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1、全国压力管道元件制造鉴定评审员培训之 压力管道用材料及质量控制 全国锅炉压力容器标准化技术委员会 张 勇 一、金属材料基础知识 二、压力管道常用管材、板材、锻件与铸钢件验收要求与适 用范围 三、压力管道元件制造和压力管道安装中的材料质量控制 一、金属材料基础知识 1、金属材料的分类 2、金属材料的性能 3、影响材料性能的因素 4、压力管道常用材料标准 1、金属材料的分类 黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属 纯铁：化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量0.05%。纯铁 是很软的，一般不应用到实际中 。 铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁 碳合金。 生铁：把铁矿石放到高炉中
2、冶炼而成的，含碳量24.3（ 也有资料称3.5%5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生 铁。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此 不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和 制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢 生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。 钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-2.1%）的 铁碳合金称为钢。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过 1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等 。 有色金属：除黑色金属外的金属和合金，如镍、钛、铝、铜、锆等 。 金属材料分类（钢材） （1）按化学成分分
3、类： 碳素钢：简称碳钢。除铁、碳外主要含有少量Si、 Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不 同分为： 低碳钢含碳量小于0.25% 中碳钢含碳量等于0.25%0.6% 高碳钢含碳量大于0.6% 合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金 元素：如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量 不同分类： 低合金钢合金元素含量小于5% 中合金钢合金元素含量等于5%10% 高合金钢合金元素含量大于10% 金属材料分类（钢材） （2）按用途分类： -建筑工程用钢或构件用钢 普通碳素结构钢 低合金结构钢 钢筋用钢等 -结构钢 机器零件用钢 调质结构钢 表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢
4、、表面淬火用钢 易切削结构钢 冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。 弹簧钢 轴承钢 -工具钢刃具钢、模具钢、量具钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速工具钢。 -特殊用途用钢不锈耐酸钢、耐热钢、低温用刚、耐候钢、磁钢等 -专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、承压设备用钢等。 金属材料分类（钢材） （3）按冶炼中的脱氧方式分类： 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 TZ 金属材料分类（钢材） （4）按金相组织分类 按退火状态分 亚共析钢（铁素体+珠光体） 共析钢（珠光体） 过共析和莱氏体钢（珠光体+渗碳体） 按正火或淬火状态分 铁素体钢（有称珠光体，不妥，非基本相） 贝氏体钢 马氏体钢
5、奥氏体钢 按加热冷却时有无发生相变的 铁素体钢、奥氏体钢、双相钢等 金属材料分类（钢材） （5）按品质分类：P、S杂质含量分类： 普通钢 P含量0.045%，S含量0.055% 优质钢 P含量 0.040%，S含量0.040% 高级优质钢A P含量0.035%，S含量0.030% 特级优质钢E 固容规 TSG R0004 第2.3条规定： 用于焊接的碳素钢和低合金钢，P 0.035%，S 0.035% 压力容器专用钢，基本要求：P 0.030%，S 0.020%； 抗拉强度下限值大于540MPa，P 0.025%，S 0.015%； 设计温度低于-20，抗拉强度下限值小于540MPa， P 0
6、.025%，S 0.012%； 设计温度低于-20，抗拉强度下限值大于或等于540MPa， P 0.020%，S 0.010%。 2、金属材料性能 为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须 掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情 况下应具备的性能。金属材料的性能一般包括使 用性能和加工工艺性能两个方面 使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现的性能 ，它包括材料的物理、化学和力学等性能。 物理性能 化学性能 力学性能 工艺性能：是指材料承受各种冷、热加工的能力。 冷、热加工性能 金属材料性能使用性能 物理性能 金属材料在固态下所表现出来得一系列物理现象叫金属的物理性能，如 密度、比重、熔
7、点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。 化学性能 材料在常温或高温条件下,抵抗氧化或腐蚀介质对其化学侵蚀的能力，一般包括 耐腐蚀性，抗氧化性等。 耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫 做耐腐蚀性。化工生产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材料的耐蚀性 不强，必将影响设备使用寿命，有时还会影响产品质量。 抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力 在化工生产中，有很多设备和机械是在高温下操作的，如氨合成塔、硝 酸氧化炉、石油气制氢转化炉、工业锅炉、汽轮机等。在高温下，钢铁 不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构
8、疏松容易剥落的FeO 氧化皮；还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高温氧化与脱 碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳 强度。因此，高温设备必须选用耐热材料。 力学性能 材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、 压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 金属材料性能使用性能力学性能 （1）强度金属抵抗永久变形和断裂的能力。常 用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。 屈服强度当金属材料呈现屈服现象时，在试验期 间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。单位：MPa。 上屈服强度ReH：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力; 下屈服强度
