金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。作为材料工程师，有必要对影响材料性能的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。有关金属材料的基本知识将分两部分来介绍。本节作为第一部分将介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对金属材料性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容，而与制造有关的金属材料基本知识将在第九章中介绍。
一、金属的微观结构
金属是石油化工生产装置中最主要的应用材料，有人比喻说：“石油化工生产装置是用钢铁垒起来的”。此话一点都不过分。那么什么是金属呢？它与非金属相比，具有以下四个明显的特征：金属的固体是晶体；金属具有良好的导电、导热性；金属具有特有的颜色和光泽；金属具有塑性。同时具有上述四种特征的材料才是金属，只具有上述一种或两种特性的材料不一定是金属。
（一）钝金属的微观结构
钝金属在工程上用的很少，大多数用的是其合金材料。为了便于理解，还是首先从钝金属说起。上面已经提到，固体的金属都是晶体，而晶体的最大特点就是其原子按一定的规律整齐排列着。不妨用假想的几何联线将原子的中心线连起来，形成一个空间几何格子，并称之为晶格，见图3-1所示。构成晶格的最小单元叫做晶胞，晶胞
各边的尺寸（x，y，z）叫做晶格常
数。根据晶格常数及原子的配置位置
不同，可将晶胞分成以下常见的三种
型式：即体心立方晶胞、面心立方晶
胞和密排六方晶胞，见图3-2所示。
其中，体心立方晶胞为x=y=z的正方
体，每个节点和体心内各置一个原子。
配属于该晶胞的原子数为（1/8）x8+1=2
个。属于此类晶格结构的金属有α-铁 图3－1 金属的晶格
（α-Fe）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、
钒（V）等；面心立方晶
胞也为x=y=z的正方体，
但它除每个节点各有一
个原子外，其六个面上
还各置一个原子。配属
于该晶胞的原子数为
(1/8)x8+(1/2)×6=4个。
属于此类晶格结构的金
属有铝（Al）、铜（Cu）、 （a）体心立方晶胞 （b）面心立方晶胞 （c）密排六方晶胞
镍（Ni）、铅（Pb）、r-铁 图3－2 晶胞结构
（r-Fe）、银（Ag）等；密
排六方晶胞的y/x≈1.633，其配属该晶胞的原子数为（1/4）x12+（1/2）x2+3=6个。属于此类晶格结构的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。不同晶格型式的金属，其机械性能是不同的。我们知道，金属的强度表现为金属原子间的金属健结合。也就是说，金属原子（实为离子）周围的自由电子穿梭于各原子之间，它不再为某个原子所拥有，而是为相邻的所有原子共有，各原子正是靠这些自由电子将它们紧紧地“粘”在一起（通常称这种结合为金属健结合），从而使金属具有了较高的强度。如果相邻原子较远，其自由电子的“粘结力”将降低。从上面讲到的三种晶胞型式看，由于其各个几何面上的原子数及原子间的距离不同，故各几何面上的原子结合力是不同的，这就是通常所说的晶体具有“各向异性”的原因。
金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位（业内人士称其为位错）或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生“粘结”，此时就说金属发生了塑性变形。如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。对单晶体来说，晶格的变形（拉伸或扭转）或移位（位错或滑移等）总是优先在原子结合力较小的面间进行，或者是沿原子密度最大的几何面（称为晶面）发生。对于每种晶胞来说，这种面越多，晶体变形越容易，表现出来的金属塑性越好。因为密排六方晶胞的变形面较多，面心立方晶胞次之，体心立方晶胞最少，故具有体心立方晶胞结构的金属强度最高，面心晶胞次之，密排六方晶胞则最低。
