压力容器用材料基础知识

4压力容器用材料基础知识

第01讲压力容器用材料基础知识（一）

金属材料分类

金属学和热处理基本知识

压力容器用材料的基本要求

金属材料的检验

5.1金属材料分类

金属材料分为两大类，即黑色金属和有色金属。

通常将以铁、锦、格为基的合金称为黑色金属，其中以铁为基的合金通常称为钢。以其余金

属元素为基的合金称为有色金属。

5.1.1按冶炼方法分类：

平炉钢、转炉钢和电炉钢，每一种还可以根据炉衬材料的不同，分为碱性和酸性。

按钢液脱氧程度和铸锭制度的不同，碳素钢可分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢

5.1.2按用途分类：

结构钢、工具钢、特殊性能钢

5.1.3按金相组织分类

①按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢

②按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢

③按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢。

5.1.4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%的铁碳合金称为钢，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。含碳量超过

2.06%的铁碳合金称为铁。

碳素钢按照硫、磷的含量由高到低分别称为

普通钢（P-0.045%,S^O.050%）

优质钢（P、S均〈0.035%）

高级优质钢（P^O.035%,S^O.030%）

压力容器常用的优质碳素结构钢有Q245R钢板（R表示压力容器专用钢板）；10、20钢钢管;

20、35钢锻件。

2.低合金钢

合金元素总量小于5%的合金钢叫做低合金钢。合金含量在5T0%之间称为中合金钢；大于10%

的称为高合金钢。

低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意

向钢中加入一种或几种合金元素。加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时，称

这种钢为合金钢。

低合金钢合金元素含量较少，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。

压力容器常用低合金钢有：

钢板：Q345R、Q370R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR；07MnMoVR、07MnNiMoDR(D

表示低温用钢)

钢管：16Mn、09MnD；

锻件：16Mn、20MnMo,16MnD、09MnNiD,12CrlMoVo

3.高合金钢是指在钢铁中有合金元素在10%以上的合金钢。压力容器中采用的低碳或超低碳

高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢；铭钢、格镶钢、铭锲铜钢。

(1)铭钢：0Crl3

是常用的铁素体不锈钢

有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能

在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性

但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀

(2)铭锲钢

0Crl8Ni9,0Crl8Nil0Ti.00Crl9Nil0这三种钢均属于奥氏体不锈钢。

0Crl8Ni9：在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等

介质中耐腐蚀性亦佳；但长期在水及蒸汽中工作时，0Crl8Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶

液中易发生应力腐蚀开裂。

(3)铭银铝钢：00Crl9Nil3Mo3

是奥氏体-铁素体双相不锈钢

耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备

4.复合板

基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。

复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其

厚度一般为基层厚度的1/10〜1/3。

复合板应用特点：

用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成

本。

复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小

的压力容器最好不用复合板。

5.2金属学基本知识

5.2.1晶体结构的基本概念

（1）晶体与非晶体

晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。

非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。

根本区别：晶体中原子（或分子）在三维空间有规律地周期性重复排列，而非晶体不具备这

一特点。

（2）晶格与晶胞

晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）

称结点。

空间点阵：由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。

晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。

晶胞参数：晶胞的三组棱长a、b、c及棱间交角a、自、丫。

.

