金屬材料的性能首先取決于它的元素組成，其次它也將受微觀組織、加工方法、熱處理方式等因素的影響，而工程選材主要是依據(jù)材料的性能而進(jìn)行的。作為材料工程師，有必要對影響材料性能的有關(guān)基本知識有所了解，并能夠?qū)Σ牧系募庸し椒ā崽幚怼z查試驗等提出適宜的要求，從而能夠選用到既可靠又經(jīng)濟的材料。有關(guān)金屬材料的基本知識將分兩部分來介紹。本節(jié)作為第一部分將介紹金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)、基本性能、常見元素對金屬材料性能的影響以及金屬材料的分類及牌號標(biāo)識等內(nèi)容，而與制造有關(guān)的金屬材料基本知識將在第九章中介紹。
一、金屬的微觀結(jié)構(gòu)
金屬是石油化工生產(chǎn)裝置中最主要的應(yīng)用材料，有人比喻說：“石油化工生產(chǎn)裝置是用鋼鐵壘起來的”。此話一點都不過分。那么什么是金屬呢？它與非金屬相比，具有以下四個明顯的特征：金屬的固體是晶體；金屬具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性；金屬具有特有的顏色和光澤；金屬具有塑性。同時具有上述四種特征的材料才是金屬，只具有上述一種或兩種特性的材料不一定是金屬。
（一）鈍金屬的微觀結(jié)構(gòu)
鈍金屬在工程上用的很少，大多數(shù)用的是其合金材料。為了便于理解，還是首先從鈍金屬說起。上面已經(jīng)提到，固體的金屬都是晶體，而晶體的最大特點就是其原子按一定的規(guī)律整齊排列著。不妨用假想的幾何聯(lián)線將原子的中心線連起來，形成一個空間幾何格子，并稱之為晶格，見圖3-1所示。構(gòu)成晶格的最小單元叫做晶胞，晶胞
各邊的尺寸（x，y，z）叫做晶格常
數(shù)。根據(jù)晶格常數(shù)及原子的配置位置
不同，可將晶胞分成以下常見的三種
型式：即體心立方晶胞、面心立方晶
胞和密排六方晶胞，見圖3-2所示。
其中，體心立方晶胞為x=y=z的正方
體，每個節(jié)點和體心內(nèi)各置一個原子。
配屬于該晶胞的原子數(shù)為（1/8）x8+1=2
個。屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金屬有α-鐵 圖3－1 金屬的晶格
（α-Fe）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎢（W）、
釩（V）等；面心立方晶
胞也為x=y=z的正方體，
但它除每個節(jié)點各有一
個原子外，其六個面上
還各置一個原子。配屬
于該晶胞的原子數(shù)為
(1/8)x8+(1/2)×6=4個。
屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金
屬有鋁（Al）、銅（Cu）、 （a）體心立方晶胞 （b）面心立方晶胞 （c）密排六方晶胞
鎳（Ni）、鉛（Pb）、r-鐵 圖3－2 晶胞結(jié)構(gòu)
（r-Fe）、銀（Ag）等；密
排六方晶胞的y/x≈1.633，其配屬該晶胞的原子數(shù)為（1/4）x12+（1/2）x2+3=6個。屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金屬有鈹（Be）、鎂（Mg）、鋅（Zn）、鎘（Cd）等。不同晶格型式的金屬，其機械性能是不同的。我們知道，金屬的強度表現(xiàn)為金屬原子間的金屬健結(jié)合。也就是說，金屬原子（實為離子）周圍的自由電子穿梭于各原子之間，它不再為某個原子所擁有，而是為相鄰的所有原子共有，各原子正是靠這些自由電子將它們緊緊地“粘”在一起（通常稱這種結(jié)合為金屬健結(jié)合），從而使金屬具有了較高的強度。如果相鄰原子較遠(yuǎn)，其自由電子的“粘結(jié)力”將降低。從上面講到的三種晶胞型式看，由于其各個幾何面上的原子數(shù)及原子間的距離不同，故各幾何面上的原子結(jié)合力是不同的，這就是通常所說的晶體具有“各向異性”的原因。
金屬的變形，實質(zhì)上就是其晶格的變形或移動。在外力的作用下，金屬內(nèi)部的晶格首先將發(fā)生伸長或歪扭變形，如果去掉外力，變形的晶格將恢復(fù)正常的穩(wěn)定位置，此時的金屬變形稱為彈性變形。如果施加的外力足夠大，以致超過了原子間的結(jié)合力，金屬內(nèi)部的晶格將發(fā)生錯位（業(yè)內(nèi)人士稱其為位錯）或滑移，移位后的原子將和新位置上的原子發(fā)生“粘結(jié)”，此時就說金屬發(fā)生了塑性變形。如果再增大外力，使它能夠克服整個金屬斷面上所有晶格滑移所需要的力，此時金屬的塑性變形量將快速增加，直到金屬的斷裂。對單晶體來說，晶格的變形（拉伸或扭轉(zhuǎn)）或移位（位錯或滑移等）總是優(yōu)先在原子結(jié)合力較小的面間進(jìn)行，或者是沿原子密度最大的幾何面（稱為晶面）發(fā)生。對于每種晶胞來說，這種面越多，晶體變形越容易，表現(xiàn)出來的金屬塑性越好。因為密排六方晶胞的變形面較多，面心立方晶胞次之，體心立方晶胞最少，故具有體心立方晶胞結(jié)構(gòu)的金屬強度最高，面心晶胞次之，密排六方晶胞則最低。
眾所周知，工程上應(yīng)用的金屬材料并沒有呈現(xiàn)各向異性的性能。這是因為實際的金屬材料通常并不是一個單一的晶體，而是由無數(shù)個晶格取向各不相同的小晶體所組成。每個小晶體的外形多呈不規(guī)則的顆粒狀，并稱其為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。顯然，晶界上的原子為了適應(yīng)兩晶粒間的不同晶格方位的過渡，其排列是不規(guī)則的，晶格也不再保持原形而發(fā)生畸變。根據(jù)金屬變形的理論可知，此時晶界上的原子難以移位，晶格也難以變形，故使得金屬的性能因晶界的存在而發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為金屬的強度和硬度升高，而塑性和韌性下降。又由于晶界的原子排列不規(guī)則，自由電子的運動受到阻礙，使得晶界金屬容易失去電子而遭受化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，同時金屬的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率下降。由于各晶粒的晶格取向不同，每個晶粒發(fā)生晶格變形都將受到它周圍晶粒的約束和阻礙，因此實際金屬中的晶粒也變得難以變形和移動。晶粒和晶界共同作用的結(jié)果使得實際金屬的強度一般高于單晶體。試驗證明，金屬的強度不僅與原子間的結(jié)合力有關(guān)，還與其晶粒的大小有關(guān)。理論上可以這樣解釋：因為金屬的晶粒尺寸越小，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)就越多，晶界的總面積就越大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)越多，從而表現(xiàn)出金屬的變形抗力就越大，金屬的強度越高。另一方面，晶粒尺寸越小，金屬的塑性和韌性也越好。這是因為此時單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目增加后，同樣的晶格變形可以分散在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，不致于造成局部某個晶粒過大變形而導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致金屬的過早斷裂。基于這樣的理論，工程上常將金屬中晶粒的大小作為評定金屬產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。這部分內(nèi)容將在第九章中介紹。
從上面的論述中可以得到這樣一個結(jié)論：金屬的晶粒尺寸越小越好。金屬晶粒尺寸的大小與它液態(tài)凝固時的條件、壓力加工變形方法、熱處理方法等因素有很大關(guān)系。采用合理的凝固條件、壓力加工變形方法和熱處理方法，可以獲得良好的晶粒尺寸。本節(jié)主要講凝固條件對金屬晶粒度的影響，而熱處理及壓力加工變形方法對晶粒度的影響將放在第九章中講述。
（二）鈍金屬的結(jié)晶過程
物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程叫做凝固。金屬凝固時因為伴隨著晶體的形成，故稱這種凝固過程為結(jié)晶。結(jié)晶的過程實際上是一個能量轉(zhuǎn)換過程。液體金屬溫度較高，也就是說其自由能較高，當(dāng)金屬冷卻凝固時，實質(zhì)上是一個降低其自由能的過程。當(dāng)金屬溫度降低到其凝固點時，結(jié)晶便開始。由熱動力學(xué)理論可知，實際開始結(jié)晶的溫度應(yīng)低于金屬的凝固點，以此獲得一個結(jié)晶降能的足夠動力，通常把這個溫度差叫做過冷度。過冷度越大，降能過程獲得的動力越大，此時結(jié)晶過程進(jìn)行的越快。
