压力管道金属材料基本知识.doc

金属材料基本知识（一） 金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。作为材料工程师，有必要对影响材料性能的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。有关金属材料的基本知识将分两部分来介绍。本节作为第一部分将介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对金属材料性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容，而与制造有关的金属材料基本知识将在第九章中介绍。 一、金属的微观结构 金属是石油化工生产装置中最主要的应用材料，有人比喻说：“石油化工生产装置是用钢铁垒起来的”。此话一点都不过分。那么什么是金属呢？它与非金属相比，具有以下四个明显的特征：金属的固体是晶体；金属具有良好的导电、导热性；金属具有特有的颜色和光泽；金属具有塑性。同时具有上述四种特征的材料才是金属，只具有上述一种或两种特性的材料不一定是金属。 （一）钝金属的微观结构钝金属在工程上用的很少，大多数用的是其合金材料。为了便于理解，还是首先从钝金属说起。上面已经提到，固体的金属都是晶体，而晶体的最大特点就是其原子按一定的规律整齐排列着。不妨用假想的几何联线将原子的中心线连起来，形成一个空间几何格子，并称之为晶格，见图3-1所示。构成晶格的最小单元叫做晶胞，晶胞各边的尺寸（x，y，z）叫做晶格常数。根据晶格常数及原子的配置位置不同，可将晶胞分成以下常见的三种型式：即体心立方晶胞、面心立方晶胞和密排六方晶胞，见图3-2所示。其中，体心立方晶胞为x=y=z的正方体，每个节点和体心内各置一个原子。配属于该晶胞的原子数为（1/8）x8+1=2个。属于此类晶格结构的金属有-铁 图31 金属的晶格 （-Fe）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）等；面心立方晶胞也为x=y=z的正方体，但它除每个节点各有一个原子外，其六个面上还各置一个原子。配属于该晶胞的原子数为(1/8)x8+(1/2)6=4个。属于此类晶格结构的金 属有铝（Al）、铜（Cu）、 （a）体心立方晶胞 （b）面心立方晶胞 （c）密排六方晶胞镍（Ni）、铅（Pb）、r-铁 图32 晶胞结构（r-Fe）、银（Ag）等；密排六方晶胞的y/x1.633，其配属该晶胞的原子数为（1/4）x12+（1/2）x2+3=6个。属于此类晶格结构的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。不同晶格型式的金属，其机械性能是不同的。我们知道，金属的强度表现为金属原子间的金属健结合。也就是说，金属原子（实为离子）周围的自由电子穿梭于各原子之间，它不再为某个原子所拥有，而是为相邻的所有原子共有，各原子正是靠这些自由电子将它们紧紧地“粘”在一起（通常称这种结合为金属健结合），从而使金属具有了较高的强度。如果相邻原子较远，其自由电子的“粘结力”将降低。从上面讲到的三种晶胞型式看，由于其各个几何面上的原子数及原子间的距离不同，故各几何面上的原子结合力是不同的，这就是通常所说的晶体具有“各向异性”的原因。 金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位（业内人士称其为位错）或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生“粘结”，此时就说金属发生了塑性变形。如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。对单晶体来说，晶格的变形（拉伸或扭转）或移位（位错或滑移等）总是优先在原子结合力较小的面间进行，或者是沿原子密度最大的几何面（称为晶面）发生。对于每种晶胞来说，这种面越多，晶体变形越容易，表现出来的金属塑性越好。因为密排六方晶胞的变形面较多，面心立方晶胞次之，体心立方晶胞最少，故具有体心立方晶胞结构的金属强度最高，面心晶胞次之，密排六方晶胞则最低。 众所周知，工程上应用的金属材料并没有呈现各向异性的性能。这是因为实际的金属材料通常并不是一个单一的晶体，而是由无数个晶格取向各不相同的小晶体所组成。