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金属材料及热处理
发布日期：[ 14:09:08]&&&
来源：泰安市盛大顺畅检测有限公司
l&材料力学基本知识
l&应力与应变
l&冲击韧度
l&断裂韧度
l&疲劳强度
l&韧脆转变温度
l&金属学与热处理基本知识
l&承压类特种设备常用材料
1材料力学基础知识
l&承压类特种设备对材料要求很高，如高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性能及工艺性能等。
l&对材料的较高要求是推动特种设备用材不断发展的基本动力。
l&在承压类特种设备制造业中，金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。
年产1000万吨炼油厂
1材料力学基础知识
TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关
&&&&&&总重量为46,328吨&泰坦尼克号于1912年4月15日被冰川撞沉。其遗骸于1985年9月1日被发现。船只已经首尾分离，裂成了两半。船头仍然保持相对完整，而船尾则位于2000英尺之外，已经严重受损变形。&&
1材料力学基础知识
&&&&在第二次世界大战期间，美国制造的4694艘船只中，发现在970艘船上有1442处裂纹。其中24艘甲板全部横断，一艘船底发生完全断裂，八艘从中腰断为两半，其中四艘沉没。&&
1材料力学基础知识
2007年8月2日，美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的大桥坍塌&
1材料力学基础知识
l&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。
l&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。
投入运行的加氢反应器
1材料力学基础知识
&&&&&&&&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。承压类特种设备材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和冲击韧度等。
1材料力学基础知识
l&依据国标GB/T&228－2002《金属室温拉伸实验方法》
新旧标准性能名称对照
1材料力学基础知识
l&GB/T&228―2002&&&&金属材料&&室温拉伸试验方法
l&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&温度10℃~&35℃&
l&GB/T&&&金属材料&&高温拉伸试验
l&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&温度&35℃
l&GB/T&1&金属材料&&低温拉伸试验
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&温度-196℃~&10℃&
1.1&应力与应变
l&材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。
l&外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。
l&外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。&
1.1&应力与应变
l&应力σ&：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:
l&&&&&&&&&&&&F&
l&&&&&&&σ=&――&&
l& &&&&&&&&S0&
l&应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:
l&&&&&&&&&&&&Δl
l&&&&&&&&ε=&――&&&&
l&&&&&&&&&&&&&l0
l&应力－应变曲线（&σ-&ε曲线）:
l&形状和拉伸曲线相同，单位不同
l&强度:是指材料抵抗永久变形或断裂的能力。
l&常用的强度指标有屈服强度σs或σ0.2和抗拉强度sb&，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。
l&另外，材料的屈强比(σs／σb)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。
注：材料的sb与HB之间的经验关系：
&&&&对于低碳钢:&sb(MPa)≈3.6HB
&&&&对于高碳钢：sb(MPa)≈3.4HB
&&&&对于铸铁：&&sb(MPa)≈1HB&或&sb(MPa)≈&0.6(HB-40）
l&线弹性变形阶段（OA）
l&（塑性）屈服阶段（BC）
l&强化阶段（CD）
l&（局部）颈缩阶段（DE）
l&&&&&&&&&&&&&&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。
Q235拉伸试样,符合国标(GB/T228-2002)
l&屈服强度ss：材料发生微量塑性变形时的应力值。
l&&&&条件屈服强度s0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。
l&抗拉强度sb&：材料断裂前所承受的最大应力值。
l&塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。
l&常用塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。
l&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d。
l&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y。
l&用塑性好的材料制造承压类特种设备，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δ不低于14％。
l&&硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。
l&硬度与强度有一定关系。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。此外，硬度较好的材料，耐磨性较好。
l&工程上常用的硬度测试方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL
注：材料的sb与HB之间的经验关系：
&&&&对于低碳钢:&sb(MPa)≈3.6HB
&&&&对于高碳钢：sb(MPa)≈3.4HB
&&&&对于铸铁：&&sb(MPa)≈1HB&或&sb(MPa)≈&0.6(HB-40）
l&布氏硬度HB
l&将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。
l&压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。
l&压头为, 硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。
l&布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。
l&&&&&&&&&&&&&缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及
l&&&&&&&&&&&&&&&&&&&比压头还硬的材料。
l&适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
l&洛氏硬度HR
l&洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
l&在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。
l&根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。&
l&HRA用于测量高硬度材料,&如硬质合金、表淬层和渗碳层。
