【正文】 與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度愈快，過冷度愈大。 金屬的結(jié)晶過程示意圖過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。因此，一切提高金屬變形抗力的因素均能提高金屬的強(qiáng)度。金屬的強(qiáng)度指標(biāo)Re（）、Rm（）是代表金屬在一定變形過程中對塑性變形的抵抗能力。金屬主體原子中存在的另類原子稱為雜質(zhì)，雜質(zhì)和晶體中的原子排列錯(cuò)誤統(tǒng)稱為“缺陷”，包括點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷四類。(3) 密排六方晶格強(qiáng)度低且塑性韌性差，一般不用作結(jié)構(gòu)材料。3. 密排六方晶格，屬于此類的金屬有Mg，Zn，—Ti等。2. 面心立方晶格，其晶胞也是一個(gè)立方體，除各節(jié)點(diǎn)處排列著原子外，在立方體每個(gè)面的中心也排列著原子。常見的晶體結(jié)構(gòu)有：1. 體心立方晶格，其晶胞是一個(gè)立方體，原子排列于立方體的各節(jié)點(diǎn)上和立方體的中心。而內(nèi)部原子呈不規(guī)則排列的物質(zhì)稱為非晶體，所有固態(tài)金屬都是晶體。根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式不同，可將物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。蠕變破壞一般都有明顯的塑性變形，其變形量的大小取決于材料的塑性。這種塑性變形經(jīng)過長時(shí)間的積累，最終會(huì)導(dǎo)致材料破壞——蠕變破壞。蠕變——金屬材料在一定的高溫環(huán)境下，即使應(yīng)力低于屈服極限，材料也能發(fā)生緩慢的塑性變形。例如脆性斷面率為50％所對應(yīng)的溫度記為FATT50?？赏ㄟ^斷口形貌法來確定材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度：由于溫度下降時(shí)，試樣斷口上結(jié)晶區(qū)面積增大，纖維區(qū)面積減小，根據(jù)兩者相對面積的變化來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。對于高溫條件下工作的受壓設(shè)備，例如鍋筒、集箱、高溫反應(yīng)容器、換熱器、超高壓反應(yīng)釜等，所用的材料雖然在運(yùn)行狀態(tài)下塑性性能較好，但在室溫下進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)仍有可能引起脆性破壞，這也屬于冷脆問題。所謂冷脆性是指金屬材料在低溫下呈現(xiàn)韌性降低，脆性增大的現(xiàn)象。脆性斷裂具有快速擴(kuò)展特點(diǎn)，所以是最危險(xiǎn)的失效形式。不了解和不注意塑性材料使用不當(dāng)時(shí)可能會(huì)發(fā)生脆性破壞，這對壓力容器的安全是極為不利的。 用于制作鍋爐壓力容器受壓元件所用的鋼材在常溫靜載條件下一般都有較好的塑性和韌性，工程上習(xí)慣稱之為塑性材料。兩者的數(shù)值不能換算。我國鍋爐壓力容器用鋼規(guī)定采用夏比V型缺口沖擊試樣，其沖擊吸收功為Akv。由于不同的沖擊試樣在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力狀況各不相同，在破壞時(shí)所消耗的能量也不一樣，因此沖擊吸收功值也不同。Ak或ak的值越大，材料的韌性越好。擺錘沖斷帶有缺口的試樣所消耗的功（即試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功）稱為沖擊吸收功，用Ak表示；沖擊試樣缺口底部單位橫截面上的沖擊吸收功稱為沖擊韌度。 （）沖擊韌度很大程度上反映鋼的冶金質(zhì)量和成品熱處理的質(zhì)量，是材料強(qiáng)度（Re、Rm ）與塑性（A、Z）的綜合反映。（10）鍋爐、壓力容器、壓力管道的主要附件，例如螺栓、螺母等，當(dāng)材質(zhì)不清或熱處理狀態(tài)不明時(shí)，可通過測定硬度加以判斷。（9）在應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的壓力容器，在制造或在用檢驗(yàn)中應(yīng)進(jìn)行硬度檢測，以判斷應(yīng)力腐蝕傾向。在用檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)部位進(jìn)行硬度測定。（7）鍋爐、壓力容器、壓力管道在高溫下長期使用后，有可能引起滲碳、滲氮、硫化、釩化及石墨化等現(xiàn)象。（6）壓力容器使用過程中，由于壓力、溫度、介質(zhì)等工況條件的影響，會(huì)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。例如現(xiàn)場組焊的壓力容器，整體熱處理后焊縫金屬和熱影響區(qū)的硬度值要求不大于母材的120%（碳素鋼）或125%（合金鋼）。