工业锅炉用金属材料.docx

工业锅炉用金属材料课程基本要求1.了解金属材料基础知识2.掌握常用金属材料性能指标3.掌握金属材料分类及牌号4.熟悉金属材料热处理基本知识5.熟悉金属材料的腐蚀型式分类及特征6.掌握锅炉安全技术监察规程对锅炉材料的基本要求学习涉及相关标准：优质碳素结构钢GB/T699-2008锅炉和压力容器用钢板GB/T713-2014低中压锅炉用无缝钢管GB/T3087-2008锅炉安全技术监察规程主要内容：一、概述；二、金属材料基础知识；三、材料分类及牌号表示方法；四、金属材料热处理基本知识；五、锅炉常用材料；六、金属材料的腐蚀机理、分类、腐蚀特征第一章 概述1.1 金属和金属材料1.1.1 金属：是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、传热等性质的物质。1.1.2 金属材料：包括纯金属及其合金，是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。一般金属特性：（1）外观性能：金属光泽（即对可见光强烈反射）（2）使用性能：包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性等），力学性能（3）工艺性能：冷热加工性能：包括可铸造、可焊、可锻、可切削加工性等。1.2金属材料的使用金属材料的使用是古代文明和社会进步的重要标志。1.2.1 人类的文明进程是依据材料而划分的石器时代（距今260万年5000多年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）钢铁时代（资本主义大工业时期1800年）平粮台古城、登封王城岗都是中国新石器时代晚期龙山文化城址。分别位于今天河南省淮阳县和登封市的郊区，距今均有4600多年的历史，以上文物反映了当时社会已经掌握了金属铜的冶炼技术。司母戊鼎（商后期约公元前十四世纪至公元前十一世纪） 三门峡市虢国墓玉柄铁剑 -西周（前1046年前771年）剑柄是玉质，剑刃是铁质，剑柄和剑刃的连接处是绿淙石，这三种物质的结合在现在的冶铸技术中都不可能实现，可见古代劳动人民智慧之广。在西周时期，就已经有了冶铁技术，因为它的年代之早，所以它又被叫做“中华第一铁剑”。古荥汉代冶铁遗址-汉代（前202年220年）古荥冶铁遗址是目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址。反映了我国汉代冶金技术已达到最高的黑金属冶铸技术水平。2.2.2 钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家工业的发展，决定着一个国家的整体工业地位。钢铁工业一直受到每一个企图实现工业化的国家的重视，在国民经济的发展过程中处于十分重要的地位，钢铁产量成为衡量各国经济发展、工业化水平和国防实力的一个有代表性的实物指标。从工业革命开始，英国、美国、日本，都经历了一个钢铁工业快速发展和钢铁产量快速增长的过程。1996年，粗钢产量首次超过1亿吨，成为世界头号钢铁生产大国。2012年，中国粗钢产量为7.165亿吨，在全球钢材产量中从2011年45.4%上升到46.3%。据国家统计局的数据，2014年12月，全国钢材产量达9822万吨，同比增长6.4%，2014年全年钢材产量达11.26亿吨，与2013年相比，增长4.5%。1.3 金属材料及热处理（金属学）金属材料及热处理（金属学）是承压类特种设备从业人员包括承压类特种设备检验人员需要掌握的一门重要基础学科。金属学：是研究金属及其合金的组成、组织结构和性能之间的内在联系，以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用金属材料和为发展具有特定性能的金属材料而服务的一门应用科学。1.3.1 承压类特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造都与金属材料密切相关。锅炉蒸发量与用钢重量之间的关系：蒸发量（th）2610130220400用钢量（t）104011052090013001.3.2 承压类特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道检验与金属材料宏观性能和微观组织结构的实质及形成和变化规律有重要联系。热处理状态、材料的焊接性能、材料的使用性能、材料的高温持久性能、材料的耐腐蚀性能，都要求我们进一步学习金属材料方面的知识。第二章 金属材料基础知识2.1 晶体结构2.1.1 晶体与非晶体晶体的概念：所谓晶体就是由许多质点（质子、离子、分子）在三维空间呈规律性重复排列所构成的固体。已通过X射线证实，除非晶态合金（也称金属玻璃）外，所有的固态金属都呈晶体结构。固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类。晶体纯物质与非晶体纯物质的区别在于： 晶体中的质点（原子、离子或分子）在空间作有规则的排列，即相同的质点，在空间有周期性地重复出现，有固定熔点。晶体具有各向异性（包括它的物理性能，如塑性变形、导电、导热等）； 而非晶体内部的质点排列不规则，至多有些局部的所谓短程有序排列。2.1.2 晶体结构描述空间点阵：为了研究方便，把构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几何点，这些点在空间呈规律性重复排列，称空间点阵，点阵中每个阵点的周围环境相同。