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1、第二章第二章 压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响2.2 压力容器制造工艺 对钢材性能的影响MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS1压力容器制造压力容器制造冷、热加工冷、热加工焊接组对焊接组对热处理（必要时）热处理（必要时）塑性变形塑性变形焊接工艺焊接工艺热处理热处理研究冷或热压力加工造成的塑性变形、研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响焊接工艺和热
2、处理对钢材性能的影响2过程设备设计过程设备设计2.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响压力容器制造工艺对钢材性能的影响2.2.1 塑性变形塑性变形2.2.2 焊接焊接2.2.3 热处理热处理3过程设备设计过程设备设计2.2.1 塑性变形塑性变形材料在载荷下的变形材料在载荷下的变形弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形塑性变形或永久变形塑性变形或永久变形塑性变形或永久变形塑性变形或永久变形4过程设备设计过程设备设计一、应变硬化一、应变硬化二、热加工和冷加工二、热加工和冷加工三、各向异性三、各向异性四、应变时效四、应变时效材料在材料在塑性变形塑性变形中内部性能的变化：中内部性能的变化：5过程设备设计过程
3、设备设计一、应变硬化一、应变硬化见应力-应变曲线图 从该曲线可以看到，从d 卸载后，dg表示消失了的弹性变形,而od表示不再消失的塑性变形。卸载后，在短时间内再次加载，则应力应变关系按照dd变化，到了d 以后，按照def变化。到d以前材料都是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。比较，可见在第2次加载时，其比例极限提高了，但塑性变形和延伸率却有所减低。表明在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象称为应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化。（加工硬化、冷做加工硬化、冷做加工硬化、冷做加工硬化、冷做硬化硬化硬化硬化）材料力学应变硬
4、化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低6凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形二、冷加工和热加工二、冷加工和热加工冷、热加工的分界线冷、热加工的分界线从金属学的观点来区分，从金属学的观点来区分， 是金属的再结晶温度。是金属的再结晶温度。热加工或热变形热加工或热变形特点特点: 热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织
5、，因而无加工硬化现象。无加工硬化现象。冷加工或冷变形冷加工或冷变形特点特点: 冷变形中无再结晶出现，因而冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。断裂破坏。 7过程设备设计过程设备设计钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。 例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。 在压力容器设计时
6、，应注意这种厚度的变化。在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。8过程设备设计过程设备设计三、各向异性三、各向异性非金属夹杂物非金属夹杂物热加工热加工纤维组织纤维组织呈纤维状呈纤维状金属再结晶金属再结晶带状组织带状组织金属材料力学性能产生方向性金属材料力学性能产生方向性a、平行纤维组织方向的强度、平行纤维组织方向的强度、 塑性和韧性提高，塑性和韧性提高，b、垂直方向的塑性和韧性降低垂直方向的塑性和韧性降低c、变形越大，性能差异越明显变形越大，性能差异越明显因势利导：因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。 压力容器设计时，应尽可能使
7、零件在工作时产生的最大正应力压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力 与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。第二项合金第二项合金9过程设备设计过程设备设计四、应变时效四、应变时效冷加工应冷加工应用举例：用举例：筒节冷卷筒节冷卷封头冷旋压封头冷旋压应变时效应变时效经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和屈服点和抗拉强度提高抗拉强度提高，塑性和韧性降低塑性和韧性降低的现象，称为
8、应变时效。的现象，称为应变时效。10过程设备设计过程设备设计应变时效危害应变时效危害降低应变时效的措施降低应变时效的措施发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温常温下的脆化下的脆化。一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量时效敏感性。减少碳、氮含量; 加入铝、钛、加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。可显著减弱钢的应变时效敏
9、感性。11过程设备设计过程设备设计2.2.2 焊接焊接焊接：是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。焊接：是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。焊接方法：焊接方法：熔焊熔焊 （压力容器制造中应用最广）（压力容器制造中应用最广）压焊压焊钎焊钎焊熔焊机理：熔焊机理：形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体焊接接头加热至熔化焊接接头加热至熔化融化的母材融化的母材填充金属填充金属熔池熔池冷却结晶后冷却结晶后通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。12
10、焊接技术：焊接技术：各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的总称。总称。焊接接头：焊接接头：用焊接方法连接的接头。用焊接方法连接的接头。13过程设备设计过程设备设计一、焊接接头的组织和性能一、焊接接头的组织和性能二、焊接应力与变形二、焊接应力与变形三、减少焊接应力和变形的措施三、减少焊接应力和变形的措施四、焊接接头常见缺陷四、焊接接头常见缺陷五、焊接接头检查五、焊接接头检查14过程设备设计过程设备设计一、焊接接头的组织和性能一、焊接接头的组织和性能焊接接头组成焊接接头组成焊缝焊缝熔合区熔合区热影响区热影响区1、焊缝焊缝由熔
11、池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。1516过程设备设计过程设备设计2、熔合区、熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。组织：组织：熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性化学
12、成分和组织性能有很大的不均匀性塑性差、强度低、脆性大、易产生塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹焊接裂纹，是焊，是焊接接头中最薄弱的环节之一接接头中最薄弱的环节之一性能：性能：17过程设备设计过程设备设计3、热影响区、热影响区是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。力学性能变化的区域。组织及性能组织及性能在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。相组织
