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金属材料及热处理基本知识 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。 材料力学的基本知识 1.2.1金属材料在加工和使过程中的基本特征 ⑴都要承受不同形式外力的作用； ⑵都会产生抵抗这些外力作用的能力（这种能力称为材料的力学性能如σs、HB、αk、δ5等）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 ⑴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的附加内力的结果，通常简称它为内力。 ⑵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称为应变；物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力称为正应力。 1.2.3强度 ⑴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。 ⑵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），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对应的应变值eノ，称为比例极限σp 。 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σb 。若以材料塑性伸长0.2％作为屈服极限，则其屈服强度用σ0.2表示。 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σs后，试件某一局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。 ⑶应用：抗拉强度σs、屈服强度σb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。一般设计若以抗拉强度σs作为指标时，锅炉规范规定安全系数Ns＝1.5，压力容器规范规定安全系数Ns＝1.6；若采用屈服强度σb作为指标时，锅炉规范规定安全系数Nb＝2.7，压力容器规范规定安全系数Ns＝3.0。 1.2.4塑性 ⑴定义：塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。 ⑵评定与计算：材料塑性的指标通常用伸长率δ和断面收缩率ψ，伸长率可用右式确定：δ＝［（L1－L0）/L0］×100％；L0—试件原标距长度， L1—拉断后试件标距长度。断面收缩率可用右式确定：ψ＝［（A0－A1）/A0］×100％ 式中：A0－试件原来截面积，A1－拉断后试件颈缩处的截面积 ⑶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 ⑴定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 ⑵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。 ⑶应用：HB主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正火、调质处理的钢材。HR主要用于测定硬度较高的材料，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，如测定金相组织中不同区域的硬度，测定焊缝不同区域的硬度。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 ⑴定义：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。 ⑵试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。冲击韧性αKv（αku）＝Ak／SN 。 ⑶应用：材料冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力，冲击韧性高的一般都有较高的塑性，但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性。冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。 1.3金属学与热处理基本知识 1.3.1金属的晶体结构 ⑴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。 ⑵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。 ⑶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（晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成）