第4章 对容器设计的安全要求(3)压力容器的材料

1、第四章第四章 对容器设计的安全要求对容器设计的安全要求 4-3压力容器的材料 对材料性能的基本要求 压力容器的使用条件多种多样，如处理、 输送易燃、易爆、有腐蚀性、有毒与有害 等物料，操作压力可能从真空到高压甚至 超高压、温度从低温到高温，使得设备处 在极其复杂的操作条件下运行，这就对压 力容器的选材提出了不同的要求。 选用材料的一般要求 (1)材料品种应符合我国资源和供应情况； (2)材质可靠，能保证使用寿命； (3) 要有足够的强度，良好的塑性和韧性， 对腐蚀性介质能耐腐蚀； (4) 便于制造加工，焊接性能良好； (5) 经济上合算。 选材不当所引起的事故 因选材不当所引起的事故颇多。如2

2、001年3月某公司人造水晶224号超 高压水晶釜发生爆炸，釜体下部被撕开长1130mm、宽约200mm的缺口， 与缺口等面积的一块钢板被炸断飞出1.5m远，将水泥地砸出深300mm 的凹坑，4根M402的地脚螺栓均被剪断，釜体歪斜倒在邻近的釜上， 爆炸冲击波将车间部分门窗损坏，直接经济损失约30万元。 该釜设计压力151Mpa，设计温度400，工作压力137 Mpa，工作温度 380，工作介质为碱溶液，釜体材质33CrNi3MoVA，为超高压三类压 力容器。 分析事故原因可知，除了违规操作，导致温度失控，超压运行外， NaOH、NaN02溶液对33CrNi3MoVA材料是极为敏感的应力腐蚀介质

3、，釜 体材料存在应力腐蚀。 因此，要满足各种压力容器每个具体工况的要求，合理的选用材料是 设计化工设备的主要环节，也是提高压力容器的安全可靠性，确保其 安全运行的前提。为能选择合适的材料制造压力容器，保证压力容器 安全正常地进行工作，必须首先了解材料的基本性能。 对材料性能的基本要求 材料的性能包括: 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 其它性能 力学性能 构件在使用过程中受力(载荷)超过某一限度 时，就会发生变形，甚至断裂失效。金属 材料在外力作用下所引起的变形和破坏过 程，大致可分为三个阶段：(一)弹性变形阶 段；(二)弹塑性变形阶段；(三)断裂。一 般的断裂有两种形式：断裂之前没有明

4、显 塑性变形阶段的，称为脆性断裂；经过大 量塑性变形之后才发生断裂的，称为韧性 断裂。 力学性能 我们把材料在外力（或外加能量）的作用下抵抗 外力所表现的行为（包括变形、抗力、弹性、塑 性、强度、硬度和韧性等特征指标），即在外力 作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力， 叫做材料的力学性能（亦称机械性能）。 1强度指标 2塑性指标 3硬度 4韧性指标 5缺口敏感性 强度指标 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑 性变形和断裂的特性。常用的强度指标有 屈服点和抗拉强度。 屈服点 (也叫屈服极限) (s) 抗拉强度（强度极限）(b) 蠕变极限(n) 持久极限(D) 疲劳极限（-1） 屈服点 (

5、也叫屈服极限) (s) 金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑 性变形，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，即开始出现塑 性变形时的应力，称为“屈服点”，用s (MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑 性变形的能力。 式中 Ps是载荷不再增加，甚至有所降低时，试件还继续伸长的最小负荷(N)； F0试件的原始接面积，m2。 0 F P s s 除退火的或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现 象外，大多数金属合金没有明显的屈服点。因此，工程中规 定发生0.2残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”，称为 屈服强度，以0.2(MPa)表示。 式中P0.2为产

6、生0.2残余伸长的负荷(N)。 0 2 . 0 2 . 0 F P 抗拉强度（强度极限）(b) 金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做 强度极限。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。 抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，它是试件拉断前最大负荷下的应力，以 b(MPa)表示。 式中Pb为拉断前试件所承受的最大负荷(N)。 抗弯强度是铸铁等低塑性的脆性材料的强度指标之一，以bb(MPa)表示。 式中M弯矩，Nm； W标准试件的抗弯断面模数，m3。 0 F P b b W M bb 工程上所用金属材料，不仅希望具有高的s值，而且还希望具有一

7、定的屈强比 (s/b)。屈强比愈小，就具有较大的塑性储备，愈不容易发生危险的脆性破坏，但是， 屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。反之，屈强比愈大，材料的强度水平 能得到充分发挥，但塑性储备较小。实际上，一般还是希望屈强比高一些。 蠕变极限(n) 所谓蠕变，是指在高温时，在一定的应力下，应 变随时间而增加的现象，或者金属在高温和应力 作用下逐渐产生塑性变形的现象。 材料在高温条件下，抵抗发生缓慢塑性变形的能 力，用蠕变极限n(MPa)表示。 蠕变极限(n) 常用的蠕变极限有两种。一种是在工作温度下，引起规定 变形速度(如v=110-5mm(mmh)或v=110-4 mm (mmh)的应力

8、值；另一种是在一定工作温度下，在规定的 使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。如在 某一温度下，在一万或十万小时内产生的总变形量为1 时的最大应力。 材料的蠕变极限与温度、蠕变速度有关。表中给出了不锈 耐酸钢(0Cr18Ni9Ti)在不同温度及不同蠕变速度下的蠕变 极限值（MPa）。 持久极限(D) 在给定温度下，促使试样或工件经过一定时间发 生断裂的应力叫做持久极限，以D(MPa)表示。 在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万 小时，以 (D)表示试件经十万小时断裂的应力。 也可以表示成Dt，上标t表示温度，下标D表示载 荷作用至断裂时的小时数。100000500表示材料在 50

