金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬材料基礎(chǔ)知識從五個方面闡述：金屬材料的性能：化學元素對于鋼材的影響及相互關(guān)系典型金屬材料介紹壓力管道材料簡介失效簡介Chapter1金屬材料的性能

1.1物理性能

1.2工藝性能

1.3力學性能

1.4高溫性能

1.5疲勞性能

1.6腐蝕性能

1.1金屬材料的物理性能：

密度density、熔點、彈性模量、切變模量、泊松比、熱導率、膨脹系數(shù)、磁導率、電阻率（R=ρl/S）、電導率（互為倒數(shù)）、振動率衰減系數(shù)、塑性應(yīng)變比、應(yīng)變、硬化指數(shù)等。熔點（meltingpoint）：由固態(tài)開始轉(zhuǎn)變成液態(tài)的溶化溫度,對焊接、熱加工來說，熔點是制定熱加工工藝的依據(jù)之一；（鐵、鋼、銅、鋁的熔點？）熱導率：若物體中兩點有溫差，則熱能從一點向另一點傳遞的能力；膨脹系數(shù)（coefficientofexpension）：金屬材料受到熱脹或冷縮，長度或體積都發(fā)生變化。材料在溫度每升高1K所增加的長度與原來長度的比值，在不同溫區(qū)，線膨脹率是不一樣的。Αl表示，單位：K-1。1.2金屬材料的工藝性能

（問題：鋼和鐵的區(qū)別是什么？）純鐵：C＜0.02%,顯微組織為α固溶體晶粒,工業(yè)上很少應(yīng)用。鋼：C0.02—2.0%，其特點是高溫組織為奧氏體。分為：共析鋼（C=0.8%）；亞共析鋼（C＜0.8%；過共析鋼（C＞0.8%）。白口鑄鐵：C2.0—6.67%，因其特點是在液態(tài)時都發(fā)生共晶反應(yīng),分：亞共晶生鐵、過共晶生鐵（C以C=4.3%為界）。1.2.1組織狀態(tài)奧氏體（AAustenite）：碳在γ-Fe中的固溶體。在合金鋼中是碳和合金元素在γ-Fe中的固溶體，如奧氏體不銹鋼、高錳鋼等。鐵素體（FFerrite）：碳在α-Fe中的固溶體。鐵素體（F）的性質(zhì)接近于純鐵，有很高的塑性、韌性，但強度很低，如一般碳素鋼、鐵素體不銹鋼0Cr13Al。滲碳體（Fe3C）：C和Fe的化合物。幾乎沒有塑性，硬且脆。合金元素的滲碳體稱合金滲碳體。珠光體（PPearlite）：滲碳體和鐵素體相間排列的片狀組織，按片間距大小分別稱珠光體、索氏體S(鐵素體+極細滲碳體，主要是各種彈簧，中溫回火即正火）、屈氏體T(鐵素體+較細滲碳體，高溫回火即調(diào)質(zhì)處理）。馬氏體（MMartensite）：α-Fe中的過飽和固溶體，是鋼通過淬火使奧氏體過冷到Ms點以下轉(zhuǎn)變而成的，脆而硬。如1Cr5Mo、Cr9Mo、0Cr13等。貝氏體（BBainite）：奧氏體過冷到中溫區(qū)間轉(zhuǎn)變成的產(chǎn)物，和珠光體相反，轉(zhuǎn)變時候先析出碳過飽和鐵素體，再在鐵素體中析出細的滲碳體，組織是過飽和滲碳體和鐵素體的混合物。按形成溫度的高低分上下貝氏體，下貝氏體有較好的綜合機械性能，如14Cr1MoR。1.2.2臨界點（criticaltemperature）

指鋼加熱或冷卻時發(fā)生相變的溫度A1：表示鋼加熱或冷卻時P向A開始轉(zhuǎn)變或A向P開始轉(zhuǎn)變的溫度。A3：鋼加熱或冷卻時鐵素體與奧氏體間終了或開始的轉(zhuǎn)變溫度。Acm:共析鋼加熱時，先共析F與A的轉(zhuǎn)變溫度。AC1:與平衡條件下的臨界點相區(qū)別，加熱時實際的A1溫度稱AC1。如20#、Q345的AC1為726℃；P91（T91）的AC1為835℃。AC3:與平衡條件下的臨界點相區(qū)別，加熱時實際的A3溫度稱AC3。如20#的AC3為854℃；P91（T91）的AC3為900℃。Ar1與平衡條件下的臨界點相區(qū)別，冷卻時實際的A1溫度稱Ar1。Ar3:與平衡條件下的臨界點相區(qū)別，冷卻時實際的A3溫度稱Ar3。大小比較：AC3＞Ar3＞AC1

＞Ar11.2.3等溫相變曲線（C）曲線：

為過冷奧氏體（臨界溫度A1以下處于不穩(wěn)定的奧氏體）等溫轉(zhuǎn)變曲線的綜合動力曲線。反映了轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了時間、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型以及轉(zhuǎn)變量與時間和溫度之間的關(guān)系。實際生產(chǎn)中有2種，一是等溫冷卻，一是連續(xù)冷卻。

附圖：1.2.4連續(xù)冷卻曲線（CCT曲線）：

我們使用的是亞共析鋼，出現(xiàn)了先共析鐵素體析出區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。當冷卻速度小于下臨界速度時，奧氏體中只析出鐵素體和發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，不發(fā)生貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變。當冷卻速度大于上臨界速度時，奧氏體只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。當冷卻速度處于上、下臨界速度之間時，最后得到鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的混合組織。附圖見下頁

當加入合金元素或合金元素量發(fā)生變化時，曲線的形狀和位置發(fā)生顯著變化。

根據(jù)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變所得到的組織產(chǎn)物大致為3個區(qū)域：

高溫轉(zhuǎn)變—珠光體型相變；中溫轉(zhuǎn)變—貝氏體型相變；低溫轉(zhuǎn)變—馬氏體型相變。

附圖：亞共析鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線1.2.5熱處理性能（heattreatmentperformance）

熱處理：是利用在固態(tài)范圍內(nèi)加熱和冷卻的辦法，改變合金的內(nèi)部組織，而得到所要求的性能的一種操作。一般有：退火、淬火、正火、回火、調(diào)質(zhì)、過溶處理、穩(wěn)定化處理及表面熱處理。1.2.5.1退火（annealing）將鋼加熱至超過相變溫度或再結(jié)晶溫度以上，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，使組織達到接近平衡的熱處理工藝。完全退火，即重結(jié)晶退火：，加熱到AC3以上30-50℃緩慢冷卻。一般用于亞共析碳鋼、合金鋼鑄件和鍛件，目的是細化晶粒、降低硬度。消應(yīng)力退火（低溫退火或高溫回火）：一般加熱到600℃左右（線以下），一般用于鑄件、鍛件、焊接件、冷加工件等的消除應(yīng)力，目的是消除應(yīng)力、降低硬度、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等。

不銹鋼消除應(yīng)力退火:將鋼加熱到300℃～350℃消除冷加工應(yīng)力；加熱到850℃以上，消除焊接殘余應(yīng)力。1.2.5.2正火（normalizing）

將部件加熱到AC3以上30-50℃（全部加熱到奧氏體）快速（一般為空冷或風冷）冷卻。與退火的明顯區(qū)別是冷卻速度要快點，轉(zhuǎn)變溫度要低些，形成的組織要細些。正火后的組織為索氏體，目的是為了細化晶粒、使組織正?；蕴岣邫C械性能。

一般地，Cr-Mo鋼、低溫鋼材料的受壓件要在正火狀態(tài)下使用，以及冷加工后都要經(jīng)過正火處理(如封頭）。

1.2.5.3淬火（quenching）

將部件加熱到AC3以上（亞共析鋼）或Ar1以上（過共析鋼）30--50度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻（一般為水冷或油冷，對于復雜零件或C含量較高時采用雙液，即在水中冷卻到Ms點，再在油中冷卻），以獲得馬氏體組織，使鋼得到強化。1.5.3回火tempering

