第二章 金属材料及热处理.ppt
《第二章 金属材料及热处理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第二章 金属材料及热处理.ppt(117页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第二章 金属材料及热处理 第一节 金属材料的物理和力学性能 一、常用金属材料的物理性能 1密度 金属的密度即是单位体积金属的质量。一般密度小于5103Kg/m3的金属称为轻金属,密度大于5103Kg/m3的金属称为重金属。 2熔点 纯金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点,合金的熔点决定于它的成分。 3导热性 金属材料传导热量的性能称为导热性。合金的导热性比纯金属差。 导热性是金属材料的重要性能之一,在制订焊接和热处理工艺时,必须考虑材料的导热性,防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力,以免金属材料变形或破坏。,4热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特
2、性称为热膨胀性。热膨胀的大小用线胀系数和体胀系数表示,体胀系数近似为线胀系数的3倍。 在实际工作中考虑热胀性的地方很多,例如异种金属焊接时要考虑它们的热胀系数是否接近。 5导电性 金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性的指标是电阻率,电阻率越小,金属导电性越好。合金的导电性比纯金属差。 6磁性 金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。磁性与材料的成分和温度有关,不是固定不变的。当温度升高时,有的铁磁材料会消失磁性。,7.耐腐蚀性:抵抗各种介质侵蚀的能力,化工、石油等许多部件是在耐腐蚀条件下长期工作的,所以选材时必须考虑。 复合板复层腐蚀,二、 常用金属材料的力学性能 金属材料的力
3、学性能是指在力或能的作用下,材料所表现出来的一系列力学特性,如强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等力学性能指标,反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力,它们是选用金属材料的重要依据。 1.强度 是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破裂的能力。抵抗能力越大,金属材料的强度越高。强度的大小通常用应力来表示,根据载荷性质的不同,强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度,其中常用抗拉强度作为金属材料性能的主要指标。,1)屈服强度 钢材在拉伸过程中当载荷不再增加甚至有所下降时,仍继续发生明显的塑性变形现象,这一现象叫“屈服”,材料开始发生屈服时所对应的应力,称为屈服强度
4、。用符号s表示,单位为MPa(N/mm2)。有些金属材料(如高碳钢、铸钢等)没有明显的屈服现象。测定s很困难,在此情况下,规定以试样长度方向产生0.2%塑性变形时的应力作为材料的“条件屈服强度”,或称屈服极限。用0.2表示。,2)抗拉强度 拉伸试验时,材料在拉断前所承受的最大应力,称为抗拉强度,以符号b表示。计算式如下: b =Fb/So(N/mm2 ) 式中 Fb一试样拉断前承受的最大载荷N So-试样原始横截面积(mm2) b一抗拉强度MPa。 抗拉强度是材料重要的力学性能指标,当材料所受应力达到b时,将引起破坏。工程上不仅希望材料具有较高的屈服点,而且要求b比s大一些,即具有适当的屈强比
5、s /b。屈强比小,说明材料的塑性贮备较高,即使应力超过s,也不会马上断裂破坏。但屈强比过小,则会降低材料的有效利用率,2塑性 塑性是金属材料在外力作用下断裂前发生永久变形的能力,常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示,如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率(三个判定指标)。 1)伸长率 = (L1-Lo)/ Lo100% 金属材料在拉伸试验时,试样被拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比,称为断后伸长率,也叫伸长率,用表示。列计算式如下: 式中 L1-试样拉断后的标距长度(mm) Lo-试样原始标距(mm) 一伸长率(%)。,2) 断面收缩率 = (S0-S1)/ So100% 金属试