9、0的温度下，经载荷作用105小时即发生断裂 的应力值。 持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂 的能力。在相同的条件下，能支持的时间越久， 则该材料抵抗断裂的能力越大。 5 10 疲劳极限（-1） 很多构件与零件，经常受到大小及方向变化的交 变载荷，这种交变载荷，使金属材料在应力远低 于屈服极限即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。 金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂 的最大应力，称为“疲劳极限”。 实际上不可能进行无数次的试验，而把经106108 次循环试验作为疲劳强度。如钢在纯弯曲交变载 荷下循环5106次时，所测得不发生断裂的最大 应力，即算作它的弯曲疲劳强度，用R(MPa)表示

10、。 下标R代表应力比或循环特征。例如-1即代表材 料在对称循环（R=-1）时弯曲交变应力下的疲劳 极限。 塑性指标 金属的塑性，是指金属在外力作用下产生 塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性 指标是延伸率和断面收缩率。 延伸率() 试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百 分率，称为延伸率，以()表示。 式中lk试件断裂后的标距长度，mm； l0试件的原始标距长度，mm； lK断裂后试件的绝对伸长，mm。 为了便于比较，试件必须标准化。现国内采用的拉伸试 样有：长圆试样用l0/d0=10(d0为试样直径）、短圆试样用 l0/d0=5，其延伸率分别用5或10表示。 %100%100 0

11、0 0 l ll l l KK 断面收缩率() 试件受拉力拉断后，断面缩小的面积同原始截面面积比值的百分率，叫 做断面收缩率，以()表示。 式中FK断裂后试件的最小截面积，mm。； F0试件的原始截面积，mm。 断面收缩率与试件尺寸无关，它能更可靠、更灵敏地反映材料塑性的 变化。 延伸率和断面收缩率，都是用来度量金属材料塑性大小的，延伸率和断 面收缩率愈大，表示金属材料的塑性愈好。如纯铁的延伸率几乎为50， 20R的d5不小于25% ；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%，而 普通铸铁的延伸率还不到1，因此，铸铁的塑性非常差。 最小值：锰钢、碳钢16%，合金钢1

12、4% (对于同类材料，强度越高， 尺寸越小，但塑性就越差。塑性好，不但易发现，而且可松弛局部超应力， 而避免断裂)。 %100 0 0 F FF K 冷弯（角） 冷弯角也是衡量金属材料和焊缝塑性的指标之一， 它是由冷弯试验测定的。金属材料和焊接接头在 室温下以一定的内半径进行弯曲，在试样被弯曲 受拉面出现第一条裂纹前，金属材料的变形越大， 其塑性就越好。焊接接头的冷弯试验常以一定的 弯曲角度（=120或180)下是否出现裂纹为 评定标准。 冷弯试验不但是对压力容器用材的一项验收指标， 而且在容器制造过程中，对焊接工艺试板和产品 试板均需做冷弯试验。（对不锈钢，冲击试验可 以不做，但冷弯试验必须

13、做。） 硬度 硬度是指金属材料抵抗其它更硬物体压入表 面的能力。硬度不是一个单纯的物理量，而是反 映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。 常用的硬度测量方法都是用一定的载荷(压力) 把一定的压头压入金属表面，然后测定压痕的面 积或深度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大 或愈深，硬度就愈低。根据压头和压力的不同， 常用的硬度指标可分为布氏硬度(HBS钢球压头 、 HBW硬质合金球压头 )、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、 维氏硬度(HV)和肖氏硬度（HS）等。 布氏硬度 布氏硬度测量方法是以直径为 D(mm )的钢球，在载荷F(N)下压 入金属表面；如图所示。经规定 保压时间卸载后，根据试

14、件表面 压痕直径d(mm )按下式计算材料 的布氏硬度。 MPa dDDD F A F HBWHBS )( 2 102. 0102. 0)( 22 或 硬度 试验中，如果材料布氏硬度小于等于450，采用钢球压头，用HBS 表示 布氏硬度；如果材料布氏硬度大于450且小于等于650， 则采用硬质合金球 压头，布氏硬度则用HBW表示；如果硬度大于650HBW，测量结果不准确， 须改用洛氏硬度测量方法。 布氏硬度的特点是比较准确，因此用途很广，但不能测硬度更高的金属， 如HBW650以上。也不能测太薄的试样，而且布氏硬度压痕较大，易损坏表 面等。 硬度是材料的重要性能指标之一。一般说来，硬度高强度也

15、高，耐磨性 较好。大部分金属硬度和强度之间有一定的关系，因而可用硬度近似地估计 抗拉强度值。根据经验，它们的关系为（应力均已Mpa计）： 对于碳钢，当HBS140时，b（3.683.76）HBS；当140HBS450时， b（3.403.51）HBS 对于碳钢及低合金钢，450HBW650时，b（3.364.08）HBW。 韧性指标 冲击韧性是衡量材料韧性的一个指标，是 材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力，常以标准试样的冲击吸收 功AK表示。 冲击韧性 目前工程技术上 常用一次摆锤冲 击弯曲试验来测 定金属承受冲击 载荷的能力，其 试验方法和原理 如图所示。 摆锤冲断试样所失去

16、的位能为冲击功冲击功（试件所吸收的功）： Ak =G(H1-H2) 焦耳焦耳 ！吸收功的高低取决于！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。材料能否迅速塑性变形的能力。 冲击韧性 将欲测定的材料先加工成标准式样，如图14所示。然后放在试验机 的机座上，又将具有一定重量G的摆锤举至一定的高度H1，使其获得一定 的位能(GH1)，再将其释放，冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2。摆锤冲断 试样所失去的位能，即冲击负荷使试样破断所做的功，称为冲击功，以AK 表示，单位是Nm。，则AK=GH1GH2=G(H1H2)Nm（J）。用试样缺口处 截面积F(cm2)去除AK，即得到冲击韧性（ak）： Nm