將工件加熱到AC1以下一溫度，保溫后冷卻，以消除正火時留下的應(yīng)力，細化晶粒，改善組織（消除魏氏體組織、大塊鐵素體等），是淬火后的必須工序，單純的淬火和回火都沒什么意義。一般分：低溫回火：（＜250℃），用于各種工具等，以降低鋼的殘余應(yīng)力和脆性，其組織為回火馬氏體+殘余奧氏體；中溫回火：（350-500℃），組織為F+極細FeC3（顆粒）（回火屈氏體），使材料在一定韌性下有高的彈性和屈服強度，一般用于彈簧等；高溫回火：（500-650℃）溫度升高，F(xiàn)eC3長大，組織為F+較細FeC3（片狀），為回火索氏體。這種回火后有適當?shù)膹姸群妥銐虻乃苄院晚g性，為調(diào)質(zhì)處理（modifiedtreament），如高強度鋼等。回火脆性：淬火鋼，特別是不含Mo的合金鋼，在某些溫度區(qū)回火緩慢冷卻后，出現(xiàn)沖擊韌性降低的現(xiàn)象。第一回火脆性發(fā)生在250-400℃溫度間，是不可逆的；第二回火脆性（高溫回脆）發(fā)生在550-600℃溫度間，是可逆的，一般用高溫回火可進行消除。1.2.5.5固溶處理（solutiontreament）

將合金材料加熱到高溫單相區(qū)（如A）使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，得到過飽和固熔體，使合金材料的塑性和韌性得到改善，為進一步沉淀硬化準備條件。與淬火不同的是：淬火是硬化（M），前者是軟化處理。

1.2.5.6穩(wěn)定化處理

主要用于含鈦或鈮的鋼，一般是在固溶處理后進行。將鋼加熱到850℃～930℃，使鋼中鉻的碳化物完全溶解，而鈦等的碳化物不完全溶解。然后緩慢冷卻，讓溶于奧氏體的碳化鈦充分析出。這樣，碳將不再同鉻形成碳化物，而形成穩(wěn)定的TiC、NbC碳化物，達到犧牲Ti、Nb保護Cr的目的，因而有效地消除了晶界貧鉻的可能，避免了晶間腐蝕的產(chǎn)生。1.2.6硬度（hardness）材料對一更硬物體壓入其內(nèi)時所表現(xiàn)的抵抗力。它不是一個單純的物理量，而是反應(yīng)材料的彈性、塑性、變形強化、強度和韌性的綜合性能指標，對于脆性大的材料只能通過硬度來檢測，對于大多塑性材料，硬度和抗拉強度、屈服強度有一定的內(nèi)在相應(yīng)關(guān)系。常見：洛氏HRA、HRB、HRC（圓錐頂角120度，范圍HRC=20~67）、布氏HB（鋼球直徑為10、5、2.5三種mm,鋼鐵一般是P/D2=30）、維氏HV（正方形頂角136度，載荷為5、10、20、30、50、100等6個等級，一般測值為8~1000）。金屬材料的硬度和強度之間有一定的關(guān)系，對于無加工硬化的材料有：HV=2.9σs；0.346HV=σb（公斤/毫米2）。1.2.7可焊性（Weldability）是焊接時獲得優(yōu)良焊接接頭的可能性，衡量可焊性的脆硬傾向程度，并用碳當量Ceq（0.4%、0.4-0.6%)、焊接冷裂紋敏感性系數(shù)Pcm(?)表示。1.2.8可鍛性：(Forgeability)指鍛造過程中承受塑性變形的能力。用鍛造比表示（Y），鍛造比：y=Fo/F。Fo、F分別表示鍛件延伸前后的截面積，一般有橫向和縱向。1.2.9切削性：(Cutablility)金屬在切削加工時的難易程度。HB170~230之間切削較好，特別在HB180~200時有較好的切削性。硬度過大過小或韌性過大對切削性能都不好。1.3金屬材料的力學性能

1.3.1強度（strength）1.3.1.1屈服強度（yieldstrngth）材料開始屈服時所對應(yīng)的應(yīng)力бs表示。多數(shù)材料的屈服點不明顯或沒有屈服點，此時用0.2%殘余伸長的應(yīng)力作為屈服強度，用б0.2表示。1.3.1.2抗拉強度（tensilestrength）在金屬試樣拉伸時，拉斷前所承受的最大負荷與試樣的原截面積之比，稱為強度極限或抗拉強度，其測得數(shù)據(jù)比屈服值更精確。部件設(shè)計選材時，一般用бs、б0.2，由于脆性材料無屈服現(xiàn)象，則必須以бb為依據(jù)。1.3.1.3疲勞極限（σ-1）（fatiguelimit）材料在重復或交變應(yīng)力的作用下，可以經(jīng)過無數(shù)周次的應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力，循環(huán)基數(shù)一般取以107或更高些。1.3.2塑性（plasticity）

1.3.2.1延伸率(δ5)（elongationafterfracture）δ=（L1-L0）/L0×100%。L0為原標注長度，當L0=5d0時，用δ5表示，同一材料的δ5和δ10不同的，一般δ5=（1.2-1.5）δ10。1.3.2.2端面收縮率（reductionofareaafterfracture）試樣拉斷后，其縮頸處橫截面的最大收縮量與原截面面積的百分比值，ψ=△A/A×100%。塑性越好，其值越大。1.3.2.3冷彎性能（bent

test）在常溫下承受彎曲而不破壞的能力（在10倍放大鏡下觀察），是考核材料彎曲變形的能力。一般地，如試件厚度是a，焊接接頭的彎曲直徑是d=4a，母材一般為d=4a，彎曲角度為1800。1.3.2.4壓扁試驗（flatteningtest）壓扁試驗是鋼管的主要工藝試驗，按照GB/T246《金屬管壓扁試驗方法》執(zhí)行，將一段40到100㎜的管環(huán)（壓扁試樣）置于兩個平板之間，施加壓力使試樣壓扁變形，直至達到產(chǎn)品標準規(guī)定的壓扁距，按照相關(guān)產(chǎn)品標準的要求評定壓扁試驗結(jié)果，如沒有規(guī)定具體要求，試驗后試樣彎曲處無肉眼可見裂紋評定為合格。1.3.3韌性（toughness）1.3.3.1沖擊韌性（impacttoughness）標準試樣尺寸為10×10×55㎜（有公差要求），試樣上開2㎜深45°的夏比V型缺口（目前使用最多），如尺寸不足，也可制備5×10㎜、7.5×10㎜等小尺寸試樣。一般分：常溫、低溫2種沖擊試驗。沖擊功≥27J的來歷！！目前一般都提到31J、34J側(cè)向膨脹量：沖擊功是消耗試樣彈性變形的彈性功、產(chǎn)生裂紋前的塑性變形產(chǎn)生的塑性功及裂紋產(chǎn)生到擴展斷裂的斷裂功3部分組成，不銹鋼彈性功比例較小，沖擊能量主要消耗在塑性變形、裂紋擴展及斷裂上，因此單純用沖擊功來衡量沖擊韌性不合適。側(cè)向膨脹量是沖擊試驗時，式樣缺口對面的兩側(cè)由于沖擊試驗時所受的錘擊，而產(chǎn)生的側(cè)向增量，也是表達材料韌性的，側(cè)向增量越大說明韌性越好，一般合格指標是0.381mm。1.3.4脆性(brittleness)

