n 概述
金屬材料是製造裝置最常用的材料，因此了解和掌握金屬材料效能是十分必要的，通常所指的金屬材料效能是指金屬材料的使用效能和工藝效能。如力學效能（強度、硬度、塑性、韌性等）、物理效能（密度、熔點、導熱性、熱膨脹性等）、化學效能（耐腐蝕性、熱穩定性等）等使用效能和冷、熱加工（鑄造、焊接、熱處理、壓力加工、切削加工等）的工藝效能。
n 材料力學的基本知識
n 金屬材料在加工和使用過程中的基本特徵
都要承受不同形式外力的作用
都會產生抵抗這些外力作用的能力（這種能力稱為材料的力學效能如屈服極限、抗拉強度、硬度、衝擊韌度、伸長率等）直至能力消失而發生變形以至斷裂破壞
n 應力與應變
內力：是指材料內部各部分之間的相互作用的力，在未受外力作用時，材料內部相互平衡並保持其固有的形狀。當受到外力時，這種固有的平衡被打破，相互之間作用力會改變，材料會發生形變，這是由於材料在外力作用下產生的附加內力的結果，通常簡稱它為內力。
應變與應力：物體在外力作用下，其形狀尺寸所發生的相對改變稱為應變；物體在外力作用下而變形時，其內部任一截面單位面積上的內力大小通常稱為應力；方向垂直於截面的應力稱為正應力。
應力的種類：拉應力、壓應力、剪下應力、彎曲應力、交變應力等。
應力集中的概念：由於截面的尺寸突然變化而引起的應力區域性增大的現象稱為應力集中。
n 強度
金屬的強度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力，材料強度可以通過拉伸試驗測出。
金屬材料拉伸試驗
● 彈性階段
● 屈服階段
● 強化階段
● 頸縮階段
從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：
（1）oe———彈性變形階段
（2）es———屈服階段
（3）sb———強化階段
（4）bk———縮頸階段
n 應用：
抗拉強度、屈服強度是評價材料效能的兩個主要指標。一般特種裝置金屬材料構件都是在彈性狀態下工作的，不允許發生塑性變形，所以在特種裝置設計中都選擇了適當的安全係數來保證。一般設計若以抗拉強度作為指標時，鍋爐規範規定安全係數一般為ns＝1.
5，壓力容器規範規定安全係數一般為ns＝1.6；若採用屈服強度作為指標時，鍋爐規範規定安全係數一般為nb＝2.7，壓力容器規範規定安全係數一般為ns＝3.
0。n 材料屈強比概念：材料屈服極限和強度極限的比值稱為屈強比。
n 塑性
塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發生不可逆永久變形的能力。
評定與計算：材料塑性的指標通常用伸長率δ和斷面收縮率ψ。
伸長率可用下式確定：
δ＝［（l1－l0）/l0］×100％；
l0—試件原標距長度， l1—拉斷後試件標距長度。
斷面收縮率可用下式確定：
ψ＝［（a0－a1）/a0］×100％
式中：a0－試件原來截面積，a1－拉斷後試件頸縮處的截面積
應用：鍋爐壓力容器對材料塑性要求是有一定限度的，並不是越大越好，應合理選擇。單純追求塑性會限制材料的使用能力，造成材料的極大浪費。
n 硬度
定義：是指材料抵抗區域性塑性變形或表面損傷的能力。
試驗：通常有以下幾種試驗形式：布氏硬度hb、洛氏硬度hr、維氏硬度hv、裡氏硬度hl。
應用：● hb主要用於測定硬度較低的材料，如退火、正火、調質處理的鋼材。
● hr主要用於測定硬度較高的材料，其中hrb測定同hb，hra和hrc用於測定淬火鋼、硬質合金、滲碳層等。
● hv主要用於測定金屬表面硬度，如測定金相組織中不同區域的硬度，測定焊縫不同區域的硬度。
● hl主要用於現場構件材料表面硬度的測定，測後可以直接讀出硬度值，並能及時轉換為布、洛、維等各種硬度值。
n 衝擊韌性
定義：是指材料在外加衝擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特性。
試驗：通常是在擺式衝擊試驗機上測定的。衝擊韌性αkv（αku）＝ak／sn 。