17、/cm2(J/cm2) F A a K k 冲击韧性 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时 和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都 有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一 定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载荷 下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定 能迅速塑性变形。 虽然压力容器的各承压部件一般都不承受冲击载 荷，但冲击值K对材料的脆性转化比较敏感，也 就是说，冲击值也可以反映钢的低温冷脆性能。 因此，使用温度较低的压力容器都把材料在使用 温度下的冲击值K作为控制指标。 冲击功AKV 因为同一材料在冲击试验时所消耗的功主要取决于发生塑 性变形的体积，而不仅仅取决于缺口处

18、横截面积F，所以 用F来平均AK也是不够确切的。 冲击试验常用试样有梅氏（U形缺口）试样，夏比（V形 缺口）试样。试验数据表明，夏比（V形缺口）试样缺口 尖端的圆角小，能模拟较高的应力集中和反映材料的缺口 敏感性，它对考核材料低温时的韧性（脆性）较梅氏试样 敏感。因此，我国压力容器安全技术监察规程中规定， 对低温容器用材料，要提供夏比（V形缺口）冲击功AKV。 GB150参考采用了ASME -1的有关规定，以冲击功AKV 为20J作为低碳钢强度级别的钢材的验收判据。 断裂韧性 表示材料韧性的一个新指标是平面应变断 裂韧性KC，可反映材料对裂纹扩展的抵抗 能力。它表征材料抵抗脆性断裂的能力。 这

19、是根据断裂力学为理论依据，计算各种 缺陷的应力强度因子，以缺陷的应力强度 因子和小于该温度下材料的断裂韧性作为 防止脆断的准则。 缺口敏感性 缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件 下，材料抵抗裂纹扩展的能力，属于材料的韧性 范畴。但它和材料的冲击韧性不同，是在静载荷 下抵抗裂纹扩展的性能。而冲击韧性是指材料承 受动载荷时抵抗裂纹扩展的能力。 一种常用缺敏感性试验方法是：从垂直钢材轧 制面方向开出带有60角的“V”形缺口，缺口深 度为2mm，在油压机上进行弯曲试验，弯曲时支 点的跨距为40mm，求得载荷P挠度f曲线，根 据曲线的陡降程度判定缺口敏感性是否合格。 物理性能 金属材料的物理性能

20、有相对密度、熔点、 热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹 性模数与泊桑比(有时也将其归入机械性 能)等。 热膨胀性 金属及合金受热时，一般说来体积都要膨胀(即几 何尺寸要伸长)，这一特性称为热膨胀性。通常应用的 是线膨胀系数，以l表示。 （mm/（mm），简作1/） 式中l试件原始长度，mm l试件伸长量，mm； t温度差，。 异种钢的焊接，要考虑到它们的线膨胀系数是否接近， 否则会因膨胀量不等而使构件变形或损坏。有些设备的 衬里及组合件，应注意材料的线膨胀系数要和基体材料 相同或接近，以免受热后因膨胀量不同而松动或破坏。 t l l l 1 弹性模量与泊松比 材料在弹性范围为，应力和应变成正比

21、，即=E。这 个比例系数E称为弹性模量，单位为N/m2，它直接表示金属 材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。弹性模量是金属 材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难 易程度的。材料的弹性模量越大，使它产生一定量的弹性 变形的应力也越大。金属的弹性模量主要取决于金属原子 结构、结晶点阵和温度等因素，而合金化、热处理和冷热 加工等因素对它的影响很小，因此，弹性模量是金属材料 最稳定的性能之一。对同一种材料，弹性模量E随温度的升 高而降低。 泊松比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸 长之比，以表示。对于各种钢材，它近乎为一个常数，即 = 0. 3。 化学性能 金属的化学性能是指材料在

22、所处的介质中 的化学稳定性，即材料是否会与介质发生 化学和电化学作用而引起腐蚀。 金属的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化 性。 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀 性。常用金属材料在酸碱盐类介质中的耐腐蚀性可查表。 耐腐蚀性能：是指材料在使用条件下（包括温度、压力、湿度及含有杂质等）抵 抗工作介质侵蚀的能力。 按腐蚀深度评定金属的耐蚀性(连续腐蚀)采用三级标准： 但对压力容器，一般常见的是斑点、深坑腐蚀，而最严重，最危险的是晶间、应 力腐蚀。从最不利条件考虑。 有些气体在常温下对材料没有腐蚀，而在高温下却严重腐蚀。 有些气体在干燥下对材料没有腐蚀，而

23、在含有水分时却严重腐蚀。 抗氧化性 在现代工业生产中的许多设备，如各种工 业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温 化工设备等，它们在高温工作条件下，不 仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气 体介质如水蒸汽、CO2、SO2等的氧化腐蚀 作用因此锅炉给水中的含氧量和其它介 质中的硫及其它杂质的含量对钢的氧化是 有一定影响的。 工艺性能 金属和合金的加工工艺性能是指在保证加工质 量的前提下加工过程的难易程度。工艺性能主 要有：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削 加工性能、热处理性能等。这些性能直接影响 化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择 材料时必须考虑的因素。 金属材料的加工分为冷加工和热加工。

24、冷加工 有冷卷、冷冲压、冷锻、冷挤压及机械切削加 工等；热加工有热卷、热冲压、铸造、热锻、 焊接及热处理等。 冷塑性 焊接性能 冷塑性 冷塑性变形：金属在室温或较低温度下发 生的永久变形。 当压力容器用钢板冷加工时，要求制造容 器的材料具有良好的冷塑性。材料的冷塑 性由所要求的塑性指标可以得到保证。 焊接性能 焊接性能：也称可焊性，钢的含碳量越高，可焊性越差。合金元素成分大 部分也不利于它的焊接。C0.3% 的碳钢(普通碳钢，优质碳钢)和C0.2%的普通 低合金钢具有良好的可焊性。 Ce碳当量 日本: 英国: 一般认为碳当量Ce0.45%的合金钢，具有良好的可焊性，注意可焊性，主 要是防止焊接

