金属材料基础知识汇总
《金属材料基础知识》
第一部分金属材料及热处理基本知识
一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面：1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。
2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。
二，材料力学基本知识
金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。
1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs 作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。
伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1--- 试件拉断后的
长度
断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100%
A0 试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。对必须承受强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。
3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。
工程中常用的硬度测试方法有以下四种
（1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL
4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak 表示，Sn 为断口处的截面积，则冲击韧性
ak=Ak/Sn。在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。
三金属学与热处理的基本知识1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。
晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
（1）体心立方晶格，如金属α-铁、δ—铁、β--Ti 、Cr、V 等。
（2）面心立方晶格，如金属α-铁、AI、Cu、Ni 等。
（3）密排六方晶格，如金属Mg 、Zn、γ--Ti 等。实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。每一晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，晶粒之间的界面称为晶界。晶界容易产生缺陷。高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程态，即原子由不规则状态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。
2，铁碳合金的基本组织通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，因为钢和铸铁的成分虽然复杂，但是基本上是铁和碳两种元素组成的。一般把含碳0.02%--2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。碳含量低，其性质是“强而韧”，碳含量高，其性质是“弱而脆”，铁碳合金Fe—FeC的金相结构有以下几种：（1）铁素体，（2）奥氏体，（3）渗碳体承压类特种设备常用的碳素钢含碳量一般低于0.25%。
1，热处理的一般过程热处理是将固态金属及合金按预定要求进行加热，保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种工艺过程。在实际生产中，热处理过程是比较复杂的，但是其基本工艺过程是由加热，保温和冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，任何热处理过程都可以用温度 ------------------------------------------------------------------- 时间曲线来说明。
2，承压类特种设备常用热处理工艺根据钢在加热和冷却时的组织和性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。
（1）退火 - 将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、消除应力退火等，承压类特种设备的消除应力退火处理主要指焊后热处理（PWHT），也有在焊接过程中间和冷变形加工后进行消除应力处理的，其目的主要是消除焊接过程中产生的内应力及冷作硬化。（2）正火 -- 将钢件加热到Ac3或Acm以上30—50℃，保温一定时间后在空
气中冷却的热处理工艺。正火的目的和退火基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低内应力，正火和退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，钢正火后的强度、硬度、韧性都比退火高。
