金属材料基本知识

金属材料基本知识1、什么是变形？变形有几种形式？构件在外力作用下，发生尺寸和形状改变的现象。

变形的基本形式：有弹性变形、永久变形（塑性变形）和断裂变形三种。

构件在外力作用下发生变形，外力去除后能恢复原来形状和尺寸，材料的这一特性称为弹性。

这种在外力去除后能消失的变形称为弹性变形。

若外力去除后，只能部分的恢复原状，还残留一部分不能消失的变形，材料的这一特性称为塑性。

外力去除后不能消失而永远残留的变形，称为塑性变形或残余变形，也称永久变形。

工程上，一般要求构件在正常工作时，只能发生少量弹性变形，而不能出现永久变形。

但对材料进行某种加工（如弯曲、压延、锻打）时，则希望它产生永久变形。

3、什么是强度？什么是刚度？什么是韧性？材料或构件承受外力时，抵抗塑性变形或破坏的能力称强度。

钢材在较大外力作用下可能不被破坏，木材在较小外力作用下而可能会断裂，我们说钢材的强度比木材高。

材料或构件承受外力时抵抗变形的能力称为刚度。

刚度不仅与材料种类有关，还与构件的结构形式、尺寸等有关。

比如管式空气预热器管箱与钢管省煤器组件相比，前者抗变形能力要比后者好，我们称前者的刚度强（好），后者的刚度弱（差）。

刚度好的构件，在外力作用下的稳定性也好。

材料抵抗冲击载荷的能力称为韧性或冲击韧性，即材料承受冲击载荷时迅速产生塑性变形的性能。

锅炉承压部件所使用的材料应具有较好的韧性。

4、什么是塑性材料？什么是脆性材料？在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。

在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料，称为脆性材料。

材料的塑性和韧性的重要性并不亚于强度。

塑性和韧性差的材料，工艺性能往往很差，难以满足各种加工及安装的要求，运行中还可能发生突然的脆性破坏。

这种破坏往往滑事故前兆，其危险性也就更大。

脆性材料抵抗冲击载荷的能力更差。

5、什么是应力、应变和弹性模量？材料或构件在单位截面上所承受的垂直作用力称为应力。

外力为拉力时，所产生的应力为拉应力；外力为压缩力时，产生的应力为压应力。

在外力作用下，单位长度材料的伸长量或缩短量，称为应变量。

在一定的应力范围（弹性形变）内，材料的应力与应变量成正比，它们的比例常数称为弹性模量或弹性系数。

对于一定的材料，弹性模量是常数，弹性模量越大，在一定应力下，产生的弹性变形量越小。

弹性模量随温度升高而降低。

转动机械的轴与叶轮，要求在转动过程中产生较小的变形，就需要选用弹性模量较大的材料。

6、什么叫应力集中？应力集中：由于构件截面尺寸突然变化而引起应力局部增大的现象，称为应力集中。

在等截面构件中，应力是均匀分布的。

若构件上有孔、沟槽、凸肩、阶梯等，使截面尺寸发生突然变化时，在截面发生变化的部位，应力不再是均匀分布，在附近小范围内，应力将局部增大。

应力集中的程度，可用应力集中系数来表示。

应力集中系数的大小，只与构件形状和尺寸有关，与材料无关。

工程上常用典型构件的应力集中系数，已通过试验确定。

应力集中处的局部应力值，有时可能很大，会影响部件使用奉命，是部件损坏的重要原因之一。

为防止和减小这种不利影响，应尽可能避免截面尺寸发生突然变化，构件的外形轮廓应平缓光滑，必要的孔、槽最好配置在低应力区。

另外，金属材料内部或焊缝有气孔、夹渣、裂纹以及“焊不透”、“咬边”等缺陷，也会引起应力集中。

7、什么是强度极限（抗拉强度）与屈服极限？强度极限与屈服极限是通过试验确定的。

在拉伸试验过程中，应力达到某一数值后，虽然不再增加甚至略有下降，试件的应变还在继续增加，并产生明显的塑性变形，好像材料暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。

