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)材料的性能而進行的。作為材料工程師，有必要對影響材料性能的有關基本知識有所了解，并能夠對材料的加工方法、熱處理、檢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構、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識等內(nèi)容，而與制造有關的金屬材料基本知識將在第九章中介紹。
一、金屬的微觀結構
金屬是石油化工生產(chǎn)裝置中最主要的應用材料，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；金屬具有良好的導電、導熱性；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）鈍金屬的微觀結構
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。屬于此類晶格結構的金屬有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。
屬于此類晶格結構的金
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 晶胞結構
（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。屬于此類晶格結構的金屬有鈹（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（通常稱這種結合為金屬健結合），從而使金屬具有了較高的強度。如果相鄰原子較遠，其自由電子的“粘結力”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”，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）或移位（位錯或滑移等）總是優(yōu)先在原子結合力較小的面間進行，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構的金屬強度最高，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或電化學腐蝕，同時金屬的導電率、導熱率下降。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合力有關，還與其晶粒的大小有關。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致裂紋的出現(xiàn)，甚至導致金屬的過早斷裂?；谶@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)在質量好壞的一個重要指標。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）鈍金屬的結晶過程
物質從液態(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晶。結晶的過程實際上是一個能量轉換過程。液體金屬溫度較高，也就是說其自由能較高，當金屬冷卻凝固時，實質上是一個降低其自由能的過程。當金屬溫度降低到其凝固點時，結晶便開始。由熱動力學理論可知，實際開始結晶的溫度應低于金屬的凝固點，以此獲得一個結晶降能的足夠動力，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，此時結晶過程進行的越快。
結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小顆粒叫做晶核。晶核形成之后，由于固體表面散熱快，故結晶將圍繞晶核進行，使晶核長大，直到各晶粒相互接觸并完成結晶。由此也可以說，結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，得到的結晶晶粒尺寸就越小。結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，以期得到晶粒較細的組織。
圖3-3給出了鑄件的結晶組織。從圖中可以看
出，外側靠近模型的部分，由于開始時模具溫度比
較低，結晶過冷度大，此時形核量大，故得到的是
細晶粒組織。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晶的部分，此時
的金屬散熱很慢，結晶過冷度較小，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，當結晶將要進行完畢時，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。當金屬中存在低熔點的雜質元素（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)先結晶并長大，當各晶粒凸出部分相互接觸后，會隔斷雜質（低熔點）成分的鋼液，而當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進行限制，詳細內(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、鑄造應力等缺陷。該部分也將在第九章中介紹。
（三）合金的微觀結構
通過熔煉、燒結或其它方法將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在一起并形成一種具有金屬特性的新物質稱為合金。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。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。
合金的晶體結構和結晶過程要比鈍金屬復雜的多。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。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成分、同一結構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，按其晶格結構的特征不同，可分為兩大類：其一為固溶體，其二為金屬化合物。
如果相的晶格結構與合金的某一組元的晶格結構相同，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構的組元叫做溶劑，而溶入溶劑中的組元稱為溶質。根據(jù)溶質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。當溶質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。而當溶質原子不是占據(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，當溶質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，溶質在溶劑中的溶解量是有限度的，即直到溶質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，而且新相的晶格結構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，又具有化學結合的性質，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健或化學健與其它健共同作用結合的，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，結晶時的冷卻速度不同，最終得到的結晶組織也不同。因此合金的結晶過程要比鈍金屬復雜的多。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)定而達到的一種能量平衡。
b、相圖：指一個以溫度為縱坐標，以組元成分為橫坐標，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系的圖形。相圖在金屬加工和工程應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，由此可以預測合金的性能。
c、共晶反應：指在結晶過程中，從一成分固定的合金溶液中同時結晶出兩種成分和結構皆不相同的固相的過程。共晶反應是一個恒溫轉變過程。
d、共析反應：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成分和結構皆不相同的新固相的過程。共析反應也是一個恒溫轉變過程。
