电站锅炉金属材料基础知识课件

电站锅炉金属材料基础知识

金属学基本概念金属学就是研究金属和合金的性能与它们内部结构之间的关系，以及影响金属与合金组织和性能的因素的一门科学。

第一章金属的晶体结构

1.晶体定义：内部原子呈规则排列的物质称为晶体，原子的排列方式称为晶体结构。2.晶格与晶胞金属中的原子堆垛：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的晶格：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格晶胞：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。3.常见金属晶格类型体心立方晶格(如α铁)、面心立方晶格(如γ铁)、密排六方晶格，如下图所示。体心立方晶格：如图所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有：α-Fe（温度低于912℃的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、β-Ti（温度在883~1668℃的钛）等。2)

面心立方晶格：如图所示，面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。属于面心立方的金属有：γ-Fe（温度在912~1394℃的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等。

4.晶格致密度从原子堆垛可看出，上述三种晶格中原子排列的紧密程度不一样，面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，经计算，晶格中有74%的空间被原子所占据，即这两种晶格的致密度均为0.74，其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原煤子排列较松散，其致密度为0.68。5.实际金属晶体结构晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按缺陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。1)点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”，点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。

线缺陷（刃型位错、螺型位错）：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错.(晶体在结晶时受到杂质﹑温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击﹑切削﹑研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行间相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形成的缺陷称位错.)这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。

螺型位错

刃型位错

晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。晶粒之间位向差较大（大于10°～15°）的晶界，称为大角度晶界；亚晶粒之间位向差较小。亚晶界是小角度晶界。面缺陷同样使晶格产生畸变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善4.金属的结晶

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（晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成），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并非完美无缺，在排列中常常会出现空位、间隙原子、置代原子、位错等微观缺陷。晶格缺陷会使材料的物理、化学性能发生改变，例如空位、间隙原子、置代原子的存在引起周围晶格畸变，导致金属材料屈服强度和抗拉强度增高，而位错的存在则会材料容易塑性变形，强度降低。5.钢中晶界的重要特性:

晶界比晶粒容易被腐蚀；晶界的熔点比晶粒低；当金属内部发生相变时，晶界是优先成核的部位；原子在晶界上扩散比晶粒内快；晶界对晶粒的滑移变形起阻碍作用，晶界不易产生塑性变形；晶界处容易聚集与晶粒元素不同的其他杂质元素的原子。

2.铁碳合金的基本组织⑴定义：

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量0.02％～2.0％的称为钢，含碳量大于2.0％的称为铸铁。锅炉压力容器压力管道用钢含碳量一般低于0..35％。⑵基本组织形式铁素体：碳和其它合金元素在α铁中的固溶体称为铁素体。以F表示。由于α铁为体心立方晶格，原子间隙较小，所以溶碳能力很小，室温下几乎为零。铁素体的性能与纯铁接近，强度、硬度很低，而塑性和韧性较好。渗碳体：渗碳体是铁和碳的金属化合物，或以化合物为基体的固溶体，以Fe3C表示。奥氏体：奥氏体是碳和其它元素在γ铁（面心立方晶格）中的固溶体，以A表示。由于γ铁为面心立方晶格，溶碳能力较强。奥氏体的强度、硬度比铁素体较高，塑性、韧性良好，无磁性。珠光体：珠光体是铁素体薄层（片）和碳化物（包括渗碳体）以彼此相间片层状排列的机械混合物，以P表示。索氏体：索氏体即是片层较细的珠光体，以S表示。屈氏体（或托氏体）：屈氏体（或托氏体）即是片层极细的珠光体，以T表示。贝氏体：贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，按照组织形式和形成温度不同，分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体中铁素体呈羽毛状，羽毛之间分布有片装和棒状的渗碳体。下贝氏体为针状的铁素体上分布有大量的渗碳体。贝氏体中的铁素体含有较多的（或过饱和的）碳，以B表示。马氏体：碳在铁素体中的过饱和固溶体，以M表示。可以分为高碳马氏体(板条状马氏体）和低碳马氏体（片状马氏体）.莱氏体：莱氏体是一种机械混合物，在高温时由奥氏体和渗碳体组成，在常温时由奥氏体转变得到的珠光体加渗碳体组成，以L表示。石墨：石墨是碳以六方柱状形式的结晶状态。石墨在钢中的可以以三种形状存在，即片状（花瓣状）、雪花状、球状。其中以片状对金属的危害最大。上半部分-------共晶转变在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C)转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示.存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成.低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.2)下半部分-----共析转变在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体.

