金属材料作为特种设备的焊接人员，应了解材料方面的有关知识

金 属 材 料

金属材料是制造特种设备最常用的材料。作为特种设备的焊接人员，应了解材料方面的有关知识。

一、金属材料基础知识

（一）金属的晶体结构

所有固态金属都是晶体，晶体结构的排列如图2-1所示。

晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的金属晶格如图2-2所示。

1）体心立方晶格，属于此类的金属有α-Fe、δ-Fe、Cr、V、β-Ti等。

2）面心立方晶格，属于此类的金属有γ-Fe、A1、Cu、Ni等。

3）密排六方晶格，属于此类的金属有 Mg、Zn、α-Ti等。

（二）铁碳合金的基本组织

铁碳相图又称铁碳平衡图或铁碳合金状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，表示在接近平衡条件（铁-碳）和亚稳条件（铁-碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。Fe-Fe，C 相图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成，图2-3所示为Fe-Fe，C相图。表2-1为 Fe-Fe。C相图中各相点的特性。

铁碳合金相图明确反映出碳含量、温度与组织状态的关系，是研究钢铁的重要依据，也是铸造、锻造及热处理工艺的主要理论依据。它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元 Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。当然，需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳相图开始。工程上依据Fe-Fe;C相图把铁碳合金分为三类，即工业纯铁、钢和铸铁。

碳含量对钢铁的性质有决定性的影响。例如，钢的碳含量低，其性质是'强而韧'，而普通铸铁的碳含量高，其性质是'弱而脆'。

Fe-Fe3C合金中的相结构主要有奥氏体A、铁素体F、渗碳体（Fe。C）、珠光体P、马氏体M、贝氏体、魏氏组织、δ相（高温下的铁素体）和σ相等。

1. 奥氏体A

奥氏体是碳在γ-Fe 中的固溶体，在合金钢中是碳和合金元素溶解在y-Fe中的固溶体。奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，布氏硬度值一般为（170～220）HBW，是钢中比体积最小的组织。奥氏体在1148℃时可溶解碳为2.11%（质量分数），在727℃时可溶解碳为0.77%（质量分数）。

奥氏体仍然保持γ-Fe 的面心立方晶格，在金相组织中呈现为规则的多边形。

2.铁素体F

铁素体是碳与合金元素溶解在 α-Fe中的固溶体。

铁素体性能接近纯铁，硬度低（约为80～100HBW），塑性好。固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。在727℃时，碳在铁素体中的溶解度为0.022% （质量分数），在常温下碳含量为0.008%（质量分数）。

铁素体仍然保持α-Fe 的体心立方晶格，在金相组织中具有典型纯金属的多面体金相特征。

3.渗碳体（Fe3C）

渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中碳大部分以渗碳体存在。根据铁碳相图，渗碳体可分为∶

1）一次渗碳体，是沿CD线由液体中结晶析出，多呈柱状。

2）二次渗碳体，是从γ固溶体中沿ES线析出的，多以白色网状出现。

三次渗碳体是从α固溶体中沿PO线析出的，多以白色网状出现。

渗碳体在低温下有弱磁性，高于217℃时磁性消失。渗碳体的熔化温度约为1600℃，碳含量为6.67%（质量分数），硬度很高（约为>700HBW），脆性很大，塑性近乎于零。

4.珠光体P

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，是碳含量为0.77% （质量分数）的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。

珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距越小。按片间距的大小，又可分为珠光体、索氏体和托氏体。由于它们没有本质上区别，统称为珠光体。

铁素体、珠光体、渗碳体的力学性能见表2-2。

5.马氏体M

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。当钢高温奥氏体化之后，若快速冷却至马氏体点以下时，由于γ-Fe在低温下结构不稳定，便转变为α-Fe，但冷却速度快，钢中碳原子来不及扩散，保留了高温时母相奥氏体的成分，因此马氏体是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点之下发生无扩散性相变的产物。马氏体处于亚稳定状态，由于碳在α-Fe中过饱和，使α-Fe的体心立方晶格发生了畸变，形成了体心正方晶格。马氏体具有很高的硬度（约为640~760HBW），很脆，冲击韧度低，断面收缩率和伸长率几乎等于零。由于过饱和的碳使晶格发生畸变，因此马氏体的比体积较奥氏体大，钢中马氏体形成时产生很大的相变应力。

马氏体在金相组织中，是互成一定角度的白色针状结构。正常的淬火工艺下，获得的马氏体大部分为细针或隐针状。

并非所有马氏体组织都是硬而脆的，例如含锰、铬、镍、钼等元素的低合金高强度钢经调质处理后的金相组织为回火低碳马氏体，这种回火低碳马氏体组织具有较高的强度和较好的韧性。

6.8相

δ相是指在铬镍不锈钢（特别是含有铌、钛的铬镍不锈钢）中存在的少量铁素体。存在于奥氏体不锈钢的δ相可以保证不锈钢焊缝不产生结晶裂纹，可降低晶间腐蚀及应力腐蚀倾向，还能够提高强度。但δ铁素体数量超过某一限度后（例如>8%），会使点蚀倾向增大，在高温条件下，还容易发生δ相向 σ相的转变，引起金属脆化。

