承压类特种设备无损检测相关知识.

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1、承压类特种设备无损检测 相关知识（闭卷） 李伟 浙江宁波 2007年8月 第一篇金属材料、热处理及焊接基本 知识 第一章 金属材料及热处理基本知识 金属材料的性能主要包括以下两个方面 1.使用性能（力学性能、物理性能、化学性能） 2.工艺性能 使用性能：决定了材料的应用范围，使用的可靠 性和使用的寿命 工艺性能：对制造成本，生产效率产品质量有很 大的影响。 1.1 材料力学基本知识 承压类特种设备材料的力学性能指标主要包 括强度、硬度、塑性、韧性等而这些指标 可以通过力学性能试验测定。 1.1.1 应力和应变 应力：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应力的大小。（ 方向垂

2、直于截面的应力称为正应力它可分 为拉应力和压应力两种） 应变：物体在外力作用下，其形状尺寸发生 相对变化。 1.1.2 强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能 力（材料强度指标可以通过拉伸试验测出） 抗拉强度b，屈服强度s 是评价材料强度性能 指标的两个最重要的指标。 1.1.3 塑性 塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆 永久变形的能力。（评定材料塑性的指标用伸 长率和断面收缩率表示） 特别要指出的是单纯 追求塑性会限制材料的强 度，造成产品粗大笨重，浪费材料减少使用寿 命。 1.1.4 硬度 硬度是指材料抵抗局部变形或表面损伤的能 力。 硬度试验的主要方法 1.布氏硬度HB 2

3、.洛氏硬度HR 3.里氏硬度HL 4.维氏硬度HV 维氏硬度主要测定金属表面硬 度的。焊接性能试验中最高硬度试验是用维 氏硬度来测定焊缝、熔合线和热影响区硬度 的 1.1.5 冲击韧性 冲击韧性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 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 。 冲击韧性指标用 AK表示，试样缺口 的形式有U型和V型两种。 材料力学方面需要掌握的问题 1.了解使用性能、工艺性能主要目的是什么 ？ 2.承压类特种设备材料的力学性能指标主要 包括哪些内容？ 3.强度的定义 4.维氏硬度的作用以及焊接接头硬度的测定

4、 一般应包括哪些部位？ 5.冲击韧性可以衡量焊接接头的哪些质量指 标？ 1.1.6 有关材料方面的进一步知识 1.应力 （1）应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交 变应力 当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚 度改变时，会在不连续出及其附近产生剪 切应力和弯曲应力 在长期交变应力下工作的承压类特种设备有 些会出现疲劳和破坏现象。 （2）应力集中的概念 在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生 突变，往往是缺陷引起的。这些缺陷统称为 缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、 夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中 的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹 引起的应力集中最为严重。 （3）承压类特种设备

5、的工作压力 试验表明；对对圆筒形容器来讲，环焊缝受 力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由 于不存在切向应力，只有经向应力。故在相 同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形 容器的壁厚大约可以减少一半。 2.有关材料力学方面的进一步知识 （1）弯曲试验 弯曲试验是焊接接头力学性能试验的主要项目 弯曲试验可以考核焊接接头的主要项目包括：焊缝和 热影响区的塑性、内部缺陷、焊缝的致密性、焊接 接头不同区域协调变形能力。 （2）屈服比的概念 描述高强度金属材料的一个术语。 （3）断裂韧度 断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗 脆性断裂的指标。断裂韧度是材料的固有指标它与 裂纹的大小，形状，外加

6、应力无关。主要取决材料 的成分，内部组织和结构。 （4）钢材的脆化 a.冷脆化；金属材料在低温下呈现的脆性称 为冷脆性。 b.热脆性；钢材长时间停留在4005000C 后再冷却到室温，冲击韧度值会有明显下 降，这种现象称之为钢材的热脆性。 c.氢脆；钢中的氢会使材料的力学性能脆化 ，这种现象称为氢脆。钢中的氢主要来源 三个方面1.冶炼过程中溶解在钢水中的氢 2.焊接过程中由于水或油污在高温下分解 出来的氢溶解在钢材中3.工作介质中的氢 进入钢中。氢致断裂只发生在-100 1500C的温度范围内。 d.苛性脆化；苛性脆化一般都发生在受压元 件的铆接和涨接处。 E.应力腐蚀脆性断裂；由于拉应力与介