《融晶体中原不排列(b)A^⑹晶施

晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。

90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。

1855年，法国学者奥古斯特•布拉菲用数学方法证明空间点阵共有且只能有14种，并归纳

为七个晶系。

带心单位

___/\____

素单位体心福心底心

卬方

正交司司国自

立方

a=b=c,

a=p=y=90°

四方

a=bWc,

a=0=y=90°

正交

a-T^b^-c,

a=p=y=90°

单斜

aWbWc

a=y=90°

BW90°

三斜

a#b#c,

aWBW丫

六方

a=bWc,

a=p=90°,

y=120°

菱方

a=b=c,

a=P=y

5.2.2金属材料的晶体结构

1.纯金属的晶体结构

金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。

金属原子趋向于紧密排列。

具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。

常见纯金属的晶格类型有体心立方（bcc）、面心立方（fee）和密排六方（hep）晶格。

（1）体心立方晶格

常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等

耐刖性小邛般皇e腐点快仪

体心立方晶胞

(2)面心立方晶格

常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等。这类晶格金属往往有很好的塑性。：奥氏体不

锈钢。

⑷刚性小耳模型⑸成点像暨

(3)密排六方晶格

常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等

⑵刚fl小球粮也(b)质点机噌(C瑞晚俄f数

2.实际金属的晶体结构

(1)单晶体与多晶体

单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。

多晶体：

晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体

称为晶粒。

晶粒

品界

但）单晶体。＞多晶体

晶粒内的原子排列相同由多个晶粒构成，晶粒内排列相同

晶界：晶粒之间的交界面。

晶粒越细小，晶界面积越大。

多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。

多，口单伍*ft

3.晶体缺陷

晶格的不完整部位称晶体缺陷。

实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。

①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。

空位、间隙原子、置换原子

a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。

b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。

c.置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。

0©00000

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I'I]一,.]

空位心＞间隙原子("置换原子

点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑

性、韧性下降。

②线缺陷一一晶体中的位错

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的

交界线称作位错。

分为刃型位错和螺型位错。

-n*IJI

WO>

tt1mb廉平）

③面缺陷一晶界与亚晶界

晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为5〜10个原子间距，位向差一般为20〜40°。

亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小,位向差也很小（10〜2）的小晶块。

亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。

（a）晶界示意图Ca）亚品黑示意图

面缺陷

4.合金的晶体结构

合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。

组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。

组成合金的元素相互作用可形成不同的相。

相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。

显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的

组合。

固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。

(1)固溶体

合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以a、B、丫表示。

与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。

固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。

按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。

Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体

(2)金属化合物

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较

高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。

当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。

金属化合物也是合金的重要组成相。

Fe3c称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。

铁碳Fe3c称渗碳体

合金中的Fe3c

5.2.3金属的凝固过程及热处理

物质由液态转变为固态的过程称为凝固。

物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。

物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。

5.2.3.1金属的结晶

纯金属的结晶

一、结晶的一般过程

1.结晶的基本过程

结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。

液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在TO以下，经一段

时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。

晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体

完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。

X

■♦♦

均§长大

树枝状长大

2.晶核的形成方式

形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。

由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。

以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。

3.晶核的长大方式

晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。

在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。过冷度：金属的实际结晶温度总是低于理

论结晶温度，两者温度之差，称为过冷度。

实库金隹要冲线踪长大，

这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又

会产生二次轴…，树枝间最后被填充。

影核成长蜗统

快速冷却，形核点多，晶粒细小

冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大

4.同素异构转变

物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一一固

态相变。

铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：

BMRC、一JE?、

-------->a-A

时间.min

3-Fe、a-Fe为体心立方结构（BCC）,丫-Fe为面心立方结构（FCC）。都是铁的同素异构

5.铁碳合金的组元和相

（1）铁素体：

碳在a-Fe中的固溶体称铁素体，用F或a表示。

碳在3-Fe中的固溶体称6-铁素体，用8表示。

都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%,室温下仅为

0.0008%o

铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。

(2)奥氏体：

碳在y-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或丫表示。

奥氏体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148C时最大为2.11%。

奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在丫区进行.

(3)渗碳体:即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3c或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(6b^35MPa),

脆性大，塑性几乎为零Fe3c是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：FesC-3Fe+C(石墨).

