金属材料的基础知识论述.docx

《金属材料的基础知识论述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料的基础知识论述.docx（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、金属材料基础知识金属材料的基础知识一、 金属材料的分类方法：金属材料分为两大类：即黑色金属与有色金属1、 黑色金属元素：铁、锰、铬2、 有色金属元素：除上述三种元素外，其余称为有色金属元素。通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，以铁为基的合金称为钢，以其余金属元素为基的合金称为有色金属。 按冶炼方法分类： 工业用钢可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，每一类还可以根据炉衬材料不同分为碱性和酸性两类；电炉钢还可以分为电弧炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢和电渣炉钢。 按用途分类：按钢用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢可分为两类，一类是建筑及工程用钢或构件用钢，另一类是机器制造用钢。前者主要和做

2、钢架、桥梁、钢轨、车辆、船舶、容器等，属于这类钢的有普通碳素钢和部分普通低合金钢，这类钢很大一部分做成钢板和型 钢；后者主要用做各种机器零件，包括轴承、弹簧等。工具钢分为量具刃具钢、冷模具钢、热模具钢、耐冲击工具用钢等。特殊性能钢分为耐热钢（包括抗氧化和热强钢），不锈耐酸钢、电工用钢等。 按金相组织分类：A按平衡状态或退火状态的组织分类，可分为亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢。B按正火组织为类，可分为珠光体、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。但由于正火控冷的冷却速度随钢材尺寸不同而不同，所以这类分类方法不是绝对的。C按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分类：可分为：铁素体钢：加热和冷却时，始

3、终保持铁素体组织。 奥氏体钢：加热冷却时，始终保持奥氏体组织。 马氏体钢：钢加热奥氏体化后快速冷却中，在低温（奥氏体向马氏体转变开始温度Ms线之下）连续冷却时，过冷奥氏体组织转变为马氏体组织，室温时仍保持马氏体组织。双相钢：室温时在固溶组织中铁素体和奥氏体相约各占一半或较少相的含量在30%以上，兼有铁素体组织和奥氏体组织。二、 金属材料的表示方法。 钢的编号方法：根据国标GB/T221-2000钢铁产品牌号表示方法的规定，一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。世界各国的钢号表示方法不一致，主要由于习惯上各自采用本国的国家标准，某部门标准或协会团体标准中的钢号表示方法，

4、这给技术交流等带来很大的不便。 有色金属的编号方法：有色金属及其合金编号方法与钢的编号方法大致相同，都是采用汉语拼音字母，化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。由于铝合金与钛合金分类方法相对简单，放在铝合金和钛合金的材料牌号中一般不出现化学元素符号。三、 合金元素在钢中的作用1、 铝（Al）熔点为660，主要用于脱氧和细化晶粒，在渗氮钢中促使形成坚硬耐蚀的渗氮层，含量高时，提高钢高及抗氧化能力，固溶强化作用大。2、 砷（As）时封闭区的元素，作用与磷相似，占钢中偏析严重。3、 硼（B）熔点为2040，有很强的亲和力，微量的硼（0.001%）就可以使结构钢成倍的增加淬透性。在珠光体耐热钢中，

5、微量硼可提高其高温强度，在奥氏体钢中可提高其蠕变强度，由于硼吸收中子的能力强，在原子能反应堆中常用高硼低碳钢。4、 碳（C）是钢中的基本化元素之一，钢中随着碳含量的增加，其强度和硬度也随之增加，但其塑性和韧性则随之降低。碳含量每增加0.1%，钢材抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高4050 MPa, 碳同时也能提高钢材的高温强度，在焊接碳含量较高的钢材时， 焊接热影响区易出现淬硬现象，易产生冷裂纹的倾向。因此，一般用于焊接结构压力容器，主要受压主件的碳素钢和低合金钢，其含碳量不应大于0.25%。5、 铬（Cr）熔点为1920，增加钢的淬透性并有二次硬化作用，在轴承钢和工具钢中，铬提高碳

6、钢的耐磨性，在不锈耐热钢中，当超过铬含量12%时，使其具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性，介质腐蚀性能，并增加钢的热强性，但含量高时或处理不当，易产生相和475脆相，钢的可焊性随铬含量增加而降低，主要是焊接过程中易产生冷裂纹。6、 铜（Cu）熔点为1083，铜的固溶强化作用仅次于磷。铜不和碳形成碳化物，某些作用与镍相似，但较弱。在低碳合金钢中，特别是与磷共同存在时，铜可提高其耐大气腐蚀性能。钢中铜含量较高时对热变形加工不利，含量高于0.75%时，也给焊接作业带来困难。7、 锰（Mn）熔点1244，对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用，提高硬度和强度。锰是弱碳化物形成元素，可形成合金渗碳体，并是