点阵参数：晶胞具有6个几何参数：即平行六面体中交于一点的三个棱边（a、b、c）及棱间夹角（a、b、g）晶格：为了便于研究晶体结构，假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种假想的格架在晶体学上就叫晶格。晶胞：空间点阵可看成是由一系列称作晶胞的平行六面体组成。晶胞是组成晶体的最小单元。晶格常数：晶胞的三条棱边长、称为晶格常数。原子半径：指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。致密度：金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数称为晶格的致密度或密排系数。晶体、晶格、晶胞示意图2.2 金属的晶体结构除了少数元素外，绝大多数金属皆为三种典型的晶体结构：1. 体心立方晶格2. 面心立方晶格3. 密排六方晶格2.2.1 体心立方晶格在体心立方晶格中，金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和立方体的中心。具有这类晶格的金属有Cr、Mo、W、V等。2.2.2 面心立方晶格在面心立方晶格中，金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和六个面的中心。具有这类晶格的金属有Al、Cu、Ni、Au、Ag、-Fe等。2.2.3 密排立方晶格在密排六方晶格中，金属原子分布在六方晶胞的十二个角顶上、上下底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里。具有这类晶格的金属有Mg、Zn等。2.2.4 多晶体结构实际金属多为多晶体（纯铁的多晶体结构），是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒：金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒。晶界：属于同一固相但位向不相同的晶粒之间的界面称为晶界。单晶体：内部晶格方位一致的单一晶粒晶体结构。晶界的重要特性：（1）晶界比晶粒容易被腐蚀；（2）晶界的熔点比晶粒低；（3）当金属内部发生相变时，晶界是优先成核的部位；（4）原子在晶界上扩散比晶粒内快；（5）晶界对晶粒的滑移变形起阻碍作用，晶界不易产生塑性变形；（6）晶界处容易聚集与晶粒元素不同的其他杂质元素的原子。2.2.5 合金的晶体结构2.2.5.1 合金合金：由金属与另一种（或几种）金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。例如：普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。组元：组成合金最基本的独立的物质。一般说來，组元是组成合金的元素。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。相：合金中结构性同、成分相同并以界面分开的均匀组成部分。合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所决定。按晶体特点可分为固溶体、金属化合物。组织：所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。各相仍保持自己原来的晶格；其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。2.2.5.2 合金的结构组织合金的结构组织可分为：固溶体；金属化合物；多种晶体的机械混合物。（1）固溶体：组成合金的组元在液态相互溶解，结晶时，以一组元为基体保持其原有的晶格类型，其它组元的原子均匀地分布在基体组元的晶格里，形成均匀一致的固体，此合金就称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，可分为：间隙固溶体；置换固溶体。置换式固溶体：溶剂晶格中部分结点上的原子被溶质原子置换。间隙式固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中。（铁素体：碳溶于Fe中的间隙固溶体。）固溶体的微观不均匀性：溶质原子分布宏观上是均匀的，微观上实际不均匀；固溶体的性质：和纯金属相比，由于溶质原子的溶入导致固溶体的点阵常数改变，产生固溶强化及力学性能、物理和化学性能产生了不同程度的变化。（2）金属化合物组成合金的各组元，按照一定的原子数量比，相互化合而成的一种完全不同于原组元晶格的固体物质，称为金属化合物，可用分子式表示。（3）机械混合物组成合金的组元既不是纯组元，也不是固溶体或化合物，而是两种或两种以上的纯组元、固溶体、化合物以弥散的混合物的形式组成在一起的固体物质，称为机械混合物。如：钢和铸铁中的珠光体，莱氏体。2.3.金属的结晶2.3.1 金属结晶的概念通常，物质由液态转变为固态的过程称为凝固。在一定的条件下，金属的三态可以互相转化。通常条件下凝固后的固态金属是晶体，所以又将金属晶体的凝固称为结晶，也称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固态的过程则称为二次结晶。