当要求钢件有足够的硬度和较高的弹性强度并保持一定韧性时，淬火后常用中温回火处理;

当要求钢件既有较高强度和硬度又有较好的韧性时，在淬火后常用高温回火处理。

钢回火处理时，要注意防止回火脆性。

13.调质

通常将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理，简称调质。调质后获得回火

索氏体组织，可使钢件得到强度与韧性相配合的良好的综合性能。

1.2.7.2承压类特种设备常用热处理方法

1.正火处理

(1)目的：主要为改善母材及焊缝的综合机械性能，提高韧性和塑性，细化晶粒，均

匀组织，降低应力，消除冷作硬化，便于加工。

(2)方法：正火即是把所要处理的工件，摆放在加热设备里，根据不同的材料选择相

应的加热温度，保温时间按工件的有效厚度每亳米1.5〜2.5分钟计算。保温结束后，出炉

空冷、风冷或者雾冷。

(3)应用：压力容器常用钢材，如16MnR、15MnVR、15MnVNR等材料都需正火处理，

而18MnMoNbR.13MnNiMoNbR>15CrMo,12CrlMo等材料正火后还需补充回火，以改善钢材的

组织性能。正火温度根据材料性能要求来确定。

另外，采用电渣焊的压力容器往往通过正火处理改善焊缝组织，细化晶粒，同时为超声

波探伤提供条件。

2.调质处理

(1)目的：通过调质处理使材料获得一定的强度、硬度和良好的韧性。调质后组织一

般为回火索氏体。与正火相比，在相同硬度下，调质处理后钢的强度、塑性和韧性较正火有

明显提高。

(2)方法：调质处理就是淬火加高温回火。淬火即是把处理的工作摆放到加热设备里，

根据不同的材料选择加热温度，保温时间按工件有效厚度每亳米1.5〜3分钟计算。保温结

束后，在淬火介质中冷却。常用的淬火介质有水、油、盐水等等，淬火结束后需高温回火,

回火温度根据材料性能要求来确定。

（3）应用：常用的如高压主螺栓35CrMoA、25Cr2MoVA；主螺母40Mn、管板20MnMo；

封头SA387GrllC12等材料，由于正火处理性能达不到要求，需做调质处理，以提高其综合

性能。但调质处理也存在一些缺点，由于淬火时冷却较剧烈，易造成工件变形甚至开裂，同

时对热处理设备要求也较高。

3.固溶处理

（1）目的：加热使碳化物充分溶入奥氏体，再以足够快的速度冷却将这些碳化物固定

在奥氏体中。经固溶处理后奥氏体不锈钢，组织均匀，其强度、硬度较低，而塑性、韧性较

好，具有优良的耐蚀性和高温性能。

（2）方法：将工件摆放在加热设备里，根据不同的材料将工件加热到1000~1150℃（有

的资料要求1050〜1100℃）之间（在此温度下，碳在奥氏体中固溶），保温一定时间（保温

时间按其有效厚度每亳米2〜3分钟）。保温结束后，快速（下水）冷却至427℃以下（要求

从925℃至538℃冷却时间小于3分钟），以获得均匀的奥氏体组织。簿壁的管子可以空冷。

（3）应用：压力容器用铭银奥氏体不锈钢，如0Crl8Ni9、0Crl8Nil0Ti>0Crl7Ni2Mo2

等板材、封头都应经过固溶处理。固溶处理也是奥氏体不锈钢最好的一种消应力方法。

4.稳定化处理

（1）目的：在适当温度下使铭碳化合物分解，使辂充分扩散到晶界附近贫铭层。促使

钛、盥等稳定化元素与碳结合生成更稳定的碳化钛、碳化铝化合物，避免奥氏体不锈钢中铭

的损失（晶间贫铭）。经过处理的焊接接头即使再加热到敏化温度（450-850℃）,也不会导

致晶间腐蚀。

（2）方法：将工件加热到850〜900℃,保温足够长的时间，快速（下水）冷却。

（3）应用：含稳定化元素奥氏体不锈钢0Crl8Nil0Ti.0Crl8Ni12Mo2Ti,焊接后稳定

化处理，除了能提高焊接接头耐蚀性外，还可使残余应力消除80%左右。

5.消除应力热处理

（1）目的：主要是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工过程中产生的内应力及

冷作硬化;使焊缝中的氢完全扩散,提高焊缝的抗裂性和韧性;改善焊缝及热影响区的组织，

稳定结构形状。焊后热处理（PWHT）是其中最重要的一种。

（2）方法：焊后热处理加热温度根据材料不同而不同。工件加热方法多种多样，可分

整体焊后热处理和局部焊后热处理两大类。整体焊后热处理又可分炉内整体热处理和内部加

热整体热处理，后者通常用于大型容器的现场热处理。局部焊后热处理常用的方法有炉内分

段热处理和圆周带状加热热处理。

（3）应用：焊后热处理（PWHT）用于一些低合金高强度容器焊接完工后的焊接应力去

除，是压力容器制造中最重要的热处理方法。对一些特殊材料和结构，也有在成形阶段和焊

接中间阶段安排消除应力热处理的。

1.2.7.3承压类特种设备制造中的消除应力处理

承压类特种设备制造中的消除应力处理包括焊后热处理（PWHT）和中间消除应力处理。

1.焊后热处理（PWHT）

婵后消除应力热处理的

（1）消除焊接接头中的氢，提高接头的抗裂性和韧性。

（2）降低焊接接头中的残余应力，降低焊缝及热影响区的硬度，提高接头抗脆断和耐

应力腐蚀的能力。

（3）改善焊缝及热影响区的金相组织，使接头中的淬硬组织经受回火处理而提高接头

各区的塑性。

（4）对于耐热钢，可稳定焊缝及热影响区的碳化物，提高接头的高温持久强度。

（5）稳定容器结构的形状尺寸，避免在以后加工和使用过程中发生畸变。

2.中间消除应力处理

在大型厚曳结构中，为防止焊接裂纹的形成，对于下列焊缝要求作中间消除应力处理,

即在焊接结构的一部分焊缝焊完后或焊缝焊接一部分后进行消除应力处理。

（1）厚壁高拘束度接头焊完后在静置过程中有较大的冷裂危险。

（2）母材金属或焊缝金属的常温脆性较高，整个结构所有接头一次性连续焊完后，可

能产生自发的脆性断裂。

（3）焊件形状复杂或焊缝集中引起的附加应力和塑性应变，可能引起结构部件的局部

破坏。

（4）复杂的、高拘束度交叉焊缝。

中间消除应力处理的温度通常比最终消除应力处理的温度低20~30℃,保温时间可按实

际已焊成的焊缝厚度计算。

3.焊后热处理方法分类

般按炉内、局部和内部加热三种基本方式分类，如ASME,BS,ISO/DIN等标准均是按此

分类的。

4.整体消除应力热处理

对锅炉压力容器等承压类特种设备整体消除应力热处理可以分为容器在加热炉内加热