7.σ相

o相是在研究 Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相，σ相在室温下无磁性，硬而脆，合金中如有σ相出现，特别是沿晶界分布时，使合金的塑性和韧性显著下降。

σ相一般在550~900℃高温下经成年累月的时间才逐步形成;σ相形成会导致材料使用性能恶化。

σ相的形成与钢的成分、组织、加热温度、保温时间以及预先变形等因素有关。在高铬和镍铬不锈钢中，含铬越高，越易形成σ相。奥氏体钢中的δ铁素体容易转变为σ相。冷变形也起着促进作用，使 o相形成的温度下移。

二、金属材料热处理基础知识

（一）热处理的一般过程

热处理是将固态金属及其合金按预定的要求进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得要求性能的一种工艺过程。

为使材料具有不同的性能，在工程上采用不同的热处理方法，但其基本工艺都是由加热、保温、冷却三个阶段所构成，温度和时间是热处理的主要因素。任何热处理过程都可以用温度-时间曲线图来说明。如图2-4所示为热处理的基本工艺曲线。

（二）热处理工艺

根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火及化学热处理、奥氏体不锈钢的固溶处理、稳定化处理等。

图2-5为钢在加热和冷却时 Fe-Fe，C相图上临界点位置。

各临界点的意义如下。

Ac1∶加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度。

Ari∶冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。

Ac3∶加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。

Ar3∶冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度。

Accm;加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度。

Arcm∶冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。

与承压类特种设备有关的热处理工艺简介如下。

1.退火

将钢试件加热到适当温度，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，称为退火。

退火的目的∶

1）消除残余应力。

2）细化晶粒，改善组织。

3）降低硬度，提高塑性。

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、等温退火、球化退火等。

（1）完全退火 完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温后炉内缓慢冷却。其目的在于均匀组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。主要用于各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构。完全退火的组织是接近 Fe-Fe3C相图的平衡组织（对亚共析钢是铁素体+珠光体）。

（2）不完全退火不完全退火是将工件加热到Ac1以上30～50℃，保温后缓慢冷却的方法。其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。应用于低合金钢，中、高碳钢的锻件和轧制件。

（3）消除应力退火 对承压类特种设备来说，消除应力退火特别重要。

承压类特种设备的消除应力退火处理主要是指焊后热处理（PWHT），也有在焊接过程中间和冷变形加工后为减少内应力及冷作硬化而进行消除应力处理的。消除应力处理的加热温度根据材料不同而不同，一般将工件加到Ac1以下100～200℃，对碳钢和低合金钢大致在500～650℃.，保温然后缓慢冷却。消除应力处理主要目的是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力，同时还能使焊缝的氢较完全地扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性，此外对改善焊缝及热影响区的组织，稳定结构形状也有作用。

消除应力处理加热方法多种多样，可分整体焊后热处理和局部焊后热处理两大类，前者效果好于后者。整体焊后热处理可分炉内整体热处理和内部加热整体热处理，后者是利用容器本身作为炉子或烟道，在其内部加热来完成热处理过程，通常用于大型容器的现场热处理，称为现场整体消除应力退火处理。局部焊后热处理常用的方法有炉内分段热处理和圆周带状加热热处理。

（4）等温退火 等温退火是为了保证奥氏体在珠光体转变区上部发生转变，因此冷却速度很缓慢，所需时间少则十几小时，多则数天，因此生产中常用等温退火来代替完全退火。等温退火的加热温度与完全退火相同，但钢经奥氏体化后，等温退火以较快速度冷却到A1线以下，等温一定时间，使奥氏体在等温中发生珠光体转变，然后再以较快速度冷却至室温。等温退火时间

（5）球化退火 球化退火是将过共析钢加热到Ac1线以上约20～40℃保温一定时间，然后缓慢冷却到600℃以下出炉空冷。

当加热温度超过 Ac1线后，渗碳体开始溶解，但又未完全溶解，此时片状渗碳体逐渐断开为许多细小的链状或点状渗碳体，弥散分布在奥氏体基体上，同时由于低温短时加热，奥氏体成分也极不均匀，因此在以后缓冷或等温冷却的过程中，以原有的细小渗碳体质点为核心，在奥氏体富集的地方产生新核心，均匀形成颗粒状渗碳体。

球化退火多用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。

2.正火

正火是将工件加热到 Ac3或Acm以上30~50℃，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。正火与退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小。钢正火后的强度、硬度、韧性都较退火为高。许多承压类特种设备用的低合金钢钢板都是以正火状态供货的。超声波检测一些晶粒粗大的锻件时，会出现声能严重衰减，或出现大量草状回波。可通过正火使情况得到改善。

