工业锅炉用金属材料文档格式.docx
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分别位于今天河南省淮阳县和登封市的郊区，距今均有4600多年的历史，以上文物反映了当时社会已经掌握了金属铜的冶炼技术。
司母戊鼎
（商后期约公元前十四世纪至公元前十一世纪）
三门峡市虢国墓玉柄铁剑--西周（前1046年―前771年）
剑柄是玉质，剑刃是铁质，剑柄和剑刃的连接处是绿淙石，这三种物质的结合在现在的冶铸技术中都不可能实现，可见古代劳动人民智慧之广。
在西周时期，就已经有了冶铁技术，因为它的年代之早，所以它又被叫做“中华第一铁剑”。
古荥汉代冶铁遗址---汉代（前202年－220年）
古荥冶铁遗址是目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址。
反映了我国汉代冶金技术已达到最高的黑金属冶铸技术水平。
2.2.2钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家工业的发展，决定着一个国家的整体工业地位。
钢铁工业一直受到每一个企图实现工业化的国家的重视，在国民经济的发展过程中处于十分重要的地位，钢铁产量成为衡量各国经济发展、工业化水平和国防实力的一个有代表性的实物指标。
从工业革命开始，英国、美国、日本，都经历了一个钢铁工业快速发展和钢铁产量快速增长的过程。
1996年，粗钢产量首次超过1亿吨，成为世界头号钢铁生产大国。
2012年，中国粗钢产量为7.165亿吨，在全球钢材产量中从2011年45.4%上升到46.3%。
据国家统计局的数据，2014年12月，全国钢材产量达9822万吨，同比增长6.4%，2014年全年钢材产量达11.26亿吨，与2013年相比，增长4.5%。
1.3金属材料及热处理（金属学）
金属材料及热处理（金属学）是承压类特种设备从业人员包括承压类特种设备检验人员需要掌握的一门重要基础学科。
金属学：
是研究金属及其合金的组成、组织结构和性能之间的内在联系，以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用金属材料和为发展具有特定性能的金属材料而服务的一门应用科学。
1.3.1承压类特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造都与金属材料密切相关。
锅炉蒸发量与用钢重量之间的关系：
蒸发量（t／h）
2
6
10
130
220
400
用钢量（t）
～10
～40
～110
～520
～900
～1300
1.3.2承压类特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道检验与金属材料宏观性能和微观组织结构的实质及形成和变化规律有重要联系。
热处理状态、材料的焊接性能、材料的使用性能、材料的高温持久性能、材料的耐腐蚀性能，都要求我们进一步学习金属材料方面的知识。
第二章金属材料基础知识
2.1晶体结构
2.1.1晶体与非晶体
晶体的概念：
所谓晶体就是由许多质点（质子、离子、分子）在三维空间呈规律性重复排列所构成的固体。
已通过X射线证实，除非晶态合金（也称金属玻璃）外，所有的固态金属都呈晶体结构。
固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类。
晶体纯物质与非晶体纯物质的区别在于：
①晶体中的质点（原子、离子或分子）在空间作有规则的排列，即相同的质点，在空间有周期性地重复出现，有固定熔点。
晶体具有各向异性（包括它的物理性能，如塑性变形、导电、导热等）；
②而非晶体内部的质点排列不规则，至多有些局部的所谓短程有序排列。
2.1.2晶体结构描述
空间点阵：
为了研究方便，把构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几何点，这些点在空间呈规律性重复排列，称空间点阵，点阵中每个阵点的周围环境相同。
点阵参数：
晶胞具有6个几何参数：
即平行六面体中交于一点的三个棱边（a、b、c）及棱间夹角（a、b、g）
晶格：
为了便于研究晶体结构，假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。
这种假想的格架在晶体学上就叫晶格。
晶胞：
空间点阵可看成是由一系列称作晶胞的平行六面体组成。
晶胞是组成晶体的最小单元。
晶格常数：
晶胞的三条棱边长、称为晶格常数。
原子半径：
指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。
致密度：
金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数称为晶格的致密度或密排系数。
晶体、晶格、晶胞示意图
2.2金属的晶体结构
除了少数元素外，绝大多数金属皆为三种典型的晶体结构：
1.体心立方晶格
2.面心立方晶格
3.密排六方晶格
2.2.1体心立方晶格
在体心立方晶格中，金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和立方体的中心。
具有这类晶格的金属有Cr、Mo、W、V等。
2.2.2面心立方晶格
在面心立方晶格中，金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和六个面的中心。
具有这类晶格的金属有Al、Cu、Ni、Au、Ag、-Fe等。
2.2.3密排立方晶格
在密排六方晶格中，金属原子分布在六方晶胞的十二个角顶上、上下底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里。
具有这类晶格的金属有Mg、Zn等。
2.2.4多晶体结构
实际金属多为多晶体（纯铁的多晶体结构），是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。
每个晶粒基本上可视为单晶体。
多晶体：
由多晶粒组成的晶体结构。
晶粒：
金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒。
晶界：
属于同一固相但位向不相同的晶粒之间的界面称为晶界。
单晶体：
内部晶格方位一致的单一晶粒晶体结构。
晶界的重要特性：
（1）晶界比晶粒容易被腐蚀；
（2）晶界的熔点比晶粒低；
（3）当金属内部发生相变时，晶界是优先成核的部位；
（4）原子在晶界上扩散比晶粒内快；
