張勇---第3章 金屬學.ppt

張勇合肥市質(zhì)量技術監(jiān)督局地址 合肥市蕪湖路139號郵編 230001E mail zhangy 手機第三章金屬學 熱處理與壓力容器材料 本章學習重點和思考內(nèi)容 1 了解金屬材料主要力學性能指標定義及代表符號 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)量檢驗方法及典型熱處理事例 4 了解低合金高強度鋼的發(fā)展概述 5 了解合金元素及熱處理狀態(tài)對鋼材性能的影響 6 了解壓力容器選材注意事項 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 拉伸試驗機 拉伸試樣 3 1金屬學基本知識 3 1 1金屬材料力學性能概述金屬材料強度指標1 屈服強度屈服強度 GB T228 2002標準是這樣定義的 當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時 在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點 又區(qū)分為上屈服強度和下屈服強度 1 上屈服強度 ReH 試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應力 2 下屈服強度 ReL 在屈服期間 不計初始瞬間效應時的最低應力 2 抗拉強度抗拉強度 GB T228 2002標準是這樣定義的 相應最大力的應力為抗拉強度 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 對于無明顯屈服 連續(xù)屈服 的金屬材料 為試驗期間的最大力 應力是指試驗期間任一時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1 斷后伸長率 延伸率 斷后伸長率 GB T228 2002標準是這樣定義的 試樣拉斷后標距的殘余伸長 Lu Lo 與原始標距 Lo 之比的百分率為斷后伸長率 A 其中 Lu 為斷后標距 2 斷面收縮率斷面收縮率 GB T228 2002標準是這樣定義的 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 試驗用材料化學成分 3 金屬材料韌性指標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方法 標準定義 沖擊吸收能量 符號為 KV2 沖擊試驗 沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖 沖擊韌性通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上測定的 沖擊試樣受到擺錘的突然打擊而斷裂時 它的斷裂過程是一個裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程 在裂紋發(fā)展過程中 如果塑性變形能夠發(fā)生在它的前面 就將阻止裂紋的長驅(qū)直入 當其繼續(xù)發(fā)展時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 但塑性指標較高的材料卻不一定都有高的沖擊吸收功 這是因為在靜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 由于不同的沖擊試樣在試驗時應力狀況各不相同 在破壞時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溫度有關 有些材料在室溫時韌性很好 但在低于某一溫度時則可能發(fā)生脆性斷裂 由于沖擊吸收功是材料各項力學性能指標中對材料的化學成分 冶金質(zhì)量 組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感的一個質(zhì)量指標 而且也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標 所以 對壓力容器用鋼來說 沖擊吸收功是衡量其裂紋擴展阻力的重要指標之一 國際上通常用沖擊功Ak作為沖斷試樣消耗的總功 只要試樣符合標準 就不會出錯 應用也簡便 但是進一步研究發(fā)現(xiàn)用Ak表示也存在問題 因為Ak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座本身振動 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 機座振動 由于一般情況下 后幾項功很小 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為晶狀斷口 是指出現(xiàn)大量晶粒開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 也稱晶狀斷面率 GB T12778 金屬夏比沖擊斷口測定方法 對沖擊試樣斷口的有關測定方法做了規(guī)定 一般有幾種方法測定脆性斷面率 對比法和測量法等 新版GB