l&HRB用于测量低硬度材料,&如有色金属和退火、正火钢等。
l&HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。
l&洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
l&缺点：测量结果分散度大。
l&维氏硬度HV
l&将顶部两相对面具有规定角度（136°）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。&&&
采用较低的试验力可使维氏试验的压痕非常小，这样就可测出很小区域甚至是金相中不同相的硬度。焊接性能试验中的最高硬度试验，就是用维氏硬度来测量焊缝、熔合线和热影响区的硬度。
里氏硬度HL
用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面１ｍｍ处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。里氏硬度计测定的是冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。&里氏硬度的计算公式如下：&HL=1000×νR/νA&式中：HL――里氏硬度符号&&&&&&&νR――――球头的冲击速度，m/s；&&&&&&&νA――――球头的反弹速度，m/s。
l&里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用。
l&里氏硬度可及时换算成布氏、洛氏、维氏等各种硬度。目前里氏硬度计装有钢和铸钢，合金工具钢，灰铸铁，球墨铸铁，铸铝合金，铜锌合金，铜锡合金，纯铜，不锈铜等9种材料的换算表。
1.5&&冲击韧度
l&冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征。
l&韧性常用冲击功Ak和冲击韧度ak表示。
l&&&&&&&&&&ak=&Ak/SN&&&&&&(SN：断口处截面积)
l&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。
l&容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2
1.5&&冲击韧度
GB/T&&229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》
夏比冲击试验的缺口形式有U型和V型两种。
V型缺口根部半径小，对冲击更敏感。承压类特种设备材料的冲击试验规定试样必须用V形缺口。
1.5&&冲击韧度
1.6&&断裂韧度
l&断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。
l&工程上有时会出现材料在远低于σb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σb（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。
l&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度。
1.6&&断裂韧度
&&&&&&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&
1.7&疲劳强度
l&疲劳强度：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值
l&材料在低于ss的重复交变应力作用下发生断裂的现象，称为疲劳。
l&材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用s-1表示。
l&钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
l&钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
l&&&&&&&&&&&&&&&σ-1&=&(0.45～0.55)σb
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
1.8&韧脆转变温度
l&&韧脆转变温度
l&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。
l&体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。
l&材料力学基本知识
l&金属学与热处理基本知识
l&金属的晶体结构
l&铁碳合金相图
l&热处理的一般过程
l&承压类特种设备常用热处理工艺
l&承压类特种设备常用材料
2.1金属的晶体结构
l&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。
l&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。
2.1金属的晶体结构
l&2.1.1晶体结构的基本概念
l&(1)晶体与非晶体
l&晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
l&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。
&&&&&&&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。
2.1金属的晶体结构
l&(2)晶格与晶胞
l&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。
l&空间点阵:由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。
2.1金属的晶体结构
l&晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
l&晶胞参数：晶胞的三组棱长a、b、c及棱间交角α、β、γ。
2.1金属的晶体结构
l&晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
l&90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
l&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。
2.1金属的晶体结构
2.1金属的晶体结构
l&2.1.2金属材料的晶体结构
l&1、纯金属的晶体结构
l&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。
l&金属原子趋向于紧密排列。
l&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。
2.1金属的晶体结构
l&⑴&体心立方晶格
常见金属：a-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
2.1金属的晶体结构
2.1金属的晶体结构
l&⑵&面心立方晶格
常见金属：&g-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
2.1金属的晶体结构
2.1金属的晶体结构
l&⑶&密排六方晶格
l&常见金属：&Mg、Zn、&Be、Cd等
2.1金属的晶体结构
2.1金属的晶体结构
l&2、实际金属的晶体结构
l&⑴&单晶体与多晶体
l&单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。
l&多晶体：
晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。
2.1金属的晶体结构
l&晶界：晶粒之间的交界面。
l&晶粒越细小，晶界面积越大。
l&多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
2.1金属的晶体结构
l&3、晶体缺陷
l&晶格的不完整部位称晶体缺陷。
l&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。
2.1金属的晶体结构
