1、超声无损检测第一章 金属材料基础知识第一章 金属材料及热处理基本知识1.1材料力学基本知识1.2 金属学与热处理基本知识1.3承压类特种设备常用材料第一章 金属材料及热处理基本知识金属材料是现代工业,农业，国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。这不仅是由于来源丰富，生产工艺简单，成熟，而且还因为他们具有良好的性能。 通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：一、使用性能即为了保证机械零部件、设备、结构件等能正常工作，材料所具备的性能。主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热传导性等）。使用性能决定了材料的应用范围，
2、使用安全可靠性和使用寿命。二、工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。金属材料是制造承压类特种设备最常用的材料，其性能介绍是本章的主要内容。作为承压类特种设备无损检测人员，应了解材料方面的有关知识。1.1 材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用。当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。材料在外力的作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、韧性等指标。1.
3、1.1 应力和应变所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示：在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力： （Pa或者N/m2）这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。图1应变当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形L，那么圆柱体的长度则变为L+L。这里，由伸长量L和原长L的比值所表示的伸长率（或压缩
4、率）就叫做“应变”，记为。 与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(110-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用E表示。而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生d的变形时，直径方向的应变如下式所示： 这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。 应力与应变的关系各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。图2所示为一种普通钢材（软铁）的应力与应变关系图。
5、根据胡克定律，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系。对应的最大应力称为比例极限。图2 或者 应力与应变的比例常数E 被称为弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。综上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。（1）应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交变应力当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚度改变时，会在不连续出及其附近产生剪切应力和弯曲应力在长期交变应力下工作的承压类特种设备有些会出现疲劳和破坏现象。（2）应力集中的概念在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生突变，往往是缺陷引起的。这些缺陷统称为缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边
6、、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹引起的应力集中最为严重。（3）承压类特种设备的工作压力试验表明；对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。1.1.2 强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。抗拉强度b，屈服强度s 是评价材料强度性能指标的两个最重要的指标。 1、 拉伸试样 进行拉伸试验时，采用如图1-3所示的拉伸试样。试样可分为长短两种，长试样Lo/do=10；短试样Lo/do=5。一般工厂采用的试样直径dO=
7、10毫米。 拉伸试样放在拉伸试验机上，按规定标准加载，随着载荷增加，试样产生伸长变形直至断裂，钢的标准拉伸试样， 2、低碳钢的拉伸曲线图低碳钢的拉伸曲线图 根据载荷与变形量的相应变化可绘出曲线图，称为拉伸曲线图。拉伸曲线图 图1-4为低碳钢的拉伸曲线吼低碳钢拉伸时可分为三个阶段： 、弹性变形（弹性变形：外力卸去后能够恢复的变形）阶段。当作用在试样上的裁荷在一定限度之内时，载荷与伸长量成正比例，外力去除后，试样恢复原来的形状和尺寸。当载荷超过Pp而不大于Pe时，试样的伸长不再与外力成正比关系，但还属于弹性变形阶段，即当外力去除后变形立即消失。 、弹性变形塑性变形（塑性变形外力卸去后不能恢复的变形
8、）阶段。s点出现的水平线段表示在载荷不变的情况下试样继续伸长；即材料丧失了抵抗塑性变形的能力，称为材料的屈服，发生塑性变形后，由于内部结构变化，产生加工硬化，要使金属继续变形，必须再增加载荷，这样载荷继续增加，试样则均匀伸长。达到b点屁开始出现缩颈变形,变形集中在缩颈处。 、塑性变形断裂阶段。由于缩颈出现后截面剧烈减小；试样不足以抵抗外力的作用，因此在z点发生断裂。根据拉伸曲线上各种特殊点的外力与原截面的关系，可以测定材料的强度指标。3、强度指标：试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力，称为内力。单位截面积上的内力称为应力，拉伸时的应力用符号表示。 应力的计算为：
