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第一章金属材料及热处理根本知识

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。

使用性能：为了保证零部件、设备、结构能正常工作所应具备的性能。

力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等

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

工艺性能：制造过程中适应各种冷热加工工艺的性能。

热加工：铸造、焊接、热处理

冷加工：压力加工、切削加工。

材料力学的根本知识

1.金属材料在加工和使过程中的根本特征

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；

力学性能：材料在外力作用下表现出的性能，如强度、硬度、塑性、韧性、持久强度、蠕变极限等

应力与应变

⑴内力：是指材料内部各局部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。

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。假设以材料塑性伸长％作为屈服极限，那么其屈服强度用σ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：当外加应力到达材料抗拉强度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σb、屈服强度σs是评价材料性能〔强度〕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平安系数来保证。一般设计假设以抗拉强度σb作为指标时，锅炉标准规定平安系数Nb＝，压力容器标准规定平安系数Nb＝；假设采用屈服强度σs作为指标时，锅炉标准规定平安系数Ns＝，压力容器标准规定平安系数Ns＝。

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。

硬度

⑴定义：是指材料抵抗局部塑性变形或外表损伤的能力。

⑵工程上常用硬度试验方法：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主要用于测定金属外表硬度，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外表硬度的测定，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。

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：材料冲击韧性的上下，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拟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。

金属学与热处理根本知识

金属的晶体结构

⑴定义：内部原子呈规那么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