《承壓類特種設(shè)備無損檢測(cè)相關(guān)知識(shí)》

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第一章  金屬材料及熱處理基本知識(shí) 1.1  材料力學(xué)基本知識(shí) 1.2    金屬材料與熱處理基本知識(shí) 1.3    特種設(shè)備常用材料 第二章  焊接基本知識(shí) 2.3    焊接應(yīng)力與變形 2.4    承壓類特種設(shè)備常用材料的焊接 第七章  缺陷的種類及產(chǎn)生原因 7.1    焊接缺陷種類及產(chǎn)生原因,《承壓類特種設(shè)備無損檢測(cè)相關(guān)知識(shí)》 --  無損檢測(cè)Ⅲ級(jí)人員    綜合閉卷  基本知識(shí) 30分,《學(xué)習(xí)資料  注意保密》,謝常歡 深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院,0755-25928238,chxie@21cn.com,《學(xué)習(xí)資料  注意保密》 主編TSG Z7003-2004《特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量管理體系要求》,,,,,,考規(guī)  第12頁,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一篇  金屬材料、熱處理及焊接基本知識(shí),第一章  金屬材料及熱處理基本知識(shí) 承壓類特種設(shè)備對(duì)材料要求很高，如高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良的 耐腐蝕性能及工藝性能等。 對(duì)材料的較高要求是推動(dòng)特種設(shè)備用材不斷發(fā)展的基本動(dòng)力。 在承壓類特種設(shè)備制造業(yè)中，金屬材料具有其他材料無法替代 的地位和作用。 產(chǎn)1000?? 噸煉    廠,知識(shí)  第1頁,,,,,,第1篇  金屬材料、熱處理及焊接基本知識(shí),第一章  金屬材料及熱處理基本知識(shí) 通常所指的金屬材料的性能包括以下兩個(gè)方面： 1. 使用性能 保證設(shè)備、構(gòu)件等能正常工作材料所具有的性能，主要有力學(xué)性 能（強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等）、物理性能（密度、熔點(diǎn)、導(dǎo) 熱性、熱膨脹性等）、化學(xué)性能（耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性等）。其 決定材料的應(yīng)用范圍，使用安全可靠和使用壽命。 2. 工藝性能 各種冷、熱加工的性能，如鑄造、焊接、熱處理、壓力加工、切 削加工等方面的性能。其決定制造成本、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。,知識(shí)  第1頁,,,,,1.1 材料力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能稱為材料的力學(xué)性能 。 材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。,一、是非題： 6、材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、抗腐蝕 性等。                                                     （    ×      ）,二、單項(xiàng)選擇題： 2、下述指標(biāo)中，哪個(gè)不屬于材料的力學(xué)性能？（,）,A、強(qiáng)度,B、塑性,C、韌性,D、熱穩(wěn)定性,D,,,,,,,,,,,,,,,,1.1.1  應(yīng)力與應(yīng)變 （1）    內(nèi)力：是指材料內(nèi)部各部分之間的相互作用的力， 在未受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部相互平衡并保持其固有的形狀。 當(dāng)受到外力 P 時(shí)，這種固有的平衡被打破，相互之間作用力 會(huì)改變，材料會(huì)發(fā)生形變，這是由于材料在外力作用下產(chǎn)生 的附加內(nèi)力，通常簡(jiǎn)稱它為內(nèi)力 N 。,P,P,N,P,P=N,P A,N A,=,正應(yīng)力  σ    =,（,（N/mm2）   MPa ）,,,,,,,（2）    應(yīng)變與應(yīng)力：物體在外力作用下，其形狀尺寸所發(fā)生 的相對(duì)改變稱為應(yīng)變；物體在外力作用下而變形時(shí)，其內(nèi)部任 一截面單位面積上的內(nèi)力大小通常稱為應(yīng)力；方向垂直于截面 的應(yīng)力稱為正應(yīng)力。,（,（N/mm2）   MPa ）,P A,N A,=,正應(yīng)力  σ    =,,,,,,,,,1.1.2 強(qiáng)度,金屬的強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。 材料強(qiáng)度指標(biāo)可以通過拉伸試驗(yàn)測(cè)出。 GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,拉伸試樣  GB6397-1986 《金屬拉伸試驗(yàn)試樣 》 圓截面：d=10mm 標(biāo)距：長試件L0=10d； 短試件 L0=5d,知識(shí)  第2頁,,,,,,,,,,,,,,,金屬材料拉伸試驗(yàn)裝置,,,,,,知識(shí)  第2頁,,,,,,,σe,第Ⅰ、Ⅱ階段：    彈性變形與滯彈性變形 當(dāng)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即材料符合虎克定律，稱為正比例階段。 該段中應(yīng)力的最高值稱為比例極限σp （Rp）。                 --proportion 當(dāng)外載荷卸除后，試件的變形可全部消除的，稱為彈性階段。對(duì)于 σp之后內(nèi)應(yīng)力與變形不再成正比的極短階段稱為滯彈性階段，彈性 階段應(yīng)力的最高值稱為彈性極限σe 。                         ---elasticity,彈性變形,,,,,,,,,,,第Ⅲ、Ⅳ階段：  屈服前微塑性變形與屈服變形 當(dāng)超過A點(diǎn)開始出現(xiàn)連續(xù)的均勻的微小塑性變形，與滯彈性變形很難 準(zhǔn)確區(qū)分； B上點(diǎn)為不連續(xù)屈服開始， B上點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為上屈服強(qiáng) 度ReH ，進(jìn)入到屈服，內(nèi)應(yīng)力并不增加，但塑性變形在不斷增加， 即材料已失去抵抗繼續(xù)變形的能力， B下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為下屈服強(qiáng)度 ReL（σs）。 在屈服階段，材料內(nèi)部晶格間發(fā)生滑移，滑移線大致與軸線城450角。 內(nèi)部晶格間發(fā)生滑移，是材料內(nèi)部剪切應(yīng)力造成的。,ReH,上屈服點(diǎn),對(duì)沒有明顯屈服現(xiàn)象的， 規(guī)定達(dá)到一定殘余伸長率 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度， 如Rr0.2，殘余伸長率為 0.2%時(shí)的應(yīng)力。,屈服,彈性變形,ReL（Rr0.2） 下屈服點(diǎn),,,,,,,,第Ⅴ階段：  均勻塑性變形（強(qiáng)化階段） 當(dāng)變形超過屈服階段，材料又恢復(fù)了對(duì)繼續(xù)變形的抵抗能力，欲使 試件繼續(xù)變形，必須增加應(yīng)力值，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化現(xiàn)象，材 料因此得到強(qiáng)化。 