9、ReL：在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最低应力 。 规定非比例延伸强度Rp 抗拉强度试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力 。符号：Rm。单位：MPa。 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能力。 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程 中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。强度 的测定拉伸实验。 11 拉伸试验 拉伸试验机 拉伸试样 金属材料性能使用性能力学性能 （2）塑性断裂前材料发生不可逆永久变形 能力。常用的塑性判据是伸长率A和断面收缩率Z 。 断后伸长率原始标距的伸长（Lu-Lo）与原始 标距（Lo）之比的百分率。 断后伸长率：A=（Lu-Lo）/Lo， L
10、u-Lo断后标距的残余伸长 。 断面收缩率断裂后试样横断面积的最大缩减量 （So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。 （3）冷弯性能用于衡量材料在室温时的塑 性。 是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可 以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷， 分面弯、背弯、侧弯三种。 13 金属材料性能使用性能力学性能 （4）韧性材料在断裂前吸收能量和进行塑性变 形的能力。 金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应 力集中程度加剧而减小。 冲击韧性(冲击功)冲击试样缺口底部单位横 截面积上的冲击吸收功。 反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击 韧性值（ak）和冲击功（Ak，
11、现在用KV2表示）表示， 其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。 冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试验 温度不同而分为常温、低温等；按试样缺口形状分为 V形缺口和U形缺口冲击试验两种。 冲击吸收功指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。 14 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 金属材料性能使用性能力学性能 （5）硬度材料局部抵抗硬物压入其表面 的能力称为硬度。是比较各种材料软硬的指标 。 由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度 标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能 直接换算，但可通过试验加以对比。 常用硬度按其范围测定分：布氏硬度（HBW）、 洛氏硬度（HRA H、K等标
12、尺）、维氏硬度（ HV）等。 硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试 验方法。一般硬度越高，耐磨性越好。 16 金属材料性能使用性能力学性能 （6）蠕变在高温和低于屈服强度的应力作用下 ，材料塑性变形量随时间延续而增加的现象 。 与弹性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变 只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。 蠕变极限在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕 动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。 蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。 对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度
13、表示。通常 碳素钢超过300-350摄氏度，合金钢在400-450摄氏度以上时才有蠕变行为 持久强度在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂 的持续时间的强度。 金属材料、机械零件和构件抗高温断裂的能力，常以持久极限表示。试样在一定温 度和规定的持续时间下，引起断裂的应力称持久极限。金属材料的持久极限根据高 温持久试验来测定。飞机发动机和机组的设计寿命一般是数百至数千小时，材料的 持久极限可以直接用相同时间的试验确定。在锅炉、燃气轮机和其他透平机械制造 中，机组的设计寿命一般为数万小时以上，它们的持久极限可用短时间的试验数据 直线外推以得到数万小时以上的持久极限。经验表明，蠕变速度小的零件，达到持
14、 久极限的时间较长。锅炉管道对蠕变要求不严，但必须保证使用时不破坏，需要用 持久强度作为设计的主要依据。持久强度设计的判据是：工作应力小于或等于其许 用应力，而许用应力等于持久极限除以相应的安全系数。 17 金属材料性能使用性能力学性能 （7）疲劳材料在循环应力和应变作用下，在 一处或几处产生局部永久性累积性损伤，经一定 循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程 。 高周疲劳材料在低于其屈服强度的循环应力作 用下，经104 105以上循环次数而产生的疲劳。 低周疲劳材料在接近或超过其屈服强度的低频 率循环应力作用下，经102105塑性应变循环次数而 产生的疲劳。 热疲劳温度循环变化产生的循环
15、热应力所导致 的疲劳。 腐蚀疲劳腐蚀环境和循环应力（应变）的复合 作用所导致的疲劳。 18 金属材料性能工艺性能 工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所 定的冷、热加工条件下表现出来的性能。 金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力 。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、 可锻性、热处理性能、切削加工性等。 冷加工性能 切削性能： 切削加工性（可切削性，机械加工性）：指金属材料被刀具切削加工 后而成为合格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表 面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材 料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。 通常是用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材 料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。 冷弯性能： 指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂
