承压类特种设备无损检测相关知识讲座

承压类特种设备无损检测相关知识讲座（I、II级）二〇一六年七月青白江声明：本讲稿主要依据《承压类特种设备无损检测相关知识(第2版)》全国特种设备无损检测人员考委会编，北京：中国劳动社会保障出版社2007年4月版（2013年/2015年更新）以及其他相关资料第1篇金属材料、热处理及焊接基本知识第1章金属材料.热处理基本知识金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。通常所指的金属材料的性能包括以下两个方面：第1章金属材料.热处理基本知识1.使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度(弹性模量)、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。第1章金属材料.热处理基本知识2.工艺性能：即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如铸造、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。第1章金属材料.热处理基本知识2.工艺性能：也称为加工性能（制造工艺性能）切削加工性能：可铸性：通过常规铸造方法和工艺而获得……可锻性：通过常规锻压方法和工艺而获得……可焊性：金属材料通过常规焊接方法和工艺而获得良好焊接接头的性能。热处理性能：通过常规热处理方法和工艺而获得……（也称为五大性能）第1章金属材料.热处理基本知识3.经济性：成本费用。来源是否广泛？原材料单价￥/T、$/g？制造加工是否方便容易？金属材料是制造承压类特种设备最常用的材料，其性能介绍是本章的主要内容，作为承压类特种设备无损检测人员，应了解材料方面的有关知识。第1章金属材料.热处理基本知识1.1材料力学基本知识材料的力学性能：材料在外力作用下所表现的一些性能。其可以通过力学性能试验测定。力学性能（机械性能）指标主要包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性以及弹性、疲劳强度等第1章金属材料.热处理基本知识1.1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，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。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。承压类特种设备金属材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、冲击韧度等。这些性能指标可以通过力学性能试验测定。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.1应力与应变内力：材料内部各部分之间相互作用的力。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。应变：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变称为应变。第1章金属材料.热处理基本知识强度：是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。（是金属材料抵抗永久变形和断裂的力学性能指标）可以用拉伸曲线来说明。拉伸曲线分为4个阶段：弹性阶段：直线、弹性极限σe、服从虎克定律屈服阶段：塑性变形、屈服强度σs、晶格滑移强化阶段：加工硬化、抗拉强度σb，颈缩阶段：变细、颈缩第1章金属材料.热处理基本知识拉伸曲线第1章金属材料.热处理基本知识拉伸曲线第1章金属材料.热处理基本知识拉伸曲线分为4个阶段：弹性阶段：直线、弹性极限σe、服从虎克定律屈服阶段：塑性变形、屈服强度σs、晶格滑移强化阶段：加工硬化、抗拉强度σb，颈缩阶段：变细、颈缩第1章金属材料.热处理基本知识抗拉强度Rm，屈服强度（ReH、ReL）是评价材料强度性能的两个主要指标。抗拉强度σb（Rm）屈服强度σs（Rel）一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形，所以机械设计中应采用ReH、ReL（σs）作为强度指标，并加上适当的安全系数。但由于抗拉强度Rm测定较方便，数据也较准确，所以机械设计中也经常采用Rm，但需使用较大的安全系数。第1章金属材料.热处理基本知识安全系数（碳素钢及低合金钢等）：一般机械设计：ns＝1.5~2.0nb＝2.0~5.0锅炉：ns＝1.5nb＝2.7压力容器：ns＝1.5nb＝2.7(TSGR0004)压力管道：ns＝1.6nb＝3.0第1章金属材料.热处理基本知识1.1.3塑性塑性：是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。伸长率δ；断面收缩率ф（通常用拉伸试验来确定！）塑性大,有较大的安全性，但带来浪费；强度越高，通常塑性变形能力越差。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.4硬度硬度：是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。（是衡量金属软硬的力学性能指标）硬度高，一般强度也高，耐磨性较好一般与强度有一定的关系，可以通过测试硬度来估算材料强度。低碳钢：σb＝0.36HB高碳钢：σb＝0.34HB调质合金钢：σb＝0.325HB第1章金属材料.热处理基本知识硬度指标：布氏硬度HB：压痕大,用于硬度较低的材料洛氏硬度HR：压痕小，应用广泛维氏硬度HV：压痕很小，测表面硬度里氏硬度HL：里氏硬度计体积小，重量轻，操作简便，在任何方向上均可测试，所以特别适合不能使用试验室内静态力硬度计的现场使用。可方便转换，应用广泛。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.5冲击韧度冲击韧性：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。冲击吸收功Ak（通常用冲击试验来确定！）第1章金属材料.热处理基本知识1.1.6有关材料方面的进一步知识1.有关应力的进一步知识（1）应力的种类除了上面所说的属于正应力范畴的拉应力和压应力外，承压类特种设备的应力分析中还会遇到其它不同种类的应力，例如剪切应力，弯曲应力，交变应力等。实际受压元件往往受到几种应力的共同作用。