材料质量控制讲义

目录1材料基本知识1.1 金属材料的主要性能1.2影响金属材料性能的因素2 工业用钢2.1钢的分类2.2钢的编号3 压力容器的特点以及对材料的要求3.1压力容器的特点3.2对压力容器的基本要求3.3压力容器的选材要求3.4《固定式压力容器安全监察规程》对压力容器材料的要求3.5压力容器常用材料标准4 压力容器材料的管理与使用一、材料基本知识(一) 金属材料的主要性能1机械性能1)强度——金属抵抗永久变形和断裂的能力。

常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。

①屈服强度——当金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。

上屈服强度ReH、下屈服强度ReL。

②抗拉强度——试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力。

Rm2)塑性——断裂前材料发生不可逆永久变形能力。

常用的塑性判据是伸长率A和断面收缩率Z。

①伸长率——原始标距的伸长（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率。

断后伸长率A= [(Lu-Lo/ Lo)]×100% Lu-Lo为断后标距的残余伸长。

②断面收缩率——断裂后试样横断面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。

Z=[(So-Su）/ So] ×100%3)冷弯性能——用于衡量材料在室温时的塑性。

是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷，分面弯、背弯、侧弯三种。

4)韧性材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。

5)蠕变——在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。

①蠕变极限——在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。

②持久强度——在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂的持续时间的强度。

6)硬度：是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力，用来表示材料的坚硬程度。

常用的硬度测定方法有布氏硬度法（HB）、洛氏硬度法（HRC）、维氏硬度法（HV）、里氏硬度法（HLD）等。

2物理性能：密度、比重、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。

3化学性能：抗腐蚀性、抗氧化性；4 工艺性能：铸造性、焊接性、可锻性、切削加工性等；金属材料广泛应用于生产生活中，是由于其具有良好的机械性能、物理性能、化学性能，同时具有良好的工艺性能。

金属材料的各种性能是由其化学成份和其内部组织结构决定的。

(二)影响金属材料性能的因素化学成分、组织结构及加工工艺等的影响。

⑴含碳量C增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。

(2)其他合金元素：Mn增加可提高强度和硬度，强化元素。

Si提高强度. 硬度和弹性.Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。

V、Ti、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性及材料致密度。

Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。

（3）有害元素：P、S形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。

成分决定组织，组织决定性能，性能决定使用。

二工业用钢（一）钢的分类1、按用途分类按钢材的的用途可划分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类；结构钢用于制造各种机器零件及工程结构。

制造机器零件的钢还可以区分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。

工程结构钢分为甲类钢、乙类钢、特类钢及普通低合金钢。

工具钢按用途又分为刃具钢、模具钢和量具钢。

特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的钢，例不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁钢等。

2、按化学成分分类分类碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢分为：低碳钢含碳量≤0.25%。

中碳钢含碳量0.25~0.6%。

高碳钢含碳量＞0.6%。

合金钢分为：低合金钢合金含量≤5%。

中合金钢合金含量5~10%。

高合金钢合金含量＞10%。

4、按品质分类主要以钢中的硫、磷含量来区分，可分为：普通钢：含S≤0.055%，含P≤0.045%；优质钢：含S、P≤0.040%；高级优质钢：含S≤0.030%，含P≤0.035%；（二）钢的编号1、我国的钢材编号我国的钢材编号采用国际化学符号和汉语字母并用的原则即：①钢号中化学元素采用国际化学符号来表示，如Cr、Mo、V、Ni、Ti、W等，稀土元素用Re表示。

②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，用汉语拼音的缩写字母表示（见表5-1）。

（1）优质碳钢钢号用两位数字表示。

这两位数字表示含C量的万分之几，如45钢表示钢中平均含C量为0.45%。

含锰较高的钢，须将锰元素标出，如平均含C量为0.5%、含锰量为0.7~1.00%的钢，其钢号为50Mn。

沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号中特别标出，如“20g”表示平均含碳量为0.2%的锅炉用钢。

（2）合金结构钢钢号由三部分组成，即“数字+元素+数字”，前面的两位数字表示含C的万分之几，合金元素用化学符号表示，后面的数字为合金元素的含量，以百分之几表示。

当合金元素低于1.5%时，一般只标出元素不标含量，大于1.5%，须标出2、3、4，如36Mn2Si表示平均含C量为0.36%、锰1.5~1.8%、硅0.4~0.7%的钢。

（5）不锈钢与耐热钢不锈钢：钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18表示含C量为0.9%。

但含C量≤0.03%及≤0.08%者，在钢号前分别加“00”及“0”，如00Cr18Ni10、0Cr18等。

耐热钢：钢号前面的数字表示含碳量的万分之几，钢中主要合金元素以百分之几表示，如12Cr2Mo表示含C量为0.12%，含Cr量为2%。

三压力容器的特点以及对材料的要求(一) 压力容器的特点1 温度条件：从深冷到高温；2压力条件：从高真空到超高压；3质的危害程度：从空气到易燃易爆，从无毒介质到剧毒介质。

包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。

4载荷条件的特殊：压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；4 容器的大型化：当前压力容器向大容量、高参数发展；5 结构的多样性：压力容器材料的品种、规格繁多，可以分为卧式、立式容器、换热器、塔器、大型立式圆筒形贮槽、球罐、空冷器、废热锅炉，以上每一种类型设备因使用要求不同还可以有许多种不同具体结构形式。