C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的為材料的抗拉強(qiáng)度Rm （σb）,應(yīng)變硬化,屈服,彈性變形,,,,,,,,,,第Ⅵ階段：  局部塑性變形（頸縮階段） 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度Rm（σb）后，試件最弱的橫截面的細(xì)微缺 陷會(huì)擴(kuò)展，導(dǎo)致該處截面開始變細(xì)，出現(xiàn)所謂頸縮現(xiàn)象，由于頸縮 部分的橫截面急劇減小，應(yīng)力亦因此進(jìn)一步升高，使變形集中于頸 縮處，應(yīng)力很快下降，曲線明顯下降，直至到D點(diǎn)試件被拉斷。,頸縮,屈服,斷裂,彈性變形,應(yīng)變硬化,,,,,,,,,塑性材料,,,,,只有一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo),,,,,抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度ReH 與ReL是評(píng)價(jià)材料性能的兩個(gè)主要 指標(biāo)。,一般特種設(shè)備金屬材料構(gòu)件都是在彈性狀態(tài)下工作的，不允許 發(fā)生塑性變形，所以在特種設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)采用ReH 、ReL作為 強(qiáng)度指標(biāo)，并加以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)ns； 但由于Rm測(cè)定較為方 便， 也經(jīng)常采用，但需使用較大的的安全系數(shù)nb來保證。,ReL（Rr0.2）,Rm,,,,,,,,一般設(shè)計(jì)若以屈服強(qiáng)度Re （σs）作為指標(biāo)時(shí)，鍋爐規(guī)范規(guī)定 安全系數(shù)ns＝1.5，壓力容器規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)ns＝ 1.5（原 1.6） 。 若采用抗拉強(qiáng)度Rm （σb）作為指標(biāo)時(shí)，鍋爐規(guī)范規(guī)定安全系 數(shù)nb＝2.7，壓力容器規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)ns＝ 2.7（原3.0） 。,許用應(yīng)力：,最大工作應(yīng)力,[σ]=,σs ns,σb 或  nb,max,σ  工作,≤  [σ ],=,max A,N,,,,,,,,,,,,1.1.3  塑性,A <  5%,為脆性材料；,A ≥5~10%為韌性材料；,A ≥10%,為塑性材料。,低碳鋼：20-30%，鑄鐵：1%,知識(shí)  第4頁,塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能 力。 當(dāng)外力作用除去后，固體的變形不能完全消失的稱為塑性變 形。 材料塑性的指標(biāo)通常用斷后伸長率A和斷面收縮率Z。 斷后伸長率： A＝［（L1－L0）/L0］×100％； L0－試件原標(biāo)距長度， L1－拉斷后試件標(biāo)距長度。 良好的塑性是金屬材料進(jìn) 行塑性加工的必要條件。,,,,,,TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,2.4.3  斷后伸長率,表2,（1）壓力容器受壓元件用鋼板、鋼管和鋼鍛件的斷后伸長率應(yīng)當(dāng)符合本規(guī)程 引用標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定； （2）焊接結(jié)構(gòu)用碳素鋼、低合金高強(qiáng)度鋼和低合金低溫鋼鋼板，其斷后伸長 率（A）指標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合表2-2的規(guī)定；,（3）采用不同尺寸試樣的斷后伸長率指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)按照GB/T 17600.1《鋼的 伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》和GB/T 17600.2《鋼的伸長率換 算第2部分：奧氏體鋼》進(jìn)行換算，換算后的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合本條規(guī)定。,鍋爐要求：,A≥ 18%,TSG G0001-2012《鍋爐監(jiān)察規(guī)程》,壓力管道要求：A ≥ 14%,TSG D0001-2009《管道監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》,容規(guī)  第6頁,,,,,,,,,,,斷面收縮率： Z ＝［（S0－S1） /S0］×100％,S0－試件原來截面積，S1－拉斷后試件頸縮處的截面積,低碳鋼：60%,重要的受力元件要求具有一定的塑性，因?yàn)樗苄灾笜?biāo)較高的 材料制成的元件不容易發(fā)生脆性破壞，在破壞前元件將出現(xiàn) 較大的塑性變形，與脆性材料相比有較大的安全性。 材料強(qiáng)度越高，其塑性就越差。,但一味追求高的塑性，會(huì)造成產(chǎn)品粗大笨重，材料浪費(fèi)。,,,,,,,,,,,1.1.4  硬度,知識(shí)  第5頁,硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。 工程上根據(jù)所采用的測(cè)定儀器和測(cè)定方法的不同，硬度值一 般可分為布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV、里氏硬 度HL。 硬度試驗(yàn)方法： （1）壓入法  -  布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV （2）劃痕法  - （3）回跳法  - 里氏硬度HL,,,,,,,1.布氏硬度HB,GB/T 231.1-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》 用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上，保持規(guī)定的時(shí)間， 測(cè)量表面壓痕直徑為d。由d計(jì)算出壓痕表面積S。然后計(jì)算 HB=P/S。 布氏硬度試驗(yàn)是由瑞典的布利涅爾（J.B.Brinell）于1900年提出來的,知識(shí)  第5頁,,,,,優(yōu)點(diǎn)：,測(cè)量準(zhǔn)確，因壓痕大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性,強(qiáng)，主要用于硬度較低的一些材料。 缺點(diǎn)：,壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)，不能測(cè)量成品,零件或薄工件。,應(yīng)用：,壓頭為淬火鋼球，HBS表示，,只能測(cè)試布氏硬度 < 450的材料； 壓頭為硬質(zhì)合金鋼球，HBW表示， 可測(cè)試布氏硬度為450~650的材料。,,,,,試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間 按下表選擇,,,,,2.洛氏硬度HR,GB 230.1-2004《金屬洛氏硬度試驗(yàn)》,采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm（1/16〞） 的淬火鋼球作為壓頭。,試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測(cè) 量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷， 依據(jù)壓痕深度（h）來確定材料的硬度值。,根據(jù)壓頭的材料及所加的負(fù)荷不同又 可分為HRA、HRB、HRC三種,洛氏硬度是由美國的洛克威爾,（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell） 于1919年提出來的,,,,,常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍與應(yīng)用范圍,優(yōu)點(diǎn)：,表示： 70~85 HRA,測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕??；    25~100 HRB 測(cè)量范圍大，適用于測(cè)量成品和薄工件。   20~70 HRC 缺點(diǎn)： 測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺 的硬度值不能比較 。