金属材料及热处理基础知识
1.1 概述：金属材料是制造特种设备最常用的材料，因此了解和掌握金属材料性能是十分必要的，通常所指的金属材料性能是指金属材料的使用性能和工艺性能。如力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）、化学性能（耐腐蚀性、热稳定性等）等使用性能和冷、热加工（铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等）的工艺性能。
1.2 材料力学的基础知识
1.2.1金属材料在加工和使用过程中的基础特征
(1)都要承受不同形式外力的作用；
（2）都会产生抵抗这些外力作用的能力直至能力消失而发生变形以至断裂破坏；
1.2.2应力与应变
（1）内力：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，材料内部相互平衡并保持与其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用下产生附加内力的结果，通常简称它为内力。（2）应变与应力：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变成为应变；物体在外
而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直与截面的应力称为正应力。
1.2.3 强度
（1）定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，材料强度可以通过拉伸试验测出。
（2）金属材料拉伸试验
①弹性阶段：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎克定律）。该阶段称为弹性阶段。
②屈服阶段：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增加（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力，此时的应力称为屈服极限或曰屈服强度。
③强化阶段：当变形超过屈服阶段，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，为使材料继续变形必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象，或曰强化阶段。
④颈缩阶段：当外加应力达到材料抗拉强度后，试件某一局部开始边细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。
（3）应用：抗拉强度、屈服强度是评价材料性能的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形，所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。
1.2.4塑性
（1）定义：塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆转永久变形的能力。
（2）珠光体：曾片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。它有较高的硬度和强度，塑性泛较好。
（3）应用：锅炉压力容器对材料塑性要求是有一定限度的，并不是越大越好，应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力，造成材料的极大浪费。
1.2.5硬度
（1）定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。
（2）试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。
（3）应用：HB主要用于测定硬度教低的材料，如退火、正火、调试处理的钢材。HR主要用于测定硬度教高的材料，其中HRB测定同HB，HRA和HRC用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。HV主要用于测定金属表面硬度。HL主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测后可以直接读出硬度值，并能及时转换为布、洛、维等各种硬度值。
1.2.6冲击韧性
（1）定义：是指材料在外加冲击载荷作用下段裂时消耗能量大小的特性。
（2）晶体结构种类：有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。
（3）应用：金属材料在冶炼过程中是由高温的液态金属冷却转变为固态金属的结晶过程，结晶总是从晶核开始，液体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大，直至所有的晶粒长大到互相接触，结晶即告结束。实际晶体的原子排列排列并非完美无缺，在排列中常常会出现空位、空隙原子、置代原子、位错等微观缺陷。晶格缺陷会使用材料的物理、化学性能发生改变。
1.3.2铁碳合金的基本组织
（1）定义：通常把钢和铸铁统称为铁碳合金。
（2）基本组织形式
①铁素体：铁素体是碳溶入α-Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格,碳在α-Fe中溶解度很小，在727℃时溶解度最大，为0.0218%，室温时为0.0008%，几乎为零。铁素体的力学性能与工业纯铁接近，其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。其显微组织呈明亮白色等轴多边形晶粒。
② 奥氏体：奥氏体是碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度相对较高，在1148℃时其溶解度最大，达2.11％，在727℃时为0.77％。奥氏体的强度和硬度比铁素体高，具有良好的塑性和低的变形能力，生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行压力加工。其显微组织为明亮的多边形晶粒，晶界较铁素体平直。
③渗碳体：碳体是钢与碳组成的金属化合物，碳含量wc＝6.69%，熔点为1227℃，具有复杂的晶体结构，是铁碳合金的重要的强化相。渗碳体在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状。它的数量和形态对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体越细小，并均匀地分布在固溶体基体中，合金的力学性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大。
④珠光体：光体是由铁素体和滲碳体组成的机械混合物。它是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物，平均碳含量wc＝0.77％，性能介于铁素体和滲碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。显微组织为铁素体和滲碳体片层状交替排列。
（3）应用：组织中铁素体F的含量越多，表明碳含量越低，则材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。
1.3.3热处理的一般过程
（1）定义：热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、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。
（2）热处理的一般过程：热处理过程主要由加热、保温（时间）、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，因此热处理过程都可以用温度一时间曲线来表述。
（3）应用：热处理的加热目的是使用珠光体P向奥氏体A的转变，使剩余铁素体F向奥氏体溶解，直至组织为单一奥氏体A。保温的目的是使晶粒内的成分扩散均匀，获得均匀的奥氏体A。冷却的目的是使加热转变的奥氏体A分解，随着冷却速度的不同，奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化。
1.3.4铁炉压力容器压力管道用钢常用的处理工艺
（1）退火
①定义：将钢试件加热到适当的温度，保温一定的时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同，退火又可分为完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火等。
②应用
A完全退火又称为重结晶退火，是将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。
完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到Acm以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。
完全退火的加热温度碳钢一般为Ac3+（30～50℃）；合金钢为Ac3+（500～70℃）；保温时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、所选用的设备型号等多种因素确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变，完全退火的冷却必须是缓慢的，随炉冷却到500℃左右出炉空冷。
B正火：正火，又称常化，是将工件加热至Ac3或Accm以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。
C淬火：钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。
D回火：又称配火。金属热处理工艺的一种。将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。
1.4锅炉压力容器常用材料
1.4.1一般要求
（1）应有足够的强度，即有叫高的屈服极限和强度极限，以保证安全性和经济性；
（2）应有良好的韧性，以保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏；
（3）应有良好的加工工艺性能包括冷热加工成型性能和焊接性能；
（4）应有良好的低倍组织和表面质量，不允许有裂纹和白点；
（5）用于高温元件的材料应有良好的高温性能，包括足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性，有良好的温度组织稳定性和高温抗氧化性；
（6）与腐蚀介质接触的材料应具有由来能够的抗腐蚀性能。
1.4.2钢的分类
1、钢材按品质分类
(1) 普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）
(2) 优钢材质钢（P、S均≤0.035%）
(3) 高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）
2.、按化学成份分类
(1) 碳素钢：钢材a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≤0.60%）。
(2) 合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）；b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。
3、钢材按成形方法分类：(1) 锻钢；(2) 铸钢；(3) 热轧钢；(4) 冷拉钢。
4、钢材按金相组织分类
(1) 退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共钢材析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。
(2) 正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。
(3) 钢材无相变或部分发生相变的 5、按用途分类
(1) 建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。
(2) 钢材结构钢
a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
b.弹簧钢
c.轴承钢
(3) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。
(4) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。
(5) 专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。
6、综合分类
(1)普通钢
a.碳素结构钢：(a) Q195；(b) Q215(A、B)；(c) Q235(A、B、C)；(d) Q255(A、B)；(e) Q275。
b.低合金结构钢
c.特定用途的普通结构钢
(2)优质钢（包括高级优质钢）
a.钢材结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。
b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。
c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。 7、按冶炼方法分类
(1) 按炉种分
a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。
b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或 (a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。
c. 电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。
(2)钢材按脱氧程度和浇注制度分
a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