例如用最高硬度法評價(jià)材料的焊接性和工藝的適用性時(shí)，要求16MnR的HV≤390；15MnVR的HV≤400（3）現(xiàn)場經(jīng)常通過檢測母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度，判斷焊接工藝執(zhí)行情況和焊接接頭質(zhì)量。正因?yàn)橛绊懖牧嫌捕鹊囊蛩剌^多，工程上硬度檢測的應(yīng)用也較多，鍋爐、壓力容器、壓力管道檢驗(yàn)中硬度檢測的應(yīng)用概括如下：（1）對于一般的碳素鋼、低合金鋼制壓力容器，當(dāng)材質(zhì)不清或有疑問時(shí)，可通過測定硬度，并根據(jù)硬度與強(qiáng)度的關(guān)系，近似求出材料的強(qiáng)度值。檢驗(yàn)中硬度檢測的應(yīng)用材料硬度值與其強(qiáng)度存在著一定的比例關(guān)系，對鋼鐵材料來說，；材料化學(xué)成分中，大多數(shù)合金元素都會(huì)使材料的硬度升高，其中碳對材料硬度的影響最直接，材料中的碳含量越大，其硬度越高，因此硬度試驗(yàn)有時(shí)用來判斷材料強(qiáng)度等級或鑒別材質(zhì)；材料中不同金相組織具有不同硬度，一般來說，馬氏體硬度高于珠光體，珠光體的硬度高于鐵素體，鐵素體的硬度高于奧氏體，故通過硬度值可大致了解材料的金相組織、以及材料在加工過程中的組織變化和熱處理效果。此外，硬度較高的材料，其耐磨性也較好。硬度與強(qiáng)度有一定的關(guān)系。彎曲程度一般用彎曲角度或彎芯直徑d對材料厚度a的比值來表示。冷彎試驗(yàn)用以考核材料彎曲變形的能力并且能使存在的缺陷顯示出來，在一定程度上模擬了壓力容器制造時(shí)卷板機(jī)的工藝情況，是鍋爐壓力容器用鋼材與焊接接頭力學(xué)性能考核的重要指標(biāo)。其中，（Su）為斷后最小橫截面積。其中，（Lu）為斷后標(biāo)距。（4）蠕變極限蠕變極限又稱蠕變強(qiáng)度，是指在規(guī)定溫度下，引起試樣在一定時(shí)間內(nèi)蠕變總伸長率或恒定蠕變速率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。常用符號為帶有一個(gè)或兩個(gè)指數(shù)來表示。 試樣拉伸時(shí)，在拉斷前所承受的最大載荷與試樣原始截面之比，稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度，用Rm（）表示。而最大力(Fm)是指試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力；對于無明顯屈服（連續(xù)屈服）的金屬材料，為試驗(yàn)期間的最大力。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Re取鋼材的下屈服點(diǎn)值（ReL）。材料在拉伸過程中，當(dāng)載荷達(dá)到某一值時(shí)，載荷不變而試樣仍繼續(xù)伸長的現(xiàn)象，稱為屈服。又區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。 ε= △L / L0 （無單位） 退火低碳鋼的拉伸曲線通過拉伸試驗(yàn)可以測得材料的彈性、強(qiáng)度、延伸率、加工硬化和韌性等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是材料的基本力學(xué)性能。（四）、鋼材的工藝性能應(yīng)力：單位面積上的作用力。，如抗蠕變性能、持久強(qiáng)度、瞬時(shí)強(qiáng)度和熱疲勞性等。（三）、鋼材的力學(xué)性能鋼材在一定的溫度條件和外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，稱為力學(xué)性能?？寡趸裕轰摬脑谝欢囟葪l件和外力作用下抵抗氧化的能力?！。ǘ?、鋼材的化學(xué)性能耐腐蝕性：鋼材抵抗周圍介質(zhì)腐蝕作用的能力。金屬材料的力學(xué)性能包括：1. 常溫下的強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等，例如屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度σS（）、抗拉強(qiáng)度σb、伸長率δ、斷面收縮率ψ、沖擊韌性Ak等；2. 特定條件下的力學(xué)性能，例如高溫強(qiáng)度、低溫沖擊韌性、疲勞極限、斷裂力學(xué)性能等。一、金屬材料力學(xué)性能概述金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)表征金屬抵抗各種損傷作用的能力大小，是金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。特種設(shè)備無損檢測人員培訓(xùn)（2013年07月）授課教師：田學(xué)軍 13014683076（管道檢驗(yàn)三所 所長） 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院第一章 金屬材料及熱處理基本知識金屬材料（金屬及合金）的性能包括：力學(xué)性能（也稱為機(jī)械性能）、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。合金：是由兩種或者兩種以上的金屬或者金屬與非金屬元素相互熔合而成的。