《金属材料基础知识》
第一部分金属材料及热处理基本知识
一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面：
1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。
2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。
二，材料力学基本知识
金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某
一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能
称为材料的力学性能。
承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指
标可以通过力学性能试验测定。
1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可
以通过拉伸试验测出。抗拉强度σ b 和屈服强度σ s 是评价材料强度性能的两
个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σ s 作为强度指标，并加安全系数。
2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性
的指标通常用伸长率和断面收缩率。
L1--- 试件拉断伸长率δ =[ （L1— L0） /L0]100%L0---试件原来的长度
后的长度
断面收缩率φ =[（A1 —A0 ）/A0]100%
A0---- 试件原来的截面积A1--- 试件拉断后颈缩处的截面积
断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。
对必须承受
强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。
3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过
测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。
工程中常用的硬度测试方法有以下四种
（1）布氏硬度 HB （2）洛氏硬度 HRc（ 3）维氏硬度 HV
（4）里氏硬度 HL
4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。
材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的
功称为冲击吸收功。以 Ak 表示，Sn 为断口处的截面积，则冲击韧性 ak=Ak/Sn。
在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。
三金属学与热处理的基本知识
1，金属的晶体结构 --物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不
同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。
晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
（1）体心立方晶格，如金属α-铁、δ—铁、β --Ti 、 Cr、V 等。
（2）面心立方晶格，如金属α-铁、 AI 、Cu、Ni 等。
（3）密排六方晶格，如金属Mg、 Zn、γ --Ti 等。
实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，晶粒之间的界面称为晶界。晶界容易产生缺陷。高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程态，即原子由不规则状态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。
2，铁碳合金的基本组织
通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，因为钢和铸铁的成分虽然复杂，但是基本上是铁和碳两种元素组成的。一般把含碳0.02%--2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。碳含量低，其性质是“强而韧”，碳含量高，其性质是“弱而脆”，铁碳合金Fe—FeC 的金相结构有以下几种：（ 1）铁素体，（ 2）奥氏体，（ 3）渗碳体
承压类特种设备常用的碳素钢含碳量一般低于0.25%。
1，热处理的一般过程
热处理是将固态金属及合金按预定要求进行加热，保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。在实际生产中，热处理过
程是比较复杂的，但是其基本工艺过程是由加热，保温和冷却三个阶段构成
的，温度和时间是影响热处理的主要因素，任何热处理过程都可以用温度
-----时间曲线来说明。
2，承压类特种设备常用热处理工艺
根据钢在加热和冷却时的组织和性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。
（1）退火 ---- 将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完
全退火、不完全退火、消除应力退火等，承压类特种设备的消除应力退
火处理主要指焊后热处理（ PWHT），也有在焊接过程中间和冷变形加工
后进行消除应力处理的，其目的主要是消除焊接过程中产生的内应力及冷
作硬化。
（2）正火 ----将钢件加热到 Ac3 或 Acm 以上 30— 50℃，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的和退火基本相同，主要是细化晶粒，均
匀组织，降低内应力，正火和退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，
过冷度较大，钢正火后的强度、硬度、韧性都比退火高。
（3）淬火 ---- 将钢件加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其强度、硬度，这对于轴承、模具等工件是有用的，但是马氏体硬而脆，韧性差，内应
力很大，容易产生裂纹，所以承压类特种设备材料和焊缝的组织一般不希望
出现马氏体。
（4）回火 ----将经过淬火的钢件加热到 Ac1 以下的适当温度，保温一定时间后，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的热处
理工艺。回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温
度，可获得不同的强度、硬度、韧性，以满足所要求的力学性能。按回火
温度的不同可将回火分为低温、中温、高温回火三种。
