【正文】 特種設(shè)備檢測中 金屬材料分析的應(yīng)用 湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院 張希旺 特種設(shè)備檢測中 金屬材料分析的應(yīng)用 在特種設(shè)備檢驗檢測過程中，尤其是鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗最重要的內(nèi)容是對其的整體和局部進行一系列檢測和試驗，這些檢測和試驗的內(nèi)容包括：宏觀檢查、幾何尺寸測量、測厚、耐壓試驗、氣密試驗等，還有金屬材料分析方面的內(nèi)容， 包括：金相試驗、硬度試驗（現(xiàn)場硬度測定） 、化學(xué)元素分析、力學(xué)性能試驗、無損檢測等。 在檢驗檢測的過程中，需要針對設(shè)備狀況、現(xiàn)場條件、可能產(chǎn)生缺陷的性質(zhì)來正確地選擇檢測項目和方法，綜合各種的檢測和試驗結(jié)果，最終對鍋爐、壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備的安全性能作出全面、準(zhǔn)確的評價。 主要內(nèi)容 ? 一 .介紹金屬學(xué)基礎(chǔ)知識 ? 二 .特種設(shè)備檢測常用理化試驗方法 ? 三 .金屬部件主要失效形式 一、金屬學(xué)及熱處理基本知識 ? 金屬學(xué)基本概念 金屬學(xué)就是研究金屬和合金的性能與它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及影響金屬與合金組織和性能的因素的一門科學(xué)。 ? 鐵的幾種基本固態(tài)相 α 鐵、 β 鐵、 γ 鐵、 δ 鐵。 時間無磁有磁δγβα純鐵的冷卻曲線 ? 金屬材料的塑性變形及再結(jié)晶 加工硬化：金屬在塑性變形后，金屬的強度和硬度會升高，塑性和 韌性會降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（或冷作硬化）。 再結(jié)晶過程：當(dāng)溫度升高時，變形金屬的冷變形組織（被拉長的晶 粒）逐漸回復(fù)到原來的晶粒形狀，金屬性能恢復(fù)到原來 的性能的過程稱為再結(jié)晶過程。 ? 鋼中的幾種基本組織 鐵素體 ：碳和其它合金元素在 α 鐵中的固溶體稱為鐵素體。以 F表 示。 滲碳體 ：滲碳體是鐵和碳的化合物，或以化合物為基體的固溶體， 以 Fe3C表示。 奧氏體 ：奧氏體是碳和其它元素在 γ 鐵（面心立方晶格）中的固 溶體，以 A表示。 珠光體 ：珠光體是鐵素體和滲碳體以彼此相間片層狀排列的機械 混合物，以 P表示。 索氏體：索氏體即是片層較細的珠光體，以 S表示。 屈氏體（或托氏體）：屈氏體（或托氏體）即是片層極細的珠光 體，以 T表示。 貝氏體 ：貝氏體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，按照組織形式 和形成溫度不同，分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體 中鐵素體呈羽毛狀，羽毛之間分布有片裝和棒狀的滲碳 體。下貝氏體為針狀的鐵素體上分布有大量的滲碳體。 貝氏體中的鐵素體含有較多的（或過飽和的）碳，以 B表 示。 馬氏體 ：碳在鐵素體中的過飽和固溶體，以 M表示。 ? 鋼的熱處理 正火 :即是將鋼加熱到 Ac3 以上 30～ 50℃ ，在此溫度停留一段時間 后，將鋼在靜止空氣中冷卻的一種操作。 正火目的 ：① 、細化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能，并可作為某些鋼 （如 20G鍋爐管）的最終熱處理。 ② 、改善組織，以改善切削加工性能，并為淬火做組 織準(zhǔn)備。 淬火 ：即是把鋼加熱到臨界點（ Ac3 或 Ac1）以上某一溫度，并在 此溫度停留一段時間后，迅速冷卻，以得到不穩(wěn)定狀態(tài)組 織的一種操作。鋼在淬火后一般得到的是馬氏體組織，但 對高合金奧氏體鋼則淬火后為奧氏體組織。奧氏體鋼淬火 也被稱為固溶處理或水韌處理。 淬火目的：提高鋼的強度和硬度。 回火 ：即是將淬火后的鋼加熱到低于 Ac1的溫度 ，在此溫度停留 一段時間后冷卻的一種操作。 回火目的： ① 、得到較為穩(wěn)定的組織。 ② 、減小或完全消除鋼淬火后存在于鋼中的應(yīng)力，降 低淬火鋼的脆性，得到工件所需要的最后的性能。 常見的回火類型： ① 、低溫回火 回火溫度為 150～ 250 ℃ 。 目的：消除工件中的部分內(nèi)應(yīng)力，稍稍提高韌性，但仍使工 件保持著高的淬火硬度。 適用范圍：高碳鋼和合金鋼制造的刀具、量具等。 ② 、中溫回火 回火溫度為 350～ 480 ℃ 。 目的：使鋼具有較高的彈性和韌性。 適用范圍：常用于彈簧和熱沖模。 ③ 、高溫回火 回火溫度為 450～ 670 ℃ （對碳鋼或低合金鋼）或更高溫度 （對中、高合金鋼）。 目的：完全消除內(nèi)應(yīng)力，回火后有足夠的強度和良好的韌性。 適用范圍：廣泛用于電站主蒸汽管道焊口的焊后熱處理以及 結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理。 退火 ：鋼的退火可分為再結(jié)晶退火和退火兩種。 再結(jié)晶退火：即是將冷加工后的工件加熱到 Ac1以下溫度，使冷加 工后的不穩(wěn)定的變形組織變?yōu)榉€(wěn)定的組織狀態(tài)。這 種退火沒有相變發(fā)生。 常見的退火類型： ① 、 完全退火 完全退火是將鋼加熱到 Ac3以上，使鋼全部變成奧氏體的工 藝 。 目的：細化晶粒，改善鋼的力學(xué)性能或為淬火作組織準(zhǔn)備； 降低鋼的硬度以利于加工； 消除內(nèi)應(yīng)力。 適用范圍：亞共析鋼和共析鋼組織的碳鋼及合金鋼鑄件和鍛 件。如汽輪機氣缸 25鋼鑄件在鑄造后即采用完全 退火。 ② 、不完全退火 不完全退火與完全退火不同，其加熱溫度較低，為 Ac1＋ （ 20~30 ℃ ），在此溫度加熱保溫后緩慢冷卻。 目的：降低鋼的硬度，改善切削性能，并為淬火作組織準(zhǔn)備。 適用范圍：主要用于過共析鋼、合金工具鋼及軸承鋼。這些 鋼均是含碳量較高的鋼，在不完全退火的加熱溫 度下，其組織為奧氏體加二次滲碳體（對合金鋼 為碳化物）。之所以不采用完全退火工藝的原因 在于，如采用完全退火，鋼中所有含碳量均會溶 于奧氏體中，導(dǎo)致奧氏體含碳量的含碳量提高， 穩(wěn)定性加大。如要獲得均勻的退火組織，其冷卻 速度必須很慢。這樣將大為延長退火時間，對生 產(chǎn)不利。另外，對這些鋼采用不完全退火，可使 二次滲碳體易于成為球狀，對降低鋼的硬度并為 淬火組織準(zhǔn)備更為有利。 ③ 、擴散退火 擴散退火即是將鋼加熱到 很高的溫度，通常為 Ac3以上 200 ℃ 左右，保溫較長時間，然后緩慢冷卻。 目的：使鋼的成分均勻。 適用范圍：高合金鋼錠或鑄件。 ④ 、等溫退火