无损检测金属材料相关知识

无损检测相关知识
一、正应力：方向垂直于截面的应力称为正应力，可以为拉应力和压应力。

安全系数：
二、n s：以R eh R eL作为强度指标时一般机械设计：1.5~2.0 锅炉压力容器：1.5
三、n b：以R m作为强度指标时一般机械设计：1.5~2.0 锅炉压力容器：2.7
四、冲击韧度：材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。

其大小取决于材料有无迅速塑性变形的能力。

冲击韧度较高的材料一般有较高的塑性，但塑性指标较高的料却不一定有较高的冲击韧度。

冲击韧度是对材料化学成分（影响最大）冶金质量组织状态内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标。

五、内部压强会使壳体内产生拉应力，这一应力称为工作应力。

应力的大小与压力p和容器直径D成正比，与容器壁厚δ成反比。

轴向应力是切向应力的一半，即对圆筒形容器，环缝受力只是纵缝的一半；对于球形容器来说，不存在切向应力，只是径向应力。

六、屈强比值越小，说明使用中安全裕度越大，钢的强度等级越高，期屈强比也越高。

七、断裂韧度K IC是材料的固有力学性能指标，与裂纹大小、形状、外加应力无关，主要取决于材料成分，内部组织和结构。

八、热脆：材料长时间停留在400~500℃后再冷却到室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的冲击韧度。

无损检测不能检出和判定热脆，一般采用冲击试验方法判断。

九、氢脆只发生在-100~150℃的温度范围内，温度低不利于氢的移动和聚集，温度高可以使氢从钢中逸出。

焊后保温及热处理可用来降低焊缝中的氢含量，是改善焊接接头力学性能的有效措施。

氢损伤：氢鼓泡肉眼可见、白点超声波可探、氢致表面裂缝磁粉或渗透可检测、氢腐蚀通过硬度或金相检测、无损检测不能检测和判定氢脆。

十、应力腐蚀：由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂。

裂纹发生在与腐蚀介质接触的表面，大尺寸的应力腐蚀肉眼可见，射线或超声也可检出，较细小的应力腐蚀裂纹需要通过磁粉或渗透才能发现，更微小的应力腐蚀裂缝则需要通过采用金相方法检验。

低合金钢应力腐蚀倾向比碳钢大，高强度级别低合金钢比低强度级别的应力腐蚀倾向大。

承压设备焊后整体消应力热处理，可大大降低应力腐蚀敏感性。

奥氏体不锈钢常见的应力腐蚀环境为：氯离子，使用双相不锈钢（铁素体+奥氏体）是解决奥氏体应力腐蚀较有效的办法。

十一、应力腐蚀环境：
碳钢、低合金钢：无水液氨、湿硫化氢、NaOH 、硝酸盐溶液、醋酸。

奥氏体不锈钢：氯离子、氢氧化物+水蒸气、湿硫化氢、碱液
含钼不锈钢：碱液、氯化物溶液、硫酸+硫酸铜水溶液
十二、
体心立方晶格：铬钨钒铌钽钼α-Fe β-Fe
面心立方晶格：铝铜金铅镍铂银γ-Fe
密排立方晶格：锌镁锆钙钴锰钛
十三、空位---置代原子---晶格畸变---屈服点和抗拉强度增高
错位---易塑性变形
十四Fe~Fe3C合金结构
1、铁素体：碳溶于α铁（低于910℃）δ铁（1390~1535℃）中的固溶体。

其溶碳能力极差，727℃时也仅有0.022%，强度和硬度不高，有良好的塑性和韧性，770度以下有磁性。

2、奥氏体：碳溶于γ铁中的固溶体用“A”表示，溶碳能力较大，最大可达2.11%（1148度），727度时溶碳量为0.77%。

奥氏体无磁性。

3、渗碳体：铁和碳的金属化合物，其含碳量为 6.67%，符号为Fe3C，硬度很高，塑性和韧性几乎为零，217℃下具有磁性。

珠光体P：片状的铁素体和渗碳体构成的机械混合物，强度和硬度较高，塑性也较好。

含碳量为0.77%的铁碳合金共析转变为100%的珠光体，称共析钢
含碳量大于0.77%的铁碳合金称为过共析钢,其组织为珠光体+渗碳体Fe3C
含碳量小于0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，其组织为铁素体+珠光体P
低碳钢是亚共析钢，碳含量越低，组织中的铁素体含量就越多，塑性和韧性就越好，但强度和硬度却随之降低。

