1、1-1 金屬的機械性能金屬的機械性能 金屬材料在一定的溫度條件和受外力金屬材料在一定的溫度條件和受外力(載荷載荷)作作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱材料的機械性能用下，抵抗變形和斷裂的能力稱材料的機械性能金屬材料的常規機械性能指標包括：強度、塑性、金屬材料的常規機械性能指標包括：強度、塑性、硬度、韌性等。硬度、韌性等。 對鍋爐壓力容器壓力管道的用材，最關心的對鍋爐壓力容器壓力管道的用材，最關心的是材料的強度指標、塑性指標和韌性指標。是材料的強度指標、塑性指標和韌性指標。強度和塑性指標，可通過拉伸試驗得知。強度和塑性指標，可通過拉伸試驗得知。 韌性指標韌性指標,可通過沖擊試驗得知。可通過沖擊試驗得

2、知。伸長量載荷 =P/F （N/mm2） 彈性極限 e=Pe/Fo （N/mm2） 屈服極限(s) 材料承受的載荷不再增加，而仍繼續發生塑性變形時的應力。 s= Ps/Fo （N/mm2） 有許多金屬或合金材料，并沒有明顯的屈服現象發生，為表明這些材料的屈服極限。規定的試樣產生的伸長量為試樣長度的0.2%時的應力作為材料“條件屈服極限”，用o.2表示。 強度極限強度極限b） 材料抵抗拉力破壞作材料抵抗拉力破壞作用的最大能力。用的最大能力。 b= Pb/Fo （N/mm2） 在鍋爐壓力容器選材上，不僅希望材料具在鍋爐壓力容器選材上，不僅希望材料具有高的有高的s，而且具有一定的屈強比，而且具有一定

3、的屈強比s/b），屈強比越小，結構零件的可靠），屈強比越小，結構零件的可靠性越高，由于塑性變形不致立即破壞。性越高，由于塑性變形不致立即破壞。 延伸率） =（L1-L0）/ L0100% L1試樣拉斷后的標準長度。 L0試樣原始的標準長度。 斷面收縮率） =（F1-F0）/ F0100% F1試樣斷后細頸處最小截面積。 F0拉伸前試樣原始截面積。 例 低碳鋼 =2030%，在鑄鐵=1%。 鍋爐壓力容器的主要零部件都是承壓的，無論從制造工藝要求，還是從安全使用的要求，都應選用塑性好的材料。一方面易于加工制造；另一方面。一旦超壓爆炸時，不致產生碎片飛出，這樣可降低破壞力。 布氏硬度，洛氏硬度，維氏

4、硬度。 1布氏硬度 HB=P/F （N/mm2） 根據經驗，布氏硬度與抗拉強度之間有一定的比例關系 bK.HB 對于低碳鋼 b0.362HB 對于高碳鋼 b0.345HB 對于合金鋼 b0.325HB 只能測量硬度不高HB450資料。 金屬體壓頭對金屬表面加壓，用一定的載荷P把壓頭壓入被測金屬表面，卸載后以壓痕的深度來確定金屬材料的硬度。壓痕越深，硬度越低。 可用于測定從極軟到極硬的金屬或合金。 洛氏硬度與布氏硬度的關系大致如下： HVHB當HB400時） HRC1/10HBHB在200600之間） 硬度可確定焊接接頭熱影響組織的淬硬情況。 1沖擊韌性沖擊韌性k 單位面積上所承受的沖擊功；單位

5、面積上所承受的沖擊功；J/cm2 材料在外加沖擊負荷作用下，斷裂時吸收能量大材料在外加沖擊負荷作用下，斷裂時吸收能量大小的特性。表示材料對沖擊負荷的抗力。小的特性。表示材料對沖擊負荷的抗力。 k =Ak/F （N.m/cm2） Ak 沖擊功沖擊功 ，J F 試樣缺口處的截面積，試樣缺口處的截面積， cm2 沖擊值沖擊值k與試樣和缺口形式有關，與試驗溫度有與試樣和缺口形式有關，與試驗溫度有關。關。 材料在低溫下會出現由塑性狀態轉變為脆性狀態，材料在低溫下會出現由塑性狀態轉變為脆性狀態，使材料的沖擊韌性值急劇下降的溫度叫做使材料的沖擊韌性值急劇下降的溫度叫做“脆性脆性轉變溫度轉變溫度” 大多數鍋爐

6、壓力容器都是在交變載荷大小、方向周期性變化作用下工作，其斷裂時的應力遠低于該材料的抗拉強度，且低于其屈服強度，這種現象稱為金屬的“疲勞破壞。 GB4337規定，低碳鋼在5106交變載荷作用，低合金鋼在107交變載荷作用下不會斷裂時最大應力值稱為疲勞強度，用-1表示。 -1 (0.40.6)b 提高鋼材的疲勞強度可采取改善結構、避免應力集中、提高表面光潔度、進行表面熱處理等措施。7、斷裂韌度 用來反映材料抵抗裂紋失穩擴展，即抵抗脆性斷裂的指標。 是強度和韌性的綜合體現，與裂紋的大小、外形、外加應力等無關，主要取決于材料的成分，內部組織的結構。 常規設計中，都假設材料是均勻的、連續的、各向同性的。

7、 實際上材料遠非是均勻的、連續的、各向同性的，其組織中存在微裂紋、夾雜、氣孔等各種缺陷。一、鐵碳合金的基本組織一、鐵碳合金的基本組織鋼材的性能不僅取決于鋼材的化學成分，而且鋼材的性能不僅取決于鋼材的化學成分，而且還與鋼材的組織有關。鋼材組織無法用肉眼直還與鋼材的組織有關。鋼材組織無法用肉眼直接觀察，只有經過取樣打磨、拋光、腐蝕顯示接觀察，只有經過取樣打磨、拋光、腐蝕顯示后在金相顯微鏡下才能觀察到鋼材的組織。后在金相顯微鏡下才能觀察到鋼材的組織。鋼材是鐵碳合金，在固態下都是晶體，流態純鋼材是鐵碳合金，在固態下都是晶體，流態純鐵在鐵在1538開始結晶，得到體心立方晶格的開始結晶，得到體心立方晶格的

8、Fe，繼續冷卻到，繼續冷卻到1394轉變為面心立方晶轉變為面心立方晶格的格的Fe，繼續冷卻到，繼續冷卻到910時又轉變為體時又轉變為體心立方晶格的心立方晶格的Fe，如再繼續冷卻晶格類型，如再繼續冷卻晶格類型不再變化。以上這些變化稱鐵的同素異構轉變。不再變化。以上這些變化稱鐵的同素異構轉變。 1鐵素體F） 是碳溶解于Fe中形成的間隙固溶體。室溫時鐵內含碳量為0.006%。 特點：具有良好的塑性和韌性，強度、硬度低。 2滲碳體Fe3C） 是鐵和碳的化合物。其含碳量為6.67%. 特點：熔點高、硬度高、脆性大、塑性和韌性幾乎為零。 3珠光體P） 是鐵素體和滲碳體二者組成的機械混合物，主要是奧氏體在冷

9、卻過程中在723的恒溫下共析轉變的產物，因此只存在于723以下。珠光體的平均含碳量為0.77%（Fe3C的數量僅為F的1/8），其機械性能介于F和Fe3C之間。 4奧氏體A） 是碳在Fe中形成的間隙固溶體。其溶碳能力較大，在723時溶碳量為0.77%，在1148為2.11%。碳鋼只有加熱到723以上稱為臨界點組織發生轉變時才有奧氏體組織產生。723oCSPB1493 oC1600C +A1390 oC +AH0.02PoA31147E+ADFK6.674.32.060.8rF PF+AQF+PFeGNA1534 oCA+Fe3CP+Fe3CP1A+Fe3C+L(A+Fe3C+Fe3C)P+Fe

10、3C+L(P+Fe3C+Fe3C)L(P+Fe3C+Fe3C)Fe3C+L+Fe3C 1狀態圖的主要特性線 ACD 液相線 AECF 固相線 PSK 又叫A1線表示鋼在緩慢冷卻時，A開始轉變為P的溫度線共析線） GS線又叫A3線，表示鋼在緩慢冷卻時，A開始析出F的溫度線。 PQ 碳在F中的溶解度曲線 ES線又叫AC線，表示鋼在緩慢冷卻時由A開始析出Fe3C的溫度線表示碳在奧氏體中的溶解度曲線） S點為共析點對應該點鋼含碳量為0.8%，共析鋼 E點，碳在Fe中的最大溶解度點。其含碳量為2.06%，也是鋼和鑄鐵白口鐵的分界點 P點，碳在Fe中的最大溶解度，其含碳量為0.02%。還是純鐵與鋼的分界點

