1 金屬材料基礎知識
金屬材料的基本知識僅介紹金屬材料的微觀結構、基本性能、常見元素對性能的影響以及金屬材料的分類及牌號標識等內容。
1.1 金屬的微觀結構
1.1.1碳鋼與鑄鐵
由95％以上Fe＋（0.05－4％）C組成的Fe、C合金。
1）鐵的內部結構
將鐵水緩冷到其凝固點1534℃以下，鐵水就開始結晶，直到全部結晶成固態鐵為止，溫度才又繼續下降。所結晶成的固體是由許多小顆粒組成，每個小顆粒具有不規則的外形，叫晶粒。
每個晶粒內部都是由無數個原子按一定的規律排列而成。若將各個原子的中心用線條連接起來，組成一個空間格子，可用來說明原子排列的規律性，這種空間格子叫“晶格”。
常見的金屬晶格形式：面心立方晶格 體心立方晶格
◆ Fe 的晶格形式
1534℃～1390℃ 體心立方排列叫δ鐵
1390℃～910℃ 面心立方排列叫γ鐵
910℃以下 體心立方排列叫α鐵
α鐵 γ鐵 δ鐵
這種在固態下晶體結構隨溫度發生改變的現象叫“同素異構轉變”。它是鋼鐵能夠進行多種熱處理而改變其性能的重要依據。
2）碳的存在形式
◆固溶體：就是由兩種或兩種以上的化學元素，在固態下互相溶解構成的單一均相物質。
◆鐵素體 碳溶解在體心立方晶格Fe原子之間形成的固溶體。是低碳鋼在常溫時的主體相。
◆奧氏體 碳溶解在面心立方晶格Fe原子之間形成的固溶體。是碳鋼在高溫時的組織。
◆滲碳體：鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體、奧氏體中時， “剩余”的碳與鐵形成的鐵碳化合物（Fe3C）的晶體組織。
◆石 墨：鑄鐵中的C >2.06% ，奧氏體最大溶碳量2.06％，剩余的C以石墨形式存在。
1.1.2鐵碳合金相圖（相圖略）
鐵碳合金相圖 是表示不同成分的鐵碳合金在不同溫度下所具有的狀態或組織的關系圖。
相圖的作用 通過鐵碳合金相圖能掌握鋼的組織隨成分和溫度變化的規律,以便能夠正確制定熱處理和熱加工的工藝，是改變其組織，獲得所需要的性能的依據。
相圖中有：
兩個組元： 鐵（Fe） 性能表現為強度和硬度較低，塑性和韌性較好
滲碳體（Fe3C） 性能表現為硬而脆
四個基本相：液相（L）、鐵素體（а）、奧氏體（γ）和滲碳體（Fe3C）
兩個次生相：珠光體（鐵素體＋滲碳體的兩相機械混合物）具有良好的強度和硬度又具有良好的塑性和韌性，屬常溫穩定組織
萊氏體（奧氏體＋滲碳體的兩相機械混合物）
在平衡狀態下：
C＝0.8％ 珠光體 共析鋼
C<0.8% 鐵素體＋珠光體 亞共析鋼（GS亞共析鋼線）
C>0.8％ 滲碳體＋珠光體 過共析鋼（ES過共析鋼）
GS線：C<0.8％的鐵碳合金加熱時鐵素體向奧氏體轉變的終了溫度線（Ac3），或者冷卻時奧氏體向鐵素體轉變的開始溫度線（Ar3）。
ES線： 0.8％<C<2.06％的鐵碳合金加熱時滲碳體向奧氏體轉變的終了溫度線（Accm），或者冷卻時奧氏體向滲碳體轉變的開始溫度線（Arcm）。
PSK線：鐵碳合金加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度線（Ac1），或者冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度線（Ar1）。
1.1.3碳鋼的熱處理
● 熱處理：就是利用鋼在固態范圍內的加熱、保溫和冷卻以改變其組織，獲得所要求的性能。按照熱處理的操作及其過程所發生的組織變化的不同，將熱處理分為淬火、回火、退火及化學熱處理。
淬火：是將鋼加熱至超過臨界溫度以上，保溫一定時間后,以快速冷卻,使其得不到穩定的組織。
