金属材料知识讲座 - 图文

三、材料性能与化学成分和组织结构的关系。

材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素（载荷性质、应力状态、工作温度和环境介质）作用下的综合反映。

材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据，而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。

钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一。

化学成分一定时，可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构，而导致材料在力学性能上有较大的差异。

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四、选择材料需考虑的因素

在零构件及压力容器设计中，正确地选择结构材料对于保证构件的结构合理、安全使用和降低制造成本是至关重要的。

材料的选择必须要考虑到许多因素，以压力容器为例尽管工艺系统设计人员负责推荐选用于工艺条件的、即具有良好耐腐蚀性能的材料或对介质无污染的材料。但作为设备专业的设计人员，除应了解材料的耐蚀性能外，还必须知道：材料应具有足够的强度和良好的焊接性能和其它加工性能，应选择适合于工艺和机械两方面要求的最经济的材料．这些材料应该是在整个设备工作寿命期限里，考虑到维修、更新等因素在内的成本最低的材料。

选择结构材料时，需考虑的主要因素包括： （一）使用性能

1． 力学性能

力学性能是针对失效而言。失效三种形式：变形，磨损和断裂。

（1）强度指标——抗拉强度、屈服点； ζ=P/F

抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。在GB228“金属拉伸试验方法”中给出了抗拉强度的定义和试验方法。

屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加（保持恒定），而材料仍继续伸长变形时所对应的应力．对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率为0．2％时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB 228中给出了试验方法。 （2）刚度——弹性模量

刚度是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大小的因素之一，它与材料的弹性模量和结 构元件的截面形状（截面惯性矩）有关。 弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。

GB 150附录1给出了不同类别钢材在不同温度下的弹性模量． （3）韧性——抗断裂性能；冲击韧性Ak

韧性用来衡量材料的抗裂纹扩展能力．对低碳钢、铝、铜一类塑性材料，其晶格结构能

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够由于裂纹尖端的局部屈服而终止裂纹的扩展；对于类似铸铁等脆性材料，其晶格结构不会使裂纹尖端产生局部屈服现象，不能终止裂纹扩展，因此脆性材料不耐拉伸．而在压缩条件下，任何已经存在的初始裂纹都可能闭合． （4）硬度——耐磨性，洛氏硬度，维氏硬度

硬度是抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力．用标准试验方法测得的表面硬度是材料耐磨能力的重要指标．如果容器是用于处理有摩擦性的固体或含有可能引起磨蚀的悬浮固体的流体物料时，则应考虑材料的表面硬度．根据试验方法的不同，有不同的量值表示硬度．在压力容器行业中，多采用布氏硬度，其标准试验方法是GB231‘金属布氏硬度试验方皆．其它硬度表示方法及试验方法有： GB 230 “金属洛氏硬度试验方法” GB 4340“金属维氏硬度试验方法” （5）抗疲劳性能——疲劳极限

材料或元件在交变应力（随时间作周期性改变的应力）作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间歇操作的设备，应考虑其疲劳失效的可能性．

疲劳极限即材料承受近无限次应力循环（对钢材约为107次），而不破坏的最大应力值。 对于承受周期性循环载荷的容器分析设计，在即将发布实施以应力分析为基础压力容器设计方法“钢制压力容器 另一标准”中另有专章规定。 （6）抗蠕变性能

蠕变是在一个长时间内，在稳定的拉伸应力作用下材料出现逐渐伸长的现象．对于钢材，通常只有在较高温度下才会发生蠕变；对于少数材料，在中等温度下就有显著的蠕变速度，如铅，甚至在常温下就会在本身重量下产生蠕变。所以用铅作村里时，必须以较小的间隔予以支承固定。GB 150中是以设计温度下经过10万小时蠕变率为1％的蠕变极限作为设计基础的。

（7）高温和低温对力学性能的影响

材料的抗拉强度、屈服点和弹性模量随温度的升高而降低．如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。显然，不锈钢比普通碳钢要优越得多。如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的．必要时采用特

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殊合金，如因康镍。

对于0℃以下的低温设备，通常的塑性金属材料可能以脆性方式破坏。脆性失效的现象与金属的晶体结构有关。体心立方（bcc）晶格的金属要比面心立方晶格（fcc）的金属更容易发生脆性失效。对于低温容器，如深冷装置和某些液化气体的贮存，有时要规定使用奥氏体不锈钢和铝合金。

引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因索非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度、加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度．

目前各国标准规范均以夏比V型缺口冲击试验来检验材料对施性破坏的敏感性，其指标为冲击（吸收）功Akv，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击负荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳（J）．标准试验方法有：

GB 2106 “金属夏比（V型缺口）冲击试验方法” GB 4159 “金属低温夏比冲击试验方法”

所谓材料的使用温度是指容器在正常操作过程中，元件材料可能达到的温度，GB 150规定，该温度不得超过各许用应力表中各钢号所对应的上限温度；对于0℃以下的使用温度，要求材料仍能符合对其低温冲击功指标的要求． 2．化学性能 耐腐蚀性能； 3．物理性能

特殊性能：如导热性，硬化性能； （二）工艺性能

机械加工性能一成型、焊接、锻造、机加工、热处理； （三）其他

标准系列尺寸一常用板材、管材与型材的规格； 材料价格．

六、学习本课程的目的和要求

目的和要求：根据各种实际工作条件选择适当的材料。

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