由于碳在a-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存

在。

钢中的渗碳体

铸铁中的石墨

第02讲压力容器用材料基础知识（二）

5.2.3.2铁碳合金

铁碳合金一碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。

含碳量0.0218%〜2.06%的称钢；2.06%〜6.69%的称铸铁。含碳量大于Fe3c成分（6.69%）时，无

实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3c相图。

铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间

关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。

铁碳合金状态图

1.铁碳相图中的点

弼」r/tC%中月

A0纯铁捌能

丁0.53包就驯制就

4.30共呈点Lc[+%C

_AJ12276.69沙蝌居点

E114S2.11而Fe卬幅闲艘

F114S6679胡体的鹿分

G9120纯铁a1艘敲

H14950.09西6瓜中的矽涧麒

14950.17包晶点lySjj力

K,7276.69沙蝌成分

T~13940纯匐6幅褪

：

~p-7270.0218的UFe中飕榆腰

7270.77共新点％中Fe,C

nQ室温0.0008室2襁既疑中的滴度

2.特征线

(1)液相线一ABCD,

固相线一AHJECFD

(2)三条水平线：

町B.绕L|*力

BCFILc<>yB+Po«C

共晶产物是，与Fe.C的机械混合油，黑作莱氏体，用L.会示.

为蜂窝状，以Fe3c为基，性能硬而脆。

PSK：共析线

丫

共析转变的产物是a与Fe3c的机械混合物，称作珠光体，用P表不。

珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。PSK线又称4线

(3)其它相线

GS,CP-.Oa脸体特制ICS文款也假

$钎@橹体接受线,

ESTR4yTe中的廊施.A*J线.

PQ一碳在a-Fe中的固溶线。

E2Y强磺学金状专用

3.相区

(1＞五个单相EiL、又八thF-

(2)!■♦*、“)、U-FekCb$+人CT+F^C

(3)三个三相区.即HI8ECF(U-74-FaQ、FSK(‘中F")三条水平统

4.工业纯铁的结晶过程

合金液体在1-2点间转元2,3-4点间6-Y,6-6点间，一。•到T点

从.・申折出Fe«C.

Fe

(1)工业纯铁的结晶过程

AJ

IMO

H

1400

I2GO

tooo

4(K>

200

从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用FesGu表示。F+Fe3cm以不连续网状或片状分布于晶

界。

随温度下降，F+Fe3cm量不断增加,合金的室温下组织为F+Fe3cm

(2)共析钢的结晶过程

合金液本在1-2点间转变为y.到s点发生共析解交।

KQajFef

共析钢的结晶过程

.■■■■■■一

.■■■■■■■■■■

■■■■■■■■■■■■

■■■■a*.■■■■■9■

■■■■■■■■■■■■

/■■■■■■.

L'

12L-*(AH)

珠光体在光镜下呈指纹状.

珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。

S点以下，共析a中析出Fe£m,与共析Fe3c结合不易分辨。室温组织为P。

(3)亚共析钢的结晶过程

0.09-0.53%C亚共析钢冷却时发生反应

以0.45%C的钢为例

热位勺为了，W由7fm日5角r

侬洛省窿照IS&y发影版稣变为时维aflWF•a中行出，班..由

于与共折gpia告且妙B不计.

亚共析钢的结晶过程

2：LTaHJ

亚共析钢室温下的组织为F+P。

在0.0218—0.77%C范围内。

珠光体的量随含碳量增加而增加。

(4)过共析钢的结晶过程

合金在1〜2点转变为丫，到3点，开始析出Fe,C。从奥氏体中析出的Fe3c称二次渗碳体，用FeaC,,

表示，其沿晶界呈网状分布。

温度下降，FesC”量增加。到4点，丫成分沿ES线变化到S点，余下的丫转变为P。

含1.4%C钢的组织

P+Fe3cH

c/%

5.2.3.3金属材料热处理

临界温度与实际转变温度

铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用％、A3、Ag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Ac..Ac：,、AC,