反映指標：延伸率(δ5)、端面收縮率、沖擊韌性

1.3.4.1低溫冷脆（coldbrittleness）：以鐵素體-珠光體為基體的體心立方材料（如α-Fe）有冷脆現(xiàn)象，而面心立方材料（γ-Fe，Al、Cu、Ni、18-8奧氏體材料）都無此現(xiàn)象。合金元素是影響鐵素體-珠光體鋼轉(zhuǎn)變溫度的主要因素，如Ni、Mn可擴大奧氏體相區(qū)，若Ni含量達到一定量時，A相區(qū)就擴大到常溫。另外，晶粒度也是影響因素，Mn會使之增大，可增加V、Nb等合金元素使晶粒細化，改善低溫韌性。因此，正火和調(diào)質(zhì)可使脆性轉(zhuǎn)變溫度下降。1.3.4.2時效脆性（strainageingbrittlement）：材料經(jīng)過沖壓等變形冷加工后在室溫下長時間保存，或經(jīng)過100-300℃的加溫，強度和硬度升高而塑性和韌性下降的現(xiàn)象。1.3.4.3回火脆性（temperbrittleness）一般分二類：第一回火脆性合金結(jié)構(gòu)鋼在250-400℃溫度間由于回火不當發(fā)生，是不可逆的；第二回火脆性（高溫回脆）發(fā)生在550-600℃溫度間，是可逆的，一般用高溫回火可進行消除。壓力容器材料用鋼一般是第二類回脆問題，碳鋼和低合金鋼即使是調(diào)質(zhì)高強鋼回脆不明顯，主要是Cr含量在1.5—3.0%間較突出。主要是在制造過程中回火處理或熱處理保溫冷卻時以及在此溫度區(qū)間長時間操作而發(fā)生，如Ni-Cr加氫設(shè)備和管道?；卮嘀饕cP、Sn、As、Pb有關(guān)（問題：S元素呢？）1.3.5剛度（stiffness）：剛度是材料和結(jié)構(gòu)彈性變形的抗力。剛度的大小在彈性范圍內(nèi)，可由彈性模量E表征，E愈大剛度就愈大，變形就小，溫度升高E減小，剛度降低。壓力容器在穩(wěn)定性設(shè)計時，剛度是設(shè)計的主要依據(jù)，即設(shè)備的設(shè)計強度主要取決于剛度而不是強度。1.4高溫性能

1.4.1高溫拉伸試驗是測定材料在100-1100℃溫度范圍內(nèi)的規(guī)定非比例伸長應(yīng)力、規(guī)定殘余應(yīng)力、屈服點、抗拉強度、伸長率和端面收縮率等性能指標，試樣原始標距L0=5d0。1.4.2高溫蠕變性能材料在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，分不穩(wěn)定階段、穩(wěn)定階段、加速階段三個階段。鉛、錫在常溫下也有此現(xiàn)象，碳鋼在300-350℃時、合金鋼在超過35-400℃時產(chǎn)生蠕變(熱緊）。1.4.3高溫持久極限在恒定溫度下，達到規(guī)定的持續(xù)時間而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。1.5腐蝕性能

腐蝕的種類很多，主要有：晶間腐蝕（intergranularcorrosion）、均勻腐蝕（uniformcorrosion）、點蝕（pittingcorrosion）、局部腐蝕（localizedcorrosion）、應(yīng)力腐蝕（stresscoeeosion）、氫脆（hydrogonembrittement）等。

Cl離子腐蝕屬于什么腐蝕？

1.5.1應(yīng)力腐蝕（破裂）（SCC）三個條件？應(yīng)力腐蝕破壞是災難性的，材料在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下出現(xiàn)的脆性開裂現(xiàn)象。一般材料的強度越大，其開裂的敏感性越高，因此應(yīng)盡量減少應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合作用造成的金屬破壞。在固定(靜止)應(yīng)力情況，稱為應(yīng)力腐蝕破裂(或應(yīng)力腐蝕開裂)，記為SCC；在循環(huán)應(yīng)力情況，稱為腐蝕疲勞，記為CF。其特征為：主要是合金發(fā)生SCC，純金屬極少發(fā)生；對環(huán)境的選擇性形成了所謂“SCC的材料―環(huán)境組合”，一般只有拉應(yīng)力才引起SCC，壓應(yīng)力反而會阻止或延緩SCC的發(fā)生；SCC有孕育期，因此SCC的破斷時間tf可分為孕育期，發(fā)展期和快斷期三部分；發(fā)生SCC的合金表面往往存在鈍化膜或其他保護膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生SCC時均勻腐蝕速度很小，因此金屬失重甚微。

403020

101351030501003005001000外應(yīng)加力（2米毫/斤公）破裂時間（小時）各種Cr-Ni奧氏體不銹鋼在沸騰的45%Mgcl2溶液中的應(yīng)力-斷裂時間曲線（根據(jù)森田）OOOO18-831616Cr/12Ni

310Mo18Cr/20Ni/Mo/Cu31020Cr/30Ni/Mo/Cu31420Cr/34NiOO18-12-2Cu-3Si低于某個臨界值th時，材料不發(fā)生破裂，th稱為SCC臨界應(yīng)力。th愈大，材料耐SCC性能愈好。；CI-濃度越高

，SCC幾率增大，時間縮短?！窀g因素（1）SCC對環(huán)境有選擇性（2）氧化劑的存在有決定性作用（3）溫度有著重要的影響。一般來說，溫度升高，材料發(fā)生SCC的傾向增大。（4）干濕交替環(huán)境使有害離子濃縮，SCC更容易發(fā)生?！駳浯嗍橇硪环NSCC機理，H與鋼中的C結(jié)合，使鋼脫C或使硫化物和氧化物還原，引起的材料塑性下降開裂或延遲破壞。氫脆可防不可治，一旦產(chǎn)生無法消除。不銹鋼的氯化物、堿、硫化物，碳鋼合金鋼的H2S、堿、CO-CO2等均易產(chǎn)生腐蝕。1.5.2晶間腐蝕

晶間腐蝕：沿金屬粒邊界在特定的腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕，特點是外觀不發(fā)生任何變化，但晶粒之間的結(jié)合力喪失，強度和沿展性下降，冷彎后出現(xiàn)裂紋。晶間腐蝕指腐蝕主要發(fā)生在金屬材料的晶粒間界區(qū)，沿著晶界發(fā)展，即晶界區(qū)溶解速度遠大于晶粒溶解速度。發(fā)生晶間腐蝕的電化學條件:（1）晶粒和晶界區(qū)的組織不同，因而電化學性質(zhì)存在顯著差異。—內(nèi)因（2）晶粒和晶界的差異要在適當?shù)沫h(huán)境下才能顯露出來?！庖虿讳P鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的受熱及熱處理以后發(fā)生的，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理叫做敏化熱處理。奧氏體不銹鋼的敏化熱處理范圍為450C—850C。當奧氏體不銹鋼在這個溫度范圍較時間加熱(如焊接)或緩慢冷卻，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。鐵素體不銹鋼的敏化溫度在900C以上，而在700-800C退火可以消除晶間腐蝕傾向。因為長期在450-850℃

敏化溫度區(qū)內(nèi)加熱，鉻碳化物的形成過程，過飽和固溶的C原子逐步向晶粒邊緣擴散，與晶粒邊緣的鉻原子結(jié)合成為碳化物（Cr。Te）23C6，并沿晶界沉淀析出，由于Cr原子的擴散速度比C的擴散慢得多，來不及補充形成碳化物所消耗的鉻，于是晶粒邊緣層的鉻含量低于耐腐蝕所需要的鉻（Wcr＜12%），導致晶粒邊緣貧鉻而喪失耐腐蝕性能，在介質(zhì)中工作一段時間后產(chǎn)生晶間腐蝕。焊縫的晶間腐蝕在多層焊里出現(xiàn)，前一道對后一道有敏化作用。超低碳不銹鋼，少形成鉻碳化物，可以避免晶間腐蝕的產(chǎn)生。有些含Mo的奧氏體不銹鋼如316L，在敏化區(qū)間內(nèi)會產(chǎn)生σ相，在σ相處產(chǎn)生晶間腐蝕。加熱到1100℃左右的均一的奧氏體高溫穩(wěn)定區(qū)，碳化物分解，絕大部分碳溶解于晶粒中，然后急冷下來，大大減輕富碳現(xiàn)象，就不形成碳化鉻，這種處理叫固溶處理。將含Ti或Nb的奧氏體不銹鋼加熱到850-930℃保問一段時間，把Cr從鉻碳化物中釋放出來，用Ti或Nb和C固定結(jié)合；同時使Cr在此溫度下有足夠的時間進行擴散，這種處理叫穩(wěn)定化處理。問題：應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕有何不同？1.SCC為穿晶、沿晶和混合腐蝕，裂紋尖端應(yīng)力很高，裂紋在腐蝕點或小孔的前端，散發(fā)且尖銳，產(chǎn)生三要素：拉應(yīng)力、材料和環(huán)境；2.晶間腐蝕由敏化產(chǎn)生貧鉻，外表霧明顯跡象，彎曲時才有裂紋現(xiàn)象，但晶間結(jié)合力下降，基礎(chǔ)元素鉻減少，造成局部破壞。只要介質(zhì)和材料匹配可避免；3.試驗方法不同：晶間腐蝕試驗采用硫酸和硫酸銅，加熱溫度650℃左右；應(yīng)力腐蝕試驗采用沸騰氯化鎂，加熱到1025℃。4.試驗目的不同：晶間腐蝕試驗是考核沿晶界的局部腐蝕情況；應(yīng)力腐蝕試驗是考核表面裂紋所顯示的應(yīng)力承受水平。