不適于測(cè)量組織不 均與材料。,,,,,,,3.維氏硬度HV GB 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)》 維氏硬度的測(cè)量原理與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為一相 對(duì)面夾角為136°金剛石正四方棱錐體，所加負(fù)荷為 5~120kgf（49.03~1176.80N）。---與布氏硬度原理基本相同。 壓出正方形壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角平均長度，用壓痕單位面 積上承受的力作為材料硬度的度量。,維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn) 維氏硬度試驗(yàn)是由英國的史密斯（R.L.Smith）和 桑德蘭德（G.E.Sandland）于1925年提出來的。 620HV30/20 表示：在30kfg載荷下保持20s測(cè)得維氏硬度為620 620HV30 表示：在30kfg載荷下保持10～15s測(cè)得維氏硬度為620,,,,,它所測(cè)定的硬度值比布氏、洛氏硬度精 確，壓入深度淺，適于測(cè)定經(jīng)表面處理 零件的表面層的硬度，改變負(fù)荷可測(cè)定 從極軟到極硬的各種材料的硬度。 如測(cè)定金相組織中不同區(qū)域的硬度、測(cè) 定焊縫不同區(qū)域（熔合區(qū)、熱影響區(qū)）的硬 度。 缺點(diǎn)： 測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。,標(biāo)注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件—試驗(yàn)力和保 持時(shí)間（10~15S不標(biāo)）但測(cè)定過程比較麻煩。 例：580HV30，表示用30kgf （294.2N）試驗(yàn)力保持10~15S 測(cè)定的維氏硬度值為580。 優(yōu)點(diǎn)：,顯微硬度： 采用較低的試 驗(yàn)力可使維氏 硬度的壓痕非 常小，這樣就 可以測(cè)定金相 組織中不同相 的硬度。 如測(cè)定焊縫不 同區(qū)域的硬度。,,,,,4.里氏硬度HL,GB 17394-1998《金屬里氏硬度試驗(yàn)》,里氏硬度的計(jì)算公式如下：,HL=1000×VB/ VA 式中：,HL — 里氏硬度符號(hào),VA — 球頭的沖擊速度，m/s； VB — 球頭的反彈速度，m/s。,是利用電磁感應(yīng)原理，測(cè)量小沖頭撞擊被測(cè)表面的回彈速度， 然后與沖擊速度相比，用里氏硬度HL 來表示硬度值。               8 里氏硬度計(jì)體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)便，在任何方向均可測(cè)試， 所以特別適合于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件材料表面硬度的測(cè)定，測(cè)后可以直接 讀出硬度值，并能及時(shí)轉(zhuǎn)換（近似）為布、洛、維等各種硬度 值。,,,,,硬度與強(qiáng)度有一定關(guān)系。一般情況下，硬度較高的材料其強(qiáng) 度也較高，所以可以通過測(cè)試硬度來估算材料強(qiáng)度。此外， 硬度較好的材料，耐磨性較好。 材料的強(qiáng)度Rm與硬度HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼:   Rm （MPa） ≈ 3.6HB 對(duì)于高碳鋼：Rm （MPa） ≈ 3.4HB,Rm （MPa） ≈ 1HB 或 Rm （MPa） ≈  0.6（HB -,對(duì)于鑄鐵： 40）,,,,,,1.1.5  沖擊韌度,知識(shí)  第6頁,沖擊韌度是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量 大小的特性。            -----擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差，即是擺錘沖擊試樣所做的功。 試驗(yàn)：通常是在擺式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的。 GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》 沖擊吸收能量（勢(shì)能差）：,K= G（h1 – h2）,（J）焦耳,沖擊吸收功： AK= G（h1 – h2）    （J）焦耳 沖擊韌度：,αK= AK/  SN,（J/m2）,,,,,,GB/T 229-2007《金屬材料,夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,1.1.5  沖擊韌度 沖擊韌度是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量 大小的特性。                                                                                                                            知識(shí)  第6頁 試驗(yàn)：通常是在擺式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的。,,,,,材料沖擊韌度的高低，取決于材料有無迅速塑性變形的能力。 V型缺口根部半徑越小，對(duì)沖擊越敏感。,沖擊韌性高的一般都有較高的塑性，但塑性較高的材料卻不一 定都有較高的沖擊韌性。,沖擊韌性是對(duì)材料化學(xué)成分，冶金質(zhì)量，組織狀態(tài)，內(nèi)部缺陷 以及試驗(yàn)溫度等比較敏感的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)也是衡量材料 脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特征的重要指標(biāo)。,我國用于壓力容器所有材料牌號(hào)其沖擊功均能滿足要 求。境外一些牌號(hào)材料標(biāo)準(zhǔn)值（如ASME標(biāo)準(zhǔn)中很多牌 號(hào)的材料）不能滿足上述規(guī)定，設(shè)計(jì)人員在選用時(shí)應(yīng) 予以注意。（實(shí)物水平）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,新標(biāo)準(zhǔn) GB/T229－2007,名稱 沖擊吸收能量,--焦耳（J）,符號(hào) K,名稱 沖擊吸收功,符號(hào) AK,U型缺口試樣在2mm錘刃下的 沖擊吸收能量 U型缺口試樣在8mm錘刃下的 沖擊吸收能量 V型缺口試樣在2mm錘刃下的 沖擊吸收能量 V型缺口試樣在8mm錘刃下的 沖擊吸收能量 轉(zhuǎn)變溫度,KU  2 KU 8 KV  2 KV  8 Tt,U型缺口沖擊吸收功 （2mm錘刃） V型缺口沖擊吸收功 （2mm錘刃） 韌脆轉(zhuǎn)變溫度,AKU AKV TC,按國標(biāo)GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型 缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并 用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2 。,活學(xué)活用 舊標(biāo)準(zhǔn) GB/T229－1994,,,,,,TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 2.4.2  沖擊功,厚度不小于6mm的鋼板、直徑和厚度可以制備寬度為5mm小尺寸 沖擊試樣的鋼管、任何尺寸的鋼鍛件，按照設(shè)計(jì)要求的沖擊試驗(yàn)溫 度下的V型缺口試樣沖擊功 （KV2）  指標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合下表2-1的規(guī)定。,容規(guī)  第6頁,活學(xué)活用,σ max,σ max,1.1.6  有關(guān)材料的進(jìn)一步知識(shí) 1. 