金属材料基本知识

金属材料基本知识1 钢铁材料及其生产在人们生活中所用的、遇到的材料分为金属材料和非金属材料。

金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。

这不仅是由于其来源丰富、生产工艺简单、成熟，而且还具有优良的性能。

金属材料又有钢铁（黑色金属）和有色金属等，如碳钢、合金钢、有色金属、铸铁及其合金等。

钢与生铁由于碳含量不同，性能和用途也不同。

生铁的含碳量一般有2.5-4.5%，按其用途分为炼钢生铁（含碳4%左右，是炼钢的主要原料）和铸造生铁（铸铁）。

最终炼出来的钢碳含量一般都小于1.3%，除少数直接铸成各种形状的铸件外，绝大多数先铸成钢锭，再经轧制或锻压成各种钢件和锻件，然后供进一步加工使用。

其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。

如将钢按用途来划分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等）、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢）；按质量来划分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；按冶炼方法、钢液脱氧程度和铸锭工艺的不同来划分则有沸腾钢、镇静钢（脱氧完全的钢，化学成分和力学性能均匀、焊接性能和抗腐蚀性好，一般用来做较重要的部件；受压元件用钢即是）和半镇静钢三类；此外还有其余种类的如按金相组织分类方法。

电站锅炉所耗用的金属材料数量大、品种规格多，除少量有色金属和铸铁外，绝大多数为钢材。

其中有钢管、钢板、棒材、工字钢、槽钢、角钢以及铸锻件等。

一部分钢材为普通钢，用来制作锅炉的普通结构件，性能要求并不高(主要是一些普通钢结构，是从国家标准中所引用的一些钢号)。

另一部分则用来制作高温、高压（或承受高应力）条件下或处于腐蚀性介质中长期工作的元件。

这些锅炉钢是综合性能要求很高的材料。

从20世纪50年代起，我国冶金部门、锅炉制造行业和电力部门的科研、生产单位在锅炉钢合金化、冶金生产、焊接和热处理工艺、性能测试、寿命分析诸方面开展了大量的应用研究，形成了我国独特的锅炉用钢体系，有利地保证了火电设备向大容量、高参数的不断发展。

从80年代以来，随着我国锅炉制造业与国外的不断交流，也引进了不少国外的优质锅炉钢种进入我国的标准体系。

1.1钢铁的冶炼1.1.1铁的冶炼炼铁的主要设备是高炉，高炉炼铁的原料主要是铁矿石、焦炭和熔剂（如石灰石等）。

铁的冶炼过程，实质就是将铁矿石中的氧化铁还原成铁的过程。

高炉中焦炭本身的碳及其燃烧反应的产物一氧化碳都对氧化铁起还原作用。

1.1.2钢的冶炼钢与生铁的最主要区别就是碳含量不同，将生铁进行精炼以大幅度降低碳量（和各种杂质）就得到符合要求的钢。

精炼所依托的原理主要含有脱碳反应（FeO+C=Fe+CO）、硅锰的氧化反应（2Fe0+Si=2Fe+ SiO2，Fe0+Mn=Fe+MnO）、去磷硫过程（去磷反应2Fe2P+5FeO=P2O5+9Fe，P2O5+4CaO=4 CaO.P2O5,去硫反应FeS+CaO=CaS+FeO）、脱氧反应（沉淀脱氧：将含有Si、Mn、Al等元素的脱氧剂直接加入钢液中，使在钢中的FeO还原，生成不溶于钢液的氧化物，然后上浮排除；扩散脱氧：是向炉渣中加入铝粉、炭粉和硅钙粉等脱氧剂，降低渣中FeO含量，破坏渣、钢间的FeO的平衡，使钢液中的FeO转入渣中而脱氧，这种方法得到的钢质好）。

1.2炼钢的方法主要有转炉炼钢法，平炉炼钢法，电炉炼钢法和电渣重熔法四种。

不同的炼钢方法的工艺不同，但最终结果是：当钢液的成分和温度均达到规定的要求，炉渣流动性良好时，就可出钢浇注。

1.3钢锭组织钢锭表面到心部，依次为细小的等轴晶粒、柱状晶粒和粗大的等轴晶粒组成。

根据钢中的含氧量和凝固时放出的一氧化碳的程度，可将钢锭分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。