每个小晶体的外形多呈不规则的颗粒状，并称其为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然，晶界上的原子为了适应两晶粒间的不同晶格方位的过渡，其排列是不规则的，晶格也不再保持原形而发生畸变。根据金属变形的理论可知，此时晶界上的原子难以移位，晶格也难以变形，故使得金属的性能因晶界的存在而发生改变，具体表现为金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。又由于晶界的原子排列不规则，自由电子的运动受到阻碍，使得晶界金属容易失去电子而遭受化学或电化学腐蚀，同时金属的导电率、导热率下降。由于各晶粒的晶格取向不同，每个晶粒发生晶格变形都将受到它周围晶粒的约束和阻碍，因此实际金属中的晶粒也变得难以变形和移动。晶粒和晶界共同作用的结果使得实际金属的强度一般高于单晶体。试验证明，金属的强度不仅与原子间的结合力有关，还与其晶粒的大小有关。理论上可以这样解释：因为金属的晶粒尺寸越小，单位体积内的晶粒数就越多，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数越多，从而表现出金属的变形抗力就越大，金属的强度越高。另一方面，晶粒尺寸越小，金属的塑性和韧性也越好。这是因为此时单位体积内的晶粒数目增加后，同样的晶格变形可以分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，不致于造成局部某个晶粒过大变形而导致裂纹的出现，甚至导致金属的过早断裂。基于这样的理论，工程上常将金属中晶粒的大小作为评定金属产品内在质量好坏的一个重要指标。这部分内容将在第九章中介绍。 从上面的论述中可以得到这样一个结论：金属的晶粒尺寸越小越好。金属晶粒尺寸的大小与它液态凝固时的条件、压力加工变形方法、热处理方法等因素有很大关系。采用合理的凝固条件、压力加工变形方法和热处理方法，可以获得良好的晶粒尺寸。本节主要讲凝固条件对金属晶粒度的影响，而热处理及压力加工变形方法对晶粒度的影响将放在第九章中讲述。 （二）钝金属的结晶过程 物质从液态变为固态的过程叫做凝固。金属凝固时因为伴随着晶体的形成，故称这种凝固过程为结晶。结晶的过程实际上是一个能量转换过程。液体金属温度较高，也就是说其自由能较高，当金属冷却凝固时，实质上是一个降低其自由能的过程。当金属温度降低到其凝固点时，结晶便开始。由热动力学理论可知，实际开始结晶的温度应低于金属的凝固点，以此获得一个结晶降能的足够动力，通常把这个温度差叫做过冷度。过冷度越大，降能过程获得的动力越大，此时结晶过程进行的越快。结晶总是首先从高熔点物或局部过冷度较大的地方开始。较高熔点物因其凝固点较高而首先凝固，而获得较大过冷度的局部金属也将首先凝固，通常把首先凝固的细小颗粒叫做晶核。晶核形成之后，由于固体表面散热快，故结晶将围绕晶核进行，使晶核长大，直到各晶粒相互接触并完成结晶。由此也可以说，结晶的过程就是晶核形成和成长的过程。金属中高熔点成分越多，形成的晶核就越多，得到的结晶晶粒尺寸就越小。结晶过程的过冷度越大，同时生成的晶核数量也越多，而且因晶粒成长的时间较短，故得到的结晶晶粒尺寸就越小。因此，工程上往往在一些材料中有意加入一些高熔点元素，或者有意加快冷却速度，以期得到晶粒较细的组织。图3-3给出了铸件的结晶组织。从图中可以看出，外侧靠近模型的部分，由于开始时模具温度比较低，结晶过冷度大，此时形核量大，故得到的是细晶粒组织。随着模具温度升高，形核量减少，此时主要是晶核长大过程。而由于垂直模壁方向的散热条件好，故晶核优先在垂直于模壁方向长大，从而形成柱状晶粒组织。柱状晶粒有时会因晶体的棱角处散热快而沿棱角发展，最终得到的晶粒呈树枝状，故称之为枝晶组织。由于枝晶组织塑性较差， 图33 铸造组织压力加工时易断裂，故它是不希望得到的组织。工程上，对一些重要的管道元件要限制这种组织的大小和数量。铸件中心是最后凝固结晶的部分，此时的金属散热很慢，结晶过冷度较小，晶核的形成和成长均比较慢，而且无方向性，故得到的是粗大晶粒组织。粗大晶粒组织使得金属的强度、韧性、塑性均比较低。 值得一提的是，当结晶将要进行完毕时，最后凝固的液体会因为得不到钢液的补充而出现缩孔，缩孔往往出现在铸件的上部。当金属中存在低熔点的杂质元素（对合金则是低熔点成分）时，会在金属内部形成许多分散的微小孔隙，通常称之为疏松。疏松产生的原因是这样的：基体成分优先结晶并长大，当各晶粒凸出部分相互接触后，会隔断杂质（低熔点）成分的钢液，而当这部分钢液最后冷却时因得不到补充而形成疏松。