表示;冷却时的实际转变温度分别用、An、AQ、Ar,m表示

岫好和冷撵对把iHiqaut的够一

1.钢在加热时的转变

（1）加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在川以下加热，不发生相变；另一种是

在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。

箜W体明顿（附犬代体收入（劝枫余FsC簿解hh曜氏的坳X化

（2）影响奥氏体晶粒长大的因素

加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，Y晶粒粗大。

加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。

合金元素：

■阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元

素。

■促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、IV。

原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒。

奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细

而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。

2.奥氏体的冷却

(1)过冷奥氏体的转变产物及转变过程：

处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过

冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。

(2)共析钢珠光体转变

珠光体的组织形态及性能

过冷奥氏体在用到550C间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合

物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、素氏体和托氏体。

珠光体转变过程

珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两

侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。

珠光体转变是扩散型转变。

（3）贝氏体转变

1.贝氏体的组织形态及性能

过冷奥氏体在550C-230C（Ms）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。

根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（BQ

（4）马氏体转变

当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。

马氏体转变是强化钢的重要途径之一。

1.马氏体的晶体结构

碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。

马氏体的形态分板条和针状两类。

过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变产形成温转变机获得工

转变显微组织特征HRC

物度，℃制艺

PA1-650粗片状，F、Fe3c相间分布5-20退火

珠光S650~600细片状，F、Fe3c相间分布20-30正火

扩散型

体等温

T600~550极细片状，F、Fe3c相间分布30-40

处理

羽毛状，短棒状Fe3c分布于过饱和F等温

B上550—35040-50

贝氏半扩散条之间处理

体型竹叶状，细片状Fe3c分布于过饱和F等温

BF350〜Ms50-60

针上淬火

马氏M针Ms~Mf无扩散针状60-65淬火

体M板条型板条状50淬火

第03讲压力容器用材料基础知识（三）

3.热处理

改善钢的性能，主要有两条途径:

一是合金化

二是热处理

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。

热处理分类

(1)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。

退火分为完全退火、不完全退火、消应力退火、等温退火、球化退火等。

在压力容器制造过程中应用最多的是去应力退火。

时■的

去应力退火的目的：

消除复合钢板复层贴合后的残余应力；

消除产品封头、筒体等零部件冷成型及中温成形后的残余应力；

消除焊接接头中的内应力和冷作硬化，提高接头抗脆断的能力；

稳定焊接结构件的形状；

消除焊件在焊后机加工和使用中的变形；

促使焊缝金属中的氢完全向外扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性。

过热：钢在加热时，由于温度过高，并且较长时间保温，会使晶粒长得很粗大，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：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，只能报废。

(2)正火

将钢加热至奥氏体化温度(Ac3或Acm以上30-50℃)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。

正火后的硬度、强度、塑性和韧性均高于退火。可以细化钢的组织，消除组织缺陷以外，还

可以提高低碳钢的硬度，改善切削加上性能，消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准

备。

65

的

A

H5a2

整40H

圈39

20

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c%

(3)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。

压力容器用钢淬火一般采用水冷。

(4)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。

回火脆化：钢制压力容器在380〜570℃范围内长期运行，使钢材脆化的现象。

如：2.25CrTMo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。

(5)奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理

固溶处理：将格镇奥氏体不锈钢加热到1050-1100°C,保温一定时间，使碳化物充分溶解，

快速冷却至427℃以下，以获得均匀的奥氏体组织。

稳定化处理：对含钛或锯格锲奥氏体不锈钢加热到850-900°C,保温一定时间，空冷或缓冷。

主要目的：均匀组织，防止晶间腐蚀

(6)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。

5.2.3.4金属的力学性能

1.强度：是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。

屈服强度Re(os)：材料发生微量塑性变形时的应力值。

条件屈服强度Rr0.2(。0.2)：残余变形量为0.2%时的应力值。

抗拉强度Rm(ob)：材料断裂前所承受的最大应力值。

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。

材料的屈强比(。s/。b)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。

变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化。

弹性变形：外力去处后能够恢复的变形。

塑性变形：外力去处后不能恢复的变形。

轴向拉伸杆横截面上的应力

2.塑性

塑性：塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。包括断后伸长率和断面收缩率。

断后伸长率A(3)：试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率。

断面收缩率Z(力)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。

断后用煤/(&：xio。乳

断面收gz(出:片刍二是xlO。为

五、

线弹性变形阶段(0A)