9、 p / F(公斤力毫米2)式中;应力(公斤力毫米2)； p外力(公斤力)； F横截面面积(毫米2)。 拉伸曲线上各特殊点出强度计算如下：，抗拉强度b pb / F0 （公斤力毫米2)式中; b应力(公斤力毫米2)； pb外力(公斤力)； F0横截面面积(毫米2)。+ 承压设备在选用金属材料时不允许超过它的抗拉强度/3。 材料的强度极限越高，能承受的应力越大。 比例极限：材料承受外力的作用，载荷与变形成正比时的最大应力，称为比例极限；计算公式如下p Pp / F0(公斤力毫米2)式中;p比例极限(公斤力毫米2)； Pp试样受载与变形成正比时能承受的最大载荷(公斤力)外力； F0横截面面积(毫米
10、2) 、 屈服强度：在载荷不增加的情况下仍能发生明显塑性变形时的应力计算公式如下 s Ps/ F0（公斤力毫米2）s 屈服强度公斤力毫米2 Ps试样受载与变形发生明显塑性变形时的载荷(公斤力)外力； F0横截面面积(毫米2) 有许多金属或合金材料，并没有明显的屈服现象发生，为表明这些材料的屈服极限，规定以试样产生伸长量为试样长度的02%时的应力作为材料的“条件屈服强度，用来0.2表示。 屈服极限是选用金属材料时非常重要的机械性能。承压设备材料所受的应力，一般都应小于屈服强度否则就会产生明显的塑性变形。、许用应力：材料允许使用的最大应力。用表示。、屈服比：是屈服点与抗拉极限强度的之比。1.1.3
11、 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。伸长率和断面收缩率是评价材料塑性性能指标的两个重要的指标。1. 延伸率 延伸率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度之比值的百分率，即= (L1-L0)/L0 X 100% L0试样的原始标距长度(毫米)； L1试样拉断后标距长度(毫米)； 2. 断面收缩率：是试样断口面积的缩减量与原截面面积之比值的百分率。即（FoF1）Fo X 100%式中 Fo拉伸前试样的截面积毫米2) F1试样断后细颈处最小截面积(毫米2) 断面收缩率。 延伸率和断面收缩率用以衡量材料的塑性，数值越大，表示塑性越好。良好的塑性材料，有利于进行焊接、锻压、冷冲
12、和冷拔等成型工艺。3、延伸率和断面收缩率是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。如果材料具有良好的塑性，则可避免材料在压力加工过程中发生开裂而破坏；而普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时,由于材料具有一定的塑性，故能保证材料不致因稍有超载而突然断裂，增加了材料使用的安全可靠性。 4冷弯试验：（1）弯曲试验弯曲试验是焊接接头力学性能试验的主要项目弯曲试验可以考核焊接接头的主要项目包括：焊缝和热影响区的塑性、内部缺陷、焊缝的致密性、焊接接头不同区域协调变形能力。用冷弯试验衡量材料在室温时的塑性。试验时，试样在规定的冷弯条件下弯到规定的角度，一般根据试样弯曲表面有
13、无裂纹或折断等破坏情况来评定材料的质量。冷弯条件依材料及试样的厚度不同而异，在材料的有关技术标准中加以规定。因此，冷弯试验的目的仅为在一定的弯曲条件下比较材料的塑性。图5为钢板的冷弯性能试验。 图1-5 180冷弯试验 弯心直径越大，冷塑性变形的能力愈差；弯心直径越小塑性越好。下面举例说明强度、塑性的计算方法。例题：有一根钢试棒，原始长度100毫米，直径10毫米。作拉伸试验时，载荷增加至2669公斤力时开始出现屈服现象；载荷达4710公斤力时，试样被拉断。结果测得在变形后长度是116毫米，细颈处直径是7.75毫米。 试求钢试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。 解 ：(1)求试样的截面
14、积（2）求屈服强度(3) 求抗拉强度(4) 求延伸率(5) 求断面收缩率先求收缩细颈面积1.1.4硬度: 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。1、布氏硬度： 图16 布氏硬度测定过程示意图式中P压力载荷(公斤力)，F压痕面积(毫米)； HB布氏硬度值。 压痕面积的计算如下：图1-8是布氏硬度试验机的结构原理示意图。图1-8布氏硬度试验机结构原理图布氏硬度与强度也有着如下的近似关系： b = 036HB(低碳钢) 它随着不同金属材料以及热处理情况而有所不同。低碳钢036，
15、高碳钢034，调质合金钢o325.布氏硬度试验的优缺点：优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。2、洛氏硬度：（HR）测试当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： HRA 是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求
16、的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。 HRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。 HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为： 式中：C-常数 一般取0.2 h-压痕深度洛氏硬度试验的优缺点：优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。 缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其