l&①&点缺陷&：空间三维尺寸都很小的缺陷，在原子尺寸大小的缺陷。主要有空位、间隙原子、置换原子三种。
l&a.&空位：晶格中某些缺排原子的空结点。
b.&间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。
2.1金属的晶体结构
l&c.&置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
l&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。
2.1金属的晶体结构
不论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结合点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
2.1金属的晶体结构
②&线缺陷―在三维空间的一个方向的尺寸很大（晶粒数量级），另外两个方向尺寸很小的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。
&&&&&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。
2.1金属的晶体结构
刃位错&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&螺位错
2.1金属的晶体结构
l&电子显微镜下的位错
2.1金属的晶体结构
l&位错的存在，对金属材料的机械性能、扩散及相变等过程有着重要的影响。如果金属不含位错，那末它将有极高的强度。
l&金属的塑性变形主要是由位错运动引起的。因此，阻碍位错运动是强化金属的主要途径。&
l&下图为金属强度与位错密度的关系曲线，可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。
2.1金属的晶体结构
l&③&面缺陷：在三维空间的两个方向的尺寸很大（晶粒数量级），另外一个方向尺寸很小的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的晶界与亚晶界。面缺陷的存在使金属的强度提高。
l&晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。
l&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。
2.1金属的晶体结构
2.1金属的晶体结构
l&4、合金的晶体结构
l&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。(Fe3C)
l&组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。
l&组成合金的元素相互作用可形成不同的相。
2.1金属的晶体结构
l&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。
l&显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。
l&固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。
2.1金属的晶体结构
l&⑴&固溶体
l&合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固
l&相称固溶体。习惯以a、b、g表示。
l&与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。
l&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。
l&按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。
2.1金属的晶体结构
l&⑵&金属化合物
l&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。
l&当合金中出现金属化合物时，
l&可提高其强度、硬度和耐磨性，
l&但降低塑性。
l&金属化合物也是合金的重要
l&组成相。
Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格
2.1.3&金属的结晶
l&&&&&2.1.3金属的结晶
l&纯金属的结晶
l&一、结晶的一般过程
l&1、结晶的基本过程
l&结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
l&液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,&&经一段时间后(即孕育期),&&一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
2.1.3&金属的结晶
l&晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
2.1.3&金属的结晶
l&2、晶核的形成方式
l&形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
l&由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。
l&以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
l&3、晶核的长大方式
l&晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。
2.1.3&金属的结晶
l&在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
2.1.3&金属的结晶
l&实际金属结晶主要以树枝状长大.
l&这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。
2.1.3&金属的结晶
l&树枝状长大
2.1.3&金属的结晶
l&二、同素异构转变
l&物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一―固态相变。
l&1、铁的同素异构转变
l&铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：
d-Fe&&&⇄&&&g-Fe&&&⇄&&&a-Fe
2.1.3&金属的结晶
l&d-Fe、&a-Fe为体心立方结构(BCC)，g-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
2.1.3&金属的结晶
l&2、固态转变的特点
l&⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。
l&⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。
l&⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。
固态相变的晶界形核
2.1.3&金属的结晶
l&合金的结晶
l&合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.
l&相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
2.2铁碳合金相图
l&铁碳合金―碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。
l&含碳量0.0218%&~2.11%的称钢;2.11%~&6.69%的称铸铁
l&铁和碳化合物：&Fe3C、&Fe2C、&FeC，
l&含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，无实用价值。
l&实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-&Fe3C相图。
2.2铁碳合金相图
l&铁碳合金相图
&&&&&&&&&&&&是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.