3).相图中的一些特征点

相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.4).铁碳相图中的特性线相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)水平线ECF为共晶反应线.碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应.6)应用从铁碳合金状态图中可知，含碳量为0.77％的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100％珠光体，称为共析钢。含碳量＞0.77％的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P＋渗碳体Fe3C；含碳量＜0.77％的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F＋珠光体P。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。7)常用材料的组织结构铁素体+珠光体Grade2,11,12,22回火贝氏体―马氏体Grade23回火索氏体Grade91奥氏体不锈钢Grade304,304H,309S,310H铁素体不锈钢Grade.430第三章钢的分类

分类方法：钢的分类方法有“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两种。1.碳钢的分类

①按含碳量分类：可分为低碳钢，C≤0.25％；中碳钢，C≤0.25％～0.6％；高碳钢，C＞0.6％；②按钢的质量（即S、P含量）分类：可分为普通碳素钢，S≤0.050％；P≤0.045％；优质碳素钢，S≤0.040％；P≤0.040％；高级优质碳素钢，S≤0.030％；P≤0.035％;③按冶炼时脱氧程度分类：可分为沸腾钢；镇静钢；半镇静钢；④按冶炼方法分类：可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。按炉衬里材料又可分酸性和碱性两类。4低合金钢

1)低合金结构钢①特点：有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，使用低合金钢代替碳素结构钢，可在相同承载条件下，使结构重量减轻20％～30％。低合金钢中合金元素含量少，价格较低，冷、热成型及焊接工艺性能良好，锅炉压力容器制造应用广泛。②锅炉压力容器常用的低合金钢牌号锅炉用低合金钢牌号：有SA213-T11,T12,T22等2)低合金耐热钢①要求：应能在中等温度（400～600℃）时具有良好的耐热性，且所含的合金元素量不多，价格低廉。②应用：主要用于制造石油化工压力容器和高压锅炉，如钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢。这类钢在使用时间较长后，会发生影响力学性能的组织结构变化，包括珠光体球化、石墨化、合金化再分配等。5奥氏体不锈钢1)不锈钢的分类：①以铬为主加元素的铁素体不锈钢（0Cr13、1Cr17特）和马氏体不锈钢（1Cr13、2Cr13等）；②以铬、镍为主加入元素的奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、00Cr18Ni10等）。2)奥氏体不锈钢特点：奥氏体不锈钢的力学性能与铁素体类相比较，其屈服强度低，但屈服后的加工硬化性高，塑性、韧性好，不会发生低温脆性，且有较好的高温性能。奥氏体不锈钢在冷加工时，亚稳的奥氏体在塑性变形过程中形成马氏体，所以奥氏体不锈钢只能采用冷加工方法进行强化处理。3)奥氏体不锈钢常用牌号及性能：

常用牌号是SA213-TP304/304H/347/347H，具有良好的化学稳定性，在氧化性和某些还原性介质中耐蚀性很高，但在敏化状态，存在晶间腐蚀的敏感性，在高温氯化物溶液中极易发生应力腐蚀开裂。第四章主要钢材的应用1.SA106-B:该钢有一定的常温和中高温强度，含碳量较低，有较佳的塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好。其主要用于制造高压和更高参数的锅炉管件，低温段的过热器、再热器，省煤器及水冷壁等；如小口径管做壁温≤500℃的受热面管子、以及水冷壁管、省煤器管等，大口径管做壁温≤450℃的蒸汽管道、集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱），介质温度≤450℃的管路附件等。由于碳钢在450℃以上长期运行将产生石墨化，因此作为受热面管子的长期最高使用温度最好限制到450℃以下。该钢在这一温度范围，其强度能满足过热器和蒸汽管道的要求、且具有良好的抗氧化性能，塑性韧性、焊接性能等冷热加工性能均很好，应用较广。2.

