特种设备检测金属材料及金属技术监督基础知识

特种设备检测中金属材料分析的应用湖南省特种设备检验检测研究院张希旺特种设备检测中金属材料分析的应用在特种设备检验检测过程中，尤其是锅炉、压力容器、压力管道的检验最重要的内容是对其的整体和局部进行一系列检测和试验，这些检测和试验的内容包括：宏观检查、几何尺寸测量、测厚、耐压试验、气密试验等，还有金属材料分析方面的内容，包括：金相试验、硬度试验（现场硬度测定）、化学元素分析、力学性能试验、无损检测等。在检验检测的过程中，需要针对设备状况、现场条件、可能产生缺陷的性质来正确地选择检测项目和方法，综合各种的检测和试验结果，最终对锅炉、压力容器、压力管道等特种设备的安全性能作出全面、准确的评价。主要内容•一.介绍金属学基础知识•二.特种设备检测常用理化试验方法•三.金属部件主要失效形式一、金属学及热处理基本知识•金属学基本概念金属学就是研究金属和合金的性能与它们内部结构之间的关系，以及影响金属与合金组织和性能的因素的一门科学。•铁的几种基本固态相α铁、β铁、γ铁、δ铁。时间无磁有磁δγβα纯铁的冷却曲线•金属材料的塑性变形及再结晶加工硬化：金属在塑性变形后，金属的强度和硬度会升高，塑性和韧性会降低，这种现象称为加工硬化（或冷作硬化）。再结晶过程：当温度升高时，变形金属的冷变形组织（被拉长的晶粒）逐渐回复到原来的晶粒形状，金属性能恢复到原来的性能的过程称为再结晶过程。•钢中的几种基本组织铁素体：碳和其它合金元素在α铁中的固溶体称为铁素体。以F表示。渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，或以化合物为基体的固溶体，以Fe3C表示。奥氏体：奥氏体是碳和其它元素在γ铁（面心立方晶格）中的固溶体，以A表示。珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体以彼此相间片层状排列的机械混合物，以P表示。索氏体：索氏体即是片层较细的珠光体，以S表示。屈氏体（或托氏体）：屈氏体（或托氏体）即是片层极细的珠光体，以T表示。贝氏体：贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，按照组织形式和形成温度不同，分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体中铁素体呈羽毛状，羽毛之间分布有片装和棒状的渗碳体。下贝氏体为针状的铁素体上分布有大量的渗碳体。贝氏体中的铁素体含有较多的（或过饱和的）碳，以B表示。马氏体：碳在铁素体中的过饱和固溶体，以M表示。•钢的热处理正火:即是将钢加热到Ac3以上30～50℃，在此温度停留一段时间后，将钢在静止空气中冷却的一种操作。正火目的：①、细化晶粒，改善钢的力学性能，并可作为某些钢（如20G锅炉管）的最终热处理。②、改善组织，以改善切削加工性能，并为淬火做组织准备。淬火：即是把钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上某一温度，并在此温度停留一段时间后，迅速冷却，以得到不稳定状态组织的一种操作。钢在淬火后一般得到的是马氏体组织，但对高合金奥氏体钢则淬火后为奥氏体组织。奥氏体钢淬火也被称为固溶处理或水韧处理。淬火目的：提高钢的强度和硬度。回火：即是将淬火后的钢加热到低于Ac1的温度，在此温度停留一段时间后冷却的一种操作。回火目的：①、得到较为稳定的组织。②、减小或完全消除钢淬火后存在于钢中的应力，降低淬火钢的脆性，得到工件所需要的最后的性能。常见的回火类型：①、低温回火回火温度为150～250℃。目的：消除工件中的部分内应力，稍稍提高韧性，但仍使工件保持着高的淬火硬度。适用范围：高碳钢和合金钢制造的刀具、量具等。②、中温回火回火温度为350～480℃。目的：使钢具有较高的弹性和韧性。适用范围：常用于弹簧和热冲模。③、高温回火回火温度为450～670℃（对碳钢或低合金钢）或更高温度（对中、高合金钢）。目的：完全消除内应力，回火后有足够的强度和良好的韧性。适用范围：广泛用于电站主蒸汽管道焊口的焊后热处理以及结构钢的最终热处理。退火：钢的退火可分为再结晶退火和退火两种。再结晶退火：即是将冷加工后的工件加热到Ac1以下温度，使冷加工后的不稳定的变形组织变为稳定的组织状态。这种退火没有相变发生。