1.3.1镇静钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧，使所含氧量不超过0.01%,以至于钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成分比较均匀，组织比较致密的钢锭，称为镇静钢。

受压部件所使用的钢必须是镇静钢。

1.3.2沸腾钢在冶炼末期，钢液仅进行了轻度脱氧，而使得相当数量的氧（0.03%以上）留在钢中，则钢液注入锭模后，钢中的氧会与碳发生化学反应，析出大量的一氧化碳，引起钢液沸腾，称之。

其成分偏析大、组织不致密，性能不均匀，冲击韧性低。

1.4钢的加工冶炼成的钢锭，除一部分用于大型锻件、铸件外，大部分要通过轧制（金属在转动的轧辊间借助磨擦力的作用，使得坯料得以连续地进入轧辊而变形，即截面变小和长度增加）、挤压（通过对在压模的材料进行挤压，使材料按压模出口形状而形成）、锻造（自由锻和模型锻造两种）、拉丝等方法制成型材、板材、管材和线材等，供各部门使用。

中厚钢板全是热轧产品，薄板有冷轧和热轧两种。

无缝钢管有热轧（或挤压）、也有冷拔和冷轧。

型钢轧制所采用的轧辊是带有型槽的轧辊，其中凹入的部分称轧槽，两个轧辊的轧槽合起来称为孔型，钢坯就是经过一系列的孔型而轧成型材的。

2 对金属材料性能的要求金属材料至少应具有材料技术条件规定的性能要求（标准要求的性能）、设计用的性能数据（使用性能）以及制造运行要求的性能资料（工艺性能）。

这三方面的性能加上经济可行性是选用金属材料钢的依据。

2.1 材料技术条件规定的性能金属材料技术条件规定的性能是材料研制与评定时做过大量试验的基础上，结合生产和应用条件提炼出来的。

对供货钢材检测这些性能可对钢材质量是否符合元件制造要求做出评估。

主要是指化学成分、力学性能、冲击性能、金相组织、工艺性能、成品实物等方面的特性。

2.1.1 化学成分技术条件规定的化学成分包含合金元素（C、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、B、Re，以及含量>0.5%的Si、>0.75%Mn称之，其决定钢的耐热性和物理性能、力学性能、抗腐蚀性能和工艺性能）、残存元素（质量分数0.30%或更少的Cr、Ni、Mo、W、Cu和微量V、Nb、B等，是炼钢时从炉料带入钢中的。

有时对保证金属材料用钢的性能有利，但含量高时会使钢的工艺性能变差）和有害元素（H、O、N、P、S、Pb、As、Sn、Bi、Sb、Se等，是炼钢时从炉料或环境介质带入钢中的。

其对金属材料钢的塑性、韧性、热强性、工艺性能都有不良影响）。

2.1.2拉力性能金属材料常用金属材料的常规力学性能主要有以下几种：强度（是指金属材料抵抗变形和破坏的能力，工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服强度和抗拉强度。

钢材的屈强比过高，如σs/σb>0.75，对受压元件不利，因为弯管后回弹严重，难以冷校正，而热校又影响热强性，特别是对102类钢）；塑性（断后伸长率和断面收缩率表示，对塑性相同的材料采用不同标距时，其试验值也不相同，在数值上ASME标准规定的是50mm标长δ>δ5>δ10。

采用低合金钢板制作受压元件的国家，在金属材料强度计算标准中均规定了受压元件用钢板必须具有的最小δ5值，各标准并不一样，GB9222规定的是18％。

ψ是表征金属塑性的一个较为真实的指标，为了防止焊接时的层状撕裂，锅筒和大梁用的特厚板厚度方向的ψ值应高一些）。

2.1.3冲击韧性金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定；其很大程度上反应了钢的冶金质量和成品热处理的质量，是材料的强度和塑性的综合表现。

