[精选]32加工工艺对材料性能的影响jaz.pptx
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1、浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室3.3.压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和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时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响3.2 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浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室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
2、理(必要时)2浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室3.2.1 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加工:使材料或物体发生变形加工:使材料或物体发生变形加工:使物体或材料发生预定的永久性变形的行为。加工:使物体或材料发生预定的永久性变形的行为。3浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室一、应变硬化一、应变硬化二、热加工和冷加工中的性能变化二、热加工和冷加工中的性能变化三、各向异性三、各向异性四、应变时效四、应变时效材料在塑性变形中内部性能的变化:材料在塑性变形中内部
3、性能的变化:4浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室一、应变硬化一、应变硬化见应力见应力-应变曲线图应变曲线图 从该曲线可以看到,从从该曲线可以看到,从d 卸载后,卸载后,dg表示消失了的弹性变形而表示消失了的弹性变形而od表示表示不再消失的塑性变形。不再消失的塑性变形。卸载后,在短时间内再次加载,则应卸载后,在短时间内再次加载,则应力应变关系按照力应变关系按照dd变化,到了变化,到了d 以以后,按照后,按照def变化。到变化。到d以前材料都是以前材料都是弹性的,以后才出现塑性变形。相当弹性的,以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。比较,可见于形成了新的材料曲线。比较,可见在第在
4、第2次加载时,其比例极限提高了,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,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。这种的比例极限提高,而塑性减低。这种现象称为冷做硬化。(加工硬化、应现象称为冷做硬化。(加工硬化、应变硬化)变硬化)材料力学材料力学冷做硬化经退火,可消失。冷做硬化经退火,可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力,但加工硬化可提高材料的抗变形能力,但塑性降低塑性降低(难易变形,发生屈服的应力难易变形,发生屈服的应力水
5、平更高了水平更高了)材料屈服后应力应材料屈服后应力应变曲线呈上升趋势变曲线呈上升趋势5浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室热加工或热变形热加工或热变形:在材料再结晶温度以上进行的(塑性)加工在材料再结晶温度以上进行的(塑性)加工热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现,但加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,工硬化被再结晶消除,变形后具有再结晶组织,因而无加工硬化现象。因而无加工硬化现象。特点特点在材料再结晶温度以下进行的(塑性)加工在材料再结晶温度以下进行的(塑性)加工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,因而有加工硬
6、化现象。由冷变形中无再结晶出现,因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象,塑性降低,每次的冷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,变形金属将产生断裂破变形程度不宜过大,否则,变形金属将产生断裂破坏。坏。二、冷加工和热加工二、冷加工和热加工从金属学的观点来区分,冷、热加工的分界线是金属的再从金属学的观点来区分,冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。结晶温度。6浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室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,
7、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,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。7浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室三、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呈纤维状呈纤维状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、平行纤维组织方向的 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
8、器设计时,应尽可能使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。纤维组织纤维组织金属再结晶金属再结晶带状组织带状组织第二相合金第二相合金8浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室四、应变时效四、应变时效经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢,在室温下停留较长时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,会出现屈服点和抗拉强度间,或在较高温度下停留一定时间后,会出现屈服点和抗拉强度提高,塑性和韧性降低的现象,称为应变时效。
9、提高,塑性和韧性降低的现象,称为应变时效。9浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室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,表现出常温降,而且韧脆转变温度大幅度上升,表现出常温下的脆化。下的脆化。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,加入铝、钛、时效敏感性。减少碳、氮含量,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
10、感性可显著减弱钢的应变时效敏感性。10浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室3.2.2 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11浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室一、焊接接头的组织和性能一、焊接接头的组织
11、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12浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室一、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
12、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。13浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室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、易产生焊接裂纹,是焊塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹,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:14浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室3、热影响区、
13、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。相组织区,使其力学性能也不同。15浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室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钢
14、,对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢,常在此区产生裂纹常在此区产生裂纹正火区: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淬火、退火、正火、回火、调质处理?淬火、退火、正火、回火、调质处理?16浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室二、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接头组织和性能的不均匀能的不均匀焊接应力和应变焊接应力和应变焊接应力和变形焊接应力和变形分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。焊接残余应力焊接
15、残余应力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17浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室焊接残余应力的危害:焊接残余应力的危害:焊接残余应力焊接残余应力它是没有外载荷作用时它是没有外载荷作用时就存在的应力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,需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。焊接变形的危害焊接变形的危害局部区域应力过高,使结构承载能力局部区域应力过高,使结构承载能力下降,引起裂纹,甚至导致结构失效下降,引起裂纹,甚至导致结构失效与外载荷产生的应力叠加与外载荷产生的应力叠加18浙江大学承
16、压设备研究室浙江大学承压设备研究室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,会产生焊接残余变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。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。度,也会产生焊接装配应力,使局部区域应
17、力升高。19浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室三、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20浙江大学承压设备研究室浙江大学承压设备研究室四、焊接接头常见缺陷四、焊接接头常见缺陷 常见
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