2.3.2 金属结晶的过程金属结晶时不断在液体中形成一些微小的晶体，它们能成为核心逐渐生长，这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。结晶就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。2.3.3 金属的同素异构转变有些金属（如Fe、Mn、Ti等）具有两种或几种晶体结构。它们在不同的温度或压力范围内具有不同的晶体结构，故当条件变化时，会由一种结构转变为另一种结构，称为同素异构转变（又称多晶型转变）。同素异构转变通常需要在外界条件（温度、压力）改变时，引起金属晶型转变，才发生同素异构转变。如铁：低于912时，其结构为体心，称为a-Fe（纯Fe）；9121394，其结构为面心，称为g-Fe；13941538，其结构又为体心，称为d-Fe；同一种金属，若晶体结构不同，其材料性质会截然不同，如：白锡（b-Sn）为四方晶系晶体结构，塑性好；灰锡（a-Sn）为金刚石结构，性脆2.3.4 几种基本结晶转变形式（1）匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体（2）共晶转变：从液相中同时结晶出两种固相（共晶体）（3）共析转变：从一种固相中转变为两种固相（共析体）（4）包晶转变：由先结晶的固相与剩余的液相反应生成另一固相2.3.5 晶体的缺陷在实际晶体中，原子的排列不可能完全规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。金属晶体中虽有缺陷存在，从总的来看其结构仍然保持着规律性，仍可认为是接近完整的；即使在严重塑性变形的情况下，晶体中位置偏移很大的原子数目平均来说至多仅占总原子数的千分之一。晶体缺陷的分类，按几何形状不同晶体缺陷可分为四种：点缺陷；线缺陷；面缺陷；体缺陷。晶体缺陷直接影响金属材料的力学、物理性能。（1）点缺陷-也称零维缺陷，是晶体中的空位、间隙原子、杂质原子。过量点缺陷（空位）影响材料的电性能、力学性能和某些物理性能；对力学性能的影响包括：过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷等）能提高金属的屈服强度；对其他物理性能的影响包括：点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。（2）线缺陷（位错）-也称一维缺陷，是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错。局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。位错对金属的强度和断裂起着决定性的作用。此外，位错对金属的扩散、相变过程也有较大的影响。（3）面缺陷晶界和亚晶界局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。2.4 铁碳平衡图铁碳平衡图：它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。一般最常用的平衡图是二元系的平衡图。二元系的平衡图以纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。知道了合金的成分和温度，就可以在平衡图上找到相应的平衡状态下的组织，并可用杠杆定律求出两相区相的相对量。从平衡图上也可以知道一定成分的合金在加热和冷却过程中相的变化。2.4.1 铁碳合金的基本相与性能铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的金属材料。严格来说，铁碳平衡图应当是铁和石墨的平衡图。而我们应用最多的是含碳量6.67%以下的富铁部分平衡图，而且是铁和化合物Fe3C 的一种平衡图。因此，虽然铁碳平衡图有Fe C和Fe Fe3C两种，但由于含碳量高于6.67%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究Fe-Fe3C部分。但实际上都把Fe Fe3C系的平衡图称为铁碳平衡图。含碳量小于2.11%的铁碳合金状态图又称为钢的状态图。铁碳合金具有三个基本相：铁素体奥氏体渗碳体，但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金平衡组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。铁碳合金具有五种组织组成物：铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体，是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或者多相混合物。（1）铁素体：碳在a-Fe中的固溶体称铁素体， 用F 或a表示。碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。（2）奥氏体：碳在g-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 g 表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在A 区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。