1、第一章金属材料与热处理u材料力学基本知识应力与应变强度塑性硬度冲击韧度u金属学与热处理基本知识u承压类特种设备常用材料1.1概述u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。u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。u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。1材料力学基础知识材料力学基础知识年年产产1000万万吨炼吨炼油油厂厂TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关1材料力学基础知识材料力学基础知识 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
2、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。 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。 Titanic近代船用钢板近代船用钢板1材料力学基础知识材料力学基础知识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材料力学基础知识材料力学基础知识u金属：通常把元素周期表中具有金属光泽，可塑性，导金属：通常把元素周期表中具有金属光泽，可塑性，导电性及导热性良好的化学元素成为金属。电性及导热性
3、良好的化学元素成为金属。u金属最突出特点易失去电子，形成化合物状态存在。金属最突出特点易失去电子，形成化合物状态存在。u金属材料：指金属元素或以金属元素为主构成的具有金金属材料：指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属性质的材料的统称。纯金属属性质的材料的统称。纯金属 ，合金等，合金等u使用性能使用性能：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。u工艺性能工艺性能：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。1材料力学基础知识材料力学基础知识力学性能力学性能：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
4、材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。1材料力学基础知识材料力学基础知识u材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。u外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。u外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 1.1 应力与应变应力与应变u 应力应力 ：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: F = S0 u 应变应变：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 = l0u 应力应变曲线（ - 曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同bse1.1 应力与应变应力与应变 强度:是指材料抵抗永久变形或断裂的能力。u常用的强度指
5、标有屈服强度s或0.2和抗拉强度b 。u另外，材料的屈强比(sb)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。u采用拉伸试验测定其大小，即将一定尺寸试样夹装在实验机上，通过逐渐施加拉力，直至把试样拉断而得到应力与变形间的关系曲线。大体分为四个阶段。1.2 强度强度 Q235拉伸试样,符合国标(GB/T228-2002)1.2 强度强度 线弹性变形阶段（OA） （塑性）屈服阶段（BC） 强化阶段（CD） （局部）颈缩阶段（DE） 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
6、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。u屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。u 条件屈服强度0.2：材料塑性伸长0.2%时的应力值。u抗拉强度b ：材料断裂前所承受的最大应力值。1.2 强度强度 塑性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。u常用塑性指标为断后伸长率伸长率和断面收缩率断面收缩率。u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。1.3 塑性塑性%lll100001u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。%FFF100010u用塑性好的材料制造承压类特种设备，
7、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，要求伸长率不低于10。拉伸拉伸试样试样的的颈缩现颈缩现象象1.3 塑性塑性 硬度硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。u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。u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HL1.4 硬度硬度注：材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB
8、 对于铸铁： b(MPa)1HB 或 b(MPa) 0.6(HB-40）布氏硬度HBu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。1.4 硬度硬度u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。u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。u布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及 比压头还硬的材料。u适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。1.4 硬度硬
9、度1.4 硬度硬度洛氏硬度HRu洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002u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。u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。 lHRAHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层。质合金、表淬层和渗碳层。lHRBHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, , 如有如有色金属和退火色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRCHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，
10、如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度洛氏硬度压压痕痕1.4 硬度硬度维氏硬度HVu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。 1.4 硬度硬度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
11、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。1.4 硬度硬度里氏硬度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=1000R/A 式中：HL里氏硬度符号 R球头的冲击速度，m/s； A球头的反弹速度，m/s。1.4 硬度u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。u里氏硬度可及时换算成布氏、洛氏、维氏等各种硬度。目
12、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。1.4 硬度 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。u韧性常用冲击功Ak和冲击韧度ak表示。 ak= Ak/SN (SN：断口处截面积)uAk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。u容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35Jcm21.5 冲击韧度冲击韧度GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法
13、1.5 冲击韧度冲击韧度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 冲击韧度冲击韧度u材料力学基本知识u金属学与热处理基本知识金属的晶体结构铁碳合金相图热处理的一般过程承压类特种设备常用热处理工艺u承压类特种设备常用材料u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。u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金属的晶体结构金属的晶体结构C602.1.1晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念(1)晶体与非晶体u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
14、存在。晶体具有各向异性。u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金属的晶体结构金属的晶体结构2.1.2金属材料的晶体结构1、纯金属的晶体结构u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。u金属原子趋向于紧密排列。u具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。u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金属的晶体结构金属的晶体结构 体心立方晶格u常见金属：-Fe、 -Fe、 Cr、W、Mo、V、Nb等2.