7、良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，提高焊缝金属抗热裂纹能力。锰降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，改善其力学性能。锰为低合金钢的重要合金元素，并为无镍或少镍奥氏体不锈钢的主要合金化元素。在高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢中，锰也是主要合金元素之一，锰还强烈增加钢的粹透性，并有增加晶粒细化和回火脆性的不利影响。8、 钼（Mo）熔点为2610，属于强碳化物形成元素，当含量较低时形成复合渗碳体，含量较高时，则形成特殊碳化物，在较高回火温度下，由于弥散分布有二次硬化作用，钼常与其他元素加锰，铬等配合使用。可显著提高钢的淬透性，同时也提高钢材对焊接冷

8、裂纹的敏感性。钼含量约0.5%时，能抵制或降低其他合金元素导致的回火脆性。钼还提高耐热钢和热强钢的热强性及蠕变强度，含量在2%-3%时能增强不锈钢抗有机酸与还原性介质腐蚀的能力，在永磁钢中，提高矫顽力和剩余磁感。9、 铌（Nb）熔点为1950，常与钽共生，和碳、氮、氧都有极强的亲和力，是强碳化物和氮化物形成元素，其含量大于碳含量的8倍时，几乎可以固定钢中所有的碳，使钢具有很好的抗氢性能。铌可以增加回火稳定性，有二次硬化作用。由于固定碳和沉淀硬化作用，可以提高钢的蠕变性能，铌具有细化晶粒作用，提高钢的冲击韧性，并降低其脆性转变温度。在奥氏体钢中，铌还可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。10、氧（O）

9、熔点为-218.7，固溶中钢中氧超过溶解度部分的氧，以各种夹杂物的形式存在，则其对钢的塑性、韧性及疲劳性能不利，尤其使钢的冲击韧性下降并提高钢的脆性转变温度。所以通常把钢中的氧作为有害的但又不可避免的元素。在铁氧磁性材料中，氧增加矫顽力和电阻系数，降低导磁率，是有益的重要元素。11、磷（P）熔点44，磷是钢中有害的伴生杂质元素，它以铁的磷化物形式存在于钢中，Fe3P与铁形成低熔点共晶，分布于晶界面而增加产生热裂纹的倾向，但磷也有其有利的一面，如磷对提高钢的强度及冷作硬化的作用很强，但这增加了钢的脆性，尤其是低温脆性。磷与铜配合使用，可提高低合金钢耐大气腐蚀的性能，磷与硫、锰配合使用，可提高钢的

10、被切削性。12、硫（S）熔点为118，在铁中的溶解度很低，主要以硫化物的形式存在。硫是残存在钢中的有害元素之一，硫化铁（FeS）与铁以及氧化铁（FeO）与硫都能形成一种低熔点共晶体，其熔点仅为988。国此，钢中的硫含量高会降低钢材的高温塑性，加大钢材焊接时产生的热裂纹的敏感性。13、硅（Si）熔点为1410，硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂，硅在钢中不形成碳化物，提高钢中固溶体的强度，冷加工变形硬化率的作用极强。但同时也相应地降低钢的韧性和塑性。硅还提高钢的淬透性和抗回火性，对钢综合的力学性能特别是对弹性极限，屈强比的提高较显著，并可增强钢在大气中的耐蚀性。硅提高和改善钢的电阻率和磁

11、导率，降低磁滞损耗，为硅钢片的主要合金元素。硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素。在高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。实践证明：钢中含硅量达1-2%时，就有明显的高温抗氧化效果，但硅含量过高会导致钢的塑性下降，因此耐热钢中硅的含量一般在3%以下。14、钛（Ti）熔点为1668，钛是最强的碳化物形成元素，与氮、碳的亲和力也极强，是良好的脱氧剂和固定氮、碳的有效元素。在低碳钢中加入足够的钛，可消除应变时效现象。钛显著提高钢的淬透性，在不锈钢中钛固定碳从而防止和减轻钢的晶间腐蚀和应力腐蚀的倾向。钛还可提高耐热钢的抗氧化性和热强性。15、钒（V）熔点为1730，钒和碳、氧、氮

12、都有较强的亲和力，为强碳化物及氮化物形成元素，钒和钛一样，能显著提高钢的粹透性。钒细化钢的晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低了钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性。钒还能增加淬火钢的回火稳定性，并有强烈的二次硬化作用。在耐热钢中钒透过细小碳化物颗粒的弥散分布，提高钢的蠕变和持久性能。16、钨（W）熔点为3380，钨是强碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。对钢的影响与钼相似，但效果不如钼显著。四、金属材料组织1、奥氏体：不锈钢 奥氏体是碳溶于铁中的固溶体。在钢的各种组织中奥氏体的体积最小，线彭涨系数最大，除渗碳体外，在钢的各种组织中，奥氏体的导热性能最差。奥氏体的塑性高，屈服强度低，容易塑性变形加工