（3）渗碳体：即Fe3C， 含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低（sb35MPa），脆性大， 塑性几乎为零，Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3FeC（石墨），该反应对铸铁有重要意义。由于碳在a-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。（4）珠光体：共析反应的产物，是F与Fe3C片层相间的两相混合物，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。用符号“P”表示。（5）莱氏体：莱氏体是奧氏体与渗碳体的机械混合物，即碳的质量分数（含碳量）为4.3%的液态铁碳合金。在727以上是奧氏体和渗碳体的机械混合物，莱氏体称为高温莱氏体，用“Ld”表示;低于727则是珠光体和渗碳体机械混合物，称为低温莱氏体，用“Ld”表示。2.4.2 铁碳平衡图与结晶过程2.4.2.1 铁碳平衡图特征点特征线（1）液相线ACD，固相线AECF（2）两条水平线：ECF：共晶线LdFe3C共晶产物是A与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体， 用Ld表示。为蜂窝状， 以Fe3C为基，性能硬而脆。PSK：共析线 ，又称A1线gSFPFe3C共析转变的产物是 F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体P。（3）其它相线GSAF 固溶体转变线，GS又称A3 线。ES碳在-Fe中的固溶线。又称Ac m线。PQ碳在-Fe中的固溶线。4.2.1.3 相区（1） 单相区：L、A、F、Fe3C（2）两相区：LA、LFe3C、AFe3C 、AF、FFe3C（3）两个三相区：即ECF（LAFe3C）、PSK（AFFe3C）两条水平线2.4.2.2 铁碳合金的结晶过程1.铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：（1）工业纯铁（ C0.02%）；（2）钢（0.022.06%C）：亚共析钢（ C0.77%）；（3）白口铁（2.066.67%C）：亚共晶白口铁（C4.3%） 2 亚共析钢（0.020.77%C）结晶过程分析以亚共析钢作为范例。我们来讨论铁碳合金的结晶过程。所选择的亚共析钢为图中的铁碳合金。含碳量在0.100.50%范围内的亚共析钢，在冷凝至1493时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体（A）；而含碳量大于0.50%者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L中结晶出A。合金冷凝后得到A组织，继续冷至GS线（3点温度）时，便会发生A到 F的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，A的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723时，A的含碳量增为0.80%，故当合金冷至稍低于723时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为FP。必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是FP。各种亚共析钢组织的主要差别，在于其中的F与P的相对量和F的分布情况不同。凡含碳量距S点愈近的亚共析钢，其组织中含P量愈多而F量则愈少。含碳量大于0.5%的亚共析钢组织，其中F趋向于沿P边界呈网状分布。0.10%C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。 0.30%C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。 0.10%C、0.30%C的亚共析钢的显微组织。白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。可见，含碳量较高的0.30%C亚共析钢显微组织中，P所占面积较大2.4.3 铁碳平衡图的应用（1）内部组织鉴别（2）制定热加工工艺2.5 金属材料的性能指标金属材料的使用性能主要包括物理性能、工艺性能和力学性能。物理性能：是指材料的密度、比重、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。工艺性能：是指材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、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。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。当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。材料在外力作用下所出现的一些性能称为材料的力学性能。力学性能：是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特性。承压类特种设备材料的力学性能指标包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。