RQ1 压力容器用材料基础知识.docx
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RQ1压力容器用材料基础知识
压力容器用材料基础知识
5.1 金属材料分类
金属材料分为两大类，即黑色金属和有色金属。
通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，其中以铁为基的合金通常称为钢。
以其余金属元素为基的合金称为有色金属。
5.1.1 按冶炼方法分类：
平炉钢、转炉钢和电炉钢，每一种还可以根据炉衬材料的不同，分为碱性和酸性。
按钢液脱氧程度和铸锭制度的不同，碳素钢可分：
沸腾钢、镇静钢、半镇静钢
5.1.2 按用途分类：
结构钢、工具钢、特殊性能钢
5.1.3 按金相组织分类
①按平衡状态或退火状态的组织分：
亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢
②按正火组织分：
珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢
③按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：
铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢。
5.1.4 按化学成分分类：
碳素钢、低合金钢、高合金钢
1.碳素钢
含碳量小于2.06%的铁碳合金称为钢，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。
含碳量超过2.06%的铁碳合金称为铁。
碳素钢按照硫、磷的含量由高到低分别称为
普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）
优质钢（P、S均≤0.035%）
高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）
压力容器常用的优质碳素结构钢有Q245R钢板（R表示压力容器专用钢板）；10、20钢钢管；20、35钢锻件。
2.低合金钢
合金元素总量小于5%的合金钢叫做低合金钢。
合金含量在5-10%之间称为中合金钢；大于10%的称为高合金钢。
低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意向钢中加入一种或几种合金元素。
加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时，称这种钢为合金钢。
低合金钢合金元素含量较少，具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。
压力容器常用低合金钢有：
钢板：
Q345R、Q370R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR；07MnMoVR、07MnNiMoDR（D表示低温用钢）
钢管：
16Mn、09MnD；
锻件：
16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV。
3.高合金钢是指在钢铁中有合金元素在10%以上的合金钢。
压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢；铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢。
（1）铬钢：
0Cr13
是常用的铁素体不锈钢
有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能
在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性
但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀
（2）铬镍钢
0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。
0Cr18Ni9：
在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳；但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。
（3）铬镍钼钢：
00Cr19Ni13Mo3
是奥氏体-铁素体双相不锈钢
耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备
4.复合板
基层：
与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。
复层：
与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10～1/3。
复合板应用特点：
用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。
复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。
5.2 金属学基本知识
5.2.1 晶体结构的基本概念
（1）晶体与非晶体
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。
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）晶格与晶胞
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。
空间点阵:
由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。
晶胞：
能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
晶胞参数：
晶胞的三组棱长a、b、c及棱间交角α、β、γ。
晶系：
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
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。
立方:
a=b=c,α=β=γ=90°
四方:
a=b≠c,α=β=γ=90°
正交:
a≠b≠c,α=β=γ=90°
单斜:
a≠b≠c,α=γ=90°,β≠90°
三斜:
a≠b≠c,α≠β≠γ
六方:
a=b≠c,α=β=90°,γ=120°
菱方:
a=b=c,α=β=γ
5.2.2 金属材料的晶体结构
1.纯金属的晶体结构
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。
金属原子趋向于紧密排列。
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。
（1）体心立方晶格
常见金属：
-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
体心立方晶胞
（2）面心立方晶格
常见金属：
-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等。
这类晶格金属往往有很好的塑性。
例：
奥氏体不锈钢。
（3）密排六方晶格
常见金属：
Mg、Zn、Be、Cd等
2.实际金属的晶体结构
（1）单晶体与多晶体
单晶体：
其内部晶格方位完全一致的晶体。
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。
晶粒内的原子排列相同由多个晶粒构成，晶粒内排列相同
晶界：
晶粒之间的交界面。
晶粒越细小，晶界面积越大。
多晶体：
由多晶粒组成的晶体结构。
3.晶体缺陷
晶格的不完整部位称晶体缺陷。
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。
①点缺陷
空间三维尺寸都很小的缺陷。
空位、间隙原子、置换原子
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。
c.置换原子：
占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。
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线缺陷——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。
③面缺陷—晶界与亚晶界
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°。
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。
4.合金的晶体结构
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。
组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。
组成合金的元素相互作用可形成不同的相。
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。
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。
固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。
（1）固溶体
合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。
习惯以α、β、γ表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶剂。
其它元素称溶质。
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。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
（2）金属化合物
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。
当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。
金属化合物也是合金的重要组成相。
Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。
铁碳Fe3C称渗碳体
合金中的Fe3C
5.2.3 金属的凝固过程及热处理
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。
因而结晶过程是相变过程。
5.2.3.1 金属的结晶
纯金属的结晶
一、结晶的一般过程
1.结晶的基本过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。
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。
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.晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。
以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
3.晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
过冷度：
金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，两者温度之差，称为过冷度。
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。
快速冷却，形核点多，晶粒细小
冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
4.同素异构转变
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。
铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：
δ-Fe、α-Fe为体心立方结构（BCC），γ-Fe为面心立方结构（FCC）。
都是铁的同素异构体。
5.铁碳合金的组元和相
（1）铁素体：
碳在α-Fe中的固溶体称铁素体,用F或α表示。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。
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，性能与纯铁相似。
（2）奥氏体:
碳在γ-Fe中的固溶体称奥氏体。
用A或γ表示。
奥氏体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%。
奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。
强度低、塑性好，钢材热加工都在γ区进行.
碳钢室温组织中无奥氏体。
（3）渗碳体：
即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、强度低（δb≈35MPa）,脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C（石墨）.