十五：合金元素的影响：
扩大γ相区：锰镍碳氮铜
缩小γ相区：铬钼钛硅
十六：绝大多数（除钴以外）的合金元素能使C曲线右移，其后果是使淬火临界冷却速度减小，有利于提高零件的淬透性，对于不希望发生淬硬现象的工件来说是不利的。

合金元素的加入还能改变C曲线的形状。

亚共析钢C曲线相对于共析钢的C曲线左移，意味着，亚共析钢等温转变所需时间较短。

亚共析钢的转变组织的塑性、韧性相对较好，硬度相对较低。

十七、承压类物特种设备用钢常见金相组织和性能详见P18
1、奥氏体
2、铁素体
3、渗碳体
4、珠光体P
①粗片的珠光体：奥氏体在650至700℃高温分解产物，硬度为190~230HB，一般金相显微镜500倍以下能分
辨
②索氏体：奥氏体在600至650℃高温分解产物，硬度为240~320HB，高倍金相显微镜1000放大倍以下能分辨
③屈氏体：奥氏体在550至600℃高温分解产物，硬度为330~400HB，电子显微镜10000放大倍以下能分辨
5、贝氏组织：过冷的奥氏体在中温区间约250~450℃相变产生的过饱合的铁素体和渗碳体混合物。

接近珠光体形成
温度生成的是上贝氏体，300℃附近生成的是下贝氏体。

下贝氏体性能优于上贝氏体，有时甚至优于回火马氏体。

6、马氏体：240℃以下碳在α铁中的过饱和固溶体，亚稳定状态，有很高的硬度（640~760HB）,很脆，冲击韧性很
低，断面收缩和延伸率几乎为零，过饱和的碳使晶格畸变，比容比奥氏体大，产生了很大的相变应力。

含锰、铬、镍、钼等无素的低合金高强钢比调质处理后的金相组织为回火低碳马氏体，有较高的强度和较好的韧性。

7、魏氏组织：亚共析钢过热而形成，严重时会使钢的冲击韧性、断面收缩率下降，使钢变脆。

可用完全退火使之消
除。

8、带状组织：经热加工后的低碳钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织，各向异性，
降低钢的冲击韧性和断面收缩率。

9、δ相，铬镍不锈钢（特别是含有铌、钛的铬镍不锈钢）中存在的少量铁素体，可保证不锈钢焊缝不产生结晶裂纹，
降低晶间腐蚀及应力腐蚀倾向，还能提高强度，但超过8%进会使点蚀倾向增大。

10、σ相：550~900℃高温下经成年累月时间才逐渐形成，使刚的塑性和韧性显著下降，便材料性能恶化，与钢的成分，组织，加热温度，保温时间及预先变形等因素有关，在高铬和镍铬不锈钢中，含铬越高，越易形成σ相，冷变形也起着促进形成的作用。

热处理：
一、完全退火：加热到AC3以上30~50℃，保温后炉内缓冷，均匀组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性
能。

二、不完全退火：加热到AC1以上30~50℃，保温后缓冷。

降低硬度，改善切削加工性能，消除应力。

三、消除应力退火：加热到AC1以下100~200℃，对碳钢和低合金钢大致为500~650℃，缓慢冷却。

主要目的是
消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法的生的内应力。

四、正火：加热到AC3或ACm以上30~50℃，保持一定时间后在空气中冷却。

细化晶粒，均匀组织，降低内应力，
正火后的强度、硬度、韧性都较退火为高。

五、淬火：亚共析钢是加热到AC3以上30~50℃，过亚共析钢是加热到AC1以上30~50℃，适当保温后快冷，使
奥氏体转变为马氏体的过程，提高硬度和强度，如轴承模具等。

硬而脆，内应力大，易裂。

六、回火：把经淬火的钢加热到AC1以下适当温度，保持一定时间，用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以
获得所需组织和性能的工艺，降低内应力，提高韧性。

淬火后150~250℃温度内回火，为低温回火得回火马氏体用于高碳钢制工具、滚珠轴等
淬火后350~500℃温度内回火，为中温回火得回火索氏体用于模具、弹簧等
淬火后500~650℃温度内回火，为高温回火得回火屈氏体有一定的强度，又有较高的塑性和冲击韧性，即
有良好机械性能。