結(jié)晶總是首先從高熔點物或局部過冷度較大的地方開始。較高熔點物因其凝固點較高而首先凝固，而獲得較大過冷度的局部金屬也將首先凝固，通常把首先凝固的細(xì)小顆粒叫做晶核。晶核形成之后，由于固體表面散熱快，故結(jié)晶將圍繞晶核進(jìn)行，使晶核長大，直到各晶粒相互接觸并完成結(jié)晶。由此也可以說，結(jié)晶的過程就是晶核形成和成長的過程。金屬中高熔點成分越多，形成的晶核就越多，得到的結(jié)晶晶粒尺寸就越小。結(jié)晶過程的過冷度越大，同時生成的晶核數(shù)量也越多，而且因晶粒成長的時間較短，故得到的結(jié)晶晶粒尺寸就越小。因此，工程上往往在一些材料中有意加入一些高熔點元素，或者有意加快冷卻速度，以期得到晶粒較細(xì)的組織。
圖3-3給出了鑄件的結(jié)晶組織。從圖中可以看
出，外側(cè)靠近模型的部分，由于開始時模具溫度比
較低，結(jié)晶過冷度大，此時形核量大，故得到的是
細(xì)晶粒組織。隨著模具溫度升高，形核量減少，此
時主要是晶核長大過程。而由于垂直模壁方向的散
熱條件好，故晶核優(yōu)先在垂直于模壁方向長大，從
而形成柱狀晶粒組織。柱狀晶粒有時會因晶體的棱
角處散熱快而沿棱角發(fā)展，最終得到的晶粒呈樹枝
狀，故稱之為枝晶組織。由于枝晶組織塑性較差， 圖3－3 鑄造組織
壓力加工時易斷裂，故它是不希望得到的組織。工
程上，對一些重要的管道元件要限制這種組織的大小和數(shù)量。鑄件中心是最后凝固結(jié)晶的部分，此時
的金屬散熱很慢，結(jié)晶過冷度較小，晶核的形成和成長均比較慢，而且無方向性，故得到的是粗大晶粒組織。粗大晶粒組織使得金屬的強度、韌性、塑性均比較低。
值得一提的是，當(dāng)結(jié)晶將要進(jìn)行完畢時，最后凝固的液體會因為得不到鋼液的補充而出現(xiàn)縮孔，縮孔往往出現(xiàn)在鑄件的上部。當(dāng)金屬中存在低熔點的雜質(zhì)元素（對合金則是低熔點成分）時，會在金屬內(nèi)部形成許多分散的微小孔隙，通常稱之為疏松。疏松產(chǎn)生的原因是這樣的：基體成分優(yōu)先結(jié)晶并長大，當(dāng)各晶粒凸出部分相互接觸后，會隔斷雜質(zhì)（低熔點）成分的鋼液，而當(dāng)這部分鋼液最后冷卻時因得不到補充而形成疏松。如果這些雜質(zhì)成分被集中在某個區(qū)域（一般是在較后冷卻的部分），形成一個成分和性能有別于基體金屬的局部組織，通常稱這種現(xiàn)象叫做偏析。如果此時的雜質(zhì)成分是非金屬，則形成非金屬物夾雜。疏松、偏析和非金屬物夾雜均對金屬的強度不利，工程上對這些缺陷的存在或量的多少均應(yīng)進(jìn)行限制，詳細(xì)內(nèi)容將在第九章中介紹。疏松、偏析和非金屬物夾雜既可出現(xiàn)在鑄件的上部最后冷卻部分，也可能出現(xiàn)在鋼材內(nèi)部。鑄件中除可能出現(xiàn)上述的缺陷外，還可能出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾砂、鑄造應(yīng)力等缺陷。該部分也將在第九章中介紹。
（三）合金的微觀結(jié)構(gòu)
通過熔煉、燒結(jié)或其它方法將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起并形成一種具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。這里講的合金與通常所說的合金鋼不一樣，合金是指廣義上的兩種或兩以上的元素形成的具有金屬特性的物質(zhì)。而合金鋼是指在碳鋼中加入一些合金元素（除鐵以外的其它金屬元素）以形成具有特殊性能的金屬物質(zhì)。
合金的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶過程要比鈍金屬復(fù)雜的多。為了便于介紹，先給出幾個基本概念：
a、組元：指組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。組元不單是指元素，也可以是化合物。
b、相：指鈍金屬或合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并以界面互相分開的、均勻的組成部分。這里的界面并非指晶界，即一個晶粒內(nèi)也可以有多個相，而多個晶粒也可以屬同一個相。
c、系：指相同或大致相同的組元以不同的結(jié)合比例而組成的一系列合金的集合。例如，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2等就是同一系合金，常稱做300系列不銹鋼。由此可以說，自然的鈍金屬是有數(shù)的，而合金則是無數(shù)的。
d、組織：指組成合金的各相在空間上的配置情況。它與合金的相既有聯(lián)系，又有區(qū)別。所謂的聯(lián)系是指組織是由相組成的。所謂的區(qū)別是指即使相同的合金相，如果其配置不同，得到的組織也是不相同的。合金的組織不同，其性能也不一樣。換句話說，合金的性能受其組織的影響。
固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的特征不同，可分為兩大類：其一為固溶體，其二為金屬化合物。
如果相的晶格結(jié)構(gòu)與合金的某一組元的晶格結(jié)構(gòu)相同，其它組元則包含其中，這樣的相稱之為固溶體。固溶體中保留原晶格結(jié)構(gòu)的組元叫做溶劑，而溶入溶劑中的組元稱為溶質(zhì)。根據(jù)溶質(zhì)在溶劑晶格中所占據(jù)的位置不同可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。當(dāng)溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的位置時，形成的固溶體叫做置換固溶體。而當(dāng)溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑的晶格位置，而是嵌入溶劑原子之間的空隙中，此時所得到的固溶體叫做間隙固溶體。一般情況下，當(dāng)溶質(zhì)的原子直徑比溶劑小很多時，得到的固溶體往往是間隙固溶體。不難理解，在間隙固溶體中，溶質(zhì)在溶劑中的溶解量是有限度的，即直到溶質(zhì)原子填滿溶劑的空隙為止。其溶解的量常用溶解度來表示，溶解度等于溶質(zhì)的重量與固溶體總重的百分比。間隙固溶體往往使得金屬的強度升高，而塑性和韌性下降，這是因為溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格之間的空隙中，起“釘扎”作用，使溶劑晶格難以變形所致。通常所說的金屬氫脆現(xiàn)象正是基于這樣的一個機理。
如果各組元以一定的原子數(shù)量比結(jié)合在一起形成一種具有金屬特性的新相，而且新相的晶格結(jié)構(gòu)與其組元中任一組元的晶格都不同，那么該新相就叫做金屬化合物。根據(jù)形成的條件不同可將金屬化合物分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三種。其中，正常價化合物符合化學(xué)理論中的原子價規(guī)律，各組元的成分比例是固定的；電子化合物則不符合原子價規(guī)律，其各組元的比例是由電子濃度支配的；間隙化合物既具有間隙溶解的性質(zhì)，又具有化學(xué)結(jié)合的性質(zhì)，如鋼材的滲鋁、滲氮、滲硼等。一般情況下，金屬化合物中的各組元是靠化學(xué)健或化學(xué)健與其它健共同作用結(jié)合的，故它具有高強度、高硬度、高熔點、高脆性的特點。
（四）合金的結(jié)晶過程
由于合金是由多組元組成的，各組元的熔點不同，配置比例不同，結(jié)晶時的冷卻速度不同，最終得到的結(jié)晶組織也不同。因此合金的結(jié)晶過程要比鈍金屬復(fù)雜的多。為了便于介紹，也首先介紹幾個基本概念：
a、相平衡：指合金中參于結(jié)晶或相變過程的各相之間的相對重量和相的濃度處于相對穩(wěn)定而達(dá)到的一種能量平衡。
b、相圖：指一個以溫度為縱坐標(biāo)，以組元成分為橫坐標(biāo)，表明合金系中各個合金在不同溫度下的組成、以及相與相之間平衡關(guān)系的圖形。相圖在金屬加工和工程應(yīng)用中是一個很重要的工具，從相圖中可以查到合金的熔點和凝固點；根據(jù)相圖可以確定合金熱加工時的加熱溫度和熱處理溫度；相圖表明了合金的成分及基本組織，由此可以預(yù)測合金的性能。
