金属材料知识

1、金属材料知识概述承压设备制造是国民经济的基础产业，各种生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计承压设备的关键环节。例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等

2、。而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。一、金属材料的分类二、金属材料的性能三、影响材料性能的因素四、特种设备对材料的要求五、特种设备常用材料标准一、金属材料分类黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属纯铁：化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量0.05%。纯铁是很软的，一般不应用到实际中。铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。生铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量24.3（也有资料称3.5%5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢

3、和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-1.2%）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%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。有色金属：除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝等。金属材料分类（钢材）1、按化学成分分类：碳素钢：简称碳钢。除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢含碳量小于0.25%中碳钢含碳量等于0.25%0.6%高碳钢含碳量大于0.6%合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它

4、一些合金元素：如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量不同分类：低合金钢合金元素含量小于5%中合金钢合金元素含量等于5%10%高合金钢合金元素含量大于10%金属材料分类（钢材）2、按用途分类：建筑工程用钢或构件用钢普通碳素结构钢低合金结构钢钢筋用钢等结构钢机器零件用钢调质结构钢表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢易切削结构钢冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。弹簧钢轴承钢工具钢刃具钢、模具钢、量具钢碳素工具钢合金工具钢高速工具钢。特殊用途用钢不锈耐酸钢、耐热钢、低温用刚、耐候钢、磁钢等专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。金属材料分类（钢材

5、）3、按冶炼中的脱氧方式分类：沸腾钢 F镇静钢 Z半镇静钢 b特殊镇静钢 TZ金属材料分类（钢材）4、按金相组织分类按退火状态的亚共析（铁素体+珠光体）共析（珠光体）过共析和莱氏体钢（珠光体+渗碳体）按正火状态的珠光体钢贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢按加热冷却时有无发生相变的铁素体钢、奥氏体钢、双相钢等金属材料分类（钢材）5、按品质分类：P、S杂质含量分类：普通钢P含量0.045%，S含量0.055%优质钢P含量 0.040%，S含量0.040%高级优质钢AP含量0.035%，S含量0.030%特级优质钢E新容规TSGR0004第2.3条规定：用于焊接的碳素钢和低合金钢，P 0.035%，S 0.0

6、35%压力容器专用钢，基本要求：P 0.030%，S 0.020%；抗拉强度下限值大于540MPa，P 0.025%，S 0.015%；设计温度低于-20，抗拉强度下限值小于540MPa， P 0.025%，S 0.012%；设计温度低于-20，抗拉强度下限值大于540MPa， P 0.020%，S 0.010%。二、金属材料性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能。金属材料的性能一般包括使用性能和加工工艺性能两个方面使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现的性能，它包括材料的物理、化学和力学等性能。物理性能化学性能力学性能工艺性

7、能：是指材料承受各种冷、热加工的能力。冷、热加工性能金属材料性能使用性能物理性能金属材料在固态下所表现出来得一系列物理现象叫金属的物理性能，如密度、比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。化学性能材料在常温或高温条件下,抵抗氧化或腐蚀介质对其化学侵蚀的能力，一般包括耐腐蚀性，抗氧化性等。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力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。化工生产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材料的耐蚀性不强，必将影响设备使用寿命，有时还会影响产品质量。抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力在化工生产中，有很多设备和机械是在

8、高温下操作的，如氨合成塔、硝酸氧化炉、石油气制氢转化炉、工业锅炉、汽轮机等。在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮；还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。因此，高温设备必须选用耐热材料。力学性能材料在不同环境（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征。金属材料性能使用性能力学性能1、强度金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。屈服强度当金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形

9、发生而力不增加的应力点。上屈服强度ReH：屈服前的第一个峰值力下屈服强度ReL：除第一个谷值力之外，其它最小的谷值力规定非比例延伸强度Rp抗拉强度试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力。Rm指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。强度的测定拉伸实验。金属材料性能使用性能力学性能2、塑性断裂前材料发生不可逆永久变形能力。常用的塑性判据是伸长率A和断面收缩率Z。伸长率原始标距的伸长（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率。断后伸长率：A=（Lu-Lo）/Lo， Lu-Lo断后标距的残余伸长。断面

10、收缩率断裂后试样横断面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。 3、冷弯性能用于衡量材料在室温时的塑性。是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷，分面弯、背弯、侧弯三种。金属材料性能使用性能力学性能4、韧性材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。冲击韧度(冲击值)冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击

11、试验”），因试验温度不同而分为常温、低温等；按试样缺口形状分为V形缺口和U形缺口冲击试验两种。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。金属材料性能使用性能力学性能5、硬度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。常用硬度按其范围测定分：布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRA H、K等标尺）、维氏硬度（HV）等。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。一般硬度越高，耐磨性越好。金属材料性能使用性能力学性能6、蠕变在高温和低于屈服强度的应力作用

