張勇---第3章 金屬學(xué).ppt

張勇合肥市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局地址 合肥市蕪湖路139號(hào)郵編 230001E mail zhangy 手機(jī)第三章金屬學(xué) 熱處理與壓力容器材料 本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)和思考內(nèi)容 1 了解金屬材料主要力學(xué)性能指標(biāo)定義及代表符號(hào) 2 了解壓力容器常用熱處理工藝方法及用途 3 了解熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)方法及典型熱處理事例 4 了解低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展概述 5 了解合金元素及熱處理狀態(tài)對(duì)鋼材性能的影響 6 了解壓力容器選材注意事項(xiàng) 7 了解鋼的冷脆性 低溫沖擊韌性及其它脆化型式 8 了解壓力容器用鋼材高溫或臨氫環(huán)境下的材質(zhì)劣化 拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)機(jī) 拉伸試樣 3 1金屬學(xué)基本知識(shí) 3 1 1金屬材料力學(xué)性能概述金屬材料強(qiáng)度指標(biāo)1 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 GB T228 2002標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的 當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí) 在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn) 又區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度 1 上屈服強(qiáng)度 ReH 試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力 2 下屈服強(qiáng)度 ReL 在屈服期間 不計(jì)初始瞬間效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力 2 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 GB T228 2002標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的 相應(yīng)最大力的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度 Rm 而最大力 Fm 是指試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力 對(duì)于無(wú)明顯屈服 連續(xù)屈服 的金屬材料 為試驗(yàn)期間的最大力 應(yīng)力是指試驗(yàn)期間任一時(shí)刻的力除以試樣原始橫截面積之商 3 持久極限4 蠕變極限 2 金屬材料塑性指標(biāo)1 斷后伸長(zhǎng)率 延伸率 斷后伸長(zhǎng)率 GB T228 2002標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的 試樣拉斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng) Lu Lo 與原始標(biāo)距 Lo 之比的百分率為斷后伸長(zhǎng)率 A 其中 Lu 為斷后標(biāo)距 2 斷面收縮率斷面收縮率 GB T228 2002標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的 斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量 So Su 與原始橫截面積 So 之比的百分率為斷面收縮率 Z 其中 Su 為斷后最小橫截面積 3 冷彎性能 表1 試驗(yàn)用材料化學(xué)成分 3 金屬材料韌性指標(biāo)1 沖擊吸收功 沖擊韌度 沖擊吸收功 AK 是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下 斷裂時(shí)所消耗能量大小的特性 即沖擊試樣所吸收的功 其單位為焦耳 J 按GB T229 2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法 標(biāo)準(zhǔn)定義 沖擊吸收能量 符號(hào)為 KV2 沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖 沖擊韌性通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的 沖擊試樣受到擺錘的突然打擊而斷裂時(shí) 它的斷裂過(guò)程是一個(gè)裂紋發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程 在裂紋發(fā)展過(guò)程中 如果塑性變形能夠發(fā)生在它的前面 就將阻止裂紋的長(zhǎng)驅(qū)直入 當(dāng)其繼續(xù)發(fā)展時(shí)就需消耗更多的能量 因此 沖擊吸收功的高低 決定于材料有無(wú)迅速塑性變形的能力 