c、共晶反應(yīng)：指在結(jié)晶過程中，從一成分固定的合金溶液中同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相的過程。共晶反應(yīng)是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程。
d、共析反應(yīng)：指在冷卻過程中，從一均勻一致的固相中同時析出兩種化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的新固相的過程。共析反應(yīng)也是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程。
e、次生相：指從固相中析出的相結(jié)構(gòu)有別于母相的小晶體。它是由于液態(tài)和固態(tài)情況下溶劑對溶質(zhì)的溶解度不一樣，而冷卻速度又快，致使共晶反應(yīng)進(jìn)行不徹底造成的。一個組織中，如果次生相較多，會造成材料的彌散硬化現(xiàn)象。因為次生相和共析組織都是在溫度較低的固相轉(zhuǎn)變中得到的組織，此時原子擴散困難，故得到組織為細(xì)晶粒組織。
f、偏析：指由于合金中各組元的溶點不同，結(jié)晶的快慢也不同，從而形成晶內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。如果偏析發(fā)生在技晶上，則為枝晶偏析。前面已經(jīng)講過，鈍金屬的偏析一般是由雜質(zhì)引起的，而合金則可能因各組元的熔點不同而造成，故相對于鈍金屬，合金更容易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。合金中的偏析會影響其機械性能和耐蝕性，故一般要通過熱處理進(jìn)行消除或改善。
下面就以鐵碳合金相圖為例介紹合金的結(jié)晶過程。
圖3-4給出了鐵碳合金的相圖。
圖3－4 鐵碳合金相圖
該相圖中有兩個組元，即鐵（Fe）和滲碳體（Fe3C）。其中，F(xiàn)e的性能表現(xiàn)為強度和硬度較低，而塑性和韌性較好；Fe3C為具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，其性能表現(xiàn)為硬而脆。該相圖中有四個基本相，即液相（L）、鐵素體（α）、奧氏體（r）和滲碳體（Fe3C），此外還有一個次生相即珠光體（P）。其中，鐵素體為碳在α-Fe中的間隙固溶體，它具有體心立方晶格，溶碳量較少，室溫溶碳量為0.008%，屬常溫組織；奧氏體（r）為碳在r-Fe中的間隙固溶體，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，溶碳量較大，屬高溫組織。奧氏體具有良好的塑性，故金屬熱變形加工多是在這種相狀態(tài)下進(jìn)行的；滲碳體（Fe3C）為金屬鍵及化學(xué)鍵結(jié)合的化合物，性能如上介紹，屬于常溫組織；珠光體（P）為鐵素體和滲碳體的兩相機械混合物，它既具有良好的強度和硬度，又具有良好的塑性和韌性，屬常溫穩(wěn)定組織。含碳量大于2.06%的合金組織以及高溫下的δ-Fe組織在工程上已無太大的意義，故省略介紹。
相圖中，A點為鈍鐵的熔點（1534℃），C點為奧氏體和滲碳體的共晶點（1147℃），D點為滲碳體的熔點（1600℃），S點為鐵素體和滲碳體的共析點（723℃）。GS線為亞共析鋼（含碳量小于0.8%的鐵碳合金）加熱時鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線，或者冷卻時奧氏體向鐵素轉(zhuǎn)變的開始溫度線，通常稱之為A3線。因為相變對過冷度和過熱度的需要，通常將加熱時的A3線叫做Ac3線，將冷卻時的A3線叫做Ar3線；ES線為過共析鋼（含碳量大于0.8%但小于2.06%的鐵碳合金）加熱時滲碳體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線，或冷卻時奧氏體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開始溫度線，通常稱之為Acm線。同理，考慮過熱度和過冷度的問題，將加熱時的Acm線叫做Accm線，將冷卻時的Acm線叫做Arcm線；PSK線為加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度線，或冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度線，通常稱之為A1線。同理，加熱時的A1線叫做Ac1線，冷卻時的A1線叫做Ar1線。
從相圖中可以看出，亞共析鋼的常溫組織為（α+P）。當(dāng)其含碳量較小時，它的組織成分主要是鐵素體和一些少量的珠光體，此時材料的塑性和韌性較好，強度和硬度較低。隨著含碳量的增加，鐵素體量減少，而珠光體量增加，此時材料的塑性和韌性降低，強度和硬度升高；當(dāng)含碳量增加到0.8%時，得到的合金叫做共析鋼。此時合金的常溫組織全部為珠光體組織，材料的性能表現(xiàn)為強度、硬度、塑性和韌性均較好；繼續(xù)增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%時，得到的合金叫做過共析鋼。過共析鋼的常溫組織中開始出現(xiàn)滲碳體，而且滲碳體隨著含碳量的增加而增加，珠光體則隨著含碳量的增加而減少。此時材料的性能表現(xiàn)為強度和硬度繼續(xù)升高，而塑性和韌性則大幅度下降；當(dāng)含碳量增加到2.06%時，合金的常溫組織則是以滲碳體為網(wǎng)絡(luò)骨架的組織，此時材料的強度、塑性和韌性均較差；含碳量超過2.06%時，此時的合金已成為鑄鐵。
現(xiàn)在就以工程上常用的20鋼（平均含碳量為0.2%）為例，根據(jù)鐵碳合金相圖來看一下其結(jié)晶的過程。
20鋼在¬點以上時為液體（L）。冷卻至稍低于¬點的溫度時開始從液相中結(jié)晶出δ-Fe。冷卻至¬點溫度以下時，發(fā)生包晶反應(yīng)（由已結(jié)晶的固溶體和其周圍尚未結(jié)晶的液體相互作用而生成一種新的固溶體的過程）生成奧氏體。繼續(xù)冷卻至®點以下時，發(fā)生奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。至¯點以下溫度時，剩余的奧氏體通過共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變成珠光體。故20鋼常溫得到的組織為鐵素體+珠光體（α+P）。
20鋼作為鑄件時，也有出現(xiàn)柱狀組織、枝晶組織、氣孔、縮松、偏析和非金屬物夾雜等鑄造缺陷的傾向。這一結(jié)論對其它合金也同樣適用，它是一般鑄件普遍具有的缺陷。通過改善鑄造條件可消除或減少這些缺陷對鋼材性能的影響，詳見第九章中的介紹。20鋼的偏析常常是由鋼中的雜質(zhì)元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等造成，非金屬物夾雜則常常是由雜質(zhì)元素硫（S）、氧（O）等形成的非金屬化合物造成。這些雜質(zhì)在工程上常對其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不應(yīng)超過0.035%。20鋼在鑄造時除易出現(xiàn)上述缺陷外，還常出現(xiàn)其特有的粗大魏氏組織，即此時鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體內(nèi)。魏氏組織使20鋼的塑性和韌性都大大下降。
（五）過冷度對合金組織的影響
前面講述了純金屬及鐵碳合金的結(jié)晶過程以及最終的結(jié)晶組織，但這些組織都是理想化的組織。也就是說合金的結(jié)晶是在共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)徹底完成的理想冷卻條件下進(jìn)行的。事實上，這種理想狀態(tài)是不存在的。如果結(jié)晶過程中過冷度較大，結(jié)晶過程進(jìn)行的較快，那么在溫度降到Ar1以下時，仍留有部分奧氏體沒有來得及轉(zhuǎn)變成鐵素體、珠光體或滲碳體，此部分奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體在低于Ar1以下時仍將繼續(xù)轉(zhuǎn)變，而且在不同的溫位，轉(zhuǎn)變后得到的組織是不同的。這些組織將對合金的性能產(chǎn)生影響，有時甚至產(chǎn)生較大的影響，故對這個問題有必要作進(jìn)一步的介紹。在第九章中講到的熱處理，也將用到這些理論。
1、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變
假如完全控制著冷卻溫度，那么在Ar1以下，過冷奧氏體在不同的溫度下將發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變。