常见的退火类型：①、完全退火完全退火是将钢加热到Ac3以上，使钢全部变成奥氏体的工艺。目的：细化晶粒，改善钢的力学性能或为淬火作组织准备；降低钢的硬度以利于加工；消除内应力。适用范围：亚共析钢和共析钢组织的碳钢及合金钢铸件和锻件。如汽轮机气缸25钢铸件在铸造后即采用完全退火。②、不完全退火不完全退火与完全退火不同，其加热温度较低，为Ac1＋（20~30℃），在此温度加热保温后缓慢冷却。目的：降低钢的硬度，改善切削性能，并为淬火作组织准备。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢及轴承钢。这些钢均是含碳量较高的钢，在不完全退火的加热温度下，其组织为奥氏体加二次渗碳体（对合金钢为碳化物）。之所以不采用完全退火工艺的原因在于，如采用完全退火，钢中所有含碳量均会溶于奥氏体中，导致奥氏体含碳量的含碳量提高，稳定性加大。如要获得均匀的退火组织，其冷却速度必须很慢。这样将大为延长退火时间，对生产不利。另外，对这些钢采用不完全退火，可使二次渗碳体易于成为球状，对降低钢的硬度并为淬火组织准备更为有利。③、扩散退火扩散退火即是将钢加热到很高的温度，通常为Ac3以上200℃左右，保温较长时间，然后缓慢冷却。目的：使钢的成分均匀。适用范围：高合金钢锭或铸件。④、等温退火等温退火即是把钢加热到临界点以上温度，使其转变为奥氏体，并保温一段时间使奥氏体均匀后，冷却到预定温度，并在该温度下保温一段时间，使奥氏体等温分解成珠光体的热处理工艺。等温退火的加热温度与完全退火的加热温度一样。二者不同之处在于冷却方式。这种退火方式可以说是完全退火的特殊形式。目的：组织均匀，硬度较低。适用范围：合金钢。⑤、球化退火球化退火即是将钢按照完全退火的加热速度加热到Ac1＋（20~30℃），保温后，再按照每小时20~50℃的速度降至该钢Ar1以下一个温度，并在这个温度保温较长时间，最后随炉冷至450~500℃左右出炉，再在空气中冷却的工艺。通过这种退火后，珠光体中的渗碳体及钢中的二次渗碳体均为球状，故称为球化退火。目的：降低硬度，以便于加工，并使钢中的渗碳体变为球状，以为淬火作好组织准备。二、金属在高温长期运行过程中的变化•金属的蠕变金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形，这样的一种现象称为蠕变现象，所发生的变形称为蠕变变形（或蠕胀）。•金属的蠕变曲线蠕变现象通常用画在“变形－时间”坐标上的曲线来表示，这种曲线称为蠕变曲线。尽管不同的金属和合金在不同条件下所得到的蠕变曲线不尽相同，但它们都有一定的共同特征，把这些共同特征表示出来的蠕变曲线就叫做典型蠕变曲线。典型蠕变曲线见附图，它描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律。变形量ε＝常数σ＝常数ε3ε2ε1ε0τ1τ2τ3时间τ典型蠕变曲线•金属在高温长期运行过程中组织的变化无论奥氏体钢或珠光体钢，在高温下长期运行，不但会发生蠕变、断裂和应力松弛等形变过程，而且还会发生一些组织和性能的变化。锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温长期运行过程中发生的组织性能变化主要有：珠光体的球化和碳化物的聚集；石墨化（仅限于不含铬的珠光体耐热钢）；时效和新相的形成（如不锈钢中б相的形成等）；热脆性；合金元素在固溶体中和碳化物相之间的重新分配。等等。•珠光体的球化和碳化物的聚集这是所有珠光体耐热钢最常见的组织变化。珠光体球化是指钢中原来的珠光体中的片层状渗碳体（在合金钢中称合金渗碳体或碳化物）在高温下长期运行，逐步改变自己的形状而成为球状的现象。球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。•珠光体的球化对钢的性能的影响一般来说，珠光体球化对钢的室温力学性能和耐热性均有一定程度的影响，对于不同的钢，其影响程度不一。⑴、珠光体球化会使钢的室温强度极限和屈服点降低。⑵、珠光体球化会使钢的蠕变极限和持久强度降低。•石墨化石墨化就是钢中的渗碳体分解成为游离碳并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹层的现象。碳钢和0.5％Mo钢等不含铬的珠光体耐热钢在高温长期运行过程中会产生石墨化的现象。