25、裂纹。氢含量、钢板厚度对其也有影响。 144540624 VMCNMS CC orini e 1556 uiorn e CNVMCM CC 其它性能 1组织稳定性 2抗松弛性 3应变时效敏感性 组织稳定性 钢经长期时效(在工作温度下长期保温或在应力状态下 长期保温)后，其室温冲击值往往因组织不稳定(如渗碳体 分解造成石墨化；珠光体内的片状渗碳体转变成尺寸较大 球状渗碳体)而有所降低。某些珠光体耐热钢在400 600长期保温发生脆化后，只是冲击值显著降低，而其 它机械性能指标，包括塑性则无明显变化。出现这种脆性 的原因，一般认为是由于溶质原子在固溶体晶粒间界上发 生偏析，降低了晶粒间的结合强度。

26、 奥氏体耐热钢和合金出现这种时效脆性的温度范围是 600800。出现脆性后，与珠光体耐热钢不同，不只 是引起冲击韧性降低，塑性指标也会发生显著变化，往往 还会引起强度指标，特别是持久强度的降低。出现这种脆 性的原因，通常是由于脆性的第二相(碳化物、氮化物等) 沿晶界析出的结果。 抗松弛性 试样和零件在高温和应力状态下，如维持总变 形不变；随着时间的延长自发地减低应力的现象 称为松弛。 锅炉、汽轮机和高温化工设备中很多零件是在 松弛条件下工作的，如螺栓等紧固件。紧固件拧 紧加上初应力后，在高温下经过一段时间发生松 弛，总变形中的一部分弹性变形转变为塑性变形， 紧固件中的应力便降低了一部分，此时紧

27、固件中 所剩下的应力叫做“剩余应力”。如果剩余应力 愈高，则称材料的抗松弛性能愈好。 应变时效敏感性 应变时效是金属及其合金在冷加工变形后， 由于在室温或较高温度下的内部脱溶沉淀 (对低碳钢来说主要是氮化物的析出)，会使 各种性能(主要是冲击韧性)随时间延长而发 生变化(降低)。 压力容器常用材料压力容器常用材料 金属: 黑色金属(碳钢合金钢绝大部分，铸铁) 有色金属：铜、铝、钛及其合金 非金属： 工程塑料（硬聚氯乙烯塑料、聚乙烯塑料、耐酸酚 醛塑料、聚四氟乙烯塑料、玻璃钢等） 碳纤维复合材料:优点是重量 轻、强 度高、耐腐 蚀 压力容器常用材料 在压力容器设计中，正确地选择材料对保 证容器的

28、结构合理、安全使用和降低制造 成本都是至关重要的。压力容器使用的主 要材料是碳素钢和低合金钢，这两类钢材 构成了压力容器的基础材料。 牌号表示原则牌号表示原则 根据国家标准（GB/T 221 2000)的规定， 牌号中化学元素用化学符号或汉字表示， 产品用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼 音字母并用的原则。 钢铁产品用途、冶炼和浇注方法表示法钢铁产品用途、冶炼和浇注方法表示法 钢号表示法钢号表示法 普通碳素结构钢的牌号 根据GB70088，普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服 点的字母、屈服点的数值、材料质量等级符号、脱氧方法 符号等四部分按顺序组成。例如，Q235-A F，其中 Q钢材屈服点屈字

29、汉语拼音首位字母； 235钢材试件厚度（直径）16 mm时屈服点的数值， 单位为MPa; A(B，C，D)钢材质量等级； F(b,Z)脱氧方法中沸腾钢沸字汉语拼音首位字母（b 为脱氧方法中半镇静钢半字汉语拼音首位字母;Z为镇静钢 镇字汉语拼音首位字母，在牌号组成表示方法中，Z符 号予以省略）。 钢材的成分与分类 工程上广泛应用的金属材料是钢和铸铁， 它们的总产量要比其他所有金属产量的总 和还要多几百倍。钢和铸铁由95%以上的 铁和0. 05%4%的碳及1%左右的其他杂 质元素组成，因此钢和铸铁又称为铁碳合 金。一般含碳量在0. 02%2%的称为钢， 含碳量大于2%的称为铸铁。当含碳量小于 0.

30、02%时，称为工程纯铁，极少使用；当含 碳量大于4.3% 时，铸铁太脆，没有实际应 用价值。 金属的组织与结构金属的组织与结构 工业上作为结构使用的 金属材料是固态的。固 态金属都属于晶体物质。 通常在低于1500倍的 显微镜下观察到的金属 的晶粒，称为金属的显 微组织，即金属的金相 组织，简称组织，如图 所示。 金属的组织与结构金属的组织与结构 如果用X光和电子显微镜则可以观察到金属 原子的各种规则排列，称为金属的晶体结 构，简称结构。 灰铸铁中石墨的不同组织形式 这种金属内部的微观组织和结构的不同形式，影 响着金属材料的性质。图为灰铸铁中石墨的不同 组织形式，其中球状石墨的铸铁强度最好，细

31、片 状石墨次之，粗片状石墨最差。 纯铁在不同温度下的晶体结构 如图所示为纯铁在不同温度下的晶体结构。其中， 如图 (a)所示为面心立方晶格，称为-Fe；如图 (b) 所示为体心立方晶格，称为-Fe。前者的塑性好 于后者，而后者的强度高于前者。 (a)(b) 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe经加热可转变为-Fe，反 之，高温下的-Fe冷却可转变 为-Fe。这种在固态下晶体结 构随温度变化的现象,称为“同 素异构转变”。这一同素异构 转变是在910 下恒温完成的。 铁的同素异构转变是固态下铁 原子重新排列的过程，实质上 也是一种结晶过程。纯铁塑性 较好，强度较低，在工业上用 得很少，常