如果將冷卻溫度控制在A1~550℃，則發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，即珠光體型轉(zhuǎn)變。由于滲碳體熔點較高，它首先形核，隨著核心的成長，周圍的奧氏體因貪碳而轉(zhuǎn)變成鐵素體，鐵素體周圍又因富碳而形成滲碳體，如此反復(fù)即形成一層滲碳體、一層鐵素體相間的機械混合物，該機械混合物即為珠光體。但因轉(zhuǎn)變溫度的差異，得到的珠光體粗細(xì)也不同。溫度較高時，因鐵和碳的擴散能力強，形成的珠光體較粗大。通常把在A1~650℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體組織叫做正常珠光體，在650℃~600℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體組織叫做索氏體，在600℃~550℃溫度范圍內(nèi)得到的珠光體叫做屈氏體。顯然，屈氏體組織要比索氏體組織細(xì)，索氏體組織要比正常珠光體組織細(xì)。而其表現(xiàn)出的機械性能也是屈氏體優(yōu)于索氏體，索氏體優(yōu)于正常珠光體。
如果將轉(zhuǎn)變溫度控制在550℃~Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度），則發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變，即貝氏體型轉(zhuǎn)變。貝氏體為在鐵素體中析出許多細(xì)小的滲碳體而形成的組織。此時由于轉(zhuǎn)變溫度較低，鐵原子擴散困難，僅有碳子擴散而造成。在不同的溫度下，得到的貝氏體形態(tài)是不一樣的。在550℃~350℃溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時，得到的組織為上貝氏體組織，此時的貝氏體形狀呈羽毛狀。這種組織較粗大，致使材料的強度和硬度都不高，而塑性和韌性也不好，故工程上不希望得到這種組織；若在350℃~Ms溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時，得到的組織為下貝氏體組織。下貝氏體的形態(tài)呈針葉狀。此時由于碳化物的彌散硬化作用使得材料的性能比較好，即強度和韌性都比較好。
如果將轉(zhuǎn)變溫度控制在Ms（約230℃）以下，則發(fā)生低溫轉(zhuǎn)變，即馬氏體轉(zhuǎn)變。此時由于轉(zhuǎn)變溫度很低，鐵原子和碳原子的擴散都非常困難，轉(zhuǎn)變后碳以過飽和的方式溶于α-Fe中，通常把碳在α-Fe中的過飽和固溶體叫做馬氏體。馬氏體的形態(tài)受合金含碳量的影響也呈多種行狀存在，常見形狀有兩種，其一為板條狀馬氏體（C≤0.2%時），其二是片狀馬氏體（C≥1.0%時）。它們的晶格結(jié)構(gòu)呈高密度錯位，從而導(dǎo)致材料的組織不穩(wěn)定性，并產(chǎn)生較大的結(jié)晶應(yīng)力，最重要的是組織中的過飽和碳原子和高密度的晶格缺陷交互作用，導(dǎo)致了材料的強度和硬度增加，而塑性和韌性急劇下降。
2、自然冷卻情況下的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變
自然冷卻情況下，轉(zhuǎn)變溫度將跨過上述的各個溫度區(qū)間，而又不在哪個特定區(qū)間停留足夠的時間，故過冷奧氏體在任何特定溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變都是不徹底的。因此，自然冷卻情況下得到的組織即不完全屬于珠光體組織，又不完全屬于貝氏體組織，也不完全屬于馬氏體組織，而是三者皆有，只不過對不同的材料，三者的比例和對材料性能的影響不同而已。
從前面的分析中可知，過冷奧氏體在不同溫度下的轉(zhuǎn)變所得到的組織，有的對材料性能是有利的，有的是不利的。對某些材料，自然冷卻情況下得到的組織可能是不利的，此時可通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚赐ㄟ^控制轉(zhuǎn)變溫度，從而可以獲得有利的組織而避開不利的組織。
3、過冷度的影響
過冷度越大，奧氏體在高溫下（Ac1以上）轉(zhuǎn)變的時間越短，那么產(chǎn)生的過冷奧氏體量越多，使得低溫（Ar1以下）轉(zhuǎn)變得到組織越多，尤其是得到的馬氏體組織越多。因此常說的淬火（急冷）易到淬硬馬氏體組織的原因正在于此。對于淬火組織，一般要再進(jìn)行一次高溫回火處理，使馬氏體分解并在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。需要說明的是，不同的材料，其珠光體、貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度是不同的，因此導(dǎo)致了不同材料其熱處理溫度也不同，有關(guān)熱處理的知識將在第九章中介紹。
二、金屬材料的基本性能
在前面的介紹中，曾多次提到金屬的成分、組織、晶體結(jié)構(gòu)等對材料的性能有影響，那么，材料的性能究競都包括那些內(nèi)容呢？看起來有必要先介紹一下材料的基本性能和反映這些性能的參數(shù)指標(biāo)，才能更好地去分析理解有關(guān)的金屬理論，并有意識地采取措施以獲得所希望的性能，或者根據(jù)材料的基本性能去指導(dǎo)工程設(shè)計選材。金屬材料的基本性能一般包括以下五個方面：機械性能、耐腐蝕性能、物理性能、制造工藝性能和經(jīng)濟性。
（一）機械性能
材料的機械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和過度變形的能力。它包括材料的強度指標(biāo)、彈性指標(biāo)、塑性指標(biāo)、韌性指標(biāo)、疲勞強度、斷裂韌度和硬度等。
1、強度指標(biāo)
材料的強度指標(biāo)是決定其許用應(yīng)力值的依據(jù)。設(shè)計中常用的有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切的強度極限sb和屈服極限ss，高溫時還要考慮蠕變極限sn和高溫持久極限sD。
強度極限sb是指材料在外力的作用下，由開始加載到斷裂時為止所能承受的最大應(yīng)力。它是反映材料抵抗大量均勻塑性變形的強度指標(biāo)。
屈服強度ss是指材料在外力的作用下，由開始加載到剛出現(xiàn)塑性變形時所承受的應(yīng)力。它是反映材料抵抗微量塑性變形的強度指標(biāo)。對某些材料，在加載試驗時，其應(yīng)力應(yīng)變圖中沒有明顯的屈服平臺，此時就以產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為該種材料的屈服極限，并用s0.2表示。
蠕變極限sn是指在一定的溫度條件下，材料受外力作用在經(jīng)歷10萬小時時間后產(chǎn)生的塑性變形量為1%時的應(yīng)力。高溫持久極限sD是指在一定的溫度條件下，材料受外力作用在經(jīng)歷10萬小時時間后產(chǎn)生斷裂時的應(yīng)力。蠕變極限sn和高溫持久極限sD均是高溫下材料抵抗破壞的強度指標(biāo)。
2、彈性指標(biāo)
彈性指標(biāo)是穩(wěn)定性計算的主要依據(jù)，它包括的參數(shù)主要有彈性量E等。
彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中的剛度。
3、塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)
塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)是材料受沖擊載荷作用時的主要設(shè)計依據(jù)，也是低溫或超低溫條件下對材料使用性考核的一個重要指標(biāo)。其中，塑性指標(biāo)包括的參數(shù)主要有材料的延伸率δ、斷面收縮率ψ。韌性指標(biāo)包括的參數(shù)主要有材料的沖擊韌性αk和沖擊功Ak等。
延伸率δ是指試樣發(fā)生拉伸破壞時，產(chǎn)生的塑性變形量與原試樣長度比值的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)所選試樣長度是試樣直徑的5倍還是10倍，延延率δ分別有δ5和δ10兩個數(shù)據(jù)。斷面收縮率ψ是指試樣發(fā)生拉伸破壞時，其縮頸處的橫截面積縮小量與試樣原橫截面積比值的百分?jǐn)?shù)。延伸率和截面收縮率均是反映材料塑性的指標(biāo)。一般情況下，δ5<5%的材料為脆性材料。