塑性屈服阶段(BC)

强化阶段(CD)

局部颈缩阶段(DE)

其中0A，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。

3.韧性：是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。

韧性常用冲击功鼠和冲击韧性值ak表示。&值或见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20Jo

断裂韧性：断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力的作用下,

这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的

能力称为断裂韧性。此时出现材料在远低于。b的情况下发生断裂的现象。

断裂韧性反映了材料对裂纹扩展的抵抗能力。

韧脆转变温度：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。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变

温度。

体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。

4.疲劳

疲劳：材料在低于。s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。

疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力。

5.硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，现在多用压入法测定。

（1）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。

布氏硬度测试示意图

压头为钢球时，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。

优点：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。

(2)洛氏硬度HR:

洛氏硬度用符号表示,HR=k-(h-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。

HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、表淬层和渗碳层。

HRB用于测量低硬度材料，如有色金属和退火、正火钢等。

HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。

优点：操作简便，压痕小，适用范围广。

缺点：测量结果分散度大。

（3）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。

（3）里氏硬度

具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处

的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压。里氏硬度值以冲击体回跳速

度与冲击速度之比来表示。

计算公式：HL=1000*（VB/VA）

式中：HL---里氏硬度值

VB——冲击体回跳速度

VA——冲击体冲击速度

冲击装翼输出信号示意图

5.3压力容器用材料的基本要求

5.3.1基本要求

TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》2.1要求压力容器的选材应当考虑材

料的力学性能、化学性能、物理性能和工艺性能。

GB150.2-2011-压力容器第2部分：材料第3.4要求，选择压力容器受压元件用钢时应考

虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质条件和操作特点等）、材料的性能（力学性能、

工艺性能、化学性能和物理性能）、容器的制造工艺及经济合理性。

1.力学性能要求

压力容器用钢要求有较高的强度，一定压力下使用较少材料；良好的塑性、韧性、冷弯性能,

遇有超压使用等意外情况时，会发生明显塑性变形，给人们有足够的反应时间，而不是突然破坏。

2.物理性能要求

在容器设计中，应注意到材料的物理性能。例如，在计算容器的温差应力时，就要用到材料

的线胀系数a；在设计换热器及计算容器外壳热损失时，还要用到材料的热导率入等。因此，材

料的使用场合不同，对材料物理性能亦有不同的要求。主要的物理性能指标有密度P,热导率入，

比热容c,熔点3,线胀系数a,电阻率pr,弹性模量E等。

3.耐腐蚀性能

化工厂中经常处理有腐蚀性的介质，故设计化工容器时，在很多场合下，耐腐蚀性对材料的

选择起决定性的作用。材料的耐蚀程度会影响设备使用寿命、产品的质量，有时甚至影响化学反

应的进行。因此，考虑材料的耐蚀性是化工容器材料选择中的一个重要问题。

3.耐腐蚀性能

材料的腐蚀速度在工程上常用Ka（mm/a）来表示，材料腐蚀速度在1mm/a以下的，可认为

能用于化工容器。有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。

4.制造工艺性能

材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。

对制造化工容器的钢材来说，焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。

5.可焊性：是指金属材料在一定的焊接工艺条件下能否获得优良焊接接头的性能。

通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可

焊性的主要指标。钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。而其中影响最大的是碳元素，

也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其

影响程度一般都比碳小得多。

制造一般受压容器所用钢材的含碳量最好不大于0.25%O

6.其他要求：

材料成型的主要方法是滚卷与冲压。材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或

微裂纹。材料的冷作硬化性会降低塑性指标，而且会在受热时出现结晶粗化，降低强度。一般材

料的残余变形超过3%时，需经退火处理。

5.3.2熔炼方法

压力容器受压元件用钢，应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢。

对标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的低合金钢钢板和奥氏体-铁素体不锈钢钢板,

以及用于设计温度低于-20℃的低温钢板和低温钢锻件，还应当采用炉外精炼工艺。

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5.3.3使用状态限制

下列碳素钢和低合金钢钢板，应在正火状态下使用:

