第一章 金属材料及热处理

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第一章 金属材料及热处理
4）根据加热、冷却和处理方式的不同，热处理可分 为以下几种： ①普通热处理：退火、正火、淬火、回火 ②表面热处理：表面淬火、化学热处理。
热处理中的加热温度、保温时间、冷却速度为三 大工艺参数。
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2．热处理与状态图
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（六）断裂韧度 — 用来反映材料抵抗裂纹失 稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。 他是强度和韧性的综合体现，与裂纹的大 小、形状、外加应力等无关，主要取决于 材料的成分，内部组织的结构。 常规设计中，都假设材料是均匀的、连续 的、各向同性的。 实际上材料远非是均匀的、连续的、各向 同性的，其组织中存在微裂纹、夹杂、气 孔等各种缺陷。
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2．钢冷却时的转变
钢在热处理时，加热和保温的主要目的是 为了使钢获得细而均匀的A晶粒。试验说明， 钢的机械性能，不仅与高温加热状态获得 奥氏体晶粒的大小，化学成分的均匀程度 有关，而且与奥氏体在冷却时的转变有直 接的关系（冷却方式和冷却速度等），冷 却速度不同，组织结构也不同，钢的性能 也不同。
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1-1 金属的机械性能
金属材料在一定的温度条件和受外力(载荷)作 用下，抵抗变形和断裂的能力称材料的机械性能 金属材料的常规机械性能指标包括：强度、 塑性、硬度、韧性等。 对锅炉压力容器压力管道的用材，最关心的 是材料的强度指标、塑性指标和韧性指标。 强度和塑性指标，可通过拉伸试验得知。 韧性指标,可通过冲击试验得知。
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冲击实验示意图
冲击试样实验位置
夏比V型缺口试样 (Charpy V-notch)
标准试样 10×10×55（㎜）
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（五）疲劳 — 材料在无数次重复和交变载荷下发生 损坏的现象 大多数锅炉压力容器都是在交变载荷（大小、 方向周期性变化）作用下工作，其断裂时的应力 远低于该材料的抗拉强度，且低于其屈服强度， 这种现象称为金属的“疲劳”破坏。 GB4337《金属旋转弯曲疲劳实验方法》规定， 低碳钢在5×106交变载荷作用，低合金钢在107交 变载荷作用下不会断裂时最大应力值称为疲劳强 度，用σ-1表示。 σ-1 ≈(0.4～0.6)σb 提高钢材的疲劳强度可采取改善结构、避免 应力集中、提高表面光洁度、进行表面热处理等 措施。
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2、洛氏硬度（HR）—原理和布氏硬度相同 金属体压头对金属表面加压，用一定的载荷P 把压头压入被测金属表面，卸载后以压痕的深度 来确定金属材料的硬度。压痕越深，硬度越低。 可用于测定从极软到极硬的金属或合金。 洛氏硬度与布氏硬度的关系大致如下： HRC≈1/10HB（HB在200～600之间） HV（维氏硬度）≈HB（当HB＜400时） HL（里氏硬度） 硬度可确定焊接接头热影响组织的淬硬情况。