（二）对压力容器的基本要求1满足使用要求承压类特种设备的结构型式、尺寸规格、使用条件（压力、温度、腐蚀介质）以及其他载荷条件是由设备在工艺装置中的功能要求决定的。

因此要求设备必须能满足生产条件下处理物料的功能要求，如：输送、传热、传质、分离、贮存等工艺要求。

2安全可靠确保设备安全使用的基本要求包括有设备的强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性。

1)满足强度要求。

保证设备本体材料应具有足够的强度外；保证受压元件以及焊接接头的强度要求；2)足够的刚度载荷作用下保证构件不致发生过大的变形；3)足够的稳定性就是保证在外载荷作用下，设备或构件不致突然失去原有形状。

4）耐蚀性合理选用材料，制定合理的制造工艺。

保证在操作条件和介质的不同腐蚀类型选用相适应的设备材料以及正确的加工制造方法以保证设备的长周期安全运行。

3合理的经济成本在压力容器安全可靠的前提下，还要做到经济合理。

（三）压力容器的选材要求压力容器作为一种焊接结构，运行条件苛刻，制造工艺也较为复杂。

其运行必须安全可靠，容器一旦破裂，后果极其严重。

因此，压力容器的可靠性与所选用钢材的性能有着密切的关系。

首先，压力容器用钢作为一种结构材料，必须具有足够的强度、塑性和韧性；其次，压力容器要经过各种成型工艺，所以，所用材料还应具有良好的热加工、冷加工和焊接性能。

此外，压力容器大多采用厚板制造，所用材料还应具有适应各种形式热处理的特性。

对于在腐蚀性介质下工作的压力容器，壳体及内件材料必须相应的耐腐蚀性和抗氢能力。

由此可见，为了保证压力容器安全可靠的运行，首先必须从材料着手，选用优质的钢材制造压力容器，满足技术条件规定的各项要求，如满足化学成分、力学性能、使用性能、无损检测等多方面的要求容器的选材的原则也是要满足工艺过程的要求、强度要求和制造工艺要求。

1满足工艺过程的要求1）材料对介质腐蚀性的抵抗能力，如一般碳钢难以达到在容器使用寿命内的抗腐蚀要求，必要时可以对介质具体性质选用高合金钢、有色金属或采用耐腐蚀衬里（包括高合金钢衬里、复合钢板或堆焊层、以及各类非金属材料衬里或镀层）材料。

2）工艺过程要求还包括该容器是否属于高温操作或低温操作，以选用相应的抗高温或耐低温材料。

对于有换热要求的容器，应尽肯能选用热导率较大的材料。

2 满足强度要求1）合理选用材料的强度级别。

满足强度要求并非指选用材料的强度级别越高越好，而是指选择使用的材料。

如果选用材料的强度级别低，只要相应增加容器元件厚度仍能满足强度要求；a高强度材料其焊接性能往往比较差，在焊接过程中发生种种缺陷的可能性比较大，其抵抗低循环疲劳性能、防脆断能力也比较差，在设计、制造中尤应注意避免剧烈的形状改变及种种原因引起的应力集中，因此，无原则的选用高强度材料会带来材料和制造成本的提高以及抗脆断能力的降低。

b较低强度的材料在满足强度要求同时，容器在运行中一旦发生意外，材料能产生一定适应能力，有足够的伸长率以使元件在局部屈服后发生塑性变形流动而使应力趋于均匀化，或操作者能及时发现容器的非正常现象（如法兰连接因变形过大引起的泄露，甚至在筒体或风头等部分能察觉得出的变形等端倪），以便及时采取紧急措施防止事故的进一步恶化。

材料的屈服比（ReL/Rm）也是能反映在事故起始阶段能否及时提醒操作者引起注意的一个重要指标。

3）适当的厚度满足强度要求在设计中常采用的措施是加大受载元件的厚度，要注意随着材料厚度的增加，对同材质的材料，在轧制过程中材料的紧密程度会相应降低，出现各种缺陷的可能性随之增加，因而其力学性能、许用应力值反会降低；此外，同材质的厚材其抗性能比薄材略差；在焊接工艺、焊后热处理要求等方面，同材质的厚材也比薄材要求高。

因此，在选择材料时要注意，在能选用薄材时不要无原则的选用厚材；在因强度需要等原因（例如，高压、超高压厚壁容器）而必须采用厚壁时，能够用多层薄壁组合为所需要尺寸的厚壁时尽量采用多层薄壁，以避免要求过高的制造工艺，也提高了容器在操作中的安全性。

对于高温操作，我国现行容器标准GB150《钢制压力容器》和有关的国外容器标准只规定了可用高温的相应材料或材料的最高允许使用温度，在设计、制造中除应按照该材料的力学性能指标和制造工艺外，不在提出其他特殊要求。

对于低温操作，由于材料的抗脆断性能不仅和材料的化学组成有关，而且和材料的厚度、所受的应力水平等因素有关，所以在低温容器选材时，应对这些因素做出综合评定。

我国现行容器标准GB150仍采用夏比V性缺口冲击功（CVN）作为衡量钢材能否适应低温操作以防止脆断的主要标准。