目的∶

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1）晶粒细小而均匀，综合力学性能好。

2）消除残余应力。

3）最终热处理。

3.淬火

淬火是将钢加热到临界温度以上（一般情况是∶亚共析钢为Ac3以上30~50℃，过共析钢为Ac1以上30~50℃），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，可以提高其硬度和强度，这对于轴承、模具之类的工件是有益的，马氏体硬而脆，韧性很差，内应力很大，容易产生裂纹，承压类特种设备材料和焊缝的组织中一般不希望出现马氏体。

目的∶提高钢的强度和硬度，增加其耐磨性，以及在随后的回火过程中获得高强度和高韧性相配合的性能。

4. 回火

回火是将经过淬火的钢加热到 Ac1以下的适当温度，保持一定时间，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。回火的主要目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可获得不同硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外，回火还可稳定零件尺寸，改善加工性能。

按回火温度的不同可将回火分为低温回火、中温回火、高温回火三种。

（1）低温回火（150～250℃）低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为58 ~64HRC。

（2）中温回火（350~500℃）中温回火所得组织为回火托氏体。其目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性，因此它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为35~50HRC。

（3）高温回火（500~650℃）高温回火所得组织为回火索氏体。

5.调质热处理

习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。

调质处理可以使钢的性能、材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合力学性能。回火后硬度一般为200~330HBW。

在锅炉、压力容器制造过程中，调质热处理方式主要用于处理设备主螺栓和钢质高压无缝气瓶等。

在理论上，淬火钢回火后冲击韧度提高，在 400℃以上尤为显著，但在有些结构钢中发现，在250~400℃回火后冲击韧度反而降低，甚至比150~200℃低温回火时的冲击韧度还低，这种现象称为'第一回火脆性'。某些合金结构钢在450～575℃出现'第二次回火脆性'。

6.铬镍奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理

把铬镍奥氏体不锈钢加热到1050～1100℃（在此温度下，碳在奥氏体中固溶），保温一定时间（大约每25mm厚度不小于1h），然后快速冷却至427℃以下（要求从925℃至538℃冷却时间小于3min），以获得均匀的奥氏体组织，这种方法称为固溶处理，其强度和硬度较低而韧性较好，具有很高的耐蚀性和良好的高温性能。

对于含有钛或铌的铬镍奥氏体不锈钢，为了防止晶间腐蚀，必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中，以此为目的的热处理称为稳定化处理。稳定化处理的工艺条件是∶将工件加热到850~900℃，保温足够长的时间，快速冷却。

（三）与焊接有关的其他热过程概念

1.焊接前预热

预热温度一般选择在 50~250℃之间，预热温度与施焊时的环境温度、钢种的强度级别、坡口的形式、焊接材料类型或焊缝金属可能的氢含量等有关。

通过预热可以显著降低该温度范围内的焊接冷却速度，从而减小淬硬倾向。预热对焊接热影响区晶粒细化的影响较小，同时预热还有利于焊缝中氢的逸出，因此是一种较好的降低高强度钢焊接冷裂纹倾向的措施。

焊前预热的有利作用∶

1）可改变焊接过程的循环，降低焊接接头各区的冷却速度，遏制或减少了淬硬组织的形成。

2）减小焊接区的温度梯度，降低焊接接头的内应力，并使其分布均匀。

3）扩大焊接区的温度场，使焊接接头在较宽的区域内处于塑性状态，减弱了焊接应力的不利影响。

4）改变焊接区应变集中部件，降低残余应力峰值。

5）延长焊接区在100℃以上温度的停留时间，有利于氢从焊缝金属中逸出。2.后热

焊接后立即对工件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施，它不同于焊后热处理。

由于冷裂纹存在潜伏期，例如根部裂纹一般要在焊后几分钟以后才会产生，所以在裂纹产生以前，若及时进行加热处理，即所谓紧急后热，将有利于防止冷裂纹的产生。紧急后热的温度一般在300~600℃。

后热有三种有利作用∶

1）减轻残余应力。

2）改善组织，降低淬硬性。

3）减少扩散氢。

3.缓冷:

为消除钢材中的白点和避免再冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹，将某些钢材放置到专门的缓冷装置中进行缓慢冷却，称为缓冷。

4.道间温度（俗称层间温度）

多层多道焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的温度，即称为层间温度。对后一焊道而言，前一焊道具有预热的作用，层间温度即相当于预热温度;对前一焊道而言，后一焊道起'后热'作用，产生一定的热处理效果。

但对低温钢和铬镍不锈钢的焊接，都不希望层间温度高。以低温钢焊接为例，采用快速多道焊是低温钢焊接的重要原则之一。快速多道焊有利于细化晶粒，提高焊缝的韧性。在多道中，为了减小焊道过热，应尽可能降低层间温度，也就是尽可能不要连续焊接。

（四）金属材料不同加热温度下的颜色

金属材料在不同加热温度下的色彩变化见表2-3。

三、金属材料的性能

通常所指的金属材料的性能包括以下两个方面∶

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）、化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。

2）工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如铸造、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。

