金属材料及热处理.

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1、特种设备无损检测相关知识 2013年11月 铁岭特钢钢包倾覆事故 2007年4月18日7时45分，辽宁省铁岭市清河特殊 钢有限责任公司生产车间，一个装有约30吨钢水的钢包在 吊运至铸锭台车上方2-3米高度时，突然发生滑落倾覆， 钢包倒向车间交接班室，钢水涌入室内，致使正在交接班 室内开班前会的32名职工当场死亡，另有6名炉前作业人 员受伤，其中2人重伤。 事故调查的结果是：铁岭市特种设备监督检验所特殊设备检验一室主 任王某、检验员郑某，在对该厂用于冶炼主跨吊运钢水包的起重机进行 监督检验时，在未审核制造厂家生产资质的情况下，出具了“监督检验合 格”的报告；在制造厂家相关技术资料不全的情况下，出

2、具了单项合格的 结论。在安装验收检验时，工作严重不负责任，不按规定的程序检验， 在该起重机电控设备的防护等级不符合安全规定的情况下，就出具了“验 收检验合格”的报告，致使该起重机在安全隐患未能有效排除的情况下吊 运钢水包作业，并在这一过程中发生故障而倾覆。 责任人处理： 王某、郑某涉嫌玩忽职守被起诉到法院 如何有效规避无损检测人员的责任 1 加强责任心 2 提高业务素质 工艺性能 第一章 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。 使用性能 金属材料性能 使用性能： 为了保证零部件、设备、结构能正常工作所应 具备的性能。包括

3、力学性能、物理性能、化学性能。 使用性能决定了材料的应用范围、可靠性和安全性。 力学性能： 强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等 物理性能： 密度、熔点、导热性、热膨胀性等 化学性能： 耐腐蚀性、热稳定性 工艺性能： 材料在被制成机械零件、设备、结构件的过 程中适应各种冷、热加工的性能，它决定了材料 被加工的难易程度，它对制造成本、生产效率、 产品质量有重要影响。例如铸造、焊接、热处理 、压力加工、切削加工等方面的性能。 1.1 材料力学基本知识 1.1.1 应力与应变 1.1.2 强度 1.1.3 塑性 1.1.4 硬度 1.1.5 冲击韧度 内力：材料内部各部分之间相互作用的力。

4、内力是材料在外力作用下产生的附加作用力。 1.1.1应力与应变 1.1.1应力与应变 应变与应力： 应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变 量称为应变； （L1L0）/L0 PP L L1 L0 应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位 面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力 称为正应力。 截面上的内力为N，应力为 =N/A 1.1.2强度 定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，主要有屈 服强度和抗拉强度。材料强度可以通过拉伸试验测出。 金属材料拉伸试验 1）拉伸试样 拉伸试样(GB/T228-2002) 长试样：L0 = 10d0 短试样：L0

5、= 5d0 1.1.2强度 2）拉伸试验曲线 1.1.2强度 3）拉伸试验曲线分析 弹性阶段：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎 克定律），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对 应的应变值e，称为比例极限p 。 1.1.2强度 屈服阶段：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增 加（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力 ，此时的应力称为屈服极限或称屈服强度S 。若以材料 塑性伸长0.2作为屈服极限，则其屈服强度用0.2表示 。 强化阶段：当变形超过屈服阶段，材料又恢复了对继续 变形的抵抗能力，为使材料继续变形必须增加应力值，这 种现象称为加工硬化现象，或称强化阶段。相应的拉力是

6、 拉伸过程中试样承受最大的，此时相应的应力即为抗拉强 度b 1.1.2强度 颈缩阶段：当外加应力达到材料抗拉强度后，试件某一 局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。 1.1.2强度 应用：抗拉强度b、屈服强度s是评价材料性能（强 度）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。 一般设计若以屈服强度s作为指标时，锅炉规范规定安 全系数ns1.5，压力容器规范规定安全系数ns1.6；若 采用抗拉强度b作为指标时，锅炉规范规定安全系数nb 2.7，压力容器规范规定安全系数nb3.0。 1.1.3塑性 定

7、义： 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 。 评定与计算： 材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率，伸长率可用 右式确定：（L1L0）/L0100；L0试件原标距长度 ， L1拉断后试件标距长度。 断面收缩率可用右式确定： （A0A1）/ A0 100 式中： A0 试件原来截面积， A1 拉断后试件颈缩处的截面积 1.1.3塑性 应用： 伸长率与试样的长度有关，不同试样长度的伸长率不能比较塑性的优 劣； 断面收缩率与试样的长度无关。 锅炉压力容器对材料塑性有要求的，一是要适应冷加工成形，二是要 求设备在破坏前有较大的变形，破坏时无碎片，但是有一定限度的， 并不是越大越好，

8、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，设备也相当庞大。 1.1.4硬度 定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 工程上常用硬度试验方法：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV 、里氏硬度HL。 应用： HB主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正火、调质处理的钢材 。低碳钢 b0.36HB HR主要用于测定硬度较高的材料，其中HRB测定同HB，HRA和 HRC用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。 HV主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组织中不同区域的硬度 ，测定焊缝不同区域的硬度。 HL主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测后可以直接读出硬度 值，并能