这些性能指标都可以通过力学性能试验测定。最常用的力学性能试验方法是拉伸试验、硬度试验和冲击试验，所得到的力学性能指标，是评定材料的质量和工艺性能的重要依据。静力拉伸作用下可以测出金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下可以测出金属材料的韧性指标等。金属材料的力学规定值，称为金属材料的力学性能指标。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。强度指标：上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、抗拉强度Rm塑性指标：端面收缩率Z、断后伸长率A韧性指标：冲击功 Akv、单位为焦耳/ 厘米2（ J/cm2）、冲击值 kv2.5.1 强度2.5.1.1 强度的定义强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。2.5.1.2 强度的测定-拉伸试验强度判据是通过拉伸试验测定的。拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。（1）拉伸试样（GB6397）和拉伸试验机；（2）力伸长曲线（以低碳钢试样为例）（3）脆性材料的拉伸曲线（1）拉伸试样图中d0为试样的直径，L0为标距长度。按国家标准，拉伸试样有长试样（L010d0）和短试样（L05d0）两种。试验设备：工程上一般使用液压式万能材料试验机，进行材料的静力试验，主要用于各种金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验。（2） 力伸长曲线（3） 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。（4） 弹性阶段（5） 屈服阶段（6） 强化阶段（7） 颈缩阶段脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。力-伸长曲线的纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量L，单位为mm。oe：弹性变形阶段：试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。es：屈服阶段：不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷。sb：强化阶段：随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb：试样拉伸的最大载荷。bz：缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。（3）强度指标比例极限p：是应力和相对伸长成正比利的最大应力。拉伸曲线中Oe段,材料在不偏离应力与应变正比关系（虎克定律）条件下所能承受的最大应力。 材料在弹性阶段分成线弹性和非线弹性两个部分，线弹性阶段材料的应力与变形完全为直线关系，其应力最高点为比例极限。弹性极限e：是在不产生永久塑性变形的前提下，金属材料所能够承受的最大应力。屈服极限s（或0.2）：是在不增加载荷而试样变形增加的最小外力。在工程上规定，对于没有明显屈服点的材料（铸铁等），一般将试样发生0.2%的永久变形的应力作为屈服极限，并以0.2表示。强度极限Rm（b）：试样断裂前的最大载荷Fb与原始截面积S0之比，也称抗拉强度。2.5.2 塑性2.5.2.1 塑性的定义断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。常用伸长率和断面收缩率表示。2.5.2.2 塑性指标伸长率A（）：试样断裂后的伸长量与原始标距长度之比。断面收缩率Z（）：试样断裂后截面积最大收缩量与原始截面积S0之比。2.5.3 硬度2.5.3.1 硬度的定义：金属的硬度，是金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬程度的一种性能指标。硬度与强度有一定关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以通过测试硬度来估算材料强度。此外，硬度较高的材料耐磨性较好。2.5.3.2 硬度分类按照受力方式，硬度试验方法可分为压入法和刻划法。在压入法中，按照加力速度不同分为静态力试验法和动态力试验法。以静态力试验法应用最为普遍，如布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等，动态力试验法如肖氏硬度、里氏硬度（弹性回跳法）和锤击布氏硬度等。（1）布氏硬度HB布氏硬度试验是最常用的硬度试验方法之一，其特点是由于采用较大直径的球体压头，得到了面积较大的压痕，因而测量的硬度值比较稳定，精确度高，操作简单。试验原理：布氏硬度试验一般采用直径10毫米的球形钢压头，用一定的负荷（试验力）压入被测材料表面。如果试验材料很硬，则以碳化钨球压头代替钢压头。保持负荷一定时间后，卸除试验力，试样表面会留有压痕，测量试样表面留下的压痕之直径，计算出压痕面积。式中：F试验压力（N） S压痕表面积（mm2）布氏硬度示意图当压头为钢球时，用符号HBS表示，当压头为硬质合金时，用符号HBW表示。表示方法：符号HBS或HBW之前写硬度值，符号后面依次表示球体直径、试验力及试验力保持时间。