e、次生相：指從固相中析出的相結構有別于母相的小晶體。它是由于液態(tài)和固態(tài)情況下溶劑對溶質的溶解度不一樣，而冷卻速度又快，致使共晶反應進行不徹底造成的。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變中得到的組織，此時原子擴散困難，故得到組織為細晶粒組織。
f、偏析：指由于合金中各組元的溶點不同，結晶的快慢也不同，從而形成晶內(nèi)化學成分不均勻的現(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行消除或改善。
下面就以鐵碳合金相圖為例介紹合金的結晶過程。
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構，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)下進行的；滲碳體（Fe3C）為金屬鍵及化學鍵結合的化合物，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變的終了溫度線，或者冷卻時奧氏體向鐵素轉變的開始溫度線，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變的終了溫度線，或冷卻時奧氏體向滲碳體轉變的開始溫度線，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變的溫度線，或冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度線，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晶出δ-Fe。冷卻至¬點溫度以下時，發(fā)生包晶反應（由已結晶的固溶體和其周圍尚未結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變。至¯點以下溫度時，剩余的奧氏體通過共析反應轉變成珠光體。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元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等造成，非金屬物夾雜則常常是由雜質元素硫（S）、氧（O）等形成的非金屬化合物造成。這些雜質在工程上常對其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不應超過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晶過程以及最終的結晶組織，但這些組織都是理想化的組織。也就是說合金的結晶是在共晶反應和共析反應徹底完成的理想冷卻條件下進行的。事實上，這種理想狀態(tài)是不存在的。如果結晶過程中過冷度較大，結晶過程進行的較快，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)轉變，而且在不同的溫位，轉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)生不同的組織轉變。
如果將冷卻溫度控制在A1~550℃，則發(fā)生高溫轉變，即珠光體型轉變。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變成鐵素體，鐵素體周圍又因富碳而形成滲碳體，如此反復即形成一層滲碳體、一層鐵素體相間的機械混合物，該機械混合物即為珠光體。但因轉變溫度的差異，得到的珠光體粗細也不同。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，索氏體組織要比正常珠光體組織細。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。
如果將轉變溫度控制在550℃~Ms（馬氏體轉變溫度），則發(fā)生中溫轉變，即貝氏體型轉變。貝氏體為在鐵素體中析出許多細小的滲碳體而形成的組織。此時由于轉變溫度較低，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。
如果將轉變溫度控制在Ms（約230℃）以下，則發(fā)生低溫轉變，即馬氏體轉變。此時由于轉變溫度很低，鐵原子和碳原子的擴散都非常困難，轉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）。它們的晶格結構呈高密度錯位，從而導致材料的組織不穩(wěn)定性，并產(chǎn)生較大的結晶應力，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變
自然冷卻情況下，轉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?shù)臒崽幚?，即通過控制轉變溫度，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，一般要再進行一次高溫回火處理，使馬氏體分解并在高溫下轉變?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變溫度是不同的，因此導致了不同材料其熱處理溫度也不同，有關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、晶體結構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，才能更好地去分析理解有關的金屬理論，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工程設計選材。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、彈性指標、塑性指標、韌性指標、疲勞強度、斷裂韌度和硬度等。
1、強度指標
材料的強度指標是決定其許用應力值的依據(jù)。設計中常用的有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、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力。它是反映材料抵抗大量均勻塑性變形的強度指標。
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力。它是反映材料抵抗微量塑性變形的強度指標。對某些材料，在加載試驗時，其應力應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。
2、彈性指標
彈性指標是穩(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力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，相當于普通彈簧中的剛度。
3、塑性指標和韌性指標
塑性指標和韌性指標是材料受沖擊載荷作用時的主要設計依據(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。其中，塑性指標包括的參數(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數(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數(shù)。延伸率和截面收縮率均是反映材料塑性的指標。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，或者說是反映材料韌性的一個性能指標。
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，而應用較多的則是沖擊功Ak。
材料的塑性指標和韌性指標與其強度指標和彈性指標不同，它們不直接參與力學計算，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力的作用下，發(fā)生破壞時的最大應力，通常用疲勞持久極限來衡量，即材料在交變應力的作用下，經(jīng)過無數(shù)次（一般規(guī)定大于106次~107次）的應力循環(huán)也不會導致疲勞破壞時的最大應力。它是反映材料抗交變應力破壞的強度指標。