有關(guān)應(yīng)力的進(jìn)一步知識(shí) （1）    應(yīng)力的種類 2）  彎曲應(yīng)力,M,M,M,M,中性 層,中性層與截面 交線,實(shí) 際,t,z,y,x,c Mz,知識(shí)  第7頁,,,,,,③ 交變應(yīng)力-------疲勞強(qiáng)度,在工程中，有許多構(gòu)件在工作時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)間而交替變化的應(yīng)力， 這種應(yīng)力稱之為交變應(yīng)力。 構(gòu)件長期在低于屈服應(yīng)力的交變應(yīng)力的作用下，有些會(huì)出現(xiàn)疲 勞破壞現(xiàn)象。 材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲 勞極限。用σ-1表示。 鋼鐵材料規(guī)定的循環(huán)基數(shù)N0 ：鋼為107，有色金屬為108。 鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:   σ-1 = （0.45～0.55）σb,知識(shí)  第7頁,,,,,疲勞破壞是損傷的積累過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、,瞬間斷裂三各階段。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。,據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的構(gòu)件失效 為疲勞破壞。,,,,,,（2）應(yīng)力集中的概念     由于構(gòu)件橫截面的尺寸的突變，而引 起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象。 知識(shí)  第8頁,a、形狀尺寸的影響： 尺寸變化越急劇、角越尖銳、孔 越小、裂紋缺陷，應(yīng)力集中的程度越 嚴(yán)重。 應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度與缺口大小有 關(guān)，同時(shí)與缺口的尖銳程度有關(guān)，缺 口越尖銳，即缺口根部曲率半徑越小， 應(yīng)力集中系數(shù) K 就越大。 一般說來，焊接接頭咬邊缺陷引起 的應(yīng)力集中，比氣孔缺陷嚴(yán)重得多。 而裂紋引起的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重。 b、材料的影響： 應(yīng)力集中對(duì)塑性材料的影響不太大， 對(duì)脆性材料的影響嚴(yán)重，對(duì)脆性材料 應(yīng)特別注意。,σmax σ,K   =,,,,,,,,,,,π 4,pD 4δ,σ 1 =,D 2 + σ 1πDδ  = 0,?  p,（3）   承壓特種設(shè)備殼體的工作應(yīng)力,軸向應(yīng)力：,周向應(yīng)力：,σ  2,pD 2δ 軸向應(yīng)力是周向應(yīng)力的一半。,=,?  pDl   + σ  2 2δl  = 0,,,,,,2. 有關(guān)力學(xué)性能的進(jìn)一步知識(shí),（1）    彎曲試驗(yàn),GB/T 232-1999《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》,通過冷彎沖頭加壓。當(dāng)試件彎曲至180°時(shí)，檢察試件彎曲部分的外 面、里面和側(cè)面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性 能合格。 彎曲試驗(yàn)可以考核： 焊縫和熱影響區(qū)的塑性； 焊接接頭內(nèi)部缺陷； 焊縫致密性； 焊接接頭不同區(qū)域協(xié)調(diào)變形的能力。 應(yīng)用于：焊工考試、焊接工藝評(píng)定,知識(shí)  第9頁,,,,,,Rm,ReL,知識(shí)  第9頁 （2）    屈強(qiáng)比 材料的屈服強(qiáng)度與強(qiáng)度極限的比值，即ReH（ReL） / Rm,稱為屈強(qiáng)比。 這個(gè)值越小，表明屈服強(qiáng)度與強(qiáng)度極限的差距越大，材料的塑性越 好，使用中的安全裕度越大；反之，安全裕度相對(duì)越小。 使用高屈強(qiáng)比的材料可以節(jié)省材料用量，但該類材料對(duì)應(yīng)力集中較 為敏感，抗疲勞性能較差，較易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象而使材料變脆。 對(duì)于高強(qiáng)鋼，屈強(qiáng)比也越高，當(dāng)其大于0.7，應(yīng)加以重視。大于0.8的 材料要從嚴(yán)控制，慎重處理。,,,,,,機(jī)械學(xué),bzx,（3） 斷裂韌度,早期的材料力學(xué)研究中，都假設(shè)材料是均勻的、連續(xù)的、各向 同性的。 工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于σb的情況下發(fā)生意外斷裂事故。 如1943年1月美國一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷成兩半，計(jì)算的 甲板應(yīng)力為7kg/mm2，遠(yuǎn)低于σb（30 - 40kg/mm2）。 美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸，經(jīng)過研究 ，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中存在0.1- 1mm的裂紋并擴(kuò)展所致。 1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂,知識(shí)  第10頁,,,,,,機(jī)械學(xué),bzx,實(shí)際上材料遠(yuǎn)非是均勻的、連續(xù)的、各向同性的，其組織中 存在微裂紋、夾雜、氣孔等各種缺陷，這些缺陷可看成是材 料中的裂紋。 在材料受外力作用時(shí)，這些裂紋的尖端附近便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集 中，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi) 部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌度。 紋擴(kuò),式中：,Y---無量綱系數(shù)，與裂紋形狀、加載方式 、試樣幾何尺寸有關(guān) σ---外加拉應(yīng)力（MPa） α ---裂紋長度的一半（m）,知識(shí)  第10頁 a．應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K  I 當(dāng)材料受外力作用時(shí)，這些裂紋的尖端附近便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集 中，形成裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)斷裂力學(xué)對(duì)裂紋尖端應(yīng)力 場(chǎng)的分析，裂紋前端附近應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱主要取決于一個(gè)力學(xué) 參數(shù)------應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K  I （MN/m3/2）,裂紋尺寸的平方根與應(yīng)力的乘積定義,,,,,b．?dāng)嗔秧g度,對(duì)某一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸外力作用下 ，Y值是一定的。,當(dāng)外加拉應(yīng)力逐漸增大，或裂紋長度逐漸擴(kuò) 展時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K  I也不斷 增大；,當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K  I增大到某一臨界值時(shí)， 就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以 使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò) 展，導(dǎo)致脆斷，這個(gè)臨界值稱為材料的斷裂 韌度，用K  I C表示。