金属材料及热处理基本知识1.ppt
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1、金属材料及热处理基本知识,概 述,金属材料是制造特种设备最常用的材料,因此了解和掌握金属材料性能是十分必要的,所谓金属材料的性能:是指金属材料对产品设计、制造使用等性能的满足程度,也就是金属材料本身所具有的性质和能力。 通常所指的金属材料性能是指金属材料的使用性能和工艺性能。如力学性能、物理性能、化学性能等使用性能和冷、热加工的工艺性能。,材料力学的基本知识,金属材料在加工和使用过程中的基本特征 都要承受不同形式外力的作用 都会产生抵抗这些外力作用的能力(这种能力称为材料的力学性能如Rm、HB、Ak、A等)直至能力消失而发生变形以至断裂破坏,应力与应变 内力:是指材料内部各部分之间的相互作用的
2、力,在未受外力作用时,材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时,这种固有的平衡被打破,相互之间作用力会改变,材料会发生形变,这是由于材料在外力作用下产生的附加内力的结果,通常简称它为内力。 应变与应力:物体在外力作用下,其形状尺寸所发生的相对改变称为应变;物体在外力作用下而变形时,其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力;方向垂直于截面的应力称为正应力。,应力的种类:拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力、交变应力等。 应力集中的概念:由于截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。 应力集中系数a=max/ max-最大局部应力; -名义应力 应力集中的严重程度与缺口
3、大小有关,同时与缺口的尖锐程度有关,缺口越尖锐,即缺口根部曲率半径越小,应力集中系数就越大。,承压类特种设备壳体的工作应力 绝大多数承压类特种设备都承受内压,内部压强会使壳体产生拉应力,这一应力称为工作应力。 按照薄壁回转理论,对于圆筒形容器来说,轴向应力是切向应力的一半,环焊缝受力仅是纵焊缝的一半。在相同的压力和直径下,球形容器的壁厚可比圆筒形容器减少大约一半。 实际工作状态下的容器,其壳体中的应力比较复杂,除了内压引起的总体薄膜应力外,还存在由于形状变化、壁厚改变、结构不连续等引起的附加拉应力、压应力、弯曲应力;由于缺口引起的峰值应力;由于冷热加工留下的残余应力;温度变化产生的热应力等等。
4、,强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力,材料强度可以通过拉伸试验测出。 金属材料拉伸试验 弹性变形 滞弹性变形 屈服前微塑性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形,应用: 抗拉强度Rm、屈服强度(ReH、ReL)是评价材料性能的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工作的,不允许发生塑性变形,所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。一般机械设计若以ReH、ReL作为指标时,ns1.5-2.0,若采用屈服强度Rm作为指标时,安全系数nb1.5-3.0,我国锅炉压力容器规范规定的安全系数一般为ns 1.5, nb =2.7。,塑性 塑性是指材料在载荷作用下
5、断裂前发生不可逆永久变形的能力。 评定与计算:材料塑性的指标通常用伸长率A和断面收缩率Z。 伸长率可用下式确定: A(L1L0)/L0100; L0试件原标距长度, L1拉断后试件标距长度。 断面收缩率可用下式确定: Z(S0S1)/S0100 式中:S0试件原来截面积,S1拉断后试件颈缩处的截面积 应用:锅炉压力容器对材料塑性要求是有一定限度的,并不是越大越好,应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力,造成材料的极大浪费。,硬度 定义:是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 试验:通常有以下几种试验形式:布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。 应用: 布氏硬度试验是
6、指用一定直径的(球体钢球或硬质合金球)以相应的试验压力压入被测材料或零件表面,经规定保持时间后卸除试验力,通过测量表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 洛氏硬度试验是在初始试验压力及总试验压力的先后作用下,将顶角为1200金刚石圆锥体压入试验表面,经规定保持时间后,卸除试验力。通过测量残余压痕深度,确定材料的硬度值。,维氏硬度试验是将相对面夹角为1360的正四棱锥体金刚石压头,已选定的试验力压入被测材料或零件的表面,经规定保持时间后,卸除试验力,用测量压痕对角线长度计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 里氏硬度试验是用规定重量的冲击体在弹力作用下,以一定的速度冲击被测材料或零件表面,采用冲