5.相同之處：都是針對不銹鋼的檢驗，都是當對檢驗結(jié)構(gòu)有疑問時，采用金相檢驗予以確認。問題：酸洗鈍化的目的是什么？1.5.3金屬材料耐腐蝕的選材順序1.5.3.1不銹鋼材料耐點腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力的順序1.奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9Ti→0Cr18Ni9（304）→0Cr18Ni11Ti（321）→00Cr19Ni10（304L）0Cr17Ni12Mo2Ti（316）→00Cr17Ni14Mo2（316L）→00Cr19Ni13Mo3（317L）→00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）→00Cr27Ni31Mo4Cu2.鐵素體不銹鋼：0Cr13（410S）→0Cr13Al（405）→00Cr12Ti（409L）→00Cr17（430LX）→00Cr18Mo2→00Cr26Mo1→00Cr30Mo23.雙相不銹鋼：00Cr18Ni5Mo3Si2（3RE60）→00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）→00Cr25Ni7Mo4N（SAF2507）1.5.3.2耐高溫腐蝕用材的順序20＃→12Cr1MoV→12Cr2Mo1（2Cr-1Mo）→1Cr5Mo→1Cr9Mo→P91→0Cr25Ni201.5.3.3耐應(yīng)力腐蝕用材6MnR→20R→07/09Cr2AlMoRE（經(jīng)濟性新鋼種）,00Cr17Ni14Mo2(316L）→00Cr19Ni13Mo3（317L）→00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）00Cr18Ni5Mo3Si2（3RE60）→00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）→00Cr25Ni7Mo4N（SAF2507）0Cr13（410S）→00Cr12Ti（409L）→00Cr17（430LX）→00Cr18Mo2→00Cr26Mo1注：鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼不得在大于350℃的環(huán)境中使用Chapter2化學元素對鋼材性能的影響及相互關(guān)系

2.1化學元素對鋼材性能的影響2.2合金元素鐵、碳的相互作用2.1化學元素對鋼材性能的影響

元素介紹C：為煉鋼時從焦炭中進入，主要是增加鋼的強度，同時也增加了鋼的脆性。Mn、Si：為脫氧元素，煉鋼時加入，增加強度，但降低沖擊忍性，Si比Mn更能降低。Mn、Si的總含量對Cr-Mo鋼的回火脆性有較大影響（一般小于1.2%）。Si與氧化物形成硅酸鹽，使鋼材致密，但含量不能超過0.4%；Mn與氧生成氧化錳，降低鋼材的致密度；也溶解于鐵素體中，提高鋼的強度與硬度；與S生成MnS，以消除S的有害影響，同時還能促進奧氏體的生成。所以：1、在低含量范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性

2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性

3、稍稍改善鋼的低溫韌性

4、在高含量范圍內(nèi)，作為主要的奧氏體化元素（如高錳鋼）。Cr：為形成F縮小A元素，并抗氧化性、抗熱強度元素，但易產(chǎn)生回火脆性（σ相）。鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。所以：1、在低合金范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性

2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性

3、提高鋼的耐熱性

4、在高合金范圍內(nèi)，使鋼具有對強氧化性酸類等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕能力Mo：為形成F并遏制回火脆性元素，提高鋼的熱強度，使其有良好的高溫性能。鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變)。所以：1、強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性

3、提高鋼的耐熱性和高溫強度

Ni：為形成奧氏體元素，但與Cr生成亞穩(wěn)相，而易產(chǎn)生冷作硬化,并產(chǎn)生部分馬氏體組織。1、提高鋼的強度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性

2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性

3、擴大奧氏體區(qū)，是奧氏體化的有效元素

4、本身具有一定耐蝕性，對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力Ti：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加入適當?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。Nb：鈮起穩(wěn)定強化作用，能降低碳當量，能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。Cu：其熔點較低（1080℃），分布在晶界節(jié)點上，降低鋼的高溫性能。在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆（熔點較低），銅含量超過0.5%塑性顯著降低（為什么？），當銅含量小于0.50%對焊接性無影響。Al：為形成F元素。1、鋁是鋼中常用的脫氧劑。2、鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性。3、鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。缺點是影響鋼的熱加工性能（熔點較低）、焊接性能和切削加工性能S:

硫在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界，其熔點只有985℃，降低鋼的力學性能，優(yōu)制鋼含硫量一般應(yīng)限制在0.04%以下，導致熱軋、熱鍛過程中的“熱脆”，加入Mn與S生成MnS，MnS熔點為1620℃，從而消除熱脆現(xiàn)象。P:在低溫狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯的脆性，即冷脆V：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力，但降低了高溫抗氧化能力。N：氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。能扼制Cr23C6的成核與長大，含N的不銹鋼即使含C量較高，其耐晶間腐蝕的能力和超低碳不銹鋼相當。稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。2.2合金元素鐵、碳的相互作

用合金元素加入鋼中后，主要以三種形式存在鋼中。即：與鐵形成固溶體；與碳形成碳化物；在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物2.2.1幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中,形成合金鐵素體或合金奧氏體,按其對α-Fe或γ-Fe的作用,可將合金元素分為擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)兩大類；合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小,可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。2.2.2控制低碳鋼的化學成分，主要是控制碳、硅、錳、硫、磷的含量，同時，C與Cr在不同溫度段生成多種化合物，產(chǎn)生不同的影響，如晶間腐蝕的產(chǎn)生等。2.2.3C、Si、Mo、Ni等對奧氏體的晶間腐蝕有害，以C的作用最為明顯，主要是形成Cr23C6的富Cr化合物，因此C是晶間腐蝕的根源，為防止晶間腐蝕的發(fā)生，奧氏體不銹鋼中應(yīng)將C含量控制在0.03%以內(nèi)，以避免有害碳化物從晶間析出，這是解決晶間腐蝕的根本措施。（附圖）2.2.4Nb和Ti能優(yōu)先于Cr與C形成化合物，能固定一部分C，因此對防止晶間腐蝕有益。2.2.5材料在400℃-500℃溫度下長期使用，P、As、Sb、Sn等微量元素擴散沿晶界偏析，對母材和焊接接頭逐漸變脆，產(chǎn)生回火脆性，這在X系數(shù)和J系數(shù)上得到明顯體現(xiàn)。Chapter3典型金屬材料介紹

3.1不銹鋼

3.2Cr-Mo耐熱鋼3.3低溫鋼

3.4低合金高強度正火或調(diào)制剛

3.5鑄鐵和鑄鋼

3.6鍛件3.1不銹鋼

幾個概念說明

問題：不銹鋼的基礎(chǔ)元素是什么？1.σ相脆性

σ相脆性主要產(chǎn)生在Cr質(zhì)量分數(shù)大于15%的高Cr鐵素體不銹鋼及其焊縫，或奧氏體不銹鋼及其焊縫。指上述不銹鋼及其焊縫在550-900℃長時間加熱，由于析出σ相而使金屬變脆的現(xiàn)象。