它是判定金屬材料力學(xué)性能的依據(jù)，評定金屬材料質(zhì)量的判據(jù)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)選材和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。應(yīng)當(dāng)注意新的力學(xué)性能指標(biāo)表示方法：抗拉強(qiáng)度Rm上屈服強(qiáng)度（ReH）下屈服強(qiáng)度（ReL）斷后伸長率A斷面收縮率Z沖擊吸收功（AK）時(shí)效沖擊功室溫夏比沖擊吸收功Akv脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT（50％脆性斷口）二、鋼材的性能（一）、鋼材的物理性能鋼材的物理性能一般包括：密度ρ，比熱容Cp，熱導(dǎo)率λ，線膨脹系數(shù)a，彈性模量E，電阻率R等。不銹鋼具有相對優(yōu)良的耐腐蝕性能。耐熱鋼具有相對良好的抗氧化性，不銹鋼的抗氧化性更好。，如強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性等。，如低溫沖擊韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度等。 σ = F/S0 (單位: N/m2 or Pascal (Pa))應(yīng)變：單位長度上的變化量，用來描述塑性變形和彈性變形程度。金屬材料強(qiáng)度指標(biāo)：（1）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（GB/T2282002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》）定義：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。（1）上屈服強(qiáng)度（ReH），試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力；（2）下屈服強(qiáng)度（ReL），在屈服期間，不計(jì)初始瞬間效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力。材料開始發(fā)生屈服時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力，稱為屈服點(diǎn)（又稱屈服強(qiáng)度或屈服極限），用Re （ReH 、ReL）表示。（2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（GB/T2282002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》）定義：相應(yīng)最大力的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度（Rm）。應(yīng)力是指試驗(yàn)期間任一時(shí)刻的力除以試樣原始橫截面積之商。（3）持久極限持久極限又稱為持久強(qiáng)度，是指材料在規(guī)定溫度下，達(dá)到規(guī)定時(shí)間而不斷裂的最大應(yīng)力。例如，表示在試驗(yàn)溫度為700℃時(shí)，持久時(shí)間為1000h的應(yīng)力，即所謂高溫持久極限。金屬材料塑性指標(biāo)（1）斷后伸長率（延伸率） 斷后伸長率（GB/T2282002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》）定義：試樣拉斷后標(biāo)距的殘余伸長（Lu—Lo）與原始標(biāo)距（Lo）之比的百分率為斷后伸長率（A）。A＝（Lu—Lo）/ Lo ()（2）斷面收縮率 斷面收縮率（GB/T2282002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》）定義：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量（So—Su）與原始橫截面積（So）之比的百分率為斷面收縮率（Z）。Z＝（So—Su）/ So () （3）冷彎性能金屬材料在常溫下承受彎曲而不破裂的能力，稱為冷彎性能。出現(xiàn)裂紋前能承受的彎曲程度愈大，則材料的冷彎性能愈好。硬度是材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。一般情況下，硬度較高的材料其強(qiáng)度也較高，所以可以通過測試材料的硬度值來估算材料的強(qiáng)度。工程上常用的硬度試驗(yàn)方法有：布氏硬度 HB、洛氏硬度 HR、維氏硬度HV、肖氏硬度HS和里氏硬度HL。加工殘余應(yīng)力與焊接殘應(yīng)力的存在對材料的硬度也會(huì)產(chǎn)生影響，加工殘余應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力值越大，硬度越高。常用的一個(gè)換算公式：Re=（適用于母材）；另一公式為Rm≈（適用于HB≤175的材料）（2）鍋爐、壓力容器、壓力管道焊接性試驗(yàn)中檢測焊接接頭斷面的母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度，據(jù)此判斷材料的焊接性和工藝的適用性的方法稱最高硬度試驗(yàn)法。