沖擊功Ak是指試樣在進(jìn)行缺口沖擊試驗時，擺錘沖擊消耗在試樣上的能量。而消耗在試樣單位截面上的沖擊功就是沖擊韌性αk。它們是反映材料抗沖擊載荷破壞的性能指標(biāo)，或者說是反映材料韌性的一個性能指標(biāo)。
由于沖擊功僅為試樣缺口附近參加變形的體積所吸收，而此體積通常又無法測量，且在同一斷面上每一部分的變形也不一致，因此用單位截面積上的沖擊功（即沖擊韌性）αk來判斷材料韌性的方法在國內(nèi)外已逐漸被淘汰，而應(yīng)用較多的則是沖擊功Ak。
材料的塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)與其強度指標(biāo)和彈性指標(biāo)不同，它們不直接參與力學(xué)計算，而僅僅定性地反映材料的性能。
4、疲勞強度
疲勞強度是指材料在交變應(yīng)力的作用下，發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力，通常用疲勞持久極限來衡量，即材料在交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過無數(shù)次（一般規(guī)定大于106次~107次）的應(yīng)力循環(huán)也不會導(dǎo)致疲勞破壞時的最大應(yīng)力。它是反映材料抗交變應(yīng)力破壞的強度指標(biāo)。
5、斷裂韌度
斷裂韌度是指材料在受力狀態(tài)下，內(nèi)部的裂紋剛剛擴展時其裂紋應(yīng)力強度因子達(dá)到的臨界值。如果應(yīng)力強度因子超過這一臨界值（即斷裂韌度），裂紋將會擴展而導(dǎo)致材料斷裂。斷裂韌度是判斷材料內(nèi)部裂紋危險性的一個指標(biāo)，該指標(biāo)常被用在斷裂力學(xué)設(shè)計中，或者用于在役壓力管道的可靠性和剩余壽命的評估上。
6、硬度
硬度是指材料抵抗外物壓入的能力，或者說是材料抵抗局部塑性變形的能力。材料硬度高時，其耐磨性也好。材料的硬度除了與其化學(xué)成分有關(guān)外，還與它的熱處理狀態(tài)、金相組織、加工或焊接殘余應(yīng)力等有關(guān)，故工程上常用檢查硬度的辦法檢驗材料熱處理的效果，也用它來檢驗焊接殘余應(yīng)力的存在程度。一般情況下，材料的布氏硬度與其強度之間有著下列近似關(guān)系：
低碳鋼：σb=0.36 HB
高碳鋼：σb=0.34 HB
調(diào)質(zhì)合金鋼：σb=0.325 HB
（二）耐腐蝕性能（化學(xué)性能）
金屬材料在特定的介質(zhì)環(huán)境中，會遭受腐蝕。腐蝕不僅會造成金屬的損失，更重要的是會導(dǎo)致金屬的破壞，從而威脅到壓力管道的安全。事實已證明，許多壓力管道的破壞都與材料的腐蝕有關(guān)。
石油化工生產(chǎn)過程中所處理的物料大多數(shù)是對金屬材料有腐蝕的物質(zhì)，因此材料對介質(zhì)的抗腐蝕性就成了選擇材料的重要依據(jù)。例如，材料的選擇應(yīng)避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，因為它會帶來壓力管道在不可預(yù)知的情況下突然斷裂，從而導(dǎo)致重大事故的發(fā)生；選用的材料應(yīng)有足夠的抗介質(zhì)均勻腐蝕的能力，以便材料不致于在短時間內(nèi)因腐蝕造成的管道壁厚急劇減薄而失效。等等。這些方面的內(nèi)容將在本章第二節(jié)中詳細(xì)論述。
（三）物理性能
材料的物理性能主要是指其密度g(kg/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)l(kcal/m.℃.h）、比熱(kcal/kg.℃）、熔點Tm（℃）、線膨脹系數(shù)α（1/℃）、彈性模量E和比重q等。不同的使用條件，對其物理性能有不同的要求。為了便于設(shè)計人員查找有關(guān)資料，特將有關(guān)常用金屬材料的物理參數(shù)列于附錄F3-1。
（四）制造工藝性能
材料的制造工藝性能主要是指其切削加工性、可鑄性、可鍛性、可焊性和熱處理性能等。它也是影響材料選擇的一個重要因素，例如，滲鋁材料是一種抗硫腐蝕比較好而又相對廉價的材料，但因其焊接問題尚未解決好，使用范圍便受到了限制，以至到目前尚不能用在壓力管道上。
1、切削加工性能
它是反映金屬及合金進(jìn)行冷機械切削加工難易程度的一個指標(biāo)。一般情況下，常用金屬材料的切削加工性能由好到差的順序是這樣的：鋁合金及鎂合金>銅合金>一般鑄鐵>碳素鋼>合金鋼>奧氏體不銹鋼。
2、可鑄性
它是指液體金屬在鑄造過程中的流動性和凝固時的收縮性以及產(chǎn)生鑄造缺陷的傾向性。常用的金屬材料中，鑄鐵的鑄造性較好，而鑄鋼的鑄造性則較差，合金鋼的鑄造性更差。
3、可鍛性
它是指金屬材料通過鍛造等壓力加工方式而成形的能力。一般情況下，金屬材料的可鍛性包括其塑性變形抗力、金屬固態(tài)流動性、對模具的摩擦力、對氧化起皮的抗力、熱裂傾向等性能。脆性材料無可鍛性。
4、可焊性
它是指金屬材料通過常規(guī)的焊接方法和焊接工藝而獲得良好焊接接頭的性能。良好的焊接接頭是指不易產(chǎn)生焊接缺陷如裂紋、氣孔、夾雜等，且焊接接頭的機械性能接近母材的焊接接頭。焊接是壓力管道中最常用的連接方式之一，因此可焊性也是影響材料選用的一個重要因素。
5、熱處理性能
金屬的熱處理性能是指材料在熱處理過程中表現(xiàn)出的淬硬性、淬透性、變形、開裂、氧化、脫碳的傾向及晶粒長大的傾向等。
（五）材料的經(jīng)濟性
材料的選擇是不能脫離經(jīng)濟性這個杠桿作用的，這就是工程材料研究與一般材料研究區(qū)別的顯著標(biāo)志。設(shè)計選材既要可靠，又要經(jīng)濟，能用低等級材料時就不要選用高等級材料。對材料的制造要求也應(yīng)適當(dāng)，要結(jié)合使用條件來規(guī)定各項檢查試驗要求。例如，對于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平較高時，或者應(yīng)用條件比較緩和時，就不必再提出許多超出制造標(biāo)準(zhǔn)要求的附加檢驗項目，較多的附加檢查試驗要求是不經(jīng)濟的。
對于每一種金屬材料來說，以上各類性能不可能都是優(yōu)秀的，選用材料時，只能揚長避短，充分發(fā)揮其優(yōu)點，避開其缺點，使之物盡其用。通過了解這些基本性能，對正確選用材料，提出適宜的制造技術(shù)要求，做到既經(jīng)濟又可靠的設(shè)計是非常有必要的。
三、溫度對金屬材料性能的影響
金屬材料處于不同的溫度環(huán)境時，其性能將發(fā)生一系列的變化。了解這些變化，對于確定材料應(yīng)用條件和正確選用材料是必須的。實際的工程實踐也證明，溫度條件是影響設(shè)計選材的一個重要條件，甚至在許多情況下，溫度條件是確定選材的決定條件。然而，溫度對材料性能的影響是多方面的。以腐蝕為例，許多腐蝕的發(fā)生都與溫度條件有關(guān)，而且，不同的溫度條件，腐蝕發(fā)生的機理、形態(tài)、速度等都不一樣。有關(guān)腐蝕與溫度的關(guān)系將在本章第三節(jié)中介紹，在這里僅介紹在高溫和低溫條件下，材料性能發(fā)生的一些變化。
（一）金屬材料在高溫下的性能變化
在高溫作用下，金屬原子間的自由電子獲得了外界的能量，其活動范圍擴大，使原子間的“粘結(jié)力”減小，晶格錯位容易進(jìn)行，從而使金屬材料的強度下降，而塑性和韌性升高。高溫下材料許用應(yīng)力降低的原因就源于此。
1、材料的蠕變及應(yīng)力松馳
當(dāng)材料的使用溫度超過其熔點的（0.25~0.35）倍時，金屬的性能已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時若在外力的作用下，會出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：雖然材料的應(yīng)力不再增加，但其變形卻隨著時間的增加而繼續(xù)增大，而且出現(xiàn)了不可恢復(fù)的塑性變形。通常把這種現(xiàn)象稱做材料的蠕變。一般情況下，對碳素鋼來說，考慮蠕變發(fā)生的起始溫度為400℃，對鉻鉬合金鋼則為450℃。
與蠕變現(xiàn)象相反，當(dāng)材料受高溫和外力的持續(xù)作用時，可能會出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：材料的總應(yīng)變量不變，但由于發(fā)生蠕變，使其中部分彈性變形轉(zhuǎn)化成了塑性變形，從而導(dǎo)致彈性應(yīng)力降低，即意味著金屬材料被“放松”了。材料的這種現(xiàn)象稱做應(yīng)力松馳。應(yīng)力松馳實際上是蠕變發(fā)生的另一種表現(xiàn)形式。高溫下工作的螺栓常因應(yīng)力松馳而導(dǎo)致法蘭泄漏，所以此時應(yīng)選用抗蠕變能力高的鉻鉬鋼材料作為高溫螺栓材料。對于加工殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，由于應(yīng)力松馳而使其減弱或釋放，從而可減緩或消除它們帶來的不利影響。