13、成形，所以钢的锻造加工常常要求在奥氏体稳定在高温区域进行。2、 铁素体铁素体具有体心立方点阵结构，碳在其中最大溶解度为0.0218%（727）室温是碳几乎不溶于铁素体中。压力容器用碳素结构钢及低中合金钢均为碳含量小于25%的亚共析钢，这类钢在冷却过程中自奥氏体中析出先共析铁素体。3、 珠光体珠光体由铁素体与渗碳体机械混合组成，其典型形态为片状或层状。钢中珠光体的力学性能主要取决于钢的化学成份和热处理后所获得的组织形态。珠光体团直径和层间距离越小，强度越高，塑性也越大。4、 贝氏体R102钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，它一般是由铁素体和碳化物所组成的片状组织。贝氏体大致可分为

14、以下几种上贝氏体下贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体和粒状贝氏体5、 马氏体：P91钢经过奥氏体化后快速冷却抵制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变称为马氏体转变。钢中马氏体是最主要的特性就是高硬度，高强度，其硬度随含碳量的增加而升高，引起马氏体高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、碳原子的固溶强化和时效强化等。 五、 金属材料的耐腐蚀性能1、 钢铁材料的耐蚀性（1） 碳素结构钢碳素结构钢的耐蚀性与含碳量，金相组织（与热处理有关）以及介质的性质这三个方面的因素有关。压力容器用碳素结构钢的基本成份是铁和不大于0.25%的碳，基本组织是体素体和渗碳体。其在腐蚀性介质中发生腐蚀时，总是

15、以渗碳体为微阴极（电位较正）从而使铁素体（电位较负）发生腐蚀。如果含碳量越高，则渗碳体微阴极数量也越多，因此在酸性介质中，退火状态的碳素结构钢其腐蚀速度随含碳量的增加而加快。热处理制度对碳素结构钢的耐蚀性有较大的影响，因为不同的热处理制度可以导致晶粒大小和金相组织不同。一般来讲晶粒越粗大，腐蚀速度越慢。在碳素结构钢的所有组织中，马氏体的腐蚀速度最低，因为它是碳的过饱和固容体。碳在其中不起阴极作用，腐蚀应因为应力、不同晶面等不均匀引起的。当腐蚀发生后残留在表面的碳才起到阴极的作用，马氏体随着回火温度的提高，碳化物从马氏体中不断析出，腐蚀速度不断增大，当回火达到400左右时，使腐蚀速度达到最大，回

16、火温度再高则腐蚀速度下降。（2） 低中合金结构钢 在钢中加入一种或几种适量的合金元素，可使钢的耐大气腐蚀，海水腐蚀和淡水腐蚀的能力得到提高；加入适当的铬、磷和镍等，提高酸、碱的耐蚀能力。同时提高抗腐蚀疲劳的性能。（3） 不锈钢 不锈钢是指在一般的腐蚀介质中具有良好抗蚀能力的钢，其中有些对强腐蚀性介质具有耐蚀能力，故又称不锈耐酸钢。不锈钢中合金元素主要有铬、镍、锰、钼、钛、铝、铜和氮等，其中最主要的是铬，而且只有铬含量超过一定数量时，才能构成不锈钢。铬的含量最少是11%，一般不锈钢中铬的含量都在13%以上，不锈钢的种类很多，大致可分为马氏体型不锈钢，铁素体型不锈钢，奥氏体型不锈钢，奥氏体铁素体型

17、双相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。A、 马氏体不锈钢：包括常用的1Gr12、Gr13系列、3Gr16、7Gr17和1Gr17Ni2等。这类不锈钢的耐蚀性不如铁素体和奥氏体型不锈钢，一般用于有强度、硬度、韧性及耐蚀性综合要求的场合，其在海水、大气及氧化性介质中的耐蚀性较好，但在盐酸和硫化氢等介质中的耐蚀性较差。热处理制度对其耐蚀性影响较大，如Gr13系列不锈钢经1000左右淬火后，可提高其耐蚀性。B、 铁素体不锈钢：包括0Gr13Al、00Gr12、1Gr15、1Gr17、1Gr17Mo、00Gr18Mo2、00Gr27 Mo等，由于其大多数含铬量较高，所以具有良好的耐蚀性和抗高温氧化性，但不能热处

