京能集团运行人员培训教程
BEIH Plant Course
金属材料学基础理论
1 / 104
目录
1 2 3
金属的基础知识 ...................................................................................................................... 3 钢铁的基础知识 ...................................................................................................................... 3 金属材料的性能 ...................................................................................................................... 5 3.1 工艺性能 ....................................................................................................................... 5 3.2 力学性能 ....................................................................................................................... 8 3.3 高温性能 ..................................................................................................................... 11 4 金属材料的微观理论知识 ..................................................................................................... 14
4.1 金属键及其性质 ......................................................................................................... 14 4.2 晶体结构 ..................................................................................................................... 14 4.3 晶面、晶向与晶格致密度 ......................................................................................... 15 4.4 单晶体与多晶体 ......................................................................................................... 15 4.5 晶体的缺陷 ................................................................................................................. 16 4.6 纯金属的结晶 ............................................................................................................. 17 4.7 固态金属的同素异晶转变 ......................................................................................... 18 4.8 金属的塑性变形与再结晶 ......................................................................................... 19 4.9 冷加工与热加工的区别 ............................................................................................. 21 5 相图 ........................................................................................................................................ 21
5.1 合金相图 ..................................................................................................................... 21 5.2 铁碳合金相图 ............................................................................................................. 22 5.3 相变过程及概念 ......................................................................................................... 23 5.4 典型铁碳合金结晶过程分析 ..................................................................................... 24 5.4.1 铁碳合金分类 ......................................................................................................... 24 5.4.2 典型铁碳合金结晶过程分析 ................................................................................. 24 5.5 铁碳合金相图的应用 ................................................................................................. 26 5.5.1 含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律 ................................................. 26 5.5.2 铁碳相图的应用 ..................................................................................................... 27 6 钢的热处理 ............................................................................................................................ 28 7 元素对钢的性能影响............................................................................................................. 37 8 金属材料牌号的表示方法及电站常见钢号 ......................................................................... 40 9 电站锅炉钢材选用原则 ......................................................................................................... 46