如果这些杂质成分被集中在某个区域（一般是在较后冷却的部分），形成一个成分和性能有别于基体金属的局部组织，通常称这种现象叫做偏析。如果此时的杂质成分是非金属，则形成非金属物夹杂。疏松、偏析和非金属物夹杂均对金属的强度不利，工程上对这些缺陷的存在或量的多少均应进行限制，详细内容将在第九章中介绍。疏松、偏析和非金属物夹杂既可出现在铸件的上部最后冷却部分，也可能出现在钢材内部。铸件中除可能出现上述的缺陷外，还可能出现裂纹、气孔、夹砂、铸造应力等缺陷。该部分也将在第九章中介绍。 （三）合金的微观结构 通过熔炼、烧结或其它方法将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起并形成一种具有金属特性的新物质称为合金。这里讲的合金与通常所说的合金钢不一样，合金是指广义上的两种或两以上的元素形成的具有金属特性的物质。而合金钢是指在碳钢中加入一些合金元素（除铁以外的其它金属元素）以形成具有特殊性能的金属物质。 合金的晶体结构和结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，先给出几个基本概念： a、组元：指组成合金的最基本的、独立的物质。组元不单是指元素，也可以是化合物。 b、相：指钝金属或合金中具有同一化学成分、同一结构并以界面互相分开的、均匀的组成部分。这里的界面并非指晶界，即一个晶粒内也可以有多个相，而多个晶粒也可以属同一个相。 c、系：指相同或大致相同的组元以不同的结合比例而组成的一系列合金的集合。例如，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2等就是同一系合金，常称做300系列不锈钢。由此可以说，自然的钝金属是有数的，而合金则是无数的。 d、组织：指组成合金的各相在空间上的配置情况。它与合金的相既有联系，又有区别。所谓的联系是指组织是由相组成的。所谓的区别是指即使相同的合金相，如果其配置不同，得到的组织也是不相同的。合金的组织不同，其性能也不一样。换句话说，合金的性能受其组织的影响。 固态合金中的相，按其晶格结构的特征不同，可分为两大类：其一为固溶体，其二为金属化合物。 如果相的晶格结构与合金的某一组元的晶格结构相同，其它组元则包含其中，这样的相称之为固溶体。固溶体中保留原晶格结构的组元叫做溶剂，而溶入溶剂中的组元称为溶质。根据溶质在溶剂晶格中所占据的位置不同可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的位置时，形成的固溶体叫做置换固溶体。而当溶质原子不是占据溶剂的晶格位置，而是嵌入溶剂原子之间的空隙中，此时所得到的固溶体叫做间隙固溶体。一般情况下，当溶质的原子直径比溶剂小很多时，得到的固溶体往往是间隙固溶体。不难理解，在间隙固溶体中，溶质在溶剂中的溶解量是有限度的，即直到溶质原子填满溶剂的空隙为止。其溶解的量常用溶解度来表示，溶解度等于溶质的重量与固溶体总重的百分比。间隙固溶体往往使得金属的强度升高，而塑性和韧性下降，这是因为溶质原子嵌入溶剂晶格之间的空隙中，起“钉扎”作用，使溶剂晶格难以变形所致。通常所说的金属氢脆现象正是基于这样的一个机理。 如果各组元以一定的原子数量比结合在一起形成一种具有金属特性的新相，而且新相的晶格结构与其组元中任一组元的晶格都不同，那么该新相就叫做金属化合物。根据形成的条件不同可将金属化合物分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。其中，正常价化合物符合化学理论中的原子价规律，各组元的成分比例是固定的；电子化合物则不符合原子价规律，其各组元的比例是由电子浓度支配的；间隙化合物既具有间隙溶解的性质，又具有化学结合的性质，如钢材的渗铝、渗氮、渗硼等。一般情况下，金属化合物中的各组元是靠化学健或化学健与其它健共同作用结合的，故它具有高强度、高硬度、高熔点、高脆性的特点。 （四）合金的结晶过程 由于合金是由多组元组成的，各组元的熔点不同，配置比例不同，结晶时的冷却速度不同，最终得到的结晶组织也不同。因此合金的结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，也首先介绍几个基本概念： a、相平衡：指合金中参于结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相的浓度处于相对稳定而达到的一种能量平衡。 