SA-106C：是ASMESA-106标准中的钢号，是高温用大口径锅炉和过热器用碳-锰钢管。其化学成分简单，碳、锰含量较高.该钢的生产工艺简单，冷热加工性能好。用于制造集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱）。3.SA-210C（25MnG）：是ASMESA-210标准中的钢号，是锅炉和过热器用碳锰钢小口径管，珠光体型热强钢。主要用于工作温度低于500℃的水冷壁、省煤器、低温过热器等部件。4.T22（P22）：T22（P22）是ASMESA213（SA335）规范材料。在Cr-Mo钢系列中，它的热强性能比较高，同一温度下的持久强度和许用应力甚至于比9Cr-1Mo钢还要高，因此其在国外火电、核电和压力容器上都得到广泛的应用。该钢对热处理不敏感，有较高的持久塑性和良好的焊接性能。T22小口径管主要用作为金属壁温580℃以下的过热器和再热器等受热面管等，P22大口径管则主要用于金属壁温在不超过565℃的过热器/再热器联箱和主蒸汽管道。5.SA-213T91（335P91）：是ASMESA-213（335）标准中的钢号。是由美国橡胶岭国家试验室研制开发的、用于核电（也可用于其它方面）高温受压部件的材料，该钢是在T9（9Cr-1Mo）钢的基础上，在限制碳含量上下限、更加严格控制P和S等残余元素含量的同时，添加了微量0.030-0.070%的N、以及微量的强碳化物形成元素0.18-0.25%的V和0.06-0.10%的Nb，以达到细化晶粒要求，从而形成的新型铁素体型耐热合金钢；

因其含铬量（9%）较高，其抗氧化、抗腐蚀性能、高温强度及非石墨化倾向均优于低合金钢，元素钼（1%）主要提高高温强度，并抑制铬钢的热脆倾向；与T9相比，改善了焊接性能和热疲劳性能、其在600℃的持久强度是后者的三倍，且保持了T9（9Cr-1Mo）钢的优良的抗高温腐蚀性能；与奥氏体不锈钢相比，膨胀系数小、热传导性能好、并有较高的持久强度（如与TP304奥氏体钢比，等到强温度为625℃，等应力温度为607℃）。故其具有较好的综合力学性能、且时效前后的组织和性能稳定，具有良好的焊接性能和工艺性能，较高的持久强度及抗氧化性。主要用于锅炉中金属温度≤650℃的过热器和再热器。6.T23（HCM2S）：是日本住友金属株式会社在类似我国G102（12Cr2MoWVTiB）基础上，将碳含量从0.08-0.15%降低至0.04-0.10%、Mo量从0.50-0.65%降低至0.05-0.30%、提高W量从0.30-0.55%至1.45-1.75%，并形成以W为主的W-Mo的复合固溶强化，加入微量Nb和N形成碳氮化物（主要为VC、VN，M23C6和M7C3）弥散沉淀强化，而研制成功的低碳低合金贝氏体型耐热钢，近年由ASMECodeCase2199-1批准，牌号为T23。该钢的前身、我国的G102在国内的大型电站锅炉上已经得到广泛应用.T23（HCM2S）钢时效前后的力学性能和金相组织差异小；焊接性能好，优于我国的G102[9]；耐蚀性较好；室温强度和冲击韧性较G102为佳，其许用应力也基本相同。至少等同于我国的G102、而优于SA213-T22和我国的12Cr1MoV。总的说来，HCM2S的优点较多，由于G012在我国的锅炉中已经成功应用多年，HCM2S钢在国内等同代替G102完全可行。

T23（HCM2S）钢管性能良好，其最高使用温度为600℃，最佳使用温度为550℃。可用于制造大型电站锅炉金属壁温不超过600℃的过热器和再热器。7.