9、及时转换为布、洛、维等各种硬度值。 1.1.4硬度 1.1.5冲击韧度 （1）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。 （2）试样缺口的形式： 试样的缺口型式有夏比U型和夏比V型两种，其冲击韧度分别用aku和akuv 表示。V型缺口根部半径小，对冲击更敏感，承压类特种设备材料的冲击 试验规定试样必须用V型缺口。 （3）试验 通常是在摆式冲击试验机上测定的。 冲击韧度Kv（ku）AkSN 。 标准试样时用Ak表示。如标准试样截面为1010 试样受到摆锤的突然打击而断裂时，其断裂过程是一个裂纹发 生和发展过程，在裂纹发展过程中，如果塑性变形能够产生在断裂的 前面，就将能阻止裂

10、纹的扩展，而裂纹的继续发展就需消耗更多的能 量。试验 1.1.5冲击韧度 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。 温度对冲击韧度的影响 1.2 金属学与热处理基本知识 1.2.1金属的晶体结构 (1)晶体： 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 。 晶体特性 1）具有一定的熔点； 2）各向异性（不同方向上其导电性、弹性强

11、度等性能不一样）； 3）在一定条件下（压力和温度）可以发生状态转变。 1 体心立方（Body-Centered Cubic,BCC ) (2)常见晶格结构 每个立方晶格中的原子数：配位数：8 常见的金属：-Fe，-Fe ，Cr， V等 较高的强度、硬度、熔点，塑性、韧性较差,有冷 脆性 面心立方（face Centered Cubic,FCC） 常见晶格结构 每个立方晶格中的原子数： 配位数：12 常见的金属：-Fe, Al ,Cu 塑性、韧性好，没有冷脆性，强度差 密排六方(Hexagonal Closed-Packed, HCP) 常见晶格结构 每个立方晶格中的原子数：配位数：12 常见的

12、金属：Mg,Zn等 塑性、韧性差，强度低，不适用于结构材料 体心立方 bcc 面心立方 fcc 密排六方 hcp 铁铁的同素异构转变转变 ： 铁 铁铁 铁铁 体心立方 面心立方 体心立方 1394 912 (3)铁的同素异构转变 铁的同素异构转变 实际晶体的原子排列并非完美无缺，在排列中常常会出现原 子排列不规则的地方，称为晶体缺陷。 晶体缺陷有三类：点缺陷、线缺陷、面缺陷 (4）晶体缺陷 点缺陷：晶格空位、间隙原子、置代原子：提高屈服点和 抗拉强度 线缺陷：位错 位错的存在，使原子间容易产生滑移，相当于金属容易产 生塑性变形，强度降低。但只要位错很密时，位错与位错 緾绕在一起，又不容易变形了

13、，此时强度升高了。 面缺陷：晶界、亚晶界、位错墙 晶体缺陷使晶格发生了畸变，结果使金属不容易发生变形 ，表现为屈服强度和抗拉强度的升高 （5）结晶 结晶的条件：过冷 铁的结晶温度1535 t=tO-tn 结晶的过程：金属材料在冶炼过程中是由高温的液态金属 冷却转变为固态金属的结晶过程，结晶总是从晶核开始（ 晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成），液 体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大，直至所有的晶粒 长大到互相接触，结晶即告结束。 液体 形核 晶核 增加 形核增加 晶体不断扩展 结晶完成 1.2.2铁碳合金的基本组织 （1）合金概念 是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特 性的物质。

14、 组成 合金的元素即可全部是金属，也可是金属与非金属。合金有固溶体和 金属化合物两大类 （2）铁碳合金： 铁碳合金铁与碳的合金，铁与碳形成的化合物为Fe3C ，其含碳量为 6.69。含碳量大于6.69的铁碳合金没有实用意义，所以平时所称铁碳 合金就是指这部分。 通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量0.022.11的称为钢 ，含碳量大于2.11的称为铸铁。 结晶由液态转变为晶体的过程，如由液态转为固态的过程称为凝固。 共析-从一种成份固体中同时分解出两种成份的固体的过程 （3）铁碳合金相图 从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具， 是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的

15、理 论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 （3）铁碳合金相图 （4）相结构形式 1）铁素体： 碳与合金元素溶解于铁或铁中的固溶体，用符号“F”表示。铁和铁都是体心 立方晶格，前者是指温度低于910的铁，后者是温度在13901535之间的 铁。 铁素体的溶碳能力极差，在727溶碳量最大时也仅有0.022。铁素体的强 度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770以下具有铁磁性，超过770 则丧失铁磁性。 2）奥氏体： 碳与合金元素溶解于铁中的固溶体，用符号“A”表示。铁是面心 立方晶格，奥氏体溶碳能力较大，最大可达2.11(1148)，在 727溶碳量为0.77。在铁碳合金系中，奥氏体仅存在于727以上 的高温范围内。奥氏体不具有铁磁性。 3）渗碳体： 铁和碳的金属化合物，其含碳量为6.67，符号为Fe3C。渗碳体的硬 度（约为700HB）很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。 渗碳体在217以下具有铁磁性。 渗碳体是铁和碳的