例如：120HBS10/1000/30，表示直径为10mm的钢球，在9.807KN（1000Kgf）试验力作用下，保持30s，测试的布氏硬度值为120。试样的要求：按照GB/T 231.1试验方法中第6条规定1）试样表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。试样表面应能保证压痕直径的精确测量，建议表面粗糙度Ra1.6m。2）制备试样时，应使过热或过冷加工等因素对试样表面性能的影响减至最小。3）试样厚度至少应为压痕深度的8倍。试样最小厚度与压痕平均直径的关系见附录B，试验后，试样背部如出现可见变形，则表明试样太薄。试验设备布氏硬度计分为台式和携带式两种。布氏硬度计的结构应满足GB/T 231.22012硬度计的检验与校准的规定。试验设备的要求：按照GB/T 231.1中第5.1条规定，硬度计应符合GB/T 231.2的规定，能施加预定试验力或9.807N29.42KN范围的试验力。压头的要求：硬质合金压头应符合GB/T 231.2要求压痕测量装置的要求：压痕测量装置应符合GB/T 231.2的规定。（2）洛氏硬度HR洛氏硬度试验不是通过测量压痕面积来计算硬度值，而是采用测量压痕深度来显示材料的硬度。为满足从软到硬各种材料的硬度测定，按照压头种类和总试验力的大小组成三种洛氏硬度标度，分别用HRA,HRB,HRC表示。其中HRB使用的是钢球压头，用于测量非铁金属，退火或正火钢等；HRA和HRC使用锥角为1200的金刚石圆锥体，用于测量淬火钢，硬质合金，渗碳层等。洛氏硬度试验适用范围广，操作简便迅速，而且压痕较小，故在钢铁热处理质量检查中应用最多。由于试验力较小，压入深度较浅，准确性较布氏硬度稍差，另外不适用于测定组织粗大及不均匀的金属。洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。试验原理洛氏硬度试验是用标准型压头在先后两次对被试材料表面施加试验力（初试验力F0与总试验力F0+ F1），在试验力的作用下压头压入试样表面。在总试验力保持一定时间后，卸除主试验力F1，保留初始试验力F0的情况下测量压入深度，以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入深度之差（即所谓的残余压入深度）来表示硬度的高低，残余压入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。洛氏硬度的表示方法在洛氏硬度符号HR前为硬度值，在HR后面为使用的标尺。例如：50HRC，表示用C标尺，测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度示意图试样：应按GB/T 230.1-2009洛氏硬度试验第6条的要求6.1 除非产品或材料标准另有规定，试样表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂，试样的表面应能保证压痕深度的精确测量，建议试样的表面粗糙度Ra不大于1.6m。在做可能会粘结的活性金属的硬度试验时，例如钛，可以使用某种合适的油性介质（例如煤油）。使用的介质应在报告中注明。6.2 试样的制备应使受热或冷加工等因素对试样表面硬度的影响减至最小。尤其对于残余压痕深度浅的试样应特别注意。6.3 对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的10倍。对于用球形压头进行的试验，试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的15倍。除非可以证明使用较薄的试样对试验结果没有影响。试验设备：依据GB/T 230.1-2009第5条规定洛氏硬度计分台式和便携式两种。5.1 硬度计硬度计应能按GB/T 230.1-表1施加预定的试验力，并符合GB/T 230.2的要求。5.2 压头金刚石圆锥压头锥角为120，顶部曲率半径为0.2mm，并符合GB/T 230.2的要求。硬质合金球压头的直径为1.5875mm或3.175mm，并符合GB/T 230.2的要求。5.2 测量系统：应符合GB/T 230.2的规定。（3）里氏硬度 HL里氏硬度计是一种轻便的手提式硬度测量仪。便携式里氏硬度计依据里氏硬度测量原理，可以方便快捷地对多种金属材料进行测量，即刻显示硬度测量值的同时，可以在不同硬度制式间自由转换，性能稳定，价格较低。体积小，可以手握冲击装置直接对被测材料和工件进行硬度试验，是锅炉现场检验常用的检验工具。里氏硬度计试验原理用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲击头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。（利用电磁原理，感应与速度成正比的电压）。里氏硬度值以冲击体回弹速度与冲击速度之比再乘以1000来表示。计算公式：式中： HL里氏硬度值；VA冲头的冲击速度（m/s）；VR冲头的回弹速度（m/s）。里氏硬度值也是一个无量纲的值。里氏硬度的表示方法是在符号HL前面表示出硬度值，在HL后面注明所用硬度计型号。例如： 700HLD表示用D型硬度计测定的里氏硬度值为700。试样：应符合GB/T 17394 标准第5条的规定。5.1 本标准对试样的定义见 GB/T 10623-2008金属材料力学性能试验术语。