32加工工艺对材料性能的影响.ppt

浙江大学承压设备研究室,,,*,过程设备设计,浙江大学承压设备研究室,,,*,过程设备设计,3. 压力容器用材以及环境和,,时间对其材料性能的影响,3.2 压力容器制造工艺,,对钢材性能的影响,MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME,,ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS,1,,压力容器制造,冷、热加工,焊接组对,热处理（必要时）,2,,3.2.1 塑性变形,材料在载荷下的变形,弹性变形,塑性变形或永久变形,加工：使材料或物体发生变形,加工：使物体或材料发生预定的永久性变形的行为3,,一、应变硬化,二、热加工和冷加工中的性能变化,三、各向异性,四、应变时效,材料在塑性变形中内部性能的变化：,4,,一、应变硬化,见应力-应变曲线图,,从该曲线可以看到，从d 卸载后，d′g表示消失了的弹性变形而od′表示不再消失的塑性变形卸载后，在短时间内再次加载，则应力应变关系按照dd′变化，到了d 以后，按照def变化到d以前材料都是弹性的，以后才出现塑性变形相当于形成了新的材料曲线。

比较，可见在第2次加载时，其比例极限提高了，但塑性变形和延伸率却有所减低，表明，在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低这种现象称为冷做硬化加工硬化、应变硬化）——材料力学,,冷做硬化经退火，可消失加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低,(难易变形，发生屈服的应力水平更高了),材料屈服后应力应变曲线呈上升趋势,5,,热加工或热变形:,在材料再结晶温度以上进行的（塑性）加工,热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象特点,在材料再结晶温度以下进行的（塑性）加工,冷加工或冷变形,:,特点,冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏二、冷加工和热加工,从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度6,,▲,钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化7,,三、各向异性,非金属夹杂物,热加工,呈纤维状,金属材料力学性能产生方向性,a、平行纤维组织方向的,,塑性和韧性提高，,,,b、垂直方向的塑性和韧性降低,,,c、变形越大，性能差异越明显,因势利导：,纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。

压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力,,与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直纤维组织,金属再结晶,,带状组织,第二相合金,8,,四、应变时效,经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时,,间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度,,提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效9,,发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化应变时效危害,降低应变时效的措施,一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性,10,,3.2.2 焊接※,焊接是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节,焊接方法,：,熔焊 （压力容器制造中应用最广）,压焊,钎焊,熔焊机理：,形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体,焊接接头加热至熔化,融化的母材,填充金属,熔池,冷却结晶后,11,,一、焊接接头的组织和性能,二、焊接应力与变形,三、减少焊接应力和变形的措施,四、焊接接头常见缺陷,五、焊接接头检查,12,,一、焊接接头的组织和性能,焊接接头组成,焊缝,熔合区,热影响区,1、焊缝,◇,由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。

◇,因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能13,,2、熔合区,焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域组织：,熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性,塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一,性能：,14,,3、热影响区,是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域组织及性能,在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同15,,以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：,过热区：,对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢，常在此区产生裂纹,正火区：,焊接接头中组织和性能最好的区域,部分正火区：,力学性能不均匀,淬火、退火、正火、回火、调质处理？？,16,,二、焊接应力与变形,焊接,焊接件产生温度梯度,接头组织和性能的不均匀,焊接应力和应变,焊接应力和变形,分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形焊接残余应力,焊后残留在焊件内的焊接应力,17,,焊接残余应力的危害：,焊接残余应力,它是没有外载荷作用时,,就存在的应力,焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。

变形过大会因无法矫形而报废,焊接变形的危害,局部区域应力过高，使结构承载能力,,下降，引起裂纹，甚至导致结构失效,与外载荷产生的应力叠加,18,,平板对接焊缝焊接残余应力分布见图3-1所示由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高19,,三、减少焊接应力和变形的措施,如：,,＊尽量减少焊接接头数量,,＊相邻焊缝间应保持足够的间距,,＊尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝,,＊焊缝不要布置在高应力区,,＊焊前预热等等,,＊当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除,,焊接残余应力设计,焊接工艺,20,,四、焊接接头常见缺陷,常见焊接缺陷,21,,a、裂纹,形成：,在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙特点：,它具有尖锐的裂端和大的长宽比位置：,裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区22,,危害：,裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。

根据裂纹的形成条件、,,时间和温度的不同，,,焊接裂纹一般可分为,热裂纹,冷裂纹,再热裂纹,层状撕裂,应力腐蚀裂纹,23,,b、夹渣,残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣,因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的危害：,c、未焊透,焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透危害：,它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏24,,d、未熔合,对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷危害：,e、焊瘤,是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积危害：,易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷25,,f、气孔,气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴危害：,它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小g、咬边,沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边危害：,它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。

26,,五、焊接接头检查,破坏性检查,非破坏性检查,外观检查,密封性检验,无损检测,直观检验,量具检验,射线透照检测,超声检测,表面检测,磁粉检测,渗透检测,涡流检测,测内部缺陷,测表面和近表面缺陷,设计中要给出相应,,的检测方法,（用水、气、油等）,27,,3.2.3 热处理,改善综合性能热处理,压力容器制造中的热处理,焊后消除应力热处理,固溶处理,稳定化处理,28,,一、焊后消除应力热处理,目的,：,尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，,,改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能应用,：,◇当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力,,腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理◇,由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一,,般不进行热处理,对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，,,很难使整个截面上的性能尽可能均匀，,,此时应精心设计热处理工艺并严格执行29,,二、改善综合性能热处理,1、固溶处理,,将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为,固溶处理,。

目的,：,提高合金的韧性和抗腐蚀性,30,,例如，含钛或铌的奥氏体不锈钢在850～900,℃,温度范围内加热适当时间，使钛或铌以碳化物的形式析出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力2、稳定化处理：,目的：,稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化31,,讨论题,,,工程上应从哪些方面来确保焊接质量？,32,,。