7、质腐 蚀联合作用引起的低应力脆性断裂叫做应力 腐蚀。 应力腐蚀产生的必要条件： 1.元件承受拉应力的作用 2.具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环 境 3.材料对应力腐蚀的敏感程度。对钢材而言 应力腐蚀的敏感性与的成分、组织及热处理 情况有关。 有关材料和材料力学近一步知识方 面需要掌握的问题 1.在承压类特种设备中，哪些缺陷会引起应 力集中？ 2.弯曲试验可以考核焊接接头的哪些性能指 标？ 3.钢中的氢是怎样产生的? 4.断裂韧度与哪些因素有关哪些因素无关？ 5.产生应力腐蚀的条件？ 1.2 金属学与热处理基本知识 1.2.1金属的晶体结构 常见的晶体结构：1.体心立方晶格2.面心立 方晶格

8、3.密排六方晶格 1.2.2 铁碳合金的基本组织 通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。一般把含 碳量0.02 2 的称为钢，把含碳量大 于2 的称为铸铁。 含碳量对钢铁的性质有决定性的影响，所以 可以通过铁碳合金状态图来研究铁碳的有 关特性。 FeFe3C0合金中的相构 1.铁素体F；铁素体的强度、硬度不高，具有 良好的塑性和韧性。 2.奥氏体A；奥氏体仅存在7270以上的高温范 围内，奥氏体不具备铁磁性。 3.渗碳体Fe3C0 ；铁和碳的金属化合物，渗碳 体的硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆 性极大。 4.珠光体P；珠光体的硬度和强度较高，塑性 也好。 含碳量为0.77 铁碳合金只发生共 析转变

9、，其组织为100 的珠光体。 称为共析钢。 含碳量大于0.77 铁碳合金称为过 共析钢。其组织是珠光体P渗碳体 Fe3C0 含碳量小于0.77 铁碳合金称为亚 共析钢。其组织是铁素体F珠光体 P 1.2.3 热处理一般过程 热处理的工艺过程是由加热、保温、冷 却三个过程组成的，其中温度和时间是 影响热处理的主要因素。 简要叙述钢在热处理过程中的组织变化 （1）加热时的转变奥氏体A的形成 （2）冷却时的转变奥氏体A的分解 1.2.4承压类特种设备用钢常见的金 相组织和性能 承压类特种设备用钢常见的金相组织中有： 1.奥氏体 2.铁素体 3.渗碳体 4.珠光体 5.马氏体 6.贝 氏体 7.魏氏组

10、织 8.带状组织 性能（略） 1.2.5 承压类特种设备常用的热处理工艺 1.退火；将钢试件加热到适当温度，保温一定时间缓 冷。以获得接近平衡状态的组织。 目的（1）细化组织、降低硬度、改善切削加工性能 完全退火 目的（2）降低硬度、改善切削加工性能、 消除内应力。不完全退火） 消除应力退火：主要是指焊后热处理，主 要目的是消除焊接过程中产生的内应力 及冷作硬化。 2.正火；将工件加热到Ac3或Acm以上30 500C，保持一定的时间在空气中冷却 的热处理工艺。 目的：和退火的目的相同。所不同之处在 于冷却的速度。 3.淬火；将钢加热到临界温度以上，经适当 的保温后快冷，使奥氏体转变成马氏体的

11、过 程。 目的：提高硬度和强度（轴承、模具）由于 马氏体硬而脆，韧性很差，内应力很大，容 易产生裂纹，故承压类设备材料和焊缝组织 中一般不希望出现马氏体。 4.回火；将经过淬火的钢加热到AcI一下的适 当温度，保持一定的时间空冷。 目的：降低材料 的内应力，提高韧性。 5.奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理 把铬镍奥氏体不锈钢加热到1050 11000C，在保温一段时间，然后快速 冷却至4270一下已获得均匀的奥氏体组 织，这种方法称为固溶处理的铬镍奥氏 体不锈钢 目的：强度和硬度较低，韧性较好。而且 具有很好的耐腐蚀性和耐高温性能。 稳定化处理的目的是防止产生晶间裂纹。 其工艺条件是；把铬镍