,K  I ＜K  I C時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展；,K  I ≥K  I C，則材料處于失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生脆裂。,,,,,,c．材料斷裂韌度K  I C的測(cè)定： K  I C可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn) 擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)，是材料的一種固有 特性，是與強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)，與裂紋本 身的大小、形狀，外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決 于材料本身的成分、內(nèi)部組織（熱處理及加工 工藝）和結(jié)構(gòu)。 d．材料斷裂韌度K  I C的應(yīng)用： i）探測(cè)出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)KIC，制定零 件工作是否安全KI≥KIC ，失穩(wěn)擴(kuò)展。 ii）已知內(nèi)部裂紋2a，計(jì)算承受的最大應(yīng)力。 iii）已知載荷大小，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的 內(nèi)部宏觀裂紋的臨界尺寸。,知識(shí)  第10頁,,,,,,（4）    材料的脆化,知識(shí)  第11頁,用于承壓特種設(shè)備受壓元件所用的材料在常溫靜載荷條件下一 般都有較好的塑性和韌性。 但，在一些不利的條件或環(huán)境下，塑性材料也會(huì)發(fā)生脆化，即 塑性或韌性降低。 ① 冷脆性 隨著溫度的降低，韌性會(huì)下降，金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性 稱為冷脆性。 比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因磷高產(chǎn)生 冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中,,,,,位于加拿大的圣勞倫斯河之上的Quebec Bridge本該是著名設(shè)計(jì)師Theodore Cooper的一個(gè)真正有價(jià)值的不朽杰作。作為當(dāng)時(shí)世界上最長跨度的鋼懸臂橋， 就在這座橋即將竣工之際，悲劇發(fā)生了。1907年8月29日，大橋桿件發(fā)生失穩(wěn)， 突然倒塌，19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還。 1913年，這座大橋的建設(shè)重新開始，然而不幸的是悲劇再次發(fā)生。1916年9月， 中間跨度最長的一段橋身在被舉起過程中突然掉落塌陷。結(jié)果13名工人被奪去 了生命。事故的原因是舉起過程中一個(gè)支撐點(diǎn)的材料指標(biāo)不到位造成的。,1917年，在經(jīng)歷了兩次慘痛的悲劇后，魁北克大橋終于竣工通車，這座橋至 今仍然是世界上最長的懸臂跨度大橋。,,,,,,材料由延性破壞轉(zhuǎn)變到脆性破壞的上限溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 一般說來，要防止發(fā)生低溫脆性破壞，鋼材的最低允許工作溫度 應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的上限。 保證不產(chǎn)生低溫脆斷的措施：使用低溫專用材料；應(yīng)經(jīng)低溫沖擊 試驗(yàn)合格；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)避免應(yīng)力集中產(chǎn)生；焊縫 不允許 咬邊。,GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》 GB 4159-1984 《金屬低溫夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》,每個(gè)試驗(yàn)溫度一般用三支試樣,知識(shí)  第11頁,能量吸收－沖擊試驗(yàn),體心立方,面心立方 密排六方,溫度 體心立方晶格的沖擊韌性值會(huì)急劇降低，具有脆韌轉(zhuǎn)變溫度NDT。,體心立方晶格金屬具有脆韌轉(zhuǎn)變溫度， 而大多數(shù)面心立方晶格金屬?zèng)]有,活學(xué)活用 體心立方晶格金屬具有脆韌轉(zhuǎn)變溫度， 而大多數(shù)面心立方晶格金屬?zèng)]有,20g、20R,16Mng、16MnR 15MnVR,,,,,,② 熱脆性,鋼材長時(shí)間停留在400-500℃后再冷卻至室溫時(shí)，沖擊韌度值會(huì)有 明顯的下降，這種現(xiàn)象稱為鋼材的熱脆性。 值得注意的是具有熱脆性的鋼材，往往在高溫下并不呈現(xiàn)脆性，仍 具有較高的沖擊韌性，只有冷卻至室溫時(shí)，才顯現(xiàn)脆化現(xiàn)象； 鋼材的熱脆性只有通過沖擊試驗(yàn)才會(huì)明顯地顯示出來，一般沖擊韌 性下降50%～ 60%，甚至是80%～ 90% 。 對(duì)于工作溫度在400-500℃的受壓元件，必須注意熱脆性問題。 具有熱脆性的鋼材，金相組織沒有明顯變化。NDT無法檢測(cè)和評(píng)定 熱脆性，材料是否具有熱脆一般采用沖擊試驗(yàn)方法判斷。,知識(shí)  第11頁,,,,,,③ 氫脆,鋼材中的氫會(huì)使材料的力學(xué)性能脆化，這種現(xiàn)象稱為氫脆。主要發(fā)生 在碳鋼和低合金鋼。 鋼中氫的來源： 冶煉過程中溶解在鋼水中的氫，結(jié)晶時(shí)未及時(shí)逸出存留在鋼材中； 焊接過程中水或油在高溫下分解出的氫溶解入鋼材中； 設(shè)備運(yùn)行過程中工作介質(zhì)中的氫進(jìn)入鋼材； 鋼試件酸洗不當(dāng)也可能導(dǎo)致氫脆。 含氫的鋼材當(dāng)應(yīng)力大于某一臨界值（幾十個(gè)到上百個(gè)MPa）時(shí)，這時(shí)氫原子具有 最小的原子半徑可容易滲入鋼中與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷． 甲烷氣泡可在 鋼中夾雜物或晶界等場(chǎng)所成核，長大，并產(chǎn)生高壓，就會(huì)發(fā)生氫脆斷裂。 其是一個(gè)微觀裂紋在高應(yīng)力作用下的擴(kuò)展，脆斷應(yīng)力可低至20%下屈 服強(qiáng)度ReL。 鋼材的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感； 氫脆是一種延遲斷裂，斷裂延遲時(shí)間可由幾分鐘或者幾天。 氫脆斷裂只發(fā)生在–100~150℃的溫度范圍，很低的溫度不利于氫的 移動(dòng)和聚集；而較高的溫度可使氫從鋼中逸出，減輕鋼中氫濃度。 焊后及時(shí)保溫及熱處理（消氫處理）就是利用高溫下氫能逸出的原理。,知識(shí)  第11頁,,,,,,氫對(duì)鋼材危害較大，導(dǎo)致材料劣化統(tǒng)稱為氫損傷：,氫脆,–氫會(huì)使材料的力學(xué)性能脆化,不能用NDT檢測(cè),氫鼓包 –氫在分層處聚集,肉眼觀察,白點(diǎn),–氫在細(xì)微處聚集,用UT檢測(cè),氫腐蝕 –溫度大于250℃、氫分壓＞ 2MPa 氫致表面 裂紋 – 氫腐蝕使脫碳、滲碳體分解,打硬度和金相檢測(cè) 用MT或PT檢測(cè),知識(shí)  第12頁,,,,,,④ 苛性脆化,介質(zhì)內(nèi)具有含量很高的苛性鈉（NaOH）促使鋼材腐蝕加劇而引起的脆 化現(xiàn)象。一般都發(fā)生在受壓元件的鉚接及脹接處。 苛性脆化的破壞形式是在肉眼可看到的主裂紋上有大量肉眼看不到的分 支細(xì)裂紋。 元件發(fā)生苛性脆化時(shí)，裂紋附近的鋼材仍具有良好的塑性及脆性性能。 苛性脆化的細(xì)裂紋需要通過金相方法檢測(cè)判定。,知識(shí)  第12頁,分析鍋爐的苛性脆化： A、鍋爐運(yùn)行中爐水PH值失控，爐水中含有較高濃度的游離堿。 B、在鍋爐結(jié)構(gòu)上有造成爐水局部高度濃縮的條件，如在鉚釘縫隙和脹接 口縫隙處，由于接合不嚴(yán)密，爐水容易在此發(fā)生高度的濃縮。 C、在金屬中有接近于它的屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力。 