承压类特种设备无损检测相关知识讲座(I、II级)
《承压类特种设备无损检测相关知识讲座(I、II级)》由会员分享,可在线阅读,更多相关《承压类特种设备无损检测相关知识讲座(I、II级)(100页珍藏版)》请在装配图网上搜索。
承压类特种设备 无损检测相关知识讲座 (I、II级),二一六年七月 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 e、服从虎克定律 屈服阶段:塑性变形、屈服强度s、晶格滑移 强化阶段:加工硬化、抗拉强度b, 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 e、服从虎克定律 屈服阶段:塑性变形、屈服强度s、晶格滑移 强化阶段:加工硬化、抗拉强度b, 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b(Rm) 屈服强度s (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 (s )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 1.52.0 nb 2.05.0 锅 炉: ns 1.5 nb 2.7 压力容器: ns 1.5 nb 2.7 (TSGR0004) 压力管道: ns 1.6 nb 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; 断面收缩率 (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: b0.36 HB 高碳钢: b0.34 HB 调质合金钢: b0.325 HB,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。,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法 一、硬度简介: 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高,耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,2.洛氏硬度(HR) 当HB450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,分三种不同的标度来表示: HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法 3 维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。 注:洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C为三种不同的标准,称为标尺A、标尺B、标尺C。 洛氏硬度试验是现今所使用的几种普通压痕硬度试验之一,三种标尺的初始压力均为98.07N(合10kgf),最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头,然后加压至588.4N(合60kgf);标尺B使用的是直径为1.588mm(1/16英寸)的钢球作为压头,然后加压至980.7N(合100kgf);而标尺C使用与标尺A相同的球锥菱形作为压头,但加压后的力是1471N(合150kgf)。因此标尺B适用相对较软的材料,而标尺C适用较硬的材料。 实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。但各种材料的换算关系并不一致。,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法 二、硬度对照表: 根据德国标准DIN50150,以下是常用范围的钢材抗拉强度与维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度的对照表。 .,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验,生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。 实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,三、硬度換算公式 1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12 2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15 3.勃式硬度(BHN)= 洛克式硬度(HV) 4.洛式硬度(HRC)= 勃式硬度(BHN)/10-3 硬度測定範圍: HS100 HB500 HRC70 HV1300,【钢管知识】洛氏硬度、布氏硬度等硬度对照表和换算方法,利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度 在生产现场,由于受检测仪器的限制,经常使用布氏硬度计测量大型淬火件的硬度。如果想知道该工件的洛氏硬度值,通常的方法是,先测量出布氏硬度值,然后根据换算表,查出相对应的洛氏硬度值,这种方式显然有些繁琐。那么,能否根据布氏硬度计的压痕直径,直接计算出工件的洛氏硬度值呢?答案当然是肯定的。根据布氏硬度和洛氏硬度换算表,可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式:HRC =(479-100D)/4,其中D为10mm钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在0.5 -1范围内,该公式在现场用起来十分方便,您不妨试一试。,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,剪切应力作用在构件两侧面上的外力的合力是一对方向相反,作用线相距很近的横向集中力P,在这样的外力作用下,构件的变形特点是:以两力户间的横截面m-m为分界面,构件的两部分沿该面发生相对错动(图1-5)构件的这种变形形式称为剪切。截面m-m称为剪切面。截面的单位面积上剪力的大小,称为剪应力。,第1章 金属材料.热处理基本知识,弯曲应力作用在构件两端的外力的合力是一对大小相等,方向相反的力偶,则构件在力偶的作用下会发生弯曲。当承压类特种设备壳体的形状发生变化,或壁厚改变时,(例如筒体不直,截面不圆,接缝有错边,棱角,表面凹凸不平,以及不同壁厚的板相连接等),会在不连续处及其附近产生附加弯曲应力和剪应力。