17、平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。 1.1.5 冲击韧性冲击韧性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性冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标。冲击韧性指标用 AK表示，试样缺口的形式有U型和V型两种。 冲击试验示意图1一摆锤 2一试样 3一机架 L指针：5；刻度盘试验时把标准试样安放在试验机的两支点中间，使试样的缺口背向的冲击方向，然后把摆锤抬到一定高度H ，摆锤由高处落下将试样击断，并自由回升到高度h，根据，摆锤的重量和冲击前后的高度差可以计算出冲断试样消耗的功；计算公式
18、如下: k= G(H- h)/F 式中 H冲击前摆锤上升高度(米) h冲断试样后摆锤上升高度(米) G-摆锤重量(公斤力)F试样的横截面积 2、 脆性转变温度 冲击韧性与试验温度有关，有些材料在室温20左右试验时，并不显示脆性，而在，比较低的温度（低碳钢在45）下可能会发生低温脆性断裂，材料由塑性状态转变为脆性状态的温度叫做“脆性转变温度”。3、钢材的脆化.冷脆化；金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。.热脆性；钢材长时间停留在400500后再冷却到室温，冲击韧度值会有明显下降，这种现象称之为钢材的热脆性。.氢脆；钢中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中的氢主要来源三个方面：1.
19、 冶炼过程中溶解在钢水中的氢2. 焊接过程中由于水或油污在高温下分解出来的氢溶解在钢材中.工作介质中的氢进入钢中。氢致断裂只发生在-1001500C的温度范围内。.苛性脆化；苛性脆化一般都发生在受压元件的铆接和涨接处。.应力腐蚀脆性断裂；由于拉应力与介质腐蚀联合作用引起的低应力脆性断裂叫做应力腐蚀。应力腐蚀产生的必要条件：.元件承受拉应力的作用.具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境.材料对应力腐蚀的敏感程度。对钢材而言应力腐蚀的敏感性与的成分、组织及热处理情况有关。 1.1.6 疲劳在交变载荷的作用下材料发生破裂的现象叫做疲劳。 金属材料在无数次重复的交变载荷作用下，而不致破裂的最大应力，称
20、为疲劳强度，或称疲劳极限。金属材料的疲劳强度，与其化学成分、表面状态、组织结构、夹杂物多少、分布情况以及应力分布等有一定关系。若零件表面进行热处理、强化处理，或零件表面精细加工和避免断面的急剧改变，都能提高零件的疲劳强度。一般钢铁的弯曲疲劳强度值只有抗拉强度的一半左右。1.1.7 承压类特种设备的工作压力对对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。1.2 金属学与热处理基本知识1.2.1金属的晶体结构 常见的晶体结构：1.体心立方晶格2.面心立方晶格3.密排六方晶格1、
21、纯金属的结构、体心立方晶格：晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。、面心立方晶格 ：晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。 、密排六方晶格：晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。 2、金属的实际晶体结构 、晶体结构 晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为单晶体。 由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，这些小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。 、晶粒度：晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-
22、8级为细晶粒。 一般晶粒度越大，也就是越细越好，8级的晶粒直径大约0.02mm1.2.2 纯金属的结晶1、纯金属的冷却曲线和过冷现象 金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。纯金属的结晶是在固定的温度下进行的右图为纯金属的冷却曲线。理论结晶温度：t0实际结晶温度：t1 过冷度：tt0t1。过冷是金属结晶的必要条件。2、结晶过程1.2.3 铁碳合金的基本组织通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。一般把含碳量0.02 2的称为钢，把含碳量大于2的称为铸铁。含碳量对钢铁的性质有决定性的影响，所以可以通过铁碳合金状态图来研究铁碳的有关特性。 1、 铁碳合金的基本组织 （1）、铁素体（F或） 铁素体是碳溶于-F
23、e中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度很小，727时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒（2）、奥氏体（A或） 奥氏体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在-Fe中的溶碳量较高，1148时2.11%；1148时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。（3）、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，、Ak接近于零，脆性很大。（4）、珠光体（P） 奥珠光体是由铁素体和渗
24、碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。（5）、莱氏体（Ld或Ld） 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。含碳量为0.77铁碳合金只发生共析转变，其组织为100的珠光体。称为共析钢。共析：是指具有共析成分的单一母相在一定条件下分解生成两个或多个结构与成分不同的新相的过程 含碳量大于0.77铁碳合金称为过共析钢。其组织是珠光体P渗碳体Fe3C0。 含碳量小于0.77铁碳合金称为亚共析钢。其组织是铁素体