苛性脆化就是晶間腐蝕，腐蝕沿著金屬晶粒的邊界進(jìn)行，形成極為細(xì)小的 犬牙交錯(cuò)的裂紋，苛性脆化一旦發(fā)生，金屬遭到破壞的速度會(huì)加速進(jìn)行。 當(dāng)能覺察到有裂紋時(shí)，金屬的損傷已達(dá)到了嚴(yán)重的程度，苛性脆化的危害 是很大的，由于苛性脆化的結(jié)果輕者使鍋爐停止運(yùn)行，重者會(huì)發(fā)生爆炸。,⑤  應(yīng)力腐蝕（SCC － Stress Crack Corrosion ）,由拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆性斷裂稱為應(yīng) 力腐蝕。 無論是塑性材料還是脆性材料都可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 應(yīng)力腐蝕只有在特定條件下才會(huì)發(fā)生： a）  元件承受拉應(yīng)力； b）  具有特定腐蝕介質(zhì)環(huán)境； 碳鋼和低合金鋼最常見的應(yīng)力腐蝕環(huán)境為： 奧氏體不銹鋼最常見的應(yīng)力腐蝕環(huán)境為：,c）  材料的敏感性： 低合金鋼的應(yīng)力腐蝕的敏感性比低碳鋼的應(yīng)力腐蝕的敏感性大。 整體消除應(yīng)力熱處理是防止承壓設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的有效措施。,奧氏體不銹鋼 碳鋼低合金鋼,氯離子 濕硫化氫/液氨/NaOH,知識(shí)  第13頁,1.2    金屬學(xué)與熱處理基本知識(shí),1.2.1  金屬的晶體結(jié)構(gòu) 物質(zhì)是由原子組成的。 液態(tài)金屬冷卻至凝固溫度時(shí)，金屬原子例由無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變 為按一定幾何形狀作有序排列的狀態(tài)，這種由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫? 體的過程稱為金屬的結(jié)晶。 凡內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。所有固態(tài)金屬都是晶體。,凡內(nèi)部原子呈不規(guī)則排列的物質(zhì)稱為非晶體。如：玻璃，松香， 瀝青等。 電子顯微鏡觀察到晶體內(nèi)部原子各種規(guī)則排列，稱為金屬的晶體 結(jié)構(gòu)。,知識(shí)  第14頁,,,,,,晶體內(nèi)部原子的排列方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。,金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為 金屬鍵。,常見純金屬的晶體結(jié)構(gòu)有：體心立方晶格、面心立方晶格、密 排六方晶格。,晶格：用假想的直線將原子中心 連接起來所形成的三維空間格架。 直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。,晶胞：能夠完整 地反映晶格特征 的最小幾何單元,,,,,（bcc）,體心立方晶胞中的原子數(shù)為1/8 x 8 + 1 = 2 個(gè)，致密度為0.68,體心立方：Cr鉻,W鎢   V釩,Cb鈮   Ta鉭   Mo鉬,鋼鐵（α-Fe、δ-Fe）,1、體心立方晶胞 Body centered  cubic lattice,,,,,面心立方晶胞中的原子數(shù)為1/8 x 8 + 1/2 x 6  = 4 個(gè)，致密度為0.74,Ag銀    鋼鐵（γ-,面心立方：Al鋁   Cu銅   Au金   Pb鉛   Ni 鎳  Pt 鉑 Fe）,2、面心立方晶胞 Face centered cubic  lattice    （fcc）,,,,,,密排六方晶胞中的原子數(shù)為1/6 x 12 + 1/2 x 2 + 3  = 6 個(gè)，致密度為0.74,密排六方：Zn鋅  Mg鎂   Zr 鋯,Ca鈣  Co鈷   Mn錳  Ti鈦,3、密排六方晶胞 hexagonal close packed lattice    （hcp）,,,,,,,,,能量吸收－沖擊試驗(yàn),沖擊韌度是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量大小的特性。,體心立方,面心立方 密排六方,溫度 體心立方晶格的沖擊韌性值會(huì)急劇降低，具有脆韌轉(zhuǎn)變溫度NDT。,,,,,,晶粒之間的界面稱為晶界。,實(shí)際使用的金屬是由許多晶粒組成的，又叫多晶體。,每一晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體，晶粒內(nèi)的原子的排列是相同的， 但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。,知識(shí)  第14頁,接觸，結(jié)晶即告結(jié)束。,金屬材料在冶煉過程中是由高溫的液態(tài)金屬冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的 結(jié)晶過程。,結(jié)晶過程總是從晶核開始，晶核通常是依附于液態(tài)金屬中固態(tài)微粒 雜質(zhì)而形成，液體中原子不斷向晶核聚集，使晶核長大；同時(shí)液體 中又不斷產(chǎn)生新的晶粒，并不斷長大，直至所有的晶粒長大到互相,知識(shí)  第15頁,晶核的長大方式有兩 種，即均勻長大和樹 枝狀長大。,,,,,,實(shí)際晶體的原子排列并非完美無缺，由于種種原因使晶體的許多 部位的原子排列受到破壞，從而產(chǎn)生各種各樣的缺陷。,常見的缺陷有: 點(diǎn)缺陷------空位、間隙原子、置代原子； 位錯(cuò)。,知識(shí)  第14頁,,,,,點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子、置換原子）破壞了原子的平衡狀態(tài)， 引起周圍晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。 其結(jié)果使金屬屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度增高，塑性、韌性下降。,機(jī)械學(xué),bzx,空位,間隙原子,大置換原子,小置換原子,,,,,位錯(cuò)，晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移， 滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。 位錯(cuò)的存在則使金屬容易塑性變形，強(qiáng)度降低。,機(jī)械學(xué),高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò) （白點(diǎn)為原子）,,,,,,,一般把碳含量0.02％～2％的稱為鋼。 含碳量大于2％的稱為鑄鐵。含碳量大于4.3％的鑄鐵極脆。 當(dāng)含碳量小于0.02％時(shí)稱純鐵（工業(yè)純鐵）。 《容規(guī)》規(guī)定，壓力容器（鍋爐、壓力管道）用鋼含碳量一般低于 0.25％。,1.2.2  鐵碳合金的基本組織 通常把鋼和鑄鐵統(tǒng)稱為鐵碳合金。鐵碳合金是由95％以上鐵 和0.05％～4％碳及1％左右雜質(zhì)元素所組成合金。 知識(shí)  第15頁,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,碳鋼,知識(shí)  第16頁,1、ACD線  —液相線；液體到此開始結(jié)晶。 2、AECF線—固相線；合金至此全部結(jié)晶為固體。,過共晶白口鑄鐵,亞共晶白口鑄鐵,亞共析鋼,,,,,（1） 工業(yè)純鐵,Wc ＜0.0218,顯微組織：F + Fe3CⅢ F是呈亮白色的等軸狀晶粒,F 鐵素體,,,,,,,（2）    鋼的基本組織有奧氏體、鐵素體、滲碳體等（3種）。,1.鐵素體（F）,知識(shí)  第16頁,碳在 α -Fe（低于910℃）中的固溶體，稱鐵素體, 用F或α表示。 碳在δ-Fe（1390~1535 ℃之間）中的固溶體，稱δ-鐵素體，用δ表示 α鐵和δ鐵，都是體心立方晶格（有冷脆性的）。 鐵素體溶碳量極差， 在727℃時(shí)為0.022% ；室溫時(shí)為0.0008%，幾 乎為零。                                                                                                                                         