6、样在拉断后,其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比,称为断面收缩率,以符号表示。计算式如下: 式中 S0一试样原始横截面积(mm2) S1一试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm2) 一断面收缩率(%) 3)弯曲角 常温下,金属材料弯曲试验(也称冷弯试验)时,试件弯曲到受拉面出现裂纹前的最大角度,称为弯曲角。 弯曲试验不仅可考核钢材及接头的塑性,还可发现受拉面材料中的缺陷及焊缝、热影响区与基体金属三者变形是否均匀、一致,3.硬度 材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度是衡量钢材软硬的一个指标,根据测量方法不同,其指标可分为布氏硬度(HBS)、洛氏硬度(HR)
7、、维氏硬度(HV)。依据硬度值可近似地确定抗拉强度值。 1)布氏硬度 用一直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球,施以一定的载荷F将钢球压向被测金属表面,保持一定时间后卸去载荷,再根据压痕的表面积S与载荷F计算硬度值。布氏硬度用符号(HBS、HBW)表示。 当压头为淬火钢球时,布氏硬度用HBS表示,它适用于测量软钢、灰铸铁,有色金属等布氏硬度在450以下的材料;压头为硬质合金球时,用HBW表示,适用于布氏硬度值在650以下的材料。 布氏硬度试验的优点是测定数据准确、稳定。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金钢等材料以及退火、正火和调质工件的硬度测定。缺点是不宜测定高硬度或厚度很薄的材料。,2)洛
8、氏硬度 洛氏硬度试验是目前应用最广的一种硬度测量方法。这种方法是测量压痕的深度,以深度值表示材料硬度。其压头分硬质和软质两种:硬质压头的顶角是120的金刚石圆锥体,适用于淬火材料等较硬材料的硬度测定;软质压头由直径为1.588mm(1/16“)或3.175mm的淬火钢球制成,适用于退火材料、有色金属等较软材料的测定。 根据试验材料种类的不同,压头材质不同,所加试验力也不同(一般分为3个等级),通常划为A、B、C三个标尺,因此用HRA、HRB、HRC 三种硬度表示。 硬度值的表示是以HR符号前的数字表示,HR后面的符号表示不同的洛氏硬度,如60HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度
9、试验的优点是操作迅速、简便,可由硬度计的表盘直接读出硬度值,不必计算或查表;压痕小,可测量较薄工件。缺点是精确性差。,3)维氏硬度 维氏硬度的测定方法基本与布氏硬度相同,也是根据压痕凹陷面积及试验力来计算硬度值的,不同的是所用压头为对面夹角互为136的金刚石正四棱锥体。,4.冲击韧性 金属材料抗冲击载荷不致被破坏的性能,称为韧性。它的衡量指标是冲击韧性值。冲击韧性值指试样冲断后缺口处单位面积所消耗的功,用符号k表示。金属的韧度通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减少。 冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测试的。带有缺口的冲击试祥在摆锤的突然打击下而断裂,消耗掉一定的功,消耗功越高,
10、冲击韧性也越高。目前国内外多数国家均采用夏比V形缺口试样。 实验证明, k值对材料组织缺陷非常敏感,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,如白点、夹杂及过热、过饶、回火脆性等。因此冲击韧性是检验材料冶金质量和脆性倾向的有效手段,也是检验焊接接头性能的试验方法之一。 冲击试验根据试验温度可分为高温冲击、室温冲击、和低温冲击三类。,5.疲劳强度 金属材料在无数次重复交变载荷作用下,而不致破坏的最大应力,称为疲劳强度。实际上并不可能作无数次交变载荷试验,所以一般试验时规定,钢在经受106107次,有色金属经受107108次交变载荷作用时不产生破裂的最大应力,称为疲劳强度。,6.蠕
11、变 在长期固定载荷作用下,即使载荷小于屈服强度,金属材料也会逐渐产生塑性变形的现象称蠕变。蠕变极限值越大,材料的使用越可靠。温度越高或蠕变速度越大,蠕变极限就越小。,第二节 常用金属材料的牌号、性能和用途 一、钢 1钢的分类 钢的分类方法很多,可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。 1)按化学成分分类:碳钢、合金钢 碳钢:(非合金钢) 含碳和铁两种基本元素,还存在其他少量元素Mn、Si、S、P、O、N、H等,不是特意加入的而是由于冶炼需要加入Mn铁、Si铁或无法去除的称杂质元素。按含碳量分: 低碳钢:含C 0.25% 中碳钢:含C 0.250.6% 高碳钢:含C0.6%,合