（一）金属材料力学性能基本知识

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，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形至断裂。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。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。这些性能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。

可以将拉伸过程分为四个阶段，如图2-6所示。

（1）弹性阶段 即曲线0～a段。在此段若加载不超过a点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，因此α点的应力值为材料只产生弹性变形时的最高值，称为弹性极限。

（2）屈服阶段 即b~c点的一段曲线。当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，称为屈服强度。应区分上屈服强度和下屈服强度，如图2-7所示。上屈服强度（ReH）是指试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度（ReL）是指在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。

有些材料没有明显的屈服点，这些材料通常采用规定非此例延伸强度Rp0.2作为屈服阶段的特征值。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。

（3）强化阶段 即曲线c~d段，曲线d点所对应的力是拉伸过程中试样承受的最大载荷值，相应的应力即为材料的抗拉强度，用Rm表示。抗拉强度是金属材料重要的力学性能指标之一，由于抗拉强度易于确定且可重复测定，因此经常用于检测材料和产品的质量，也是鉴别材料的有效方法之一。

在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一，工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸等。

（4）颈缩阶段 即曲线d~e段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是无效变形转化为集中变形，导致颈缩。颈缩阶段，承载面积急剧减小，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。

2.塑性

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。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。

持久塑性则是表征材料在一定温度和长时间应力作用下的塑性能力，它是材料高温力学性能的重要指标之一，也是衡量材料蠕变脆性的指标。通常要求持久伸长率不小于3%。

3.硬度

硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。

由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。

强度与硬度之间存在一定的对应关系，其经验式为∶

对碳钢∶ReL=（3.3~3.6）HBW

对铸铁∶ReL=（HBW-80）/0.3504 （ReL≥196N/mm²时）

ReL=（HBW-35.2）/0.57924 （ReL<196N/mm²时）

硬度试验是力学性能试验中最简单易行的一种试验方法。一般硬度越高，耐磨性越好。硬度按其测定范围分为∶布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC 等标尺）、维氏硬度（HV）等。

（1）布氏硬度（HBW）压头为硬质合金球。布氏硬度试验的优点是测定数据准确、稳定。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金钢等材料以及退火、正火和调质工件的硬度。缺点是不宜测定高硬度或厚度很薄的材料。

（2）洛氏硬度（HRA、HRB、HRC 等标尺） 洛氏硬度B标尺，一般用于测定较软的金属和未经淬火的钢件的硬度;C 标尺一般用于测定经热处理淬硬的钢试件的硬度;A标尺一般用于测定硬度极高而不宜采用C标尺的场合，如测定硬质合金及表面硬化钢件的硬度。由于A 标尺灵敏度较差，因而在其他场合下很少使用。

洛氏硬度试验的优点是操作简便、迅速，可直接从硬度计表盘读出硬度值，不必计算或查表;压痕小，可测量较薄工件。缺点是准确度差。

（3）维氏硬度（HV）维氏硬度试验法广泛用于精密元件和材料的研究领域，特别适用于细小、极薄的材料以及氮化、渗碳等表面处理的试件和各种镀层试样的表层硬度测定。

维氏硬度试验的优点是∶不受试验力的影响，对任一均质材料用不同试验力所得到的压痕几乎相似，其硬度值是相同的;有统一的标尺，可适用于较大范围的硬度测试。

4.冲击韧度

冲击韧度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。反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般用冲击韧度（αk）和冲击吸收能量（KU或KV）表示，其单位分别为J/cm²和J（焦耳）。

冲击试验因试验温度不同而分为常温、低温等;按试样缺口形状分为'V'形缺口和'U'形缺口冲击试验两种。

实验证明，冲击韧度对材料组织缺陷非常敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，如白点、夹杂及过热、过烧、回火脆性等。因此冲击韧度试验是检验材料冶金质量和脆化倾向的有效方法之一，也是检验焊接接头性能的试验方法之一。

（二）金属材料的脆性

用于制作特种设备受压元件所用的钢材在常温静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。人们在使用这些材料时，对可能会发生的脆性破坏往往不够注意，实际上，在一些不利的条件或环境下使用的塑性材料会发生脆化，即塑性和韧性降低的现象，这一现象对特种设备的使用安全是不利的。常见的钢材脆化现象有以下几种∶

1. 冷脆性

随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。

2.热脆性

钢材长时间停留在400~500℃后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。具有热脆性的钢材，金相组织没有明显的变化。无损检测不能检测和判定热脆性，材料是否产生热脆一般采用冲击试验方法判断。

3.氢脆

钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。氢脆主要发生在碳钢和低合金钢，钢中氢的来源主要为下列四个方面∶冶炼过程中溶解在钢液中的氢，在结晶冷凝时没有能及时逸出而存留在钢材中;焊接过程中由于水分或油污在电弧高温下分解出的氢溶解入钢材中;设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中;此外，钢试件酸洗不当也可能导致氢脆。