25、F珠光体P2、铁碳合金状态图：铁碳合金状态图是表示在极缓慢加热(或极缓慢冷却)情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度时所具有的状态或组织的图形。 一、铁碳合金状态图 1.2.4 铁碳合金状态图分析 1、主要特性点 1）A点：纯铁的熔点，温度1538,Wc=02）G点：纯铁的同素异晶转变点，冷却到912时,发生-F-Fe 3）Q点：600时,碳在-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%4）D点：渗碳体熔点,温度1227,Wc=6.69%5）C点：共晶点，温度1148，Wc=4.3%，成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：LcLd（AE+Fe3C）6）E点：碳在-Fe中的最大溶解度,温度114
26、8，Wc=2.11%7）S点：共析点，温度727，Wc=0.77%，成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：AsP（Fp+Fe3C）8）P点：碳在-Fe中的最大溶解度,温度727，Wc=0.0218%2、特性线 1）ACD线 ：液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。2）AECF线：固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。3）ECF水平线：共晶线，Wc2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。4）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解
27、度是E点（wC2.11），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C5）GS线：奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。6）PSK水平线：共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727）时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。7）GP线：0Wc0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。8）PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600时，Wc=0.0057%。 在727缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体
28、（三次渗碳体Fe3C）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3C的存在。9）、以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。 3、相区 1）单相区：有F、A、L和Fe3C四个单相区2）两相区：五个两相区：LA两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、AF两相区、F+Fe3C两相区3）三相区：ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C）PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）4、铁碳合金的分类 1）工业纯铁：C 0.022）钢: 0.02 C 2.0 3) 铸铁：2.0 C 6.69 5、含碳量与力学性能间的关系 强度
29、：当Wc0.9时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 1.2.5 热处理一般过程热处理的工艺过程是由加热、保温、冷却三个过程组成的，其中温度和时间是影响热处理的主要因素。简要叙述钢在热处理过程中的组织变化（1）加热时的转变奥氏体A的形成（2）冷却时的转变奥氏体A的分解1.2.6承压类特种设备用钢常见的金相组织和性能承压类特种设备用钢常见的金相组织中有：1.奥氏体 2.铁素体 3.渗碳体 4.珠光体 5.马氏体 6.贝氏体 7.魏氏组织 8.带状组织1.2.7 承压类特种设备常用的热处理工艺1.退火:将钢试件加热到适当温度，保温
30、一定时间缓冷。以获得接近平衡状态的组织。目的：（1）降低硬度、改善切削加工性能、消除内应力。（2）消除应力退火：主要是指焊后热处理，主要目的是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化。2.正火:将工件加热到Ac3或Acm以上30500C，保持一定的时间在空气中冷却的热处理工艺。目的：和退火的目的相同。所不同之处在于冷却的速度3.淬火:将钢加热到临界温度以上，经适当的保温后快冷，使奥氏体转变成马氏体的过程。1.3承压类特种设备常用材料承压类特种设备是在承压状态下运行，材料要承受较大的工作压力，有些还要同时承受高温和介质腐蚀，工作条件十分恶劣，如果在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重损失，因此对制作承压类特种设备的材料有一定的要求这些要求主要包括：1.为保证安全性和经济性，所用材料应有足够的强度，即较高的屈服极限和强度极限。2.为保证在承受外加载荷 时不发生脆性破坏，所用材料应有良好的韧性。3.所用材料应有良好的加工工艺性能，包括冷热加工性能和焊接性能。4.所用材料应有良好的低倍组