用于多层容器内筒的Q245R和Q345RO

用于壳体的厚度大于36mm的Q245R和Q345R。

用于其它受压元件（法兰、管板、平盖等）的厚度大于50mm的Q245R和Q345R。

5.3.4压力容器用材料使用温度限制

1.压力容器受压元件使用钢材的使用温度上限

钢材的使用温度上限（相应受压元件的最高设计温度）为GB150.2-2011标准中许用应力表中

各钢号许用应力所对应的最高温度。

碳素钢和碳锦钢钢材在高于425c温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。

奥氏体型钢材的使用温度高于525c时，钢中含碳量应不小于0.04%。

2.压力容器受压元件使用钢材的使用温度下限

钢材（奥氏体型钢材除外）的使用温度下限（相应受压元件的最低设计温度）按GB150.2-2011

的有关规定。

奥氏体型钢材的使用温度高于或等于T96c时，可免做冲击试验，低于-196℃〜-253C,由

设计文件规定冲击试验要求。

对用于低温低应力工况的钢材，其使用温度下限值按GB150.3附录E的规定。

“低温低应力工况”系指容器或其受压元件的设计温度虽然低于-20C,但其设计应力（在该

设计条件下，容器元件实际承受的最大一次总体薄膜和弯曲应力）小于或等于钢材标准常温屈服

强度的六分之一，且不大于50Mpa时的工况。

受压元件用钢板，其使用温度下限按表4的规定，表4中Q245R和Q345R钢板的使用状态还

应符合GB150.2-20114.1.4的规定。对厚度大于100mm的壳体用钢板及其焊接接头，应规定较

严格的冲击试验要求，设计单位可选用下列方法：

a）冲击试验温度按最低设计温度，但冲击功指标高于表1的规定

b）冲击试验温度低于最低设计温度，冲击功指标按表1的规定

表1碳素钢和低合金钢钢材的冲击功最低值

钢材标准抗拉强度下限值Rm/MPa3个标准试样冲击功平均值KV2/J

<450220

>450-510224

>510-570231

>570-630234

>630-690238

注：对Rm随厚度增大而降低的钢材，按该钢材最小厚度范围的Rm确定冲击功指标。

表4钢板的使用温度下限

钢号阚板厚度mm使用状态冲击试验要求使用温度下限。C

中常温用钢板

(6免做冲击-20

5-12-20

>12〜16热轧、控轧、正火

0°C冲击-10

Q245R

>16-150

0

>12-20热轧、控轧-20

-20°C冲击（协议）

>12-150正火-20

(6免做冲击-20

5-20热轧、控轧、正火-20

0°C冲击

>20〜25-10

Q345R

>25-2000

热轧、控轧

>200-300-20°C冲击（协议）-20

>20-200正火-20

Q370R10-60正火-20°C冲击-20

0°C冲击0

18MnMoNbR30~100正火加回火

-10°C冲击（协议）-10

0°C冲击

0

i3MnNiMoR30〜150正火加回火

-20°C冲击（协议）

-20

07MnMoVR10-60调质-20°C冲击-20

12MnNiVR10-60调质-20°C冲击-20

低温用钢板

6~60-40°C冲击-40

16MnDR1E火，正火加回火

>60~120-30°C冲击-30

15MnNiDR6~60正火，正火加回火-45°C冲击-45

15MnNiNbDR10-60正火，正火加回火-50°C冲击-50

09MnNiDR6-120正火，正火加回火-70°C冲击-70

正火，正火加回

08N13DR6-100-100°C冲击-100

火，调质

调质（或两次正火

06Ni9DR6〜40(6〜12)-196°C冲击-196

加回火）

07MnNiVDR10-60调质-40°C冲击-40

07MnNiMoDR10-50调质-50°C冲击-50

第04讲压力容器用材料基础知识（四）

5.3.5Q235系列钢板（Q235B及Q235C）的使用规定

钢板标准按GB/T3274-2007《碳素结构钢及低合金结构钢热轧厚钢板及钢带》。钢板的化学

成分应符合GB/T700-2006《碳素结构钢》的规定，但钢板质量证明书中的磷、硫含量应符合PW

