金属材料知识

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。

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2％～4.3％（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：①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%②合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：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：①建筑工程用钢或构件用钢①普通碳素结构钢②低合金结构钢③钢筋用钢等②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③工具钢——刃具钢、模具钢、量具钢①碳素工具钢②合金工具钢③高速工具钢。

④特殊用途用钢——不锈耐酸钢、耐热钢、低温用刚、耐候钢、磁钢等⑤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）3、按冶炼中的脱氧方式分类：①沸腾钢 F②镇静钢Z③半镇静钢 b④特殊镇静钢TZ金属材料分类（钢材）4、按金相组织分类①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）②按正火状态的珠光体钢贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢③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：①普通钢P含量≤0.045%，S含量≤0.055%②优质钢P含量≤0.040%，S含量≤0.040%③高级优质钢—AP含量≤0.035%，S含量≤0.030%④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 ≤0.035%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。

①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Rp②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。

①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。

②断面收缩率——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。

①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②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。

①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。

②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102～105塑性应变循环次数而产生的疲劳。

③热疲劳——温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。

④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。