发生屈服现象时的应力，称为材料的屈服极限。

当试验拉力继续升高，试件达到破坏时的应力，称为材料的强度极限或抗拉强度。

屈服极限和强度极限越大，分别表明材料抵抗破坏和抵抗塑性变形的能力高，即材料强度好。

对于一定材料来说，强度极限和屈服极限是随着工作温度的升高而降低的。

8、什么是蠕变与蠕变极限？什么是持久强度与持久塑性？金属在一定温度和一定应力作用下，随着时间的推移缓慢地发生塑性变形的现象称蠕变。

材料发生蠕变的温度与其性质有关，碳钢在300—350℃时，合金钢在350—450℃时，在应力作用下，就会出现蠕变。

温度越高，应力越大，蠕变速度就越快。

材料抗蠕变的性能用蠕变极限来衡量，它表示在一定温度下，于规定时间内，钢材发生一定量总变形的最大应力值。

持久强度是在高温条件下，经过规定时间发生蠕变破裂时的最大应力。

持久塑性是指处于蠕变状态的材料，在发生破裂时的相对塑性变形量。

高温材料特别是发电厂使用的管材，应具有良好的持久塑性，希望不低于3%—5%。

过低的持久塑性，会使材料发生脆性破坏，降低其使用奉命。

材料的蠕变极限、持久强度、持久塑性都是通过试验方法求得的。

9、什么是金属材料的疲劳与疲劳极限？构件在长期交变应力作用下，虽然它承受的应力远小于材料的屈服极限，在没有明显塑性变形的情况下，发生断裂的现象称为金属的疲劳。

因金属疲劳发生的破坏称为疲劳破坏出现疲劳破坏的原因，是经过应力多次交替变化后，在应力最大或有缺陷部位会产生微细的裂纹，裂纹尖端出现严重的应力集中，随着交变应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩大，最后导致破裂。

