第一章金屬材料及熱處理基本知識
金屬材料（金屬及合金）的效能包括：力學效能（也稱為機械效能）、物理效能、化學效能和工藝效能。
合金：是由兩種或者兩種以上的金屬或者金屬與非金屬元素相互熔合而成的。
1.1金屬材料力學基本知識
一、金屬材料力學效能概述
金屬材料的力學效能指標表徵金屬抵抗各種損傷作用的能力大小，是金屬材料在外力作用下表現出來的特性。它是判定金屬材料力學效能的依據，評定金屬材料質量的判據，同時也是設計選材和進行強度計算的主要依據。
金屬材料的力學效能包括：
1. 常溫下的強度、硬度、彈性、塑性、韌性等，例如屈服點或屈服強度σs（σ0.2）、抗拉強度σb、伸長率δ、斷面收縮率ψ、衝擊韌性ak等；
2. 特定條件下的力學效能，例如高溫強度、低溫衝擊韌性、疲勞極限、斷裂力學效能等。
金屬力學效能試驗：是測定金屬力學效能指標所進行的試驗。包括拉伸試驗、彎曲試驗、剪下試驗、衝擊試驗、硬度試驗、蠕變試驗、應力鬆馳試驗、疲勞試驗、斷裂韌性試驗、磨損試驗等。
應當注意新的力學效能指標表示方法：
抗拉強度rm
上屈服強度（reh）
下屈服強度（rel）
規定非比例延伸強度rp0.2
斷後伸長率a
斷面收縮率z
衝擊吸收功（ak）
時效衝擊功
室溫夏比衝擊吸收功akv
脆性轉變溫度fatt（50％脆性斷口）
二、鋼材的效能
（一）、鋼材的物理效能
鋼材的物理效能一般包括：密度ρ，比熱容cp，熱導率λ，線膨脹係數，彈性模量e，電阻率r等。
（二）、鋼材的化學效能
耐腐蝕性：鋼材抵抗周圍介質腐蝕作用的能力。不鏽鋼具有相對優良的耐腐蝕性能。
抗氧化性：鋼材在一定溫度條件和外力作用下抵抗氧化的能力。耐熱鋼具有相對良好的抗氧化性，不鏽鋼的抗氧化性更好。
（三）、鋼材的力學效能
鋼材在一定的溫度條件和外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，稱為力學效能。
1.常規力學效能，如強度、塑性、硬度和韌性等。
2.高溫效能，如抗蠕變效能、持久強度、瞬時強度和熱疲勞性等。
3.低溫效能，如低溫衝擊韌性、脆性轉變溫度等。
（四）、鋼材的工藝效能
1.鑄造效能
2.切削加工效能
3.壓力加工效能
4.焊接效能
1.1.1應力與應變
應力：單位面積上的作用力。
σ = f/s0 (單位: n/m2 or pascal (pa))
應變：單位長度上的變化量，用來描述塑性變形和彈性變形程度。
l / l0 （無單位）
圖1.1.1-1 退火低碳鋼的拉伸曲線
通過拉伸試驗可以測得材料的彈性、強度、延伸率、加工硬化和韌性等重要的力學效能指標，它是材料的基本力學效能。
1.1.2強度
金屬材料強度指標：
（1）屈服強度
屈服強度（gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》）定義：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點。又區分為上屈服強度和下屈服強度。
（1）上屈服強度（reh），試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力；
（2）下屈服強度（rel），在屈服期間，不計初始瞬間效應時的最低應力。
材料在拉伸過程中，當載荷達到某一值時，載荷不變而試樣仍繼續伸長的現象，稱為屈服。材料開始發生屈服時所對應的應力，稱為屈服點（又稱屈服強度或屈服極限），用re （reh 、rel）表示。我國標準規定re取鋼材的下屈服點值（rel）。
隨著含碳量的增加，材料的抗拉強度增大。除退火或熱軋的低碳鋼和中碳鋼等有明顯的屈服現象外，多數工程材料（如高碳鋼、鑄鐵，以及大多數合金鋼等）的屈服點並不明顯或沒有屈服點。對這些材料，工程上規定試件發生某一微量塑性變形時的應力作為該材料的屈服點，用rp（σp0.
2）表示。例如規定以產生0.2%殘餘伸長（即塑性變形）的應力作為屈服點，其屈服強度用rp0.