18、理强化，强化比马氏体型不锈钢低，容易变脆，对缺口敏感、塑性差且不易焊接，所以冷热加工性都不够好，可用于制作耐大气腐蚀、耐能硝酸的设备以及抗高温氧化和耐气态硫腐蚀的零部件，铁素体型不锈钢抗应力腐蚀能力较高，在某些介质特别是氯化物水溶液中，抗应力腐蚀性能比18-8型奥氏体不锈钢还要好。C、 奥氏体型不锈钢：铬镍不锈钢是常用的奥氏体不锈钢，其中铬含量一般在18%以上，镍含量在8%以上，我国目前常用的有0Gr18Ni9Ti、0Gr18Ni10Ti、0Gr18Ni11Nb等，这类不锈钢不但耐蚀性和抗高温氧化性好，而且冷、热加工性能和焊接性都比较好，因此用途比较广泛。 奥氏体不锈钢在空气温850以下的高温

19、空气介质中耐蚀性很好，在大多数无机酸、有机酸、碱和煤气等介质中均有良好的耐蚀性，而在硫酸和盐酸中耐蚀性较差，但如果其中镍含量大于10%以上或含有2.45%的铜或含有3.5%的钼，都可以使其在硫酸中的耐蚀性大大提高，镍含量的增加也使不锈钢在盐酸中的耐蚀性有明显提高。D、 奥氏体体素铁型双相不锈钢，该钢主要包括：0Gr26W15Mo2、00Gr18 Ni15Mo3Si2、1Gr21N15Ti、1Gr18Ni11Si4AlTi等，这类钢晶间腐蚀倾向较小。E、 沉淀强化型不锈钢，常用的钢中0Gr17Ni17Al此类钢可以通过热处理进行强化，因此具有很高的强度和硬度，同时好具有良好的加工性能和耐腐蚀性能

20、，但在恶劣腐蚀条件下，其耐蚀性不如奥氏体型不锈钢，因此常用在腐蚀条件不太苛刻以及要求耐摩擦或耐冲刷的部位。六、 力学性能1、 金属材料在静拉伸下的力学性能金属材料在静拉伸下的力学性能指标主要有屈服强度（s）、抗拉强度（b）、伸长率（）和断面收缩率（）。A、 屈服强度（s）屈服强度（屈服点）是表征金属材料在静拉力作用下开始塑性变形的抗力指标，是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。因为在生产实际中，绝大部分工程构件和机械零件，在其服役过程中都处于弹性变形阶段，不允许有微量塑性变形产生，像高压容器，如其紧固螺栓发生塑性变形，即无法正常工作，屈服强度标志着金属对起始塑性变形的抗加，对于实际金属（多晶

21、体）来说，由于起始塑性变形的非同时性特点，无法测定这一抗力指标，因而不得不用条件规定的办法。对于退火，正火，调质状态的碳素钢和低合金钢存在物理屈服现象，在应力-应变曲线上出现上、下屈服点和屈服平台，这类材料取其下屈服点的强度为该材料的屈服强度。B、 抗拉强度（b）抗拉强度是代表最大均匀塑性变形抗力的指标抗拉强度是静拉伸试验中最容易测定的力学性能指标，而且是重现性好的性能指标，所以适合于做为产品规格说明或质量控制的标志。C、 伸长率（）和断面收缩率（）伸长率和断面收缩率是静拉伸下衡量金属塑性变形能力的指标。2、冲击韧性和低温脆性（1）冲击韧性 冲击韧性值的大小代表金属材料抗冲击载荷能力的大小，冲

22、击载荷就是作用力在极短时间内有着很大变化幅度的载荷大小用AKV来表示，单位为焦耳。（2）低温脆性除面心立方金属外，其他金属随温度下降都可能发生曲韧性向脆性的转变，其标志是在一定温度下冲击值或断面收缩率急剧下降，这种现象称为冷脆。能明显改变晶粒大小的各种合金化，热处理手段，均能显著的改变金属材料的脆化趋势，晶粒越细，冷脆转变温度越低，冲击韧性值也越大。3、断裂韧性断裂是工程构件最危险的一种失效方式，工程设计时必须考虑如何防止断裂事故，断裂有两种类型，即韧性断裂和脆性断裂，发生韧性断裂时，断裂前有明显的宏观塑性变形，容易被检测和发现。而脆性断裂往往是突发的，事先很难发现断裂的征兆，因此脆性断裂比韧

23、性断裂具有更大的危险性。4、金属的疲劳零件在交变应力作用下的损坏称为疲劳损坏，据统计在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏，例如大多数轴类零件通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力，扭转应力，或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型！汽车的传动轴后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。又如，齿轮在啮合过程中所受的载荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处于大拉小的状态中，这类情况为拉-拉疲劳，连杆不同于螺栓，始终处于小拉大压的负荷中，这类情况称为拉-压疲劳。5、 环境介质作用下力学行为(1) 应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀材料