4.应力腐蚀脆性断裂

由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是塑性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀。它与单纯的由应力造成的破坏或由腐蚀引起的破坏不同，在一定的条件下在很低的应力水平或腐蚀性很弱的介质中，也能引起应力腐蚀。应力腐蚀所引起的破坏在事先往往没有明显的变形预兆，突然发生脆性断裂，故它的危害性很大。

1）元件承受拉应力的作用。

2）具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境。

3）材料的应力腐蚀敏感性。

（三）钢的焊接性

钢的焊接性是指钢材在给定的焊接工艺和焊接结构条件下，获得预期焊接接头质量要求的性能。由于焊缝主要经历的是冶金、结晶过程，而焊缝的热影响区主要经历的是焊接热循环过程，所以钢的焊接性要从钢的冶金焊接性和热循环焊接性两方面来分析。

1.碳钢的焊接性

碳钢以铁为基础，以碳为合金元素，碳含量一般不超过1%。碳钢的焊接性主要取决于碳的含量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。另外，碳钢中的锰和硅对焊接性也有一定的影响，随着锰和硅含量的增加，其焊接性也随之变差。可用碳当量（Ceq，%）经验公式来表示，即

Ceq增加，则产生冷裂纹的可能性增加，焊接性变差。通常Ceq值大于0.4%时，冷裂纹的敏感性将增大。

焊接性的好坏不只取决于碳、锰、硅的含量，还取决于焊接接头的冷却速度。不同碳钢在不同的冷却速度下，可能会在焊缝和热影响区中形成硬化组织甚至马氏体，且马氏体越多，硬度愈高，焊接性也越差。焊后的大量马氏体或它表现的高硬度，在焊接应力下还可能引起热影响区和焊缝的裂纹，从而表现出焊接性较差。因此，测定焊接接头的硬度，可以粗略地判断裂纹倾向或焊接性的优劣。

焊接时，母材已确定，即Ceq值已确定，若改善焊接性，即改善组织、避免裂纹控制冷却速度是关键途径。冷却速度主要取决于∶钢材厚度和接头的几何形状;焊接时母材的原始温度;焊接热输入的大小。

2.合金钢的焊接性

通常把金属材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头性能变坏的倾向作为评价焊接性的重要指标。合金钢的焊接性主要取决于其化学成分，同时也与结构的复杂程度、刚性、焊接方法、焊接材料和焊接工艺有关。钢中的碳是对焊接性影响最大的元素，其他合金元素对焊接性的影响为碳的几分之一至十几分之一。按合金成分对钢焊接性进行估算，即把合金元素对焊接性的影响的大小折算成相当碳元素的含量，即碳当量C。其经验公式为

当 Ceq<0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热。

当Ceq=0.4%~0.6%时，钢的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热，控制线能量等工艺措施。

当Ceq>0.6%时，钢的淬硬倾向更强，属于难以焊接的材料，需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

四、特种设备用金属材料的基本要求

特种设备都是在承压或承重状态下运行，材料要承受较大的工作应力，有些还要同时承受高温或腐蚀介质的作用，工作条件更为恶劣，如果在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重损失，因此对制造特种设备的材料有一定的要求。这些要求包括∶

1）为保证安全性和经济性，所用材料应有足够的强度，即较高的屈服强度和抗拉强度。

2）为保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏，所用材料应良好的韧性。根据使用状态的不同，材料的韧性指标包括常温冲击韧度，低温冲击韧度以及时效冲击韧度等。

3）所用材料应有良好的加工工艺性能，包括冷、热加工成形性能。

4）所用材料应有良好的低倍组织和表面质量，分层、疏松、非金属夹杂物、气孔等缺陷应尽可能少，不允许有裂纹和白点。

5）用以制造高温受压元件的材料应具有良好的高温特性，包括足够的蠕变极限、持久强度和持久塑性，良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性。

6）与腐蚀介质接触的材料应具有优良的耐蚀性。

五、金属材料的分类

（一）概述

金属材料按组成成分可分为黑色金属和有色金属及其合金两大类。1.黑色金属

铁和铁的合金均称为黑色金属。

（1）纯铁 化学纯铁碳含量几乎为零，工业纯铁碳含量<0.05% （质量分数）。纯铁是很软的，一般不应用到实际中。

（2）铁碳合金 以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

（3）生铁 把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，碳含量为2%～4.3% （质量分数，也有资料称3.5%～5.5%、2.11%~6.67%）的铁碳合金称为生铁。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。

（4）钢 碳含量在（质量分数）2%以下，并含有其他元素的铁碳合金称为钢。为了保证其韧性和塑性，碳含量一般不超过1.7%（质量分数）。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。

2.有色金属

除黑色金属以外的金属称为有色金属。

（二）钢材的分类

钢可按化学成分分类，也可按主要质量等级和主要性能及使用特性分类。

1.按化学成分分类

按钢的化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢两大类。

（1）碳素钢

1）分类∶

①按碳含量不同，碳素钢可分为∶低碳钢，碳含量不大于0.30%（质量分数）;中碳钢，碳含量0.30%~0.6%（质量分数）;高碳钢，碳含量大于0.6% （质量分数）。