众所周知，工程上应用的金属材料并没有呈现各向异性的性能。这是因为实际的金属材料通常并不是一个单一的晶体，而是由无数个晶格取向各不相同的小晶体所组成。每个小晶体的外形多呈不规则的颗粒状，并称其为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然，晶界上的原子为了适应两晶粒间的不同晶格方位的过渡，其排列是不规则的，晶格也不再保持原形而发生畸变。根据金属变形的理论可知，此时晶界上的原子难以移位，晶格也难以变形，故使得金属的性能因晶界的存在而发生改变，具体表现为金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。又由于晶界的原子排列不规则，自由电子的运动受到阻碍，使得晶界金属容易失去电子而遭受化学或电化学腐蚀，同时金属的导电率、导热率下降。由于各晶粒的晶格取向不同，每个晶粒发生晶格变形都将受到它周围晶粒的约束和阻碍，因此实际金属中的晶粒也变得难以变形和移动。晶粒和晶界共同作用的结果使得实际金属的强度一般高于单晶体。试验证明，金属的强度不仅与原子间的结合力有关，还与其晶粒的大小有关。理论上可以这样解释：因为金属的晶粒尺寸越小，单位体积内的晶粒数就越多，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数越多，从而表现出金属的变形抗力就越大，金属的强度越高。另一方面，晶粒尺寸越小，金属的塑性和韧性也越好。这是因为此时单位体积内的晶粒数目增加后，同样的晶格变形可以分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，不致于造成局部某个晶粒过大变形而导致裂纹的出现，甚至导致金属的过早断裂。基于这样的理论，工程上常将金属中晶粒的大小作为评定金属产品内在质量好坏的一个重要指标。这部分内容将在第九章中介绍。
从上面的论述中可以得到这样一个结论：金属的晶粒尺寸越小越好。金属晶粒尺寸的大小与它液态凝固时的条件、压力加工变形方法、热处理方法等因素有很大关系。采用合理的凝固条件、压力加工变形方法和热处理方法，可以获得良好的晶粒尺寸。本节主要讲凝固条件对金属晶粒度的影响，而热处理及压力加工变形方法对晶粒度的影响将放在第九章中讲述。
（二）钝金属的结晶过程
物质从液态变为固态的过程叫做凝固。金属凝固时因为伴随着晶体的形成，故称这种凝固过程为结晶。结晶的过程实际上是一个能量转换过程。液体金属温度较高，也就是说其自由能较高，当金属冷却凝固时，实质上是一个降低其自由能的过程。当金属温度降低到其凝固点时，结晶便开始。由热动力学理论可知，实际开始结晶的温度应低于金属的凝固点，以此获得一个结晶降能的足够动力，通常把这个温度差叫做过冷度。过冷度越大，降能过程获得的动力越大，此时结晶过程进行的越快。
结晶总是首先从高熔点物或局部过冷度较大的地方开始。较高熔点物因其凝固点较高而首先凝固，而获得较大过冷度的局部金属也将首先凝固，通常把首先凝固的细小颗粒叫做晶核。晶核形成之后，由于固体表面散热快，故结晶将围绕晶核进行，使晶核长大，直到各晶粒相互接触并完成结晶。由此也可以说，结晶的过程就是晶核形成和成长的过程。金属中高熔点成分越多，形成的晶核就越多，得到的结晶晶粒尺寸就越小。结晶过程的过冷度越大，同时生成的晶核数量也越多，而且因晶粒成长的时间较短，故得到的结晶晶粒尺寸就越小。因此，工程上往往在一些材料中有意加入一些高熔点元素，或者有意加快冷却速度，以期得到晶粒较细的组织。
图3-3给出了铸件的结晶组织。从图中可以看
出，外侧靠近模型的部分，由于开始时模具温度比
较低，结晶过冷度大，此时形核量大，故得到的是
细晶粒组织。随着模具温度升高，形核量减少，此
时主要是晶核长大过程。而由于垂直模壁方向的散
热条件好，故晶核优先在垂直于模壁方向长大，从
而形成柱状晶粒组织。柱状晶粒有时会因晶体的棱
角处散热快而沿棱角发展，最终得到的晶粒呈树枝
状，故称之为枝晶组织。由于枝晶组织塑性较差， 图3－3 铸造组织
压力加工时易断裂，故它是不希望得到的组织。工
程上，对一些重要的管道元件要限制这种组织的大小和数量。铸件中心是最后凝固结晶的部分，此时
的金属散热很慢，结晶过冷度较小，晶核的形成和成长均比较慢，而且无方向性，故得到的是粗大晶粒组织。粗大晶粒组织使得金属的强度、韧性、塑性均比较低。
