压力管道材料基础知识1

1.材料及热处理基础知识
材料是人类用于制造物品、器件、构件产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础，通常人们把新材料，信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

压力管道在用的材料分为两大类：金属材料和非金属材料。

铁碳合金是工业上应用最广泛的材料。

1.1 铁碳合金
一、组元介绍
1.纯铁
1大气压下，T熔点=1538℃，20℃时ρ=7.87×103 kg/m3。

（1）纯铁的同素异构转变
组成元素相同的金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变。

①纯铁具有两个同素异构转变
图1 纯铁同素异构体与温度关系
②也是重结晶过程，遵循结晶的一般规律：
有一定的转变温度；形核+长大；需要△T；有结晶潜热。

（2）纯铁的性能
σb=180～280Mpa，σ0.2=100～170Mpa，HBS=50～80，δ=40～50%，Z=70～80%。

软、强度低，塑性好，很少作结构材料。

2.渗碳体（Fe3C）
C。

C%：6.69%，硬、脆（800HBW，是复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe
3
HV=950～1050，αk≈0，δ≈0），属于亚稳相：
形状：片、网、条状；不易受硝酸酒精腐蚀，在显微镜下呈白亮色。

二、Fe－C合金中的基本相
L、Fe
C 、γ（A）、α（F）、δ
3
1.铁素体（α或F）
C溶于α－Fe中的间隙固溶体。

α－Fe的晶格间隙很小（约0.364），比C原子半径（0.77）小很多，故溶C量很小；在727℃，最大溶C量为0.0218%，室温下几乎为0。

因而性能与纯铁相近。

属于铁磁相。

2.奥氏体（γ或A）
C在γ－Fe中的的间隙固溶体。

γ－Fe的晶格间隙半径为0.535，故溶C
量比α－Fe大，在1148℃为2.11%，在727℃为0.77%。

其力学性能特点是强度低，塑性好，易于锻压成型。

三、Fe－C合金中的组织
除单相组织F、A 、 Fe3C外，还有：
1.珠光体（P）
C，为层片状机械混合物，含0.77%C，性能介于二者之间，具有一定P=F+Fe
3
的综合机械性能（σb=750～900MpA.HBS=180～280，δ=20～25%，αk=30～
40J/cm2）。

2.莱氏体（Le）
3.马氏体：
是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。

当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生, 温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。

马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。

平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够的扩散时间，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。

四、Fe－C相图分析
1.点、线、区分析
三条水平线
二条固溶度线
四条单相固溶体的转变开始和终了线
三个重要温度
（3）相区：（15个）
单相区（5个）两相区（7个）三相区（3个）
图2 以相分区的Fe－C相图
特性
线
名称含义
ACD 线液相
线
液态合金冷却至此线，将分别结晶出A+Fe3C1
AECF 线固相
线
液态合金冷却至此线，将全部结晶为固体
ECF 线共晶
线
凡是Wc>2.11%的铁碳合金，缓冷至此线，均发生共晶转变，生成L4
PSK 线共折
线A1
线
凡是 Wc>0.0218%的铁碳合金，缓冷指此线，均发生共折转变，生成P
GS线A3线Wc<0.77%的铁碳合金，缓冷时，由A折出F的开始线，也是缓慢加热时，F转变为A的终了线。

ES线Arm线碳在A中的溶解度曲线，当Wc>0.77%的铁碳合金，由高温
2.典型Fe－C合金结晶过程分析
根据相图，将Fe－C合金分为3大类7种工业纯铁：＜0.0218%C，
钢（0.0218 %～2.11%）：
亚共析钢（0.0218 %～0.77%）
共析钢（0.77%）
过共析钢（0.77%～2.11%）
铸铁（2.11 %～6.69%）
亚共晶铸铁（2.11 %～4.30%）
共晶铸铁（4.30%）
过共晶铸铁（4.30 %～6.69%）
（1）C%与平衡组织间的关系
室温组织：
（2）C%与力性关系
图4 C%与力性关系
1.2 材料的合金化
基本元素
钢的基本元素是铁元素和碳元素。

残留元素
铁是一种金属元素，是构成钢的基础。

铁加上其它金属或非金属元素，经过熔炼，获得具有各种性能的合金。

添加元素
碳是构成钢的一种非金属基本元素。

残留元素与添加元素
1）残留元素
钢中的残留元素是在它的冶炼过程中残留下来的。

残留元素除锰、硅，硫、磷以外，还有微量的氧、氮、氢等元素。

残留元素中，有些是有利元素，它的存在可以提高钢的品质或改善钢的某些性能，如锰、硅等，因此冶炼时应保证其有一定的含量。

有些残留元素则是有害元素，如氧、氢、磷、硫等，所以应尽量清除或严格限制其含量。

但有些有害元素也有某些有利之处，因而在作为某种专门用途的钢中，仍应保留适当的含量。

例如碳钢中的硫，具有改善钢材切削加工性能的作用，所以在易切削钢中适当提高其含硫量。

2）添加元素
添加元素是为了获得或者是改善钢的某种特性而在炼钢过程中加入的元素。

添加元素的种类很多，常见的有锰、硅、铬、镍、钼、钛、铌、硼等。

钢中添加哪些元素及添加元素的含量应根据每种钢的专门用途确定。

例如在中强度钢中主要加入锰、钼和少量的钒、铌、硼等；而在高强度钢中则加入较多的铬、锰、钼或镍等。

硅：钢中常含有0.2～0.3%的硅，但当含量超过0.5%时，硅就成为合金元素，硅能显著地提高钢的强度极限，在调质结构钢中，硅能增加钢的淬透性及淬火后的抗回火性，所以硅钢常被用作调质结构钢。

但钢中含硅量的增加，使其可焊性变差。

锰：当钢中锰含量超过1%时，锰就成为合金元素，这种钢称为锰钢。

锰钢具有足够的韧性和较高的强度和硬度，锰能消除由含硫而引起的热脆性，改善钢的热加工性能。

总的说来锰元素对钢的性能影响是利多弊少，故常用锰作为合金元素加入钢中制成各种合金钢。

钒：是我国储量丰富的元素之一，加入钢中和碳、氮、氧形成极为稳定的化合物以减弱碳和氮的不利影响。

钢中加入0.5%以下的钒，能提高钢的强度、低温韧性；改善钢的可焊接性，增加钢的抗蠕变性能。

钛：是普通低合金钢中使用较多的元素之一。

钢中加入少量钛，能使钢的内部组织致密显著地提高其强度，并可改善焊接性，提高抗腐蚀能力。

但钛含量不宜过高，以0.03%～0.12%为宜。

钼：钼在铁素体中的最大溶解度可达4%，有明显的固溶强化作用。

钼能防止钢的回火脆性，在钢中加入0.5%钼，即可抑制回火脆性。

钼还能推迟冷奥氏体向珠光体的转变，从而对钢的组织产生显著影响。

钒：钒是非常强的碳化物形成元素，通过沉淀硬化和细化晶粒来强化钢的强度和韧性。

硼：钢中的用量很少，可以提高钢的淬透性，可以改善钢的高温强度。

合金元素在钢中的存在形式
钢中除铁、碳这两种基本元素外，还含有许多其它合金元素，包括金属元素和非金属元素。

这些元素在平衡状态（退火或高温回火）的钢中的存在主要有以下的三种形式。

1.与钢中的碳化合成碳化物如锰、铬、钼、钨、钒、铌、钛、钽、锆等
2.溶解于铁素体（或奥氏体）中形成固溶体。

3.与钢中的氮、氧、硫等化合，生成氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物。