24、的作用下引起的破坏称为应力腐蚀。应力腐蚀主要特点有以下几个：第一， 造成应力腐蚀破坏的应力必须是拉应力。这个应力可以是外加应力，也可以是焊接，冷加工或处理产生的残留应力，但必须是拉应力。 （2）氢脆 氢脆就是金属材料因吸收氢而引起的脆化现象，引起金属脆化 的氢有各种不同的来源。（3）腐蚀疲劳 金属材料在腐蚀介质与交变应力共同作用下所产生的失效现象称为金属材料腐蚀疲劳。金属材料在腐蚀介质和交变应力联合作用下，那些单纯受腐蚀时表面形成的蚀坑或裂纹，本可有一层保护膜覆盖。但同时还存在交变应力的作用，使这层保护膜不断受到破坏，以致暴露在腐蚀环境中的一直是新鲜的金属表面，这样腐蚀疲劳强度就大大下降。6、

25、 工艺性能（1） 焊接性金属材料焊接性是指被焊接金属在一般焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。在焊接过程中有些材料容易产生某些焊接缺陷，如气孔，夹渣，裂纹等，并使焊缝和近缝区性能变化，所以往往需要特殊的工艺措施，应用特定的焊接方法，才能保证焊接质量。（2） 可锻性金属可锻性是衡量其经受锻压难易程度的工艺性能。可锻性的优劣以金属的塑性和变形抗力来综合评定。塑性高则金属变形不易开裂，变形抗力小则锻压省力，而且不易磨损工具和模具，这样的金属具有良好的可锻性。金属元素含量越多，金属的可锻性就越差，金属的结晶组织与可锻性有很大关系。由单一固溶体组成的合金，都有较好的可锻性。如果合金中含有多种性能不同

26、的组织，则锻压时由于各组织变形不均就容易开裂，因此锻造大都是在高级单一奥氏体区进行。七、 金属材料的热处理1、 铁碳合金相图（1） 铁碳合金的基本相及其性能铁碳合金固态下的基本相分为两大类，即固容体和金属化合物。固态铁碳合金的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体。A、 铁素体有很好的塑性和韧性，但强度、硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912以下的平衡相，也称为常温相，在铁碳合金相图中用符号F表示。B、 奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相，在高温下，面心立方晶格的奥氏体具有极好的塑性，所以碳钢具有很好的轧、锻等热加工工艺性能，在铁碳合金相图中奥氏体用A表示。C、 渗碳体的硬度高达800HV

27、，大约是铁素体硬度的10倍，但极脆，塑性几乎为零。在铁碳合金中它是硬脆相，是碳钢铁主要强化相，在铁碳合金相图中渗碳体用Fe3C表示。2、 铁碳合金相图图形以温度和铁碳合金元素浓度为坐标，来表示不同浓度的铁碳合金在不同温度下的组织结构简明图解称为铁碳合金平衡状态图。 3、奥氏体晶粒长大及其影响 （1）奥氏体晶粒长大 奥氏体形成后，继续加热或保温，晶粒将会长大，其长大过程是晶粒相互吞并的过程，奥氏体晶粒长大会减少晶粒总面积，降低系统自由能，所以奥氏体晶粒长大是一自发过程。晶粒细小，冷却转变后组织也细小，其强度和韧性都较高，反之，塑性、韧性下降，脆性提高，淬火时容易开裂。（2） 奥氏体晶粒度晶粒度是

28、表示晶粒大小的尺度，有以下三种不同的概念。A：起始晶粒度：指铁素体向奥氏体转变刚完成时的奥氏体晶粒度的大小 。实际应用很少。B：实际晶粒度：指某一热处理后或热加工条件下，所得到的奥氏体晶粒大小可以测定。它直接影响处理后的性能，实际晶粒度一般分为8级，数字越大，晶粒越细，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。C：本质晶粒度：将钢加热到（930±10），并保温8h后，测定奥氏体晶粒大小，若得到的奥氏体实际晶粒度为1-4级，属于本质粗晶粒度钢，若测得5-8级晶粒度，测属于本质细晶粒钢。在压力容器设计过程中，多数选用本质细晶粒钢。八、 压力容器和钢的处理压力容器用钢热处理类别是不多的。常见类型

29、有正火，淬火回火温消除热应力退火等。奥氏体不锈钢有固溶化和稳定化处理。1、 退火将钢加热到高于或低于奥氏体化临界点，保温一段时间 ，然后缓慢冷却（一般随即冷却）以获得接近平衡组织的热处理工艺称退火。在压力容器制造过程中，应用最多的是去应力退火。(1) 去应力退火的目的和作用为了消除由于焊接、塑性变形加工及切削加工造成的残余应力而进行的退火称为去应力退火，去应力退火的加热保温温度在相变点以下。在压力容器制造中，去应力退火主要用于消除复合钢板复层贴金后的残余应力，消除产品封头，简体等零件冷成形及中温成形后的残余应力，消除焊接接头中的内应力和冷作硬化，提高抗头抗脆断能力，稳定焊接构件的形状，消除焊件