沖擊吸收功高的材料 一般都有較高的塑性 但塑性指標(biāo)較高的材料卻不一定都有高的沖擊吸收功 這是因?yàn)樵陟o載荷下能夠緩慢塑性變形的材料 在沖擊載荷下不一定能迅速發(fā)生塑性變形 沖擊吸收功與試樣的尺寸和缺口的形狀有關(guān) 由于不同的沖擊試樣在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力狀況各不相同 在破壞時(shí)所消耗的能量也不一樣 因此沖擊吸收功值也不同 壓力容器用鋼一般采用夏比V型缺口沖擊試樣 其沖擊吸收功為AkV 而以前多用U型缺口 其沖擊吸收功為AkU 兩者的數(shù)值不能換算 沖擊吸收功還與試驗(yàn)溫度有關(guān) 有些材料在室溫時(shí)韌性很好 但在低于某一溫度時(shí)則可能發(fā)生脆性斷裂 由于沖擊吸收功是材料各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)中對(duì)材料的化學(xué)成分 冶金質(zhì)量 組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo) 而且也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標(biāo) 所以 對(duì)壓力容器用鋼來(lái)說(shuō) 沖擊吸收功是衡量其裂紋擴(kuò)展阻力的重要指標(biāo)之一 國(guó)際上通常用沖擊功Ak作為沖斷試樣消耗的總功 只要試樣符合標(biāo)準(zhǔn) 就不會(huì)出錯(cuò) 應(yīng)用也簡(jiǎn)便 但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)用Ak表示也存在問(wèn)題 因?yàn)锳k值也不能完全代表試樣斷裂前所吸收的總功 沖斷試樣消耗的總功可分為兩部分 其一消耗于試樣的變形和斷裂 其二消耗于試樣擲出及機(jī)座本身振動(dòng) 因此 所吸收的總功Ak為 Ak 試樣斷裂吸收的能量 試樣擲出功 機(jī)座振動(dòng) 由于一般情況下 后幾項(xiàng)功很小 因此以Ak作為試樣斷裂所吸收的能量誤差很小 有足夠精度 1 1 脆性斷面率脆性斷口也稱(chēng)為晶狀斷口 是指出現(xiàn)大量晶粒開(kāi)裂或晶界破壞的有光澤斷口 斷口中晶狀區(qū)的面積與斷口原始橫截面積的百分比即為脆性斷面率 也稱(chēng)晶狀斷面率 GB T12778 金屬夏比沖擊斷口測(cè)定方法 對(duì)沖擊試樣斷口的有關(guān)測(cè)定方法做了規(guī)定 一般有幾種方法測(cè)定脆性斷面率 對(duì)比法和測(cè)量法等 新版GB T229標(biāo)準(zhǔn)的附錄C中也有方法介紹 1 2 側(cè)膨脹值側(cè)膨脹值即為沖擊試樣缺口背部的兩側(cè)由于沖擊試驗(yàn)時(shí)所受到的錘擊 而產(chǎn)生的尺寸增量 當(dāng)試樣斷裂成兩截時(shí) 應(yīng)分別測(cè)量?jī)山卦嚇訑嗫诘膫?cè)膨脹值 并取其中大者為該試樣的側(cè)膨脹值 具體的測(cè)量方法見(jiàn)GB T12778 金屬夏比沖擊斷口測(cè)定方法 標(biāo)準(zhǔn) 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了幾種測(cè)量側(cè)膨脹值的方法 2 斷裂韌度 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KICGB T4161標(biāo)準(zhǔn) 裂紋張開(kāi)位移CODGB T2358標(biāo)準(zhǔn) 3 1 2金屬學(xué)基本知識(shí)概述 1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 圖3 1 1 2 后圖 2 金屬?gòu)?qiáng)度的本質(zhì)與金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制3 壓力容器鋼材的金相組織和性能 奧氏體 鐵素體 珠光體 馬氏體 貝氏體 相 4 金屬結(jié)晶 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 體心立方bcc Body centeredcubic 面心立方fcc Face centeredcubic 密堆六方hcp Hexagonalclose packed bcc fcc hcp 3 1 3鐵碳合金狀態(tài)圖 3 2壓力容器熱處理知識(shí) 3 2 1熱處理一般過(guò)程1 加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 奧氏體A的形成2 冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變 奧氏體A的分解 圖3 2 3 6 3 2 2壓力容器處理名詞1 臨界點(diǎn)A1 AC1Ar1 A3 Ac3Ar3 2 重結(jié)晶3 再結(jié)晶 4 過(guò)熱 溫度過(guò)高 性能顯著降低 可逆 5 過(guò)燒 晶界部分熔化或氧化 不可逆 6 時(shí)效7 沉淀硬化8 固溶處理9 退火10 淬火11 正火12 回火13 調(diào)質(zhì) 3 2 3壓力容器的常用熱處理方法 1 正火處理 目的 方法和應(yīng)用 2 調(diào)質(zhì)處理 目的 方法和應(yīng)用 3 固溶處理 目的 方法和應(yīng)用 4 穩(wěn)定化處理 目的 方法和應(yīng)用 5 