精品課程《機(jī)械常識(shí)》學(xué)習(xí)任務(wù)十金屬材料金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)（一）力學(xué)性能（二）耐腐蝕性能（三）物理性能（四）工藝性能

金屬材料分為兩大類，即黑色金屬和有色金屬。在元素周期表中除鐵、錳、鉻三種元素為黑色金屬元素外，其余的金屬元素均為有色金屬元素。通常將以鐵、錳、鉻為基的合金稱為黑色金屬，其中以鐵為基的合金通常稱為鋼。以其余金屬元素為基的合金稱為有色金屬。（1）按冶煉方法分類：平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼，每一種還可以根據(jù)爐襯材料的不同，分為堿性和酸性。按鋼液脫氧程度和鑄錠制度的不同，碳素鋼可分：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼（2）按用途分類：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能更鋼（3）按金相組織分類①按平衡狀態(tài)或退火狀態(tài)的組織分：亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、萊氏體鋼②按正火組織分：珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼③按加熱冷卻時(shí)有無相變和室溫時(shí)的金相組織分：鐵素體鋼、奧氏體鋼、馬氏體鋼金屬及合金在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)不同的使用目的、不同的工作條件，對(duì)金屬材料有不同的要求。金屬材料的性能主要包括以下兩個(gè)方面：1、使用性能。即為了保證機(jī)械零件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)件等正常工作，材料所具備的性能。包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。2、工藝性能。即材料在被制成機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)件、設(shè)備的過程中，適應(yīng)各種冷、熱加工（如鑄造、軋制、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工等）的性能。投入運(yùn)行的加氫反應(yīng)器（一）力學(xué)性能是指在外力作用下，材料抵抗破裂和過度變形的能力。包括下列指標(biāo)：強(qiáng)度、彈性、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、硬度等。1、強(qiáng)度:是指金屬材料在外力作用下對(duì)變形或斷裂的抗力。屈服強(qiáng)度，當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法抗拉強(qiáng)度指材料在外力的作用下，由開始加載到斷裂時(shí)為止所能承受的最大應(yīng)力。它是反映材料抵抗大量均勻塑性變形的強(qiáng)度指標(biāo)。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。2、彈性：指標(biāo)為彈性極限

e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。

3、塑性塑性是指材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力，指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。伸長(zhǎng)率：原始標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距(Lo)之比的百分率。斷后伸長(zhǎng)率(A)：斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(Lu-Lo)與原始標(biāo)距(Lo)之比的百分率。斷面收縮率(Z)：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(Su-So)與原始橫截面積(So)之比的百分率。老標(biāo)準(zhǔn)：延伸率δ、斷面收縮率ψ4、韌性是指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力。韌性常用沖擊功Ak和沖擊韌性值ak表示。5、疲勞強(qiáng)度:表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。6、斷裂韌性:材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌性。斷裂韌度是判斷材料內(nèi)部裂紋危險(xiǎn)性的一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)常被用在斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)中，或者用于在役壓力管道的安全評(píng)定和剩余壽命的評(píng)估上。

裂紋擴(kuò)展的基本形式7、硬度:指材料抵抗局部塑性變形的能力，現(xiàn)在多用壓入法測(cè)定。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕布氏硬度HB:將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。布氏硬度值可通過測(cè)量壓痕平均直徑d查表得到?？萍奸_發(fā)研究中心壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度?？萍奸_發(fā)研究中心洛氏硬度HR洛氏硬度用符號(hào)表示，HR=k-(h1-h0)/0.002在初載荷和總載荷（初載荷與主載荷之和）的先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除主載荷，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值。根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C科技開發(fā)研究中心HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。科技開發(fā)研究中心鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度HV將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度（136

）的正四棱錐體金剛石壓頭在載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d查表得到。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)?？萍奸_發(fā)研究中心金屬材料基本知識(shí)（二）耐腐蝕性能

