壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響

1、1,3. 壓力容器用材以及環(huán)境和 時間對其材料性能的影響,3.2 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響,MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS,2,壓力容器制造,3,3.2.1 塑性變形,材料在載荷下的變形,,彈性變形,塑性變形或永久變形,加工：使材料或

2、物體發(fā)生變形,加工：使物體或材料發(fā)生預(yù)定的永久性變形的行為。,4,,一、應(yīng)變硬化,二、熱加工和冷加工中的性能變化,三、各向異性,四、應(yīng)變時效,材料在塑性變形中內(nèi)部性能的變化：,5,一、應(yīng)變硬化,見應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖,,從該曲線可以看到，從d 卸載后，d′g表示消失了的彈性變形而od′表示不再消失的塑性變形。卸載后，在短時間內(nèi)再次加載，則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系按照dd′變化，到了d 以后，按照def變化。到d以前材料都是彈性的，以后才出現(xiàn)塑性變形。

3、相當(dāng)于形成了新的材料曲線。比較，可見在第2次加載時，其比例極限提高了，但塑性變形和延伸率卻有所減低，表明，在常溫下把材料拉伸到塑性變形，然后卸載，當(dāng)再次加載時，將使材料的比例極限提高，而塑性減低。這種現(xiàn)象稱為冷做硬化。（加工硬化、應(yīng)變硬化）——材料力學(xué)冷做硬化經(jīng)退火，可消失。,加工硬化可提高材料的抗變形能力，但塑性降低(難易變形，發(fā)生屈服的應(yīng)力水平更高了),材料屈服后應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上升趨勢,6,二、冷加工和熱加工,從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來區(qū)分

4、，冷、熱加工的分界線是金屬的再結(jié)晶溫度。,7,▲鋼板沖壓成各種封頭后，由于塑性變形，厚度會發(fā)生變化。 例如，鋼板沖壓成半球形封頭后，底部變薄，邊緣增厚。 在壓力容器設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意這種厚度的變化。,8,三、各向異性,非金屬夾雜物,因勢利導(dǎo)：纖維組織的穩(wěn)定性高，不能用熱處理方法加以消除。 壓力容器設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能使零件在工作時產(chǎn)生的最大正應(yīng)力 與

5、纖維方向重合，最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。,9,四、應(yīng)變時效,經(jīng)冷加工塑性變形的碳素鋼、低合金鋼，在室溫下停留較長時間，或在較高溫度下停留一定時間后，會出現(xiàn)屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變時效。,10,發(fā)生應(yīng)變時效的鋼材，不但沖擊吸收功大幅度下降，而且韌脆轉(zhuǎn)變溫度大幅度上升，表現(xiàn)出常溫下的脆化。,應(yīng)變時效危害,降低應(yīng)變時效的措施,一般認(rèn)為，合金元素中，碳、氮增加鋼的應(yīng)變時效敏感性。減少碳、氮含量，加入鋁、鈦、釩

6、等元素，使它們與碳、氮形成穩(wěn)定化合物，可顯著減弱鋼的應(yīng)變時效敏感性。,11,3.2.2 焊接※,焊接是壓力容器制造過程的重要環(huán)節(jié)和質(zhì)量必須得到保證的環(huán)節(jié),焊接方法：,熔焊機(jī)理：,12,,一、焊接接頭的組織和性能,二、焊接應(yīng)力與變形,三、減少焊接應(yīng)力和變形的措施,四、焊接接頭常見缺陷,五、焊接接頭檢查,13,一、焊接接頭的組織和性能,焊接接頭組成,14,2、熔合區(qū),焊接接頭中，焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。,組織：,熔合區(qū)的加熱溫度在合金的固

7、相和液相線之間，其化學(xué)成分和組織性能有很大的不均勻性,塑性差、強(qiáng)度低、脆性大、易產(chǎn)生焊接裂紋，是焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)之一,性能：,15,3、熱影響區(qū),是焊縫兩側(cè)母材因焊接熱作用（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。,組織及性能,在熱影響區(qū)內(nèi)，各處離開焊縫金屬距離不同，材料被加熱和冷卻速度也不同，從而形成了多種金相組織區(qū)，使其力學(xué)性能也不同。,16,以低碳鋼為例加以說明熱影響區(qū)的各個金相組織區(qū)：,,過熱區(qū)：對于焊接剛度大的結(jié)構(gòu)

