金属材料的性能及热处理

1金属材料的性能、焊接及热处理第一节金属材料的性能使用性能性）高温、氧化性（热稳定化学性能：耐蚀性、抗密度、熔点等性、导热性、热膨胀、物理性能：电学性、磁、塑性、韧性、钢度等力学性能：强度、硬度工艺性能切削加工焊接性压力加工（冲压性）铸造性可锻性金属材料的力学性能：金属材料在一定的温度条件和受外力作用下，抵抗变形、断裂的能力称材料的力学性能又称为机械性能。主要有四大指标：1、强度指标：抗拉强度b屈服强度s：（疲劳强度、屈强比）2、塑性指标断面收缩率伸长率（延伸率）3、硬度指标DHLHVHRCHB）里氏硬度（）维氏硬度（）洛氏硬度（）布氏强度（4、韧性指标ICkkKAa断裂韧度冲击韧性1、强度指标将规定尺寸的试棒在拉伸实验机上进行静拉伸实验，以测定该试2件对外力载荷的抗力，可求强度指标和塑性指标。（1）拉伸曲线图（2）应力应变图应力0A外力（单位面积所受力）应变0LL（单位长度的变形量）对原材料、焊接工艺及焊接试板均有严格的标准进行规定。对圆形拉伸试样分标准试样和比例试样，每种又分为长试样和短试样（短）（长）任意选用比例试样：短试样）长试样）标距标准试样：直径006000000065.53.11(5(1020ALALddLdLLd高碳钢中碳钢低碳钢σbσb（拉伸图）变形量ΔL（应变ε）L0A0d外力（应力）FK标距L03（3）拉伸试验分为四个阶段①弹性变形阶段：变形量L与外力（或应变和应力）成正比（即虎克定律）。e：弹性极限：我们把材料产生最大弹性变形时的应力称为弹性极限。由于检测精度，国标规定以残余变形量为0.01%时的应力为弹性极限。0AFee应力：单位面积上材料抵抗变形的力称为应力。)(20mNPAPa②屈服阶段屈服极限；材料承受的载荷不再增加而仍继续发生塑性变形即开始产生明显塑性变形时的最低应力值称为屈服极限。又叫屈服点，用s表示。0APSs许多合金并没有明显的屈服现象，所以工程上规定了以试样产生的伸长量为试样长度的0.2%时的应力作为材料的条件屈服点，用2.0表示。（严格的也可以是1.0、05.0等）屈服阶段是由于材料内部晶格间发生滑移所至。③强化阶段抗拉强度：材料抵抗拉力破坏作用的最大应力称为强度极限又称抗拉强度。即产生最大的均匀塑性变形的抗力。40APbb由于塑变而产生加工硬化，载荷需增加直至最大载荷bP后局部发生塑变即“颈缩”。强度极限b在工程技术上很重要，它的物理意义是表征材料最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能担负的最大负荷的应力值在工程上称抗拉强度。它是工程设计和选材上的重要依据，再加上适当的安全系数。b的测量既方便又准确。屈强比bs：屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比。比值越大越能发挥材料的潜力，减少自重，但可靠性能下降，因两值较接近，材料在断裂前的塑性“储备”较少，安全裕度较小。屈强比越小，结构的可靠性越高，为保证安全，一般比值在0.65～0.75之间，高屈强比可省材料但对应力集中较敏感，抗疲劳性能较差，所以对大于0.8要慎重处理。此问题考试可能涉及面大，焊接气瓶用钢国标限定为不得大于0.8。④颈缩阶段：b后试件局部开始变细，出现颈缩现象，截面急剧减小，载荷也减小，曲线下降到K点断裂，此时应力在变大（加工硬化所致）负荷变小sb、是两个主要指标s作强度指标时安全系数5.1sn～2.0b作强度指标时安全系数0.2bn～5.0现行锅规7.25.1bsnn5现行容规36.1bsnn2、塑性指标塑性：是指金属材料在载荷作用下产生最大塑性变形而不破坏的能力。①伸长率：δ试样受拉力断裂后，总伸长量与原始长度的比值的百分率称为伸长率（延伸率）δ=%100001LLL长试样10或表示，0L=10d短试样5表示，0L=5d相同符号才能进行比较，同一钢材的5与10值不同，5大约为10的1.2倍。为了防止采用屈强比高的钢材，对锅炉钢板的伸长率规定5不得小于18%，以此来限定屈强比。②断面收缩率Ψ（%）试样受拉力断裂后，试样截面的缩减量与原截面之比的百分率称为断面收缩率。