TP304H：是ASMESA-213标准中的成熟钢种，为含有较多的Cr和Ni奥氏体不锈钢；我国GB5310-95中的1Cr18Ni9与该钢类似。该钢具有良好的组织稳定性，较高的持久强度、抗氧化性能、同时具有良好的弯管和焊接工艺性能等加工性能。但对晶间腐蚀和应力腐蚀较为敏感；且由于合金元素较多，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差。

主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件；对于承压部件，最高工作温度可达650℃；对于抗氧化部件，其最高抗氧化使用温度可达850℃。另外，该钢也可用于制造在低温浸蚀性介质中工作的容器、阀、管道等以及要求耐腐蚀性的非磁性部件。但由于具有奥氏体钢所具有的缺点，TP304H钢用于承压部件上时，有可能在某种程度上，被T92和HCM12A部分替代。TP347H：也是ASMESA-213中的钢号，为铬镍铌奥氏体不锈钢；我国GB5310-95将该钢列入其中，牌号为1Cr19Ni11Nb，此钢也为成熟钢种。由于该钢是用铌稳定的奥氏体钢，故其具有较好的抗晶间腐蚀性能、较高的持久强度、良好的组织稳定性和抗氧化性能，此外还具有良好的弯管和焊接性能；其综合性能优于TP304H。但由于合金元素较多，与TP304H一样，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差；故在与异种钢焊接并在高温下使用时，须考虑两种材料的膨胀系数和高温强度匹配问题。TP347H钢管性能优良。主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件；对于承压部件，最高工作温度可达650℃；对于抗氧化部件，其最高抗氧化使用温度可达850℃。但由于具有奥氏体钢所具有的缺点，此种耐热钢用于承压部件上时，同样有可能在某种程度上，被T92和HCM12A部分替代。第五章ASME中的P-No.分类分类的意义按照P-No和S-No对钢材进行分组，是为了减少焊接钎接工艺评定的数量。P-No和S-No分组是从焊接的角度考虑来分类的，主要是根据母材特性，例如成分、焊接性、钎接性和力学性能在理论上类比来进行的。（注意：此类的分法不能理解为对于评定试验中所采用的某一母材可以不加区别的用一些母材来代替，而不从冶金性能、焊后热处理、设计、力学性能和使用要求等观点来考虑其适配性。）AMSE材料分组见：ASME第IX卷QW/QB-4222.常使用的钢材分类公司中常用的分类基本是依据ASME中的P-No的分法进行分类的，如下：P-No.1SA210A1;SA210C;SA105;SA106B;SA106C;P-No.3SA213T2;SA335P2P-No.4SA213T11;SA213T12;SA335P11;SA335P12;SA387-11;SA387-12P-No.5ASA213T22;SA335P22;SA387-22P-No.5BSA213T91;SA335P91P-No.8SA213TP304H;SA213TP347H;SA213TP310;3.常用的材料标准

ASME第II卷A篇铁基材料CODECASE中的材料CODECASE是ASME体系的一个补充，CODECASE中材料还没有正式纳入ASME体系。常见的材料有:CODECASE2115(即HR3C)（在日本住友NPI&NPF项目中已用过）CODECASE2199即T23材料，07年刚纳入ASME体系，但没有指定P-No.其他标准材料的应用由于非ASME的材料要进入ASME体系需要申请、评审等复杂的程序，即ASME体系发展相对于材料发展的滞后性，或不同体系之间的排斥性，非ASME体系的材料还没有被吸收进入ASME体系，但又从锅炉对材料性能的需要或经济成本（价格、近距离采购）等原因，则需要采用其他标准的材料：主要采用GB中

Q235;20g;Q345按照P-No.1对待，一般划分为P-No.1S15CrMo按照P-No.4对待，一般划分为P-No.4S12Cr1MoV按照P-No.4对待，一般划分为P-No.4S，但在焊接时按照P-No.5A对待材料类型标准类型材质PipeASME/ASTM碳钢SA106-B/C合金钢SA335-P2,P11,P12,P22,P91不锈钢SA312-TP304,TP304H,TP310,TP310H,TP310SGB碳钢20G合金钢12Cr1MoVGTubeASME/ASTM碳钢SA210A1/C合金钢SA213-T2,T11,T12,T22,T23,T91不锈钢SA213-TP304,TP304H,TP347,TP347H,TP347HFGForgingASME/ASTM碳钢SA105合金钢SA182-F2,F11,F12,F22,F91,F304,F316,F347