15、1金属的晶体结构金属的晶体结构2.1金属的晶体结构金属的晶体结构 面心立方晶格u常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.1金属的晶体结构金属的晶体结构 密排六方晶格u常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2、实际金属的晶体结构u 单晶体与多晶体u单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。u多晶体：u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。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图2.1金属的晶体结构金属的晶体结构u晶界：晶粒之间的交界面。u
16、晶粒越细小，晶界面积越大。u多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图2.1金属的晶体结构金属的晶体结构3、晶体缺陷u晶格的不完整部位称晶体缺陷。u实际金属中存在着大量的晶体缺陷，常见有空位、间隙原子、置代原子和位错。2.1金属的晶体结构金属的晶体结构 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。ua. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。ub. 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金属的晶体结构金属的晶体结构uc. 置换原子：取代原来原子位置的外来
17、原子称置换原子。u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。空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.1金属的晶体结构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。 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金属的晶体结构金属的
18、晶体结构2.1金属的晶体结构金属的晶体结构刃位错 螺位错 2.1.3金属的结晶金属的结晶u纯金属的结晶一、结晶的一般过程1、结晶的基本过程u结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.u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 金属的结晶金属的结晶u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 金属的结晶金属的结晶2 2、晶核的形成方式、晶核的形成方式u形核有两种方式，即均匀形核
19、和形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。非均匀形核。u由液体中排列规则的原子团形成由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。晶核称均匀形核。u以液体中存在的固态杂质为核心以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。形核称非均匀形核。3 3、晶核的长大方式、晶核的长大方式u晶核的长大方式有两种，即均匀晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。长大和树枝状长大。均匀长均匀长大大树枝状长大树枝状长大2.1.3 金属的结晶金属的结晶u在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正正温温度梯度度梯度2.1.3 金属的结晶金属的结晶u 实际金属结晶主要
20、以树枝状长大.u 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。负温负温度梯度度梯度2.1.3 金属的结晶金属的结晶u树枝状长大树枝状长大2.1.3 金属的结晶金属的结晶u铁碳合金铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。u含碳量含碳量0.02% 2.11 %的称钢的称钢;2.11 % 6.69%的称铸铁的称铸铁u铁和碳化合物：铁和碳化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，u含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，无实用价值。）时，无实用价值。u实际所讨论的铁碳合金相图是实际所
21、讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 2.2铁碳合金相图铁碳合金相图u铁碳合金相图铁碳合金相图 是研究铁碳是研究铁碳合金最基本的工合金最基本的工具，是研究碳钢具，是研究碳钢和铸铁的成分、和铸铁的成分、温度、组织及性温度、组织及性能之间关系的理能之间关系的理论基础论基础,是制定热是制定热加工、热处理、加工、热处理、冶炼和铸造等工冶炼和铸造等工艺依据艺依据.2.2铁碳合金相图铁碳合金相图CFedLdLdLCFePCFePPPFF333u一、铁渗碳体相图中铁碳合金的分类uFe-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
22、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。u1工业纯铁u成分P点以左（Wc0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体 和三次渗碳体。u2、钢u成分为P点与E点间（Wc=0.02182.11%）的Fe-C合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的铁，因而可进行热加工。u根据含碳量不同又可分为三类：u（1） 共 析 钢含碳量=0.77%u（2） 亚共析钢含碳量0.77%u3 白口白口铸铁铸铁u成分成分为为E点右面（点右面（C%=2.11 6.69%）的的铁碳铁碳合金。其特合金。其特点是液点是液态结态结晶晶时时都有共晶都有共晶转变转变，因而，因而与钢与钢相比有相比有较较好的好的铸铸造
23、性能。但高造性能。但高温温中中组织组织硬脆的渗硬脆的渗碳碳体量很多，故不能体量很多，故不能进进行行压压力加工，根据相力加工，根据相图图：u白口白口铸铁铸铁分分为为：共晶白口：共晶白口铸铁铸铁C%=4.3%； 亚亚共共晶白口晶白口铸铁铸铁C%4.3%u铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 2.2铁碳合金相图铁碳合金相图u 特征线特征线u 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD u 三条水平线：三条水平线：uHJB：包晶线：包晶线LB+H J uECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cu共晶产物是共晶产物是 (A)与与Fe3C的机械
24、的机械混合物，称作莱氏体混合物，称作莱氏体, 用用Ld表表示。为蜂窝状示。为蜂窝状, 以以Fe3C为基，为基，性能硬而脆。性能硬而脆。莱莱氏体氏体2.2铁碳合金相图铁碳合金相图uPSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3Cu共析转变的产物是共析转变的产物是 A 与与Fe3C的的机械混合物，称作珠光体，用机械混合物，称作珠光体，用P表示。表示。u珠光体的组织特点是两相呈片层珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。2.2铁碳合金相图铁碳合金相图u 其它相线其它相线uGS,GP 固溶体固溶体转变线转变线, GS又称又称A3 线
25、。线。uHN,JN 固溶体转固溶体转变线，变线，uES碳在碳在 -Fe中的固溶中的固溶线。又称线。又称Ac m线。线。uPQ碳在碳在 -Fe中的固溶中的固溶线。线。2.2铁碳合金相图铁碳合金相图l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C u 三个三相区：即三个三相区：即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金的相结构 铁素体：u碳在-Fe（910）中的固溶体称铁素体
26、, 用F 或 表示。 u碳在-Fe（13901535 ）中的固溶体称 -铁素体，用 表示u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%。u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2.2铁碳合金相图铁碳合金相图铁铁素体素体材料材料：纯铁放大放大：500工艺情况工艺情况：退火状态浸蚀方法浸蚀方法：苦味酸酒精溶液浸蚀组织说明组织说明：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铁素体金相铁素体金相 奥氏体奥氏体:u碳在碳在 -Fe （9101390 ）中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称
