船舶金属材料基础知识

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1、船舶金属材料基础知识 第 1 章：金属材料名称常用基础术语 1基础术语：黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。纯 铁：纯度很高的铁，化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量450 或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个 顶角 120的金刚石圆锥体或直径为 1.59、3.18mm 的钢球，在一定载荷下压入被测材料表 面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用 60kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合 金等） 。HRB：是采用 100kg 载荷和直径 1.58mm

2、淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材 料（如退火钢、铸铁等） 。HRC：是采用 150kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢 等） 。维氏硬度（HV）以 120kg 以内的载荷和顶角为 136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹 坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV） 12 力学性能与可成形性及使用性能的关系要使钢板获得所需的形状，必须使其永久变形，所采取的工艺可以是局部或整体弯曲、 深冲、张拉或这些成型方法的组合。 （1）薄钢板的屈服强度表示出成形后的可成形性和强度，对普通碳素钢板的成形，屈服点 值过高，常常有可能发生过大的回弹、成形时容易破断，

3、磨具磨损快以及由于塑性不良而 出现缺陷。然而材料的屈服点小于 140Mpa 时，又可能经受不住成形过程中施加的应力， 对用于较复杂或复杂成形加工或冲压加工的钢板，通常要求具有比较低的屈服强度值，而 且屈服比值愈小，由钢板的成形性能愈好。 （2）中厚板的冷态可成形性与材料的屈服强度和伸长率有直接关系。屈服强度值愈低，产 生永久变形所需的应力愈小；伸长率值愈高，高的延展性可以允许承受大的变形量而不致 断裂。 （3）对用于建筑结构、桥梁及机械结构件的钢板，为防止构件断裂，要求钢板材料具有特 点的抗拉强度，而为防止构件变形，又要求钢板材料具有一定的屈服强度，因此对这类用 途的钢材都要求规定抗拉强度、屈

4、服强度的最小值或范围值。 （4）对用于承受冲击负荷变形，例如船舶、桥梁、石油、天然气管线用钢板，为防止其使 用中发生脆性断裂，又要求其具有一定足够高的冲击韧性-冲击功值。第 4 章：常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 1生铁：生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的 影响。碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨） ，主要存在于铸造生铁中， 另一种是化合碳（碳化铁） ，主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可 提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差 的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加

5、生铁的铸造性能。硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提 高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸 造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所 以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应 少，有时为了要增加流动性，含磷量可达 1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点

6、 的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸 造生铁中硫的含量规定最多不得超过 0.06%（车轮生铁除外） 。 2钢： 21 元素在钢中的作用 211 常存杂质元素对钢材性能的影响钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O） 、氮（N）和氢 （H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入 的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标 准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。 1）硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存

7、 在于钢中，FeS 和 Fe 形成低熔点(985)化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS 化合物的过早熔化而导致工件开裂， 这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高 级优质钢：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；普通钢：S0.055%0.7% 以下。部分常用钢的牌号、性能和用途 12）磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但 引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆 “。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高

8、，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。 高级优质钢： P0.025%；优质钢： P0.04%；普通钢： P0.085%。 3）锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的 MnS，一 定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的 FeO 成为 MnO 进 入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢 中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在 0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。 技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是 0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢 中，其量可达 0.7%1.2%。 4）硅硅

9、也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的 FeO 能结成密度较小的硅酸 盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增 加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在 0.1%0.37%，沸腾钢中只含有 0.03%0.07%。由于钢中硅含量一般不超过 0.5%，对钢性能影响不大。 5）氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、 硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以 FeO、MnO、SiO2、Al2O3 等夹杂形式， 使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。第 4 章：常用金属材料中各种化学成

10、分对性能的影响 2 6）氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在 200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降， 发生时效。钢液中加入 Al、Ti 或 V 进行固氮处理，使氮固定在 AlN、TiN 或 VN 中，可消 除时效倾向。 7）氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵 断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了 白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时

11、，氢在钢中的溶解度急剧降低。 当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态 的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超 过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。 212 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛， 铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。1）硅提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低；硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；耐腐蚀性。硅的质量分数为 15一 20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢 在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层 SiO2 薄膜，

12、从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点：使钢的焊接性能恶化。 2）锰锰能提高钢的淬透性。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 缺点：含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感 t 在热处理工艺上必须注意。这种缺 点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过 1时，会使钢的焊接性能变坏，第 4 章：常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 33）铬在钢中的作用铬可提高钢的强度和硬度。铬可提高钢的高温机械性能。使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性阻止石墨化提高淬透性。 缺点：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进

13、钢的回火脆性。 4）镍在钢中的作用可提高钢的强度而不显著降低其韧性；镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；改善钢的加工性和可焊性；镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。 5）钼在钢中的作用钼对铁素体有固溶强化作用。提高钢热强性抗氢侵蚀的作用。提高钢的淬透性。 缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。 6）钨在钢中的作用提高强度提高钢的高温强度。提高钢的抗氢性能。是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。7）钒在钢中的作用热强性。钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。 8）钛在钢中的作用钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高

14、温持久强度；并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达 600以上， 在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所 用的热强钢中的重要合金元素之一。 9）铌在钢中的作用铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化 晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。有极好的抗氢性能。铌能提高钢的热强性第 4 章：常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 410）硼在钢中的作用 ；提高钢的淬透性。提高钢的高温强度。强化晶界的作用。 11）铝在钢中的作用用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特

15、 别是降低了钢的脆性转变温度；提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4AI 即可改变氧 化皮的结构，加入 6A1 可使钢在 980C 以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗 氧化性能有更大的提高。例如，含铁 50一 55、铬 30一 35、铝 10一 15的合金， 在 1 400C 高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合 金元素加入耐热钢中。此外，铝还能提高对硫化氢和 V2O5，的抗腐蚀性。 缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低。 22 合金元素对钢的主要工艺性能的影响：钢的主要工艺性能有：冷

16、态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等 221 合金元素对钢的冷态成型性的影响冷态成型性：冷态成型包括许多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷 态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量（模具形状、变形量、 变形速度、润滑条件等） 。与冷态成型性有关的材料性能参量有： 低的屈服强度 高的延伸率 高的均匀伸长率 高的加工硬化率（n 值） ， 高的深冲性参量（r 值） 适当而均匀的晶粒度；控制夹杂物的形状和分布； 游离渗碳体的数量和分布。第 4 章：常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 51）冷轧薄钢板：碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。锰：锰的影响和碳相似，但适当的含量可以减轻硫的不良作用。磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。 2）热轧钢板选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压