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.6有关材料方面的进一步知识（2）应力集中的概念在承压类特种设备中，构件横截面尺寸发生突变往往是缺陷引起的，这些缺陷统称为缺口，例如表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度与缺口大小有关，同时与缺口的尖锐程度有关，缺口越尖锐，即缺口根部曲率半径越小，应力集中系数就越大。在各种缺陷形成的缺口中，以裂纹的根部曲率半径最小，所以裂纹引起的应力集中最为严重。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.6有关材料方面的进一步知识（3）承压类特种设备壳体的工作应力对圆筒形容器，经向应力等于轴向应力。近似以平均直径D代替内径Di，当外径和内力平衡时，应力的大小与压力p和容器直径D成正比，与容器壁厚成反比；轴向应力是切向应力的一半，即对圆筒形容器来说，环焊缝受力只是纵焊缝的一半；而对球形容器来说，不存在切向应力，只是经向应力，因此在相同的压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器大约可减少一半。第1章金属材料.热处理基本知识1.1.6有关材料方面的进一步知识（3）承压类特种设备壳体的工作应力实际工作状态下的容器，其壳体中的应力是比较复杂的，除了由内压引起的总体薄膜应力外，还存在其它应力，例如由于形状变化，壁厚改变，结构不连续引起的局部附加拉应力，压应力，弯曲应力；由于缺陷或缺口引起的峰值应力；由于冷变形和焊接等加工过程留下的残余应力；以及运行状态下温度变化产生的热应力。这些应力可通过一些分析计算方法求得，或通过一些物理方法测定。第1章金属材料.热处理基本知识1.2金属学与热处理基本知识1.2.1金属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。凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。内部原子呈规则排列的物质称为晶体。晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。第1章金属材料.热处理基本知识金属的明显特征：所有固体金属都是晶体；金属具有良好的导电、导热性；金属具有特有的颜色和光泽；金属具有塑性。第1章金属材料.热处理基本知识常见的晶体结构：体心立方晶格:α-Fe,б-Fe(低碳钢、低合金钢)面心立方晶格：γ-Fe、Al(奥氏体钢等)密排六方晶格：Mg、Zn(石墨等)第1章金属材料.热处理基本知识晶胞的变形面越多，塑性越好，强度越低。塑性大强度高密排六方面心立方体心立方第1章金属材料.热处理基本知识实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，从而产生各种各样的缺陷。常见的晶格缺陷有空位、间隙原子、置代原子、位错等。晶格缺陷使材料的物理，化学性质发生改变，例如空位，间隙原子，置代原子的存在引起周围晶格畸变（图1-13晶粒位向晶界示意，图1-14），其结果使金属屈服点和抗拉强度增高，而位错的存在（图1-15）则使金属容易塑性变形，强度降低。晶格缺陷：（空位、间隙原子、置代原子、位错等）使材料等物理、化学性质发生改变。图1-13晶粒位向晶界示意图图1-14空位及间隙原子引起畸变图1-15刃型位错第1章金属材料.热处理基本知识结晶过程：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，即原子由不规则状态过渡到规则状态的过程。第1章金属材料.热处理基本知识合金：通过冶炼、烧结或其他方法将一种金属元素同一种或者几种其他元素结合在一起并形成一种具有金属特性的新物质称为合金。第1章金属材料.热处理基本知识1.2.2铁碳合金的基本组织钢和铸铁统称为铁碳合金钢：含C0.02％~2％铸铁：含C大于2％含碳量对钢铁的力学性质有决定性的影响。第1章金属材料.热处理基本知识基本概念A1线：冷却时，奥氏体向珠光体转变的开始温度线；A3线：冷却时，奥氏体向铁素体转变的开始温度线；ACm线：冷却时，奥氏体向渗碳体转变的开始温度线；加热时：AC1线、AC3线、ACCm线冷却时：Ar1线、Ar3线、ArCm线第1章金属材料.热处理基本知识共析钢：含碳量等于0.77％（Fe-C相图S点对应）过共析钢：含碳量大于0.77％亚共析钢：含碳量小于0.77％（常用钢）（焊接结构压力容器用低碳钢的含碳量一般不大于0.25%！）第1章金属材料.热处理基本知识含碳量为0.77％的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100％珠光体，称为共析钢。含碳量大于0.77％的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P＋渗碳体Fe3C；含碳量小于0.77％的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F＋珠光体P。低碳钢是亚共析钢，所以在缓慢冷却条件下，低碳钢的正常组织是铁素体F＋珠光体P。碳含量越低，组织中的铁素体的含量就越多，塑性和韧性也就越好，但强度和硬度却随之降低。第1章金属材料.热处理基本知识1.2.4承压类特种设备用钢常见金相组织和性能1.奥氏体A[Fe（C）]2.铁素体F[Fe（C）]3.渗碳体[Fe3C]4.珠光体P5.马氏体M6.其它组织第1章金属材料.热处理基本知识奥氏体A：碳溶于γ-Fe中的固溶体。奥氏体仅存在于727℃以上的高温范围（对铁碳合金）；不具备铁磁性第1章金属材料.热处理基本知识铁素体F：碳溶于α-Fe或б-Fe中的固溶体。强度、硬度不高，F含量越多塑性韧性越好；770°C以下具有铁磁性固溶体：组成合金的两种或两种以上元素，相互溶解形成单一均匀的物质。分为：置换固溶体、间隙固溶体第1章金属材料.热处理基本知识渗碳体Fe3C：铁和碳的金属化合物，含碳量6.67%；硬度很高，塑性韧性几乎为零，脆性极大。217℃以下具有铁磁性第1章金属材料.热处理基本知识珠光体P：层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物；硬度和强度较高，塑性也较好；按片间距大—小分为：珠光体P（×500，190~230HB）、索氏体S（×1000，240~320HB）、屈氏体T（×10000，330~400HB）、在球化退火或高温回火后，渗碳体以颗粒状分布，形成粒状珠光体。第1章金属材料.热处理基本知识马氏体M：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。低温下结构不稳定硬度很高、很脆、冲击韧性低，断面收缩率几乎为零调质处理后的回