SA336-F11,F22,F91不锈钢SA182-F304,F316,F347FittingASME/ASTM碳钢SA234-WPB/WPC合金钢SA234-WP11,WP12,WP22,WP91CastingASTM碳钢A2760-30合金钢A217-WC6不锈钢A297-HH/HK,

A351-HK40镍基A494-CW6M

A560-50Cr50NiNbPlateASME/ASTM碳钢SA36合金钢SA387-11,12,22,91

SA516-70不锈钢SA240-304,304H,309,309S,310,310H,310SGB碳钢20#Q235A/B,Q245R,Q345R合金钢15CrMog不锈钢0Cr18Ni9,0Cr25Ni204.常用焊材ASME第II卷C篇焊条、焊丝及填充金属SMAW:E7018;E8018-B2;E9018-B3;E9015-B9T23材料专用焊条：HCM2S(SUMIKINWELDINGINDUSTRIES,LTD.);ThermanitP23(BohlerThyssen)GTAW/GMAW:ER70S-2;ER70S-G(TGS-50);ER70S-6;ER80S-B2;R90S-B3;ER90S-B9T23材料专用焊丝：T-HCM2S(SUMIKINWELDINGINDUSTRIES,LTD)；UnionIP23(BohlerThyssen)FCAW:E71T-1;E81T1-B2;E91T1-B3;E91T1-B3H4SAW:PEMA:H14;EB2配合焊剂S-777MXT(HYUNDAI)EB3配合焊剂OKFlux281

联箱专机：EB2配合焊剂OK10.62(ESAB)EB3配合焊剂OK10.62(ESAB)EB9(9CrMoV-N)配合焊剂LA4915.锅炉用钢材一般要求⑴应有足够的强度，即有较高的屈服极限和强度极限，以保证安全性和经济性；⑵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；⑶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；⑷应有良好的低倍组织和表面质量，不允许有裂纹和白点；⑸用于高温元件的材料应具有良好的高温性能，包括足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性，有良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性；⑹与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。第六章钢中各元素对钢的性能的影响

碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。4.磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。5.硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。合金元素在钢的作用1．合金元素对钢中基本相的影响

碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。

(1)强化铁素体所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。

合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。

（2）形成碳化物

碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为(Fe，Me)3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。同时它们在加热时也较难溶于奥氏体中，因此热处理时加热温度应该高一些。

当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。2．合金元素对铁碳相图的影响

（1）合金元素对奥氏体相区的影响合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化。加入合金元素，可使α－Fe与γ－Fe存在范围发生变化。按照对α－Fe或γ－Fe的作用，可将合金元素分为两大类。

1)扩大奥氏体区域扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%>9%的不锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。由于A1和A3温度降低，就直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢，图7-1是锰对奥氏体区的影响。同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C%较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然含碳量只有0.7~0.8%,但是由于E点的左移,在铸态下会得到莱氏体组织,成为莱氏体钢。2)缩小奥氏体区域的元素缩小奥氏体区域的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。图7-2表示铬对奥氏体区域位置的影响。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。(2)合金元素对S、E点的影响合金元素都使相图的S点和E点向左移动，即使钢的共析点的C含量和出现共晶莱氏体的C含量降低。3.合金元素对钢热处理的影响合金元素对加热时相转变的影响

合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。

(1)对奥氏体形成速度的影响：

Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大,形成难溶于奥氏体的合金碳化物,显著减慢奥氏体形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素,因增大碳的扩散速度,使奥氏体的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。(2)对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用,但影响程度不同。强烈阻碍晶粒长大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻碍晶粒长大的元素有：W、Mn、Cr等；对晶粒长大影响不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促进晶粒长大的元素：Mn、P等。2.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响