ψ=010AAA×100%断面收缩率不受试件标距长度的影响（无长短之分），对于锅炉压力容器材料的伸长率一般要求10%以上。伸长率和断面收缩率表明材料在静态或缓慢拉伸应力作用下的L0：试件原始标距长度L1：试件拉断后标距长度A0：拉伸前原始截面A1：拉断后细颈处，最小截面积6韧性，良好的塑性即可使材料冷压成型性好，重要的受压零件可防止超载时发生脆性断裂，但对塑性的要求有一定限度并非越大越好。3、硬度指标：硬度：指金属材料抵抗硬物压入表面的能力。常用的硬度测定方法都是用一定载荷（压力）把一定的压头压在金属材料表面，然后测定压痕面积或深度来确定硬度值，压痕愈大愈深则硬度愈低。它是表征材料的弹性、塑性、形变强化率，强度、韧性等一系列不同物理量的组合的一种综合性能指标。由于简单易行，不必破坏所以是重要的检验手段之一。①布氏硬度HB在直径为D的淬火钢球上施加压力P，使钢球压入被测金属表面，并留下压痕，载荷P与压痕表面积之比称为布氏硬度。HB=AP)2102.022dDDDPAPHB（为了避免压痕面积计算的麻烦，专门制定了压痕直径与HB值的对照表。在布氏硬度实验时，钢球直径D，压力P和力保持时间应根据不同的金属材料和厚度选定。2DP的比值不同，不能直接进行比较。2DP分为30、10、25三种；压痕直径d应在0.25D＜d＜0.6D范围内。HB＞450不能用淬火钢球测量布氏硬度。布氏硬度一般不标出单位，硬度值越高表示材料越硬。P：压力载荷（N）A：压痕表面积（㎜）D：钢球直径d：压痕直径7表示方法：HBS淬火钢球≤450HB，HBW合金钢球≤650HB②洛氏硬度HR洛氏硬度时采用测量压痕深度来确定硬度值的实验方法。实验：锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588㎜（161英时）的淬火钢球负载先后两次施加，先加100N初载再加主载荷，按照压头种类和总实验力的大小组成三种洛氏值。洛氏硬度及应用范围标度压头总负荷（N）测量范围HRA120°圆锥60075～85HRB1.588㎜钢球100025～100HRC120°全钢圆锥150020～67洛氏硬度实验适用范围广，操作简便迅速，压痕较小故在热处理质量检验中应用最广。（无名数）HR=002.0hK每0.002为一个洛氏单位。h：为深度金刚石压头K=0.2㎜黑色表盘刻度淬火钢球K=0.26㎜红色表盘刻度HRC≈HB101③维氏硬度HV：使用金刚石正四棱锥体为了满足从软到硬有一个连续一致的硬度标度，需要采用维氏硬度HV：是以负荷除以压痕表面积所得的商。测出两对角线平均长度（d）㎜。然后查表或代入公式确定硬度值。136°（N）8)(1891.08544.122MPadPdPAPHVV它采用正棱角锥体金刚石压头，实验压力从10～1000N选用。还有显微硬度选更小的压力测出金相组织中不同相的硬度。焊缝热影响区硬度等。④里氏硬度HL装有一碳化钨冲击测头在一定高度下冲击试件表面测出冲击测头距试样表面1㎜处的冲击速度和回跳速度，是利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系。则HL=1000×ABVV里氏硬度仪体积小、重量轻、操作简便，任何方向均可测试，所以适合现场使用，由于是电压值，电脑处理十分方便。里氏硬度实验结果表示方法：在HL里氏硬度符号前给出硬度数值，在HL后给出冲击装置类型。例：700HLD表示D型冲击装置测定的对于换算成其他硬度则在HL前，相应的硬度符号例如：HB120HLD；400HVHLD；冲击装置类型D、DC、G、C型。主要是冲击体质量不同，冲击能量不同，测试范围不同。4、韧性指标韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。断裂韧性冲击韧性①冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收（㎡）VB：测头回跳速度VA：冲击速度9冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。