金属学与热处理[宣贯]

《金属学与热处理[宣贯]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属学与热处理[宣贯]（168页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、金属学 Metallography HeatTreatment 热处理 与 压力容器用材料及热处理 1 1概述在压力容器制造业中 金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用 压力容器对材料要求很高 如高强度 高韧性 优良的耐腐蚀性能及工艺性能等 对材料的较高要求是推动压力容器用材不断发展的基本动力 1金属材料的基础知识 CompanyLogo 年产1000万吨炼油厂 物质由原子组成 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能 原子 离子 分子之间的结合力称为结合键 它们的具体组合状态称为结构 1金属材料的基础知识 科技开发研究中心 C60 1 2 1晶体结构的基本概念 1 晶体与非晶体晶体是指原子

2、呈规则排列的固体 常态下金属主要以晶体形式存在 晶体具有各向异性 非晶体是指原子呈无序排列的固体 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化 1 2金属材料的基本概念 科技开发研究中心 根本区别 晶体中原子 或分子 在三维空间有规律地周期性重复排列 而非晶体不具备这一特点 2 晶格与晶胞晶格 用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架 直线的交点 原子中心 称结点 空间点阵 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵 1 2 1金属材料晶体结构 科技开发研究中心 晶胞 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 晶胞参数 晶胞的三组棱长a b c及棱间交角 1 2 1金属材料晶体结构 科技开发研究中心 晶系

3、 根据晶胞参数不同 将晶体分为七种晶系 90 以上的金属具有立方晶系和六方晶系 1855年 法国学者奥古斯特 布拉菲用数学方法证明空间点阵共有且只能有14种 并归纳为七个晶系 1 2 1金属材料晶体结构 科技开发研究中心 1 2 1金属材料晶体结构 科技开发研究中心 1 2 1金属材料晶体结构 科技开发研究中心 1 2 2金属材料的晶体结构1 纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的 称为金属键 金属原子趋向于紧密排列 具有良好的导热性 导电性 延展性及金属光泽 常见纯金属的晶格类型有体心立方 bcc 面心立方 fcc 和密排六方 hcp 晶格 1 2 2金属材料的晶体

4、结构 科技开发研究中心 体心立方晶格常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 面心立方晶格常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 密排六方晶格常见金属 Mg Zn Be Cd等 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 2 实际金属的晶体结构 单晶体与多晶体单晶体 其内部晶格方位完全一致的晶体 多晶体 晶粒 实际使用的金属材料是由许多彼此方位

5、不同 外形不规则的小晶体组成 这些小晶体称为晶粒 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 晶界 晶粒之间的交界面 晶粒越细小 晶界面积越大 多晶体 由多晶粒组成的晶体结构 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 3 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷 实际金属中存在着大量的晶体缺陷 按形状可分三类 即点 线 面缺陷 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷 空位 间隙原子 置换原子 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 a 空位 晶格中某些缺排原子的空结点 b 间隙原子 挤进晶格间隙

6、中的原子 可以是基体金属原子 也可以是外来原子 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 c 置换原子 取代原来原子位置的外来原子称置换原子 点缺陷破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲 称晶格畸变 从而使强度 硬度提高 塑性 韧性下降 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 线缺陷 晶体中的位错位错 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错 分为刃型位错和螺型位错 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 电子显微镜下的位错 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 电子显微镜下的位错观察 1 2 2金属材料的晶体结构

7、科技开发研究中心 面缺陷 晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位 宽度为5 10个原子间距 位向差一般为20 40 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小 位向差也很小 10 2 的小晶块 亚晶粒之间的交界面称亚晶界 亚晶界也可看作位错壁 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 4 合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质 组成合金的元素可以是全部是金属 也可是金属与非金属 组成合金的元素相互作用可形成不同的相 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 相 是指金属或合金中凡成分相同 结构相同 并与其它部分有界面分开的均匀组成部分 显微组织实质上是指在显微镜下观察

8、到的金属中各相或各晶粒的形态 数量 大小和分布的组合 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体 习惯以 表示 与合金晶体结构相同的元素称溶剂 其它元素称溶质 固溶体是合金的重要组成相 实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物 金属化合物具有较高的熔点 硬度和脆性 并可用分子式表示其组成 当合金中出现金属化合物时 可

9、提高其强度 硬度和耐磨性 但降低塑性 金属化合物也是合金的重要组成相 Fe3C称渗碳体 是钢中重要组成相 具有复杂斜方晶格 1 2 2金属材料的晶体结构 科技开发研究中心 铁碳合金中的Fe3C 金属材料分为两大类 即黑色金属和有色金属 在元素周期表中除铁 锰 铬三种元素为褐色金属元素外 其余的金属元素均为有的金属元素 通常将以铁 锰 铬为基的合金称为黑色金属 其中以铁为基的合金通常称为钢 以其余金属元素为基的合金称为有色金属 1 按冶炼方法分类 平炉钢 转炉钢和电炉钢 每一种还可以根据炉衬材料的不同 分为碱性和酸性 按钢液脱氧程度和铸锭制度的不同 碳素钢可分 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 1 2