30、在焊后机加工和使用过程中的变形，促使焊缝金属中的氢完全向外扩散，从而提高焊缝的抗塑性和韧性。去应力退火在压力容器行业中常习惯称之为高温回火或焊后热处理，但广义焊后热处理还应包括正火、固溶化处理等热处理。（2）去应力退火裂纹压力容器用钢，特别是含Nb的奥氏体、不锈钢、铁素体、耐热钢、低合金高强钢，在焊后去应力退火过程中往往在焊缝热影响区接近容合线的粗晶粒区产生小继续的裂纹，通常称为去应力退火裂纹。产生这种裂纹的原因，主要是钢内存在较多的碳化物形成元素，具有较高的沿淀硬化倾向。为了防止去应力退火时形成裂纹，可以严格控制V，Nb,Ti等再热裂纹敏感性元素，采用低氢焊条，小能量，小焊条焊接，适当提高焊

31、接预热、后热温度，选用合适的去应力退火规范等。2、 正火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称为正火。压力容器常用的碳钢和低合金钢通过正火，可以提高力学性能和化晶粒，改善组织（如消除魏氏组织，带状组织，大块铁素铁等）。（1） 常用压力容器钢的正火工艺正火加热温度一般为AC3以上30-50，保温时间根据钢材有效厚度，一般按每毫米保温1.5-2.5min计算，冷却方式一般为空冷，也可采用风冷，以及喷雾冷却，厚度超200mm,也可采用水加速冷却正火。（2） 过热和过烧钢在加热时，由于温度进高，并且较长时间保温会使晶粒长的很粗大，致使性能显著降低的现象，称为过热，过热钢一

32、般呈石状断口，断口表面呈小丘状粗晶结构，晶粒无金属光泽，仿佛被熔化过，过热可以通过正火或高温扩散退火等热处理方法矫正和恢复。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现象，称为过烧，过烧钢不能用热处理方法来恢复，只能报废。3、 淬火将钢加热到临界点以上，保温后迅速冷却下来，以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。（1） 压力容器钢淬火的特点与方法压力容器用低碳钢和低合金钢淬火是为了获得低碳马氏体或者贝氏体组织，低碳马氏体是板条马氏体，具有高强度，良好的韧性，低的脆性转变温度，一般此类钢的淬火冷却均采用水冷，主要有以下三种方式：A：喷淋淬火喷淋淬火冷

33、却效果好，均匀工件变形小。对于冷成形制造的球罐等压力容器，热形制造的压力容器筒节、封头等零部件，都采用喷淋淬火，为保证喷淋管道喷射水柱有一定压力，又避免喷射孔堵塞，喷孔一般为2.5-3mm，但喷射孔不能太多。B：在强烈循环水中浸入淬火在淬火槽内用消耗使水强制循环，提高冷却能力。C：浸入法：将工件整体浸入大的静止水槽内冷却，此前两种效果差一些，但设备简单易行。（2） 钢的淬火加热温度和保温时间与正火工艺基本相同。4、 回火（1） 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） 回火

34、工艺压力容器用钢回火处理加热温度随钢种和力学性能要求不同而异，保温时间以板厚(锻件以最大厚度)每毫米保温2.5-3.5min,或者按每25mm保温1h计算。5、 回火脆性与回火脆化（1） 回火脆性随着回火温度的提高，一般钢的硬度和抗拉强度都降低，伸长率和断面收缩率则增加，但冲击韧性不一定，回火温度的增高而简单的增加，因为有一些钢在某一温度区域回火时，其冲击韧性随回火温度增高反而降低，这种现象称回火脆性。回火脆性基本上分为两类，即第一类回火脆性和第二类回火脆性。在250-400回火时出现的脆性，称第一类回火脆性，凡是淬火后形成的马氏体组织的钢，在此温度区间，回火都有可能发生这种脆化现象，由于这类

35、回火脆性一旦出现就不易消除，所以也称为不可逆回火脆性。在450-600回火或更高温度（600-700）回火后缓冷时出现的脆性称为第二类回火脆性，第二类回火脆性主要产生于铬钢、锰钢和铬镍钢，出现这类回火脆性时，可重新加热至回火温度（稍高于脆化温度范围）。然后快冷至室温的方法来消除，所以这类回火脆性又称之为可逆回火脆性，在钢中加0.3%-0.5%的钼可有效抑制这类回火脆性的产生。总之，产生第一类回火脆性的钢件，需重新加热淬火或正火才能消除脆性，产生第二类回火脆性的钢件应重新回火并快速冷却，就可以消除脆性。（2） 回火脆化钢制压力容器在380-750温度范围内长期使用，使钢材脆化的现象称之为回火脆化