12、金钢 常用合金元素:锰、铬、镍、钼、铜、硅、钨、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等 。 按合金钢含量分: 低合金钢 合金含量5%(16MnR、15CrMo、2.25Cr1Mo) 中合金钢 合金含量510%之间(Cr5Mo、Cr9Mo) 高合金钢 合金含量10% (304系列、316系列) 按含主要合金元素分:铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢、铬钼钢等。,2)按冶炼方法及脱氧程度分类 根据炼钢炉类别可分为平炉钢、转炉钢又分氧气吹炼和空气吹炼转炉钢和电炉钢(又分电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢和电子束炉钢等)三大类。 根据冶炼时脱氧程度的不同,可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢。 沸腾钢是脱氧不完全的钢,钢在熔炼后期
13、,钢液仅用弱脱氧剂(锰铁)脱氧,所以钢液中有相当数量的氧化铁FeO。在浇注与凝固时,由于碳与氧化铁反应,钢液不断析出一氧化碳,产生沸腾现象,故称为沸腾钢,以符号“F”表示。耐腐蚀性和力学性能差,不宜作重要结构使用。 镇静钢为完全脱氧钢,浇注凝固时钢液镇静不沸腾,故称为镇静钢。这种钢冷凝后有集中缩孔,所以成材率低,成本高。但气体含量低,偏析少,时效倾向低,质量较高,因此得到广泛应用。优质钢和合金钢以及锅炉压力容器用钢多为镇静钢。镇静钢以符号“Z“表示,但一般省赂。 半镇静钢为半脱氧钢。脱氧程度介于上述两者之间,用符号“b“表示。,3)按品质分类 根据钢中有害杂质硫(S)、磷(P)的含量,可分为普
14、通钢、优质钢和高级优质钢。 普通钢 含S0.050% 含P0.045% 优质钢 含S0.035% 含P0.035% 高级优质钢 含S0.030% 含P0.035% 【GB713-2008, Q345R: P0.025%;S0.015 GB6654-1996,16MnR: P0.035%;S0.030 】 4)按用途分类 钢按用途可分为结构钢、工具钢、特殊用途钢等。 5)按金相组织分: 钢按金相组织可分为铁素体钢、珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢等。,2钢号的表示方法 我国钢号表示方法,根据国家标准钢铁产品牌号表示方法(GB221-79)中规定,采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原
15、则,即钢号中化学元素用国际化学符号表示;钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等 一般以汉语拼音的缩写字母来表示;钢中主要化学元素含量(百分率)采用阿拉伯数字表示。 钢号中所采用的缩写字母及其含义见表2-1。 由于GB221-79标准长期未做修改,现在有些钢类,如碳素结构钢、低合金高强度钢的新标准,其钢号不再采用该标准规定的表示方法,改用按国际标准以屈服点值(MPa)表示。,表2-1 中国钢号中所采用的缩写字母及其涵义,3钢的种类、标准与性能 1)碳钢 碳钢又称碳素钢,是以铁为基本成分、含有少量碳的铁碳合金。实际上,碳钢中除以碳作为主要合金元素外,还含有少量有益元素Mn和Si,Mn含量一般小于1%,个
16、别碳钢达到1.2%,Si都在0.5%以下,另外,还含有少量杂质元素S和P。,普通碳素结构钢 普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成,表示方法如下:,Q X X X X X,代表屈服强度的“屈”字,举例,这类钢的牌号、力学性能见表2-2。,优质碳素结构钢 优质碳素钢主要用于制造重要的机器零件、结构,其钢号用两位数字表示。两位数字表示该钢种平均含C量的万分率,如20、45钢,分别表示钢中平均含碳量为0.2%、0.45%的优质碳素结构钢。高级优质碳素钢在钢号后附加“高”或“A”字,含锰量较高的优质碳素钢,应将锰元素标出,如15Mn、
17、60Mn等。 优质碳素结构钢的力学性能见表2-3。 其它专业用钢 在一般碳素结构钢的基础上为满足某些专业用途的特殊需要,发展了一些专业用钢,与焊接关系密切的专门用途碳素结构钢有下列几种,力学性能见表2-4。,碳素铸钢 碳素铸钢中与焊接关系密切的有: 焊接结构用碳钢铸件(GB7659-87)这类铸件共有3个牌号,焊接性能良好,常用作一般工程的铸焊结构件。 一般工程用铸造碳钢(GB11352-89)这类铸件有5个牌号,总的说来,这一类铸钢较少考虑焊接性能,因此焊补时应当小心。,2)低合金强度用钢 本节所述低合金强度钢是在热轧、控轧控冷及正火(或正火加回火)状态下焊接和使用,屈服强度为295460M
18、Pa的低合金高强度结构钢。,GB/T1591-1994对低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能要求作了规定,力学性能见表2-5。标准中钢的分类是按照钢的力学性能划分的。钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排列。按照钢的屈服强度,低合金高强度钢分5个强度等级,分别是295MPa、345MPa、390MPa、420MPa及460MPa。每个强度等级又根据冲击吸收功要求分成A、B、C、D、E五个质量等级,分别代表不同的冲击韧性要求。GB/T1591-1994与GB1591-88低合金结构钢标准牌号对照见表2-6。,低合金高强钢中w(C)一般控制在0.20%以下