金屬材料在特定的介質(zhì)環(huán)境中，會(huì)遭受腐蝕。腐蝕不僅會(huì)造成金屬的損失，更重要的是會(huì)導(dǎo)致金屬的破壞，從而威脅到壓力管道的安全。事實(shí)已證明，許多承壓類特種設(shè)備的破壞都與材料的腐蝕有關(guān)。材料的選擇應(yīng)避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，因?yàn)樗鼤?huì)帶來特種設(shè)備在不可預(yù)知的情況下突然斷裂，從而導(dǎo)致重大事故的發(fā)生;選用的材料應(yīng)有足夠的抗介質(zhì)均勻腐蝕的能力，以便材料不致于在短時(shí)間內(nèi)因腐蝕造成的特種設(shè)備壁厚急劇減薄而失效。金屬材料基本知識(shí)（三）物理性能材料的物理性能主要是指：密度ρ(kg/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熔點(diǎn)Tm(℃)、線膨脹系數(shù)、彈性模量E。（四）工藝性能1)切削加工性能：2)可鑄性:3)可鍛性：它是指通過鍛造等壓力加工方式而成形的能力。金屬材料基本知識(shí)15000噸重型自由鍛造水壓機(jī)4)可焊性：它是指金屬材料通過常規(guī)的焊接方法和焊接工藝而獲得良好焊接接頭的性能。通常，把金屬材料在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊接接頭區(qū)力學(xué)性能的變化作為評(píng)價(jià)材料可焊性的主要指標(biāo)。鋼材焊接性能的好壞主要取決于它的化學(xué)組成。而其中影響最大的是碳元素，也就是說金屬含碳量的多少?zèng)Q定了它的可焊性。鋼中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影響程度一般都比碳小得多。制造一般受壓容器所用鋼材的含碳量最好不大于0．25％5)熱處理性能：是指材料在熱處理過程中表現(xiàn)出的淬硬性、淬透性、變形、開裂、氧化、脫碳的傾向及晶粒長(zhǎng)大的傾向等。金屬材料基本知識(shí)（五）鋼的熱處理改善鋼的性能，主要有兩條途徑：一是合金化二是熱處理熱處理：是指將固態(tài)金屬或合金加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.金屬材料基本知識(shí)熱處理特點(diǎn):熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。鑄造軋制金屬材料基本知識(shí)熱處理分類其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等金屬材料基本知識(shí)（1）退火將鋼加熱到高于或等于奧氏體化臨界點(diǎn)，保溫一段時(shí)間后，緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火目的⑴調(diào)整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為170-250HB。⑵消除內(nèi)應(yīng)力，防止加工中變形。⑶細(xì)化晶粒，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。真空退火爐金屬材料基本知識(shí)正火溫度（2）正火將鋼加熱至奧氏體化溫度并保溫使之均勻化后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。一般在鋼廠進(jìn)行，目的在于改善熱軋狀態(tài)的力學(xué)性能，主要是提高塑性和韌性。對(duì)于低溫用鋼，通過正火可細(xì)化晶粒，達(dá)到低溫韌性要求。過熱；過燒金屬材料基本知識(shí)（3）淬火鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫后迅速冷卻，以得到馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。的目的是為獲得低碳馬氏體（板條馬氏體）或貝氏體組織。淬火溫度為Ac3+30-50℃。預(yù)備熱處理組織為退火或正火組織。金屬材料基本知識(shí)（4）回火將淬火或正火后的鋼加熱到相變點(diǎn)以下某一選定溫度，并保溫一段時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以消除淬火或正火所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，增加鋼的塑性和韌性的熱處理工藝。壓力管道用鋼回火一般采用高溫回火處理，回火后的組織一般為回火馬氏體或回火馬氏體+回火貝氏體。對(duì)于正火后獲得鐵素體+珠光體組織的鋼種一般沒有必要進(jìn)行高溫回火?；鼗鸫嘈裕褐复慊痄撛谀承囟葏^(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻通過該溫度區(qū)間的脆化現(xiàn)象。