T229標準的附錄C中也有方法介紹 1 2 側膨脹值側膨脹值即為沖擊試樣缺口背部的兩側由于沖擊試驗時所受到的錘擊 而產(chǎn)生的尺寸增量 當試樣斷裂成兩截時 應分別測量兩截試樣斷口的側膨脹值 并取其中大者為該試樣的側膨脹值 具體的測量方法見GB T12778 金屬夏比沖擊斷口測定方法 標準 該標準規(guī)定了幾種測量側膨脹值的方法 2 斷裂韌度 臨界應力強度因子KICGB T4161標準 裂紋張開位移CODGB T2358標準 3 1 2金屬學基本知識概述 1 金屬的晶體結構 圖3 1 1 2 后圖 2 金屬強度的本質(zhì)與金屬材料的強化機制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 金屬結晶 金屬的晶體結構 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 3 2 1熱處理一般過程1 加熱時的轉變 奧氏體A的形成2 冷卻時轉變 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A1 AC1Ar1 A3 Ac3Ar3 2 重結晶3 再結晶 4 過熱 溫度過高 性能顯著降低 可逆 5 過燒 晶界部分熔化或氧化 不可逆 6 時效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 方法和應用 2 調(diào)質(zhì)處理 目的 方法和應用 3 固溶處理 目的 方法和應用 4 穩(wěn)定化處理 目的 方法和應用 5 消除應力熱處理 目的 方法和應用 3 2 4壓力容器制造中的消除應力處理 1 焊后熱處理 PWHT 2 中間消除應力處理3 焊后熱處理方法分類4 整體消除應力處理5 局部消除應力處理 表3 2 1 2 6 消除應力熱處理的加熱溫度 7 爐溫測量8 加熱和冷卻速度9 異常材料焊縫的熱處理 PWHT 10 復合板及覆層材料的焊后熱處理11 低合金高強度鋼再熱裂紋的預防 3 2 5熱處理質(zhì)量檢驗方法 1 零件熱處理后主要的檢驗方法 硬度 力學性能 金相試驗和無損檢測2 焊后消應力處理質(zhì)量監(jiān)督檢驗 檢查熱處理工藝和設備 壓力容器及焊件外部檢驗 審查熱處理工藝記錄 3 2 6典型熱處理實例 圖3 2 8 1 外購鍛件為退火狀態(tài)2 調(diào)質(zhì)處理3 第一次中間消除應力熱處理4 第二次中間消除應力熱處理5 焊后最終消除應力熱處理 3 3壓力容器常用鋼材 對制造壓力容器的材料6條要求很實用 3 3 1壓力容器用碳素鋼 表3 3 1和3 3 2中20R鋼號在GB713 2008中應為Q245R 其S P含量分別 0 015 0 025 3 3 2壓力容器用低合金結構鋼 表3 3 3和3 3 4中16MnR和15MnNbR鋼號在GB713 2008中應為Q345R和Q370R 13MnNiMoNbR應為13MnNiMoR 3 3 3國產(chǎn)低合金結構鋼板材特性簡介 1 16MnR GB713 2008改為Q345R 2 15MnVR GB150中已取消此鋼號 3 15MnVNR GB150中已取消此鋼號 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中后四個鋼號見GB713 2008中相應鋼號 3 3 5壓力容器低溫用鋼 表3 3 6見附表 GB3531 2008 3 3 6壓力容器用不銹耐酸鋼 GB24511 2009承壓設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國外壓力容器用鋼簡介 表3 3 11名稱應為相近鋼號對照表 3 4低合金高強度鋼的進一步知識 3 4 1低合金高強度鋼的發(fā)展概述 相應的鋼管及鍛件標準 NB T47008 10 2010 承壓設備用鋼鍛件 3 4 2合金元素對鋼的性能的影響 Si Mn Cr Ni Mo V Nb 3 4 3熱處理狀態(tài)對鋼的性能的影響 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低合金高強鋼壓力容器設計選材的注意事項 A 供設計評審 產(chǎn)品監(jiān)檢和在用檢驗時判斷 B 介紹液氨的應力腐蝕 GB536 液體無水氨等 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標準2 鈦及鈦合金JB T4745 2002標準3 銅及銅合金JB T4755 2006標準4 鎳及鎳合金JB T4756 2006標準3 5 2壓力容器用復合材料NB T47002 1 47002 4 2009 壓力容器用爆炸焊接復合板 標準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 冷脆性的機理2 低溫沖擊試驗 GB T229 AKV T A T Le T GB T6803NDT 3 影響低溫韌性的因素 晶體結構 化學成份 晶粒度 夾雜物 熱處理與顯微組織 加工硬化 應力狀態(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 第一類回火脆性 第二類回火脆性