σ相是一種具有復雜六方點陣的金屬間化合物FeCr，硬度高達HRC68以上，且σ相析出時伴隨著很大的體積變化、σ相又常常沿晶界分布，因而造成很大的脆性，也會增大金屬晶間腐蝕傾向，降低抗氧化性。因為鐵素體相富Cr，且有利于Cr擴散，因此鐵素體不銹鋼問題最突出，當奧氏體不銹鋼中鐵素體含量較多時也容易產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^重新加熱至一定溫度，使σ相溶解，隨后快速冷卻來消除σ相脆性。2、475℃脆性指Cr質(zhì)量分數(shù)大于15%并含有較多鐵素體的鋼在350-550℃范圍內(nèi)長時間停留或在此范圍內(nèi)緩慢冷卻時出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。主要發(fā)生在含有較多高Cr鐵素體不銹鋼及其焊縫中，在含有較多鐵素體的奧氏體不銹鋼及其焊縫中也會出現(xiàn)，且鐵素體相越多，催化越嚴重?？赏ㄟ^重新加熱到550-650℃保溫1-5小時并快速冷卻來消除475℃脆性。3、敏化處理對于奧氏體不銹鋼，在450-850℃間短時加熱即易促使產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，稱這種熱處理為敏化處理。4、穩(wěn)定化處理對于奧氏體不銹鋼，在850-930℃短時加熱后（一般保溫2小時）空冷，可消除晶間腐蝕傾向，稱這種熱處理為穩(wěn)定化處理。5、固溶處理用于對耐腐蝕性要求很高，且焊接時析出了碳化物和脆性相（如σ相）的焊件。其方法是將焊件均勻幾熱到1050-1150℃，保溫1小時，使析出相重新溶入奧氏體，然后快速冷卻。一般只能整體加熱，不能局部加熱。6、晶間腐蝕現(xiàn)象解釋—貧Cr理論經(jīng)過固溶處理的奧氏體不銹中，碳以過飽和狀態(tài)溶解于奧氏體中，但不是一種穩(wěn)定的狀態(tài)，當金屬受到敏化溫度的熱作用時，過飽和的碳就向晶界擴散，與Cr形成Cr23C6或（Cr-Fe）23C6沉淀于晶界。碳是間隙原子，擴散速度快，可以不斷地由晶內(nèi)向晶界補充。而晶內(nèi)的Cr擴散速度比較慢，來不及向晶界補充，因而在晶界能形成一個薄的貧Cr層，使之喪失耐腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)作用下貧Cr區(qū)域?qū)a(chǎn)生明顯腐蝕，即晶間腐蝕。問題：鐵素體不銹鋼為什么不做晶間腐蝕，有晶間腐蝕嗎？產(chǎn)生貧Cr現(xiàn)象嗎？與奧氏體不銹鋼晶間腐蝕有何不同？鎳基合金是否有晶間腐蝕？1.F不銹鋼一般不做晶間腐蝕，與A不銹鋼不同，在加熱(如焊接）900-950℃產(chǎn)生晶間腐蝕，即使是急冷也無法避免，在750-850℃退火可消除。2.F不銹鋼一般不會出現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象，但有晶間腐蝕。3.F不銹鋼的晶間腐蝕在焊縫和熔合線附近產(chǎn)生，A不銹鋼晶間腐蝕在熱影響區(qū)產(chǎn)生。4.A不銹鋼有5-12%的F組織，可避免晶間腐蝕的發(fā)生，5.一般不銹鋼焊接接頭很難通過晶間腐蝕，但雙相不銹鋼焊接接頭一般可避免晶間腐蝕的發(fā)生。6.鎳基合金有晶間腐蝕，但Ni含量大于30%基本可以避免。3.1.1奧氏體不銹鋼

在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18%、Ni8%~10%（問題：不足此量有什么影響？）、C約0.1%時，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發(fā)展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。奧氏體在加熱時無相變（為什么？）,因此不能通過熱處理強化。只能以提高鋼的耐腐蝕性能進行熱處理：在1050-1100℃之間的固溶處理；加熱到850-930℃，保溫2-6h，隨后進行空冷或爐冷的穩(wěn)定化處理；消應(yīng)力退火；為了消除冷加工后的殘余應(yīng)力，處理在較低的溫度下進行。一般加熱至250-425℃，經(jīng)常采用的是300-350℃。對于不含鈦或鈮的鋼不應(yīng)超過450℃，以免析出碳化鉻而引起晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼鍛造溫度范圍很窄，因為在較低溫度下鍛，變形抗力很大，容易開裂；如果在高溫鍛，晶粒容易長大，晶粒粗大，而且在更高溫度下，高溫鐵素體的產(chǎn)生使材料的塑性變得很差，一般來說900～1160℃℃度范圍內(nèi)，終鍛溫度為850-925℃。奧氏體不銹鋼在815～480℃敏化溫度范圍內(nèi)停留時間過長,會沿晶界析出Cr23C6,大大降低抗腐蝕性能。但快冷后鍛件內(nèi)部會留下殘余應(yīng)力,故冷卻后還必須加熱到780～850進行再結(jié)晶退火以消除內(nèi)應(yīng)力。其體系演變圖如下：3.1.2鐵素體不銹鋼在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼，鉻質(zhì)量分數(shù)在12%~32%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。如0Cr13、0Cr13Al、00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo等。在原來高Cr、C鐵素體基礎(chǔ)上加入強烈鐵素體形成元素（如Al），將鋼中Cr、C含量降低，其耐腐蝕（尤其是抗晶間腐蝕）性能大大提高。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，這類鋼具導熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點，因而限制了它的應(yīng)用。加熱為了防止晶粒粗大，鐵素體不銹鋼加熱溫度不能太高，保溫時間不能長。一般采用的始鍛溫度為1040~1120℃。為了縮短坯料在高溫時的停留時間，應(yīng)當緩慢加熱到760℃，然后快速升溫到始鍛溫度。鐵素體不銹鋼因無相變發(fā)生.鍛后可正?？绽?。尤其應(yīng)快冷，因為在400～525℃范圍內(nèi)停留時間過長，會出現(xiàn)475℃脆性,如0.08%C～0.4%Si—16.9%Cr鋼在450℃保溫4h后，室溫沖擊韌性幾乎下降到零；當加熱500-850℃時在晶界產(chǎn)生σ脆性，當加熱到800℃以上保溫一段時間后消除；對于高Cr鐵素體不銹鋼,當加熱到950-1000℃并急速冷卻，產(chǎn)生高溫脆性，重新加熱到850以上℃可恢復塑性。因此，熱加工和焊接應(yīng)特別注意。3.1.3馬氏體不銹鋼通過熱處理可以調(diào)整其力學性能的不銹鋼，通俗地說，是一類可硬化的不銹鋼。Cr的質(zhì)量分數(shù)為12-18%，但C質(zhì)量分數(shù)最高可達0.6%，典型牌號為Cr13型，如2Cr13,3Cr13,4Cr13等。粹火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強韌性組合，主要用于蒸汽輪機葉片、餐具、外科手術(shù)器械。根據(jù)化學成分的差異，馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據(jù)組織和強化機理的不同，還可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體和半奧氏體（或半馬氏體）沉淀硬化不銹鋼以及馬氏體時效不銹鋼等。馬氏體不銹鋼加熱溫度不能太高。因過高的溫度會使組織中出現(xiàn)δ鐵體，塑性下降，容易鍛裂，鍛后應(yīng)不遲于12h內(nèi)進行退火,以消除內(nèi)應(yīng)力,避免在以后酸洗或存放過程中產(chǎn)生裂紋,退火速度一般為750～800℃,保溫1～3小時,緩冷至600℃后空冷。加熱工條件匯總：組織類別鋼

