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《金属材料基础知识》

第一部分 金属材料及热处理基本知识

一， 材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面：

1，使用性能 即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。

2，工艺性能 即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，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。

二，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，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。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。

承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。

1，强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。 2，塑性 材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。

伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度 L1---试件拉断后的长度

断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100%

A0----试件原来的截面积 A1---试件拉断后颈缩处的截面积

断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。

对必须承受

强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度 金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种

（1） 布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4） 里氏硬度HL

4，冲击韧性 指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。

三 金属学与热处理的基本知识

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。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：

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（1）体心立方晶格，如金属α-铁、δ—铁、β--Ti、Cr、V等。 （2）面心立方晶格，如金属α-铁、AI、Cu、Ni等。 （3）密排六方晶格，如金属Mg、Zn、γ--Ti 等。

实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，晶粒之间的界面称为晶界。晶界容易产生缺陷。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态，即原子由不规则状态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。 2，铁碳合金的基本组织

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，因为钢和铸铁的成分虽然复杂，但是基本上是铁和碳两种元素组成的。一般把含碳0.02%--2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。碳含量低，其性质是“强而韧”， 碳含量高，其性质是“弱而脆”， 铁碳合金Fe—FeC的金相结构有以下几种：（1）铁素体，（2）奥氏体，（3）渗碳体 承压类特种设备常用的碳素钢含碳量一般低于0.25%。 1，热处理的一般过程

热处理是将固态金属及合金按预定要求进行加热，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。在实际生产中，热处理过程是比较复杂的，但是其基本工艺过程是由加热，保温和冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，任何热处理过程都可以用温度-----时间曲线来说明。

2，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和性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。

（1） 退火----将钢件加热到适当温度，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。根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、消除应力退火等，承压类特种设备的消除应力退火处理主要指焊后热处理（PWHT），也有在焊接过程中间和冷变形加工后进行消除应力处理的，其目的主要是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化。

（2） 正火----将钢件加热到Ac3或Acm以上30—50℃，保温一定时间后在空

气中冷却的热处理工艺。正火的目的和退火基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低内应力，正火和退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，钢正火后的强度、硬度、韧性都比退火高。

（3） 淬火----将钢件加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转

变为马氏体的过程。材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其强度、硬度，这对于轴承、模具等工件是有用的，但是马氏体硬而脆，韧性差，内应力很大，容易产生裂纹，所以承压类特种设备材料和焊缝的组织一般不希望出现马氏体。

（4） 回火----将经过淬火的钢件加热到Ac1以下的适当温度，保温一定时间后，

然后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热处理工艺。回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可获得不同的强度、硬度、韧性，以满足所要求的力学性能。按回火温度的不同可将回火分为低温、中温、高温回火三种。

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四，承压类特种设备常用材料

承压类特种设备都是在承压状态下运行，材料要承受较大的工作应

力，有些还要同时承受高温和腐蚀介质的作用，工作条件恶劣，如果在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重损失，因此，对承压类特种设备的材料有一定的要求。

承压类特种设备常用材料很多，下面简单介绍 1，钢的分类和命名方法

国家标准GB/T3304—91《钢分类》中规定，钢的分类分为“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”。

按化学成份分类，钢可分为非合金钢，低合金钢，合金钢三大类。 A， 碳钢的分类和命名：

按含碳量分为： （1）低碳钢，C≤0.25%

（2）中碳钢，C=0.25%--0.6%

（3）高碳钢，C＞0.6%

按质量分为： （1）普通碳素钢，S≤0.050%，P≤0.045%

（2）优质碳素钢，S≤0.040%，P≤0.040%

（3）高级优质碳素钢，S≤0.030%，P≤0.035%

B，合金钢的分类和命名： 为了改善钢的性能，在钢中特意加入了除铁和碳以外的其它元素。这类钢

称为合金钢。

按合金元素的加入量分为： （1）低合金钢，合金总量不超过5%；

（2）中合金钢，合金总量5%--10%； （3）高合金钢，合金总量超过10%；

2，承压类特种设备常用碳素钢牌号

锅炉和压力容器常用的碳素钢牌号有Q235AF、Q235A、Q235B、Q235C、20g、20R等，压力管道常用的碳素钢牌号有10#、20#钢等，它们都是低碳钢，一般以热轧或正火状态供货，正常的金相组织为铁素体FC+珠光体P。碳是碳素钢中的主要合金元素，含碳量增加，钢的强度增加，但塑性、韧性降低，焊接性能变差，淬硬倾向变大，因此制作焊接结构的锅炉和压力容器所使用的碳素钢。含弹量一般不超过0.25%。 3，承压类特种设备常用合金钢牌号

锅炉用低合金钢牌号有16Mng、15MnVg 、18MnMoNbg等 压力容器用低合金钢牌号有16MnR、15MnVR、18MnMoNbR、07MnCrMoVR等

压力管道用低合金钢牌号有09MnV 、16Mn、12CrMo、12Cr1MoV等， 除此之外，锅炉和压力容器因为用途不同，还用到其它特殊材料，如低温容器要用低温用钢，高压锅炉用低合金钢耐热钢等等。 4，奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的种类有以Cr为主加元素的铁素体不锈钢（0Cr13，1Cr17等）和马氏体不锈钢（1Cr13，2Cr13等），以Cr、Ni为主加元素的奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9，00Cr18Ni10等），其中奥氏体不锈钢在压力容器中得道广泛应用。

奥氏体不锈钢的机械性能较好，屈服点低，塑性、韧性好，可做低温用钢和耐热钢，其常用牌号是1Cr18Ni9，它具有良好的化学稳定性。在氧化

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