由于碳在α-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
5.2.3.2 铁碳合金
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。
含碳量0.0218%～2.06%的称钢；2.06%～6.69%的称铸铁。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。
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。
铁碳合金状态图
1.铁碳相图中的点
2.特征线
（1）液相线一ABCD，
固相线一AHJECFD
（2）三条水平线：
为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
PSK：
共析线
共析转变的产物是a与Fe3C的机械混合物，称作珠光体,用P表不。
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
（3）其它相线
PQ—碳在a-Fe中的固溶线。
3.相区
4.工业纯铁的结晶过程
（1）工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的滲碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。
F＋Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，F＋Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F＋Fe3CⅢ
（2）共析钢的结晶过程
共析钢的结晶过程
珠光体在光镜下呈指纹状.
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
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。
（3）亚共析钢的结晶过程
0.09～0.53%C亚共析钢冷却时发生反应
以0.45%C的钢为例
亚共析钢的结晶过程
亚共析钢室温下的组织为F+P。
在0.0218～0.77%C范围内。
珠光体的量随含碳量增加而增加。
（4）过共析钢的结晶过程
合金在1～2点转变为γ，到3点，开始析出Fe3C。
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体，用Fe3C11表示，其沿晶界呈网状分布。
温度下降,Fe3C11量增加。
到4点，γ成分沿ES线变化到S点，余下的γ转变为P。
含1.4%C钢的组织
P+Fe3CⅡ
5.2.3.3 金属材料热处理
临界温度与实际转变温度
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
1.钢在加热时的转变
（1）加热是热处理的第一道工序。
加热分两种：
一种是在A1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）影响奥氏体晶粒长大的因素
加热温度和保温时间：
加热温度高、保温时间长，γ晶粒粗大。
加热速度：
加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。
合金元素：
■阻碍奥氏体晶粒长大的元素：
Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、A1等碳化物和氮化物形成元素。
■促进奥氏体晶粒长大的元素：
Mn、P、C、IV。
原始组织：
平衡状态的组织有利于获得细晶粒。
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.奥氏体的冷却
（1）过冷奥氏体的转变产物及转变过程：
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。
（2）共析钢珠光体转变
珠光体的组织形态及性能
过冷奥氏体在A1到550.C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、素氏体和托氏体。
珠光体转变过程
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。
珠光体转变是扩散型转变。
（3）贝氏体转变
1.贝氏体的组织形态及性能
过冷奥氏体在550。
C-230。
C（Ms）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。
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）
（4）马氏体转变
当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。
马氏体转变是强化钢的重要途径之一。
1.马氏体的晶体结构
碳在ɑ-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。
马氏体的形态分板条和针状两类。
过冷奥氏体转变产物（共析钢）
转变
转变产物
形成温度，℃
转变机制
显微组织特征
HRC
获得工艺
珠光体
P
A1～650
扩散型
粗片状，F、Fe3C相间分布
5-20
退火
S
650～600
细片状，F、Fe3C相间分布
20-30
正火
T
600～550
极细片状，F、Fe3C相间分布
30-40
等温
处理
贝氏体
B上
550～350
半扩散型
羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间
40-50
等温
处理
B下
350～Ms
竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上
50-60
等温
淬火
马氏体
M针
Ms～Mf
无扩散型
针状
60-65
淬火
M板条
Ms～Mf
板条状
50
淬火
3.热处理
改善钢的性能，主要有两条途径：
一是合金化
二是热处理
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。
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。
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。
热处理分类
（1）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。
退火分为完全退火、不完全退火、消应力退火、等温退火、球化退火等。
在压力容器制造过程中应用最多的是去应力退火。
去应力退火的目的：
消除复合钢板复层贴合后的残余应力；
消除产品封头、筒体等零部件冷成型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，提高接头抗脆断的能力；
稳定焊接结构件的形状；
消除焊件在焊后机加工和使用中的变形；
促使焊缝金属中的氢完全向外扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性。
过热：
钢在加热时，由于温度过高，并且较长时间保温，会使晶粒长得很粗大，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）正火
将钢加热至奥氏体化温度（Ac3或Acm以上30-50℃）并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺。
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。
正火后的硬度、强度、塑性和韧性均高于退火。
可以细化钢的组织，消除组织缺陷以外，还可以提高低碳钢的硬度，改善切削加上性能，消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准备。
（3）淬火：
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。
压力容器用钢淬火一般采用水冷。
（4）回火
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。
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。
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。
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。
（5）奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理
固溶处理：
将铬镍奥氏体不锈钢加热到1050-1100℃，保温一定时间，使碳化物充分溶解，快速冷却至427℃以下，以获得均匀的奥氏体组织。
稳定化处理：
对含钛或铌铬镍奥氏体不锈钢加热到850-900℃，保温一定时间，空冷或缓冷。
主要目的：
均匀组织，防止晶间腐蚀
（6）调质
钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺。
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。
5.2.3.4 金属的力学性能
1.强度：
是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。
屈服强度Re（σs）：
材料发生微量塑性变形时的应力值。
条件屈服强度Rr0.2（σ0.2）：
残余变形量为0.2%时的应力值。
抗拉强度Rm（σb）：
材料断裂前所承受的最大应力值。
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。
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。
变形：
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化。
弹性变形：
外力去处后能够恢复的变形。
塑性变形：
外力去处后不能恢复的变形。
轴向拉伸杆横截面上的应力
2.塑性
塑性：
塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。
包括断后伸长率和断面收缩率。
断后伸长率A（δ）：
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。
断面收缩率Z（ψ）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。
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。
3.韧性：
是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。
韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak表示。
Ak值或ak值除
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