11、。 鋼和鐵的區別在于含碳量的多少： 含碳量0.02%為工業純鐵； 含碳量在 0.022.06%為鋼共析鋼0.77%）； 含碳量2.06%為生鐵鑄鐵） 鋼加熱到高于723 時出現A組織，則塑性好的抗變形能力強。 一、概述 1熱處理的基本概念： 1改善鋼的性質，通常可以通過兩種途徑來實現： 調整鋼的化學成分； 對鋼進行熱處理。 2鋼的熱處理是指對鋼在固態下加熱，保溫和冷卻，以改變其內部組織結構，從而改變鋼的性能的一種工藝法； 3目的在于充分發揮材料潛力、節約鋼材、提高產品質量、延長使用壽命； 普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理：表面淬火、化學熱處理。 熱處理中的加熱溫度、保溫時間、冷卻

12、速度為三大工藝參數。E 723oC P+Fe3C 時間臨界點冷卻保溫加熱時間Ac3A+Fe3C ArcmAcmAccmAr3A3 圖中是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下建立的，故相變點稱為理論臨界點。在實際生產中鋼的加熱和冷卻總有一定的過熱和過冷度，實際發生組織轉變的溫度和狀態圖上所示的理論臨界點之間有一定的偏離。為區別，故加熱時的臨界點加注“C”，冷卻時的臨界點加注“” 1鋼在加熱時的轉變 例，對共析鋼，加熱到AC1以上時P轉變為A，具體轉變過程通過以下四個步驟 奧氏體晶粒的產生； 奧氏體晶粒的長大； 剩余Fe3C體中的繼續溶解； A的成分均勻化 在加熱過程中，P開始全部轉變為A時晶粒比較細小，

13、再繼續加熱、保溫，晶粒就可長大，結果使鋼在常溫下機械性能特別是k值變壞。 鋼在熱處理時，加熱和保溫的主要目的是為了使鋼獲得細而均勻的A晶粒。試驗說明，鋼的機械性能，不僅與高溫加熱狀態獲得奧氏體晶粒的大小，化學成分的均勻程度有關，而且與奧氏體在冷卻時的轉變有直接的關系冷卻方式和冷卻速度等），冷卻速度不同，組織結構也不同，鋼的性能也不同。 A等溫轉變曲線 貝氏體形珠光體形馬氏體形溫度/珠 光 體 形 成 結 束珠 光 體 形 成 中 間珠 光 體 開 始 形 成過 冷 奧 氏 體珠 光 體 10 20索 氏 體 25 30屈 氏 體 30 40上 貝 氏 體 40 451321變轉了終轉變開始下

14、貝 氏 體50 60240M s圖 1-21 共 析 碳 鋼 的 奧 氏 體 等 溫 轉 變 曲 線時 間 / 上圖中有兩條“C字行曲線，左邊曲線是A轉變開始線，曲線以左的區域為過冷A區，即過冷到A1723）以下未發生轉變的區域，此區域A過冷不穩定。右邊曲線是A轉變終了線，曲線以右的區域為轉變產物區，不同溫度區域組織轉變的產物及其特性為： a在A1723550）為P轉變即高溫轉變區，按轉變溫度的高低產物可分為粗P、 氏體即由P在650 ）和 氏體極細P在540 ）； b在550 Ms240 ）之間為貝氏體轉變，中溫轉變區。在500350 轉變為白光條狀組織，形若羽毛為上B其塑性差）；在3503

15、20 區間轉變為呈黑色個體狀的BT硬度高韌性較好）； c在Ms240 ）Ms之間為馬氏體轉變，稱為低溫轉變，產物為馬氏體碳在Fe中的過飽和固溶體）。它具有很高的硬度，但沖擊韌性低、脆性大、延伸率很低。 在實際生產中，A的轉變是在連續冷卻的過程中進行的，它與等溫轉變有區別。但為了方便在生產實踐中，把代表連續冷卻的冷卻速度線V1、V2、V3等點在等溫轉變曲線上。根據與c曲線的相交位置，可得出組織及性質圖中：V1 相當于緩冷退火與“C相交位置可以判斷轉變為P； V2 相當于空冷正火可判斷轉變為 氏體細P） V3 相當于油冷油淬與“C開始相交故一部分轉變為T；另一部分來不及轉變，為過冷A最后轉為Ms；