（3）淬火 - 将钢件加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其强度、硬度，这对于轴承、模具等工件是有用的，但是马氏体硬而脆，韧性差，内应力很大，容易产生裂纹，所以承压类特种设备材料和焊缝的组织一般不希望出现马氏体。（4）回火将经过淬火的钢件加热到Ac1 以下的适当温度，保温一定时间后，
然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的热处理工艺。回火的目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可获得不同的强度、硬度、韧性，以满足所要求的力学性能。按回火温度的不同可将回火分为低温、中温、高温回火三种。．
四，承压类特种设备常用材料
承压类特种设备都是在承压状态下运行，材料要承受较大的工作应
力，有些还要同时承受高温和腐蚀介质的作用，工作条件恶劣，如果在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重损失，因此，对承压类特种设备的材料有一定的要求。
承压类特种设备常用材料很多，下面简单介绍
1，钢的分类和命名方法
国家标准GB/T3304—91《钢分类》中规定，钢的分类分为“按化学成份分类” 和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类” 。
按化学成份分类，钢可分为非合金钢，低合金钢，合金钢三大类。
A，碳钢的分类和命名：
按含碳量分为：（1）低碳钢，C≤0.25%
（2）中碳钢，C=0.25%--0.6%
（3）高碳钢，C>0.6%
按质量分为：（1）普通碳素钢，S≤0.050%，P≤0.045%
（2）优质碳素钢，S≤ 0.040%，P≤0.040%
（3）高级优质碳素钢，S≤0.030%，P≤0.035%
B，合金钢的分类和命名：
为了改善钢的性能，在钢中特意加入了除铁和碳以外的其它元素。这类钢称为合金钢。
按合金元素的加入量分为：（1）低合金钢，合金总量不超过5%；（2）中合金钢，合金总量5%--10%；
（3）高合金钢，合金总量超过10%；
2，承压类特种设备常用碳素钢牌号锅炉和压力容器常用的碳素钢牌号有
Q235AF、Q235A、Q235B、Q235C、20g、20R 等，压力管道常用的碳素钢牌号有10#、20#钢等，它们都是低碳钢，一般以热轧或正火状态供货，正常的金相组织为铁素体FC+珠光体P。碳是碳素钢中的主要合金元素，含碳量增加，钢的强度增加，但塑性、韧性降低，焊接性能变差，淬硬倾向变大，因此制作焊接结构的锅炉和压力容器所使用的碳素钢。含弹量一般不超过0.25%。
3，承压类特种设备常用合金钢牌号
锅炉用低合金钢牌号有16Mng、15MnVg 、18MnMoNbg 等压力容器用低合金钢牌号有16MnR、15MnVR 、18MnMoNbR 、07MnCrMoVR 等压力管道用低合金钢牌号有09MnV 、16Mn、12CrMo、12Cr1MoV 等，除此之外，锅炉和压力容器因为用途不同，还用到其它特殊材料，如低温容器要用低温用钢，高压锅炉用低合金钢耐热钢等等。
4，奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢的种类有以Cr 为主加元素的铁素体不锈钢（0Cr13，
1Cr17 等）和马氏体不锈钢（1Cr13，2Cr13等），以Cr、Ni 为主加元素的奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9，00Cr18Ni10 等），其中奥氏体不锈钢在压力容器中得道广泛应用。
奥氏体不锈钢的机械性能较好，屈服点低，塑性、韧性好，可做低温用，它具有良好的化学稳定性。在氧化1Cr18Ni9 钢和耐热钢，其常用牌号是性和某些还原性介质中耐腐蚀性很高，但是在敏化状态，存在晶阶腐蚀性，并且在高温氯化物溶液中容易发生应力腐蚀开裂。
第二部分焊接基本知识焊接在承压类特种设备制造中占有重要的地位，例如，在压力容器制造中，焊接工作量占全部工作量的30%。焊接质量对承压
类特种设备产品质量和使用安全可靠性有直接影响，许多承压类特种设备事故都源于焊接缺陷。因此，对承压类特种设备无损检测人员来说，掌握焊接知识是非常必要的。一，承压类特种设备常用的焊接方法
1，手工电弧焊
（1）特点：利用焊条与焊件之间的电弧热，将焊条及部分焊件熔化而形成焊缝的焊接方法。手工电弧焊设备简单，便于操作，适用与于室内外各种位置的焊接，可以焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢等各种材料，在承压类特种设备制造中广泛应用。其缺点是生产效率低，劳动强度大，对焊工的技术水平及操作要求较高。
（2）焊接设备：常用的手工电弧焊设备有交流电焊机，旋转式直流电焊机和硅整流式直流电焊机三种。