號鍛造溫度/℃加熱方法冷卻方法始鍛終鍛鐵素體鋼Cr171050～1100750～800緩慢加熱至850℃，迅速加熱至1050～1100℃正?？绽銫r28950～1000720～800緩慢加熱至850℃，迅速加熱至鍛造溫度正?？绽漶R氏體-鐵素體鋼1Cr131180～1200≥850緩慢加熱至800℃，然后快速加熱至鍛造溫度灰冷或砂冷1Cr17Ni21175825

緩冷奧氏體鋼0CrH8Ni91180900

正?？绽?Cr18Ni9Ti1160～1200≥820

2Cr18Ni91160900

1Cr14Mn14Ni1160～1200≥850

Cr12Ni181100～1150850～900

馬氏體鋼2Cr131160～1200≥850≤800℃裝爐，850℃前緩慢加熱砂冷或及時退火3Cr131160～1200＞850≤800℃裝爐，850℃前緩慢加熱緩冷并及時退火4Cr131160～1200≥800緩慢加熱至800℃，然后快速加熱至鍛造溫度灰冷或砂冷，并及時退火1Cr12Ni3MoV1030～1070＞850

灰冷或砂冷1Cr11Ni2W2MoV1180850

灰冷或砂冷4Cr10Si2Mo1130～1150＞850

灰冷或砂冷9Cr181170～1190≥950

爐冷組織類別鋼

號鍛造溫度/℃加熱方法冷卻方法始鍛終鍛3.1.4雙相不銹鋼鐵素體的體積分數(shù)為30-60%，具有奧氏體和鐵素體雙相組織，具有良好的抗點蝕、抗應(yīng)力腐蝕、抗晶間腐蝕性能，強度較高，屈服強度約為一般奧氏體不銹鋼的2倍。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%（一般3-7%）。有些鋼還含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數(shù)高，具有超塑性等特點。由于奧氏體和鐵素體變形能力不同，所以可鍛性差，鐵素體在900℃以下有析出等σ脆性相的危險，鍛造溫度1100-1150℃，終鍛溫度950℃。總之，鐵素體不銹鋼具有的σ脆性、475℃脆性和高溫晶粒粗化脆性都存在于雙相不銹鋼中，其催化程度隨鐵素體含量增加而加大。雙相鋼焊接方法首選TIG焊，然后是焊條電弧焊，采用埋弧焊時應(yīng)嚴格控制熱輸入和層間溫度，且應(yīng)避免大的稀釋率。采用TIG焊時，宜在保護氣體中加入1-2%的氮氣（若N超過2%就會增加氣孔傾向，且電弧不穩(wěn)定），以使焊縫金屬吸氮（防止焊縫表面區(qū)域因擴散而損失氮），有利于穩(wěn)定焊接接頭中的奧氏體相。焊接材料的選擇：選用奧氏體形成元素（Ni、N等）較高的焊材，以促進焊縫中的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變。2205鋼多選用22.8.3L的焊條或焊絲，2507鋼多選用25.10.4L的焊絲或25.10.4R的焊條。Cr,Mo,Si?鐵素體穩(wěn)定元素Ni,Mn,N,(C)?奧氏體穩(wěn)定元素鐵素體/奧氏體的兩相含量可通過熱處理來控制，兩廂比例將影響：機械性能.腐蝕性能.熱處理制度非常重要，好的熱處理制度會使雙相鋼具高的強度及韌性。焊接熱輸入不可過大也不可以過小。熱輸入過小，則冷卻速度過快，不利于鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，造成焊縫和熱影響區(qū)中鐵素體過多；熱輸入過小，則冷卻速度過慢，會導致晶粒長大以及σ相等析出脆化。27Jimpactcurve.SAF2707HDsimilartoSAF2507注：雙相鋼與奧氏體、鐵素體不銹鋼比較：

1、與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下：

（1）屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%，有利于降低成本。

（2）具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量最低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環(huán)境中。應(yīng)力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。

（3）在許多介質(zhì)中應(yīng)用最普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼，而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性，再一些介質(zhì)中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金。

（4）具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當?shù)膴W氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼。

（5）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產(chǎn)復合板或襯里等。

（6）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結(jié)構(gòu)件應(yīng)付突發(fā)事故如沖撞，爆炸等，雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯，有實際應(yīng)用價值。

2、與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢如下：

（1）應(yīng)用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼，例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下，一般不超過300℃。

（2）其塑韌性較奧氏體不銹鋼低，冷，熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。

（3）存在中溫脆性區(qū)，需要嚴格控制熱處理和焊接的工藝制度，以避免有害相的出現(xiàn)，損害性能。

3、與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢如下：

（1）綜合力學性能比鐵素體不銹鋼好，尤其是塑韌性，不象鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。

（2）除耐應(yīng)力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼。

（3）冷加工工藝性能和冷成型性能遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼。

（4）焊接性能也遠優(yōu)于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預熱，焊后不需熱處理。

（5）應(yīng)用范圍較鐵素體不銹鋼寬。

4、與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢如下：

合金元素含量高，價格相對高，一般鐵素體不含鎳。3.1.5鎳基合金

（問題：是什么組織？）一般不銹鋼的Ni含量在20%以下；若Ni含量在20%-30%之間為高鎳不銹鋼；Ni含量在30%以上則為高鎳耐蝕合金；如Ni含量不小于30%，且Ni+Fe大于等于50%，則為鐵鎳基耐蝕合金；如Ni含量在50%及以上，則為鎳基耐蝕合金。鎳基合金有：Ni-Cu型如Ni66Cu32（Monel400）；Ni-Cr型，0Cr15Ni75Fe（inconel600）、0Cr30Ni60Fe10（inconel690）等、incoloy825、、哈氏合金等牌號。膨脹系數(shù)與碳鋼相近，而導熱性比碳鋼還差。區(qū)別：INCOLOY和INCONEL是美國超合金公司的專利產(chǎn)品，是theInternationalNickelCo.公司的注冊商標。

incoloy耐熱鎳鉻鐵合金,Inconel鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金，適用于低溫下各種濃度的硫酸；在濃度為50％~70％的苛性堿（如NaOH）溶液中,具有良好的耐蝕性,不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。是鈦穩(wěn)定化處理的全奧氏體鎳鐵鉻合金，并添加了銅和鉬。同時為溫度升高時抗氧化和碳化而設(shè)計，使用溫度不超過550℃。

Inconel適用于含Cl—的各種溶液和酸類,以及濃度＜70％的苛性堿等許多介質(zhì)。由于碳含量低并經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理，即使在650-900℃高溫保溫50小時以后仍然不會有敏化傾向，使用問題-196～450℃。Incoloy825熱處理工藝：退火980-1100℃，消應(yīng)力：780-870℃；熱加工工藝：870-1180℃，最好為870-980℃。Inconel625熱處理工藝：固熔：1050-1150℃，退火800-1050℃，消應(yīng)力退火：550-760℃；熱加工工藝：1000-1180℃,在650-850℃間容易開裂。焊接可采用TIG、MIG和手工焊等，一般不用自動焊，焊接要求干凈清潔，不得有任何油污等，盡量減少先能量的輸入。注意：鎳及鎳合金的導熱性比不銹鋼還差，焊接時容易過熱引起晶粒大，因此焊接操作時應(yīng)選用較小和焊接電流，焊條最好不橫向擺動，收尾時注意填滿弧坑以及保持較低的層間溫度，非常容易被硫和鉛脆化，形成熱裂紋，所以除必須嚴格控制焊條的硫、鉛等含量外，焊前應(yīng)進行認真清理。同時注意其熱加工的溫度區(qū)域。鎳合金具有全奧氏體顯微組織。石化行業(yè)使用的幾乎所有的鎳合金都是固溶強化狀態(tài)。添加有效硬化元素，如Mo和W，而不是碳化物形成元素，可以提高它們的強度。與奧氏體不銹鋼一樣，固溶的鎳合金不能通過熱處理強化，而只能通過冷加工使其強化。注：哈氏合金是鎳基合金的一種，目前主要分為B、C、G三個系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強腐蝕性介質(zhì)場合哈氏合金C-276(hastelloyC-276,N10276),對應(yīng)的國內(nèi)牌號：NS334，屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金；哈氏合金B(yǎng)(hastelloyB,N10001),對應(yīng)的國內(nèi)牌號：NS321哈氏合金B(yǎng)-2(hastelloyB,N10665),對應(yīng)的國內(nèi)牌號：NS322，