2、材料的球化和石墨化
在高溫作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得能量而將發(fā)生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾在鐵素體內(nèi)，尤其是對于珠光體碳鋼，其滲碳體會由片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀。這種現(xiàn)象稱為材料的球化。球化的結(jié)果使得材料的抗蠕變能力和持久強度下降，而塑性增加。一般情況下，碳鋼長期處于450℃以上溫度環(huán)境時，就有明顯的球化現(xiàn)象。
對于碳鋼和一些低合金鋼，在高溫作用下，其組織中會出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：其過飽和的碳原子發(fā)生遷移和聚集，并轉(zhuǎn)化為石墨（石墨為游離的碳原子）。由于石墨強度極低，并以片狀存在于珠光體內(nèi)，將使材料的強度大大降低，而脆性增加。這種現(xiàn)象稱為材料的石墨化。一般情況下，碳鋼長期處于425℃以上溫度環(huán)境時，就有石墨化發(fā)生，而在475℃以上時則明顯出現(xiàn)。為安全起見，SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，碳鋼的最高使用溫度為425℃，而GB150規(guī)范則規(guī)定其最高使用溫度為450℃。
通常，珠光體鋼的球化先于石墨化發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)材料中有石墨析出時，球化過程已經(jīng)過去。一般認(rèn)為，石墨化是某些鋼球化的繼續(xù)和發(fā)展。
3、材料的高溫氧化
金屬材料處于高溫和氧化性介質(zhì)（如空氣）的環(huán)境中時，將會被氧化。氧化產(chǎn)物為疏松的非金屬物質(zhì)，容易脫落，故有時也稱其金屬的氧化為脫皮。以碳鋼為例，當(dāng)它處于570℃的空氣中時，會產(chǎn)生FeO+Fe3O4+Fe2O3氧化皮，該氧化皮很容易脫落而使金屬減薄，故不受力的碳鋼一般也應(yīng)限制在560℃以下工作。常用材料的抗氧化極限溫度列于表3-1。一般情況下，壓力管道都不會以材料的抗氧化極限溫度作為使用限制，只有在很特殊的情況下（如燒焦時）才可能這樣做。
表3-1 常用金屬材料的抗氧化極限溫度
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鋼 材 牌 號
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抗 氧 化 極 限 溫 度 ℃
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碳素鋼
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≤560
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12CrMo
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≤590
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15CrMo
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≤590
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1Cr5Mo
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≤650
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0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2
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≤850
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0Cr25Ni20
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≤1100
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（二）金屬材料在低溫下的性能變化
在低溫情況下，材料因其原子周圍的自由電子活動能力和“粘結(jié)力”減弱而使金屬呈現(xiàn)脆性。一般情況下，對于每種材料，都有這樣一個臨界溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于該臨界溫度時，材料的沖擊韌性會急劇降低。通常將這一臨界溫度稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。為了衡量材料在低溫下的韌性，常用低溫沖擊韌性（沖擊功）來衡量，許多工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上都給出了材料低溫沖擊韌性（沖擊功）的限制。
塑性材料在常溫下均呈塑性斷裂，斷裂前有較大的塑性變形及縮頸，斷裂過程較慢。在低溫下，塑性材料將呈現(xiàn)脆性斷裂，它在斷裂前沒有明顯的塑性變形及縮頸，斷裂常常是突然發(fā)生。
美國人W.S.Pellini等人通過大量的試驗研究，得到了無缺陷材料脆斷轉(zhuǎn)變溫度（NDT）的曲線（即以應(yīng)力和缺陷為縱坐標(biāo)，以溫度為橫坐標(biāo)的曲線），在曲線的名義應(yīng)力作用下，材料不會發(fā)生脆斷。但實際的材料都是有缺陷的，溫度的降低增加了材料內(nèi)部裂紋脆斷的危險性，因此NDT與材料的原始缺陷有關(guān)，若缺陷越大，NDT越小。但NDT有個極限，即應(yīng)力水平低于某個值時，不論溫度有多么低，也不會發(fā)生脆斷。該應(yīng)力一般為常溫屈服極限的1/7~1/10。
四、常見元素對金屬材料性能的影響
應(yīng)該說，在影響材料性能的諸多因素中，化學(xué)成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都決定了材料的最基本性能。因此，了解元素在鋼中起的作用，可以幫助材料工程師了解材料的性質(zhì)。工程上黑色金屬材料應(yīng)用的最多，故在此僅介紹黑色金屬材料。由于黑色金屬材料的基體元素是鐵（Fe），所以對材料性能的影響主要是指鐵以外的其它元素。
（一）常用碳素鋼中各元素對其性能的影響
壓力管道中除螺栓材料外，常用的碳素鋼為含碳量小于0.25%的亞共析鋼，而螺栓材料則常用含碳量為0.25%~0.45%的亞共析鋼。
碳素鋼中，其主要影響元素是碳（C）。除此之外，尚有硅（Si）、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質(zhì)元素。
1、碳（C）在碳素鋼中的作用
從鐵碳合金相圖中可以看出，碳素鋼隨含碳量的增加，其組織中的鐵素體量在減少，而滲碳體的量則在增加，從而使得碳素鋼的強度和硬度增加，而塑性、韌性和焊接性能下降。一般情況下，當(dāng)含碳量大于0.25%時，碳鋼的可焊性開始變差，故壓力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳鋼。
含碳量的增加，其球化和石墨化的傾向增加。
2、硅（Si）在碳素鋼中的作用
硅是碳素鋼中的常見元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于煉鋼時的脫氧。硅和氧的親和力僅次于鋁和鈦，而強于錳、鉻和釩，所以在煉鋼過程為常用的還元劑和脫氧劑。為了保證碳素鋼的質(zhì)量，除沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼外，硅在鋼中的含量不應(yīng)少于0.1%，因此，有時也根據(jù)碳素鋼中是否含硅或含硅的多少來判斷其脫氧程度。
硅在碳素鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。硅固溶于鐵素體和奧氏體中可起到提高它們的硬度和強度的作用。但硅含量若超過3%時，將顯著地降低鋼的塑性、韌性、延展性和可焊性，并易導(dǎo)致冷脆，對中、高碳鋼回火時易產(chǎn)生石墨化。
3、硫（S）、氧（O）在碳素鋼中的作用
