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1、金属材料知识鉴定评审员培训中国特种设备检测研究院 张显1概 述 承压设备制造是国民经济的基础产业,各种生产工艺的要求 各不尽相同,如:压力从真空到高压甚至超高压、温度从低 温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等,使得设备处在极 其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料 有不同的要求,因此,合理的选用材料是设计承压设备的关 键环节。例如: 对于高温容器,由于钢材在高温的长期作用下,材料的力学性 能和金属组织都会发生明显的变化,加之承受一定的工作压力 ,因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳 定性。 容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性,因此需要考虑材 料的耐腐蚀情况。
2、 对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备,还 要考虑材料的疲劳等。 而低温条件下操作的设备,则需要考虑材料低温下的脆性断裂 问题。2 一、金属材料的分类 二、金属材料的性能 三、影响材料性能的因素 四、特种设备对材料的要求 五、特种设备常用材料标准3一、金属材料分类 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
3、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%-1.2%)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,如铜、锡、铅、 锌、铝等 。4金属材料分类(钢材) 1、按化学成分分类: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%,
4、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%5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、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、
5、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、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等 。6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 TZ7金属材料分类(钢材) 4、按金相组织分类按退火状态的 亚共析(铁素体+珠光体) 共析(珠光体) 过共析和莱氏体钢(珠光体+渗碳体) 按正火状态的 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 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8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
6、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新容规TSGR0004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 0.025%,S 0.012%;设计温度低于-20,抗拉强度下限值大于540MPa, P 0.020%,S 0.010%。9二、金属材料性能 为更合理使用金属材料
7、,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10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
8、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
9、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。11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。 上屈服强度ReH:屈服前的第一个峰值力 下屈服强度ReL:除第一个谷值力之外,其它最小的谷值力 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。Rm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
10、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。12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。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, Lu-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
11、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。冲击韧度(冲击值)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)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。 冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。14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
12、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。 15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 。 与塑性变形不同,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
13、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
14、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。 16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
15、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。17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