哈氏B-2合金在各種還原性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐常壓下任何溫度，任何濃度鹽酸的腐蝕。哈氏合金B(yǎng)-3(hastelloyB,N10675),好像暫無對應(yīng)的國內(nèi)牌號。主要鎳基合金化學成分、力學性能、使用范圍對比：

耐蝕鎳合金的名義化學成分，%合金UNS牌號NiCrMoFeWCu其它400N0440066.5

1

31.51.0Mn600N066007515.5

8

625N066256221.592.5

3.8（Nb+Ta）690N066906129

9

825N088254221.5329.5

2.31.0TiC-276N102765715.5165.53.8

C22N0602256221333

C-2000N102005923161.5

1.6

B-2N10665691.0﹡282.0﹡

B-3N1067568.51.528.51.53.0﹡

B-4N10629661283.5

鎳合金室溫力學性能的最小值合金極限抗拉強度,ksi屈服強度,0.2%ksi延伸率,%4007028356008035306251105530690853530825853530C-2761004140C-221004545B-21105140B-31105140B-41105140鎳基耐蝕性一般指南

●代表很好，好▲代表好，滿意■不推薦合金硫酸磷酸鹽酸氫氟酸硝酸有機酸強堿還原性鹽氧化性鹽400●▲▲●■●●●■600▲▲■▲▲●●●▲625●●●●●●●●●690▲●▲●●●●●●825●●▲■●●▲●▲G-3●●▲●●●●●●C-276●●▲●▲●●●●B-2●●●●■●●●■3.1.6鈦合金鈦合金的密度只有普通不銹鋼的一半，重量輕、強度高、耐熱耐蝕，在PTA裝置中大量采用，稱為未來的金屬。鈦材分30多個等級，其中Gr.1、Gr.2、Gr.3為純鈦，其余一般添加一些合金元素，Gr.1應(yīng)用于復合板的復層，Gr.2、Gr.3用于內(nèi)襯、法蘭密封面、內(nèi)件、換熱管等。鈦熔點高，為1668℃，比碳鋼高130℃，而導熱系數(shù)低，比碳鋼低4.5倍，比重為4.5左右；與其他金屬焊接2脆性接頭，所以一般不與其他金屬焊接，而采用粘結(jié)、爆炸焊接和螺栓連接；變形小，及易形起加工硬化，所以要注意加工過程中的彎曲半徑（不小于厚度的4-5倍）；抗拉強度隨溫度升高快速下降，當溫度達250℃，其強度只有室溫的一半，，所以當溫度超過150℃時應(yīng)考慮使用復合板；由于回彈大，屈強比大，鈦制部件一般采用550℃左右的溫成型。3.2Cr-Mo耐熱鋼高溫條件下選擇材料一般是：400-500℃以下選用1Cr~0.5Mo；400～600℃可選用11、22型或加（V），500～650℃選用91、92型（1Cr9Mo1VNbN等），600～850℃用奧氏體不銹鋼等等，800～1000℃用鐵基或鎳即合金，1000℃以上用Mo基或各種陶瓷復合材料。問題：熱處理時間對強度和沖擊韌性有什么影響？幾個概念解釋

Cr-Mo鋼其常用的熱處理方式：1、DHT(消氫熱處理)

通常溫度350～400℃，其目的在于降低焊縫中的氫含量，以避免焊縫中產(chǎn)生氫致裂紋。

2、ISR(中間消應(yīng)力熱處理)

通常溫度620～650℃，其目的在于降低焊接接頭中的氫含量和殘余應(yīng)力。3、最終焊后熱處理其目的在于改善焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織以獲得最好的性能，對于標準的CrMo鋼，溫度為690℃；對于加V的CrMo鋼，溫度可為700～710℃。CrMo鋼的最終熱處理溫度不得高于母材的回火溫度。.4、模擬焊后最大程度熱處理和最小程度熱處理針對比較厚的鍛件和板材，一般根據(jù)實際制造過程熱循環(huán)數(shù)量確定模擬熱處理時間，模擬熱處理結(jié)束后做機械性能分析，主要要考慮的熱循環(huán)過程有：熱成型,焊接,焊后熱處理,現(xiàn)場返修和以后檢修后的熱處理。模擬焊后熱處理的取樣與所對應(yīng)的具體鍛件和板材有關(guān)系，不同的部件取樣位置是不一樣的，一般的要求在1/4厚度以內(nèi)取樣（要求高的在外側(cè)、1/2、3/4厚度分別取樣）。正常都是一拉三沖，但有差別，比如反應(yīng)器和核電產(chǎn)品的模擬焊后熱處理就有特殊的要求，并非是一拉三沖，而是有低溫沖擊性能和高溫拉伸試驗要求。模擬焊后最大程度熱處理是考慮到返修或其他原因造成多次熱處理的累積時間，一般用于考核材料的強度，薄板一般為12-18小時，反應(yīng)器一般為26-38小時。最小程度熱處理是熱處理一次的熱處理時間，一般考核材料的韌性，薄板一般為2-4小時，反應(yīng)器一般為6-8小時。.5、氫致延遲裂紋產(chǎn)生條件：鋼材的脆硬傾向（500℃左右可消除M組織）、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)、焊縫金屬的擴散氫含量。脆化原因：焊接時，焊縫金屬的含C量低于母材，在較高溫度發(fā)生相變，即A分解為F、P、B以及低碳M，而此時焊縫金屬還未分解，相變滯后。當焊縫金屬由A轉(zhuǎn)變?yōu)镕、P、B組織時，H的溶解度突然降低，而H在F、P、B中的擴散速度較大，因此H就很快從焊縫越過熔合線向未分解成A的熱影響區(qū)擴散，而H在A中的擴散速度很?。ㄈ芙舛却螅?，還來不及擴散到熔合線附近的母材，就在熔合線形成了富氫地帶。在滯后相變的母材和熱影響區(qū)發(fā)生A向M轉(zhuǎn)變時，氫以過飽和狀態(tài)殘留與M中，并聚集在晶格缺陷內(nèi)或應(yīng)力集中區(qū)，促使其脆化。因此，必須進行消氫和去應(yīng)力處理。