32、用的是铁碳合金。 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织 碳对铁碳合金性能的影响极大，铁中加入少量的 碳以后，强度显著增加，这是由于碳加入后引起 了内部组织改变的缘故。 两种物质的相互关系基本上可以分为溶解、化合 与混合几种，而铁和碳的关系也遵循这一普遍原 则。碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种 以上元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶 格原来形式的物体叫做固溶体）、化合物和混合 物。下面具体介绍铁和碳溶解、化合和混合所形 成的各种基本组织。 铁素体(F) 碳溶解在-Fe中所形成 的固溶体叫做铁素体， 以F表示，如图所示。 由于-Fe 的原子间隙 很小，所以溶碳

33、能力极 低，在室温下仅能溶解 0.006%的碳。所以铁 素体强度和硬度低，但 塑性和韧性很好。因而 含铁素体的钢（如低碳 钢）就表现出软而韧的 性能。 奥氏体（A） 碳溶解在-Fe中所形成的固 溶体叫做奥氏体，以A表示， 如图所示。由于-Fe 原子间 隙较大，所以碳在-Fe铁中 的溶解度比在-Fe中大得多。 如在727时可溶解0.77%， 在1148时可达最大值 2.11%。碳钢只有加热到 727(称为临界点）以上， 组织发生转变时才存在奥氏 体。奥氏体的性能特点是强 度、硬度高，塑性低，韧性 好，且没有磁性。 渗碳体（C） 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁，称为渗碳体，以C表 示。其中铁原子与

34、碳原子之比为3:1，即Fe3C。其含碳量高 达6.69%。Fe3C的性能既不同于铁，也不同于碳。其硬度 高(HBW为784),塑性几乎为零，熔点约为1 600。由于 Fe3C又硬又脆，纯粹的Fe3C在工业上并无用处。Fe3C以不 同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组织与性能 影响很大。 渗碳体在一定条件下可以分解为铁和碳，这种游离的碳是 以石墨形式存在的。铁碳合金中碳的含量小于2%时，其 组织是在铁素体中散布着渗碳体，这就是碳素钢；当碳的 含量大于2%时，部分碳就以游离石墨的形式存在于合金 中，这就是铸铁。石墨本身的性质是质软，强度低。石墨 分布在铸铁中相当于对铸铁挖了许多孔洞，因而铸铁

35、的抗 拉强度和塑性都比钢的低。 珠光体（P） 珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械 混合物，以P表示。碳素钢中珠光体组织的 平均含碳量约为0.77%。它的力学性能介于 铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比 铁素体显著增高，塑性、韧性比铁素体要 差，但比渗碳体要好得多。 莱氏体（L） 莱氏体是珠光体和初次渗碳体共晶混合物， 以L表示。它存在于高碳钢和白口铁中。莱 氏体具有较高的硬度（HBW686），是 一种较粗而硬的组织。 马氏体（M） 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火）下 来，得到一种碳原子在-Fe铁中过饱和的 固溶体，称为马氏体，以M表示。马氏体组 织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的 增大

36、而提高。但马氏体很脆，延展性很低， 几乎不能承受冲击载荷。马氏体由于碳原 子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解 或转变为其他组织。 铁碳合金状态图 铁碳合金状态图又称铁碳铁碳合金状态图又称铁碳 合金相图，它是描绘铁碳合金相图，它是描绘铁碳 合金内部组织、成分（含合金内部组织、成分（含 碳量）与温度关系的图形。碳量）与温度关系的图形。 它能显示出不同含碳量的它能显示出不同含碳量的 钢和铸铁在缓慢加热或冷钢和铸铁在缓慢加热或冷 却过程中组织变化的规律，却过程中组织变化的规律， 是研究钢铁组织与性能的是研究钢铁组织与性能的 基础，对于钢铁的各种热基础，对于钢铁的各种热 加工工艺，也具有重要的加工工艺

37、，也具有重要的 指导意义。指导意义。 由图由图可以看出，含碳量为可以看出，含碳量为0.77%0.77%的钢，是由单一的珠光体所组成，称为共析钢；含碳量小于的钢，是由单一的珠光体所组成，称为共析钢；含碳量小于 0.77%0.77%的钢，是由铁素体加珠光体所组成，称为亚共析钢；含碳量大于的钢，是由铁素体加珠光体所组成，称为亚共析钢；含碳量大于0.77%0.77%而小于而小于2.11%2.11%的钢，的钢， 是由珠光体加渗碳体所组成，称为过共析钢。含碳量为是由珠光体加渗碳体所组成，称为过共析钢。含碳量为2.11%2.11%4.3%4.3%的铸铁，由珠光体加渗碳体的铸铁，由珠光体加渗碳体 加莱氏体所组

38、成。含碳量为加莱氏体所组成。含碳量为4.3%4.3%的铸铁为单一的莱氏体组织。含碳量在的铸铁为单一的莱氏体组织。含碳量在4.3%4.3%以上的铸铁的平衡组以上的铸铁的平衡组 织，则是由莱氏体加渗碳体所组成。织，则是由莱氏体加渗碳体所组成。 铁碳合金状态图 铁钢在加热或冷却过铁钢在加热或冷却过 程中，其内部组织发程中，其内部组织发 生转变的温度叫做临生转变的温度叫做临 界温度，或称临界点。界温度，或称临界点。 在状态图中的临界点在状态图中的临界点 有有A1 （PSK线）、线）、 A3 （GS线）和线）和ACM （ES线），各临界点线），各临界点 的组织转变情况如下。的组织转变情况如下。 A A1