9.1 耐热钢的分类与设计 ................................................................................................. 46 9.2 常用耐热钢选用原则 ................................................................................................. 47 9.3 电站锅炉常见钢种 ..................................................................................................... 47 10 无损检测 ................................................................................................................................ 50 11 金属焊接 ................................................................................................................................ 55 12 金属喷涂技术 ........................................................................................................................ 75
2 / 104
1 金属的基础知识
化学周期表中现有108种元素，按照元素的原子结构和性质，大体可分为金属、非金属和准金属三大类。
金属的种类繁多，已经发现的金属有86种。按照冶金工业方法分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、锰、铬三种金属及它们的合金，其他金属统称为有色金属。按照密度大小分为轻金属和重金属，密度小于4500千克/立方米的为轻金属，如铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等，密度大于4500千克/立方米，如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。按照价格成本可分为一般金属和贵金属。按照地壳丰度大小可分为常见金属和稀有金属。
金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。
金属之最：地壳中含量最高的金属元素——铝；目前世界年产量最高的金属——铁；人体中含量最高的金属元素——钙；导电、导热性最好的金属——银；硬度最大的金属——铬；硬度最小(最软)的金属——铯；熔点最高的金属——钨；熔点最低的金属——汞；密度最大的金属——锇；密度最小的金属——锂；延展性最好的金属——金、铂；海水中储量最大的放射性元素——铀。
2 钢铁的基础知识
2.1 钢铁的优点
进入青铜时代以来，人类与金属材料及其制品的关系日益密切，可以说没有金属材料就没有人类的物质文明。在人类使用的所有金属材料中，铁是使用量最大、使用范围最广泛的基础材料。其主要原因是：
1．铁是一种化学元素，它是地球中较多的元素之一，约占35%，且大多以巨大的铁矿床存在于自然界中；
2．铁矿石的冶炼和加工与其他金属的生产相比，具有生产规模大、效率高、质量好、成本低等显著的优势；
3．钢铁具有良好的物理、机械和工艺性能；
3 / 104
4．将镍、铬、钒、锰等金属作为合金元素加入铁中，可获得具有各种性能的金属材料； 5．钢铁通过热处理能调整其机械性能，可以满足国民经济各方面的需要； 6．钢铁具有良好的可回收性。 2.2 钢铁的基本概念
合金：由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。 钢铁产品：以铁元素（Fe）为基础组成成分的金属产品的统称，日常形态包括铁、粗钢、钢材、铁合金等。
生铁：一般指含碳量在大于2%的铁碳合金，按用途分为炼钢生铁和铸造生铁，按化学成分分为普通生铁和特种生铁。含碳量在2.5%-3.5%之间的称为铸铁，按断口颜色分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。
熟铁：一般指含碳量小于0.2%的铁碳合金，含碳量小于0.04%的铁碳合金叫工业纯铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低。
钢：以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的合金材料。（在铬钢中含碳量可能大于2%，但含碳量2%通常是钢和铸铁的分界线。） 2.3 钢铁的分类
2.3.1 按冶炼方法分为：手炉钢、电炉钢和转炉钢。电炉钢又分为电弧炉、感应炉、真空感应炉、电渣炉。
2.3.2 按脱氧程度分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。 2.3.3 按用途分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢和专业用钢。
2.3.4 按金相组织分为：（1）按平衡状态和退火组织区分，亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。（2）按正火组织区分，珠光体刚、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（3）按加热时有无相变和室温时的金相组织区分，铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢、双相钢。 2.3.5 按化学成分分为：（1）碳素钢。简称碳钢，除铁、碳外主要含有少量Si、Mn、S、P杂质，总含量不超过2%，含碳量小于0.25%为低碳钢，含碳量在0.25%-0.6%为中碳钢，含碳量大于0.6%为高碳钢。包括普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢。（2）合金钢。除碳钢所含元素外还含有其他一些合金元素如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，包括低合金钢、中合金钢和高合金钢。合金含量小于5%为低合金钢，合金含量在5%-10%之间为中合金钢，合金含量大于10%为高合金钢。
2.3.6 按品质分为：普通钢、优质钢、高优质钢A和特殊优质钢E。
2.3.7 按形状分为：（1）板材。厚度0.2-4mm为薄钢板，4-20mm为中厚钢板，大于20mm
4 / 104
为厚钢板。（2）管材。无缝（热轧、冷拨和抵压），有缝（焊接管）。（3）型材。角钢、槽钢、工字钢、圆钢、方钢、扁钢和六角钢。（4）线材。钢筋、钢丝和铁丝。
3 金属材料的性能
3.1 工艺性能
金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称工艺性能。工艺性能好的材料易于进行加工，生产成本低；工艺性能差的材科在进行加工时工艺复杂、困难，不易达到顶期的效果，加工成本高。 3.1.1 铸造性能
金属材料的生产，大多是通过冶炼、铸造而得到的，如各种机械设备的底座基础，汽轮机的机壳、阀门，磨煤机的耐磨件等。液体金属浇注成型的能力，称为金属的铸造性能。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。
（1） 流动性：指金属对铸模流动填充继而固化成型的能力。金属的流动性好，可以浇注成外观整齐、尺寸准确、轮廓清晰、壁薄而形状复杂的零部件，有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除，易于补缩和热裂纹的弥合。比如，铸铁的流动性优于钢，青铜的流动性好于黄铜。
影响流动性的因素有：合金种类、成分、结晶特征、粘度、结晶潜热、热导率和其他物理性能。
（2） 收缩率：指铸件冷凝过程中体积和尺寸的减少率。收缩是合金本身的物理性质，是铸件产生内部缺陷的基本原因。整个收缩过程包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的阶段。
（3） 偏析：铸件冷凝时，由于种种原因而造成化学成分出现不均匀的现象。偏析使整体冲击韧性降低，质量变差。
（4） 常见的铸造缺陷可分为表面类、裂纹类、孔眼类、形状不合格、尺寸不合格、重量不合格、成分不合格、组织不合格、性能不合格。比如：缩孔、缩松、变形、开裂、冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。 序号 缺陷名称 缺陷类别 形成原因 防控措施 图示 2 缩松 缩孔 孔洞类 ? 改进铸件结构，尽可铸件内部厚截面处能减少热节数。 形成不规则的孔洞，? 合理设计浇冒口系统微小密集，表面粗和浇道位置，形成顺序糙。 凝固。 5 / 104