硫和氧作為雜質(zhì)元素常以非金屬化合物（如FeS、FeO）型式存在于碳素鋼中，形成非金屬夾雜，從而導(dǎo)致材料性能的劣化，尤其是硫的存在常引起材料的熱脆注。硫和磷常是鋼中要控制的元素，并以其含量的多少來評定碳素鋼的優(yōu)劣。
注：由于FeS可與鐵形成共晶，并沿晶界分布。Fe- FeS共晶物的熔點為985℃，當(dāng)在1000℃~1200℃溫度下對
材料進(jìn)行壓力加工時，由于它已經(jīng)溶化而導(dǎo)致晶粒開裂，使材料呈現(xiàn)脆性。材料的這種脆性現(xiàn)象常稱為熱脆。
4、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）在碳素鋼中的作用
磷、砷和銻是屬于元素周期表中的同一族元素，因此三個元素在鋼中有一些類似的作用。作為雜質(zhì)元素，它們對提高碳素鋼的抗拉強度有一定的作用，但同時又都增加鋼的脆性，尤其低溫脆性。磷和砷又都有是造成碳素鋼嚴(yán)重偏析的有害元素。磷對鋼的焊接性不利，它能增加焊裂的敏感性。
注：由于磷以固溶型式存在于鐵素體中，影響鐵素體的晶格變形，使碳素鋼在常溫下呈現(xiàn)脆性。這種現(xiàn)象常稱為
冷脆。
（二）常用低合金鋼中各元素對其性能的影響
壓力管道中除螺栓材料外，常用的低合金鋼為含碳量小于0.20%的碳錳鋼、硅鋼、鉻鉬鋼、鉻鉬釩鋼和鉻鉬釩鋁鋼，而螺栓材料則常用含碳量為0.25%~0.45%的鉻鋼和鉻鉬鋼。
低合金鋼中，其主要影響元素有碳（C）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、釩（V）、硅（Si）、鋁（Al）等。除此之外，尚有硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質(zhì)元素。
1、碳（C）在低合金鋼中的作用
同碳素鋼部分。
2、錳（Mn）在低合金鋼中的作用
錳與鐵形成固溶體，可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度。錳又是碳化物形成元素，它進(jìn)入滲碳體中將取代一部分鐵原子。錳還可起到細(xì)化珠光體的作用，因此，在碳錳鋼中常利用錳來提高鋼的強度，但它使材料的延展性有所降低，而且增加了應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。在一般碳錳鋼和低合金鋼中，其含量應(yīng)在1%~2%。
錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。錳與硫形成MnS，可防止因硫而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象，從而改善鋼的熱加工性能。因此，在工業(yè)用鋼中一般都含有一定數(shù)量的錳。
錳在鋼中由于能降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，故碳錳鋼的低溫沖擊韌性比碳素鋼好。
錳能強烈增加碳錳鋼的淬透性。錳含量較高時，有使鋼晶粒粗化并增加鋼的回火脆性的不利傾向。
錳對鋼的焊接性有不利的影響。為改善鋼的焊接性，應(yīng)在許可的范圍內(nèi)，適當(dāng)降低鋼的碳含量。焊接時也需采用優(yōu)質(zhì)低氫焊條和相應(yīng)的焊接工藝。
3、鉻（Cr）在低合金鋼中的作用
鉻是縮小g相區(qū)和形成g相圈的元素，在a－Fe中無限固溶，在g－Fe中的最大溶解度為12.5%。
鉻屬于中等碳化物形成元素。隨鉻含量的增加，可形成(Fe，Cr)3C、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6等碳化物，使鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼有良好的抗高溫氧化性和耐氧化介質(zhì)腐蝕作用，并增加鋼的熱強性。
鉻增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。
鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的元素，隨著鉻含量的增加，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度也逐步提高，沖擊值隨鉻含量增加而下降。
在含鉬的鍋爐鋼中，加入少量的鉻，能防止鋼在長期使用過程中的石墨化。
4、鉬（Mo）在低合金鋼中的作用
鉬屬于強碳化物形成元素，當(dāng)其含量較低時，與鐵及碳形成復(fù)雜的滲碳體；當(dāng)含量較高時，則形成特殊碳化物。在較高回火溫度下，由于鉬的彌散分布，可使材料出現(xiàn)二次硬化。
鉬對鐵素體有固溶強化作用，同時也提高碳化物的穩(wěn)定性，因此對鋼的強度產(chǎn)生有利作用。鉬是提高鋼熱強性最有效的合金元素，主要在于它能強烈提高鋼中鐵素體對蠕變的抗力。此外，鉬還可有效地抑制滲碳體在450℃~650℃工作溫度下的聚集，促進(jìn)彌散的特殊碳化物的析出，從而進(jìn)一步起到了強化作用。自含鉬0.5%的低合金鋼用于鍋爐管后，一系列二元和多元的含鉬珠光體鋼被廣泛地用于動力、石油和化學(xué)工業(yè)中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。鉬同樣也能提高馬氏體鋼和奧氏體鋼的熱強性。
鉬在鋼中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高溫高壓下抗氫侵蝕的作用。
鉬常與其他元素如錳、鉻等配合使用，可顯著提高鋼的淬透性；鉬含量約0.5%時，能抑制或降低其他合金元素導(dǎo)致的回火脆性。
5、釩（V）在低合金鋼中的作用
釩是縮小g相區(qū)、形成g相圈的元素，在a－Fe中無限固溶，在g－Fe中的最大溶解度約1.35%。
釩與碳、氧、氮都有較強的親合力，為強碳化物及氮化物形成元素。在低合金鋼中，釩能有效地固定鋼中的碳和氮，并形成高度彌散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高溫下，聚合長大也極緩慢，因而可以增加鋼的熱強性和對蠕變的抗力。一系列的鉻鉬釩鋼已成為制造鍋爐、汽輪機的主要鋼種，如12CrMoV及12Cr1MoV常用于過熱器鋼管、導(dǎo)管及相應(yīng)的鍛件等。
含釩鋼在熱處理中，能提高晶粒粗化的溫度，從而降低鋼的過熱敏感性，并提高鋼的強度和韌性等，尤其是它能提高鋼正火后的強度和屈服比及低溫韌性，因此它已成為普通低合金鋼的一種比較理想的合金元素。
由于釩對碳的固定作用，在高溫下，對抗氫腐蝕（脫碳和脆化）是有益的。在抗氫鋼中釩和碳含量之比應(yīng)在5.7左右，過低時不足以有效地起抗氫腐蝕作用，過高時，將有部分的釩溶入鐵素體中降低其塑性和焊接性能。
6、硅（Si）在低合金鋼中的作用
硅作為雜質(zhì)元素時，它在低合金鋼中的作用與在碳素鋼中的作用相同，作為合金元素時，一般應(yīng)不低于0.4%。
硅在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。硅固溶于鐵素體和奧氏體中可起到提高它們的硬度和強度的作用，在常見元素中僅次于磷，而較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等為強。但硅含量若超過3%時，將顯著地降低鋼的塑性、韌性和延展性。
低硅含量對鋼的抗腐蝕性能影響不大，只有當(dāng)硅含量達(dá)到一定值時，它對鋼的抗腐蝕性能才有顯著的增強作用。硅含量為15%~20%的硅鑄鐵是很好的耐酸材料，對不同溫度和濃度的硫酸、硝酸都很穩(wěn)定，但在鹽酸和王水的作用下穩(wěn)定性很小，在氫氟酸中則不穩(wěn)定。高硅鑄鐵之所以抗腐蝕，是由于當(dāng)開始腐蝕時，在其表面形成致密的SiO2薄層，阻礙著酸的進(jìn)一步向內(nèi)侵蝕。
含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成SiO2薄層，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。
7、鋁（Al）在低合金鋼中的作用
鋁與氮及氧的親和力很強，因此它也用作煉鋼時的脫氧定氮劑，并起到細(xì)化晶粒、阻抑碳鋼的時效、提高鋼在低溫下韌性的作用。
鋁作為合金元素加入鋼中時能提高鋼的抗氧化性，改善鋼的電磁性能，提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強度等。因此，鋁在不起皮鋼、電熱合金、磁鋼和滲氮鋼中，得到了廣泛的應(yīng)用。
鋁在鐵素體及珠光體鋼中，當(dāng)它的含量較高時，材料的高溫強度和韌性較低。
鋁和碳雖然可以化合生成碳化物Al4C3和Al3C，但它和碳的親和力小于鐵和碳的親和力，因此在鋼中一般不存在鋁的碳化物。