39、 1在图中是一条水平线，温度为在图中是一条水平线，温度为727,727,它表示各种钢在加热到它表示各种钢在加热到727727以上时，珠光体开始以上时，珠光体开始 转变成奥氏体。反之，从高温冷却至转变成奥氏体。反之，从高温冷却至727727以下时，奥氏体转变为珠光体。以下时，奥氏体转变为珠光体。 A A3 3它表示亚共析钢加热到它表示亚共析钢加热到A A3 3以上时，其组织中的铁素体全部转变为奥氏体。反之，当冷却以上时，其组织中的铁素体全部转变为奥氏体。反之，当冷却 到到A A3 3时，奥氏体开始转变为铁素体。时，奥氏体开始转变为铁素体。 A ACM CM 它表示过共析钢加热到它表示过共析钢加热

40、到A ACM CM以上时，其组织中的渗碳体全部溶解到奥氏体中。反之，当 以上时，其组织中的渗碳体全部溶解到奥氏体中。反之，当 冷却到冷却到A ACM CM时，奥氏体中开始析出渗碳体。 时，奥氏体中开始析出渗碳体。A ACM CM和 和A A3 3点一样，都是随着含碳量的变化而变化。点一样，都是随着含碳量的变化而变化。 状态图中的状态图中的ACDACD线为液相线，即液态合金开始结晶时温度的连线。线为液相线，即液态合金开始结晶时温度的连线。AECFAECF线为固相线，即液态合线为固相线，即液态合 金结晶终了温度的连线。金结晶终了温度的连线。 铁碳合金状态图 通过对铁碳合金状态图的分析可知，碳钢的组

41、织主要取决通过对铁碳合金状态图的分析可知，碳钢的组织主要取决 于含碳量的多少。当含碳量极低时（于含碳量的多少。当含碳量极低时（0.006%），碳原子全部），碳原子全部 溶解到铁中，通常组成单一的铁素体组织。随着含碳量的增加，溶解到铁中，通常组成单一的铁素体组织。随着含碳量的增加， 珠光体量逐渐增加，而铁素体量逐渐减少。当含碳量达到珠光体量逐渐增加，而铁素体量逐渐减少。当含碳量达到 0.77%时，碳钢组织全部为珠光体。含碳量超过时，碳钢组织全部为珠光体。含碳量超过0.77%，碳钢，碳钢 组织中除了珠光体外，开始出现渗碳体。随着含碳量的增加，组织中除了珠光体外，开始出现渗碳体。随着含碳量的增加，

42、渗碳体量不断增多且呈网状分布在晶界上，正是由于上述组织渗碳体量不断增多且呈网状分布在晶界上，正是由于上述组织 的变化，引起钢的性能随含碳量而变化。如珠光体量不断增加，的变化，引起钢的性能随含碳量而变化。如珠光体量不断增加， 钢的强度和硬度不断提高，而塑性和韧性有所降低，当网状渗钢的强度和硬度不断提高，而塑性和韧性有所降低，当网状渗 碳体出现时，又使强度略有降低。碳体出现时，又使强度略有降低。 钢材的分类 按化学成分 按金属品质 按冶炼方式 按冶炼设备 按脱氧程度和浇注制度 按用途 化学成分分类 钢分为碳钢和合金钢两类。碳 钢是指含碳量小于2.06%的铁 碳合金。按含碳量可分为低碳 钢（含碳量小

43、于0.25%)、中碳 钢（0.25%0.55%)和高碳钢 (大于0.55%)。合金钢是为了 改善钢的某些性能而加入一定 量的一种或几种合金元素的钢。 根据钢中合金元素总含量的不 同可以分为：合金元素总含量 （质量分数）不大于5%的低合 金钢、合金元素总含量在5% 10%之间的中合金钢和合金元 素总含量大于10%的高合金钢。 钢 碳素钢合金钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 低合金钢 中合金钢 高合金钢 按钢的品质分类 钢的品质主要指钢的纯洁度。钢的纯洁度以钢中 所含硫、磷等有害杂质的多少来衡量。据此可将 钢分类为普通碳钢（P0.045%，S0.050%)、 优质碳钢(P 0.040%, S0.035%

44、)和高级优质 碳钢（P0.030%， S0.030%)。优质碳钢的表 示方法是在钢号后面加一个A字，如20A。 钢 普通钢优质钢高级优质钢 按冶炼方法分类 按冶炼设备:可分类为平炉钢、电炉钢和转炉钢。 平炉钢 是在有拱形炉顶的平炉里，利用外来热源熔化 铸铁和废钢所炼出来的钢。此种冶炼方法易于控制成分 和除去有害杂质，炼出的钢质量较高。 电炉钢 是在电炉里利用电能产生的高温冶炼出来的钢。 电炉钢中大量是电弧炉钢。在电弧炉中，由于能准确地 控制炉温，充分进行冶炼反应，故有害杂质除去较完全， 炼出的钢质量很高，钢中气体和偶存的有害元素含量都 极低。 转炉钢 是在可转动的炉里，向髙温液态铁水供给空气，

45、 利用铁水中的杂质与空气中的氧气发生化学反应产生的 热量冶炼出的钢。在冶炼转炉钢过程中向炉里吹入氧气， 强化钢液的高温化学反应，使杂质除去较为完全，能够 得到质量较高的钢。 按冶炼方法分类 按脱氧程度和浇注制度 :可分为沸腾钢、镇静钢和 半镇静钢。 钢 沸腾钢镇静钢半镇静钢 沸腾钢 沸腾钢冶炼时只用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完 全的钢，含氧量为0.03%0. 07%， 其锭模上小 下大，浇注后钢液在锭模中发生FeO + C = CO + Fe的自脱氧反应，放出大量的CO气体，出 现沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后 气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭，因 而内部结构疏松。这个缺点通过

