电厂金属材料基础知识

金属材料的基础知识一、金属材料的分类方法：金属材料分为两大类：即黑色金属与有色金属1、黑色金属元素：铁、锰、铬2、有色金属元素：除上述三种元素外，其余称为有色金属元素。

通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，以铁为基的合金称为钢，以其余金属元素为基的合金称为有色金属。

二、金属材料的表示方法。

钢的编号方法：根据国标GB/T221-2000《钢铁产品牌号表示方法》的规定，一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。

世界各国的钢号表示方法不一致，主要因为习惯上各自采用本国的国家标准，某部门标准或协会团体标准中的钢号表示方法，这给技术交流等带来很大的不便。

有色金属的编号方法：有色金属及其合金编号方法与钢的编号方法大致相同，都是采用汉语拼音字母，化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。

因为铝合金与钛合金分类方法相对简单，放在铝合金和钛合金的材料牌号中一般不出现化学元素符号。

三、合金元素在钢中的作用铝<Al）熔点为660℃，主要用于脱氧和细化晶粒，在渗氮钢中促使形成坚硬耐蚀的渗氮层，含量高时，提高钢高及抗氧化能力，固溶强化作用大。

碳<C）是钢中的基本化元素之一，钢中随着碳含量的增加，其强度和硬度也随之增加，但其塑性和韧性则随之降低。

碳含量每增加0.1%，钢材抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高40~50MPa, 碳同时也能提高钢材的高温强度，在焊接碳含量较高的钢材时，焊接热影响区易出现淬硬现象，易产生冷裂纹的倾向。

因此，一般用于焊接结构压力容器，主要受压主件的碳素钢和低合金钢，其含碳量不应大于0.25%。

铬<Cr）熔点为1920℃，增加钢的淬透性并有二次硬化作用，在轴承钢和工具钢中，铬提高碳钢的耐磨性，在不锈耐热钢中，当超过铬含量12%时，使其具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性，介质腐蚀性能，并增加钢的热强性，但含量高时或处理不当，易产生α相和475℃脆相，钢的可焊性随铬含量增加而降低，主要是焊接过程中易产生冷裂纹。

铜<Cu）熔点为1083℃，铜的固溶强化作用仅次于磷。

铜不和碳形成碳化物，某些作用与镍相似，但较弱。

在低碳合金钢中，特别是与磷共同存在时，铜可提高其耐大气腐蚀性能。

钢中铜含量较高时对热变形加工不利，含量高于0.75%时，也给焊接作业带来困难。

锰<Mn）熔点1244℃，对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用，提高硬度和强度。

锰是弱碳化物形成元素，可形成合金渗碳体，并是良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，提高焊缝金属抗热裂纹能力。

锰降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，改善其力学性能。

锰为低合金钢的重要合金元素，并为无镍或少镍奥氏体不锈钢的主要合金化元素。

在高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢中，锰也是主要合金元素之一，锰还强烈增加钢的粹透性，并有增加晶粒细化和回火脆性的不利影响。

6、氧<O）熔点为-218.7℃，固溶中钢中氧超过溶解度部分的氧，以各种夹杂物的形式存在，则其对钢的塑性、韧性及疲劳性能不利，尤其使钢的冲击韧性下降并提高钢的脆性转变温度。

所以通常把钢中的氧作为有害的但又不可避免的元素。

在铁氧磁性材料中，氧增加矫顽力和电阻系数，降低导磁率，是有益的重要元素。

7、磷<P）熔点44℃，磷是钢中有害的伴生杂质元素，它以铁的磷化物形式存在于钢中，Fe3P与铁形成低熔点共晶，分布于晶界面而增加产生热裂纹的倾向，但磷也有其有利的一面，如磷对提高钢的强度及冷作硬化的作用很强，但这增加了钢的脆性，尤其是低温脆性。

磷与铜配合使用，可提高低合金钢耐大气腐蚀的性能，磷与硫、锰配合使用，可提高钢的被切削性。

8、硫<S）熔点为118℃，在铁中的溶解度很低，主要以硫化物的形式存在。

硫是残存在钢中的有害元素之一，硫化铁<FeS）与铁以及氧化铁<FeO）与硫都能形成一种低熔点共晶体，其熔点仅为988℃。

国此，钢中的硫含量高会降低钢材的高温塑性，加大钢材焊接时产生的热裂纹的敏感性。

9、硅<Si）熔点为1410℃，硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂，硅在钢中不形成碳化物，提高钢中固溶体的强度，冷加工变形硬化率的作用极强。

但同时也相应地降低钢的韧性和塑性。

硅还提高钢的淬透性和抗回火性，对钢综合的力学性能特别是对弹性极限，屈强比的提高较显著，并可增强钢在大气中的耐蚀性。

硅提高和改善钢的电阻率和磁导率，降低磁滞损耗，为硅钢片的主要合金元素。

硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素。

在高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。

实践证明：钢中含硅量达1-2%时，就有明显的高温抗氧化效果，但硅含量过高会导致钢的塑性下降，因此耐热钢中硅的含量一般在3%以下。

10、钨<W）熔点为3380℃，钨是强碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。

对钢的影响与钼相似，但效果不如钼显著。

四、金属材料组织1、奥氏体：不锈钢奥氏体是碳溶于γ铁中的固溶体。

在钢的各种组织中奥氏体的体积最小，线彭涨系数最大，除渗碳体外，在钢的各种组织中，奥氏体的导热性能最差。

奥氏体的塑性高，屈服强度低，容易塑性变形加工成形，所以钢的锻造加工常常要求在奥氏体稳定在高温区域进行。

2、铁素体铁素体具有体心立方点阵结构，碳在其中最大溶解度为0.0218%<727℃）室温是碳几乎不溶于铁素体中。

压力容器用碳素结构钢及低中合金钢均为碳含量小于25%的亚共析钢，这类钢在冷却过程中自奥氏体中析出先共析铁素体。

3、珠光体珠光体由铁素体与渗碳体机械混合组成，其典型形态为片状或层状。

钢中珠光体的力学性能主要取决于钢的化学成份和热处理后所获得的组织形态。

珠光体团直径和层间距离越小，强度越高，塑性也越大。

4、贝氏体R102钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，它一般是由铁素体和碳化物所组成的片状组织。