知識(shí)  第22頁 金相組織為明亮的多邊形晶粒。其強(qiáng)度和硬度不高，具有良好的塑性 和韌性，在770℃以下它具有鐵磁性，超過770℃ 則喪失鐵磁性。,純鐵的基體組 織，主要為白 色鐵素體，晶 粒均勻分布（6 級(jí)），圖中黑 色細(xì)條為晶界 腐蝕線。,晶粒度：常見1～ 8級(jí)。8級(jí)細(xì)小而 均勻、綜合力學(xué) 性能好。,,,,,,,,2. 奧氏體（A）,碳熔于γ- Fe中（910~1390℃ ）的所形成的間隙固溶體。,γ-鐵是面心立方晶格。用A表示。,奧氏體溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)達(dá)2.11%，在727℃時(shí)為 0.77%。奧氏體與鐵素體相比，塑性很高，硬度和屈服點(diǎn)較低。 在鐵碳合金系中，僅存在于727℃以上的高溫范圍內(nèi)，不具有鐵磁 性，因此，在軋制、鍛造時(shí)常加熱到奧氏體狀態(tài)，以提高其塑性。 奧氏體組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較鐵素體平直。 碳鋼室溫組織中無奧氏體。,知識(shí)  第16頁 知識(shí)  第22頁,,,,,,,,3.滲碳體（ Fe3C ） 鐵和碳的金屬化合物，具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。,知識(shí)  第17頁,知識(shí)  第22頁,滲碳體的熔化溫度為1600℃，碳含量為6.67％， 滲碳體的硬度很高，脆性極大，而塑性和韌性幾乎為零。 滲碳體在低溫下弱磁性，高于217℃磁性消失。 鐵碳合金含碳量小于2％時(shí)，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是 碳素鋼。 含碳量大于2％時(shí)，部分碳以石墨形式存在，稱鑄鐵?？估瓘?qiáng)度和塑 性都比碳鋼低。但鑄鐵具有一定消震能力。 由于碳在α-Fe中的溶解 度很小，因而常溫下碳 大部分以滲碳體Fe3C的 形式存在。,,,,,,,亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變,含碳量0.2%的鐵碳合金結(jié)晶過程（亞共析鋼）：,知識(shí)  第17頁,奧氏體,鐵素體+奧氏體,鐵素體+珠光體 F+P,,,,,,,珠光體顯微組織 ×5000,鋼的基本組織除了奧氏體、鐵素體、滲碳體基本相組成的單相組 織外，還有由兩種基本相組成多相組織，即珠光體、萊氏體。,4. 珠光體（P）,珠光體是鐵素體與滲碳體以片層相間排列而成機(jī)械混合物。片層間距和,片層厚度主要取決于奧氏體分解時(shí)的過冷度，據(jù)片層厚薄分 ：粗珠光體P、索氏體S、屈氏體T,在緩慢冷卻的條件下，含碳量為0.77%的鐵碳合金只發(fā)生共析反應(yīng)， 其組織是100%珠光體，稱為共析鋼。,珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度和硬度較高，塑性也較 好。,含碳量大于0.77%的鐵碳合金為過共析鋼，其組織為:P+滲碳體Fe3C 含碳量小于0.77%的鐵碳合金為亞共析鋼，其組織為:F+P。,第17頁,片狀珠光體，透射電鏡二次 碳復(fù)型圖像。圖中可見不同 取向的珠光體領(lǐng)域。,第23頁,,,,,鋼的基本組織除了奧氏體、鐵素體、滲碳體基本相組成的單相組 織外，還有由兩種基本相組成多相組織，即珠光體、萊氏體。,5、萊氏體（Ld）,萊氏體是奧氏體與滲碳體的混合物，萊氏體是一種高溫組織，在高 于1148 ℃時(shí)存在， 4.3%C 。,萊氏體的硬度很高，脆性很大，塑性很差。,萊氏體顯微組織 ×5000,F,F+P,P,P+Fe3C,P+Fe3C +Le’,Le’,Le’+ Fe3C,C%,0.77,2.11,4.3,6.69,0  0.02,F,P,Le’,Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,低碳鋼是亞共析鋼，其正常組織是鐵素體F＋珠光體P。 碳含量越低，組織中鐵素體F的含量就越多，材料的塑性和韌 性就越好，但強(qiáng)度和硬度就隨之降低。 第18頁 含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響,碳鋼,亞共晶白口鑄鐵,過共晶白口鑄鐵,,,,,,（a） 0.20% C,（c） 0.60% C,亮白色為鐵素體 暗黑色為珠光體,（b） 0.45% C 亞共析鋼顯微組（100×） 浸蝕劑為4％硝酸酒精溶液,低碳鋼是亞共析鋼，其正常組織是鐵素體F＋珠光體P。 碳含量越低，組織中鐵素體F的含量就越多，材料的塑性和韌性 就越好，但強(qiáng)度和硬度就隨之降低。 第18頁 亞共析鋼的室溫平衡組織,,,,,,,,性就越好，但強(qiáng)度和硬度就隨之降低。,低碳鋼是亞共析鋼，其正常組織是鐵素體F＋珠光體P。 碳含量越低，組織中鐵素體F的含量就越多，材料的塑性和韌,強(qiáng)度：當(dāng)C0.9％時(shí)， 由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布， 使鋼的強(qiáng)度下降。,硬度：隨C的增加而提高。,塑性：隨C的增加而迅速降低。,沖擊韌性：隨C的增加而迅速 降低。,第16頁,這種合金就稱為奧氏體合金，這種。,如果把合金元素加入鋼中，F(xiàn)e-Fe3C相圖將發(fā)生變化，即改變A3、 A4的位置。                                                                                                                                         第18頁 1、擴(kuò)大γ鐵相區(qū)，錳、鎳、碳、氮、銅等元素。 其中鎳和錳能使 A3 急劇下降，當(dāng)加入量達(dá)到 30%時(shí)， 就在室溫下得到單一的奧氏體組織，,A4 γ鐵,擴(kuò)大γ相區(qū)的元素—亦稱奧氏體 穩(wěn)定化元素，主要是Mn、Ni、Co、 C、N、Cu， 它們使A3點(diǎn)（γ-Fe 向 α-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn)）下降，A4點(diǎn)（γ-Fe 的轉(zhuǎn)變點(diǎn)）上升， 從而擴(kuò)大γ-相的 存在范圍。,A3 A,如果把合金元素加入鋼中，F(xiàn)e-Fe3C相圖將發(fā)生變化，即改變A3、 A4的位置。                                                                                                                                         第18頁 2、縮小γ鐵相區(qū)，鉻、鉬、鈦、硅等元素。 鉻增至20%能使A3、A4線重合，此時(shí)，合金沒有奧氏體，稱為鐵 素體合金。 A4,A3,γ鐵,縮小γ相區(qū)的元素—亦稱鐵素體 穩(wěn)定化元素，主要是Cr、Mo、W、 V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr， 它們 使A3點(diǎn)上升，A4點(diǎn)下降， 從而縮小 γ-相的存在范圍。,0Cr13 1Cr18Ni9Ti,是鐵素體不銹鋼 是奧氏體不銹鋼,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,時(shí)間 Time,保溫,冷卻,加熱,溫度 Temperature,1.2.3 熱處理的一般過程,熱處理過程：熱處理過程主要是由加熱、保溫（時(shí)間）、 冷卻三個(gè)階段構(gòu)成的，溫度和時(shí)間是影響熱處理的主要因 素，因此熱處理過程都可以用溫度－時(shí)間曲線來表述。,知識(shí)  第19頁,40,鐵素體F＋珠光體P,鐵素體F＋奧氏體A,奧氏體A,,,,,鋼的冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏 體組織后，以不同的速度冷卻時(shí)，將獲得不同的力學(xué)性能,,,,,,,,,,,,,,,,加熱時(shí)，高于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象。 如圖所示Ac3、Ac1 、Acm為加熱時(shí)鋼的臨界溫度。,過 冷 度 冷卻時(shí)，低于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象。 