又称调质，许多齿轮、曲轴等需调质处理，特种设备的低合金高强度钢板也有采用调质处理的。

六、固溶处理：铬镍不锈钢加热到1050~1100度（碳在奥氏体中固溶），保温一定时间后快速冷却到427度以下，
（925~538度冷却时间小于3分钟）以获得均匀奥氏体组织。

硬度较低而韧性较好。

具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。

稳定化处理：含钛或铌的铬镍不锈钢，为了防止晶间腐蚀，须把钢中碳全部固定在碳化钛或碳化铌中。

方法是加热到850~900度保温足够长时间后快速冷却。

不锈钢种类：
铁素体不锈钢：0Cr13、1Cr17
马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13
奥氏体不锈钢：（以铬镍为主元素）如0Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10等。

奥氏体具有面心立方晶格特性，不出现低温脆性，还具有良好的耐高温性能，即可做低温钢，又可做耐热钢。

但具有加工硬化特性（主要原因是由于来稳定的奥氏体在塑性变形是开成马氏体），所以热处理不能用来强化奥氏体，采用冷加工方法可对其进行强化处理。

奥氏体不锈钢由于便用条件变化，存在晶间腐蚀、点蚀、及应力腐蚀断裂的问题
㈠、晶间腐蚀：一般认为在450~850℃的敏化温度范围内，碳从奥氏体中以碳化铬（Cr23C6）六碳二十三铬的形式沿晶界析出，使晶界附近的合金元素（铬与镍）的含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量12%以下，形成贫铬区，这个区间不能抵抗某些介质的侵蚀，称为晶间腐蚀。

防晶间腐蚀的方法：
②选用低碳、超低碳钢（含碳量<0.06 <0.03）,不易产生贪铬区。

②稳定化处理，加入Ti Nb 等稳定剂，进行稳定化处理，（850~900℃保温2小时以上），使碳全部固定在TiC(碳化钛)、NbC（碳化铌）中，然后快速冷却。

③固溶处理，把铬镍奥氏体不锈钢加热到1050~1100℃（碳在奥氏体中固溶），保温一定时间后快速冷却到427℃以下，（925~538度冷却时间小于3分钟）以获得均匀奥氏体组织。

硬度较低而韧性较好。

具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。

④开成双相组织(铁素体+奥氏体)，加入铁素体促成元素硅钼钛铝（Si Mo Ti Al），铁素体含铬高，补充快，5%以内，阻断腐蚀通路。

㈡、点蚀：介质中含有Cl−(氯离子)、Br−(溴离子)时，会使不锈钢产生点蚀。

㈢、应力腐蚀：使用双相不锈钢（铁素体+奥氏体）是解决奥氏体应力腐蚀的有效措施。

焊接合金钢、不锈钢时常选用直流电源，分正反接，工件接正极为正接。

焊接承压设备部件等重要结构时常选用低氢焊条以保证质量，这种焊条一般要求直流反接电源。

酸性焊条：氧化钛，氧化锰，氧化铁，氧化硅等酸性氧化物，焊缝金属氧氮含量高，力学性能差，难于脱硫脱磷，抗裂性差，酸性渣粘度增加缓慢，称长渣，但焊条工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水份不敏感，搞气孔能力强，用于一结构件。

碱性焊条：含碳酸钙、氟化钙、硅酸钙、碳酸镁等碱性氧化物，碱性渣流动性好，粘度增加快，称短渣，含氢量低，也叫低氢焊条，药皮中某些成分能有效的脱硫脱磷，抗裂性好，冲击韧性高，用于焊接重要结构，高压锅炉和压力容器、压力管道中，缺点是对油、水、锈等敏感，易产生气孔，电弧稳定性差，一般只用于直流电源施焊。

焊接规范：
焊接电流：电流大，熔深大，易咬边、烧穿、焊瘤
电流小，未焊透、夹渣
电弧电压：电压高，熔宽大
焊条直径：工件越薄，所用焊条越细
焊接速度：工件越薄，焊接速度应越大
焊接层数：根据实践经验决定，大约是钢材厚度与焊条直径的比值。