10、3金属材料分类方法 科技开发研究中心 2 按用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能更钢 3 按金相组织分类 按平衡状态或退火状态的组织分 亚共析钢 共析钢 过共析钢 莱氏体钢 按正火组织分 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 奥氏体钢 按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分 铁素体钢 奥氏体钢 马氏体钢1 2 3金属材料的表示方法GB T221 2000 钢铁产品牌号表示方法 1 2 2金属材料分类方法 科技开发研究中心 使用性能 材料在使用过程中所表现的性能 包括力学性能 物理性能和化学性能 工艺性能 材料在加工过程中所表现的性能 包括铸造 锻压 焊接 热处理和切削性能等 1 3压力容器用钢的选择

11、科技开发研究中心 投入运行的加氢反应器 1化学成分化学成分是决定其力学性能与使用性能最重要的因素 容规 第11条2力学性能具有较高的强度同时兼备优良的塑性 韧性 钢制压力容器 铝制焊接容器 钛制焊接容器 3其他要求 力学性能满足外 还要进行无损检测耐腐蚀性能 容规 钢制压力容器 基本要求 科技开发研究中心 材料在一定温度条件和外力作用下 抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能 压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度 硬度 塑性和韧性等 1 强度 是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力 常用的强度指标有屈服强度 s或 0 2和抗拉强度Rm b 高温下工作时 还要考虑蠕变极限 n和持久强

12、度 D 设计中许用应力都是根据这些数值决定的 另外 材料的屈强比 s b 也是反映材料承载能力的一个指标 不同材料具有不同的屈强比 即使是同一种材料 其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化 称为变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形 1 3金属材料的性能 科技开发研究中心 低碳钢拉伸曲线 弹性变形 塑性变形和断裂弹性 指标为弹性极限 e 即材料承受最大弹性变形时的应力 刚度 材料受力时抵抗弹性变形的能力 指标为弹性模量E 1 3 1力学性能 科技开发研究中心

13、Q235拉伸试样 符合国标 GB T228 2002 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 弹性模量的大小主要取决于材料的本性 除随温度升高而逐渐降低外 其他强化材料的手段如热处理 冷热加工 合金化等对弹性模量的影响很小 可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度 线弹性变形阶段 OA 塑性屈服阶段 BC 强化阶段 CD 局部颈缩阶段 DE 其中OA 部分为一斜直线 应力与应变呈比例关系 A 点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力 称为比例极限 由于大多数材料的A点和A 点几乎重合在一起 一般不作区分 屈服强度Re s 材料发生微量塑性变形时的应力值 条件屈服强度Rr0 2 0 2

14、 残余变形量为0 2 时的应力值 抗拉强度Rm b 材料断裂前所承受的最大应力值 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 抗拉强度Rm的测定抗拉强度同样可采取图解方法和指针方法两种方法测定抗拉强度 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 2 塑性塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力 指标为断后伸长率和断面收缩率 试样被拉断后 标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率A 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 试样断裂后 断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率Z 用塑性好的材料制造容器 可以缓和局部应力的不良影响 有利于压力加工 不易产生脆性断裂 对缺口 伤痕不

15、敏感 并且在发生爆炸时不易产生碎片 作为化工容器用的钢 要求伸长率 不低于14 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 拉伸试样的颈缩现象 依据国标GB T228 2002 金属室温拉伸实验方法 新旧标准性能名称对照 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 3 韧性 是指金属材料抵抗冲击负荷的能力 韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak表示 Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外 还对材料的一些缺陷很敏感 能灵敏地反映出材料品质 宏观缺陷和显微组织方面的微小变化 而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感 低温冲击试验能检验钢的冷脆性 容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35J cm2表示材料韧性的一个

16、新的指标是断裂韧性 它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 GB T229 1994 金属夏比缺口冲击试验方法 断裂韧性工程上有时会出现材料在远低于 b的情况下发生断裂的现象 如1943年1月美国一艘T 2油船停泊在装货码头时断成两半 计算的甲板应力为7kg mm2 远低于 b 30 40kg mm2 美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸 经过研究 发现破坏的原因是材料中存在0 1 1mm的裂纹并扩展所致 断裂力学认为 材料中存在缺陷是绝对的 常见的缺陷是裂纹 在应力的作用下 这些裂纹将发生扩展 一旦扩展失稳 便会发生低应力脆性断裂 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关 1 3 1力学性能 科技开发研究中心 韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度 材料的使用温度应高于韧脆转变温度 体心立方金属具有韧脆转变温度 而大