如圖所示Ar3、Ar1 、Arcm為冷卻時(shí)鋼的臨界溫度。 實(shí)際生產(chǎn)中鋼的熱處理的冷卻總是在一定速度條件下進(jìn)行的，即存 在過冷現(xiàn)象，冷卻時(shí)理論臨界點(diǎn)與實(shí)際臨界點(diǎn)溫度的差值為過冷度。 對(duì)于同一金屬，冷卻速度越快，成分過冷度也越大。,,,,,,,1.2.3 熱處理的一般過程,鋼在熱處理過程中，組織變化，一是加熱時(shí)，二是冷卻時(shí)的轉(zhuǎn) 變： 1、加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變—奧氏體的形成： 常溫組織系F+P，加熱溫度超過AC1，珠光體P向奧氏體A的轉(zhuǎn)變，繼 續(xù)加熱，剩余鐵素體F向奧氏體A溶解，直至組織為單一奧氏體A。,2、冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變—奧氏體A的分解： 冷卻的目的，是使高溫下的奧氏體A組織隨著溫度的降低發(fā)生分解， 當(dāng)緩慢冷卻時(shí)，A轉(zhuǎn)化為F+P； 但實(shí)際冷卻不是一個(gè)緩慢的過程，存 在著一定的過冷度，那么隨著冷卻速度的不同，奧氏體分解的產(chǎn)物的 形態(tài)、分散度及性能都將發(fā)生不同的變化。,第19頁,727℃,912℃,第17頁,,,,,研究奧氏體轉(zhuǎn)變過程的冷卻方法有兩種：連續(xù)冷卻（與實(shí)際相近） 和等溫冷卻（奧氏體轉(zhuǎn)變易于測(cè)量）。 （1）等溫冷卻（曲線2）： 將溫度在7270C以上，組織為均勻奧氏體的鋼試樣，急冷至7270C以下的某 一溫度，然后保持這一溫度不變，經(jīng)過一段時(shí)間，奧氏體開始轉(zhuǎn)變，再經(jīng) 過一段時(shí)間，奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束，整個(gè)轉(zhuǎn)變過程的時(shí)間變化范圍可以從幾秒 至幾晝夜。將不同溫度下奧氏體轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束的時(shí)間繪制成曲線，即得 到奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，由于曲線形狀像字母C，所以又稱C曲線。,（2）連續(xù)冷卻（曲線1）： 實(shí)際生產(chǎn)中，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行的，在連續(xù) 冷卻過程中，只要過冷度與等溫轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)，則所得到的組織與性能也是 對(duì)應(yīng)的。,,,,,,奧氏體A,鐵素體F＋奧氏體A 鐵素體F＋珠光體P,第20頁,上貝氏體 下貝氏體 針狀馬氏體 板條狀馬氏體,過冷奧氏體,第23頁,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）連續(xù)冷卻 實(shí)際生產(chǎn)中，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行的 ，在連續(xù)冷卻過程中，只要過冷度與等溫轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)，則所得到 的組織與性能也是對(duì)應(yīng)的。,第21頁 研究奧氏體轉(zhuǎn)變過程的冷卻方法有兩種：連續(xù)冷卻（與實(shí)際相近） 和等溫冷卻（奧氏體轉(zhuǎn)變易于測(cè)量）。,第21頁,V0,鐵素體F＋珠光體P,珠光體,索氏體 貝氏體,過冷奧氏體,,,,,,影響C曲線的因素： 1、碳的影響：,在正常加熱條件下，亞共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移（亞 共析鋼在過冷奧氏體冷卻時(shí)發(fā)生共析分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織之 前就開始析出鐵素體新相）；過共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而 右移。 2、合金元素的影響： 除了鈷以外，所有合金元素溶入奧氏體后，都增大其穩(wěn)定性，使C曲 線右移。碳化物形成元素含量較多時(shí)，C曲線的形狀也發(fā)生改變。 3、加熱溫度和保溫時(shí)間的影響： 隨著加熱溫度的提高和保溫時(shí)間的延長，奧氏體的成份更加均勻，作 為奧氏體轉(zhuǎn)變的晶核數(shù)量減少，同時(shí)奧氏體晶粒長大，晶界面積減少 ，這些都不利于過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C 曲線右移。,第21頁,亞共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線,亞共析鋼比共析鋼多一 個(gè)先析出鐵素體的過程 亞共析鋼相對(duì)共析鋼的 C曲線位置左移，等溫 轉(zhuǎn)變所需時(shí)間較短，意 味著P析出的總時(shí)間更 長、晶粒更大些，故 塑性、韌性相對(duì)較好,第21頁,加入錳、鉻、鉬、鎳、釩等各種合金元素，會(huì)使C曲線發(fā)生變化： 1、C曲線向右移 使淬火臨界冷卻速度減小，有利于零件的淬透性；但易發(fā)生脆硬現(xiàn)象， 即低合金鋼焊后自然冷卻，往往會(huì)脆硬。,2、改變C曲線的形狀,第22頁,,,,,1.2.4承壓類特種設(shè)備用鋼常見金相組織和性能,1、奧氏體A［Feγ（C）］ 是碳在γ-Fe中的固溶體，在合金鋼中是碳和合金元素溶解在γ-Fe中的固 溶體。 奧氏體塑性很高，硬度和屈服點(diǎn)較低，是鋼中比容最小的組織。奧氏體 保持γ-Fe的面心立方晶格，在金相組織中為規(guī)則的多邊形。,2、鐵素體F［Feα（C）］： 鐵素體是碳與合金元素溶解在α-Fe中的固溶體。,鐵素體性能接近純鐵，硬度低，塑性好。固溶有合金元素的鐵素體能提 高鋼的強(qiáng)度和硬度。常溫下含碳量為0.008％。 保持α-Fe的體心立方晶格，在金相組織中為規(guī)則多邊形。 3、滲碳體［Fe3C］： 滲碳體是鐵和碳的化合物，又稱碳化鐵，常溫下鐵碳合金中大部分以滲 碳體存在。 滲碳體在低溫下為弱磁性。滲碳體熔化溫度為1600℃，碳量為6.67％， 硬度高，脆性大，塑性近似于零。,第22頁,復(fù)習(xí)一下,4、珠光體［ P ］ ：,索氏體；,屈氏體。,珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，是含碳量為0.77％的碳鋼共析 轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，由鐵素體和滲碳體相間排列的片層狀組織。 第23頁 粗片珠光體；,復(fù)習(xí)一下,,,,,,屈氏體，在550～600℃范圍內(nèi)形成的片層更細(xì)，平均片 層間距小于0.1 mm，只有在電子顯微鏡放大10000倍才 能分辨出層片的珠光體。 它們沒有本質(zhì)的區(qū)別，故可統(tǒng)稱為珠光體。,按珠光體片層狀間距大小可分為： 粗片珠光體，在A1～700℃范圍內(nèi)形成的片層較厚，平均片層間距大于 0.5mm，在一般500倍的光學(xué)顯微鏡下能分辯出層片的珠光體； 第23頁 索氏體，在600～650℃范圍內(nèi)形成的片層較細(xì)，平均片層間距0.3mm～0.4 mm，在1000倍的光學(xué)顯微鏡下才能分辯出層片的珠光體；,,,,,,5、馬氏體［ M ］ ：,馬氏體金相組織中，互成一定角度的白色針狀結(jié)構(gòu)。 正常淬火工藝下， 馬氏體大部分為細(xì)針狀或隱針狀。,馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。當(dāng)鋼在高溫奧氏體化后，若快速 冷卻到馬氏體點(diǎn)之下時(shí)，鋼中碳原子來不及擴(kuò)散，保留了高溫時(shí)母相奧 氏體的成分，因此，馬氏體是鋼在奧氏體化后快速冷卻到馬氏體點(diǎn)之下 發(fā)生無擴(kuò)散性相變的產(chǎn)物。                                                                                                        第23頁 體心立方晶格發(fā)生了畸變，形成了體心正方晶格。馬氏體具有很高的硬 度，很脆，沖擊韌性低，塑性韌性幾乎等于零。,