承压设备特种设备无损检测相关知识.docx

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承压设备特种设备无损检测相关知识

重庆市特种设备无损检测人员

考试课件

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第一专题《承压特种设备无损检测相关知识》

第一部分金属材料及热处理基本知识

材料性能：

通常所指的金属材料性能包括两个方面：

1使用性能:

即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，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）。

使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。

2工艺性能:

即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，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。

一，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，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。

材料在外力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有强度、硬度、塑性、韧性等。

这些指标可以通过力学性能试验测定。

1．1应力与应变

内力是指材料内部各部分之间相互作用的力。

材料在未受到外力的作用时，其内部各质点之间本来就有相互平衡的力在相互作用，以保持其固有的形状。

当受到外力时，原来的平衡被破坏，材料发生变形，其内部各质点的相对位置发生变化，各质点之间的相互作用力也有所变化。

这种内力的改变，是材料在外力作用下产生的附加内力。

通常简称它未内力。

应变---物体在外力作用下，其形状和尺寸所发生的改变称为应变，物体内某处的线段在应变后长度的改变值与线段原长之比称为线应变。

应力---物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力。

方向垂直于截面的应力叫正应力。

正应力可分为拉应力和压应力两种。

如果应力是由于试件在工作中受到外加载荷作用而产生的，则该应力叫工作应力。

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。

材料强度指标可以通过拉伸试验测出。

抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。

屈服强度σs：

见图1-3所示，随着外力的增加，材料到了S点（屈服点），应变在继续增大，材料已经失去抵抗继续变形的能力。

此时的应力称为屈服点或屈服强度，用σs表示。

抗拉强度σb：

见图1-3所示，曲线的S—B段，当变形超过屈服阶段后，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，要使材料继续变形，必须增加应力值，这种现象叫加工硬化现象，材料因此得到强化，曲线的最高点B所对应的拉力P是拉伸过程中材料承受的最大载荷值，相应的应力就为该材料的抗拉强度，用σb表示。

一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。

是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加上适当的安全系数。

但是由于抗拉强度σb测量较方便，数据也较准确。

所以机械设计中也经常采用σb。

但需要使用较大的安全系数，一般机械设计中。

以σs作为强度指标时，安全系数为1.5-2.0，采用σb作为强度指标时，安全系数为2.0-5.0，我国现在锅炉规范强度设计中，取ns=1.5,nb=2.7:

压力容器规范强度设计中，取ns=1.6,nb=3.

1.3塑性

材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。

评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。

伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100%L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度

断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100%

A0--试件原来的截面积A1--试件拉断后颈缩处的截面积

断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性，对必须承受强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。

1.4硬度

金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。

硬度与强度有一定的关系，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。

另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。

工程中常用的硬度测试方法有以下四种

（1）布氏硬度HB

（2）洛氏硬度HRc

（3）维氏硬度HV（4）里氏硬度HL

1.5冲击韧性

指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。

材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。

以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。

在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。

1.6屈强比的概念

屈强比是20世纪70年代至80年代常用的描述高强度金属材料的一个术语。

材料的屈服强度（极限）和强度极限的比值，即σs/σb，称为屈强比。

这个数字越小，表示材料的屈服极限和强度极限的差距越大，材料的塑性越好，使用中的安全裕度越大。

反之，则表示材料的塑性差，强度好，抗疲劳的性能差。

钢的等级越高，其屈强比也越高。

所以对高强钢，特别是抗拉强度下限σb大于540MPA的低合金高强度钢材料的使用一定要注意。

1.7钢材的冷脆性

随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降。

金属材料在低温下呈现的脆性叫冷脆性。

1.8钢材的热脆性

钢材长时间停留在400-500℃后再冷却至室温时，冲击韧度值会明显的下降。

这种现象叫钢材的热脆性。

1.9氢脆

钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象叫氢脆。

氢脆主要发生在碳钢和低合金钢材料中。

钢中的氢来源有三个方面：

1冶炼过程。

2焊接过程。

3设备运行过程。

含氢的钢材在应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂，氢脆是一种延迟裂纹，断裂时间可能只有几分钟，也可能几天。

氢脆断裂只发生在-100∽150℃的范围.很低的温度不利于氢的移动和聚集,很高的温度可以使氢从钢中逃逸,焊后保温及热处理,其目的是利用高温下氢能够从钢中扩散逃逸的原理,来降低焊缝中氢的含量.也是改善焊接接头的力学性能的有效措施.