應用：材料衝擊韌性的高低，取決於材料有無迅速塑性變形的能力，衝擊韌性高的一般都有較高的塑性，但塑性較高的材料卻不一定都有較高的衝擊韌性。衝擊韌性是對材料的化學成分、冶金質量、組織狀態、內部缺陷以及試驗溫度等比較敏感的乙個質量指標，同時也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標。
n 金屬學與熱處理基本知識
n 金屬的晶體結構
定義：內部原子呈規則排列的物質稱為晶體，原子的排列方式稱為晶體結構。(最小結構單元表示晶格稱為晶胞)
晶體結構種類：有體心立方晶格、麵心立方晶格、密排六方晶格，實際使用的金屬是由許多晶粒組成的，又叫多晶體。
應用：金屬材料在冶煉過程中是由高溫的液態金屬冷卻轉變為固態金屬的結晶過程，結晶總是從晶核開始（晶核通常是依附於液態金屬中固態微粒雜質而形成），液體中原子不斷向晶核聚集，使晶核長大，直至所有的晶粒長大到互相接觸，結晶即告結束。實際晶體的原子排列並非完美無缺，在排列中常常會出現空位、間隙原子、置代原子、位錯等微觀缺陷。
晶格缺陷會使材料的物理、化學效能發生改變，例如空位、間隙原子、置代原子的存在引起周圍晶格畸變，導致金屬材料屈服強度和抗拉強度增高，而位錯的存在則會材料容易塑性變形，強度降低。
n 知識點
一、鐵碳合金的組元與基本相
n 知識點二 fe- fe3c相圖分析
n 鐵碳合金的基本組織
定義：通常把鋼和鑄鐵統稱為鐵碳合金，一般把碳含量0.02％～2.0％的稱為鋼，含碳量大於2.0％的稱為鑄鐵。鍋爐壓力容器壓力管道用鋼含碳量一般低於0.25％。
基本組織形式
● 鐵素體：碳溶於α－鐵或δ－鐵中的固溶體（α－鐵和δ－鐵都是體心立方晶格），用「f」表示，在770℃以下它具有鐵磁性。
● 奧氏體：碳溶於γ－鐵中的固溶體，用「a」表示。僅存在於727℃以上的高溫範圍內，它不具有鐵磁性。
● 滲碳體：鐵和碳的金屬化合物，含碳量為6.67%，符號為「fe3c」。
● 珠光體：層片狀鐵素體與滲碳體構成的機械混合物。它有較高的硬度和強度，塑性較好。
應用：從鐵碳合金狀態圖中可知，含碳量為0.77％的鐵碳合金只發生共析轉變，其組織是100％珠光體，稱為共析鋼。含碳量＞0.
77％的鐵碳合金稱為過共析鋼，其組織是珠光體p＋滲碳體fe3c；含碳量＜0.77％的鐵碳合金稱為亞共析鋼，其組織是鐵素體f＋珠光體p。組織中鐵素體f的含量越多，表明碳含量越低，則材料的塑性和韌性就越好，但強度和硬度就隨之降低。
n 熱處理的一般過程
定義：熱處理是將固態金屬及合金按預定的要求進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織從而獲得所要求效能的一種工藝過程。
熱處理過程：熱處理過程主要是由加熱、保溫（時間）、冷卻三個階段構成的，溫度和時間是影響熱處理的主要因素，因此熱處理過程都可以用溫度－時間曲線來表述。
應用：熱處理的加熱目的是使珠光體p向奧氏體a的轉變，使剩餘鐵素體f向奧氏體a溶解，直至組織為單一奧氏體a。保溫的目的是使晶粒內的成分擴散均勻，獲得均勻的奧氏體a。
冷卻的目的是使加熱轉變的奧氏體a分解，隨著冷卻速度的不同，奧氏體分解的產物的形態、分散度及效能都將發生不同的變化。
n 鋼的熱處理常識
n 金屬材料常用的熱處理工藝
n 退火
定義：將鋼試件加熱到適當的溫度，保溫一定的時間後緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝，稱為退火。根據材料化學成分和熱處理的目的的不同，退火又可分為完全退火、不完全退火、消除應力退火、等溫退火、球化退火等。
完全退火又稱重結晶退火，其方法是將工件加熱到ac3以上30～50℃，保溫後在爐內緩慢冷卻。
不完全退火是將工件加熱到ac1以上30～50℃，保溫後緩慢冷卻的方法。消除應力退火是將工件加熱到ac1以下100～200℃，保溫後緩慢冷卻使工件產生塑性變形或蠕變變形帶來的應力鬆弛的方法。
n 正火：
正火是將工件加熱到ac3或acm以上30～50℃，保持一定時間後在空氣中冷卻的熱處理工藝。
目的是細化晶粒，均勻組織，降低內應力。由於正火的冷卻速度較快，過冷度較大，易使組織中珠光體量增多，且珠光體片層厚度減小，所以正火後的鋼強度、硬度、韌性都比退火的鋼高。許多鍋爐壓力容器用的鋼板都是以正火狀態供貨的。
n 淬火：
淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，經過適當的保溫後快冷，使奧氏體轉變為馬氏體的過程。
目的是通過淬火獲得馬氏過組織，以提高材料硬度和強度。如軸承、模具等工件。鍋爐壓力容器材料和焊縫的組織不希望有馬氏體。
n 回火：
回火是將經過淬火的鋼加熱到ac1以下的適當溫度，保持一定時間，然後用符合要求的方法冷卻（通常是空冷），以獲得所需組織和效能的工藝。
低溫回火（150-250）；
中溫回火（350-450）；
高溫回火（500-650）三類。
（高溫回火又稱為調質處理）
回火多與淬火、正火配合使用。
目的是降低材料的內應力，提高韌性。通過調整回火溫度，可以獲得不同的硬度、強度和韌性，以滿足所要求的力學效能。此外回火還可以穩定工件的尺寸，改善加工效能。
按回火的溫度不同可將回火分為低度、中溫和高溫回火三種。
n 奧氏體不鏽鋼的固溶處理和穩定化處理：
把奧氏體不鏽鋼加熱到1050～1100℃（此溫度下碳能在奧氏體中固溶），保溫一定時間（約每25mm厚度不小於1小時），然後快速冷卻至427℃以下（要求從925℃至538℃冷卻時間小於3分鐘），以獲得均勻的奧氏體組織的工藝稱為固溶處理。目的是保證其強度、硬度低而韌性好，並具有很高的耐腐蝕性和良好的高溫效能。
對於含有鈦或鈮的鉻鎳奧氐體不鏽鋼，為防止晶間腐蝕，必須使鋼中的碳全部固定在碳化鈦或碳化鈮中，以此為目的的熱處理稱為穩定化處理。即把鉻鎳奧氐體不鏽鋼加熱到850～900℃，保溫6小時，在空氣中冷卻或緩冷。
n 常用金屬材料
n 材料的一般要求
應有足夠的強度，即有較高的屈服極限和強度極限，以保證安全性和經濟性；
應有良好的韌性，以保證在承受外加載荷時不發生脆性破壞；
應有良好的加工工藝效能，包括冷熱加工成型效能和焊接效能；
應有良好的低倍組織和表面質量，不允許有裂紋和白點；
用於高溫元件的材料應具有良好的高溫效能，包括足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性，有良好的高溫組織穩定性和高溫抗氧化性；
與腐蝕介質接觸的材料應具有優良的抗腐蝕效能。
n 鋼的分類和命名方法
分類方法：鋼的分類方法有「按化學成份分類」和「按主要質量等級和主要效能及使用特性分類」兩種。
碳鋼的分類和命名
● 按含碳量分類：可分為低碳鋼，c≤0.25％；中碳鋼，c≤0.25％～0.6％；高碳鋼，c＞0.6％；
● 按鋼的質量（即s、p含量）分類：可分為普通碳素鋼，s≤0.050％；p≤0.
045％；優質碳素鋼，s≤0.040％；p≤0.040％；高階優質碳素鋼，s≤0.
030％；p≤0.035％；
第一講金屬材料及熱處理基本知識
一 金屬材料的力學效能 金屬材料的力學效能是指金屬材料在外力作用下所反映出來的效能。金屬常用的力學效能有 1.彈性金屬材料在受到外力作用時發生變形，外力消除後其變形逐漸消失的性質稱為彈性。剛性是指材料或構件在外力作用下抵抗彈性變形的能力。剛度 k f y 2.塑性金屬材料在受到外力作用時，產生顯著的...
金屬材料及熱處理
1.金屬材料的力學效能包括哪些？答 力學效能包括 強度 剛度 塑性 硬度 衝擊韌性和疲勞強度。2.什麼是疲勞現象？如何提高疲勞極限？答 疲勞現象 機械零件在交變應力作用下，雖然所承受的應力低於材料的屈服點，但經過長時間的工作後產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象。提高疲勞極限的方法 1 在零件結構設計中...
金屬材料與熱處理的基本知識
第一章鐵碳合金 第一節合金及其組織 一 合金的基本概念 1 合金 合金是以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經過融合而獲得的具有金屬特性的材料，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如，工業上廣泛應用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。與純金屬相比，合金具有更好的力學效能，可通過調整組...