l&一、铁―渗碳体相图中铁碳合金的分类
l&Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同显微组织和性能，通常根据相图中P点，E点将铁碳合金分为工业纯铁，钢和白口铸铁三大类。
l&1．工业纯铁
l&成分P点以左（Wc&0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体&和三次渗碳体。
l&成分为P点与E点间（Wc=0.%）的Fe-C合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进行热加工。
l&根据含碳量不同又可分为三类：
l&（1）&&&&&&&共&析&钢――含碳量=0.77%
l&（2）&&&&&&&亚共析钢――含碳量&0.77%
l&（3）&&&&&&&过共析钢――含碳量&0.77%
l&3．&&白口铸铁
l&成分为E点右面（C%=2.11~6.69%）的铁碳合金。其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温中组织硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工，根据相图：
l&白口铸铁分为：共晶白口铸铁――C%=4.3%；&&&&&亚共晶白口铸铁――C%&4.3%；过共晶白口铸铁――C%&4.3%
2.2铁碳合金相图
l&铁碳合金相图的分析
2.2铁碳合金相图
l&⒉&特征线
l&⑴&液相线―ABCD，
l&&&&&&&&&&固相线―AHJECFD&
l&⑵&三条水平线：
l&HJB：包晶线LB+δH⇄&gJ&
l&ECF：共晶线LC⇄&gE+Fe3C
l&共晶产物是g&(A)与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,&用Ld表示。为蜂窝状,&以Fe3C为基，性能硬而脆。
2.2铁碳合金相图
l&PSK：共析线
l&&&&&gS&⇄FP+&Fe3C
l&共析转变的产物是&A&与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。
l&珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。&PSK线又称A1线&。
2.2铁碳合金相图
l&⑶&其它相线
l&GS,GP―g&⇄&a&固溶体转变线,&GS又称A3&线。
l&HN,JN―δ⇄&g&固溶体转变线，
l&ES―碳在g&-Fe中的固溶线。又称Ac&m线。
l&PQ―碳在a-Fe中的固溶线。
2.2&铁碳合金相图
l&⑴&五个单相区：
l&&&&&L、d、g、a、Fe3C&&&&&
l&⑵&七个两相区:&L+d、L+g、L+Fe3C、d&+g、g+Fe3C、g+a&、a+Fe3C&
l&⑶&三个三相区：即HJB&(L+d+g)、ECF(L+g+&Fe3C)、PSK(g+a+&Fe3C)三条水平线&
2.2铁碳合金相图
l&铁碳合金的组元和相
l&⒈&组元：Fe、&Fe3C
l&⑴&铁素体：
l&碳在a-Fe（&910℃）中的固溶体称铁素体,&用F&或a&表示。&
l&碳在δ-Fe（&℃&）中的固溶体称δ&-铁素体，用δ&表示
l&都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为多边形晶粒，强、硬度不高，塑、韧性良好。超过770&℃，铁磁性消失
铁素体金相
材料：纯铁
放大：500×
工艺情况：退火状态
浸蚀方法：苦味酸酒精溶液浸蚀
组织说明：白色颗粒状为铁素体，明显黑色曲折线条为晶界，其上黑色小点为氧化物
2.2铁碳合金相图
l&&⑵&奥氏体:
l&碳在g&-Fe&（910~1390℃&）中的固溶体称奥氏体。用A或&g&表示。
l&是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。
l&组织为不规则多面体晶粒，
l&晶界较直。无磁性强度低、
l&塑性好，钢材热加工都在g&
l&碳钢室温组织中无奥氏体。
&奥氏体金相
材料：1Cr18Ni9Ti
放大：250×
工艺情况：固溶处理
浸蚀方法：盐酸、硝酸、甘油混合溶液浸蚀
组织说明：均一的奥氏体组织，部分晶粒呈孪晶分布，其上黑色小点为碳化物，多边形小块状为氮化物。
2.2铁碳合金相图
l&⑶&渗碳体：即Fe3C,&含碳6.69%,&用Fe3C或Cm表示。
l&Fe3C硬度高、强度低(sb&35MPa),&&脆性大,&&塑性几乎为零
l&Fe3C是一个亚稳相，在一定
l&条件下可发生分解：
l&Fe3C→3Fe+C(石墨),&
l&由于碳在a-Fe中的溶解度
l&很小，因而常温下碳在铁碳
l&合金中主要以Fe3C或石墨的
l&形式存在。&
2.2&&铁碳合金相图
l&㈠工业纯铁的结晶过程&
l&合金液体在1-2点间转变为d，3-4点间d→g，5-6点间g→a。到7点，从a中析出Fe3C。
2.2铁碳合金相图
l&工业纯铁的结晶过程&
2.2&铁碳合金相图
l&从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。&Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