回火脆化：鋼制壓力管道在380～570℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行，使鋼材脆化的現(xiàn)象。金屬材料基本知識(shí)1、第一類回火脆性又稱不可逆回火脆性。是指淬火鋼在250-350℃回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。2、第二類回火脆性又稱可逆回火脆性。是指淬火鋼在500-650℃范圍內(nèi)回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)的脆性.金屬材料基本知識(shí)調(diào)質(zhì)鋼材淬火后再進(jìn)行高溫回火的熱處理工藝。壓力容器用低碳鋼和低合金鋼采用調(diào)質(zhì)處理，可以提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，以更好發(fā)揮材料的潛力。穩(wěn)定化處理含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼在850～900℃加熱，并保溫一段時(shí)間，然后空冷，使碳充分與穩(wěn)定化元素（如鈦）形成碳化物，并使奧氏體晶內(nèi)元素?cái)U(kuò)散均勻，從而提高抗晶間腐蝕性能的處理方法。金屬材料基本知識(shí)固溶化處理：將奧氏體不銹鋼加熱至1100℃左右的高溫并保溫，使所有碳化物充分溶入奧氏體中，然后以較快的速度冷卻（一般采用水冷或風(fēng)冷），以獲得碳化物完全固溶于奧氏體基體內(nèi)均勻的單相組織，從而提高抗晶間腐蝕性和延展性的工藝方法。室溫下18-18-2鋼接觸聚合硫酸一小時(shí)后產(chǎn)生的晶間裂紋金屬材料基本知識(shí)不銹鋼在腐蝕介質(zhì)作用下，在晶粒之間產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕。產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼，當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，即會(huì)沿晶界斷裂、強(qiáng)度幾乎完全消失，這是不銹鋼的一種最危險(xiǎn)的破壞形式。晶閘腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線上，在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又稱刀狀腐蝕。金屬材料基本知識(shí)敏化溫度區(qū)不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕與鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的晶間腐蝕與加熱溫度和加熱時(shí)間的關(guān)系，當(dāng)加熱溫度小于450℃或大于850℃時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)闇囟刃∮?50℃時(shí)，由于溫度較低，不會(huì)形成碳化鉻化合物；而當(dāng)溫度超過850℃時(shí)，晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有足夠的鉻擴(kuò)散至晶界和碳結(jié)合，不會(huì)在晶界形成貧鉻區(qū)。450～850℃稱“敏化溫度區(qū)”，其中尤以650℃為最危險(xiǎn)。金屬材料基本知識(shí)過熱：鋼在加熱時(shí)，由于溫度過高，并且較長(zhǎng)時(shí)間保溫，會(huì)使晶粒長(zhǎng)得很粗大，致使性能顯著降低的現(xiàn)象。可通過正火或高溫?cái)U(kuò)散退火等方法矯正和恢復(fù)。過燒：鋼加熱時(shí)加熱溫度比過熱溫度還要高，達(dá)到固相線附近時(shí)，會(huì)發(fā)生晶界開始部分熔化或氧化的現(xiàn)象。不能用熱處理方法恢復(fù)，只能報(bào)廢。壓力容器用材的要求：1、保證安全性和經(jīng)濟(jì)性，材料應(yīng)有較高的強(qiáng)度；2、為保證承載時(shí)不發(fā)生脆性破壞，材料應(yīng)有良好的韌性；3、應(yīng)有良好的加工工藝性能，包括：冷加工、焊接等等；4、所用材料應(yīng)有良好的低倍組織和表面質(zhì)量，分層、疏松、非金屬夾雜、氣孔等缺陷應(yīng)盡可能少，不允許有裂紋、白點(diǎn)；5、高溫受壓元件用材，應(yīng)有良好的高溫特性；6、與腐蝕介質(zhì)接觸的材料應(yīng)具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。承壓類特種設(shè)備常用材料壓力容器常用鋼材一、鋼材形狀：主要是板、管材和鍛件1、鋼板主要用途：殼體、封頭、板狀構(gòu)件等加工要求：下料、卷板、沖壓、焊接、熱處理性能要求：較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能GB3531低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB6654壓力容器用鋼板承壓類特種設(shè)備常用材料科技開發(fā)研究中心2、鋼管主要用途：接管、換熱管等主要類型：無縫鋼管、直縫鋼管和螺旋焊縫鋼管加工要求：下料、焊接、熱處理性能要求：較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、焊接性能請(qǐng)比較各類鋼管的優(yōu)缺點(diǎn)3、鍛件主要用途：高壓容器的平蓋、端部法蘭與長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭等分級(jí)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別。級(jí)別越高，要求檢驗(yàn)項(xiàng)目越多，越嚴(yán)格，價(jià)格越高?？萍奸_發(fā)研究中心承壓類特種設(shè)備常用材料二、鋼材類型按化學(xué)成分分類：碳素鋼、低合金鋼、高合金鋼1、碳素鋼含碳量小于2.06％的鐵碳合金，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。壓力容器用鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235-B、Q235-C鋼板；10、20鋼鋼管；20、35鋼鍛件。壓力容器專用鋼板：20R（R表示壓力容器專用鋼板）20R的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合：強(qiáng)度低，塑性和可焊性較好價(jià)格低廉；常用于常壓或中、低壓容器；墊板、支座等零部件材料?？萍奸_發(fā)研究中心承壓類特種設(shè)備常用材料2、低合金鋼特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是一種低碳低合金鋼，合金元素含量較少（總量一般不超過3%），具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼。壓力容器常用低合金鋼鋼板：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、

09MnNiDR；07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR鋼管：16Mn、09MnD；鍛件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。（D表示低溫用鋼）科技開發(fā)研究中心承壓類特種設(shè)備常用材料3、高合金鋼壓力容器中采用的低碳或超低碳高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼；鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼（1）鉻鋼：0Cr13是常用的鐵素體不銹鋼有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和良好的切削加工性能在室溫的稀硝酸以及弱有機(jī)酸中有一定的耐腐蝕性但不耐硫酸、鹽酸、熱磷酸等介質(zhì)的腐蝕科技開發(fā)研究中心承壓類特種設(shè)備常用材料（2）