5.2 在制备试样表面过程中，应尽量避免由于受热、冷加工等对试样表面硬度的影响。5.3 试样的试验面最好是平面，试验面应具有金属光泽，不应有氧化皮及其他污物，试样表面粗糙度应符合标准中表 2 的要求。5.4 试样必须具有足够的质量及刚性以保证在冲击过程中不产生位移或弹动，试样的质量应符合表 3 的规定。5.5 试样应具有足够的厚度，试样最小厚度应符合标准之表4规定。5.6 对于具有表面硬化层的试样，硬化层深度应符合表 5 规定。5.7 对于凹凸圆柱面及球面试样，其表面曲率半径应符合表6规定。对于表面为曲面的试样，应使用适当的支撑环，以保证冲击头冲击瞬间位置偏差在0.5mm之间。5.8 试样不应带有磁性。试验设备应符合GB/T 17394 标准第6条的规定。里氏硬度计由冲击装置和显示装置两部分组成。里氏硬度计除了定期检定外，一般在日常试验前，应对硬度计的显示装置、数字打印机、示值误差和重复性进行检查（可以在标准试块上进行测试检查）。对新购进和因故障修理后的硬度计，应根据检定规程全面进行检定。对冲击装置的要求：应符合GB/T 17394.2 标准第4.2条的规定。冲击头质量允许误差为0.03g；（教材0.2g）冲击头直径允许误差为0.06mm；（ 0.04mm）冲击头硬度1500HV1；冲击头的顶端表面应抛光、无缺陷，其表面粗糙度Rz0.4m；冲击装置应工作可靠，操作灵活，无卡住现象。对显示装置的要求GB/T 17394.2 标准第4.4.1条的规定：显示装置的显示应清晰、无显示缺陷，并与打印输出的硬度示值一致，在正常工作条件下，能连续稳定工作。5.4 韧性5.4.1 韧性的定义材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。韧性指标为冲击韧性值 ak冲击韧性值可通过冲击实验测得。5.4.2 冲击试验冲击试验的定义：用缺口或预裂纹的试样，测量试样吸收的势能来评价韧性的试验。冲击试验对材料的缺陷很敏感，能够灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料的质量，因此冲击试验是用来检验金属材料的冶炼、热加工、热处理工艺等有效的方法，主要用途是检验原材料缺陷，检查锻造、热处理缺陷和评定材料在不同温度下韧脆转化趋势等。韧性脆性转变：是金属材料随温度降低由韧性状态过渡到脆性状态致使冲击韧度急剧降低的现象。（1）金属冲击试验原理：冲击试验就是利用能量守恒定律，将具有一定形状和尺寸的带有V型或U型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断，以测定其冲击吸收功的一种试验方法。GB/T 229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法对冲击试验原理的描述如下所述。将规定尺寸的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量。根据试样的缺口形状不同，分为U型和V型，试样的冲击功分别用KU和KV表示。摆锤式冲击试验机（2）冲击试样GB/T 229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法第6条对试样有如下要求：6.1 一般要求：标准尺寸冲击试样长度为55mm，横截面为10mm10mm方形截面。在试样中间有V型或U型缺口。如试样不够制备标准尺寸试样，可使用宽度7.5mm、5mm或2.5m的小尺寸试样。试样表面粗糙度Ra应优于5m，端部除外。对于需要热处理的试验材料，应在最后精加工前进行热处理，除非已知两者顺序改变不导致性能的差别。6.2 缺口几何形状对缺口的制备应仔细，以保证缺口根部处没有影响吸收能的加工痕迹。缺口对称面应垂直于试样轴线。6.2.1 V型缺口应有45夹角，其深度为2mm，底部曲率半径为0.25mm。6.2.2 U型缺口深度为2mm或5mm（除非另有规定），底部曲率半径为1mm。6.3 试样尺寸及偏差规定的试样及缺口尺寸与偏差在图2和表2中示出。6.4 试样的制备试样样坯的切取应按相关产品标准或GB/T 2975的规定执行，试样制备过程应使由于过热或冷加工硬化而改变材料冲击性能的影响减至最小。（3）冲击试验的应用评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量。a.原材料中的缺陷，如夹渣、气孔、严重分层、偏析以及夹杂物等，将影响材质质量。冲击试验对组织或缺陷非常敏感，从而通过测定冲击吸收功及观察冲击断口可间接评定冶金缺陷存在的严重程度。b.锻造和热处理所造成的缺陷，如过热、过烧、白点、回火脆性、淬火及锻造裂纹、纤维组织各向异性等，通过冲击试验可用于控制加工工艺质量。评定材料在不同温度下的脆性转化趋势。a.系列冲击试验：将材料加工成一批尺寸和形状相同的冲击试样，分别在不同温度下进行冲击试验，测定冲击值（或冲击吸收功）随温度的变化，并作出其变化曲线，这种试验方法称为系列冲击试验。通过系列冲击试验测定的钢的脆性转化趋势。总的变化趋势是随着温度降低，冲击值降低，钢材由韧性断裂变为脆性断裂，这种转变称为冷脆转变，转变温度称为冷脆温度，这是中、低强度钢材中常出现的现象。5.5 金属材料的高温性能温度升高对力学性能都产生不利影响。温度升高后，弹性模量、屈服点、抗拉强度等都降低，特别是应变硬化指数降低较大。5.5.1 持久极限持久极限，又称持久强度，是指金属材料在给定温度下，经过规定时间使材料发生断裂的应力。