（4）鍋爐、壓力容器、壓力管道進(jìn)行局部或整體熱處理后，可通過對焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行硬度測定，檢查熱處理效果，判斷焊縫接頭的消除應(yīng)力情況。（5）低合金鋼制壓力容器焊接返修時(shí)，對返修部位進(jìn)行硬度測定，檢查返修補(bǔ)焊工藝的可行性及焊接質(zhì)量。在用檢驗(yàn)中，當(dāng)懷疑有脫碳時(shí)，應(yīng)對可疑部位進(jìn)行硬度測定。使材料的硬度改變。（8）高強(qiáng)度鋼壓力容器在用檢驗(yàn)中，應(yīng)進(jìn)行硬度檢測，了解焊接接頭是否有淬硬組織。例如，要求濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境中的碳鋼HB≤200；合金鋼HB≤235；液氨儲(chǔ)罐材料臨界硬度為HV210。(沖擊韌性)（AK） 沖擊吸收功是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時(shí)所消耗能量大小的特性，即沖擊試樣所吸收的功，其單位為焦耳（J）。沖擊韌度通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測定的。若試樣斷口處橫截面積為SN，則沖擊韌度＝Ak/SN，單位為J/cm2。沖擊吸收功與試樣的尺寸和缺口的形狀有關(guān)。試樣的缺口形式有夏比U形和夏比V形兩種，其沖擊韌度分別用Aku和Akv表示。而以前多用U型缺口，其沖擊吸收功為Aku。對鍋爐壓力容器用鋼來說，沖擊吸收功是衡量其裂紋擴(kuò)展阻力的重要指標(biāo)之一。但實(shí)際上，塑性很好的材料在一些不利的條件或環(huán)境下使用也會(huì)出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象，即發(fā)生脆化。由于材料的脆化單靠外觀檢查和無損檢測不能有效地發(fā)現(xiàn)，因此由脆性斷裂引起的事故往往具有突發(fā)性。鋼的冷脆性和低溫沖擊韌性鋼的冷脆是鍋爐壓力容器材料脆化最重要的類型。對于在低溫條件下工作的受壓元件，考慮鋼材冷脆性是選用鋼材種類的基本要求。為了避免發(fā)生破壞，在水壓試驗(yàn)時(shí)對不同材料規(guī)定了不同的最低水溫值。通常在脆性斷面率溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率（n）所對應(yīng)的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，用FATTn表示。脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT（50％脆性斷口）：在整個(gè)斷口面積中，呈韌性斷口和脆性斷口特征面積各占50%所對應(yīng)的溫度，即材料在低于該溫度以下時(shí)會(huì)發(fā)生脆裂。即：金屬材料長期處在一定的高溫環(huán)境下，隨著時(shí)間的增加，雖然力不增加但變形不斷增加的現(xiàn)象。碳素鋼和普通低合金鋼的蠕變溫度界限為350450℃。 三種典型晶胞示意圖a)體心立方晶胞 (b)面心立方晶胞 (c)密排六方晶胞物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。由基本單元按一定間隔重復(fù)，按規(guī)則的排列方式構(gòu)成的材料稱為晶體。在固態(tài)金屬中，晶體內(nèi)部原子的排列方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。屬于此類的金屬有—鐵（純鐵在溫度降至910℃以下時(shí)），—鐵（純鐵從液態(tài)開始凝固，在溫度降至1534～1390℃時(shí)），Cr，Mo、W、V，—Ti（β型鈦合金）等。屬于此類的金屬有—鐵（鐵在910～1390℃時(shí)），Al，Cu，Ni、鉛、金、銀等。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料具有不同特性:(1) 體心立方晶格的金屬均具有較低的強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)，而塑性、韌性很好，且具有冷脆性；(2) 面心立方晶格的金屬具有較好的塑性、韌性，沒有冷脆性。 實(shí)際晶體的原子排列并非完美無缺，由于種種原因使晶體的許多部位的原子排列受到破壞，從而產(chǎn)生各種各樣的缺陷。常見的晶格缺陷有空位、間隙原子、置代原子、位錯(cuò)等。金屬對塑性變形的抗力越大，表明金屬的強(qiáng)度越高。金屬及合金的基本強(qiáng)化方式：（1）固溶強(qiáng)化（2）應(yīng)變強(qiáng)化（3）晶粒細(xì)化（4）沉淀強(qiáng)化高溫的液態(tài)金屬冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程是一個(gè)結(jié)晶過程，即原子由不規(guī)則狀態(tài)（液態(tài)）過渡到規(guī)則狀態(tài)（固態(tài)）的過程。每一