16、 V4 相當于水冷水淬不與“C線相交，冷卻時A來不及發生分解，象馬氏體轉變。臨 界 1退火 將鋼件加熱到AC1或AC3以上某一溫度，保溫一定時間后隨爐冷卻，從而得到近似平衡組織的熱處理方法。 目的：降低硬度，細化晶粒，提高強度，塑性和韌性，消除內應力等 完全退火重結晶退火）：將鋼加熱到AC3以上2040 使鋼組織完全重結晶，可細化晶粒、均勻組織、降低強度。 消除應力退火低溫退火）：將鋼加熱消除應力退火低溫退火）：將鋼加熱到到A1以下，一般為以下，一般為500650 ，保溫緩，保溫緩冷到冷到300 空冷；空冷； 主要用于消除焊接體、熱軋體、冷格壓件主要用于消除焊接體、熱軋體、冷格壓件等的內應力，

17、無組織變化殘余應力，是通等的內應力，無組織變化殘余應力，是通過塑性變形或蠕變變形產生松弛而消除的。過塑性變形或蠕變變形產生松弛而消除的。去 應 力 退 火球 化 退 火正 火完 全 退 火（） 工 藝 曲 線圖 1-25 各 種 退 火 和 正 火 的 工 藝 示 意 圖擴 散 退 火完 全 退 火球 化 退 火去 應 力 退 火正 火溫度時 間 目的： 低碳鋼：細化晶粒、均化組織、改善性能 中碳鋼：提高強度、硬度 高碳鋼：消除網狀Fe3C 由于正火的冷卻速度較退火快，所以得到的P組織較細，強度、硬度都有提高，具有較好的綜合機械性能。 目的：提高鋼的強度和硬度，增加耐磨性，以及在隨后的回火過程

18、中獲得高強度和高韌性相配合的性能。 目的：降低鋼材的脆性，消除內應力、穩定工件尺寸，獲得新要求的機械性能。 低溫回火：在150250 中進行，回火M組織，降低了淬火鋼的內應力和脆性，保持其高硬度和高耐磨性的特點用于工具、模具等）； 中溫回火：在350450 中進行，回火T組織，具有高的彈性極限和屈服極限，較好的韌性用于彈簧、軸套）； 高溫回火：在500650 中進行，回火S組織，具有一定的強度、硬度而又有較好的塑性、韌性，淬火+高溫回火稱調質處理，用于重要零件，如連桿等； 回火脆化：理論上講淬火鋼回火后沖擊韌性可得到提高。但有些結構鋼在250400 中回火后，沖擊韌性反而降低，這種現象稱為“第

19、一回火脆性”。在450575 出現“第二回火脆性”。一、碳鋼一、碳鋼 指含碳量小于指含碳量小于2.06%的鐵碳合金。的鐵碳合金。 1化學元素對碳鋼的影響化學元素對碳鋼的影響碳鋼是以鐵為基本，同時含有少量碳、錳、硅、硫、磷等碳鋼是以鐵為基本，同時含有少量碳、錳、硅、硫、磷等元素。元素。C，是一種強化元素。含碳量高，鋼的強度、硬度高，是一種強化元素。含碳量高，鋼的強度、硬度高，塑性、韌性差，可焊性差。塑性、韌性差，可焊性差。 鍋爐壓力容器用鋼的含碳量必須控制在鍋爐壓力容器用鋼的含碳量必須控制在0.25%以下。以下。Mn，具有一定的脫氧能力，能與硫化合成，具有一定的脫氧能力，能與硫化合成MnS減輕硫

20、減輕硫的有害作用。含錳量適當時，可提高強度、硬度、耐磨性，的有害作用。含錳量適當時，可提高強度、硬度、耐磨性，減少氣孔，提高焊縫的抗熱裂性能，但塑性、沖擊值降低。減少氣孔，提高焊縫的抗熱裂性能，但塑性、沖擊值降低。 當當Mn1%，可提高焊縫的強度和韌性，當，可提高焊縫的強度和韌性，當Mn1%則焊則焊縫易產生裂紋和夾渣。縫易產生裂紋和夾渣。 鍋爐壓力容器用碳鋼中的含錳量一般在鍋爐壓力容器用碳鋼中的含錳量一般在0.150.65%。 Si，強脫氧劑，可提高鋼的強度，使焊縫致密均勻。當，強脫氧劑，可提高鋼的強度，使焊縫致密均勻。當含硅量過大時易使焊縫形成夾渣，降低抗彎角度和沖擊韌含硅量過大時易使焊縫形

