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、