1 金属材料基础知识

　　金属材料的基本知识仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容。

　　1.1 金属的微观结构

　　1.1.1碳钢与铸铁

　　由95％以上Fe＋（0.05－4％）C组成的Fe、C合金。

　　1）铁的内部结构

　　将铁水缓冷到其凝固点1534℃以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。所结晶成的固体是由许多小颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。

　　每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫“晶格”。

　　常见的金属晶格形式：面心立方晶格   体心立方晶格

　　 ◆ Fe 的晶格形式

　　1534℃～1390℃   体心立方排列叫δ铁

　　1390℃～910℃   面心立方排列叫γ铁

　　910℃以下   体心立方排列叫α铁

　　α铁 γ铁  δ铁

　　这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫“同素异构转变”。它是钢铁能够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。

　　2）碳的存在形式

　　◆固溶体：就是由两种或两种以上的化学元素，在固态下互相溶解构成的单一均相物质。

　　◆铁素体  碳溶解在体心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是低碳钢在常温时的主体相。

　　◆奥氏体 碳溶解在面心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是碳钢在高温时的组织。

　　◆渗碳体：铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时， “剩余”的碳与铁形成的铁碳化合物（Fe3C）的晶体组织。

　　◆石 墨：铸铁中的C >2.06% ，奥氏体最大溶碳量2.06％，剩余的C以石墨形式存在。

　　1.1.2铁碳合金相图（相图略）

　　铁碳合金相图  是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织的关系图。

　　相图的作用  通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便能够正确制定热处理和热加工的工艺，是改变其组织，获得所需要的性能的依据。

　　相图中有：

　　两个组元： 铁（Fe） 性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好

　　渗碳体（Fe3C） 性能表现为硬而脆

　　四个基本相：液相（L）、铁素体（а）、奥氏体（γ）和渗碳体（Fe3C）

　　两个次生相：珠光体（铁素体＋渗碳体的两相机械混合物）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

　　莱氏体（奥氏体＋渗碳体的两相机械混合物）

　　在平衡状态下：

　　C＝0.8％ 珠光体  共析钢

　　C<0.8% 铁素体＋珠光体  亚共析钢（GS亚共析钢线）

　　C>0.8％ 渗碳体＋珠光体 过共析钢（ES过共析钢）

　　GS线：C<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（Ac3），或者冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度线（Ar3）。 

　　ES线： 0.8％<C<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（Accm），或者冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线（Arcm）。 

　　PSK线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Ac1），或者冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线（Ar1）。 

　　1.1.3碳钢的热处理

　　● 热处理：就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却以改变其组织，获得所要求的性能。按照热处理的操作及其过程所发生的组织变化的不同，将热处理分为淬火、回火、退火及化学热处理。

　　淬火：是将钢加热至超过临界温度以上，保温一定时间后,以快速冷却,使其得不到稳定的组织。

　　目的：是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨度。

　　回火：是将淬火后的钢重新进行不超过临界温度（GS线）时加热，使之得到较为稳定的组织。根据对零件机械性能的具体要求回火的加热温度分为低、中、高温三种。

　　目的：消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性。钢件在淬火后，几乎总是跟着回火。

　　退火：退火处理时用来消除钢材在焊接、铸造或锻造后遗留下来的粗晶组织和内应力，降低硬度，增加塑性和韧性，消除偏析。

　　完全退火—将钢加热到GS线以上20～30℃，经保温后随炉缓冷或埋在保温灰中缓冷。

　　低温退火—加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。

　　目的是消除工件在焊接过程中所形成的内应力，以防脆裂。

　　正火：是退火的一种变态，它与退火不同之处是在静止空气中冷却。

　　1.1.4 常用压力管道材料使用的热处理状态

　　1.2金属材料的基本性能

　　金属材料的基本性能一般包括:

　　机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。

　　l.2.1机械性能（5.13/P168）

　　材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。

　　它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。

　　1.2.2．耐腐蚀性能(化学性能)

　　腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。 

　　 ◆ 材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生;

　　◆ 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。等等。

　　1.2.3物理性能

　　材料的物理性能主要是指：

　　密度ρ(kg/m³)、导热系数、比热、熔点Tm(℃)、线膨胀系数、弹性模量E、比重

　　1.2.4.制造工艺性能

　　材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：

　　1) 切削加工性能; 2)可铸性;3)可锻性; 4)可焊性; 5)热处理性能;

　　1.2.5材料的经济性

　　材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。选材的原则：

　　1) 设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。

　　2) 对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。

　　3) 对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。

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　　1.3  温度对金属材料性能的影响

　　1.3.1金属材料在高温下的性能变化

　　1）材料的蠕变及应力松弛

　　材料的蠕变： 当材料的使用温度超过其熔点的(0.25～0.35)倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。

　　◆一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300～350℃，对铬钼合金钢则为400～450℃。

　　应力松弛：与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被"放松"了。

　　2）材料的球化和石墨化

　　材料的球化：在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。

　　球化的结果：使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。

　　◆ 一般情况下，碳钢长期处于450℃以上温度环境时，就有明显的球化现象。

　　材料的石墨化：对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。

　　◆一般情况下，碳钢长期处于425℃以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475℃以上时则明显出现。SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规范则规定其最高使用温度为450℃。

　　3）材料的高温氧化

　　金属的氧化 金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。

　　1.3.2金属材料在低温下的性能变化

　　在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性〈冲击功〉来衡量.  　

　　1.4 常见元素对金属材料性能的影响　　

　　黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。

　　1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响

　　碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素

　　a 碳(C)在碳素钢中的作用

　　b硅(S)在碳素钢中的作用

　　c硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用

　　d磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用

　　1.4.2．常用低合金钢中各元素对其性能的影响

　　管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20％的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25％～0.45％的铬钢和铬钼钢。

　　主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al

　　杂  质 元 素：S、O、P、As、Sb、

　　a碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。

　　b锰(Mn)在低合金钢中的作用

　　c铬(Cr)在低合金钢中的作用

　　d钼(Mo)在低合金钢中的作用

　　e 钒(V)在低合金钢中的作用

　　f 硅(st)在低合金钢中的作用

　　g 铝(AL)在低合金钢中的作用

　　h硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素同在碳素钢中的作用。 　　

　　1.4.3常用高合金钢中各元素对其性能的影响

　　压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10％的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。

　　高合金钢中，其主要影响元素：碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(TI)、硅(Si)等；

　　杂质元素：硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。

　　a碳(C)在高合金钢中的作用

　　b钼在高合金钢中的作用   与在低合金钢中的作用相似。

　　c镍(Ni)在高合金钢中的作用

　　d 钛(Ti)在高合金钢中的作用

　　e硅(S)在高合金钢中的作用