當(dāng)鋁含量達(dá)到一定量時，可使鋼產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，使鋼在氧化性酸中具有抗蝕性，但使鋼的焊接性變壞。
鋁還能提高鋼對硫化氫的抗蝕作用。鋁含量在4%左右的鋼，在溫度不超過600℃時有較好的抗硫化氫腐蝕作用。
鋁對鋼在水蒸汽、氯氣、特別是在氯氣及其化合物氣氛中的抗蝕作用是不利的。
在鋼鐵材料表面鍍鋁和滲鋁，可以提高其抗氧化性和在工業(yè)和海洋性氣氛中的抗蝕性。
含鋁的鋼滲氮后，在鋼的表面形成一層牢固的薄而硬的彌散分布的氮化鋁層，從而提高其硬度和疲勞強度，并改善其耐磨性。
鋁是高錳低溫鋼的主要合金元素。一定量的鋁，有提高鐵錳奧氏體的穩(wěn)定度、抑制b—Mn相變的作用，從而使鋁在低溫鋼中得到了應(yīng)用。
8、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質(zhì)元素在低合金鋼中的作用
同在碳素鋼中的作用。但由于低合金鋼熔點較高，磷、砷、銻等雜質(zhì)元素容易在高溫下遷移聚集，從而導(dǎo)致低合金鋼的高溫回火脆性注。一般情況下，低合金鋼均采用較高級的冶煉方法（如電爐冶煉），故其硫、磷等雜質(zhì)元素含量較低。
注：合金鋼在進(jìn)行高溫回火熱處理或長期在高溫下工作時，其中的雜質(zhì)元素磷、砷、銻等容易在高溫下遷移聚集。
由于這些元素的熔點一般比合金元素低，它將“割裂”材料基體而導(dǎo)致合金鋼在高溫下呈現(xiàn)脆性。因為合金
鋼的這種脆性發(fā)生在紅熱的溫度下，故常稱為紅脆。
（三）常用高合金鋼中各元素對其性能的影響
壓力管道中常用的高合金鋼為含碳量小于0.10%的鉻鉬、鉻鎳、鉻鎳鉬耐熱鋼和不銹鋼。
高合金鋼中，其主要影響元素有碳（C）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎳（Ni）、鈦（Ti）、硅（Si）等。除此之外，尚有硫（S）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質(zhì)元素。
1、碳（C）在高合金鋼中的作用
碳也是高合金鋼中的強化元素，但不是主要強化元素，此時的強化元素主要是合金元素。為了滿足高合金鋼的塑性、韌性、耐蝕性和焊接性能的要求，它的含碳量一般不大于0.1%。
對于鉻鎳或鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼，它的含碳量一般不大于0.08%。當(dāng)其含碳量小于等于0.03%時，由于含碳量較低，高溫強度也較低，故不宜用于525℃及以上的溫度環(huán)境中。作為高溫下耐熱用的高合金鋼，其含碳量應(yīng)大于等于0.04%，但此時奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕性能下降。
2、鉻（Cr）在高合金鋼中的作用
鉻在鉻鉬高合金鋼中的作用與在低合金鋼中的作用相似。
鉻在不銹耐熱鋼中，當(dāng)其含量超過12%時，使鋼具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化介質(zhì)腐蝕作用，并增加鋼的熱強性。但鉻含量太高時或者處理不當(dāng)，易發(fā)生s相和475℃回火脆化。
在單一的鉻鋼中，材料的焊接性能隨鉻含量的增加而惡化。
3、鉬（Mo）在高合金鋼中的作用
鉬在鉻鉬高合金鋼中的作用與在低合金鋼中的作用相似。
鉬在不銹耐熱鋼中，也能使鋼表面鈍化，但作用不如鉻顯著。鉬與鉻相反，它既能在還原性酸（HCI、H2SO4、H2SO3）中又能在強氧化性鹽溶液（特別是含有氯離子時）中，使鋼材表面鈍化。因此，鉬可以普遍提高鋼的抗蝕性能。
鉬加入奧氏體耐酸鋼中，能顯著地提高材料對醋酸、環(huán)烷酸的抗蝕性。
在含有氯化物的溶液中，常會引起奧氏體耐酸鋼的點腐蝕和晶間腐蝕。材料中加入鉬后，這種傾向在很大程度上會被減緩或抑止。
4、鎳（Ni）在高合金鋼中的作用
鎳是擴大g相區(qū)，形成無限固溶體的元素，它是奧氏體不銹鋼中的主加元素。
鎳和碳不形成碳化物，它是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素。鎳與鐵以互溶的形式存在于鋼中的a相和g相中，使之強化。
鎳能細(xì)化鐵素體晶粒，改善鋼的低溫性能。含鎳量超過一定值的碳鋼，其低溫脆化轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，而低溫沖擊韌性顯著提高，因此鎳鋼常用于低溫度材料。一般情況下，含鎳達(dá)到3.5%的鎳鋼可以在-100℃低溫下使用，含鎳達(dá)到9%的鎳鋼可在-196℃超低溫下使用。含鎳的低合金鋼還有較高的抗腐蝕疲勞的性能。鎳鋼不宜在含硫或一氧化碳的氣氛中加熱，因為鎳易與硫化合，在晶界上形成低熔點的NiS網(wǎng)狀組織而產(chǎn)生熱脆。在高溫時鎳將與一氧化碳化合形成Ni(CO)4氣體而由合金中逸出，從而在材料中留下孔洞。
在不銹耐熱鋼中，鎳與鉻、鉬等元素適當(dāng)配合使材料在常溫下為奧氏體組織，即得到所謂的奧氏體不銹鋼或耐熱鋼。然而，目前鎳在全世界范圍內(nèi)都是一種比較稀缺的元素，故作為一種合金元素，應(yīng)該只有在用其它元素不能獲得所需要的性能時，才考慮使用它。
由于鎳可降低臨界轉(zhuǎn)變溫度和降低鋼中各元素的擴散速度，因而它可提高鋼的淬透性。
鎳不增加鋼對蠕變的抗力，因此一般不作為熱強鋼中的強化元素。在奧氏體熱強鋼中，鎳的作用只是使鋼奧氏體化，鋼的強度必須靠其它元素如鉬、鎢、釩、鈦、鋁來提高。
鎳是有一定抗腐蝕能力的元素，對酸、堿、鹽以及大氣均具有一定的抗蝕能力。
5、鈦（Ti）在高合金鋼中的作用
鈦是縮小g相區(qū)，形成g相圈的元素。
鈦是最強的碳化物形成元素，與氮、氧的親和力也極強，是良好的脫氣劑和固定氮、碳的有效元素，正因為這樣，含鈦的高合金鋼不宜用作鑄件。
在奧氏體不銹鋼中，由于鈦能固定碳，有防止和減輕材料晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的作用。如果奧氏體不銹鋼中的鈦、碳含量之比超過4.5時，由于此時材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住，故使得材料對晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和堿脆有很好的抗力。
當(dāng)鈦以碳化鈦微粒存在時，由于它能細(xì)化鋼的晶粒并成為奧氏體分解時的有效晶核，可使鋼的淬透性降低，但也使材料的高溫固溶強化效果降低。
鈦能提高耐熱鋼的抗氧化性和熱強性。在高鎳含鋁合金中能形成g¢相[Ni3（Al，Ti）]，并彌散析出，從而提高材料的熱強性。目前，鈦越來越多地被用作航空、宇航工業(yè)材料。
鈦作為強碳化物形成元素，可以提高鋼在高溫、高壓、氫氣中的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼中的鈦含量達(dá)到碳含量的4倍時，可使鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性幾乎高達(dá)600℃以上。
6、硅（Si）在高合金鋼中的作用
硅在高合金鋼中常用于奧氏體－鐵素體或鐵素體－奧氏體雙相不銹鋼中，起固溶強化作用。
各種奧氏體不銹鋼中加入約2%的硅，可以增強它們的高溫不起皮性。
在鉻、鉻鋁、鉻鎳、鉻鎢等鋼中加入硅，都將提高它們的高溫抗氧化性能。但硅含量太高時，材料的表面脫碳傾向增加。
7、硫（S）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質(zhì)元素在高合金鋼中的作用
同低合金鋼部分。
思考題
1、金屬具有那些特征？
2、什么叫晶體？什么叫晶格？什么叫晶胞？常見的晶胞形式有哪幾種？
3、什么叫晶粒？什么叫晶界？晶界的特性有哪些？
4、為什么說金屬的晶粒度越小，其綜合機械性能越好？
5、什么叫結(jié)晶？什么叫過冷度？
6、什么叫金屬的組元、相、系和組織？
7、什么叫固溶體？什么叫間隙固溶體？
8、什么叫相圖？說明A3、A1、ACM線的意義。
9、什么叫共晶反應(yīng)？什么叫共析反應(yīng)？
10、什么叫馬氏體？它對材料的性能有什么影響？
11、材料的機械性能指標(biāo)有哪些？
12、高溫環(huán)境對材料性能有哪些影響？
13、什么叫蠕變？什么叫應(yīng)力松弛？
14、什么叫材料的球化？什么叫石墨化？
15、低溫環(huán)境對材料性能有哪些影響？
16、什么叫低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度？
17、碳元素在碳素鋼中有哪些作用？
18、碳元素在奧氏體不銹鋼中的作用如何？
19、硫（S）和磷（P）對材料性能有什么影響？
20、什么叫熱脆？什么叫冷脆？什么叫紅脆？