19、,为了确保钢的强度和韧性,通过添加适量的Mn、Mo等合金元素及V、Nb、Ti、Al等微合金化元素,配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。由于低合金高强钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本,因此,被广泛地用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械、海洋结构、船舶等制造中,已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。 低合金高强度钢按其用途还可分为:锅炉用钢、管线用钢、容器用钢、造船用钢及桥梁用钢等,表2-7列出了一些我国生产的低合金高强度钢的力学性能。,举例:07MnCrMoVR 表1 07MnCrMoVR钢板化学成分(wt.%) 表2 07MnCrMoVR钢板力
20、学性能,3)低温钢 低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构,如液化石油气储罐、冷冻设备及石油化工低温设备等。低温用钢可分为不含Ni及含Ni的两大类,其牌号、力学性能和所属标准,如表2-8、表2-9所示。在低温用钢中常加入V、N、Nb、Ni等合金元素,如我国的低温压力容器用钢09Mn2VDR、15MnNiDR及09MnNiDR(70 )等、16MnDR钢可作为-40低温用钢。为保证低温韧性,在低温用钢中尽量降低含碳量,并严格限制S、P含量。低温用钢还有相应的铸件、锻件及管材,JB4727-1994规定的常用低合金低温钢锻件钢号有:16 MnD、09 Mn2VD、09MnNiD、16 MnM
21、oD、20 MnMoD、08MnNiCrMoVD及10Ni3MoVD。,4)耐热钢 耐热钢的种类 碳素结构钢强度性能随着工作温度的提高而急剧下降,其极限的工作温度为350。在更高的温度下必须在钢中加入一定量的合金元素以提高钢的高温强度和持久强度。 在要求抗氧化和高温强度的运行条件下,各种典型耐热钢的极限工作温度示于图2-1。在不同的运行条件下,各种耐热钢容许最高工作温度列于表2-10。,耐热钢按其合金成分的质量分数可分低合金、中合金和高合金耐热钢。合金元素总质量分数在5%以下的合金钢通称为低合金耐热钢,其合金系列有Mo、Cr-Mo,MO-V、Cr-Mo-V,Mn-Mo-V,Mn-Ni-Mo,和
22、Cr-Mo-W-V-Ti-B等。对焊接结构用的低合金耐热钢,为改善其焊接性,碳的质量分数均控制在0.2%以下,某些合金成分较高的低合金耐热钢,标准规定其碳的质量分数不高于0.15%。,低合金耐热钢通常以退火状态,或正火+回火状态供货。 合金总质量分数在2.5%以下的低合金耐热钢在供货状态下具有珠光体+铁素体组织。故也称珠光体耐热钢。 合金总质量分数在3-5%的低合金耐热钢,在供货状态下具有贝氏体+铁素体组织,亦称为贝氏体耐热钢。常用低合金耐热钢的牌号见表2-11。,合金总质量分数在6%12%的合金钢系统称为中合金耐热钢。目前,在动力、化工和石油等工业部门经常使用的中合金耐热钢有: 5Cr-0.
23、5Mo,7Cr-0.5Mo,9Cr-1MoV,9Cr1MoVNb,9Cr-2Mo等。这些中合金钢必须以退火状态或正火+回火状态供货,某些钢也可以调质状态供货。合金总质量分数在10%以下的耐热钢,在退火状态下具有铁素体+合金碳化物的组织。在正火+回火状态下,这些合金钢的组织为铁素体+贝氏体。当钢的合金总质量分数超过10%时,其供货状态下的组织为马氏体,属于马氏体级耐热钢。,合金总质量分数高于13%的合金钢称为高合金耐热钢。 按其供货状态下的组织可分为马氏体,铁素体和奥氏体三种。 应用最广泛的高合金耐热钢,为铬镍奥氏体耐热钢,其合金系列为:Cr-Ni,Cr-Ni-Ti,Cr-Ni-Mo, Cr-N
24、i-Nb,Cr-Ni-Mo-Nb,Cr-Ni-Mo-V-Nb,Cr-Ni-Si等。,耐热钢的应用范围 在常规热电站,核动力装置,石油精炼设备,加氢裂化装置,合成化工容器,宇航器械以及其他高温加工设备中,耐热钢的应用相当普遍。正确地选用耐热钢种对于保证高温高压设备长期工作的可靠性和经济性具有头等重要的意义,为此应综合考虑下列因素: 常温和高温短时强度; 高温持久强度和蠕变强度; 耐蚀性、抗氢能力和抗氧化性; 抗脆断能力; 可加工性,包括冷、热成形性能,热切割性和焊接性; 成本。,5)不锈钢 不锈钢概述 不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态,又具有不锈特性的钢。为此,不锈钢w(Cr)应高于1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二章 金属材料及热处理 第二 金属材料 热处理
链接地址:https://www.31doc.com/p-2968476.html