消除應(yīng)力熱處理 目的 方法和應(yīng)用 3 2 4壓力容器制造中的消除應(yīng)力處理 1 焊后熱處理 PWHT 2 中間消除應(yīng)力處理3 焊后熱處理方法分類(lèi)4 整體消除應(yīng)力處理5 局部消除應(yīng)力處理 表3 2 1 2 6 消除應(yīng)力熱處理的加熱溫度 7 爐溫測(cè)量8 加熱和冷卻速度9 異常材料焊縫的熱處理 PWHT 10 復(fù)合板及覆層材料的焊后熱處理11 低合金高強(qiáng)度鋼再熱裂紋的預(yù)防 3 2 5熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)方法 1 零件熱處理后主要的檢驗(yàn)方法 硬度 力學(xué)性能 金相試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)2 焊后消應(yīng)力處理質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn) 檢查熱處理工藝和設(shè)備 壓力容器及焊件外部檢驗(yàn) 審查熱處理工藝記錄 3 2 6典型熱處理實(shí)例 圖3 2 8 1 外購(gòu)鍛件為退火狀態(tài)2 調(diào)質(zhì)處理3 第一次中間消除應(yīng)力熱處理4 第二次中間消除應(yīng)力熱處理5 焊后最終消除應(yīng)力熱處理 3 3壓力容器常用鋼材 對(duì)制造壓力容器的材料6條要求很實(shí)用 3 3 1壓力容器用碳素鋼 表3 3 1和3 3 2中20R鋼號(hào)在GB713 2008中應(yīng)為Q245R 其S P含量分別 0 015 0 025 3 3 2壓力容器用低合金結(jié)構(gòu)鋼 表3 3 3和3 3 4中16MnR和15MnNbR鋼號(hào)在GB713 2008中應(yīng)為Q345R和Q370R 13MnNiMoNbR應(yīng)為13MnNiMoR 3 3 3國(guó)產(chǎn)低合金結(jié)構(gòu)鋼板材特性簡(jiǎn)介 1 16MnR GB713 2008改為Q345R 2 15MnVR GB150中已取消此鋼號(hào) 3 15MnVNR GB150中已取消此鋼號(hào) 4 18MnMoNbR GB713 2008同 5 13MnNiMoNbR GB713改為13MnNiMoR 6 07MnCrMoVR GB19189 2003 3 3 4壓力容器用低合金耐熱鋼 表3 3 5中后四個(gè)鋼號(hào)見(jiàn)GB713 2008中相應(yīng)鋼號(hào) 3 3 5壓力容器低溫用鋼 表3 3 6見(jiàn)附表 GB3531 2008 3 3 6壓力容器用不銹耐酸鋼 GB24511 2009承壓設(shè)備用不銹鋼板和鋼帶 1 奧氏體不銹鋼 2 鐵素體不銹鋼3 馬氏體鋼 4 雙相鋼 GB T4237 2007 3 3 7國(guó)外壓力容器用鋼簡(jiǎn)介 表3 3 11名稱(chēng)應(yīng)為相近鋼號(hào)對(duì)照表 3 4低合金高強(qiáng)度鋼的進(jìn)一步知識(shí) 3 4 1低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展概述 相應(yīng)的鋼管及鍛件標(biāo)準(zhǔn) NB T47008 10 2010 承壓設(shè)備用鋼鍛件 3 4 2合金元素對(duì)鋼的性能的影響 Si Mn Cr Ni Mo V Nb 3 4 3熱處理狀態(tài)對(duì)鋼的性能的影響 熱軋 控軋 正火 調(diào)質(zhì) 1 熱軋及正火鋼 熱軋 正火 2 低碳調(diào)質(zhì)鋼 淬火 高溫回火 淬火 回火 調(diào)質(zhì)的作用 3 4 4低合金高強(qiáng)鋼壓力容器設(shè)計(jì)選材的注意事項(xiàng) A 供設(shè)計(jì)評(píng)審 產(chǎn)品監(jiān)檢和在用檢驗(yàn)時(shí)判斷 B 介紹液氨的應(yīng)力腐蝕 GB536 液體無(wú)水氨等 3 4 5低合金耐熱鋼選材和Nelson曲線 圖3 4 1 15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R和12Cr1MoVR 3 5壓力容器用有色金屬 復(fù)合材料與非金屬材料 3 5 1壓力容器用有色金屬材料1 鋁及鋁合金JB T4734 2002標(biāo)準(zhǔn)2 鈦及鈦合金JB T4745 2002標(biāo)準(zhǔn)3 銅及銅合金JB T4755 2006標(biāo)準(zhǔn)4 鎳及鎳合金JB T4756 2006標(biāo)準(zhǔn)3 5 2壓力容器用復(fù)合材料NB T47002 1 47002 4 2009 壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板 標(biāo)準(zhǔn)3 5 3壓力容器用非金屬材料 3 6壓力容器材料脆化 3 6 1鋼的冷脆性和低溫沖擊韌性 韌度 1 冷脆性的機(jī)理2 低溫沖擊試驗(yàn) GB T229 AKV T A T Le T GB T6803NDT 3 影響低溫韌性的因素 晶體結(jié)構(gòu) 化學(xué)成份 晶粒度 夾雜物 熱處理與顯微組織 加工硬化 應(yīng)力狀態(tài) 4 低溫用鋼的沖擊韌度5 焊接接頭的低溫沖擊值6 焊接接頭的低溫沖擊值離散問(wèn)題 圖3 5 11 3 6 2壓力容器材料的其它脆化型式 1 熱脆性2 回火脆性 第一類(lèi)回火脆性 第二類(lèi)回火脆性