目的：是為了獲得馬氏體以提高工件的硬度和耐磨度。
回火：是將淬火后的鋼重新進行不超過臨界溫度（GS線）時加熱，使之得到較為穩定的組織。根據對零件機械性能的具體要求回火的加熱溫度分為低、中、高溫三種。
目的：消除淬火后工件的內應力，并降低材料的脆性。鋼件在淬火后，幾乎總是跟著回火。
退火：退火處理時用來消除鋼材在焊接、鑄造或鍛造后遺留下來的粗晶組織和內應力，降低硬度，增加塑性和韌性，消除偏析。
完全退火—將鋼加熱到GS線以上20～30℃，經保溫后隨爐緩冷或埋在保溫灰中緩冷。
低溫退火—加熱至小于臨界點PSK的溫度而后緩慢冷卻。
目的是消除工件在焊接過程中所形成的內應力，以防脆裂。
正火：是退火的一種變態，它與退火不同之處是在靜止空氣中冷卻。
1.1.4 常用壓力管道材料使用的熱處理狀態
1.2金屬材料的基本性能
金屬材料的基本性能一般包括:
機械性能、耐腐蝕性能、物理性能、制造工藝性能和經濟性。
l.2.1機械性能（5.13/P168）
材料的機械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和過度變形的能力。
它包括材料的強度指標、彈性指標、塑性指標、韌性指標、疲勞強度、斷裂韌度和硬度等。
1.2.2．耐腐蝕性能(化學性能)
腐蝕不僅會造成金屬的損失，更重要的是會導致金屬的破壞，從而威脅到壓力管道的安全。事實已證明，許多壓力管道的破壞都與材料的腐蝕有關。
◆ 材料的選擇應避免應力腐蝕的發生，因為它會帶來壓力管道在不可預知的情況下突然斷裂，從而導致重大事故的發生;
◆ 選用的材料應有足夠的抗介質均勻腐蝕的能力，以便材料不致于在短時間內因腐蝕造成的管道壁厚急劇減薄而失效。等等。
1.2.3物理性能
材料的物理性能主要是指：
密度ρ(kg/m3)、導熱系數、比熱、熔點Tm(℃)、線膨脹系數、彈性模量E、比重
1.2.4.制造工藝性能
材料的制造工藝性能也是影響材料選擇的一個重要因素，主要有：
1) 切削加工性能; 2)可鑄性;3)可鍛性; 4)可焊性; 5)熱處理性能;
1.2.5材料的經濟性
材料的選擇不能脫離經濟性這個杠桿作用，這就是工程材料研究與一般材料研究區別的顯著標志。選材的原則：
1) 設計選材既要可靠，又要經濟，能用低等級材料時就不要選用高等級材料。
2) 對材料的制造要求也應適當，要結合使用條件來規定各項檢查試驗要求。
3) 對于每一種金屬材料來說，以上各類性能不可能都是優秀的，選用材料時，只能揚長避短，物盡其用。
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1.3 溫度對金屬材料性能的影響
1.3.1金屬材料在高溫下的性能變化
1）材料的蠕變及應力松弛
材料的蠕變： 當材料的使用溫度超過其熔點的(0.25～0.35)倍時，金屬性能已處于不穩定狀態，此時若在外力的作用下，會出現這樣一種現象:雖然材料的應力不再增加，但其變形卻隨著時間的增加而繼續增大，而且出現了不可恢復的塑性變形。
◆一般情況下，對碳鋼，考慮蠕變發生的起始溫度為300～350℃，對鉻鉬合金鋼則為400～450℃。
應力松弛：與蠕變現象相反，當材料受高溫和外力的持續作用時可能會出現：材料的總應變量不變，使其中部分彈性變形轉化成了塑性變形，從而導致彈性應力降低，即意味著金屬材料被"放松"了。
2）材料的球化和石墨化