（3）手工电弧焊焊条：涂有药皮的供手工电弧焊的熔化电极称为焊条。它由焊芯和药皮两部分组成。焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯，在电弧作用下熔化后，作为填充金属与熔化的母材混合形成焊缝。涂敷在焊芯表面的有效成分称为药皮，其作用是：稳弧、保护、冶金、改善焊接工艺性能。（4）焊条的种类：一般按焊条药皮熔化后所形成熔渣的酸碱性不同分为碱性焊条和酸性焊条两种。也有按用途分类的，如碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铜及铜合金焊条等。
（5）手工电弧焊的焊接位置：手工电弧焊可以在不同的位置进行操作。熔焊时，焊接接头所处的空间位置称为焊接位置，GB/T3375—94《焊接术语》中用倾角和转角两个参数来划分不同的焊接位置。
对接焊缝和角焊缝有平焊、立焊、横焊、仰焊是四种基本位置。管子环焊缝也有四种基本位置：水平转动、垂直固定、水平固定、45·位置。2，埋弧自动焊
（1）特点：焊接过程中，主要的焊接操作如引燃及熄灭电弧、送进焊条、移动焊条或工件等都由机械自动完成叫自动电弧焊。在自动电弧焊中，电弧被埋在焊剂层下面燃烧并实现焊接的叫埋弧自动焊。
（2）优点：a，采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，焊丝可连续送进而不需要频凡更换，因此生产效率高。
b，焊接规范参数稳定，焊缝成分均匀，外观光滑美观，焊接质量好。C，操作时看不到弧光，又是机械自动，所以劳动条件好。
（3）局限性：设备比较复杂昂贵：由于电弧不可见，所以对接头加工和装配要求严格：焊接位置受到一定限制，一般总是在平焊位置。
埋弧自动焊常常用于长的直线焊缝和大直径圆筒容器的环焊缝的焊接。
3，氩弧焊氩弧焊是以惰性气体氩气作为保护气体的一种电弧焊接方法。其优点是：
）适宜焊接各种钢材、有色金属及合金，焊接优良。1（．（2）电弧和熔池用气体保护，清醒可见，便于实现全自动化。
（3）电弧热量集中，熔池小，热影响区小，工件变形小。
（4）电弧稳定，飞贱小，焊缝致密，成型美观。缺点：氩气成本高。设备和控制系统复杂，产生效率低，只能焊较薄的工件。
二，焊接接头焊接接头形式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定，通常分为对接接头、角接接头、搭接接头、T 接接头。每种接头形式又有不同的坡口形式。承压类特种设备的焊接一般以焊接接头为主，焊接接头的坡
口形式分为不开坡口、V 形坡口、X 形坡口、单U 形坡口、双U 形坡口等。三，焊接常见缺陷焊接常见缺陷归纳起来有以下几种：裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣、内凹、咬边等。
第三部分承压类特种设备基本知识在《特种设备安全监察条例》中，特种设备分为承压类特种设备和机电类特种设备两大类。承压类特种设备包括锅炉、压力容器、压力管道。机电类特种设备包括电梯、起重机、场（厂）内机动车辆、游乐设施、客运架空索道。为了保证安全，特种设备在设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造等各环节由国家实施安全监察。并制定了一整套法规作为安全监察工作的依据，其中《特种设备安全监察条例》是目前的最高法规。
无损检测技术已经广泛用于承压类特种设备的制造、安装、使用中的检验，因此从事承压类特种设备无损检测的工作人员必须了解一些承压类特种设备基本知识。
一锅炉基本知识
1，锅炉的定义---利用燃料燃烧时产生的热能或其它能源的热能，把介质加热到一定温度和压力的热能转换设备。《特种设备安全监察条例》对锅炉作如下限制性定义：利用各种燃料、电或其它能源，将所盛装的液体加热到一定参数，并承载一定压力的密闭设备，其范围规定为容积大于或等于30L 的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或等于0.1Mpa（表压），且额定功率大于或等于0.1MW 的承压热水锅炉；有机热载体锅炉。
2，锅炉的特点
（1）一旦投入使用，都是连续运行，不能任意停车。
（2）承受高温度，高压。工作条件恶劣。
（3）具有爆炸危险性。因此，锅炉的安全运行非常重要，国家颁布了许多“条例”和“法规”来监督管理它。
3，锅炉的主要参数
（1）容量（输出功率）
蒸汽锅炉指蒸发量，既每小时产生的蒸汽量，以“ D”表示，单位是“吨/时”。热水锅炉指供热量，既每小时输出的热量，以“Q”表示，单位是“千卡/时”（焦耳/时）。
（2）压力
指锅炉出口处（锅筒或过热器）的工作压力。以“ P”表示，单位是“ Mpa” 锅炉铭牌上标示的压力是设计压力，又称为额定工作压力。对有过热器的锅炉是对热水对无过热器的锅炉是指锅筒内的蒸汽压力，指过热器出口处的蒸汽压力，锅炉指出水阀入口处的热水压力。
（3）温度
指锅炉出口介质的温度。对蒸汽锅炉为出口处饱和蒸汽或过热蒸汽的温度，对热水锅炉指进、出口热水的温度。
4，锅炉的分类
（1）按用途分：电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉、船泊锅炉、机车锅炉等。（2）按载热介质分：蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉、有机热载体锅炉等（3）按压力等级分：低压锅炉，P≤2.45MPa
中压锅炉，P=3.82Mpa