焊接成型系数：焊缝熔化宽度与熔化深度之比。

系数越小表示焊缝深而窄。

不熔化极氩弧焊，也叫钨极氩弧焊，熔化本体金属进行焊接，必要时也可另加填充焊丝。

熔化极气体保护焊（熔化极氩弧焊）
不易淬火钢（低碳钢和含合金元素很少的低合金钢）热影响区四个部分：熔合区过热区正火区部分相变区
易淬火钢（含碳量较高或含合金元素较多的高强钢、耐热钢等）热影响区四个部分：熔合区淬火区部分淬火区回火区
钢材的焊接性包括两个方面：
①工艺焊接性：指焊接接头出现各种裂纹的可能性，也称抗裂性。

②使用焊接性：指焊接接头在使用中的可靠性，包括力学性能（强度、塑性、韧性、硬度及抗裂纹扩展能力）和
其他特殊性能（如耐热、耐腐蚀、耐低温、抗疲劳、抗时效等）
热裂纹：一般是焊接完毕即出现，又称结晶裂纹，温度在A C3线附近，液态金属一次结晶时产生的裂纹，沿晶开裂，裂纹面上有氧化色，失去金属光泽。

通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料焊缝中。

热裂纹产生机理：焊缝金属在凝固过程中结晶偏析生成低熔点共晶物富集于晶界，形成“液态薄膜”，其强度极小，由于焊缝金属收缩而受到拉力开裂形成裂纹。

影响因素：
①合金元素和杂质的影响。

碳元素及硫、磷等杂质元素的增加会扩大敏感区温度，使结晶裂纹产生机会增多。

②冷却速度的影响，冷却速度增大，一是使结晶偏析加重，二是使结晶温度区间增大。

③结晶应力与拘束应力的影响。

在脆性温度区内，金属强度极低，焊接应力又使这部分金属受拉，当拉应力达到
一定程度时，就会出现结晶裂纹
防止热裂纹的措施：1、降低钢材和焊材的含碳量，减少硫、磷等有害元素的含量。

2、加入一定的合金元素，减小术状晶和偏析，如加入钼、钒、钛、铌等细化晶粒。

3、合理选用焊接规范，采用预热和后热，减小冷却速度。

4、合理的装配次序，减小焊接应力。

冷裂纹：低合金高强钢，焊缝冷至马氏体转变温度（200~300℃）以下产生的裂纹，在焊后几小时或几天后出现，又称延迟裂纹。

冷裂纹产生机理：含氢量和拉应力是冷裂纹（这里指氢致裂纹）产生的两个重要因素，因金属内有许多微观缺陷，在拉应力作用下，原子氢向高应力区（缺陷部位）扩散聚集，当氢聚集到一定的浓度时就会破坏金属中原子的结合键，出现一些微观裂纹，应力不断作用，氢不断聚集，微观裂纹不断扩展，直至发展为宏观裂纹，最后断裂。

当接头内氢的浓度小于临界含氢量，或所受的应力小于临界应力时，将不会产生冷裂纹。

所有的裂纹中，冷裂纹的危害最大！
冷裂纹特征：1、产生于低温度，且产生于焊后一段时间以后，故又称延迟裂纹；
2、主要产生于热影响区，也有发生在焊缝区的；
3、沿晶开裂、穿晶开裂或两者混合出现；
4、冷裂纹引起的构件破坏是典型的脆断。

除碳当量外，焊接接头含氢量和焊接接头的拘束度都对冷裂纹有很大影响
防止产生冷裂纹的措施：1、采用低氢型碱性焊条，严格烘干，随取随用。

2、提高预热温度，采用后热措施，并保证层间温度不小于预热温度，选择合理的焊接规范避免出现淬硬组织。

3、选择合理的焊接顺序，减少焊接变形和焊接应力。

4、焊后及时进行消氢处理。

再热裂纹：接头冷却后再加热到550~650℃时产生的裂纹，产生于沉淀强化的材料（如含铬、钼、钒、钛、铌元素的金属材料）的热影响区内的粗晶区，一般从熔合线向热影响区的粗晶区发展，呈晶间开裂特征。

产生机理：近缝区金属在高温热循环作用下，强化相碳化物沉积在晶内的位错区，使晶内强化大大高于晶界强化，这样由于应力松弛带来的塑性变形就主要由晶界承担，导致开裂。

再热裂纹防止措施：1、注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响；
2、合理预热或采用后热，控制冷却速度；
3、降低残余应力避免应力集中；
4、回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区，或缩短此温度区内的停留时间。