2（σp0.2）表示。
（2）抗拉強度
抗拉強度（gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》）定義：相應最大力的應力為抗拉強度（rm）。而最大力(fm)是指試樣在屈服階段之後所能抵抗的最大力；對於無明顯屈服（連續屈服）的金屬材料，為試驗期間的最大力。
應力是指試驗期間任一時刻的力除以試樣原始橫截面積之商。
試樣拉伸時，在拉斷前所承受的最大載荷與試樣原始截面之比，稱為強度極限或抗拉強度，用rm（）表示。
（3）持久極限
持久極限又稱為持久強度，是指材料在規定溫度下，達到規定時間而不斷裂的最大應力。常用符號為帶有乙個或兩個指數來表示。例如，表示在試驗溫度為700℃時，持久時間為1000h的應力，即所謂高溫持久極限。
（4）蠕變極限
蠕變極限又稱蠕變強度，是指在規定溫度下，引起試樣在一定時間內蠕變總伸長率或恆定蠕變速率不超過規定值的最大應力。
1.1.3塑性
金屬材料塑性指標
（1）斷後伸長率（延伸率）
斷後伸長率（gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》）定義：試樣拉斷後標距的殘餘伸長（lu—lo）與原始標距（lo）之比的百分率為斷後伸長率（a）。其中，（lu）為斷後標距。
a＝（lu—lo）/ lo1.1.3-1)
（2）斷面收縮率
斷面收縮率（gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》）定義：斷裂後試樣橫截面積的最大縮減量（so—su）與原始橫截面積（so）之比的百分率為斷面收縮率（z）。其中，（su）為斷後最小橫截面積。
z＝（so—su）/ so1.1.3-3)
（3）冷彎效能
金屬材料在常溫下承受彎曲而不破裂的能力，稱為冷彎效能。冷彎試驗用以考核材料彎曲變形的能力並且能使存在的缺陷顯示出來，在一定程度上模擬了壓力容器製造時捲板機的工藝情況，是鍋爐壓力容器用鋼材與焊接接頭力學效能考核的重要指標。
出現裂紋前能承受的彎曲程度愈大，則材料的冷彎效能愈好。彎曲程度一般用彎曲角度或彎芯直徑d對材料厚度a的比值來表示。
1.1.4硬度
硬度是材料抵抗區域性塑性變形或表面損傷的能力。硬度與強度有一定的關係。一般情況下，硬度較高的材料其強度也較高，所以可以通過測試材料的硬度值來估算材料的強度。
此外，硬度較高的材料，其耐磨性也較好。
工程上常用的硬度試驗方法有：布氏硬度 hb、洛氏硬度 hr、維氏硬度hv、肖氏硬度hs和裡氏硬度hl。
檢驗中硬度檢測的應用
材料硬度值與其強度存在著一定的比例關係，對鋼鐵材料來說，其抗拉強度近似等於3.55倍的布氏硬度值；材料化學成分中，大多數合金元素都會使材料的硬度公升高，其中碳對材料硬度的影響最直接，材料中的碳含量越大，其硬度越高，因此硬度試驗有時用來判斷材料強度等級或鑑別材質；材料中不同金相組織具有不同硬度，一般來說，馬氏體硬度高於珠光體，珠光體的硬度高於鐵素體，鐵素體的硬度高於奧氏體，故通過硬度值可大致了解材料的金相組織、以及材料在加工過程中的組織變化和熱處理效果。加工殘餘應力與焊接殘應力的存在對材料的硬度也會產生影響，加工殘餘應力與焊接殘餘應力值越大，硬度越高。
正因為影響材料硬度的因素較多，工程上硬度檢測的應用也較多，鍋爐、壓力容器、壓力管道檢驗中硬度檢測的應用概括如下：
（1）對於一般的碳素鋼、低合金鋼制壓力容器，當材質不清或有疑問時，可通過測定硬度，並根據硬度與強度的關係，近似求出材料的強度值。常用的乙個換算公式：re=3.
28hv-221（適用於母材）；另一公式為rm≈3.55hb（適用於hb≤175的材料）
（2）鍋爐、壓力容器、壓力管道焊接性試驗中檢測焊接接頭斷面的母材、焊縫和熱影響區的硬度，據此判斷材料的焊接性和工藝的適用性的方法稱最高硬度試驗法。例如用最高硬度法評價材料的焊接性和工藝的適用性時，要求16mnr的hv≤390；15mnvr的hv≤400
（3）現場經常通過檢測母材、焊縫和熱影響區的硬度，判斷焊接工藝執**況和焊接接頭質量。
（4）鍋爐、壓力容器、壓力管道進行區域性或整體熱處理後，可通過對焊縫金屬、熱影響區及母材進行硬度測定，檢查熱處理效果，判斷焊縫接頭的消除應力情況。例如現場組焊的壓力容器，整體熱處理後焊縫金屬和熱影響區的硬度值要求不大於母材的120%（碳素鋼）或125%（合金鋼）。
（5）低合金鋼制壓力容器焊接返修時，對返修部位進行硬度測定，檢查返修補焊工藝的可行性及焊接質量。
（6）壓力容器使用過程中，由於壓力、溫度、介質等工況條件的影響，會出現脫碳現象。在用檢驗中，當懷疑有脫碳時，應對可疑部位進行硬度測定。
（7）鍋爐、壓力容器、壓力管道在高溫下長期使用後，有可能引起滲碳、滲氮、硫化、釩化及石墨化等現象。使材料的硬度改變。在用檢驗時，應選擇適當部位進行硬度測定。
（8）高強度鋼壓力容器在用檢驗中，應進行硬度檢測，了解焊接接頭是否有淬硬組織。
（9）在應力腐蝕環境中使用的壓力容器，在製造或在用檢驗中應進行硬度檢測，以判斷應力腐蝕傾向。例如，要求溼硫化氫應力腐蝕環境中的碳鋼hb≤200；合金鋼hb≤235；液氨儲罐材料臨界硬度為hv210。
（10）鍋爐、壓力容器、壓力管道的主要附件，例如螺栓、螺母等，當材質不清或熱處理狀態不明時，可通過測定硬度加以判斷。
1.1.5衝擊韌度(衝擊韌性)
1.1.5.1衝擊吸收功（ak）
衝擊吸收功是指材料在受到外加衝擊載荷的作用下，斷裂時所消耗能量大小的特性，即衝擊試樣所吸收的功，其單位為焦耳（j）。
1.1.5.2衝擊韌度（）
衝擊韌度很大程度上反映鋼的冶金質量和成品熱處理的質量，是材料強度（re、rm ）與塑性（a、z）的綜合反映。
衝擊韌度通常是在擺錘式衝擊試驗機上測定的。擺錘沖斷帶有缺口的試樣所消耗的功（即試樣在衝擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功）稱為衝擊吸收功，用ak表示；衝擊試樣缺口底部單位橫截面上的衝擊吸收功稱為衝擊韌度。若試樣斷口處橫截面積為sn，則衝擊韌度＝ak/sn，單位為j/cm2。
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