贝氏体大致可分为以下几种①上贝氏体②下贝氏体③无碳化物贝氏体④粒状贝氏体⑤反常贝氏体和粒状贝氏体5、马氏体：P91钢经过奥氏体化后快速冷却抵制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变称为马氏体转变。

钢中马氏体是最主要的特性就是高硬度，高强度，其硬度随含碳量的增加而升高，引起马氏体高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、碳原子的固溶强化和时效强化等。

五、力学性能1、金属材料在静拉伸下的力学性能金属材料在静拉伸下的力学性能指标主要有屈服强度<δs）、抗拉强度<δb）、伸长率<δ）和断面收缩率<ψ）。

A、屈服强度<δs）屈服强度<屈服点）是表征金属材料在静拉力作用下开始塑性变形的抗力指标，是项目技术上最为重要的力学性能指标之一。

因为在生产实际中，绝大部分项目构件和机械零件，在其服役过程中都处于弹性变形阶段，不允许有微量塑性变形产生，像高压容器，如其紧固螺栓发生塑性变形，即无法正常工作，屈服强度标志着金属对起始塑性变形的抗加，对于实际金属<多晶体）来说，因为起始塑性变形的非同时性特点，无法测定这一抗力指标，因而不得不用条件规定的办法。

对于退火，正火，调质状态的碳素钢和低合金钢存在物理屈服现象，在应力-应变曲线上出现上、下屈服点和屈服平台，这类材料取其下屈服点的强度为该材料的屈服强度。

B、抗拉强度<δb）抗拉强度是代表最大均匀塑性变形抗力的指标抗拉强度是静拉伸实验中最容易测定的力学性能指标，而且是重现性好的性能指标，所以适合于做为产品规格说明或质量控制的标志。

C、伸长率<δ）和断面收缩率<ψ）伸长率和断面收缩率是静拉伸下衡量金属塑性变形能力的指标。

2、冲击韧性和低温脆性<1）冲击韧性冲击韧性值的大小代表金属材料抗冲击载荷能力的大小，冲击载荷就是作用力在极短时间内有着很大变化幅度的载荷大小用AKV来表示，单位为焦耳。

<2）低温脆性除面心立方金属外，其他金属随温度下降都可能发生曲韧性向脆性的转变，其标志是在一定温度下冲击值或断面收缩率急剧下降，这种现象称为冷脆。

能明显改变晶粒大小的各种合金化，热处理手段，均能显著的改变金属材料的脆化趋势，晶粒越细，冷脆转变温度越低，冲击韧性值也越大。

3、断裂韧性断裂是项目构件最危险的一种失效方式，项目设计时必须考虑如何防止断裂事故，断裂有两种类型，即韧性断裂和脆性断裂，发生韧性断裂时，断裂前有明显的宏观塑性变形，容易被检测和发现。

而脆性断裂往往是突发的，事先很难发现断裂的征兆，因此脆性断裂比韧性断裂具有更大的危险性。

4、金属的疲劳零件在交变应力作用下的损坏称为疲劳损坏，据统计在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏，例如大多数轴类零件通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力，扭转应力，或者是两者的复合。

如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型！汽车的传动轴后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。

又如，齿轮在啮合过程中所受的载荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处于大拉小的状态中，这类情况为拉-拉疲劳，连杆不同于螺栓，始终处于小拉大压的负荷中，这类情况称为拉-压疲劳。

5、环境介质作用下力学行为(1)应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀材料的作用下引起的破坏称为应力腐蚀。

应力腐蚀主要特点有以下几个：造成应力腐蚀破坏的应力必须是拉应力。

这个应力可以是外加应力，也可以是焊接，冷加工或处理产生的残留应力，但必须是拉应力。

<2）氢脆氢脆就是金属材料因吸收氢而引起的脆化现象，引起金属脆化的氢有各种不同的来源。

<3）腐蚀疲劳金属材料在腐蚀介质与交变应力共同作用下所产生的失效现象称为金属材料腐蚀疲劳。

金属材料在腐蚀介质和交变应力联合作用下，那些单纯受腐蚀时表面形成的蚀坑或裂纹，本可有一层保护膜覆盖。

但同时还存在交变应力的作用，使这层保护膜不断受到破坏，以致暴露在腐蚀环境中的一直是新鲜的金属表面，这样腐蚀疲劳强度就大大下降。

6、工艺性能（1）焊接性金属材料焊接性是指被焊接金属在一般焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。

在焊接过程中有些材料容易产生某些焊接缺陷，如气孔，夹渣，裂纹等，并使焊缝和近缝区性能变化，所以往往需要特殊的工艺措施，应用特定的焊接方法，才能保证焊接质量。

（2）可锻性金属可锻性是衡量其经受锻压难易程度的工艺性能。

可锻性的优劣以金属的塑性和变形抗力来综合评定。

塑性高则金属变形不易开裂，变形抗力小则锻压省力，而且不易磨损工具和模具，这样的金属具有良好的可锻性。

金属元素含量越多，金属的可锻性就越差，金属的结晶组织与可锻性有很大关系。

由单一固溶体组成的合金，都有较好的可锻性。

如果合金中含有多种性能不同的组织，则锻压时因为各组织变形不均就容易开裂，因此锻造大都是在高级单一奥氏体区进行。