常用符号为b带有一个或两个指数来表示。例如，表示在试验温度为700时，持久时间为1000小时的应力，即所谓高温持久强度。5.5.2 蠕变极限蠕变极限又称蠕变强度，一般有两种表示方法。（1）给定温度下,试样产生规定蠕变速度的应力值。（2）给定温度T下和在规定时间，试样产生一定蠕变变形量的应力值。式中为蠕变速度，T为温度，t为时间。蠕变极限是高温长时间载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。5.6 抗疲劳性能金属材料在重复或交变的应力作用下，可以经受无数周次的应力循环而不断裂的最大应力，称为疲劳极限，以-1表示。某些金属材料在重复或交变的应力作用下，没有明显的疲劳极限。因此，通常规定循环一定周次后断裂时所承受的最大应力，称为疲劳强度，也称条件疲劳极限，以N表示。此时，N称为材料的疲劳寿命。5.7 金属材料力学性能合格标准：（1）原材料及承压部件必须按合格证和质量证明进行质量验收，合格证或质量证明应标明材料牌号、化学成分、力学性能等，并符合国家标准。（2）中低压锅炉和高压锅炉用钢板和无缝钢管，分别符合以下标准：GB/T713-2014锅炉和压力容器用钢板；GB/T699-2008优质碳素结构钢；GB/T 8163-2008输送流体用无缝钢管；GB 3087-2008中低压锅炉用无缝钢管；GB5310-2008高压锅炉用钢管。TSG G0001-2012 锅炉安全技术监察规程2.1 基本要求锅炉受压元件金属材料、承载构件材料以及焊接材料应当符合有关国家标准和行业标准的要求，受压元件金属材料和焊接材料在使用条件下应当具有足够的强度、塑性和韧性以及良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。2.2 性能要求（1）锅炉受压元件和与受压元件焊接的承载构件钢材应当是镇静钢；（2）锅炉受压元件用钢材室温夏比冲击吸收能量（KV2）不低于27J；（3）锅炉受压元件用钢板的室温断后伸长率（A）应当不小于18%。第三章钢材的分类及牌号表示方法3.1.钢的定义钢材是钢锭、钢坯通过压力加工制成所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。是国家建设的重要物资，应用广泛、品种繁多，根据断面形状的不同、钢材一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类。含碳量从0.02到2.11%的铁碳合金称为钢。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。3.2.钢材的分类钢的分类方法多种多样，其主要方法有七种：（1）按品质分类；（2）按化学成份分类；（3）按成形方法分类；（4）按金相组织分类；（5）按用途分类；（6）综合分类；（7）按冶炼方法分类。3.2.1 按品质分类（1）普通钢（P0.045%，S0.050%）（2）优质钢（P、S均0.035%）（3）高级优质钢（P0.035%，S0.030%）3.2.2 按化学成份分类（1）碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。（2）合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）；b.中合金钢（合金元素总含量510%）；c.高合金钢（合金元素总含量10%）。3.2.3 按成形方法分类：（1）锻钢；（2）铸钢；（3）热轧钢；（4）冷拉钢。3.2.4 按金相组织分类（1）退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。（2） 正火状态的：（3） a.珠光体钢；（4） b.贝氏体钢；（5） c.马氏体钢；（6） d.奥氏体钢。（7） （3）无相变或部分发生相变的3.2.5 按用途分类（1）建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。（2）结构钢：a.机械制造用钢；b.弹簧钢c.轴承钢（3）工具钢（4）特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、 热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。（5）专业用钢：如锅炉、压力容器用钢、桥梁用钢、 船舶用钢、农机用钢等。3.2.6 综合分类（1）普通钢a.碳素结构钢：（a）Q195；（b）Q215（A、B）；（c）Q235（A、B、C）；（d）Q255（A、B）；（e）Q275。b.低合金结构钢c.特定用途的普通结构钢（2）优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：（a）优质碳素结构钢；（b）合金结构钢；（c）弹簧钢；（d）易切钢；（e）轴承钢；（f）特定用途优质结构钢。b.工具钢：（a）碳素工具钢；（b）合金工具钢；（c）高速工具钢。c.特殊性能钢：（a）不锈耐酸钢；（b）耐热钢；（c）电热合金钢；（d）电工用钢；（e）高锰耐磨钢。3.2.7 按冶炼方法分类（1）按炉种分a.平炉钢：（a）酸性平炉钢；（b）碱性平炉钢。b.转炉钢：（a）酸性转炉钢；（b）碱性转炉钢。c.电炉钢：（a）电弧炉钢；（b）电渣炉钢；（c）感应炉钢；（d）真空自耗炉钢；（e）电子 束炉钢。（2）按脱氧程度和浇注制度分a.沸