由氢导致材料劣化的现象叫氢损伤,其形式和种类有

1氢脆.2氢鼓包（氢在钢板分层处聚集引起）.3白点（氢在钢材中心部位聚集造成的细微裂纹群）.4氢腐蚀（一般发生在高温区段，对碳钢，温度高于250时），发生氢腐蚀时，钢的组织发生脱碳，渗碳体分解，晶界出现大量微裂纹，钢的强度，韧性丧失殆尽。

无损检测不能检测和判定氢脆.其余种类的氢损伤检测方法：

氢鼓包:

一般用肉眼便可观察。

白点：

超声波方法。

氢致表面裂纹：

磁粉或渗透方法。

氢腐蚀：

通过硬度测试和金相方法检测。

二金属学与热处理的基本知识

1.晶体和晶界的概念，金属常见的晶体结构

物质是由原子构成的。

根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。

凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。

晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。

常见的晶体结构有：

（1）体心立方晶格，如金属α-铁、δ—铁、β--Ti、Cr、V等。

（2）面心立方晶格，如金属α-铁、AI、Cu、Ni等。

（3）密排六方晶格，如金属Mg、Zn、γ--Ti等。

实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。

每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，晶粒之间的界面称为晶界。

晶界容易产生缺陷。

高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程态，即原子由不规则状态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。

2铁碳合金的基本相结构及其特性

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，因为钢和铸铁的成分虽然复杂，但是基本上是铁和碳两种元素组成的。

一般把含碳0.02%--2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。

碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。

碳含量低，其性质是“强而韧”，碳含量高，其性质是“弱而脆”，钢的熔点高而铸铁的熔点低等等。

铁碳合金Fe—Fe3C的金相结构有以下几种：

（1）铁素体：

碳溶解于a铁或δ铁中，用符号：

F表示，铁素体的熔碳能力极差。

强度和硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770℃以下具有铁磁性，超过770℃则丧失铁磁性。

（2）奥氏体：

碳溶解于γ铁中的固溶体，用符号：

A表示。

奥氏体的熔碳能力较大，仅存在727℃以上的高温范围，不具有铁磁性。

（3）渗碳体：

铁和碳的金属化合物，其含碳量为6.67%。

符号：

Fe3C.渗碳体的硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。

在217℃以下有铁磁性。

承压类特种设备常用的碳素钢含碳量一般低于0.25%。

3热处理的一般过程

热处理是将固态金属及合金按预定要求进行加热，保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。

在实际生产中，热处理过程是比较复杂的，但是其基本工艺过程是由加热，保温和冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，任何热处理过程都可以用温度--时间曲线来说明。

4钢中碳和合金元素对C曲线的影响

承压类特种设备使用的低碳钢属于亚共析钢，它的C曲线见图1-23，与共析钢相比，等温转变所需时间较短，在连续冷却的条件下，如果冷却速度相同，亚共析钢的转变组织的塑形，韧性相对较好，硬度相对较低。

承压类特种设备使用的低合金钢和合金钢中加有锰，钼，镍等元素，合金元素的加入会使C曲线的位置右移，其后果是使淬火临界冷却速度减小，有利于提高材料的淬透性，但是，对于不希望发生淬硬现象的工件来说则是不利的。

5钢常见金相组织和性能

奥氏体A:

是碳在γ铁中的固溶体。

在合金钢中是碳和合金元素溶解在γ铁中的固溶体，塑性很高，硬度和屈服点较低，布氏硬度一般在170-220HB,是钢中质量体积最小的组织，属于面心立方晶格，在金相组织中呈规则多边形。

铁素体F：

碳和合金元素溶解在a铁中的固溶体，性能接近纯铁，硬度低（80-100HB），塑性好，属于体心立方晶格，在金相组织中具有典型纯金属的多面金相铁征。

渗碳体Fe3C：

铁和碳的金属化合物。

珠光体P:

铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量0.77%的碳钢共析转变的产物，属于片状组织，硬度值190-230HB.

马氏体M：

碳在a铁中的过饱和固溶体。

是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点之下无扩散性相变的产物。

硬度很高（640-760HB）.很脆，冲击韧性低。

断面收缩率和延伸率等于零。

6承压类特种设备常用热处理工艺

根据钢在加热和冷却时的组织和性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。

（1）退火--将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、消除应力退火等。

（2）正火--将钢件加热到Ac3或Acm以上30—50℃，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。

正火的目的和退火基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低内应力，正火和退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，钢正火后的强度、硬度、韧性都比退火高。

（3）淬火---将钢件加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。

材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其强度、硬度，这对于轴承、模具等工件是有用的，但是马氏体硬而脆，韧性差，内应力很大，容易产生裂纹，所以承压类特种设备材料和焊缝的组织一般不希望出现马氏体。

（4）回火--将经过淬火的钢件加热到Ac1以下的适当温度，保温一定时间后，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的热处理工艺。

回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。

通过调整回火温度，可获得不同的强度、硬度、韧性，以满足所要求的力学性能。

按回火温度的不同可将回火分为低温、中温、高温回火三种。

7消除应力退火处理的目的和方法

承压类特种设备的消除应力退火处理主要指焊后热处理（PWHT），也有在焊接过程中间和冷变形加工后用来减少应力及冷作硬化而进行消除应力处理的，其目的主要是消除焊接，冷变形加工，铸造，锻造等加工方法所