材料经受无限次变载荷而不发生断裂时的最大应力，称为材的疲劳极限。

工程上常根据机件的使用寿命要求，规定交变应力循环N次时的应力为有限疲劳极限或条件疲劳限。

如汽轮机叶片交变应力循环次数N锅炉的每一次启动和停止，工质运行参数的每一次波动，承压部件都要经受一次交变应力及应变的循环，这都将会影响承压部件的寿命。

为了提高钢材抵抗疲劳破坏的能力，应在保持材料一定强度的基础上尽可能提高钢材的塑性及韧性。

10、什么是许用应力与安全系统？构件实际工作时，所允许产生的最大应力称许用应力。

对锅炉承压元件不定来说，许用应力是指在工作条件下所允许的最小壁厚及最大压力时的应力。

构件工作时，其内部产生的应力既不能达到屈服极限，更不能达到强度极限，必须远小于它们才能保证安全。

通常把和称危险应力。

危险应力与许用应力的比值n称为安全系数。

N值的大小，不仅反映构件的安全程度。

N值大，许用应力小，比较安全，但消耗材料多，构件也笨重；n值许用应力大，能节约材料，但安全程度就差。

因此，在确定安全系数时，应在满足安全的前提下，充分考虑经济性的要求。

11、什么是热应力？构件因温度化不能自由伸缩而产生的应力，或部件本身温度不均匀使伸缩受制约而产生的应力，称为热应力。

由于热应力是温度变化而产生的，所以也称温度应力或温差应力。

部件工作时，它的尺寸将因温度变化而伸缩。

若部件的伸缩不受任何限制，温度变化只能使其变形，而不致产生应力。

若部件不能自由伸缩，将会在其内部产生应力。

部件在受热或冷却时，若各部分温度不一致，变形将受制约。

温度高的部分要膨胀伸长，温度低的部分则限制它的膨胀，结果在高温部位产生压应力。

低温部位产生拉应力。

锅炉在启、停过程中，出现的汽包内外壁温差，将会在汽包壁内产生热应力。

12、什么是金属的应力松弛现象？钢材在高温和应力作用下，在应变量维持不变，应力随着时间的延长逐渐降低的现象，称为应力松弛。

金属材料在高温下发生应力松弛，是有一部分在初应力作用下产生的弹性变形逐渐地转化为塑性变形的结果。

松弛现象与蠕变现象有着内在的联系，都是在高温和应力作用下的不断性变形过程，两者的区别仅在于蠕变时应力基本恒定不变，松弛时应力则不断在降低。

应力松驰发生在高温下工作的紧固件上，如锅炉、汽轮机上的螺栓、螺母、压紧弹簧等。

这些零件在长期高温和应力作用下，塑性变形增加，应力下降，当松弛到一定程度后，就会引起汽缸和阀门漏汽，安全门提前起座，影响机组正常运行，甚至发生危险。

为了防止上述现象发生，一般要求经过2×104h（两次大修间隔）运行后，螺栓最小应力不低于最小密封应力，这个密封应力通常为150MPa（15.3kgf/mm2）。

为了达到这一要求，可以采取如下措施：一是选择松弛性能高的钢材；一是提高螺栓的初紧应力。

13．什么是钢材的热疲劳与热脆性？当金属材料在工作过程中存在温差时，因部分的胀、缩相互制约而产生附加热应力。

如果温差是周期变化的，热应力也将随之变化，同时伴随着弹、塑性变形的循环，塑性变形逐渐积累引起损伤，最后导致破裂。

这种因经受多次周期性热应力作用而遭到的破坏称为热疲劳破坏。

热疲劳裂纹一般发生在金属零件的表面，为龟裂状。

锅炉的过热器、再热器、汽包、汽轮机的汽缸、隔板，都有出现热疲劳的可能性。

钢材在某一高温区间（如400—550℃）和应力作用下长期工作，会使冲击韧性明显下降的现象称为热脆性。

影响热脆性的主要因素是金属的化学成分。

含有铬、锰、镍等元素的钢材，热脆性倾向较大。

加入钼、钨、钒等元素，可降低钢材的热脆性倾向。

14、什么是钢材的高温氧化？锅炉某些高温元件（如过热器、再热器管及其支吊架等）与高温烟气中的氧气发生的氧化反应，称高温氧化。

氧化生成的氧化膜如果不能紧紧地包覆在钢材表面而发生脱落，则氧化过程会不断发展，层层剥落，最后导致破坏。

高温氧化可生成三种氧化物：FeO,Fe2O3,Fe3O4。

当壁温在570℃以下时，氧化膜由Fe2O3,Fe3O4组成；当温度高于570℃时，氧化膜由FeO,Fe2O3,Fe3O4组成。

Fe2O3,Fe3O4具有致密的结构，能保护金属表面，有较好的抗氧化化。

而FeO的抗氧化能力很差，因此，在温度高于500℃时，高温氧化过程就有加快的趋势。

钢材工作温度高于570℃，就需要考虑抗氧化性问题。

在钢中加入铬元素，生成的氧化膜具有良好的保护作用，是提高钢材抗高温氧化性能的主要手段。

15．在高温下金属组织可能发生哪些变化？有何危害？常温下钢材的金相组织是稳定的，不随时间而改变。

但若在高温下长期工作，其金相组织则会不断发生变化，使其性能变差，严重时会导致破裂损坏。

（1）珠光体球化钢材中片状渗碳体逐渐转化为球状，并积聚长大的现象称珠光体球化。

珠光体球化使钢材高温性能下降，加速蠕变过程，严重球化时，常引起爆管事故。

影响球化过程的因素是温度、时间和化学万分，在钢中加入铬、钼、钒等合金元素，能降低球化过程的速度。

（2）石墨化石墨化是钢中渗碳体在长期高温下工作自行分解的一种现象，即Fe3C→3Fe+C(石墨)石墨化主要发生在低碳钢和低碳钼钢，能使钢材常温下和高温机械性能（强度、塑性）均下降，特别使冲击韧性显著降低，导致钢材的脆性破坏。

（3）合金元素的重新分配钢材在高温下和应力长期作用下，会发生合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配，使强度极限和持久强度均下降，不利于高温部件的安全运行。

合金元素重新分配过程，随温度的升高和时间的推移而加剧，特别是运行温度接近或超过钢材许用温度的上限时，合金元素的迁移速度将更快。