②按冶炼时的脱氧程度不同可分为∶沸腾钢、半镇静钢、镇静钢。

③按钢材的冶炼质量可分为∶普通碳素钢，P≤0.045%、S≤0.055%（质量分数）;优质碳素钢，P≤0.04%、S≤0.045%（质量分数）;高级优质钢，P≤0.035%、S≤0.035%（质量分数）。

④按钢的用途分为∶碳素结构钢，主要用于制作各种结构件和机器零件，一般为低碳钢;碳素工具钢，主要用于制作各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。

2）碳素钢的牌号表示方法∶

①普通碳素结构钢。现行标准规定普通碳素结构钢的表示方法为 Q× × ×-× ×。其中第一部分0是'屈服强度'的汉语拼音第一个字母大写;第二部分×××为钢材的屈服强度值（单位：MPa）;第三部分×是质量等级，分为A、B、C、D四级，其中A级质量为最低;第四部分×是脱氧方法，有F、b、Z三种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢。镇静钢Z符号可省略，如Q235AF、Q235B。

②优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢平均碳含量质量的万分比。例如∶10钢表示平均碳含量为0.10%，20钢表示平均碳含量为0.20%。优质碳素结构钢按锰含量的不同分为普通锰含量（0.35%～0.8%）和较高锰含量（0.7%～1.2%）两组。对锰含量较高的一组，牌号数字后面应附加'Mn'，如16Mn 等，以示与普通锰含量的区别。如为沸腾钢，则在牌号数字后面加'F'，如08F。

③专门用途的碳素钢。专门用途的碳素钢应在牌号尾部加代表用途的符号。例如制作锅炉或压力容器的专用碳素钢应在牌号数字后面加'R'，如Q245R。

④碳素铸钢。铸钢牌号用'铸钢'的汉语拼音字首ZG表示，后面两位数字分别表示该铸钢的屈服强度值和抗拉强度值，如ZG200-400、ZG270-500 等。

⑤碳素工具钢。碳素工具钢的编号是在'碳'字的汉语拼音字首'T'之后附加数字表示，数字表示平均碳含量质量的千分比。如T8、T12，分别表示碳含量为0.8%和1.2%的碳素工具钢，如为高级优质碳素工具钢，则在数字后面加 A，如T8A、T12A。

（2）合金钢 合金钢是指除碳钢所含元素外，还含有其他一些合金元素，如Cr、Ni、Mo、W、V、B等的钢。

1）分类∶

①按合金元素含量，可分为∶低合金钢，合金元素含量小于5%（质量分数）;中合金钢，合金元素含量等于5%～10%（质量分数）;高合金钢，合金元素含量大于10%（质量分数）。

②按钢的用途，可分为∶合金结构钢，专用于制造各种工具结构和机器零件的钢种;合金工具钢，专用于制造各种工具的钢种。

③按钢的金相组织，可分为∶珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢等。

④按钢中所含的主要合金元素，可分为∶铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。

2）合金钢的牌号表示方法∶我国合金钢牌号按碳含量、合金元素种类和含量、质量级别和用途来编排。牌号首部用数字表明碳含量，为区别用途，即低合金钢、合金结构钢用两位数表示平均碳含量的万分比;高合金钢、不锈耐酸钢、耐热钢用一位数表示平均碳含量的千分比，在碳的质量分数大于或等于0.04%时，取两位小数，在碳的质量分数不大于0.030%时，取三位小数。牌号的第二部分用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字标明，当平均质量分数小于1.5%时不标数字;平均质量分数为1.5%~2.49%时，标数字2;平均质量分数为2.5%～3.49%时，标数字3;……。高级优质合金钢在牌号后部加A，专门用途的低合金钢、合金结构钢，在牌号后部加代表用途的符号。例如∶16MnDR，表明该合金钢碳的平均质量分数为0.16%，锰的平均质量分数小于0.15%，是低温压力容器专用钢。

长输管道中常用的管线钢现行标准规定∶以钢的规定总伸长应力表示，即钢的表示方法为L ×××。其中第一部分L是'总伸长应力'的代号;第二部分×××为钢材规定总伸长应力。例如 L360，表明该钢材的规定总伸长应力为360MPa。

2.特种设备常用钢种

特种设备常用的低合金钢，包括低合金高强度钢、低温钢、低合金耐热钢、耐腐蚀用钢。低合金钢中通常添加的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钒、硼和稀土元素等。

在锅炉、压力容器中广泛使用的低合金钢有∶Q345R。

用于锅炉汽包的有13MnNiMoNbR、20MnMo。

用于锅炉集箱、受热面管的有15CrMoG、12CrlMoVG、T91（Cr9Mo1VNb）。

用于大型球罐的有16MnDR、07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR。

用于低温设备的有15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR。

用于耐热抗氢条件下的铬钼钢如15CrMoR、14Cr1MoR。

在长输管道中常用的管线钢（属低合金高强钢）有 L360、L415、L450、L480…

（1）低合金高强度钢 这类钢既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，低合金钢的合金含量较少，价格较低，冷、热成形及焊接工艺性能良好。常用的钢号有Q345R、15MnVg、15MnVR、18MnMoNbR、O345、15CrMo、1Cr5Mo、L360等。