除Co外,几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,推迟珠光体类型组织的转变,使C曲线右移,即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必须指出,加入的合金元素,只有完全溶于奥氏体时,才能提高淬透性。如果未完全溶解,则碳化物会成为珠光体的核心,反而降低钢的淬透性。另外,两种或多种合金元素的同时加入(如,铬锰钢、铬镍钢等),比单个元素对淬透性的影响要强得多除Co、Al外,多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最强,Si实际上无影响。Ms和Mf点的下降,使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下),以使其转变为马氏体;或进行多次回火,这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升,并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。3.合金元素对回火转变的影响

(1)提高回火稳定性合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变)，提高铁素体的再结晶温度,使碳化物难以聚集长大，因此提高了钢对回火软化的抗力,即提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。

(2)产生二次硬化一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时,硬度不是随回火温度升高而单调降低,而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大,并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值。这是回火过程的二次硬化现象,它与回火析出物的性质有关。当回火温度低于450℃时,钢中析出渗碳体;在450℃以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度重新升高,称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所也可导致二次硬化综上所述，合金钢的力学性能比非合金钢好，主要是因为合金元素提高钢的淬透性、回火稳定性及细化晶粒和强化铁素体的结果。而合金元素的上述作用，只有通过热处理才能发挥出来，所以合金钢多在热处理状态下使用。第七章钢的热处理

热处理是采用适当的方式对金属材料或者工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。应用：热处理的加热目的主要是使珠光体P向奥氏体A的转变，使剩余铁素体F向奥氏体A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锅炉压力容器压力管道用钢常用的热处理工艺

⑴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、不完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火等。②应用

完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温后在炉内缓慢冷却。目的是在于细化组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。不完全退火是将工件加热到Ac1以上30～50℃，保温后缓慢冷却的方法。其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。消除应力退火是将工件加热到Ac1以下100～200℃，保温后缓慢冷却使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛的方法。目的是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力。B.正火：正火是将工件加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。目的是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。许多锅炉压力容器用的钢板都是以正火状态供货的。

C.淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上（一般情况是：亚共析钢为Ac3以上30～50℃；过共析钢为Ac1以上30～50℃），经过适当的保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。目的是通过淬火获得马氏过组织，以提高材料硬度和强度。如轴承、模具等工件。锅炉压力容器材料和焊缝的组织不希望有马氏体。

D.回火：回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，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工艺。目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可以获得不同的硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外回火还可以稳定工件的尺寸，改善加工性能。按回火的温度不同可将回火分为低度、中温和高温回火三种。

E.奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理：把奥氏体不锈钢加热到1050～1100℃（此温度下碳能在奥氏体中固溶），保温一定时间（约每25mm厚度不小于1小时），然后快速冷却至427℃以下（要求从925℃至538℃冷却时间小于3分钟），以获得均匀的奥氏体组织的工艺称为固溶处理。目的是保证其强度、硬度低而韧性好，并具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。对于含有钛或铌的铬镍奥氐体不锈钢，为防止晶间腐蚀，必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中，以此为目的的热处理称为稳定化处理。即把铬镍奥氐体不锈钢加热到850～900℃，保温6小时，在空气中冷却或缓冷。第八章金属力学性能试验基本知识

金属材料的力学性能是金属材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、强度、硬度、韧性、塑性等。不同的受力条件会使金属材料表现出不同的特性，如静力拉伸力作用下金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下金属材料所表现出来的韧性特性指标等。1.静力试验下的力学性能

静力试验的意义是，向试样上加力（负荷、载荷）的速度是缓慢而均匀的，或者是以固定不变的力加在试样上并保持很长的时间。显然，在静力试验时，试样的变形速度不大。拉伸试验在拉伸试验时，可以得到以下力学性能的指标：⑴、抵抗微小的塑性变形的能力这种性能常常用比例极限бp和屈服点бs来说明。

⑵、抵抗大的塑性变形的能力这种性能常常用强度极限бb（抗拉强度)来说明。

⑶、塑性试样在断裂时的塑性变形的大小，这种性能常常用延伸率δ和断面收缩率Ψ来说明。拉伸曲线在对金属拉伸试样进行拉伸试验时，可以得到一条画在负荷－伸长量坐标上的曲线，这就是拉伸曲线。图中负荷与伸长量之间能保持直线关系的最大负荷称为比例极限负荷Pp；金属能保持虎