27、奥氏体。用A或或 表示。表示。u是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。无磁性强度低、晶界较直。无磁性强度低、塑性好，钢材热加工都在塑性好，钢材热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥奥氏体氏体2.2铁碳合金相图铁碳合金相图材料材料：1Cr18Ni9Ti放大放大：250工艺情况工艺情况：固溶处理浸蚀方法浸蚀方法：盐酸、硝酸、甘油混合溶液浸蚀组织说明组织说明：均一的奥氏体组织，部分晶粒呈孪晶分布，其上黑色小点
28、为碳化物，多边形小块状为氮化物。 奥氏体金相奥氏体金相 渗碳体：即渗碳体：即Fe3C, 含碳含碳6.67%, 用用Fe3C表示。表示。uFe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零uFe3C是一个亚稳相，在一定是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), u由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以合金中主要以Fe3C或石墨的或石墨的形式存在。形式存在。 铸铁铸铁中的石墨中的石墨钢钢中的渗中的渗碳碳体体2.2铁碳合金相图铁碳合金相图u亚
29、共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程u承压设备常用碳素钢含碳量一般低于承压设备常用碳素钢含碳量一般低于0.25%.u以以0.2%C的钢为例说明结晶过程的钢为例说明结晶过程2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图u亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程2.2铁碳合金相图铁碳合金相图u亚共析钢室温下的组织为亚共析钢室温下的组织为F+P .u在在0.02180.77%C 范围内范围内珠光体的量随含碳量增加而增加珠光体的量随含碳量增加而增加,硬度、强度增加，塑性、韧性降硬度、强度增加，塑性、韧性降低。低。含含0.45%C钢钢的的组组织织含含0.20%C钢钢的的组织组织含含0.60%
30、C钢钢的的组织组织2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图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.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。2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化 二是热处理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.为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。 2.3 2.3 热处理的一般过程热处理的一般过程2
31、、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。 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。 4、热处理分类 u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。u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 热处热处理的一般理的一般过过程程其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等2.3 热处热处理的一般理的一
32、般过过程程u钢在加热时的转变u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钢的加热转变钢的加热转变2.3.1钢的加热转变钢的加热转变影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素u 加热温度和保温时间加热温度和保温时间: 加热温度高加热温度高、保温时间长保温时间长, 晶粒粗大晶粒粗大.u 加热速度加热速度: 加热速度越快加热速度越快,过热度越大过热度越大, 形核率越高形核率越高, 晶粒越细晶粒越细.l 合金元素：合金元素：l 阻碍奥氏体晶粒长大的元素阻碍奥氏体晶粒长大的元素:
33、Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。等碳化物和氮化物形成元素。u 促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。u 原始组织原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。平衡状态的组织有利于获得细晶粒。u 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，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。问题之一。2.3.1钢的加热转变钢的加热转变 冷却是热处理更重要的工序。冷却是热处理更重要的
34、工序。u一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程u处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体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。种类型转变。u现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明：2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变u 珠光体转变珠光体转变u 1、珠光体的组织形态及性能、珠光体的组织形态及性能u 过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A1到到 550间将转变为
35、珠光体类型组织，它是铁素体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,又细分为珠光又细分为珠光体、索氏体和托氏体体、索氏体和托氏体.珠光体索氏体托氏体2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变材料材料：T8放大放大：500工艺情况工艺情况：退火浸蚀方法浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明组织说明：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%珠光体金相珠光体金相材料材料：GCr15放大放大：500工艺情况工艺
36、情况：球化退火浸蚀方法浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明组织说明：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。球状珠光体球状珠光体材料材料：2Cr13放大放大：800工艺情况工艺情况：调质处理浸蚀方法浸蚀方法：经氯化高铁、盐酸水溶液浸蚀组织说明组织说明：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。索氏体金相索氏体金相u2、珠光体转变过程、珠光体转变过程u珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在珠光体转变
37、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，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。形成一个珠光体团。l 珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是扩散型转变。2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变u珠光体转变观察珠光体转变观察2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变u 贝氏体转变贝氏体转变u1、贝氏体的组织形态及性贝氏体的组织形态及性能能u过冷奥氏体在过冷奥氏体在550- 230