36、，这并不是回火热处理后产生的脆性，而是钢在高温下长时间使用过程中产生的，请注意两都之间的区别。一般碳钢不会出现回火脆化，公在铬镍钢、铬钼钢、铬镍钼钢中才出现，合金元素锰和硅及钢中杂元素，磷、砷、锡、碲等会促使钢脆化。为防止压力容器用钢高及长期使用发生脆化，一般通过控制钢的化学成份来减小回火脆化的倾向。6、 调质：钢材淬火后再进行回火的热处理工艺方法称为调质。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。7、 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

37、均匀。从而提高晶间腐蚀处理方法，称稳定化处理。8、 固溶化处理将奥氏体不锈钢加热至1100左右的高温并保温，有碳化物充分深入奥氏体中，然后以较快的速度冷却（一般采用水冷或风冷），以获得碳化物完全溶于奥氏体基体均有的单相组织，从而提高抗晶间腐蚀和延展性的工艺方法称之为固溶化处理。对于奥氏体不锈钢碳化物完全溶入奥氏体的温度一般高于900，奥氏体不锈钢的碳化物主要是铬的碳化物。它在奥氏体中溶解相当缓慢，欲使之在较短时间内完全溶解并均匀化，必须采用更高温度，但温度太高又会使晶粒过分粗大，影响钢的使用性能。故在实际生产中一般采用加热温度1000-1150，保温时间一般按1-1.5min/mm计算。九、

38、碳素钢和低合金钢1、 碳素钢特点与应用碳素钢是指钢中不特意加入其他金属元素，除铁和炭以处，只含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。碳素钢生产工艺较简单，价格低廉，工艺性能良好，因而在机械制造业中得到广泛应用。碳素钢包括普通碳素钢，优质碳素钢，压力容器用和锅炉用碳素钢等多种类型。锅炉和压力容器制造中，低碳钢得到了广泛的应用。受压元件所用的主要有两类：一类是优质碳素结构钢，另一类是专用碳素钢最常用的是20钢和10钢轧制的无缝钢管制作锅炉受热后管件集箱，汽水管道，换热器列管等受压元件，10钢和20钢具有良好的塑性，加工工艺性能好，焊接性能也好，20钢的含碳量比10钢高20%，近年来大多采用20

39、钢，并在此基础上派生出来，专用碳素钢如15g、20g、20R等，主要是对硫磷等有害元素控制更加严格，对钢材表面质量和内部缺陷的要求也较高。对锅炉与压力容器用钢的化学成份有严格的的审批同意。力学性能也必须保证。特别对冲击韧性有较严格的要求，并要求其时效敏感性小。保证良好的塑性和韧性。组织结构应该均匀一致，晶粒度希望能控制在一定范围内（晶粒度一般控制在3-7级间）应尽量减少夹层，收缩，疏松及气孔等缺陷。十、 低合金结构钢1、 特点和应用低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量合金元素，提高其强度，并改善其实用性能而发展起来的一类工程结构用钢，其合金总含量不超过5%，一般在3%以下，是介于碳结构

40、钢和合金结构钢之间的一类钢。锰是钢中的最基本合金元素，在碳钢中主要通过固溶强化来提高钢的强度，在低合金钢中主要利用其降低相变温度，同时较大程度推迟珠光体转变，细化先析出铁素铁及贝氏体型尺寸来提高钢的强度和韧性，钒、钛、铌是微合金化元素，通过细化晶粒以及析出强化作用来明显改善钢的强韧性，并可使钢板获得良好的焊接性。低合金结构钢的生产工艺相对比较简单，交货状态多为热轧和正火，部分钢种为正火加回火或调质。焊接性能优良，其中以高强度低焊接裂纹敏感性钢（屈服强度490MPa以上）的强韧性匹配及焊接性能更为优良，以调质状态供货。超超临界火电机组蒸汽参数与锅炉用钢1、 超超临界锅炉对钢材性能的要求热强度高，

41、抗高温烟气氧化腐蚀，抗高温水汽介质腐蚀焊接性和工艺性良好，其对钢材要求的原则是： 满足部件工作温度的需要。 工作温度下具有高的持久强度，蠕变强度或抗松弛性能，在其它条件相同或相近情况下，强度高或抗松弛性能高的材料优先考虑选用。 金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性。 抗蒸汽氧化、烟气腐蚀性和应力腐蚀。 易于冷，热加工。 异种钢焊接工艺性能保证其应有的性能。 相对低的材料价格。超超临界锅炉用钢可分为两大类：奥氏体钢和铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢），奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性，但膨胀系数过大，导热性能差，抗应力腐蚀能力低，工艺性差，热疲劳和低固疲劳（特别是后壁件）性能比

