金属材料

金属材料基本知识
布氏硬度HB:
• 将直径为D的钢球或硬质合金球，在一 定载荷P的作用下压入试样表面，保持
一定时间后卸除载荷，所施加的载荷
与压痕表面积的比值即为布氏硬度。 布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d 查表得到。
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• 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标 尺为A、B、C。
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HRA用于测量高硬度材料, 如硬
质合金、表淬层和渗碳层。
钢球压头与 金刚石压头

HRB用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。
1943年美国T-2油轮发生断裂 北 极 星 导 弹
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• 7、硬度:指材料抵抗局部塑性变形的能力，现在多用压入 法测定。
钢球压头与 金刚石压头
洛氏硬度压痕
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热处理
表面热处理
表面淬火—感应加热、火焰加热、 电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等
年产1000万吨炼油厂
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引言
• 锡疫：四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的 灰锡。
锡 疫
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
拿破仑兵败莫斯科
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投入运行的加氢反应器
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• （一）力学性能 • 是指在外力作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。 • 包括下列指标：强度、弹性、塑性、韧性、疲劳强度、断 裂韧性、硬度等。 • 1、强度:是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。 • 屈服强度，当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑 性变形发生而力不增加的应力点。 • GB/T 228-2002 金属材料 室温拉伸试验方法
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3、塑性 • 塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形 的能力，指标为断后伸长率和断面收缩率。 • 伸长率：原始标距的伸长与原始标距(Lo)之 比的百分率。 • 断后伸长率(A)：断后标距的残余伸长(Lu-Lo) 与原始标距(Lo)之比的百分率 。 • 断面收缩率(Z)：断裂后试样横截面积的最大 缩减量(Su-So)与原始横截面积(So)之比的百 分率。 • 老标准：延伸率δ、断面收缩率ψ
裂纹扩展的基本形式
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• 工程上有时会出现材料在远低于σb的情况下发生断裂的 现象。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头 时断成两半，计算的甲板应力为7kg/mm2，远低于σb （30-40kg/mm2）。 • 美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸， 经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1-1mm的裂 纹并扩展所致。
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• 抗拉强度 指材料在外力的 作用下，由开始加载到断裂 时为止所能承受的最大应力。 它是反映材料抵抗大量均匀 塑性变形的强度指标。
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• 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。
引言
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引言
• 工业纯铁的结晶过程
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引言
工业纯铁的显微组织
奥氏体不锈钢显微组织
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引言
-Fe
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-Fe
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引言
铅锭宏观组织
沿晶断口
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轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度， 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
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• 6、断裂韧性:材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂 韧性。 • 断裂韧度是判断 材料内部裂纹危 险性的一个指标， 该指标常被用在 断裂力学设计中， 或者用于在役压 力管道的安全评 定和剩余寿命的 评估上。
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• 4、韧性 • 是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功 Ak和冲击韧性值ak表示。
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• 韧脆转变温度
• 材料的冲击韧性随温度
下降而下降。在某一温 度范围内冲击韧性值急 剧下降的现象称韧脆转 变。发生韧脆转变的温
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• • • • • • （一）力学性能 （二）耐腐蚀性能 （三）物理性能 （四）工艺性能 （五）热处理 （六）承压类特种设备常用材料
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山东省特检院 科研中心 申孝民 bruceshen113@tom.com
引言
概述 • 在压力容器制造业中，金 属材料具有其他材料无法 替代的地位和作用。 • 压力容器对材料要求很高， 如高强度、高韧性、优良 的耐腐蚀性能及工艺性能 等。 • 对材料的较高要求是推动 压力容器用材不断发展的 基本动力。
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• 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏
硬度值在450以下的材料。 • 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬 度在650以下的材料。 • 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬 的材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
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（2）按用途分类： • 结构钢、工具钢、特殊性能更钢 （3）按金相组织分类 • ①按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢、共析钢、 过共析钢、莱氏体钢 • ②按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥 氏体钢 • ③按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：铁素 体钢、奥氏体钢、马氏体钢
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（三）物理性能 • 材料的物理性能主要是指： • 密度ρ(kg/m3)、导热系数、比热、 熔点Tm(℃)、线膨胀系数、 • 弹性模量E。 （四）工艺性能 • 1) 切削加工性能： 2)可铸性: • 3)可锻性：它是指通过锻造等 • 压力加工方式而成形的能力。
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洛氏硬度HR • 洛氏硬度用符号表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 • 在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用 下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保 持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量 计算硬度值。
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• 金属及合金在工业上有着广泛的 应用，根据不同的使用目的、不 同的工作条件，对金属材料有不 同的要求。金属材料的性能主要 包括以下两个方面： • 1、使用性能。即为了保证机械零 件、设备、结构件等正常工作， 材料所具备的性能。包括力学性 能、物理性能、化学性能等。 • 2、工艺性能。即材料在被制成机 械零件、结构件、设备的过程中， 适应各种冷、热加工（如铸造、 轧制、锻压、焊接、热处理、切 削加工等）的性能。
15000吨重型自由锻造水压机
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• 4)可焊性：它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工 艺而获得良好焊接接头的性能。 • 通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头 区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。钢材 焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。而其中影响最 大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可 焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影 响程度一般都比碳小得多。 • 制造一般受压容器所用钢材的含碳量最好不大于0．25％ • 5) 热处理性能：是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、 淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾 向等。
• 热处理特点: 热处理区别于其 他加工工艺如铸造、压力加工 等的特点是只通过改变工件的 组织来改变性能，而不改变其 形状。
铸造
• 热处理适用范围:只适用 于固态下发生相变的材料， 不发生固态相变的材料不
轧制
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能用热处理强化。
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• 热处理分类 普通热处理 退火 正火 淬火 回火
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引言
黄铜
Al-Cu合金
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钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
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• 金属材料分为两大类，即黑色金属和有色金属。在元素 周期表中除铁、锰、铬三种元素为黑色金属元素外，其 余的金属元素均为有色金属元素。 • 通常将以铁、锰、铬为基的合金称为黑色金属，其中以 铁为基的合金通常称为钢。以其余金属元素为基的合金 称为有色金属。 （1）按冶炼方法分类： • 平炉钢、转炉钢和电炉钢，每一种还可以根据炉衬材料 的不同，分为碱性和酸性。 • 按钢液脱氧程度和铸锭制度的不同，碳素钢可分：沸腾 钢、镇静钢、半镇静钢
度范围称韧脆转变温度。
材料的使用温度应高于 韧脆转变温度。
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TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关
Titanic
近代船用钢板
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5、疲劳强度: 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断 裂的最大应力值。
作用下压入试样表面，保持一定时间
后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表 面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度 可通过测量压痕对角线长度d查表得 到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏
硬度的优点。
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• （二）耐腐蚀性能 • 金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。 • 腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破 坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多承压 类特种设备的破坏都与材料的腐蚀有关。 • 材料的选择应避免应力腐蚀的发生Leabharlann Baidu因为它会带来特种设 备在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发 生; • 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料 不致于在短时间内因腐蚀造成的特种设备壁厚急剧减薄而 失效。
• 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 • 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
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2、弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时 的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性 模量E。

HRC用于测量中等硬度材料，如
调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度的优点：操作简便，压 痕小，适用范围广。

缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
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维氏硬度HV
• 将顶部两相对面具有规定角度（136） 的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的
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• （五）钢的热处理
• 改善钢的性能，主要有两条途径：
• 一是合金化 • 二是热处理 • 热处理：是指将固态金 属或合金加热、保温和 冷却，以改变钢的组织
结构，获得所需要性能
的一种工艺.
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