（5）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；
（6）晶界处容易聚集与晶粒元素不同的其他杂质元素的原子。
2.2.5合金的晶体结构
2.2.5.1合金
合金：
由金属与另一种（或几种）金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。
一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。
例如：
普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。
组元：
组成合金最基本的独立的物质。
一般说來，组元是组成合金的元素。
根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。
相：
合金中结构性同、成分相同并以界面分开的均匀组成部分。
合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所决定。
按晶体特点可分为固溶体、金属化合物。
组织：
所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。
两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。
各相仍保持自己原来的晶格；
其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。
2.2.5.2合金的结构组织
合金的结构组织可分为：
固溶体；
金属化合物；
多种晶体的机械混合物。
（1）固溶体：
组成合金的组元在液态相互溶解，结晶时，以一组元为基体保持其原有的晶格类型，其它组元的原子均匀地分布在基体组元的晶格里，形成均匀一致的固体，此合金就称为固溶体。
根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，可分为：
间隙固溶体；
置换固溶体。
置换式固溶体：
溶剂晶格中部分结点上的原子被溶质原子置换。
间隙式固溶体：
溶质原子处于溶剂晶格的间隙中。
（铁素体：
碳溶于αFe中的间隙固溶体。
）
固溶体的微观不均匀性：
溶质原子分布宏观上是均匀的，微观上实际不均匀；
固溶体的性质：
和纯金属相比，由于溶质原子的溶入导致固溶体的点阵常数改变，产生固溶强化及力学性能、物理和化学性能产生了不同程度的变化。
（2）金属化合物
组成合金的各组元，按照一定的原子数量比，相互化合而成的一种完全不同于原组元晶格的固体物质，称为金属化合物，可用分子式表示。
（3）机械混合物
组成合金的组元既不是纯组元，也不是固溶体或化合物，而是两种或两种以上的纯组元、固溶体、化合物以弥散的混合物的形式组成在一起的固体物质，称为机械混合物。
如：
钢和铸铁中的珠光体，莱氏体。
2.3.金属的结晶
2.3.1金属结晶的概念
通常，物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
在一定的条件下，金属的三态可以互相转化。
通常条件下凝固后的固态金属是晶体，所以又将金属晶体的凝固称为结晶，也称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固态的过程则称为二次结晶。
2.3.2金属结晶的过程
金属结晶时不断在液体中形成一些微小的晶体，它们能成为核心逐渐生长，这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。
结晶就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。
2.3.3金属的同素异构转变
有些金属（如Fe、Mn、Ti等）具有两种或几种晶体结构。
它们在不同的温度或压力范围内具有不同的晶体结构，故当条件变化时，会由一种结构转变为另一种结构，称为同素异构转变（又称多晶型转变）。
同素异构转变通常需要在外界条件（温度、压力）改变时，引起金属晶型转变，才发生同素异构转变。
如铁：
低于912℃时，其结构为体心，称为a-Fe（纯Fe）；
912℃～1394℃，其结构为面心，称为g-Fe；
1394℃～1538℃，其结构又为体心，称为d-Fe；
同一种金属，若晶体结构不同，其材料性质会截然不同，如：
白锡（b-Sn）为四方晶系晶体结构，塑性好；
灰锡（a-Sn）为金刚石结构，性脆
2.3.4几种基本结晶转变形式
（1）匀晶转变：
由液相结晶出单相固溶体
（2）共晶转变：
从液相中同时结晶出两种固相（共晶体）
（3）共析转变：
从一种固相中转变为两种固相（共析体）
（4）包晶转变：
由先结晶的固相与剩余的液相反应生成另一固相
2.3.5晶体的缺陷
在实际晶体中，原子的排列不可能完全规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。
晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。
金属晶体中虽有缺陷存在，从总的来看其结构仍然保持着规律性，仍可认为是接近完整的；
即使在严重塑性变形的情况下，晶体中位置偏移很大的原子数目平均来说至多仅占总原子数的千分之一。
晶体缺陷的分类，按几何形状不同晶体缺陷可分为四种：
点缺陷；
线缺陷；
面缺陷；
体缺陷。
晶体缺陷直接影响金属材料的力学、物理性能。
（1）点缺陷--也称零维缺陷，是晶体中的空位、间隙原子、杂质原子。
过量点缺陷（空位）影响材料的电性能、力学性能和某些物理性能；
对力学性能的影响包括：
过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷等）能提高金属的屈服强度；
对其他物理性能的影响包括：
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。
（2）线缺陷（位错）--也称一维缺陷，是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错。
局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
位错对金属的强度和断裂起着决定性的作用。
此外，位错对金属的扩散、相变过程也有较大的影响。
（3）面缺陷
晶界和亚晶界局部滑移而造成。
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
2.4铁碳平衡图
铁碳平衡图：