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体心立方晶胞
面心立方晶胞
密排六方晶胞
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二、铁碳合金中的基本组织 1．铁素体（F）— 是碳溶解于α—Fe中形成的间隙固溶 体。室温时铁内含碳量为0.006%。 特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度低。 2．渗碳体（Fe3C）— 是铁和碳的化合物。其含碳量为 6.67%. 特点：熔点高、硬度高、脆性大、塑性和韧性几乎为零。 3．奥氏体（A）— 是碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体。 其溶碳能力较大，在727℃时溶碳量为0.77%，在1148℃为 2.11%。碳钢只有加热到727℃以上（称为临界点）组织发 生转变时才有奥氏体组织产生。 特点：塑性很高，硬度和屈服点较低。是钢中质量体积最 小的组织。
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4．珠光体（P）— 是铁素体和渗碳体二者组成的机 械混合物。主要是奥氏体在冷却过程中在727℃ 的恒温下共析转变的产物，因此只存在于727℃ 以下。珠光体的平均含碳量为0.77%（Fe3C的数 量仅为F的1/8）。 特点：机械性能介于F和Fe3C之间。 5、马氏体（M）—是碳在α—Fe中的过饱和固溶体。 是钢在A化后快速冷却到M点之下发生的无扩散性 相变的产物。 特点：硬度很高，很脆。塑性和韧性几乎为零。 （加入Mn、Cr、Ni、Mo等可提高塑性和韧性）
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③强度极限（σb）— 材料抵抗拉力破坏作 用的最大能力。 σb= Pb/Fo （N/mm2）
在锅炉压力容器选材上，不仅希望材料 具有高的σs，而且具有一定的屈强比 （σs/σb），屈强比越小，结构零件的可靠性 越高，由于塑性变形不致立即破坏。
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（二）．塑性 — 金属材料在外力作用下，产生最大 塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。以试样断 裂后残留塑性变形的大小来表示。 1、延伸率（δ） δ=（L1-L0）/ L0×100% L1——试样拉断后的标准长度。 L0——试样原始的标准长度。 2、断面收缩率（Ψ） Ψ=（F0-F1）/ F0×100% F1——试样断后细颈处最小截面积。 F0——拉伸前试样原始截面积。 例 低碳钢 δ=20～30%，在铸铁δ=1%。
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三、铁碳合金状态图 — 用来表示在平衡状态下不同含碳量的铁碳合金在不同温度下的状 态、晶体结构和显微组织特征。
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1．状态图的主要特性线 ①ACD —液相线 ②AECF —固相线 ③PSK’ —又叫A1线表示钢在缓慢冷却时，A开始转 变为P的温度线（共析线） ④GS线又叫A3线，表示钢在缓慢冷却时，A开始析出 F的温度线。 ⑤C点 — 共晶点 ⑥Eห้องสมุดไป่ตู้线又叫AC线，表示钢在缓慢冷却时由A开始析出 Fe3C的温度线（表示碳在奥氏体中的溶解度曲线） ⑦S点为共析点对应该点钢含碳量为0.8%，共析钢 ⑧E点，碳在γ—Fe中的最大溶解度点。其含碳量为 2.11%，也是钢和铸铁（白口铁）的分界点 ⑨P点，碳在α—Fe中的最大溶解度，其含碳量为 0.02%。还是纯铁与钢的分界点。
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（一）强度---金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏
的能力。
1．拉伸试验
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2．强度指标（ σb 、 σs ） σ=P/F （N/mm2） ①弹性极限 σe=Pe/Fo （N/mm2） ②屈服极限(σs)— 材料承受的载荷不再增加，而 仍继续发生塑性变形时的应力。 σs= Ps/Fo （N/mm2） 有许多金属或合金材料，并没有明显的屈服现 象发生，为表明这些材料的屈服极限。规定的试 样产生的伸长量为试样长度的0.2%时的应力作为 材料“条件屈服极限”，用σo.2表示。
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图中是在极其缓慢的加热和冷却条件下 建立的，故相变点称为理论临界点。在实际 生产中钢的加热和冷却总有一定的过热和过 冷度，实际发生组织转变的温度和状态图上 所示的理论临界点之间有一定的偏离。为区 别，故加热时的临界点加注“C”，冷却时的 临界点加注“γ”
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2、冲击功



工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载 荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak， 单位为焦耳（J）。 而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧 度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。 一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为 韧性材料。 ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很 大关系。ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏 感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶 粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、 越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲 击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸 的试样，其ak或Ak值不能直接比较。 冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。
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锅炉压力容器的主要零部件都是承压的， 无论从制造工艺要求，还是从安全使用的 要求，都应选用塑性好的材料。一方面易 于加工制造；另一方面。一旦超压爆炸时， 不致产生碎片飞出，这样可降低破坏力。
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（三）硬度— 金属材料抵抗硬物压入其表面的能 力。 布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度。 1、布氏硬度 HB=P/F （N/mm2） 根据经验，布氏硬度与抗拉强度之间有一定的 比例关系 σb≈K.HB 对于低碳钢 σb≈0.362HB 对于高碳钢 σb≈0.345HB 对于合金钢 σb≈0.325HB 只能测量硬度不高（HB<450）材料。
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金属材料的性能通常指两个方面： 一、使用性能：决定材料的使用范围，使用安全可靠 性和使用寿命。主要有：力学性能（强度、硬度、刚度、 塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨 胀性等），化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。 二、工艺性能：即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。如：铸造、焊 接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。
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（四）韧性— 金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗 破坏的能力。
1、冲击韧性αk — 单位面积上所承受的冲击功；J/cm2 材料在外加冲击负荷作用下，断裂时吸收能量大小的 特性。表示材料对冲击负荷的抗力。 αk =Ak/F （N.m/cm2） Ak — 冲击功 ，J F — 试样缺口处的截面积， cm2 冲击值αk与试样和缺口形式有关，与试验温度有关。 材料在低温下会出现由塑性状态转变为脆性状态，使材 料的冲击韧性值急剧下降的温度叫做“脆性转变温度”