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1、金属材料基础知识第一部分 金属材料及热处理基本知识一， 材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能 即为 了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主 要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等） ，物理性能 （密度、熔 点、导热性、热膨胀性等） 。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可 靠性和寿命。2，工艺性能 即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、 热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工 艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同
2、形式外力的作用，当达到或超 过 某一限度时， 材料就会发生变形以至于断裂。 材料在外力作用下所表现的 一些性能称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的力学性能指标主要有 强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，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ob和屈服强度os是评价材料强度性能的两个 主 要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性 变形， 所以机械设计中一般采用屈服强度 o s 作为强度指标，并加安全系数。 2，塑性 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 的指标通
3、常用伸长率和断面收缩率。伸长率6= （L1LO） /L0100%L0-试件原来的长度L1- 试件拉断后的长度断面收缩率申=（A1AO）/A0100%AO 试件原来的截面积 A1-试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件 标距长度的影响， 因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必 须承受 强烈变形 的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。3，硬度 金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 硬度与强度 有一定的关系， 一般情况下， 硬度较高的材料其强度也较高， 所以可以通过 测试 硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。工程中常用的硬度测试方法有以下四种（1）布氏硬度HB
4、（ 2）洛氏硬度HRc （3）维氏硬度HV （ 4）里氏硬度 HL4，冲击韧性 指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材 料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功 称为 冲击吸收功。以 Ak 表示， Sn 为断口处的截面积，则冲击韧性 ak=Ak/Sn。在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。三 金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构 -物质是由原子构成的。根 据原子在物质内部的排列方式不 同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。 凡 内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质 称为非晶体，所有固态金属都是晶体。晶体内部原
5、子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：(1) 体心立方晶格，如金属a -铁、6 铁、B-Ti、Cr、V等。(2) 面心立方晶格，如金属a -铁、Al、Cu、Ni等。(3) 密排六方晶格，如金属Mg、Zn、Y-Ti等。实际使用的金属是由许多 晶粒组成的， 叫做多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体， 晶粒内的原子排列 是相同的， 但不同晶粒的原子排列的位向是不同的， 晶粒之间 的界面称为晶 界。 晶界容易产生缺陷。 高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个 结晶过程态，即原子由不规则状态(液态)过渡到规则状态(固态)的过 程。2 ，铁碳合金的基本组织 通常把钢和铸铁统称为铁碳合金， 因为钢和
6、铸铁的成 分虽然复杂， 但是基本上是 铁和碳两种元素组成的。一般把含碳0.02%-2% 的称为钢，含碳量大于 2%的称 为铸铁。碳含量对钢铁的性质有决定性的影 响。 碳含量低， 其性质是“强而韧”， 碳含量高，其性质是“弱而脆”， 铁碳合 金 FeFeC 的金相结构有以下几种：(1) 铁素体，(2)奥氏体，(3)渗 碳体 承压类特种设备常用的碳素钢含碳量一般低于0.25% 。1，热处理的一般过程 热处理是将固态金属及合金按预定要求进行加热，保温 和冷却，以改变 其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。 在实际 生产中， 热处理过程是比较复杂的， 但是其基本工艺过程是由加热， 保温和 冷却
7、三个阶段构成的， 温 度和时间是影响热处理的主要因素，任何热处理过 程都可以用温度时间曲线来说明。2，承压类特种设备常用热处理工艺根据钢在加热和冷却时的组织和性能变化 规律， 热处理工艺分为退火、 正 火、淬火、回火、化学热处理等。(1) 退火- 将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近 平衡状态组织的热处理工艺。 根据钢的成分和目的的不同， 退火又分为完全 退火、 不完全退火、消除应力退火等， 承压类特种设备的消除应力退火处理 主要指焊后热处理(PWHT)，也有在焊接过程中间和冷变形加工后进行消 除应力处理的， 其目的主要是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化。(2) 正火-