38、 (Ms)间将转变为贝间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用氏体类型组织，贝氏体用符号符号B表示。表示。u根据其组织形态不同，贝根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体氏体又分为上贝氏体(B上上)和下贝氏体和下贝氏体(B下下).上贝氏体下贝氏体2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变材料材料：70Si3Mn（弹簧钢）放大放大：550工艺情况工艺情况：加热至1200保温，在400盐浴中等温3min后空冷浸蚀方法浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明组织说明：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。贝氏体金相贝氏体金相u 马氏体转变马氏体转变u当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到Ms
39、以下将以下将转变为马氏体类型组织。转变为马氏体类型组织。u马氏体转变是强化钢的重马氏体转变是强化钢的重要途径之一。要途径之一。u1、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构u碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶体称马氏体，用体称马氏体，用M表示。表示。u马氏体的形态分板条和针马氏体的形态分板条和针状两类。状两类。马氏体组织2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变u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。马氏体马氏体金相金相材料材料：15MnB放大放大：550工艺情况工艺情况：920渗碳淬火浸蚀方法浸蚀方法：4%硝酸酒
40、精溶液浸蚀组织说明组织说明：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。马氏体金相马氏体金相u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。u含碳量在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。马氏体金相马氏体金相材料材料：T10放大放大：550工艺情况工艺情
41、况：高温淬火后浸蚀方法浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明组织说明：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。马氏体金相马氏体金相 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。退火退火 将钢加热到高于或等于奥氏体化临界点，保温一段时间后，缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。u在承压类特种设备制
42、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承压类特种设备常用热处理工艺2.4 承压类特种设备常用热处理工艺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热处理方法的选择热处理方法的选择尽可能采取炉内整体热处理分段时，加热重叠部分至少1500mm局部热处理时，每侧加热带宽度不小于厚度的2倍接管与容器相焊的整圈焊缝，加热带宽度不小
43、于壳体厚度的6倍热处理工艺温度的一般控制热处理工艺温度的一般控制进、出炉温度：400 升温速度： 5000/ (/h)，且200(/h)降温速度： 6500/ (/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承压类特种设备常用热处理工艺 退火的目的：u 降低硬度，改善切削加工性； u 消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向u 细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。 2.4 承
44、压类特种设备常用热处理工艺承压类特种设备常用热处理工艺正火u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。u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。u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承压类特种设备常用热处理工艺正火温度正火温度u过热过热：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。u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
45、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承压类特种设备常用热处理工艺淬火：u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。u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承压类特种设备常用热处理工艺u淬火温度为淬火温度为Ac3+30-50。u预备热处理组织为退火或正火组织。预备热处理组织为退火或正火组织。u压力容器用钢淬火一般采用水冷，主要有： 喷淋淬火：喷淋装置 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承压类特种设备常用热处理工艺
46、回火u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。u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承压类特种设备常用热处理工艺u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。u回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。u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250400时，在重新加热脆性消
47、失后，重复在此区间回火，不再发生脆性u第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400650，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400650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承压类特种设备常用热处理工艺 规格27340mm，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承压类特种设备常用热处理工艺u回火脆化：钢制压力容器在380570范围内长期运行，使钢材脆化的现象。u例如：2.25Cr-1Mo钢制热壁
48、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承压类特种设备常用热处理工艺调质u钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺。u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。稳定化处理u含稳定化元素的奥氏体不锈钢在850900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承压类特种设备常用热处理工艺 固溶化处理： 将奥氏体
49、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承压类特种设备常用热处理工艺u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
50、 承压类特种设备常用热处理工艺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承压类特种设备常用热处理工艺u敏化温度区u不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关。1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系，当加热温度小于450或大于850时，不会产生晶间腐蚀。因为温度小于450时，由于温度较低，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。450850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