它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。
一般最常用的平衡图是二元系的平衡图。
二元系的平衡图以纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。
知道了合金的成分和温度，就可以在平衡图上找到相应的平衡状态下的组织，并可用杠杆定律求出两相区相的相对量。
从平衡图上也可以知道一定成分的合金在加热和冷却过程中相的变化。
2.4.1铁碳合金的基本相与性能
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的金属材料。
严格来说，铁碳平衡图应当是铁和石墨的平衡图。
而我们应用最多的是含碳量6.67%以下的富铁部分平衡图，而且是铁和化合物Fe3C的一种平衡图。
因此，虽然铁碳平衡图有Fe－C和Fe－Fe3C两种，但由于含碳量高于6.67%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究Fe-Fe3C部分。
但实际上都把Fe－Fe3C系的平衡图称为铁碳平衡图。
含碳量小于2.11%的铁碳合金状态图又称为钢的状态图。
铁碳合金具有三个基本相：
铁素体奥氏体渗碳体，但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金平衡组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。
铁碳合金具有五种组织组成物：
铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体，是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或者多相混合物。
（1）铁素体：
碳在a-Fe中的固溶体称铁素体，用F或a表示。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。
都是体心立方间隙固溶体。
铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
（2）奥氏体：
碳在g-Fe中的固溶体称奥氏体。
用A或g表示。
是面心立方晶格的间隙固溶体。
溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。
组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。
强度低、塑性好，钢材热加工都在A区进行。
碳钢室温组织中无奥氏体。
（3）渗碳体：
即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、强度低（sb≈35MPa），脆性大，塑性几乎为零，Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe＋C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。
由于碳在a-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。
（4）珠光体：
共析反应的产物，是F与Fe3C片层相间的两相混合物，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。
用符号“P”表示。
（5）莱氏体：
莱氏体是奧氏体与渗碳体的机械混合物，即碳的质量分数（含碳量）为4.3%的液态铁碳合金。
在727℃以上是奧氏体和渗碳体的机械混合物，莱氏体称为高温莱氏体，用“Ld”表示;
低于727℃则是珠光体和渗碳体机械混合物，称为低温莱氏体，用“Ld”表示。
2.4.2铁碳平衡图与结晶过程
2.4.2.1铁碳平衡图
特征点
特征线
（1）液相线—ACD，固相线—AECF
（2）两条水平线：
ECF：
共晶线Ld
＋Fe3C
共晶产物是A与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Ld表示。
为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
PSK：
共析线，又称A1线
gS
FP＋Fe3C
共析转变的产物是F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体P。
（3）其它相线
GS—A
F固溶体转变线，GS又称A3线。
ES—碳在-Fe中的固溶线。
又称Acm线。
PQ—碳在-Fe中的固溶线。
4.2.1.3相区
（1）单相区：
L、A、F、Fe3C
（2）两相区：
L＋A、L＋Fe3C、A＋Fe3C、
A＋F、F＋Fe3C
（3）两个三相区：
即ECF（L＋A＋Fe3C）、
PSK（A＋F＋Fe3C）两条水平线
2.4.2.2铁碳合金的结晶过程
1.铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：
（1）工业纯铁（C<
0.02%）；
（2）钢（0.02～2.06%C）：
亚共析钢（C<
O.77%）、共析钢（C＝O.77%）、过共析钢（C>
0.77%）；
（3）白口铁（2.06～6.67%C）：
亚共晶白口铁（C<
4.3）共晶白口铁（C＝4.3%）过共晶白口铁（C>
4.3%）
2亚共析钢（0.02～0.77%C）结晶过程分析以亚共析钢作为范例。
我们来讨论铁碳合金的结晶过程。
所选择的亚共析钢为图中②的铁碳合金。
含碳量在0.10～0.50%范围内的亚共析钢，在冷凝至1493℃时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体（A）；
而含碳量大于0.50%者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L中结晶出A。
合金②冷凝后得到A组织，继续冷至GS线（3点温度）时，便会发生A到F的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。
由于合金继续冷却过程中，A的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723℃时，A的含碳量增为0.80%，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F＋P。
必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是F＋P。