材料的球化：在高溫作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得能量而將發生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾在鐵素體內，尤其是對于珠光體碳鋼，其滲碳體會由片狀逐漸轉變成球狀。這種現象稱為材料的球化。
球化的結果：使得材料的抗蠕變能力和持久強度下降，而塑性增加。
◆ 一般情況下，碳鋼長期處于450℃以上溫度環境時，就有明顯的球化現象。
材料的石墨化：對于碳鋼和一些低合金鋼，在高溫作用下，其組織中會出現這樣一種現象:其過飽和的碳原子發生遷移和聚集，并轉化為石墨(石墨為游離的碳原子)。由于石墨強度極低，并以片狀存在于珠光體內，將使材料的強度大大降低，而脆性增加。這種現象稱為材料的石墨化。
◆一般情況下，碳鋼長期處于425℃以上溫度環境時，就有石墨化發生，而在475℃以上時則明顯出現。SH3059標準規定，碳鋼的最高使用溫度為425℃，而GB150規范則規定其最高使用溫度為450℃。
3）材料的高溫氧化
金屬的氧化 金屬材料處于高溫和氧化性介質(如空氣)的環境中時，將會被氧化。氧化產物為疏松的非金屬物質，容易脫落，故有時也稱其金屬的氧化為脫皮。
1.3.2金屬材料在低溫下的性能變化
在低溫情況下，材料因其原子周圍的自由電子活動能力和“粘結力”減弱而使金屬呈現脆性。一般情況下，對于每種材料，都有這樣一個臨界溫度，當環境溫度低于該臨界溫度時，材料的沖擊韌性會急劇降低。通常將這一臨界溫度稱為材料的脆性轉變溫度。為了衡量材料在低溫下的韌性，常用低溫沖擊韌性〈沖擊功〉來衡量.
1.4 常見元素對金屬材料性能的影響
黑色金屬材料的基本元素是鐵(Fe)，所以對材料性能的影響主要是指鐵以外的其它元素。
1.4.1常用碳素鋼中各元素對其性能的影響
碳素鋼中，其主要影響元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、銻(Sb)等雜質元素
a 碳(C)在碳素鋼中的作用
b硅(S)在碳素鋼中的作用
c硫（S）、氧(0)在碳素鋼中的作用
d磷(P)、砷(As)、銻(Sb)在碳素鋼中的作用
1.4.2．常用低合金鋼中各元素對其性能的影響
管道中除螺栓材料外，常用的低合金鋼為含碳量小于0.20％的碳錳鋼、硅鋼、鉻鉬鋼、鉻鉬釩鋼和鉻鉬釩鋁鋼，而螺栓材料則常用含碳量為0.25％～0.45％的鉻鋼和鉻鉬鋼。
主要影響元素：碳(C)、錳(Mn)、鉻(Cr)、Mo、V、Si、Al
雜 質 元 素：S、O、P、As、Sb、
a碳(C)在低合金鋼中的作用同碳素鋼部分。
b錳(Mn)在低合金鋼中的作用
c鉻(Cr)在低合金鋼中的作用
d鉬(Mo)在低合金鋼中的作用
e 釩(V)在低合金鋼中的作用
f 硅(st)在低合金鋼中的作用
g 鋁(AL)在低合金鋼中的作用
h硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等雜質元素同在碳素鋼中的作用。
1.4.3常用高合金鋼中各元素對其性能的影響
壓力管道中常用的高合金鋼為含碳量小于0.10％的鉻鉬、鉻鎳、鉻鎳鉬耐熱鋼和不銹鋼。
高合金鋼中，其主要影響元素：碳(C)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鈦(TI)、硅(Si)等；
雜質元素：硫(S)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等。
a碳(C)在高合金鋼中的作用
b鉬在高合金鋼中的作用 與在低合金鋼中的作用相似。
c鎳(Ni)在高合金鋼中的作用
d 鈦(Ti)在高合金鋼中的作用
e硅(S)在高合金鋼中的作用