•石墨化对钢的性能的影响当钢中产生石墨化现象时，由于碳从渗碳体中析出成为石墨，钢中渗碳体数量减少；另外，石墨在钢中割裂基体，起裂纹作用，而石墨本身强度又极低，因此，石墨化对钢的强度有所影响。另外，由于钢的室温冲击性能也有一定的影响。•时效和新相的形成耐热钢或耐热合金的时效过程是指它们在长期运行过程中，随着运行时间的推移而从组织中过饱和固溶体内析出一些强化相质点而使金属的性能随时间发生变化的现象。当耐热钢和耐热合金中的固溶体由于热处理时从高温冷却较快或别的原因，使固溶于其中的合金元素来不及析出时，就形成不稳定的过饱和固溶体。在以后的运行中就会发生时效。时效可分为三个阶段。第一阶段是时效过程在金属晶格内的准备阶段，它仅有一些物理性能如电阻等的变化，在此阶段钢和合金的强度和硬度几乎不发生变化；第二阶段在组织上析出了分散的强化相质点，使钢的强度、硬度和蠕变极限提高，并使塑性、韧性降低；在时效的第三阶段，是这些析出的分散相的聚集。由于这些细小的、分散的质点聚集成大的质点，因而强化作用消失，强度、硬度降低，同时，蠕变极限和持久强度也显著降低。时效过程也就是新相形成的过程，因为析出的分散相也就是在金属中形成的新相。•合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配钢在高温长期作用下，不但会发生珠光体球化、石墨化、时效等，钢中合金元素还会发生在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程。这一过程的发生是由于在高温下合金元素原子活动能力的增加而产生的转移过程。目前，火力发电厂用的最多的是珠光体耐热钢和马氏体耐热钢。在这些钢中，归根到底只有两种相：固溶体和碳化物。钢中的合金元素不是存在于固溶体中，就是存在于碳化物中。当形成固溶体时，合金元素的原子是要溶入到铁的晶格中去的。合金元素的原子直径是与铁原子的直径不同的，因而形成固溶体时要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的。因此，在高温长期作用下，只要温度水平能使合金元素原子有充分的活动能力，它就力求从固溶体中出来转移到较为稳定的碳化物中去。这种过程也叫做固溶体的贫化。固溶体的贫化会使钢的强度、蠕变极限和持久强度下降。合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配过程包括两个方面：一为固溶体、碳化物中合金含量的变化（即称为碳化物成分的变化），二为运行过程中同时发生的碳化物结构类型、数量和发布形式的变化。三、金属力学性能试验基本知识金属材料的力学性能是金属材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、强度、硬度、韧性、塑性等。不同的受力条件会使金属材料表现出不同的特性，如静力拉伸力作用下金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下金属材料所表现出来的韧性特性指标等。•静力试验下的力学性能静力试验的意义是，向试样上加力（负荷、载荷）的速度是缓慢而均匀的，或者是以固定不变的力加在试样上并保持很长的时间。显然，在静力试验时，试样的变形速度不大。•拉伸试验在拉伸试验时，可以得到以下力学性能的指标：⑴、抵抗微小的塑性变形的能力这种性能常常用屈服点ReL来说明。⑵、抵抗大的塑性变形的能力这种性能常常用强度极限Rm来说明。⑶、塑性试样在断裂时的塑性变形的大小，这种性能常常用延伸率A和断面收缩率Z来说明。•拉伸曲线在对金属拉伸试样进行拉伸试验时，可以得到一条画在负荷－伸长量坐标上的曲线，这就是拉伸曲线。图中负荷与伸长量之间能保持直线关系的最大负荷称为比例极限负荷Pp；金属能保持虎克定律的最大负荷称为弹性极限负荷Pe（比例极限负荷和弹性极限负荷在位置上非常接近）；Ps称为屈服负荷，金属在这个负荷下开始屈服（即不增加负荷，变形也能自动增加）；PB称为最大负荷;PZ称为断裂负荷。载荷伸长ΔPpPePsPBPZΔl塑性Δl弹性Δl全部拉伸曲线拉伸试验时的力学性能指标：⑴、比例极限бp是指应力和相对伸长成正比例的最大应力。⑵、弹性极限бe是指在不产生永久塑性变形的前提下，金属材料所能承受的最大应力。在工程上规定，弹性极限是使试样产生0.001～0.05%永久变