各种亚共析钢组织的主要差别，在于其中的F与P的相对量和F的分布情况不同。
凡含碳量距S点愈近的亚共析钢，其组织中含P量愈多而F量则愈少。
含碳量大于0.5%的亚共析钢组织，其中F趋向于沿P边界呈网状分布。
0.10%C的亚共析钢的显微组织。
图中白色颗粒为F晶粒；
黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。
0.30%C的亚共析钢的显微组织。
0.10%C、0.30%C的亚共析钢的显微组织。
白色颗粒为F晶粒；
可见，含碳量较高的0.30%C亚共析钢显微组织中，P所占面积较大
2.4.3铁碳平衡图的应用
（1）内部组织鉴别
（2）制定热加工工艺
2.5金属材料的性能指标
金属材料的使用性能主要包括物理性能、工艺性能和力学性能。
物理性能：
是指材料的密度、比重、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。
工艺性能：
是指材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、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。
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。
当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。
材料在外力作用下所出现的一些性能称为材料的力学性能。
力学性能：
是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特性。
承压类特种设备材料的力学性能指标包括：
强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。
这些性能指标都可以通过力学性能试验测定。
最常用的力学性能试验方法是拉伸试验、硬度试验和冲击试验，所得到的力学性能指标，是评定材料的质量和工艺性能的重要依据。
静力拉伸作用下可以测出金属材料的强度和塑性特性，动力负荷即冲击负荷下可以测出金属材料的韧性指标等。
金属材料的力学规定值，称为金属材料的力学性能指标。
强度指标：
上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、抗拉强度Rm
塑性指标：
端面收缩率Z、断后伸长率A
韧性指标：
冲击功Akv、单位为焦耳/厘米2
（J/cm2
）、冲击值αkv
2.5.1强度
2.5.1.1强度的定义
强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。
抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。
外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。
外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
2.5.1.2强度的测定---拉伸试验
强度判据是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。
根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。
（1）拉伸试样（GB6397）和拉伸试验机；
（2）力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）
（3）脆性材料的拉伸曲线
（1）拉伸试样
图中d0为试样的直径，L0为标距长度。
按国家标准，拉伸试样有长试样（L0＝10d0）和短试样（L0＝5d0）两种。
试验设备：
工程上一般使用液压式万能材料试验机，进行材料的静力试验，主要用于各种金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验。
（2）力——伸长曲线
（3）拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
（4）弹性阶段
（5）屈服阶段
（6）强化阶段
（7）颈缩阶段
脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
力--伸长曲线的纵坐标表示力F，单位N；
横坐标表示伸长量△L，单位为mm。
oe：
弹性变形阶段：
试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。
Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。
es：
屈服阶段：
不能随载荷的去除而消失的变形称为。
在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。
屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。
Fs称为屈服载荷。
sb：
强化阶段：
随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。
Fb：
试样拉伸的最大载荷。
bz：
缩颈阶段（局部塑性变形阶段）
当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。
工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。
如铸铁等。
（3）强度指标
①比例极限σp：
是应力和相对伸长成正比利的最大应力。
拉伸曲线中Oe段,材料在不偏离应力与应变正比关系（虎克定律）条件下所能承受的最大应力。
材料在弹性阶段分成线弹性和非线弹性两个部分，线弹性阶段材料的应力与变形完全为直线关系，其应力最高点为比例极限。
②弹性极限σe：
是在不产生永久塑性变形的前提下，金属材料所能够承受的最大应力。
③屈服极限σs（或σ0.2）：
是在不增加载荷而试样变形增加的最小外力。
在工程上规定，对于没有明显屈服点的材料（铸铁等），一般将试样发生0.2%的永久变形的应力作为屈服极限，并以σ0.2表示。
④强度极限Rm（σb）：
试样断裂前的最大载荷Fb与原始截面积S0之比，也称抗拉强度。
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