l&随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+&Fe3CⅢ。
2.2&铁碳合金相图
l&㈡&共析钢的结晶过程&
l&合金液体在1-2点间转变为g。到S点发生共析转变：
l&gS⇄aP+Fe3C,
l&&&&&g&全部转变为珠光体。
2.2铁碳合金相图
l&共析钢的结晶过程
2.2&铁碳合金相图
l&珠光体在光镜下呈指纹状.
l&珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
l&S点以下，共析&a&中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.
2.2&铁碳合金相图
l&㈢&亚共析钢的结晶过程
l&0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.
l&以0.45%C的钢为例
l&合金在4点以前通过匀晶―包晶―匀晶反应全部转变为g。到4点，由g&中析出a&。到5点,&g&成分沿GS线变到S点，g&发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，a&中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,&&且量少,&&忽略不计.&
2.2铁碳合金相图
l&亚共析钢的结晶过程
2.2&铁碳合金相图
l&亚共析钢室温下的组织为F+P&.
l&在0.%C&范围内
l&珠光体的量随含碳量增加而增加。
2.2&铁碳合金相图
l&㈣&过共析钢的结晶过程&
l&合金在1~2点转变为g&,&到3点,&开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,&用Fe3CⅡ表示,&其沿晶界呈网状分布.
l&温度下降,&Fe3CⅡ量增加。到4点，&g&成分沿ES线变化到S点，余下的g&转变为P。
2.2铁碳合金相图
l&过共析钢的结晶过程
过共析钢室温组织为P+&Fe3C&Ⅱ
(含1.4%C钢的组织)
2.2&铁碳合金相图
过共析钢室温组织为P+&Fe3C&Ⅱ
含1.4%C钢的组织
2.2&铁碳合金相图
l&临界温度与实际转变温度
l&铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示.
l&实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
2.3&&热处理的一般过程
l&&&&改善钢的性能，主要有两条途径：
l&一是合金化
l&二是热处理
l&1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
l&为简明表示热处理的基本
l&工艺过程，通常用
l&温度―时间坐标绘出
l&热处理工艺曲线。&&
2.3&&热处理的一般过程
l&2、热处理特点:&热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。&
l&3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。&
l&4、热处理分类&
l&热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。
l&热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。
2.3&&热处理的一般过程
2.3.1钢的加热转变
l&钢在加热时的转变
l&加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1(PSK)以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。&
2.3.1钢的加热转变
2.3.1钢的加热转变
l&影响奥氏体晶粒长大的因素
l&⑴加热温度和保温时间:&加热温度高、保温时间长,&&g&晶粒粗大.
l&⑵加热速度:&加热速度越快,过热度越大,&形核率越高,&晶粒越细.
l&⑶合金元素：
l&阻碍奥氏体晶粒长大的元素:&Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。
l&促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。
l&⑷&原始组织:&平衡状态的组织有利于获得细晶粒。
l&奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。
2.3.2钢的冷却转变
l&&&&&&冷却是热处理更重要的工序。
l&一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
, l&处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。
现以共析钢为例说明：
2.3.2钢的冷却转变
l&㈠&珠光体转变
l&1、珠光体的组织形态及性能
l&过冷奥氏体在&A1到&550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.