7、头在被测材料或零件表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值,计算硬度值。 里氏硬度可方便实现多种硬度之间的相互转换以及与强度之间的相互转换。,冲击韧性 定义:是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。 试验:通常是在摆式冲击试验机上测定的。冲击韧性Kv(ku)AkSN 。 应用:材料冲击韧性的高低,取决于材料有无迅速塑性变形的能力,冲击韧性高的一般都有较高的塑性,但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性。冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标,同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。,材料力学性能的进一步知识 弯曲试验 判
8、定焊缝和热影响区的塑性 暴露焊接接头内部缺陷,检查焊缝致密性 考核焊接接头不同区域协调变形的能力 屈强比的概念 材料屈服极限和强度极限的比值称为屈强比, 即ReL / Rm 。这个值越小,表示材料的屈服极限和 强度极限的差距越大,材料的塑性越好,使用中的 安全裕度越大,反之则相反。 使用高屈强比的材料可以节省材料用量,但该 类材料对应力集中较为敏感,抗疲劳性能较差,较 易出现加工硬化现象而使材料变脆。,钢的强度等级越高,其屈强比也越高,特别是抗拉强度下限值大于540MPa的低合金高强度钢材料的使用要十分注意。屈强比大于0.7的材料应加以重视;大于0.8的材料要从严控制,慎重处理。 断裂韧度 是
9、用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展,即抵抗脆性断裂的指标。 材料的断裂韧度K1c值可通过试验测定。断裂韧度是材料固有的力学性能指标,是强度和韧性的综合体现,与裂纹的大小、形状、外加应力等无关,主要取决于材料的成份、内部组织和结构。,钢材的脆化 冷脆性 随着温度的降低,大多数钢材的强度有所增加,而韧性下降,金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。 热脆性 钢材在400-500后再冷却至室温时,冲击韧度值会有明显的下降,这种现象称为钢材的热脆性。 氢脆 钢材中的氢会使材料的力学性能脆化,这种现象称为氢脆。 钢中氢的来源: 冶炼过程中溶解在钢水中的氢未及时逸出; 焊接过程中水、油在高温分解的氢溶入钢材; 设
10、备运行时工作介质中的氢进入钢材; 钢试件酸洗不当导致氢脆。 氢脆是一种延迟断裂,断裂延迟时间可由几分钟或者几天。氢脆断裂只发生在100150的温度范围,温度过低或过高均不易发生。,苛性脆化 由于介质内具有含量很高的苛性钠(NaOH)促使钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象(一般都发生在受压元件的铆接等处)。 苛性脆化 的破坏形式是在肉眼可看到的主裂纹上有大量肉眼看不到的分支细裂纹。元件发生苛性脆化时,裂纹附近的钢材仍具有良好的塑性及脆性性能。 应力腐蚀脆性断裂 由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂。 应力腐蚀的发生条件: 元件承受拉应力的作用 具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境 材料应
11、力腐蚀的敏感性 应力腐蚀裂纹发生在与腐蚀介质接触的表面。,金属学与热处理基本知识,金属的晶体结构 定义:内部原子呈规则排列的物质称为晶体,原子的排列方式称为晶体结构。 晶体结构种类: 体心立方晶格 铁(9120C,-铁)、铬、钼、钨、钒等 面心立方晶格 铝、铜、镍、铅等 密排六方晶格 铍、镁、锌、镉等 单晶体:晶体内的晶格位向完全一致 多晶体:由许多晶粒(单晶体)组成的晶体结构,不存在各向异性,因为其中晶粒的位向不同,结果只表现出它们的平均性能 实际使用的金属是由许多晶粒组成的,又叫多晶体。,三种常见的金属晶格,晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同,因而晶体在不同方向上的性
12、能便有所差异,晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要指标之一。 晶体的晶格缺陷 点缺陷 晶格空位、间隙原子 线缺陷 即晶格中的“位错线”或简称“位错” 面缺陷 即晶界和亚晶界 凡晶格缺陷处及其附近,均有明显的晶格畸形,因而会引起晶格能量的提高,并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化,如晶界和亚晶界愈多,位错密度愈大,金属的强度便愈高,位错示意图,金属的结晶 结晶:一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”,如果通过凝固能形成晶体结构,则可称为结晶。 “平衡结晶温度”:凡纯元素(金属或非金属)的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”,高于此温度便熔化,低于此温度才能进行结晶。
