4压力容器用材料基础知识

金属材料分类金属学和热处理基本知识压力容器用材料的基本要求金属材料的检验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≠cα=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=γ5.2.2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Fe3C5.2.3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