3.2.115CrMoR（1Cr~0.5Mo）σbMPaσSMPaδ5%AKV(20℃)交貨狀態(tài)450~590≥295≥19≥31J正火加回火1Cr~0.5Mo(SA387Gr12Cl2)板，為珠光體耐熱鋼，具有良好的熱強度、沖擊韌性和抗氫性能，550℃以下有較高的持極限，熱處理狀態(tài)：正火加回火。1、其力學性能δ>25mm應(yīng)逐張進行UT檢測，不低于III級合格。δ=6~602.物理性能及金相AC1：745℃，AC3：845℃，組織為F+P3.熱處理正火930~960℃（鍛件適當?shù)忘c，下同），回火680~720℃，鍛造溫度850-1200℃，焊后熱處理660~705℃以690℃為佳。15CrMoR可不考慮回火脆化。4.注意事項a.熱處理后應(yīng)進行正火+回火處理b.焊接性良好，焊接時容易產(chǎn)生延遲裂紋，故焊接烘烤、焊接環(huán)境、預熱、消氫格外重要，控制線能量輸入。c.預熱層間溫度≤250℃d.避免組裝應(yīng)力問題：封頭成型后怎么處理？問題：15CrMoR和15CrMoR(H)有何區(qū)別？后者是經(jīng)過臨氫處理后的15CrMoR，P、S、O含量控制更嚴格，臨氫的目的是為了防止氫腐蝕3.2.214Cr1MoR（ASMESA387Gr.11）1、焦炭塔臨氫材料，出廠時為回火或正火回火狀態(tài)，出廠硬度：鋼板出廠時表面硬度270-340HB布氏硬度。ASMESA387Gr.11（Class1and11），適當應(yīng)該考慮X系數(shù)。為貝氏體組織,在600℃下有較好的熱強度、抗氧化、抗硫、抗氫腐蝕性能，由于Cr含量有所提高，其韌性、高溫力學性能、高溫長期力學性能、抗氧化性能比15CrMoR更好。主要是控制S、P脆性元素和As、Sn、Sb等有害元素。尤其控制P+Sn的含量以提高韌性。2、物理性能及金相AC1：766℃，AC3：863℃，組織為B回火貝氏體組織。14Cr1MoR要考慮回火脆化。焊接注意事項：熱處理后應(yīng)進行回火處理，焊接性良好，焊接時容易產(chǎn)生延遲裂紋，焊接時候預后熱要求更高3、熱處理：正火930~960℃，回火680~730℃，鍛造溫度850-1200℃，焊后熱處理670~705℃（以690℃為好）。14Cr1MoR要考慮回火脆化。注意事項：封頭成型后的熱處理后應(yīng)進行正火+回火處理。焊接性良好，焊接時容易產(chǎn)生延遲裂紋，焊接時候預熱要求更高。4、力學性能橫向取樣σsMPaσbMPaδ5%AkvJ≥310515-690≥21≥34高溫拉伸200℃350℃450℃500℃σ0.2≥MPa2552201951773.2.32.25Cr-1Mo（-0.25V）AC1：804℃，AC3：870℃（一說890），組織為B回火貝氏體組織，熱處理：正火900~960℃，回火700~740℃，鍛造溫度860-1100℃，焊后熱處理680~715℃（以690-705℃為好）。2.25Cr-1Mo的脆性轉(zhuǎn)變溫度小于-100℃，回火脆性指標小于10℃。在2.25Cr-1Mo中加入0.3%的合金元素V起了2方面的作用：一是提高鋼的淬硬性，二是作為碳化物形成元素，提高了鋼的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，從而使2.25Cr-1Mo-0.25V比2.25Cr-1Mo具有更高的晶間強度和可使用溫度，抗氫腐蝕性能和抗氫脆性能明顯提高，設(shè)計溫度也提高了28℃。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼在一定的焊接條件下具有良好的焊接性,其抗回火脆化性能能力遠優(yōu)于2.25Cr-1Mo鋼。2.25Cr-Mo鋼有回火脆化傾向，因此對微量有害雜質(zhì)元素要進行控制，需要控制焊縫金屬的回火脆化敏感系數(shù)X和控制鋼材的回火脆化敏感系數(shù)J，一般要求X=（10P+5Sb+4Sn+As)X10-2≤15ppm；J=(Si+Mn)(P+Sn)X10-4≤120。式中元素以ppm含量代入或其百分含量代入，vTr54＋2.5△vTr54最小值達到－50℃以下，一般控制小于10℃。vTr54為經(jīng)過最小熱處理后步冷處理前的54J能量轉(zhuǎn)變溫度，△vTr54為經(jīng)過最小熱處理和步冷處理后的54J能量轉(zhuǎn)變溫度增量，2.5（有1.5及3）為假設(shè)材料在服用期間產(chǎn)生最大回火不超過由于步冷試驗產(chǎn)生脆化量的2.5倍。注意：Cr-Mo鋼的加工必須做好：材料訂貨技術(shù)條件、熱處理工藝方案的選擇、熱加工的驗證試板、焊前預熱焊后立即消氫和中間熱處理、最終熱處理、無損檢測的程序等問題：為什么后熱（消氫）的溫度是350-400℃?考慮擴散氫的飽和濃度值和擴散氫的速度兩個因素，溫度越高，飽和濃度越高，逸出速度也快，在350-400℃范圍時二者最佳；同時，此溫度消氫可避免M的產(chǎn)生，降低焊接接頭的峰值應(yīng)力。因此確定了在350-400℃是去氫最佳溫度。問題：消氫和焊后熱處理的區(qū)別?目的不同：消氫處理的目的是為了使焊縫熔池金屬在結(jié)晶和冷卻過程中吸收空氣中的氫給擴散出來，又稱"擴氫"，是防治延遲裂紋的產(chǎn)生而導致的脆性斷裂，一般的在強度級別較高的低合金鋼以及與化學成分有關(guān)的鋼種需要焊后消氫；消除應(yīng)力熱處理是為了消除或降低焊接接頭、成型等過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力或型變殘余應(yīng)力。溫度等參數(shù)不同：消氫處理的溫度一般為350－400度，時間為2小時，而且必須焊后立即進行，冷卻以后就無作用。如果在焊接完成后立即進行消除應(yīng)力熱處理時，可不單獨進行消氫處理；消應(yīng)力熱處理一般根據(jù)材料的牌號確定熱處理溫度，一般是低于Ac1（珠光體向奧氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度）線30℃，根據(jù)材料厚度確定時間，其消應(yīng)力的效果往往根據(jù)熱處理后焊接接頭的焊縫、融合線以及熱影響區(qū)的硬度測試來判定。問題：475度脆化和回火脆化區(qū)別？475度脆化一般是指不銹鋼,回火脆化一般是指CrMo鋼

475℃脆性

：

含有較多鐵素體相（超過15%～20%）的雙相焊縫金屬，經(jīng)過350～550℃加熱后，塑性和韌性會顯著降低，即性質(zhì)脆化。由于在475℃時脆化速度最快，故稱為“475℃脆性”。鐵素體越多，這種脆化越嚴重。已產(chǎn)生475℃脆化的焊縫，可以900℃淬火消除。

回火脆性：回火脆性是指淬火鋼回火后出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象。淬火鋼在回火時，隨著回火溫度的升高，硬度降低，韌性升高，但是在許多鋼的回火溫度與沖擊韌性的關(guān)系曲線中出現(xiàn)了兩個低谷，一個在200~350℃之間，另一個在400~650℃之間。隨回火溫度的升高，沖擊韌性反而下降的現(xiàn)象，回火脆性可分為第一類回火脆性和第二類回火脆性。

第一類回火脆性又稱不可逆回火脆性，低溫回火脆性，主要發(fā)生在回火溫度為250～400℃時，其特征為：

（1）具有不可逆性；（2）與回火后的冷卻速度無關(guān)；（3）斷口為沿晶脆性斷口。

產(chǎn)生的原因三種觀點：

（1）殘余A轉(zhuǎn)變理論2）碳化物析出理論（3）雜質(zhì)偏聚理論

防止方法

（1）降低鋼中雜質(zhì)元素的含量；

（2）用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等合金元素細化A晶粒；

（3）加入Mo、W等可以減輕；

（4）加入Cr、Si調(diào)整溫度范圍（推向高溫）；

（5）采用等溫淬火代替淬火回火工藝。

第二類回火脆性又稱可逆回火脆性，高溫回火脆性。發(fā)生的溫度在400～650℃，其特征為：

（1）具有可逆性，在600℃以上重新進行回火并迅速冷卻，即可恢復其韌性

；

（2）與回火后的冷卻速度有關(guān)；回火保溫后，緩冷出現(xiàn)，快冷不出現(xiàn)，出現(xiàn)脆化后可重新加熱后快冷消除。

（3）與組織狀態(tài)無關(guān)，但以M的脆化傾向大；

（4）在脆化區(qū)內(nèi)回火，回火后脆化與冷卻速度無關(guān)；

（5）斷口為沿晶脆性斷口。

影響第二類回火脆性的因素

（1）化學成分（2）A晶粒大?。?）熱處理后的硬度

產(chǎn)生的機理

（1）出現(xiàn)回火脆性時，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A晶界偏聚，都集中在2~3個原子厚度的晶界上，回