0.035%,SW0.035%的要求。

钢板应进行冲击试验和冷弯试验，试验结果应符合GB/T700的规定。

容器设计压力小于1.6MPa。

钢板的使用温度：Q235B钢板为20℃〜300C；Q235c钢板为0℃〜300C。

用于容器壳体的钢板厚度:Q235B和Q235c不大于16mm；用于其它受压元件的钢板厚度:Q235B

不大于30mm,Q235C不大于40mm。

不得用于毒性程度为极度或高度危害的介质。

Q245R可替代Q235c钢板。

5.4金属的检验

5.4.1化学分析

1.熔炼分析

熔炼分析所用的试样在钢水从钢包浇筑到模具然后凝固的过程中取样。

当不方便直接从钢水中取样时，如真空电弧炉重熔、电渣重熔或其他过程，可在铸坯、板坯

或钢材上取样，成分分析的结果可当作熔炼分析结果。

2.成品成分分析

进行成品成分分析的试样从锻钢上取样。

由于钢中的成分偏析现象，成品成分分析的结果允许与熔炼分析的结果不同。并且不同试样

的分析结果亦可能有差异。

成品成分公差：锻钢标准中介于冶炼成分上限和下限之间的单个成品成分的允许公差。

如标准中C元素的熔炼成分上限为0.25%,成品成分允许的正公差为+0.03%,则成品成分允

许的上限值为0.28%o

3.光谱分析法

从钢板、钢管或锻件上直接取样，采用光谱法进行分析。

光谱法：是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来判断物质

的组成，而进行元素的定性与定量分析的。

原子发射光谱法可对约70种元素（金属元素及磷、硅、碎、碳、硼等非金属元素）进行分析。

在一般情况下，用于设以下含量的组份测定，检出限可达ppm,精密度为±10%左右，线性范围约

2个数量级。这种方法可有效地用于测量高、中、低含量的元素。

直读光谱仪品种分为火花直读光谱仪，光电直读光谱仪，原子发射光谱仪，原子吸收光谱仪,

手持式光谱仪，便携式光谱仪，能量色散光谱仪，真空直读光谱仪，直读光谱仪分为台式机和立

式机。

相关国家标准：

GB/T4336-2002碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）

即将实施：GB/T4336-2016碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱

法（常规法）

GB/T11170-2008不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）

GB/T20125-2006低合金钢多元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法

台式直读光谱仪

移动式直读光谱仪

5.4.2力学性能实验设备

1.拉伸试验

20t万能试验机

100t万能试验机

相关标准：

GB/T2975-1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备

GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法

GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法

GB/T2652-2008焊缝及熔敷金属拉伸试验方法

符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差

L总长（最小）150—W端部宽度20土0.2

H夹具间距离115±5.0d厚度见正文4.3

C中间平行部分长度60士0.5b中间平行部分宽度10士0.2

Go标距（或有效部分）50±0.5R半径（最小）60

2.弯曲试验

GB/T232-2010金属材料弯曲试验方法

GB/T2653-2008焊接接头弯曲试验方法

3.冲击试验

GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法

GB/T2650-2008焊接接头冲击试验方法

冲击试验示意图

T

W