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力強度因子達到的臨界值。如果應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，該指標常被用在斷裂力學設計中，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成分有關外，還與它的熱處理狀態(tài)、金相組織、加工或焊接殘余應力等有關，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系：
低碳鋼：σb=0.36 HB
高碳鋼：σb=0.34 HB
調(diào)質合金鋼：σb=0.325 HB
（二）耐腐蝕性能（化學性能）
金屬材料在特定的介質環(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。
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，因此材料對介質的抗腐蝕性就成了選擇材料的重要依據(jù)。例如，材料的選擇應避免應力腐蝕的發(fā)生，因為它會帶來壓力管道在不可預知的情況下突然斷裂，從而導致重大事故的發(fā)生；選用的材料應有足夠的抗介質均勻腐蝕的能力，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。為了便于設計人員查找有關資料，特將有關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行冷機械切削加工難易程度的一個指標。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)別的顯著標志。設計選材既要可靠，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適當，要結合使用條件來規(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，或者應用條件比較緩和時，就不必再提出許多超出制造標準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要求，做到既經(jīng)濟又可靠的設計是非常有必要的。
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，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。有關腐蝕與溫度的關系將在本章第三節(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“粘結力”減小，晶格錯位容易進行，從而使金屬材料的強度下降，而塑性和韌性升高。高溫下材料許用應力降低的原因就源于此。
1、材料的蠕變及應力松馳
當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：材料的總應變量不變，但由于發(fā)生蠕變，使其中部分彈性變形轉化成了塑性變形，從而導致彈性應力降低，即意味著金屬材料被“放松”了。材料的這種現(xiàn)象稱做應力松馳。應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力松馳而導致法蘭泄漏，所以此時應選用抗蠕變能力高的鉻鉬鋼材料作為高溫螺栓材料。對于加工殘余應力和焊接殘余應力，由于應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變成球狀。這種現(xiàn)象稱為材料的球化。球化的結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標準規(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（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，容易脫落，故有時也稱其金屬的氧化為脫皮。以碳鋼為例，當它處于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，許多工程設計標準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變溫度（NDT）的曲線（即以應力和缺陷為縱坐標，以溫度為橫坐標的曲線），在曲線的名義應力作用下，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，若缺陷越大，NDT越小。但NDT有個極限，即應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
應該說，在影響材料性能的諸多因素中，化學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。工程上黑色金屬材料應用的最多，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量，除沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼外，硅在鋼中的含量不應少于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℃，當在1000℃~1200℃溫度下對
材料進行壓力加工時，由于它已經(jīng)溶化而導致晶粒開裂，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，它進入滲碳體中將取代一部分鐵原子。錳還可起到細化珠光體的作用，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，應在許可的范圍內(nèi)，適當降低鋼的碳含量。焊接時也需采用優(yōu)質低氫焊條和相應的焊接工藝。
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變溫度的元素，隨著鉻含量的增加，鋼的脆性轉變溫度也逐步提高，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，當其含量較低時，與鐵及碳形成復雜的滲碳體；當含量較高時，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，促進彌散的特殊碳化物的析出，從而進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、導管及相應的鍛件等。
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，只有當硅含量達到一定值時，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，是由于當開始腐蝕時，在其表面形成致密的SiO2薄層，阻礙著酸的進一步向內(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，得到了廣泛的應用。
鋁在鐵素體及珠光體鋼中，當它的含量較高時，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。
當鋁含量達到一定量時，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用。
8、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等雜質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、銻等雜質元素容易在高溫下遷移聚集，從而導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、磷等雜質元素含量較低。
注：合金鋼在進行高溫回火熱處理或長期在高溫下工作時，其中的雜質元素磷、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，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，含鎳達到3.5%的鎳鋼可以在-100℃低溫下使用，含鎳達到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、應力腐蝕和堿脆有很好的抗力。
當鈦以碳化鈦微粒存在時，由于它能細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。當鋼中的鈦含量達到碳含量的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？什么叫共析反應？
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？