合金钢牌号规则：
第一部分第二部分元素符号表示合金元素高级优质合金钢尾部加A
一位数表示平均含碳量的千分比其平均含量小时1.5%时不标数字专门用途的尾部加用途代号
平均含碳量小于千分之一时用“0”其平均含量1.5%~2.49时标标“2”
平均含碳量小于万分之三时用“00”其平均含量2.5%~3.49时标标“3”
牌号首部分用数字表示碳含量：低合金钢用两位数表示含碳量的万分比
高合金钢、不锈钢用一位数表示含碳量的千分比
牌号第二部分用元素符号表明主要合金元素，含量由其后的数字表示平均量的百分比。

尾部加A表示优质钢
专门用途的钢加特殊代码。

16MnR：平均含碳量为0.16% 平均含锰量小于1.5%压力容器专用。

09MnNiDR：平均含碳量小于0.09% 平均含锰、镍量小于1.5%
1Cr18Ni9Ti:表示高合金钢，1表示平均含碳量小于0.1% （0表示含碳量小于0.06%，00表示含碳量小于0.03%）平均含铬量18%镍9% 钛小于1.5%
承压类特种设备焊接质量工艺措施：
一、预热：
焊接令却速度影响焊接接头热影响区的最高硬度，其中最关键是由AC3到Tmin（奥氏体最不稳定的温度）或Ms（马氏体开始转变的温度），温度区段的冷却速度，对低合金高强钢，大致在800℃~500℃，通过预热可显著降低在该范围的焊接冷却速度，从而减小淬硬倾向，有利于钢中的氢的逸出，是很好的降低冷裂倾向的措施。

1、对承压类特种设备一般预热温度为150~200℃，与施焊环境温度、钢种强度等级、坡口形式、焊接材料类
型、焊缝金属的含氢量有关，具体需要通过焊接性试验或经验公式确定。

二、焊接线能量
）是有益的，如埋弧焊和电渣焊，可增加高温停留时间，使
1、低合金钢焊接适当增大线能量（焊接电流X焊接电压
焊接速度
800℃~500℃的冷却时间t A增大，从而提高了接头的抗冷裂性。

2、但增大线能量必须注意奥氏体晶粒粗晶化，如控制不当形成粗大的马氏体是十分有害的。

①对于低合金低
温钢要求尽量采用小的线能量，盲目增大焊接线能量会导致焊缝和热影响区的韧性下降；②对于铬镍奥氏体不锈钢，过高的热输入会扩大近缝区的敏化温度区间并延长在高温的停留时间，最终导致接头热影响区的耐蚀性；③对于含铌稳定元素的铬镍不锈钢，高的热输入还可能导致热裂纹的形成。

即需要以较低的焊接电流和较高的焊接速度施焊。

三、多层多道焊
前一道对第二道起预热作用，后一道对前一道起后热作用，须控制层间温度及层间的时间间隔。

在降低预热温度的同时须缩短层间的时间间隔，保证前一层焊后不致于产生冷裂纹。

不过多层焊可能产生较大的角变形，根部应力集中程度将增大。

高的层间温度不适合于一切钢种，低温钢和铬镍奥氏体不锈钢的焊接都不希望层间温度高。

快速多道焊是低温钢焊接的重要原则之一。

快速多道焊有利于细化晶粒，提高焊缝韧性，在多道焊时，为了减小焊道过热，应尽可能降低层间温度，也就是尽可能不要连续施焊。

（450~800℃）危险温度范围停留时间过长易产生贪铬区。

四、紧急后热
在冷裂纹产生前及时进行加热处理，紧急后热温度一般是在300~600℃，可产生三个有利作用：减轻残余应力、改善组织降低淬硬性、减少扩散氢。

后热温度与碳当量有关，碳当量越大，后热的下限温度越高。

如果从排除扩散氢的角度考虑，对于奥氏体焊缝进行后热显然是没有必要的。

五、焊条烘烤和坡口清洁
对于酸性焊条，烘烤温度一般在200℃左右，而碱性焊条对氢的敏感性大，因此烘烤温度更高，碱性焊条烘烤温度一般要求350~450℃左右。

烘烤后的焊条应保温。