12、奥氏体不锈钢加 热到8509000C,保温6小时，在空气 中缓冷。 金属学与热处理基本知识应掌握的 内容 1.承压类特种设备用钢含碳量的规定。 2.共析钢、过共析钢、亚共析钢和含碳量的 关系及其组织。 3.承压类特种设备常用的热处理工艺过程包 括哪些内容？ 4.退火的主要目的？ 5.何谓奥氏体不锈钢的固溶处理，稳定化处 理的工艺条件？ 1.3承压类特种设备常用材料 承压类特种设备是在承压状态下运行，材料要 承受较大的工作压力，有些还要同时承受高 温和介质腐蚀，工作条件十分恶劣，如果在 使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重 损失，因此对制作承压类特种设备的材料有 一定的要求这些要求主要包括：

13、1.为保证安全性和经济性，所用材料应有足够 的强度，即较高的屈服极限和强度极限。 2.为保证在承受外加载荷 时不发生脆性破坏， 所用材料应有良好的韧性。 3.所用材料应有良好的加工工艺性能，包括冷 热加工性能和焊接性能。 4.所用材料应有良好的低倍组织和表面质量。 5.用以制造高温受压元件的材料应具有良好 的耐高温性 6.与腐蚀介质接触的材料应具有良好的抗腐 蚀性能。 1.3.1钢的分类 1.按含碳量分 (1)低碳钢，含碳量0.25 (2)中碳钢，含碳量0.25 0.6 (3) 高碳钢，含碳量 0.6 2.按钢的质量分类，碳钢可分为： (1)普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优 质碳素钢。

14、3.按钢的用途分类： （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢 1.3.2 低碳钢 低碳钢是锅炉和压力容器常用的钢材，碳是 碳素钢中的主要合金元素，含碳量增加，钢 的强度增大，但塑性和韧性降低，焊接性能 变差，因此制作焊接结构的锅炉和压力容器 所使用的碳素钢，含碳量一般不超过0.25 。此外钢中还含有其他少量的元素；锰、硅 、硫、磷、氮等 压力容器用钢的含磷量不应大于0.03 1.3.3 低合金钢 承压类特种设备常用的低合金钢包括低合金结 构钢、低温钢、耐热钢。 低合金钢中通常添加的元素有锰、硅、铬、镍 、钼、钒、硼和稀土元素。 1.低合金结构钢 低合金结构钢又称为低合金高强度钢，这类钢 既有较高的

15、强度，又有较好的塑性和韧性，使 用低合金钢代替碳素钢，在相同的条件下，重 量可以减少20 30 另外 价格低，冷、热 成型及焊接性能较好，因此在锅炉压力容器制 造中广泛应用。 2.低温钢 随着工业的发展众多的压力容器要在低温下运行 。目前国内规范标准将低温压力容器和非低温压 力容器的温度界限定为200C. 值得注意的是碳会强烈的影响钢的低温韧性，因 此低温钢的含碳量要控制在0.2 已下。另外锰对 改善低温韧性十分有利随着锰含量的增加，钢的 脆变温度下降，镍具有与锰相同的性能。但是存 在于钢中的硫、磷、砷、锑铅等微量元素对钢的 低温韧性会产生不良的影响，低温压力容器使用 的专用钢中的硫、磷含量都

16、低于低合金钢 3.低合金耐热钢 当工作温度在4006000C时所使用的钢称之为低合 金耐热钢。（钼钢、铬钼钢、铬钼钒钢） 1.3.4 奥氏体不锈钢 不锈钢种类有三种1.铁素体不锈钢（以铬为主加元 素，0Cr13、1Cr17等）2.马氏体不锈钢（1Cr13、 2Cr13等) 3.奥氏体不锈钢（以铬、镍为主加元素， 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti)奥氏体不锈钢即可以用作 低温用钢也可以用作高温用钢。晶间腐蚀是奥氏体 不锈钢较常见的破坏形式，一般用固溶处理和稳定 化处理来提高不锈钢的抗晶间腐蚀性能。 承压类特种设备常用材料需要掌 握的问题 1.对制作承压类特种设备的材料都有哪些要 求？ 2.压力容器用钢的含磷量是如何规定的 ？ 3.目前国内规范标准对低温压力容器和非低 温压力容器的温度界限是多少？ 4.提高不锈钢抗晶间腐蚀性能的主要方法？ 第二章 焊接基本知识 2.1承压类特种设备常用的焊接方法 2.1.1手工电弧焊 1.手工电弧焊的特点 手工电弧