次压锅炉，3.82Mpa 高压锅炉，P≥9.81 Mpa 超高压锅炉，P>13.73 Mpa 亚临界锅炉P=15.7---17.66 Mpa 超临界锅炉P=23.5---26.5Mpa （4）按制造管理分：A 级锅炉：额定压力≥ 9.81MPa B 级锅炉：额定压力< 9.81Mpa C 级锅炉：额定压力≤ 2.45Mpa D 级锅炉：额定压力≤ 1.27Mpa E1级锅炉：额定压力≤ 0.4Mpa 的固定式蒸汽锅炉和水温度低于120度的热水锅炉 E2级锅炉：额定压力< 0.1Mpa的蒸汽锅炉和水温度≤ 95 度的热水锅炉3，锅炉的结构锅炉的结构有很多，但是主要由以下部分组成 （1）锅筒（2）锅壳（3）联箱（4）下降管（5）省煤器（6）过热器（7）减温器（8）再热器（9）炉胆（10）下脚圈（11）炉门、圈喉管、冲天管等组成6，无损检测的基本要求第82 页—83 页 二压力容器基本知识 1，压力容器的定义--- 凡承受流体介质压力的密闭壳体都可称为压力容器。按GB150—1998《钢制压力容器》的规定，设计压力低于0.1Mpa 的容器属于常压容器，设计压力高于0.1MPa 的容器压力容器。 《容规》将同时具备下列三个条件的容器称为压力容器： （1）最高工作压力Pw≥ 0.1MPa（不含液体静压力） （2）内直径≥ 0.15m，且容积≥ 0.025 立方米 （3）盛装介质为气体，液化气体或最高温度≥标准沸点的液体。《特种设备安全监察条例》附则中规定，压力容器的含义是：盛装气体或液体。承受一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力Pw≥0.1Mpa，且压力与容积的乘积≥ 2.5 Mpa×L 的气体，液化气体或最高温度≥标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力≥ 0.2Mpa，且压力与容积的乘积≥ 1.0Mpa×L 的气体，液化气体和标准沸点≤ 60 度的液体的气瓶，医用氧舱等，可以认为这个规定是对压力容器作出的最权威的定义。 2，压力容器的主要工艺参数工艺压力容器的工艺参数是进行压力容器强度计算和结构设计的主要依据，参数是由生产的工艺要求确定的。影响压力容器设计的主要工艺参数有压力，温度，直径等。 （1）压力容器的压力参数 压力容器的压力参数有工作压力，最高工作压力和设计压力 （2）压力容器的温度参数 压力容器的温度参数有工作温度和设计温度。 （3）直一般所说的容器直径系指其内直径，单位多用 mm 表示 3，压力容器的分类 从安全的角度出发目前广泛采用比较重要的分类方法有以 下几种： （1）按压力容器的安全重要程度分类 《容规》根据容器在使用中的重要作用， 设计压力以及介质的危害程度， 将压力 容器分为第一类压力容器，第二类压力容器，第三类压力容器。 下列情况之一属于第三类压力容器： A 高压容器 B 中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质） C 中压储存器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质， 且 PV 乘积≥ 10.0Mpa × L ） D 中压反应器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质， 且 PV 乘积≥ 0.5Mpa × L ） E 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且 PV 乘积≥ 0.2Mpa × L ） F 高压，中压管壳式余热锅炉 G 球形容器（容积≥ 50 立方米） H 低温液体储存容器 下列情况之一属于第二类压力容器： A 中压容器 B 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质） C 低压储存器和低压反应器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质） D 低压管壳式余热锅炉 F 低压搪玻璃压力容器 下列情况之一属于第一类压力容器 介质为无毒，非易燃低压容器和易燃或毒性程度为中度危害介质的低压换热器， 分离器等 压力容器的类型很多，但是基本构造都可以分解为筒体、端盖（封头） 开孔、接管和支座等。 石油化工生产中大量采用低， 中压容器，一般属于薄壁容器， 它的外形结构 形 式大都是球形和圆筒形，在个别情况才使用矩形，椭圆形，扁圆形等。 ． 5，压力容器的焊接接头分类 GB150《钢制压力容器》将压力容器主要受压部分的焊接接头分为 A 、B 、C 、D 四类 A 类焊接接头： 圆筒部分的纵向接头，球形封头与圆筒连接的环向接头， 各类形 封头的所有拼焊接头。 B 类焊接接头：圆筒部分的环向接头，锥形封头小端与接管连接的接头，长颈法 兰与接管连接的接头，但是已经规定为 ACD 类的除外。 C 类焊接接头：平盖，管板与圆筒连接的接头，法兰与壳体，接管连接的接头。 （2）按用途分类 A 反应器 B 储存器 （3）按压力分类 A 低压容器（ L ） B 中压容器（ M ） C 高压容器（ H ） D 超高压容器（ U ） 4， C 换热器 D 分离器 0.1MPa ≤P <1.6 MPa 1.6MPa ≤P <10MPa 10MPa ≤P <100MPa 100MPa ≤P <1000MPa 压力容器的典型结构和特点 、法兰、