珠光体金相
放大：500×
工艺情况：退火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：层片状珠光体。层片状珠光体是一种双相结构的组织，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物。它是由高温奥氏体冷却到727℃时共析反应后所得到的产物，含碳量为0.77%
球状珠光体
材料：GCr15
放大：500×
工艺情况：球化退火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：球粒状珠光体。通过正常球化退火工艺，促使碳化物呈均匀的球粒状分布在铁素体基体上，从而降低了硬度，改善了轴承钢的切削性能，并且利于淬火时不易造成过热现象。
索氏体金相
材料：2Cr13
放大：800×
工艺情况：调质处理
浸蚀方法：经氯化高铁、盐酸水溶液浸蚀
组织说明：显示奥氏体晶界和孪晶的回火索氏体。索氏体本质上是渗碳体与铁素体的机械混合物，但在光学显微镜下常常难以分辨出渗碳体颗粒。
2.3.2钢的冷却转变
l&2、珠光体转变过程
l&珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。
l&珠光体转变是扩散型转变。
2.3.2钢的冷却转变
2.3.2钢的冷却转变
l&珠光体转变观察
2.3.2钢的冷却转变
2.3.2钢的冷却转变
l&㈡&贝氏体转变
l&1、贝氏体的组织形态及性能
l&过冷奥氏体在550℃-&230℃&(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。
l&根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).
贝氏体金相
材料：70Si3Mn（弹簧钢）
放大：550×
工艺情况：加热至1200℃保温，在400℃盐浴中等温3min后空冷
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：黑色针状下贝氏体、羽毛状上贝氏体和部分灰色马氏体及残余奥氏体等混合分布。
2.3.2钢的冷却转变
l&㈢&马氏体转变
l&当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。
l&马氏体转变是强化钢的重要途径之一。
l&1、马氏体的晶体结构
l&碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。
l&马氏体的形态分板条和针状两类。
马氏体金相
l&当奥氏体含碳量小于0.2％时得到全部板条马氏体组织，呈扁担状，亚结构以位错为主，有较高的强度和韧性，具有良好的综合机械性能。
马氏体金相
材料：15MnB
放大：550×
工艺情况：920℃渗碳淬火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：渗碳淬火的心部组织，主要为呈板条状分布的低碳马氏体，又称板条状马氏体。板条状马氏体是由许多一束束尺寸大致相同并几乎平行排列的细板条结合起来的组织，马氏体束之间的角度比较大。此图由于是渗碳淬火，在高温状态材料心部形成较粗大的奥氏体晶粒，淬火后得到较粗大的板条状马氏体。
马氏体金相
l&马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的含碳量当奥氏体的含碳量大于1.0％时，得到全部针状（片状）马氏体，呈双凸透镜状，亚结构以挛晶为主，硬度和强度高，但塑性和韧性很低。
l&含碳量在0.2～1.0%之间为板条与针状的混合组织。
马氏体金相
放大：550×
工艺情况：高温淬火后
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：较粗大的针状马氏体和残余奥氏体。针状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形似铁饼。针状马氏体之间通常互成60°或120°角，一般限制在奥氏体晶粒内，最初形成的马氏体针贯穿奥氏体晶粒，后形成的马氏体较短，先形成的马氏体较易浸蚀。所以完全转变的马氏体为大小不同，分布不规则，颜色深浅不一的针状组织。
2.3.2钢的冷却转变
l&马氏体转变观察
2.3.2钢的冷却转变
l&过冷奥氏体转变产物（共析钢）&
形成温度，&℃
显微组织特征
粗片状，F、Fe3C相间分布
细片状，F、Fe3C相间分布
极细片状，F、Fe3C相间分布
羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间
竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&&&&&&&&&&&&&&&承压类特种设备用钢常用热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火等。奥氏体不锈钢有固溶处理和稳定化处理。
l&&&&&&&&&将钢加热到高于或等于奥氏体化
l&临界点，保温一段时间后，缓慢
l&冷却，以获得接近平衡组织的
l&热处理工艺。
l&在承压类特种设备制造过程中应用最多的是去应力退火（消除应力退火）。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