13、“自由能”:物质中能够自动向外界释放出其多余的或能对外做功的这一部分能量。 实际结晶温度(T1)与理论结晶温度(T0)之间的温度差叫“过冷度”(T= T0- T1)。 由于结晶时总伴有一定的能量释放,即所谓的“结晶潜热” 。 影响晶核的形成和成长速率的因素:过冷度、未熔杂质,铁碳合金的基本组织 定义:通常把钢和铸铁统称为铁碳合金,一般把碳含量0.022.0的称为钢,含碳量大于2.0的称为铸铁。锅炉压力容器压力管道用钢含碳量一般低于0.25。 基本组织形式 铁素体(F) 碳溶于铁或铁中的固溶体(铁和铁都是体心立方晶格),在770以下它具有铁磁性。 渗碳体(Fe3C) 铁和碳的金属化合物,含碳量为
14、6.67%。 珠光体(P) 层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。它有较高的硬度和强度,塑性较好。 铁素体、渗碳体和珠光体是室温平衡状态下铁碳合金组织中基本的组成物 奥氏体(A) 碳在-Fe中的固溶体,具有面心立方晶格,由于它的间隙比铁素体大,因而溶碳能力比铁素体强,最大可达2.11%(11480C时)。,室温平衡状态下铁碳合金组织中基本组成物的机械性能,马氏体(M):碳在-Fe中的过饱和固溶体(钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点以下发生无扩散性相变的产物)。 贝氏体(B):过冷奥氏体在中温区间(约2504500C)相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物 。 魏氏组织:亚共析钢因为过热而形成的粗
15、晶奥氏体,在一定的过冷条件下(较快),除了在原来奥氏体晶粒边界上析出块状-Fe外,还有从晶界向晶粒内部生长的片状-Fe。 带状组织:经热加工后低碳结构钢显微组织中,铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织。 相:是指在铬镍不锈钢(特别是含铌、钛的)中存在的少量铁素体。 相:是在研究Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相 。,从铁碳合金状态图中可知: 含碳量为0.77的铁碳合金只发生共析转变,其组织是100珠光体,称为共析钢; 含碳量0.77的铁碳合金称为过共析钢,其组织是珠光体P渗碳体Fe3C; 含碳量0.77的铁碳合金称为亚共析钢,其组织是铁素体F珠光体P。组织中铁素体F的含量越多,表明
16、碳含量越低,则材料的塑性和韧性就越好,但强度和硬度就随之降低。,含碳量0.2%的铁碳合金的结晶过程: 液态金属随着温度的降低开始结晶,冷却至AB线以下时析出-Fe;至HJB线(14950C)发生包晶反应,液相和-Fe一起转变,形成奥氏体;继续冷至GS线,奥氏体开始向铁素体转变,同时引起母相奥氏体(A)中碳浓度的变化。随着温度降低,奥氏体(A)中的含碳量沿GS线逐渐增加而趋近于S点,即合金冷却至7270C时,奥氏体(A)中的含碳量增为0.77%,故当合金再冷却至稍低于7270C时,其组织中剩余的奥氏体(A)便按共析反应而转变为珠光体,最终的显微组织为F+P。,热处理的一般过程 定义:热处理是将固
17、态金属及合金按预定的要求进行加热、保温和冷却,以改变其内部组织从而获得所要求性能的一种工艺过程。 热处理过程:热处理过程主要是由加热、保温(时间)、冷却三个阶段构成的,温度和时间是影响热处理的主要因素,因此热处理过程都可以用温度时间曲线来表述。 钢在热处理过程中的组织变化,由两个过程组成:一是加热时,钢的常温组织转变为奥氏体;二是冷却时奥氏体分解,随着冷却速度的不同,得到不同形态和组分的珠光体、铁素体或马氏体等转变产物。,加热时的转变奥氏体形成 奥氏体晶核的形成(易于在铁素体与渗碳体相界面形成);奥氏体的长大(碳浓度破坏平衡和恢复平衡的反复循环过程);残余渗碳体的溶解(铁素体比渗碳体先消失);
18、奥氏体均匀化(奥氏体中碳浓度不均匀)。 冷却时的转变奥氏体的分解 冷却的目的是使加热转变的奥氏体A分解,随着冷却速度的不同,奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化。,研究奥氏体转变过程的冷却方法有两种:连续冷却(与实际相近)和等温冷却(奥氏体转变易于测量) 等温冷却的试验方法 将温度在7270C以上,组织为均匀奥氏体的钢试样,急冷至7270C以下的某一温度,然后保持这一温度不变,经过一段时间,奥氏体开始转变,再经过一段时间,奥氏体转变结束,整个转变过程的时间变化范围可以从几秒至几昼夜。将不同温度下奥氏体转变开始和结束的时间绘制成曲线,即得到奥氏体等温转变曲线,由于曲线形状像字母
19、C,所以又称C曲线。 实际生产中,过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的,在连续冷却过程中,只要过冷度与等温转变相对应,则所得到的组织与性能也是对应的。,影响C曲线的因素: 碳的影响:在正常加热条件下,亚共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而右移(亚共析钢在过冷奥氏体冷却时发生共析分解,转变为珠光体类型组织之前就开始析出铁素体新相);过共析碳钢的C曲线随含碳量的增加而左移。 合金元素的影响:除了钴以外,所有合金元素溶入奥氏体后,都增大其稳定性,使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时,C曲线的形状也发生改变。 加热温度和保温时间的影响:随着加热温度的提高和保温时间的延长,奥氏体的成份更加均匀,作