如Q345钢，其具有良好的力学性能。一般在热轧状态使用。一般情况下，钢板厚度在34mm 以下时焊前可不预热;对于厚度大于34mm 的钢板，焊后一般需进行消除应力热处理，通常是加热至600~650℃，保温后空冷。

（2）低温用钢 对于在低温条件下工作的特种设备，其最重要的是低温韧性，影响低温韧性的因素有晶体结构、晶粒尺寸、冶炼的脱氧方法、热处理状态及合金元素等，尤以合金元素的影响最为显著。

在低温用钢中，碳含量多限制在0.2%（质量分数）以下。

锰和镍是低温用钢中常用的合金元素，随着锰含量的增加，钢的冷脆转变温度下降，镍含量每增加1% （质量分数），冷脆转变温度约可降低10℃。

常用的低温用钢有∶16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR 等。

（3）低合金耐热钢 当工作温度在400～600℃时，所使用的钢材多为低合金耐热钢，如钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢等。按材料显微组织可分为珠光体耐热钢和贝氏体耐热钢，属于珠光体耐热钢的有12CrMoR、15CrMoR、14Cr1MoR 等，属于贝氏体耐热钢的有12Cr2Mo1R。

（4）耐腐蚀用钢 耐腐蚀用钢的主要合金化元素是Cu和P，如GB/T 4171—2008《耐候结构钢》中的Q235NH、Q295NH、Q355NH 等，Cu的含量均为0.25%～0.55%（质量分数），因为要保证焊接性，其P的含量不大于0.03%（质量分数）。

（5）高合金钢 对于某些承压设备，由于其苛刻的操作条件，高温、低温、高压、工作介

质的危害（易爆、有毒、腐蚀），大量使用的是具有优良耐高温、耐低温、耐腐蚀性能的铬镍系高合金钢。

铬在氧化性介质中能生成一层稳定而致密氧化膜，从而保护金属使其具有耐腐蚀性。为了减少钢中脆性碳化铬的形成，钢中含碳量较低、而含铬量尽量高。

不锈钢按其钢的组织不同可分为三类，即铬不锈钢（铁素体不锈钢、马氏体不锈钢）、奥氏体不锈钢和奥氏体 +铁素体双相不锈钢三类。

1）铬不锈钢。承压设备中大量使用的铬不锈钢中铬含量都在13%（质量分数）以上，如铁

素体不锈钢（06Cr13、06Cr13Al、10Cr17）和马氏体不锈钢（12Cr13，20Cr13），这类钢耐潮湿大气、淡水、海水腐蚀，对温度较低的弱腐蚀性介质，如盐水溶液、低浓度有机酸等也有较好的耐蚀性。

2）铬镍奥氏体不锈钢。承压设备中大量应用的典型铬镍不锈钢牌号是06Cr19Ni10，由于镍元素的存在，在铬镍不锈钢中能形成奥氏体组织，经固溶处理后在常温下也能以单一的奥氏体组织存在。但是经过热加工，在1050～100℃加热后淬火，含镍低至8%（质量分数）也可获得亚稳的单相状态的奥氏体组织，即 Cr18Ni8 钢，这是一种较经济的奥氏体不锈钢。

这种钢在耐腐蚀方面，不但与铬不锈钢类似具有氧化铬保护膜，而且由于镍的存在而形成的单一奥氏体组织，使得铬镍钢在很多介质中比铬不锈钢具有更好的耐蚀性，例如对浓度 60% 以下，温度低于100℃的硝酸、硫酸盐、硫化氢、醋酸等都有很好的耐蚀性，另外还有很好的耐氢、氮腐蚀性能。

铬镍奥氏体不锈钢同时又是承压设备中广泛使用的低温用钢和中高温用钢，使用温度范围从深冷的极低温度直至700℃。

3）双相不锈钢（奥氏体+铁素体）。双相不锈钢具有奥氏体＋铁素体双相组织，且两个相组织的含量基本相当，故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性均得到显著提高;同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475℃脆性、热导率高、线胀系数小。具有超朔性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，特别是屈服点显著地提高，其屈服点可达400~500MPa，是普通奥氏体不锈钢的两倍。且耐蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。

双相不锈钢按其化学成分分类，可分为Cr18型、Cr23（不含 Mo）型、Cr22型和Cr25型四类。对于Cr25型双相不锈钢又可分为普通型和超级双相不锈钢，其中近年来应用较多的是Cr22 型和Cr25型。

4）沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、垫圈、销子、弹簧、高强度压力容器、化工处理设备等。