,第1章 金属材料.热处理基本知识,交变应力在工程中,有许多构件在工作时出现随时间而交替变化的应力,这种应力称为交变应力。,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 工程上常因需要而将构件制阶梯状的,或在构件上开槽,钻孔等,这就引起构件横截面尺寸的突变。这样的构件在轴向拉伸时,其横截面上的正应力不再均匀分布,而在局部有增大的现象(图1-8)。这种由于截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。应力集中的程度通常用最大局部应力与该截面上的名义应力之比来衡量,称为应力集中系数a。,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 (2)应力集中的概念,图1-8 有圆孔和槽的无限大的板拉伸时的应力集中,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 绝大多数承压类特种设备都承受内压, 内部压强会使壳体内产生拉应力,这一应力称为工作应力。 一般情况下用薄壁回转壳体的简化模型来计算承压类特种设备壳体的工作应力。在薄壁回转壳体中,只存在两向应力,即经向应力和切向应力,在内压作用下的应力大小可用截面法求得:,第1章 金属材料.热处理基本知识,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,1.1.6 有关材料方面的进一步知识 2.有关材料力学性能的进一步知识(III级内容) (1)弯曲试验 (2)屈强比的概念 (3)断裂韧度 (4)钢材的脆化 冷脆性 热脆性 氢脆 苛性脆化 应力腐蚀脆性断裂,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:-Fe,-Fe(低碳钢、低合金钢) 面心立方晶格:-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,基本概念: 组元:组成合金的最基本的独立的物质。 相:具有同一化学成分、同一结构并以界面相互分开的、均匀的组成部分。 系:相同或大致相同的组元以不同的结合比例而组成的一系列合金的集合。 组织:组成合金的各相在空间上的配置情况。 固态合金中的相可分为:固溶体、金属化合物,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C 0.022 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 相平衡:结晶或相变过程中各相之间的相对重量和相的浓度处于相对稳定而达到的一种能量平衡。 相图:温度为纵坐标、组元成分为横坐标,表明合金系中各合金在不同温度下的组成、以及相与相之间平衡关系的图形。 共晶反应:结晶过程中,从一种成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的过程。 共析反应:在冷却过程中,从一均匀一致的固相中同时析出两种成分和结构皆不相同的新固相的过程。 次生相:固相中析出的相结构有别于母相的小晶体。 偏析:结晶时形成的晶内化学成分不均匀的现象。,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%!),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AFe(C) 2.铁素体FFe(C) 3.渗碳体Fe3C 4.珠光体P 5.马氏体M 6.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-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-Fe 或-Fe 中的固溶体。 强度、硬度不高,F含量越多塑性韧性越好; 770C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(500,190230HB)、 索氏体S (1000,240320HB)、 屈氏体T (10000,330400HB)、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-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 调质处理后的回火低碳马氏体具有较高的强度和较好的韧性。,第1章 金属材料.热处理基本知识,其它组织还有: 贝氏体B: 魏氏组织: 带状组织: 相: 相:,第1章 金属材料.热处理基本知识,1.2.3热处理一般过程 热处理:是将固态金属及合金按预定的要求进行加热,保温和冷却,以改变其内部组织,从而获得所要求性能的一种工艺过程。(化学成分不变,内部组织要变!)由于钢是承压类特种设备制造中使用最广泛的金属材料,因此,本节只介绍钢的热处理。,第1章 金属材料.热处理基本知识,图1-20 热处理的基本工艺曲线,第1章 金属材料.热处理基本知识,1.2.3热处理一般过程 热处理:是将固态金属及合金按预定的要求进行加热,保温和冷却,以改变其内部组织,从而获得所要求性能的一种工艺过程。 (化学成分不变,内部组织要变!),第1章 金属材料.热处理基本知识,1.2.5 承压类特种设备常用热处理工艺 根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律,热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火、及化学热处理等(主要介绍与承压设备有关热处理工艺)。 1.退火: 将钢试件加热到适当温度,保温一定时间后缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 完全退火:AC3以上3050 不完全退火:AC1以上3050,第1章 金属材料.热处理基本知识,1.2.5常用热处理工艺 退火的目的主要是: 改善机械性能; 消除残余应力,稳定尺寸、防止变形和开裂; 细化晶粒,使金属的显微组织均匀化,改善组织,提高力学性能。,不当之处,敬请指正。 谢谢! 预祝通过!,- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 承压类 特种设备 无损 检测 相关 知识讲座 II
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
关于本文