12、下，材料塑性变形量随时间延续而增加的现象。与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。蠕变极限在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350摄氏度，合金钢在400-450摄氏度以上时才有蠕变行为持久强度在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂的持续时间的强度。金属材料、机械零件和构件抗高温断裂的能力，常以持久极

13、限表示。试样在一定温度和规定的持续时间下，引起断裂的应力称持久极限。金属材料的持久极限根据高温持久试验来测定。飞机发动机和机组的设计寿命一般是数百至数千小时，材料的持久极限可以直接用相同时间的试验确定。在锅炉、燃气轮机和其他透平机械制造中，机组的设计寿命一般为数万小时以上，它们的持久极限可用短时间的试验数据直线外推以得到数万小时以上的持久极限。经验表明，蠕变速度小的零件，达到持久极限的时间较长。锅炉管道对蠕变要求不严，但必须保证使用时不破坏，需要用持久强度作为设计的主要依据。持久强度设计的判据是：工作应力小于或等于其许用应力，而许用应力等于持久极限除以相应的安全系数。金属材料性能使用性能力学性

14、能7、疲劳材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积性损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。高周疲劳材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104 105以上循环次数而产生的疲劳。低周疲劳材料在接近或超过其屈服强度的低频率循环应力作用下，经102105塑性应变循环次数而产生的疲劳。热疲劳温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。腐蚀疲劳腐蚀环境和循环应力（应变）的复合作用所导致的疲劳。金属材料性能工艺性能工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工

15、条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。冷加工性能切削性能：切削加工性（可切削性，机械加工性）：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常是用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度（外角）或弯心直径d 对材料厚度a 的比值表示，a 愈大或d

16、/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。金属材料性能工艺性能工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。热加工性能铸造性能铸造性（可铸性）：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指铸件凝固时，体积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。合金钢与高碳钢比低碳钢偏析倾向大，因此，铸造后要用热处理方法消除偏析。锻造性能可锻性：指

17、金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。焊接性能焊接性（可焊性）：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。化工设备广泛采用焊接结构，因此材料焊接性是重要的工艺性能。三、影响材料性能因素成分工艺组织性能影响材料性能的主要因素化学成分组织结构加工工艺热处理影响材料性能

18、因素化学成分1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳当量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的

19、作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于

20、0.045%，优质钢要求更低些。5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。影响材料性能因素化学成分6、氧（O）：氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。7、氮（N）：铁素体溶解氮

21、的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。8、氢（H）：钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到

22、钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。影响材料性能因素化学成分9、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。10、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。11、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足

23、够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。12、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。13、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。14、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及

24、锻模具用。15、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。影响材料性能因素化学成分16、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。17、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响18、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提

25、高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。19、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。20、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高

26、耐磨性。影响材料性能因素组织结构铁碳合金状态图铁碳平衡图又称铁碳相图或铁碳合金状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）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。 Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成（下图仅为纯铁和钢的部分）铁碳合金状态图明确反映出含碳量、温度与组织状态的关系，是研究钢铁的重要依据，也是铸造、锻造及热处理工艺的主要理论依据。它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。当然，需要考

27、虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类,即工业纯铁(C0.021)、钢(0.0212.11C)和铸铁(2.116.69C)。实际加热时钢铁的临界点往往高于Fe-Fe3C平衡图上的临界点,冷却时则低于平衡图的临界点。如图3所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点,沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，Ac表示加热时的临界点,Ar表示冷却时的临界点。影响材料性能因素组织结构常见的显微组织奥氏体（A）碳溶解在-Fe铁中形成的固溶体称奥氏体。强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁

28、性。铁素体（F）碳溶解在-Fe中形成的固溶体称铁素体强度硬度低，塑性韧性好。渗碳体（Fe3C）铁碳合金中的碳不能全部溶入-Fe或-Fe中，其余部分的碳和铁形成一种化合物（Fe3C），称为渗碳体。硬而脆，随C%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。珠光体（P）珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。性能介于F与Fe3C之间。马氏体（M）马氏体是钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。魏氏组织粗大的过热组织，塑性韧性下降，使钢变脆。带状组织双相共存的金属材料在热变形时沿主伸长方向呈带状或层状分布的组织。碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。这是由于碳引起了铁内部组织的变化，从而引起碳钢的力学性能的相应改变。碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种以上的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）、化合物和混合物三种。这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。影响材料性能因素晶粒度晶粒度：用于描述晶粒大小的参数常用的表示方法单位体积的晶粒数目（ZV）单位面积内的晶粒数目（ZS）