b、相图：指一个以温度为纵坐标，以组元成分为横坐标，表明合金系中各个合金在不同温度下的组成、以及相与相之间平衡关系的图形。相图在金属加工和工程应用中是一个很重要的工具，从相图中可以查到合金的熔点和凝固点；根据相图可以确定合金热加工时的加热温度和热处理温度；相图表明了合金的成分及基本组织，由此可以预测合金的性能。 c、共晶反应：指在结晶过程中，从一成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的过程。共晶反应是一个恒温转变过程。 d、共析反应：指在冷却过程中，从一均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和结构皆不相同的新固相的过程。共析反应也是一个恒温转变过程。 e、次生相：指从固相中析出的相结构有别于母相的小晶体。它是由于液态和固态情况下溶剂对溶质的溶解度不一样，而冷却速度又快，致使共晶反应进行不彻底造成的。一个组织中，如果次生相较多，会造成材料的弥散硬化现象。因为次生相和共析组织都是在温度较低的固相转变中得到的组织，此时原子扩散困难，故得到组织为细晶粒组织。 f、偏析：指由于合金中各组元的溶点不同，结晶的快慢也不同，从而形成晶内化学成分不均匀的现象。如果偏析发生在技晶上，则为枝晶偏析。前面已经讲过，钝金属的偏析一般是由杂质引起的，而合金则可能因各组元的熔点不同而造成，故相对于钝金属，合金更容易出现偏析现象。合金中的偏析会影响其机械性能和耐蚀性，故一般要通过热处理进行消除或改善。 下面就以铁碳合金相图为例介绍合金的结晶过程。 图3-4给出了铁碳合金的相图。图34 铁碳合金相图 该相图中有两个组元，即铁（Fe）和渗碳体（Fe3C）。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，而塑性和韧性较好；Fe3C为具有复杂晶格的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。该相图中有四个基本相，即液相（L）、铁素体（）、奥氏体（r）和渗碳体（Fe3C），此外还有一个次生相即珠光体（P）。其中，铁素体为碳在-Fe中的间隙固溶体，它具有体心立方晶格，溶碳量较少，室温溶碳量为0.008%，属常温组织；奥氏体（r）为碳在r-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属高温组织。奥氏体具有良好的塑性，故金属热变形加工多是在这种相状态下进行的；渗碳体（Fe3C）为金属键及化学键结合的化合物，性能如上介绍，属于常温组织；珠光体（P）为铁素体和渗碳体的两相机械混合物，它既具有良好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织。含碳量大于2.06%的合金组织以及高温下的-Fe组织在工程上已无太大的意义，故省略介绍。 相图中，A点为钝铁的熔点（1534），C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（1147），D点为渗碳体的熔点（1600），S点为铁素体和渗碳体的共析点（723）。GS线为亚共析钢（含碳量小于0.8%的铁碳合金）加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线，或者冷却时奥氏体向铁素转变的开始温度线，通常称之为A3线。因为相变对过冷度和过热度的需要，通常将加热时的A3线叫做Ac3线，将冷却时的A3线叫做Ar3线；ES线为过共析钢（含碳量大于0.8%但小于2.06%的铁碳合金）加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线，或冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线，通常称之为Acm线。同理，考虑过热度和过冷度的问题，将加热时的Acm线叫做Accm线，将冷却时的Acm线叫做Arcm线；PSK线为加热时珠光体向奥氏体转变的温度线，或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线，通常称之为A1线。同理，加热时的A1线叫做Ac1线，冷却时的A1线叫做Ar1线。 