金属材料元件设计选材时，不能忽视钢材的冲击韧性。

2.1.4钢管和钢板的工艺性能压扁试验用来模拟受热面和管道弯管工况，同时也可暴露表面检查时不易发现的钢管表面折叠、重皮等缺陷。

扩口试验用来模拟胀管工况，但有时还不足以表征胀管所要求的材料特性。

钢板冷弯试验用来表征钢板冲压、卷板时的塑性，也可暴露钢板的某些缺陷。

2.1.5金相组织金属材料的显微组织类型、实际晶粒度、表面脱碳、夹杂物等级等，是钢材冶金质量和成品热处理质量的直接反映，并从根本上决定了金属材料的力学性能和工艺性能。

显微组织类型：GB5310规定的组织类型是根据组织与热强性能之间的关系制定的。

如12Cr2MoWVTiB、12Cr3MoVSiTiB钢管中出现自由铁素体将明显降低持久强度；12Cr1MoV 的贝氏体或珠光体过少也会降低持久强度；15CrMo、12Cr1MoV若出现不完全相变产物将明显降低热强性。

实际晶粒度：实际晶粒度的级别差不能过大，否则也会降低热强性。

表面脱碳：受热面管的脱碳将明显降低钢管的热强性能。

夹杂物等级：级别高也一样地降低热强性能。

2.1.6成品状态钢板、钢管成品表面和部存在的缺陷可能成为开裂源，须通过适当的无损和表面检测手段进行控制。

成品表面的防护涂层、标记对钢材的验收和金属材料元件的制造均有影响，应严格按有关规定执行。

2.1.7探伤对于高温高压及重大结构用钢材，对其进行必要的探伤是控制材料质量是非常重要不可替代的，由于破坏性试验总是在实物上取部分材料来进行试验，以代表该材料的性能，总是有局限性的，而采用探伤的手段对材料进行整体的检查可以对材料全面的进行检查，能够找出存在的缺陷，是否超出标准规定，是检验材料整体连续性的有效手段。

根据钢铁材料的不同形状，用途和标准要求，采用不同的探伤方法，主要的探伤方法有：水压，超声波，涡流，磁粉，着色，渗透，漏磁等，每一种方法都有其偏重的检查围，对于重要的材料，往往不是一种方法就可以达到要求，而是采用其中的几种方法，以达到全面检验的目的，根据需要可以采用不同的标准，方法和合格的级别来控制产品的质量。

2.1.8其它特殊性能要求部分材料由于使用的部位及运行环境等比较特殊，很可能会提出超出一般技术要求的特殊性能要求，比如：锅炉材料中的汽包用钢板和吊杆用料，由于压力大，又处于高温下，部件本身重量大等等原因，材料必须要保证高温瞬时拉伸性能，原材料必须超声波探伤合格。

随着核电材料的应用，很可能会提出较一般技术要求高得多的特殊性能要求，比如：硬度，侧向膨胀量，铁素体含量，线胀系数等等。

2.2 设计用的性能金属材料元件设计与寿命估算用的材料性能数据，是根据材料研制和评定的试验结果以及正式供货后大量的试验结果统计得出的。

所推荐的金属材料性能数据会不断修正。

这实际上是使用性能：设计时为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等，与温度还有关系），物理性能（密度、比热容、热导率、热扩散率、线膨胀系数、电阻率、弹性模量、泊松比等），化学性能（抗氧化性、抗腐蚀性、热稳定性等）。

使用性能决定了材料的应用围、使用安全可靠性和使用寿命。

2.2.1 短时强度锅筒、大梁以及一部分受热面元件和管道的强度计算时需要钢的短时强度保证值（是指室温和中温下的抗拉强度和屈服强度的统计下限值）,这是因为工作温度未在材料的蠕变温区。

2.2.2持久强度和蠕变强度锅炉受热面、集箱、高温吊杆等元件在强度计算时需要持久强度（在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，是指在一定温度和规定持续时间引起断裂的最大应力值，以σT t表示，其中T示温度℃，t示时间h）统计平均值，运行监督时需要蠕变强度（材料在一定温度下、在规定的持续时间之，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度，此时所能承受的最大应力）性能值。