8、或含碳量高的易淬火鋼，常在此區(qū)產(chǎn)生裂紋,正火區(qū)：焊接接頭中組織和性能最好的區(qū)域,部分正火區(qū)：力學(xué)性能不均勻,,淬火、退火、正火、回火、調(diào)質(zhì)處理？？,17,二、焊接應(yīng)力與變形,焊接,18,焊接殘余應(yīng)力的危害：,焊接殘余應(yīng)力,它是沒有外載荷作用時就存在的應(yīng)力,,19,平板對接焊縫焊接殘余應(yīng)力分布見圖3-1所示。,由于焊縫和近焊縫區(qū)的熱變形受到約束，會產(chǎn)生焊接殘余變形。如果在焊接過程中，焊件能較自由伸縮，則：焊后的變形較大而焊接應(yīng)力??；反之

9、，變形小，焊接應(yīng)力大。,此外，焊接前壓力容器成形不符合要求，例如筒體的不圓度，也會產(chǎn)生焊接裝配應(yīng)力，使局部區(qū)域應(yīng)力升高。,20,三、減少焊接應(yīng)力和變形的措施,如：＊盡量減少焊接接頭數(shù)量＊相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距＊盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫＊焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)＊焊前預(yù)熱等等＊當(dāng)焊接造成的殘余應(yīng)力會影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行時，還需設(shè)法消除 焊接殘余應(yīng)力。,,設(shè)計(jì),焊接工藝,21,四、焊接接頭常見缺陷,常見焊接缺陷,2

10、2,a、裂紋,形成：,在焊接應(yīng)力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的縫隙。,特點(diǎn)：,它具有尖銳的裂端和大的長寬比。,位置：,裂紋多數(shù)發(fā)生在焊縫中，也有的產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)。,23,危害：,裂紋是焊接接頭中最危險(xiǎn)的缺陷，壓力容器的破壞事故多數(shù)是由裂紋引起的。,24,b、夾渣,殘留在焊縫金屬中的熔渣稱為夾渣。,因夾渣的幾何形狀不規(guī)則，存在棱角或尖角，易造成應(yīng)力集中，它往往是裂紋的起源，過長和密集的夾渣

11、是不允許存在的。,危害：,c、未焊透,焊接接頭根部未完全熔透而留下空隙的現(xiàn)象稱為未焊透。,危害：,它減少了焊縫的有效承載面積，在根部處產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易引起裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。,25,d、未熔合,對于厚截面結(jié)構(gòu)，熔焊時需要多道焊接。焊道與母材之間，或焊道與焊道之間，未能完全熔化結(jié)合的部分稱為未熔合。,它類似于裂紋，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是危險(xiǎn)缺陷。,危害：,易造成應(yīng)力集中，并在下面伴隨著未熔合、未焊透等缺陷。,26,f、氣孔,氣孔是焊接過程中

12、，熔池金屬中的氣體在金屬凝固時未來得及逸出，而在焊縫金屬中殘留下來所形成的孔穴。,危害：,它在一定程度上減少了焊縫的承載面積，但由于沒有尖銳的邊緣，危害性相對較小。,27,,設(shè)計(jì)中要給出相應(yīng)的檢測方法,,（用水、氣、油等）,28,3.2.3 熱處理,改善綜合性能熱處理,壓力容器制造中的熱處理,焊后消除應(yīng)力熱處理,,,29,一、焊后消除應(yīng)力熱處理,目的：,盡量消除因塑性變形加工、鍛造、焊接等引起的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑性和韌性，恢

13、復(fù)因冷作和時效而劣化的力學(xué)性能。,應(yīng)用：,對于壓力容器中經(jīng)常遇到的厚截面鋼板或鍛件，很難使整個截面上的性能盡可能均勻，此時應(yīng)精心設(shè)計(jì)熱處理工藝并嚴(yán)格執(zhí)行。,30,二、改善綜合性能熱處理,1、固溶處理,將合金加熱到一定溫度并保持足夠長時間,使過剩相充分溶解到固溶體中,然后在水中或空氣中快速冷卻,以抑制這些被溶物質(zhì)重新析出,從而得到在室溫下的過飽和固溶體的工藝，稱為固溶處理。,31,例如，含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼在850～900℃溫度范圍