13、区，使其力学性能也不同。18以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：过热区：过热区：对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火 正火区：正火区：焊接接头中组织和性能最好的区域焊接接头中组织和性能最好的区域部分正火区：部分正火区：力学性能不均匀力学性能不均匀钢，常在此区产生裂纹钢，常在此区产生裂纹19过程设备设计过程设备设计二、焊接应力与变形二、焊接应力与变形焊接焊接焊接件产生焊接件产生温度梯度温度梯度接头组织和性能接头组织和性能的不均匀的不均匀焊接应力和应变焊接应力和应变分别是指焊接过程中分别是指焊接过程中焊
14、件内焊件内产生的应力和变形。产生的应力和变形。焊后残留在焊件内的焊接应力焊后残留在焊件内的焊接应力焊接应力和变形焊接应力和变形:焊接残余应力焊接残余应力:20过程设备设计过程设备设计局部区域应力过高，使结构承载能力局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起下降，引起裂纹裂纹，甚至导致结构，甚至导致结构失效失效焊接残余应力焊接残余应力它是没有外载荷作用时就存在的应力焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行行矫形矫形。变形过大会因无法矫形而。变形过大会因无法矫形而报废报废。与外载荷产生的应力叠加与外载荷产生的应力叠加焊接残余应力的危害：焊接残余应力的危害：
15、焊接变形的危害焊接变形的危害:21过程设备设计过程设备设计平板对接焊缝焊接残余应力分布见图平板对接焊缝焊接残余应力分布见图3-1所示。所示。由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。也会产生焊
16、接装配应力，使局部区域应力升高。22过程设备设计过程设备设计三、减少焊接应力和变形的措施三、减少焊接应力和变形的措施如：如：尽量减少焊接接头数量尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除 焊接残余应力。焊接残余应力。设计设计焊接工艺焊接工艺23过程设备设计过程设备设计四、焊接接头常见缺陷四、焊接接头常见缺陷 常见焊接缺陷常见焊接
17、缺陷24过程设备设计过程设备设计a、裂纹裂纹形成：形成： 在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙。形成的缝隙。特点：特点：它具有尖锐的裂端和大的长宽比。它具有尖锐的裂端和大的长宽比。位置：位置：裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。25根据裂纹的形成条件、根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为焊接裂纹一般可分为危害：危害：热裂纹热裂纹冷裂纹冷裂纹再热裂纹再热裂纹层状撕裂层
18、状撕裂应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。事故多数是由裂纹引起的。26过程设备设计过程设备设计b、夹渣夹渣残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。危害：危害：c、未焊透未焊透焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成
19、因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。是不允许存在的。危害：危害：27过程设备设计过程设备设计d、未熔合未熔合对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。危害：危害：e、焊瘤焊瘤是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。所形成的金属堆积。危害：危害
20、：它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷。未焊透等缺陷。28过程设备设计过程设备设计f、气孔气孔气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。危害：危害：它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。没有尖锐的边缘，危害性相对较小。g、咬边咬边沿着焊
21、趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。危害：危害： 它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。危害较为严重，较深时应予消除。29过程设备设计过程设备设计五、焊接接头检查五、焊接接头检查破坏性检查破坏性检查非破坏性检查非破坏性检查外观检查外观检查密封性检验密封性检验无损检测无损检测直观检验直观检验量具检验量具检验射线透照检测射线透照检测超声检测超声检测表面检测表面检测磁粉检测磁粉检测渗透检测渗透检测涡流检测涡流检测测内部缺陷测内部缺陷测表面和近表面缺陷测表面和近表面缺陷
22、设计中要给出相应设计中要给出相应的检测方法的检测方法（用水、气、油等）（用水、气、油等）30注意注意注意注意: :1. 超声检测超声检测: 对裂纹型对裂纹型(面型面型)缺陷敏感缺陷敏感; 射线检测射线检测: 对气孔型对气孔型(体型体型)缺陷敏感。缺陷敏感。2. 磁粉检测磁粉检测: 适用于铁磁性材料适用于铁磁性材料,不适用于非铁磁性材料不适用于非铁磁性材料 (如不锈钢如不锈钢); 涡流检测涡流检测: 适用于导电材料适用于导电材料,不适用于非导电材料不适用于非导电材料; 渗透检测渗透检测: 适用于金属材料和致密性非金属材料适用于金属材料和致密性非金属材料, 不适用于疏松的多孔性材料。不适用于疏松的
23、多孔性材料。31过程设备设计过程设备设计2.2.3 热处理热处理改善综合性能热处理改善综合性能热处理压力容器制造中的热处理压力容器制造中的热处理焊后消除应力热处理焊后消除应力热处理固溶处理固溶处理稳定化处理稳定化处理32过程设备设计过程设备设计一、焊后消除应力热处理一、焊后消除应力热处理目的目的：尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。应用应用： 当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力当钢板很厚，介
24、质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力 腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一 般不进行热处理。般不进行热处理。对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，此时应精心设计热处理工艺并严格执行。此时应精心设计热处理工艺并严格执行。33过程设备设计过程设备设计二、改善综合性能热处理二、改善综合性能热处理1、固溶处理、固溶处理 将合金加热到一定温度并保持
25、足够长时间将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充使过剩相充分溶解到固溶体中分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这以抑制这些被溶物质重新析出些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为工艺，称为固溶处理固溶处理。目的目的：提高合金的韧性和抗腐蚀性。提高合金的韧性和抗腐蚀性。34过程设备设计过程设备设计例例如如，含含钛钛或或铌铌的的奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢在在850900温温度度范范围围内内加加热热适适当当时时间间，使使钛钛或或铌铌以以碳碳化化物物的的形形式式析析出出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。2、稳定化处理：、稳定化处理：目的：目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。35