和在容器内部加热两种方法，热源可以是电、油、煤气等。两种方法效果有差异，适用范围

也不尽相同。

5.局部消除应力热处理

在容器制造过程中，由于热处理加热设备的原因或出于制造过程中的考虑，可以采用局

部热处理方法。B、C、D类焊接接头、球形封头与圆筒相连的A类焊接接头以及缺陷修补部

位，允许采用局部热处理方法。所用设备一般为电阻丝陶瓷加热片和控温设备。靠近加热区

部位应采取保温措施，使温度梯度不至影响材料的组织和性能。

1.3承压类特种设备常用材料

压力容器用材料的要求：

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.根据使用状态

的不同，材料的韧性指标包括常温冲击韧性，低温冲击韧性以及时效冲击韧性等。

3.所用材料应有良好的加工工艺性能，包括冷热加工成型性能和焊接性能。

4.所用材料应有良好的低倍组织和表面质量，分层，疏松，非金属夹杂物，气孔等缺陷

应尽可能少，不允许有裂纹和白点。

5.用于制造高温受压元件的材料应具有良好的高温特性，包括足够的蠕变强度，持久强

度和持久塑性，良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性.

6.与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。

低碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢是制作压力容器最常用的材料，为满足不同规格尺寸、

使用参数、介质环境的要求，目前已开发了许多品种牌号的锅炉压力容器专用钢材（例如

GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》）。

《锅炉安全技术监察规程》相关条款：

2.1条基本要求

锅炉受压组件金属材料、承载构件材料及其焊接材料应当符合相应国家标准和行业标准

的要求，受压元件金属材料及其焊接材料在使用条件下应当具有足够的强度、塑性、韧性以

及良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。

2.2条性能要求

(1)锅炉受压元件和受压元件焊接的承载构件钢材应当是镇静钢；

(2)锅炉受压元件用钢材室温夏比冲击吸收能量(KVz)不低于27J；

(3)锅炉受压元件用钢板的室温断后伸长率(A)应当不小于18%o

2.3条材料选用

锅炉受压元件用钢板、钢管、锻件、铸钢件、铸铁件、紧固件及拉撑件和焊接材料应当

按照本条规定选用。

低碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢是制作承压类特种设备常用的金属材料根据需要,

也有采用其它材料制作承压类特种设备的。例如：铸钢、铸铁、铝和铝合金、铜和铜合金、

钛和钛合金、银和银合金、铁素体不锈钢、铁素体一奥氏体双相不锈钢等。此外，承压类特

种设备锻件和螺栓也有采用中碳钢的。

1.3.1钢的分类和命名方法

1.3.1.1金属材料分类

平炉钢

—访，市旧办转炉钢

_电炉钢

冶炼方法「沸腾钢

镇静钢

坊I攵腾)1儿翁羊禾1任早反声分7T

L半箱静钢

一低碳钢

湘委局rh欣辰

诙系钢匚P族铜

1-高碳钢

—化学成分——

钢一低合金俅

—ri步钢

的中合金钢

分高合金钢

类

一结构钢

T日Z471---不锈钢

——/用IJ巫1余工具钢

一耐热钢

---特殊性肥钢低温钢

一磁钢

・一普通钢

一管线钢

口W

W贝钢

——高级优质钢

按用途分类

按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。

结构钢：

1.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。

2.用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。

工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。

特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

二.按化学成分分类

按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢按含碳量又可分：

（1）为低碳钢（含碳量W0.25%）；

（2）中碳钢（0.25%（含碳量＜0.6%）；

（3）高碳钢（含碳量20.6%）。

合金钢按合金元素含量又可分为：

（1）低合金钢（合金元素总含量W5%,或单一合金元素的含量＜3%）；

（2）中合金钢（合金元素总含量=5%—10%,或单一合金元素的含量3%〜5%）；

（3）高合金钢（合金元素总含量＞10%,或单一合金元素的含量＞5%）。

此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为镒钢、铭钢、铭银钢、铭镐钛钢

等。

注意：丽史2008《锅炉和压力容器用钢板》（由GB713-1997《锅炉用钢板》与GB6654-诲96

《压力容器用钢板》合并而来）中的钢材牌号表示法已更改。

1.3.2金属材料的性能

（金属材料的性能详见L1节）

金属材料的性能一般分为：工艺性能和使用性能两类.

工艺性能：是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在规定的冷、热加工条件下表现

出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于

加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切

削加工性等。

使用性能：是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能（或

称为机械性能）、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围

与使用寿命。

1.3.3低碳