20、为奥氏体转变的晶核数量减少,同时奥氏体晶粒长大,晶界面积减少,这些都不利于过冷奥氏体的转变,提高过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移。,锅炉压力容器压力管道用钢 常用的热处理工艺,退火 定义:将钢试件加热到适当的温度,保温一定的时间后缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的热处理工艺,称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同,退火又可分为完全退火、不完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火等。 完全退火又称重结晶退火,其方法是将工件加热到Ac3以上3050,保温后在炉内缓慢冷却。 不完全退火是将工件加热到Ac1以上3050,保温后缓慢冷却的方法。,消除应力退火: 一般是将工件加热到Ac1以下10
21、0-2000C(碳钢和低合金钢大致在500-6500C),保温然后缓慢冷却。 消除应力退火中无组织变化。 消除应力退火的目的:消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力;使焊缝中的氢较完全地扩散;提高焊缝抗裂性和韧性;改善焊缝和热影响区组织;稳定结构形状。 方法 局部热处理 整体热处理,正火: 正火是将工件加热到Ac3或Acm以上3050,保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。 目的是细化晶粒,均匀组织,降低内应力。由于正火的冷却速度较快,过冷度较大,易使组织中珠光体量增多,且珠光体片层厚度减小,所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。许多锅炉压力容器用的钢板都是以正火状
22、态供货的。 淬火: 淬火是将钢加热到临界温度以上,经过适当的保温后快冷,使奥氏体转变为马氏体的过程。 目的是通过淬火获得马氏体组织,以提高材料硬度和强度。如轴承、模具等工件。锅炉压力容器材料和焊缝的组织不希望有马氏体。,回火: 回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度,保持一定时间,然后用符合要求的方法冷却(通常是空冷),以获得所需组织和性能的工艺。 目的是降低材料的内应力,提高韧性。通过调整回火温度,可以获得不同的硬度、强度和韧性,以满足所要求的力学性能。此外回火还可以稳定工件的尺寸,改善加工性能。按回火的温度不同可将回火分为低度、中温和高温回火三种。,奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处
23、理: 固溶处理:把奥氏体不锈钢加热到10501100(此温度下碳能在奥氏体中固溶),保温一定时间(约每25mm厚度不小于1小时),然后快速冷却至427以下(要求从925至538冷却时间小于3分钟),以获得均匀的奥氏体组织的工艺称为固溶处理。目的是保证其强度、硬度低而韧性好,并具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。 稳定化处理:对于含有钛或铌的铬镍奥氐体不锈钢,为防止晶间腐蚀,必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中,以此为目的的热处理称为稳定化处理。即把铬镍奥氐体不锈钢加热到850900,保温6小时,在空气中冷却或缓冷。,锅炉压力容器常用材料,材料的一般要求 应有足够的强度,即有较高的屈服极限和
24、强度极限,以保证安全性和经济性; 应有良好的韧性,以保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏; 应有良好的加工工艺性能,包括冷热加工成型性能和焊接性能; 应有良好的低倍组织和表面质量,不允许有裂纹和白点; 用于高温元件的材料应具有良好的高温性能,包括足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性,有良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性; 与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。,钢的分类和命名方法 分类方法:钢的分类方法有“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两种。 碳钢的分类和命名 按含碳量分类:可分为低碳钢,C0.25;中碳钢,C0.25 0.6;高碳钢,C0.6; 按钢的质量(即
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