从相图中可以看出，亚共析钢的常温组织为（+P）。当其含碳量较小时，它的组织成分主要是铁素体和一些少量的珠光体，此时材料的塑性和韧性较好，强度和硬度较低。随着含碳量的增加，铁素体量减少，而珠光体量增加，此时材料的塑性和韧性降低，强度和硬度升高；当含碳量增加到0.8%时，得到的合金叫做共析钢。此时合金的常温组织全部为珠光体组织，材料的性能表现为强度、硬度、塑性和韧性均较好；继续增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%时，得到的合金叫做过共析钢。过共析钢的常温组织中开始出现渗碳体，而且渗碳体随着含碳量的增加而增加，珠光体则随着含碳量的增加而减少。此时材料的性能表现为强度和硬度继续升高，而塑性和韧性则大幅度下降；当含碳量增加到2.06%时，合金的常温组织则是以渗碳体为网络骨架的组织，此时材料的强度、塑性和韧性均较差；含碳量超过2.06%时，此时的合金已成为铸铁。 现在就以工程上常用的20钢（平均含碳量为0.2%）为例，根据铁碳合金相图来看一下其结晶的过程。20钢在点以上时为液体（L）。冷却至稍低于点的温度时开始从液相中结晶出-Fe。冷却至点温度以下时，发生包晶反应（由已结晶的固溶体和其周围尚未结晶的液体相互作用而生成一种新的固溶体的过程）生成奥氏体。继续冷却至点以下时，发生奥氏体向铁素体的转变。至点以下温度时，剩余的奥氏体通过共析反应转变成珠光体。故20钢常温得到的组织为铁素体+珠光体（+P）。 20钢作为铸件时，也有出现柱状组织、枝晶组织、气孔、缩松、偏析和非金属物夹杂等铸造缺陷的倾向。这一结论对其它合金也同样适用，它是一般铸件普遍具有的缺陷。通过改善铸造条件可消除或减少这些缺陷对钢材性能的影响，详见第九章中的介绍。20钢的偏析常常是由钢中的杂质元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等造成，非金属物夹杂则常常是由杂质元素硫（S）、氧（O）等形成的非金属化合物造成。这些杂质在工程上常对其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不应超过0.035%。20钢在铸造时除易出现上述缺陷外，还常出现其特有的粗大魏氏组织，即此时铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。魏氏组织使20钢的塑性和韧性都大大下降。 （五）过冷度对合金组织的影响 前面讲述了纯金属及铁碳合金的结晶过程以及最终的结晶组织，但这些组织都是理想化的组织。也就是说合金的结晶是在共晶反应和共析反应彻底完成的理想冷却条件下进行的。事实上，这种理想状态是不存在的。如果结晶过程中过冷度较大，结晶过程进行的较快，那么在温度降到Ar1以下时，仍留有部分奥氏体没有来得及转变成铁素体、珠光体或渗碳体，此部分奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在低于Ar1以下时仍将继续转变，而且在不同的温位，转变后得到的组织是不同的。这些组织将对合金的性能产生影响，有时甚至产生较大的影响，故对这个问题有必要作进一步的介绍。在第九章中讲到的热处理，也将用到这些理论。 1、过冷奥氏体的等温转变 假如完全控制着冷却温度，那么在Ar1以下，过冷奥氏体在不同的温度下将发生不同的组织转变。 如果将冷却温度控制在A1550，则发生高温转变，即珠光体型转变。由于渗碳体熔点较高，它首先形核，随着核心的成长，周围的奥氏体因贪碳而转变成铁素体，铁素体周围又因富碳而形成渗碳体，如此反复即形成一层渗碳体、一层铁素体相间的机械混合物，该机械混合物即为珠光体。但因转变温度的差异，得到的珠光体粗细也不同。温度较高时，因铁和碳的扩散能力强，形成的珠光体较粗大。通常把在A1650温度范围内得到的珠光体组织叫做正常珠光体，在650600温度范围内得到的珠光体组织叫做索氏体，在600550温度范围内得到的珠光体叫做屈氏体。显然，屈氏体组织要比索氏体组织细，索氏体组织要比正常珠光体组织细。而其表现出的机械性能也是屈氏体优于索氏体，索氏体优于正常珠光体。 如果将转变温度控制在550Ms（马氏体转变温度），则发生中温转变，即贝氏体型转变。贝氏体为在铁素体中析出许多细小的渗碳体而形成的组织。此时由于转变温度较低，铁原子扩散困难，仅有碳子扩散而造成。在不同的温度下，得到的贝氏体形态是不一样的。在55