&&&&&&&消除应力退火可分为整体焊后热处理和局部焊后热处理两大类，整体焊后热处理效果好于局部焊后热处理。
&&&&&整体焊后热处理又可分为炉内整体热处理和内部加热整体热处理。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
7000立方米球罐焊后热处理
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&热处理方法的选择
l&尽可能采取炉内整体热处理
l&分段时，加热重叠部分至少1500mm
l&局部热处理时，每侧加热带宽度不小于厚度的2倍
l&接管与容器相焊的整圈焊缝，加热带宽度不小于壳体厚度的6倍
l&热处理工艺温度的一般控制
l&进、出炉温度：≤400&℃
l&升温速度：&≤5000/&δ(℃/h)，且≤200(℃/h)
l&降温速度：&≤6500/&δ(℃/h)，且≤260(℃/h)
保温期间，加热区内温差：≤65&℃
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
某设备制造时环境温度过低，焊接时不同部位温差较大造成残余应力过大，由于未能进行有效热处理，导致产生大量纵向冷裂纹。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&&&&&退火的目的：
l&&降低硬度，改善切削加工性；&&&
l&消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向
l&细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。&
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&再热裂纹
l&再热裂纹：分两种情况
l&1、焊接时未产生，消除应力热处理时产生，简称SR裂纹
2、长期处于高温条件下使用的容器，也会出现类似的裂纹
07MnCrMoVR钢制丙烯球罐焊后热处理过程中产生的再热裂纹
再热裂纹的特征
1、裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区，终止于细晶区，具有晶间性质，裂纹并不一定是连续的，而焊缝和母材均不产生裂纹；
2、必须有大的残余应力和应变，一般均发生在应力集中处。焊缝向母材过渡不平滑，如：咬边、焊瘤、未焊透、边缘未融合、余高过大
3、焊后不会自行发生，与焊后消应处理的加热温度和加热时间密切相关。低合金高强钢，500~700，600附近最敏感
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&产生再热裂纹的影响因素
l&1、焊缝成形的影响：焊缝的成形能影响应力集中的大小
l&2、预热的影响：预热能使冷却速度放慢，通常会降低热影响区的硬度，防止产生淬硬组织，并且使残余应力和变形减到最小，并加速氢的扩散，有利于防止产生再热裂纹。
l&规程要求：
l&GB《球形储罐施工及验收规范》对不同厚度常用钢材规定了焊前预热温度
l&JB/T《钢制压力容器焊接规程》对常用钢材牌号推荐预热温度
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&3、后热时加热速度的影响
l&加热速度对产生再热裂纹时的塑性变形量有影响。塑性变形量小，易于产生再热裂纹。
l&4、后热温度和保温时间的影响
l&5、化学成分的影响
l&经验公式，应用应慎重。在一般应用场合，宜进行焊接工艺试验以确定该焊件的钢材有无产生再热裂纹的可能
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&防止再热裂纹的措施
l&（1）焊接的预热和后热
l&适当提高预热温度，提高焊后加热的加热速度和温度，并越过再热裂纹敏感温度区。
l&（2）控制适宜的线能量
l&控制线能量的目的：避免过快冷，产生马氏体；避免过慢冷，防止出现低塑性的组织
l&单纯企图增大线能量降低再热裂纹敏感性的方法并不可取。应根据焊评结果控制线能量。
l&（3）焊接接头的匹配性
l&（4）采用回火焊道
l&（5）不采用再热开裂敏感的材料
l&（6）制定合理的焊接顺序，减少焊接应力
l&（7）改进焊接接头的设计
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺。
l&压力容器钢板正火一般在钢厂进行，目的在于改善热轧状态钢板的力学性能，主要是提高塑性和韧性。
对于低温容器用钢，通过正火可细化晶粒，达到低温韧性要求。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&过热：钢在加热时，由于温度过高，并且较长时间保温，会使晶粒长得恨粗大，致使性能显著降低的现象。可通过正火或高温扩散退火等方法矫正和恢复。
过烧：钢加热时加热温度比过热温度还要高，达到固相线附近时，会发生晶界开始部分熔化或氧化的现象。不能用热处理方法恢复，只能报废。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&钢加热到临界点以上，保温后迅速冷却，以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。