46、碾压时的压合作 用可以得到克服。沸腾钢锭没有缩孔处的废弃部 分，所以成材率高，成本低。但沸腾钢的钢锭含 碳量常有一些偏析。 镇静钢 镇静钢在浇注前用Si、Al等元素对钢液 进行完全脱氧，把FeO中的氧还原出来， 生成Si02和A1203 ，使得钢中含氧量不超 过0.01%(通常是0. 002%0. 003%)。钢 锭模上大下小，浇注后钢液从底部向上、 向中心顺序地凝固，在钢锭上部形成集 中缩孔，锻压时将这一部分截去，因而 成材率较低，成本较高。但这种方法铸 成的钢锭内部紧密坚实，因此重要用途 的优质碳钢和合金钢大都是镇静钢。化 工压力容器一般都要选用镇静钢。 半镇静 半镇静钢介于镇静钢与沸腾钢

47、之间，浇注 前在盛钢桶内或钢锭模内加入脱氧剂，锭 模也是上小下大，钢锭的特征是具有薄的 紧密外壳，头部还有缩孔，钢锭内部结构 下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。由于 此种钢经部分脱氧，能早期消除模内沸腾， 所以钢锭的偏析发展较弱。这是生产这种 钢锭的主要原因。同时这种钢锭头部切除 较小，成材率也较高。 沸腾钢成材率高、成本低，但钢锭内有小 气泡、偏析严重，不允许用于重要的压力 容器。镇静钢钢锭致密，质量较好，但成 材率低、成本较高。 按用途分类 可分为建筑钢、结构钢（碳素结构钢，合金结构 钢）、弹簧钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、 耐热钢等） 钢 建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢 钢材

48、的元素组成 钢中除碳、铁以外，还含有少量锰（Mn)、硅 （Si)、硫(S)、磷（P)、氧（0)、氮（N)和氢（H) 等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入 的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂 质元素。 另外为改善钢材性能也加入一些金属元素，这些 金属元素有：铬（Cr)，锰（Mn)，镍（Ni)，硅 (Si),硼（B)，钨（W),钼（Mo)，钒（V)，钛（Ti) 和稀土元素（Re)等。它们在钢中都起一定的作用。 锰（Mn) 锰（Mn)是一种良好的脱氧剂，又是一种很好的脱硫剂， 焊接时经常利用它脱氧和脱硫。锰是低合金钢中最常用的 强化元素。在钢中含量小于2%时，对于低合金钢来说， 可提高

49、钢的强度和韧性。对于中、高合金钢而言，随着强 度的增加，其塑性和韧性则要降低。增加含锰量可以提高 钢的强度、耐磨性和低温冲击韧性。 锰的含量在0.8%以下时，一般认为是常存的杂质；含量 在0.8%以上时，可认为是合金元素。前者是冶炼中引入 的，可脱氧和减轻硫的有害作用，是一种有益元素。后者 当含锰量较高时，锰能溶解于铁素体，起强化铁素体的作 用。按技术条件规定，优质碳素结构钢中含锰量是0.5% 0.8%，而较高含锰量碳钢中，含锰量可达0.7%1.2%。 硅（Si) 硅（Si)是强的脱氧剂。可提高钢的抗氧化性、高 温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。但 含量超过2%时会使钢的塑性和韧性降

50、低，所以在 低合金钢中硅的含量要加以适当限制。 硅的含量少于0.5%时,认为是常存杂质。它也是炼 钢过程中为了脱氧而引入的。脱氧不完全的钢 （如沸腾钢），其中的硅含量小于0.3%。硅在钢 中或者溶于铁素体内，或者以脱氧生成物Si02的 形式残存于钢中。溶于铁素体的硅，可提高钢的 强度、硬度，可算是一种有益元素。 铬(Cr) 铬(Cr)在化学性能方面它不仅能提高金属耐 腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。当其含 量达到13%时，能使钢的耐腐蚀能力显著 提高，并增加钢的热强性。铬能提高钢的 淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨 性，但它使钢的塑性和韧性降低。随含铬 量增加，可焊性变差。 镍 (Ni) 镍

51、 (Ni)主要是形成稳定的奥氏体组织，提高耐蚀 性能，并且它能提高奥氏体钢的高温强度和持久 强度，提高钢的塑性，能促进石墨化。镍、铬同 时存在时，钢材既具有较高塑性，又具有较高的 硬度和强度。 镍对钢铁性能有良好的作用。它能提高淬透性， 使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧 性。镍能提高耐腐烛性和低温冲击韧性。镍基合 金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈钢 和耐热钢中。 钼（Mo) 钼（Mo)在铁素体中有较大的溶解度，有明 显的固溶强化作用。同时又是强的碳化物 形成元素。它可以提髙钢的热强性，并提 高钢的高温强度和硬度，细化晶粒。在钢 中加入钼，可以防止回火脆性。但钼有促 进石墨化倾

52、向。含钼小于0.6%时可提高塑 性。钼能抗氢腐蚀。 钛（Ti）和铌（Nb） 钛（Ti）和铌（Nb）是强烈地形成碳化物 的元素，所形成的碳化物极为稳定，常用 来做稳定剂，在不锈钢中起稳定碳的作用， 减少铬与碳化合的机会，防止铬镍奥氏体 钢在高温下或焊接后产生晶间腐蚀，还可 提高耐热性。钛能细化晶粒，从而提高钢 的韧性，改善钢的可焊性，减小铸锭缩孔 和焊缝裂纹等倾向。 钒（V） 钒（V）对碳、氮都有很强的亲和力，能在钢中 形成稳定的碳化物和氮化物，细化晶粒，降低钢 的过热敏性（弹性显著增加），并提高钢的高温 强度、韧性和提高淬透性。使它具有良好的抗冲 击和抗弯曲能力，不易磨损和断裂。铬钢中加少 量

53、钒（1），在保持钢的强度情况下，能改善钢 的塑性。 钒是重要合金钢的添加元素。它既是一种脱氧剂， 又能强化合金钢，被誉为“合金的维生素”，因 此许多合金钢中都加入钒。 铝 铝为强脱氧剂，能显著细化晶粒，提高冲 击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗 氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良 好作用。铝的价格比较便宜，所以在耐热 合金钢中常以它来代替铬。 稀土元素 稀土元素可提高强度，改善塑性、低温脆 性、耐腐蚀性及焊接性能。 硫（S） 的影响 硫是钢中有害元素。碳钢中的硫来源于矿石和冶 炼中的焦炭，硫和铁生成的FeS（硫化亚铁）存 在于钢中，FeS易和Fe能形成低熔点的共晶体 （熔点为985),