8、将钢件加热到Ac3或Acm以上3050C，保温一定时间后在 空气中冷却的热处理工艺。 正火的目的和退火基本相同， 主要是细化晶粒， 均 匀组 织，降低内应力，正火和退火的不同之处在于前者的冷却速度较快， 过 冷度较大， 钢正火后的强度、硬度、韧性都比退火高。(3) 淬火- 将钢件加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转 变为马氏体的过程。材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其强度、硬度， 这 对于轴承、模具等工件是有用的，但是马氏体硬而脆，韧性差，内应力很 大，容易产生裂纹，所以承压类特种设备材料和焊缝的组织一般不希望出现 马氏体。(4)回火将经过淬火的钢件加热到Ac1以下的适当温度
9、，保温一 定时间后，然后用符合要求的方法冷却(通常是空冷) ，以获得所需组织和性能的热处 理工 艺。回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度， 可获得不同的强度、硬度、韧性，以满足所要求的力学性能。按回火温度的 不同可将回 火分为低温、中温、高温回火三种。 四，承压类特种设备常用材料承压类特种设备都是在承压状态下运行， 材料要承受较大的工作应 力， 有些还要同时承受高温和腐蚀介质的作用， 工作条件恶劣， 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，对承压类特种设备的材 料有一定的要 求。承压类特种设备常用材料很多，下面简单介绍1，钢的分类和命名方法国家标准 GB/
10、T3304 91钢分类中规定，钢的分类分为“按化学成份分类” 和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类” 。按化学成份分类，钢可分为非合金钢，低合金钢，合金钢三大类。A， 碳钢的分类和命名：按含碳量分为：(1)低碳钢，C0.6%按质量分为： ( 1)普通碳素钢， S0.050%， P0.045%( 2)优质碳素钢， S 0.040%， P0.040%( 3)高级优质碳素钢， S0.030%， P0.035%B，合金钢的分类和命名：为了改善钢的性能， 在钢中特意加入了除铁和碳以外的其它元素。 这 类钢 称为合金钢。按合金元素的加入量分为： (1)低合金钢，合金总量不超过 5%；( 2)中合金钢
11、，合金总量 5%-10%；( 3)高合金钢，合金总量超过 10%；2，承压类特种设备常用碳素钢牌号 锅炉和压力容器常用的碳素钢牌号有 Q235AF、Q235A、Q235B、 Q235C、20g、 20R 等，压力管道常用的碳素钢 牌号有 10#、20#钢等，它们都是低碳钢，一般 以热轧或正火状态供货， 正 常的金相组织为铁素体FC+珠光体P。碳是碳素钢中的主要合金元素，含碳量 增加，钢的强度增加，但塑性、韧性降低，焊接性能变差，淬硬倾向变大， 因此制作焊接结构的锅炉和压力容器所使用的碳素钢。 含弹 量一般不超过 0.25%。3，承压类特种设备常用合金钢牌号锅炉用低合金钢牌号有 16Mng、15
12、MnVg 、18MnMoNbg 等 压力容器用低 合金钢牌号有 16MnR、15MnVR 、18MnMoNbR 、07MnCrMoVR 压力管道 用低合金钢牌号有 09MnV 、16Mn、12CrMo、12Cr1MoV 等， 除此之 外， 锅炉和压力容器因为用途不同， 还用到其它特殊材料， 如低温容器要用低温 用钢，高压锅炉用低合金钢耐热钢等等。4，奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的种类有以 Cr 为主加元素的铁素体不锈钢( 0Cr13， 1Cr17 等)和马氏体不锈钢( 1Cr13， 2Cr13 等)，以 Cr、Ni 为主加元素的 奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9，00Cr18Ni10等)，其中奥氏体
13、不锈钢在压力容 器中得道广泛应用。奥氏体不锈钢的机械性能较好，屈服点低，塑性、韧性好，可做低温 用， 它具有良好的化学稳定性。在氧化 1Cr18Ni9 钢和耐热钢，其常用牌号是 性和某些还原性介质中耐腐蚀性很高， 但是在敏化状态， 存在晶阶腐蚀性， 并且 在高温氯化物溶液中容易发生应力腐蚀开裂。第二部分 焊接基本知识 焊接在承压类特种设备制造中占有重要的地位， 例 如，在压力容器制造 中，焊接工作量占全部工作量的 30%。焊接质量对承压 类特种设备产品质量和使用安全可靠性有直接影响，许多承压类特种设备事 故都源于焊接缺陷。因此，对承压类特种设备无损检测人员来说，掌握焊接 知识是非常必要的。一，
14、承压类特种设备常用的焊接方法1，手工电弧焊（1）特点：利用焊条与焊件之间的电弧热，将焊条及部分焊件熔化而形成焊 缝的焊接方法。手工电弧焊设备简单，便于操作，适用与于室内外各种位置 的焊接， 可以焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢等各种材料，在承压类 特种设备制造 中广泛应用。其缺点是生产效率低， 劳动强度大， 对焊工的技 术水平及操作要求 较高。（2）焊接设备：常用的手工电弧焊设备有交流电焊机，旋转式直流电焊机和 硅 整流式直流电焊机三种。（3）手工电弧焊焊条：涂有药皮的供手工电弧焊的熔化电极称为焊条。它由 焊芯和药皮两部分组成。焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯，在电弧作用 下熔化后，作为填充
15、金属与熔化的母材混合形成焊缝。涂敷在焊芯表面的有 效成分称为 药皮，其作用是：稳弧、保护、冶金、改善焊接工艺性能。（4）焊条的种类：一般按焊条药皮熔化后所形成熔渣的酸碱性不同分为碱性 焊 条和酸性焊条两种。也有按用途分类的，如碳钢焊条、低合金钢焊条、不 锈钢焊 条、铜及铜合金焊条等。（ 5）手工电弧焊的焊接位置： 手工电弧焊可以在不同的位置进行操作。 熔 焊时，焊接接头所处的空间位置称为焊接位置，GB/T337594焊接术 语中用倾角和转角两个参数来划分不同的焊接位置。对接焊缝和角焊缝有平焊、立焊、横焊、仰焊是四种基本位置。管子环焊缝也有四种基本位置：水平转动、垂直固定、水平固定、45位置。2,埋弧自 动焊（1）特点：焊接过程中，主要的焊接操作如引燃及熄灭电弧、送进焊条、移 动 焊条或工件等都由机械自动完成叫自动电弧焊。 在自动电弧焊中， 电弧被 埋在焊 剂层下面燃烧并实现焊接的叫埋弧自动焊。（2）优点：a，采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，焊丝可连续送 进而不需要频凡 更换，因此生产效率高。b焊接规范参数稳定，焊缝成分均匀，外观光滑美观，焊接质量好。C，操 作时看不到弧光，又是机械自动，所以劳动条件好。（ 3）局限性： 设备比较复杂昂贵：由于电弧不可见，所以对接头加工和装配 要求严格 ：焊接 位置受到一定限制，一般总是在平焊位置。埋弧自动焊常常用于长的直