21、成夾渣，降低抗彎角度和沖擊韌性。性。 鍋爐壓力容器用碳鋼中含硅量一般在鍋爐壓力容器用碳鋼中含硅量一般在0.150.30%。 S，有害雜質，含硫量多時，晶界處存在低熔點組成相。，有害雜質，含硫量多時，晶界處存在低熔點組成相。在熱加工過程中容易產生熱裂現象，即熱脆，焊接時容易在熱加工過程中容易產生熱裂現象，即熱脆，焊接時容易導致焊縫熱裂。導致焊縫熱裂。 鍋爐壓力容器用碳鋼中含硫量一般控制在鍋爐壓力容器用碳鋼中含硫量一般控制在0.045%以下。以下。 P，有害雜質，磷能與碳化合，并析出脆性化合物，有害雜質，磷能與碳化合，并析出脆性化合物Fe3P，使鋼的塑性、韌性，特別是沖擊值明顯下降，在低溫時尤使鋼

22、的塑性、韌性，特別是沖擊值明顯下降，在低溫時尤為顯著，即出現冷脆現象。為顯著，即出現冷脆現象。P的存在使鋼的可焊性變壞，的存在使鋼的可焊性變壞，焊接時易產生裂紋；焊接時易產生裂紋； 鍋爐壓力容器用碳鋼的含磷量一般控制在鍋爐壓力容器用碳鋼的含磷量一般控制在 0.040以下。以下。 氧、氮、氫有害元素氧、氮、氫有害元素按鋼的含碳量分：低碳鋼：含碳量0.25%;中碳鋼：含碳量0.25%0.55%高碳鋼：含碳量0.55%;按脫氧方法分：沸騰鋼：組織不致密，性能不均勻，沖擊韌性差鎮靜鋼：按鋼的質量分：普通碳素鋼： S0.055% P0.045%；優質碳素鋼： S0.045% P0.040%；高級優質碳素

23、鋼： S0.030% P0.035%。按用途分：碳素結構鋼： C0.7%碳素工具鋼： C0.7% 根據GB700-88中規定， 1普通碳素結構鋼的表示方法： QXXX- Q鋼的屈服點，XXX鋼的屈服強度值MPA），-鋼的質量等級分A、B、C、D），脫氧方法F、B、Z）； 2優質碳素結構鋼的表示方法：用兩位數字表示，這兩位數字是鋼平均含碳量質量的萬分比。 3焊條用鋼H，壓力容器用鋼R，鍋爐用鋼g 1低合金高強度鋼的應用特點與要求 性能特點：良好的焊接性能和耐磨性能；良好的塑性和比碳鋼低的脆性轉變溫度；較高的屈服極限； 使用特點：可減輕結構重量，保證使用可靠耐久； 工藝要求：工藝要求比碳鋼嚴格，一

24、般焊前要預熱、焊后緩慢冷卻，選用低 型焊條，焊材要嚴格烘烤。 鍋爐壓力容器采用低合金鋼代替碳鋼，可減薄容器壁厚，節省鋼材，用時對不同的使用場合還具有不同的優越性。 錳：鋼中含錳量超過錳：鋼中含錳量超過1%時稱為錳鋼。錳鋼可提高強度，時稱為錳鋼。錳鋼可提高強度，降低塑性、韌性、焊接性能變壞，耐蝕性能下降，一般含降低塑性、韌性、焊接性能變壞，耐蝕性能下降，一般含量控制在量控制在1.101.65%; 硅：一般大于硅：一般大于0.40%，可提高鋼的抗腐蝕和抗氧化能力。，可提高鋼的抗腐蝕和抗氧化能力。冷加工硬化程度的作用極強，惡化焊接性能。冷加工硬化程度的作用極強，惡化焊接性能。 鉻：可提高鋼的淬透性和

25、強度、硬度，具有良好的抗氧鉻：可提高鋼的淬透性和強度、硬度，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕能力。當化性和耐腐蝕能力。當Cr10%時，鋼材塑性降低，可焊時，鋼材塑性降低，可焊性變壞性變壞 鉬：可提高鋼的淬透性及熱強性，可消除或降低鋼的熱鉬：可提高鋼的淬透性及熱強性，可消除或降低鋼的熱脆性和回火脆性，改善鋼在高溫高壓下抗氫腐蝕能力。脆性和回火脆性，改善鋼在高溫高壓下抗氫腐蝕能力。 釩：可細化晶粒，改善鋼的強度和韌性，提高鋼的耐磨釩：可細化晶粒，改善鋼的強度和韌性，提高鋼的耐磨性及回火穩定性，改善鋼的焊接性能，含量不宜過多。性及回火穩定性，改善鋼的焊接性能，含量不宜過多。 3低合金鋼的分類 S=3045kgf/cm2 ，以錳為主要