54、其熔点低于钢材热加工开始温度 （1 1501 200)。在被加热到10001200 时，共晶体熔化，导致钢材在高温时破裂，这种 现象称为热脆性，在焊接时会产生热裂纹。含 硫量愈高，这种热脆性就愈严重。硫化物在钢中 易造成偏析，降低焊接结构的抗层状撕裂能力和 钢材的韧性。所以硫是一种有害元素，钢中硫含 量应控制在0.07%以下。 磷（P）的影响 磷是钢中有害元素，来源于矿石。磷在钢 中能溶于铁素体内，可使钢材在室温时的 强度、硬度增加，塑性和韧性下降。特别 是降低低温冲击韧性，即钢的冷脆性，使 钢的冷加工及焊接性能变坏。钢材在回火 过程中，磷偏析于晶界，引起钢材的回火 脆性，这在Cr-Mo钢中特

55、别明显。所以磷也 是一种有害元素。含磷量愈高，冷脆性愈 强，故钢中磷含量控制较严，一般应小于 0.06%。 氧(0)的影响 炼钢以后，氧在钢中常以MnO、SiO2、FeO、 Al2O3等夹杂物形式存在，它们的熔点高， 并以颗粒状存在于钢中，从而破坏了钢基 体的连续性，大大降低了钢的力学性能， 如冲击韧性、疲劳强度等。所以氧也是一 种有害元素。 氮（N）的影响 铁素体的溶氮能力很低。当钢中溶有过量 的氮，加热至200250时，会析出氮化 物，这种现象称为时效，使钢的硬度、强 度提高，塑性下降。在钢液中加入Al、Ti进 行固氮处理，使氮固定在AlN和TiN中，就 可消除钢的时效倾向。 氢（H）的影

56、响 氢在钢中的严重危害是造成白点。它常存在于轧制的厚 板或大锻件中，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的银白色 斑点，在横断面上则表现为细长的发丝状裂纹。锻件中有 了白点，使用时会突然断裂，造成事故。化工压力容器用 钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂，主要是因为钢由高温奥氏体冷却至较低 温度时，氢在钢中的溶解度急剧下降。当冷却较快时，氢 原子来不及扩散到钢的表面逸出，留在钢中一些缺陷处， 由原子状态氢变成分子状态氢。氢分子不能扩散，在积聚 的局部地区产生几百大气压的巨大压力， 使该处局部应 力超过了钢的抗拉强度而在该处形成白点裂纹源。 钢的热处理 钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式， 以

57、改变其组织，满足所要求的物理、化学与力学 性能，这样的加工工艺称为热处理。热处理工艺 不仅应用于钢和铸铁,亦广泛应用于其他金属材料。 设备和零件经过热处理，可使其材料的各种性能 按所需要求得到改善和提高，充分发挥合金元素 的作用和材料潜力，延长使用寿命，并减少金属 材料的消耗。廉价的普通碳素钢， 经过专门的热 处理以后，其性能有时并不比合金钢差。 钢的热处理工艺曲线 钢的常规热处理工艺 退火 正火 淬火 回火 退火与正火 退火是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来， 以得到接近平衡状态组织的一种热处理方法。 正火是将工件加热至临界点以上3050，并保温一段时间，然后将工

58、件从 炉中取出置于空气中冷却下来。正火的冷却速度要比退火的快一些，因而晶 粒更细化。如图所示为各种退火、正火的加热温度及冷却速度。 退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善力 学性能；使组织均匀化，消除部分内应力。 淬火淬火 淬火是将钢加热至淬火温度 临界点以上3050(图1- 16)，并保温一定时间，然后在 淬火剂中冷却以得到马氏体组 织的一种热处理工艺。淬火剂 的冷却能力按以下次序递增： 空气、油、水、盐水。合金钢 导热性比碳钢差，为防止产生 过高应力，合金钢一般都在油 中淬火；碳钢可在水和盐水中 淬火。淬火可以增加工件的硬 度、强度和耐磨性。淬火时冷 却速度太快，

59、容易引起变形和 裂纹；冷却速度太慢，又达不 到技术要求，因此，淬火常常 是产品质量的关键所在。 回火回火 回火是在零件淬火后再进行一次较低温度 （A1以下的某一温度）的加热与冷却处理 工艺。回火可以降低或消除工件淬火后的 内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上 所需要的性能。回火处理有以下几种： （1）低温回火 （2）中温回火 （3）高温回火 低温回火 零件经淬火后，再加热至150250，保 温13 h，然后在空气中冷却，得到一种叫 做回火马氏体的组织，硬度比淬火马氏体 稍低，但残余应力得到部分消除，脆性有 所降低。一般对需要硬度高、强度大、耐 磨的零件进行低温回火处理。 中温回火 要求零件具有

60、较高的韧性、弹性和屈服强 度时，可采用中温回火，中温回火加热温 度为350500。 高温回火 要求零件的强度、韧性、塑性都较好时， 采用高温回火。高温回火的加热温度为 500650。这种淬火加高温回火的操作， 习惯上称为调质处理，它可以大大改善零 件的力学性能。调质处理广泛地应用于各 种重要的零件。 45号钢经正火与调质两种不同热处理 45钢（2040 mm)经热处理后的力学性能 化学热处理化学热处理 将零件放在某种化学介质中，通过加热、 保温、冷却等过程，使介质中的某些元素 渗入零件表面，改变表面层的化学成分和 组织结构，从而使零件表面具有某些性能。 化学热处理有：渗碳、渗氮、渗铬、渗硅、