42、不上铁素体钢，且成本要高。 2、超超临界锅炉用钢的发展过程超临界和超超临界机组是20世纪50年代同时开发的。20世纪50、60年代，上述机组投入运行后，出现部件损伤事故，如美国某电厂，1#超超临界锅炉曾发生奥氏体钢17-14CuMo过热器管高温腐蚀，316H奥氏体钢管出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管。过热器出口集箱，主蒸汽管调节阀和截止阀出现热疲劳裂纹。56年德国的超超临界机组也出现了上述问题，1980年未，日本生产的一台34MPa、650、500MW试验超超临界机组出现奥氏体钢高压转子热裂纹等问题，这些问题使蒸汽参数在24.1MPa，538566停管了20多年，阻碍了超超临界技术的发展。8

43、0年代由于低铬耐热钢和改良型9%12%Gr铁素体型钢的研制及成功应用，发展了蒸汽参数593以上的超超临界技术，促进发展超超临界机组的发展，并降低了造价。目前，这些新型钢在欧洲及日本数十个电厂得到应用，主蒸汽温度已经达到610。 3、 研发计划COST501/COST522计划是欧共体开发高效低耗火力发电设备材料的规划，COST501系列和COST522系列是综合了欧洲16个国家70个组织的试验制造资料而筛选出来的，COST501开发9%12%Gr钢材系列已用于生产400MW、28.5MPa、580/580/580超超临界机组，试制530MW，30MPa、580/600机组，COST522材料作

44、为30MPa、620/650机组的目标材料。 COST501/COST522各包含若干钢号，以X10CrMoVNb91(P91)为基础发展出CTCG-X12CrMoWVNBN1011钢，蠕变实验已大于6000h，以X7CrCoMoVNb116(FV535)为基础发展出的GB2钢，蠕变试验已大于30000h，在G132钢基础上添加W1B1使钢的热强性显著提高，对有希望作为铸件材料的钢CB2、CD2等进行了600和650的热强性能试验，已完成生产试验发展的锻件用命名为FB系列，以及超低碳VN1(0.03%C,含W无B)钢。 通过多年的试验，9%12%Gr钢用于制造参数为610、30MPa的设备，其

45、温度参数有望提高到630，COST501系列和COST522系列新开发的材料，机械性能重视性好，已取样比较成熟使用的试验。今后把COST522的铁素体，马氏体钢中用于650火力发电设备。4、 我国电站材料技术现状国产超超临界机组蒸汽温度参数为566/566，与国外600蒸汽温度参数的超超临界机组相比，用材差距较大的是汽轮机用钢，锅炉用钢差距较小。对600/600参数的超超临界机组用材料，我国已掌握并使用过锅炉受热后(过热器、再热器、水冷壁、省煤器)用钢，但用于高温区段的用钢号，如TP304H（1Cr18Ni9）和TP347H(1Cr19Ni11Nb),国外改用Super304H和TP347HF

46、G，后者比TP347H650的许用应力分别高30%和20%，集箱导管材料大量用P91（10Cr9Mo1VNb）、P92、P122钢，这些钢中的研究在我国起步比较晚，热加工工艺等尚需研究。我国对12Cr2MoWVTiB600的低合金耐热钢和用于580的铬钼钒低合金钢，12CrMoV钢在使用方面比较合理。i. 我国电站锅炉材料的发展我国电站锅炉用钢源自几方面：我国特有钢种，原苏联引进钢种、美国钢种以及一些德国钢种。我国已有的锅炉用钢体系件表。 国产锅炉（主蒸汽参数570以下）用钢材用 途工作温度钢 种受热面钢管7006506005805605304801Cr19Ni11Nb,1Cr19Ni910C

47、r9Mo1VNb12Cr2MoWVTiB12Cr1MoV,10Cr2Mo15CrMo,12Cr1MoV20MoG,15MoG20G,16Mn集箱、蒸汽管道60056555050043010Cr9Mo1VNb12Cr1MoV,10Cr2Mo15CrMo,12Cr1MoVWB36,20MoG,15Mo320G,16Mn 锅炉过热器管12Cr1MoV钢市我国制造锅炉的主要钢种，与西方国家用的T22、10CrMo910钢相比，该钢具有较高的热强性能，组织稳定性和良好的抗氧化性能，工艺性能比T22之类钢略差，由于做了大量工艺试验研究工作，已掌握住其工艺特点，易于制造，不论生产任何压力的机组，只要金属温度不超过580 的受热面管，用12Cr1MoV钢均有把握。 12CrMoWVTiB(也成钢102)钢，曾推荐用于600620受热面管，数十年运行实践表明，该钢达到或略超过620时，氧化速度很快，而锅炉在启动和运行中，难免超过金属设计温度，为减少失效现象发生，后建议该钢用于设计温度600