压力容器用低碳钢、低合金钢淬火的目的是为获得低碳马氏体（板条马氏体）或贝氏体组织。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&淬火温度为Ac3+30-50℃。
l&预备热处理组织为退火或正火组织。
l&压力容器用钢淬火一般采用水冷，主要有：
l&&喷淋淬火：喷淋装置
l&在强烈循环水中进入淬火：用水泵
浸入法：水槽
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&将淬火或正火后的钢加热到相变点以下某一选定温度，并保温一段时间，然后以适当的速度冷却，以消除淬火或正火所产生的残余应力，增加钢的塑性和韧性的热处理工艺。
l&压力容器用钢回火一般采用高温回火处理，回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体。对于正火后获得铁素体+珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&回火脆性：指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。
l&回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。
l&第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，主要发生在回火温度为250～400℃时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性
l&第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400～650℃，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
&&&&&&规格Φ273×40mm，材质20钢，长约14.3米；操作压力25.5MPa，操作温度-2℃，操作介质为H2、N2、CH4、NH3等。
&&&&&&&因制造过程中的第一类回火脆性导致材质裂化
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&回火脆化：钢制压力容器在380～570℃范围内长期运行，使钢材脆化的现象。
l&例如：2.25Cr-1Mo钢制热壁加氢反应器在高温高压临氢环境中长期运行时，反应器器壁母材及对接焊缝金属的回火脆化。回火脆化的温度是根据压力-温度-材质曲线来定的
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺。
l&压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理，可以提高钢材的强度和韧性，以更好发挥材料的潜力。
l&稳定化处理
含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850～900℃加热，并保温一段时间，然后空冷，使碳充分与稳定化元素（如钛）形成碳化物，并使奥氏体晶内元素扩散均匀，从而提高抗晶间腐蚀性能的处理方法。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
固溶化处理：
&&&&&&&&&&&将奥氏体不锈钢加热至1100℃左右的高温并保温，使所有碳化物充分溶入奥氏体中，然后以较快的速度冷却（一般采用水冷或风冷），以获得碳化物完全固溶于奥氏体基体内均匀的单相组织，从而提高抗晶间腐蚀性和延展性的工艺方法。
室温下18-18-2钢接触聚合硫酸一小时后产生的晶间裂纹
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
不锈钢熔合线刀状腐蚀
不锈钢热影响区应力腐蚀裂纹（敏化区）
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&敏化温度区
l&不锈钢产生晶间腐蚀与钢
l&的加热温度和加热时间有关。
l&1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀
l&与加热温度和加热时间的关系，
l&当加热温度小于450℃或大于
l&850℃时，不会产生晶间腐蚀。
l&因为温度小于450℃时，由于温度较低，
l&不会形成碳化铬化合物；而当温度超过850℃时&，晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳结合，不会在晶界形成贫铬区。450～850℃称“敏化温度区”，其中尤以650℃为最危险。
2.4&承压类特种设备常用热处理工艺
l&压力容器用钢常用参考热处理规范
l&碳素钢、16MnR：600~640&℃
l&07MnCrMoVR：550~590&℃
l&09MnNiDR：&540~580&℃
l&12CrMo、15CrMo：≥600&℃
l&12Cr1MoV：&≥640&℃
l&1Cr5Mo：≥660&℃
l&调质钢热处理温度应低于调质处理的回火温度
l&电渣焊后应进行正火+回火热处理
l&不同钢号：按温度要求高的进行，但不应超过任一钢号的下临界点
奥氏体不锈钢可不进行热处理
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