计算公式：aK=FAK单位2cmJ（1J=1N.m）目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J试样：U型缺口—时效冲击时用V型缺口AKV表示，V型缺口在锅炉压力容器的检验中应用较多。AK：冲击功（冲断试样所消耗的功）F：试样缺口处的截面积10第二节焊接与热处理基础知识一、焊接术语1、焊接通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种加工工艺方法。2、焊接接头用焊接方法连接的接头3、焊缝焊件经焊接后所形成的结合部分。4、热影响区焊接过程中材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和机械性能变化的区域。5、母材金属被焊金属材料的统称。6、焊接方法指特定的焊接方法，其含义包括该方法涉及的冶金、电、物理、化学、力学等内容。（电弧焊：氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊等；压力焊：扩散焊、摩擦焊、电阻焊、爆炸焊等）7、焊接材料焊接时所消耗的材料（包括焊条、焊丝、焊剂、气体等）的通称。二、焊接热循环的特征1、加热温度高112、加热速度快3、高温停留时间短4、自然条件下连续冷却，速度快5、热源集中，局部加热三、焊接接头的组成及分布特征焊接接头的组成焊接接头由焊缝＋熔合区＋热影响区＋母材组成四、焊接裂纹的形成及其特征1、焊接裂纹的分类——五大类（1）热裂纹（2）冷裂纹（3）再热裂纹（4）层状撕裂（5）应力腐蚀裂纹2、焊接裂纹的一般特征及产生原因（1）热裂纹高温下产生，沿奥氏体晶界开裂；位置：焊缝和热影响区的近缝区。12①结晶裂纹位置：焊缝中心，一般会形成肉眼可见的宏观裂纹。原因：a)杂质被排挤到晶界部位并富集，形成低熔点共晶物的液膜；b)拉伸应力。（1）热裂纹②近缝区液化裂纹位置：热影响区的过热区，尺寸很小，有时不在表面。原因：a)低熔点共晶物重新熔化，形成局部微小的液膜；b)拉伸应力。（2）冷裂纹焊后冷却到较低温度下产生。位置：主要产生于低合金钢、中合金钢、中碳钢和高碳钢的热影响区，有时也出现在焊缝中，沿晶或穿晶开裂，往往伴随有二次裂纹。对于低合金高强度钢，一般在Ms点附近或更低温度下产生。延迟裂纹是冷裂纹的一种最典型的形态（2）冷裂纹①延迟裂纹位置：焊缝根部、焊道下、焊趾。原因——冷裂三因素：a)钢种的淬硬倾向；13b)扩散氢的含量及其分布；c)焊接接头的应力状态。②淬硬脆化裂纹主要产生于含碳量较高的中碳钢和马氏体不锈钢等原因：淬硬，形成脆化组织，抗裂性差。基本于扩散氢的含量无关。（3）再热裂纹焊后热处理或高温服役中产生。位置：主要产生于合金钢的热影响区的过热区。特征：①沿晶开裂；②与温度和时间相关，有一个敏感温度区，大约在550～750℃之间。③含有一定沉淀强化元素的金属才有再热裂纹敏感性。Cr、Mo、V、Nb、③Ti（4）层状撕裂低温开裂，产生与厚壁结构的T型接头、十字接头、角接接头。位置：主要产生于厚板内部。特征：沿晶或穿晶开裂，裂纹平行于板材的轧制方向，呈阶梯形分布；轧制过程中形成了平行于轧制方向的非金属带状夹杂物，焊接时产生了垂直于板材平面的Z向应力——形成条件。14（5）应力腐蚀裂纹一种在腐蚀介质和拉伸应力共同作用下产生的延迟破坏现象。位置：奥氏体不锈钢的热影响区特征：形同枯干的树枝，从表面向深处发展，大多数属于晶间开裂，有比较典型的脆性断口。对介质敏感的钢材、腐蚀介质、拉伸应力三者共存且达到临界值——产生条件。五、焊接接头的失效1、焊接缺陷造成的失效2、应力造成的失效3、异种钢接头的早期失效4、腐蚀失效六、新材料的焊接工艺要点P91、P92、P122、super304、TP347HFG等新材料的焊接应注意其特殊性1、马氏体型材料的焊接（1）预热：氩弧焊100～200℃电弧焊200～300℃（2）层间温度：≤300℃（3）焊后热处理：750～780℃（4）焊接线能量——小2、奥氏体不锈钢的焊接15Super304H或TP347HFG钢的焊接技术难点：（1）焊接接头有应力腐蚀裂纹