（三）有色金属及其合金

在承压的化工、石化、空分等工业设备装置中，由于腐蚀、低温等特殊条件的要求，经常使用有色金属及其合金。有色金属的种类很多，如铝、铜、钛、镍、铅。

1.钛及钛合金

钛及钛合金具有良好的耐蚀性，在氧化性、中性及有氯离子介质中，其耐腐蚀性优于不锈钢。工业纯钛塑性好，但强度较低，具有良好的低温性能，其线胀系数和热导率都不大，这都不会给焊接带来困难。钛合金的比强度大，又具有良好的韧性和焊接性，在航天工业中应用最为广泛。钛及钛合金在我国现行标准中按其退火态的组织分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三类，分别用TA、TB 和TC表示。在石化行业的压力容器制作中，牌号为TA2的工业纯钛使用居多。

其主要标准有∶CB/T 3621—-2007《钛及钛合金板材》，GB/T 3624—2010《钛及钛合金无缝管》，GB/T3625—2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》，GB/T 8547—2006《钛-钢复合板》。

2.镍及镍基合金

镍及镍基合金特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200～1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢所无法取代的优良材料。纯镍一般在工业中应用较少，但在镍中添加铬、铜、铁、钼、铝、钛、铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但改善其力学性能，而且具有优良的耐腐蚀性，可适应于各种腐蚀介质的工作环境。

镍基耐蚀合金根据其合金元素的含量和所占比例进行分类和命名，如 Ni-Cu合金定名为蒙乃

尔（Monel）合金;Ni-Cr-Fe合金中镍含量占优势，便称因康镍（Inconel）合金;若铁含量较高则称因康洛依（Incoley）合金;对于钼含量较高的Ni-Cr-Mo合金则多数称哈斯特洛依（Haste-loy）合金，也称为海氏合金或哈氏合金。

其主要标准有∶GB/T2054—2005《镍及镍合金板》，GB/T 2072—2007《镍及镍合金带材》，JB4741—2000《压力容器用镍铜合金热轧板材》，JB 4742—2000《压力容器用镍铜合金无缝管》，JB 4743—2000《压力容器用镍铜合金锻件》。

3.铜及铜合金

常用的铜及铜合金有四种∶纯铜、黄铜、青铜和白铜。在承压设备中纯铜与黄铜使用较多。

纯铜是u（Cu）不低于99.5%的工业纯铜，具有良好的导电性、导热性，良好的强度、常温和低温塑性、压力加工性能和耐磨性，易于成形与焊接以及对海水等的耐腐蚀性等性能。纯铜中的杂质如氧、硫、铋等，都不同程度地降低了纯铜的优良性能，以及增加材料的冷脆性和接头中出现热裂纹的倾向。黄铜是铜和锌组成的二元合金，黄铜比纯铜强度、硬度和耐腐蚀能力都高，且保持一定塑性，能很好地承受热加工。

其主要标准有∶GB/T2040—2008《铜及铜合金板材》，CB/T13238—1991《铜钢复合钢板》，GB/T8890—2007《热交换器用铜合金无缝管》，GB/T 1527—2006《铜及铜合金拉制管》。

4.铝及铝合金

铝在空气和氧化性水溶液介质中，表面产生致密的氧化铝钝化膜，因而在氧化性介质中具有良好的耐蚀性。铝在低温下与铁素体钢不同，不存在脆性转变。

铝按性能和用途可分为纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝和特殊铝几类。纯铝按纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三个等级。在压力容器中使用的牌号主要是塑性和耐蚀性好的工业纯铝（牌号为∶1050A、1060、1200、1A85、1100 等）和铝-锰合金（牌号为5A02、5AO3、5083、3A21、5A12）和铝-镁合金，多以板材和管材的类型用于压力容器中。铝锰合金仅可变形强化，其强度比纯铝略高，成形工艺性及耐蚀性、焊接性好。铝镁合金仅可变形强化，其u（Mg）一般为0.5%~7.0%，与其他铝合金相比，铝镁合金具有中等强度，其延性、焊接性、耐蚀性良好。铝容器的设计温度可达-269℃。

铝相对于铝合金而言，强度较低，为了达到强化的目的，必须经过热处理。具体的工艺是淬火（固溶处理），然后进行时效处理以达到强化，固溶时效热处理是铝合金的主要强化手段。

铝锰合金和铝镁合金不能进行热处理强化，常用冷加工方法使其强化。铝锰合金塑性好，易于进行压力加工。铝镁合金在退火状态和冷变形后使用，冷变形后一般要进行退火。

其主要标准有∶GB/T3880.1～3880.3—2006《一般工业用铝及铝合金板、带材》，GB/T 6892—2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》，GB/T6893—2010《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》。

（四）《特种设备焊接操作人员考核细则》中的材料分类

TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》中焊接人员持证项目所体现的金属材料的分类见表24金属材料（钢）类别与示例和表2-5金属材料（有色金属）类别与示例。表2-4 金属材料（钢）类别与示例

（五）《承压设备焊接工艺评定》中的材料分类

NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》中材料的分类见表2-6。