值得一提的是，当结晶将要进行完毕时，最后凝固的液体会因为得不到钢液的补充而出现缩孔，缩孔往往出现在铸件的上部。当金属中存在低熔点的杂质元素（对合金则是低熔点成分）时，会在金属内部形成许多分散的微小孔隙，通常称之为疏松。疏松产生的原因是这样的：基体成分优先结晶并长大，当各晶粒凸出部分相互接触后，会隔断杂质（低熔点）成分的钢液，而当这部分钢液最后冷却时因得不到补充而形成疏松。如果这些杂质成分被集中在某个区域（一般是在较后冷却的部分），形成一个成分和性能有别于基体金属的局部组织，通常称这种现象叫做偏析。如果此时的杂质成分是非金属，则形成非金属物夹杂。疏松、偏析和非金属物夹杂均对金属的强度不利，工程上对这些缺陷的存在或量的多少均应进行限制，详细内容将在第九章中介绍。疏松、偏析和非金属物夹杂既可出现在铸件的上部最后冷却部分，也可能出现在钢材内部。铸件中除可能出现上述的缺陷外，还可能出现裂纹、气孔、夹砂、铸造应力等缺陷。该部分也将在第九章中介绍。
（三）合金的微观结构
通过熔炼、烧结或其它方法将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起并形成一种具有金属特性的新物质称为合金。这里讲的合金与通常所说的合金钢不一样，合金是指广义上的两种或两以上的元素形成的具有金属特性的物质。而合金钢是指在碳钢中加入一些合金元素（除铁以外的其它金属元素）以形成具有特殊性能的金属物质。
合金的晶体结构和结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，先给出几个基本概念：
a、组元：指组成合金的最基本的、独立的物质。组元不单是指元素，也可以是化合物。
b、相：指钝金属或合金中具有同一化学成分、同一结构并以界面互相分开的、均匀的组成部分。这里的界面并非指晶界，即一个晶粒内也可以有多个相，而多个晶粒也可以属同一个相。
c、系：指相同或大致相同的组元以不同的结合比例而组成的一系列合金的集合。例如，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2等就是同一系合金，常称做300系列不锈钢。由此可以说，自然的钝金属是有数的，而合金则是无数的。
d、组织：指组成合金的各相在空间上的配置情况。它与合金的相既有联系，又有区别。所谓的联系是指组织是由相组成的。所谓的区别是指即使相同的合金相，如果其配置不同，得到的组织也是不相同的。合金的组织不同，其性能也不一样。换句话说，合金的性能受其组织的影响。
固态合金中的相，按其晶格结构的特征不同，可分为两大类：其一为固溶体，其二为金属化合物。
如果相的晶格结构与合金的某一组元的晶格结构相同，其它组元则包含其中，这样的相称之为固溶体。固溶体中保留原晶格结构的组元叫做溶剂，而溶入溶剂中的组元称为溶质。根据溶质在溶剂晶格中所占据的位置不同可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的位置时，形成的固溶体叫做置换固溶体。而当溶质原子不是占据溶剂的晶格位置，而是嵌入溶剂原子之间的空隙中，此时所得到的固溶体叫做间隙固溶体。一般情况下，当溶质的原子直径比溶剂小很多时，得到的固溶体往往是间隙固溶体。不难理解，在间隙固溶体中，溶质在溶剂中的溶解量是有限度的，即直到溶质原子填满溶剂的空隙为止。其溶解的量常用溶解度来表示，溶解度等于溶质的重量与固溶体总重的百分比。间隙固溶体往往使得金属的强度升高，而塑性和韧性下降，这是因为溶质原子嵌入溶剂晶格之间的空隙中，起“钉扎”作用，使溶剂晶格难以变形所致。通常所说的金属氢脆现象正是基于这样的一个机理。
如果各组元以一定的原子数量比结合在一起形成一种具有金属特性的新相，而且新相的晶格结构与其组元中任一组元的晶格都不同，那么该新相就叫做金属化合物。根据形成的条件不同可将金属化合物分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。其中，正常价化合物符合化学理论中的原子价规律，各组元的成分比例是固定的；电子化合物则不符合原子价规律，其各组元的比例是由电子浓度支配的；间隙化合物既具有间隙溶解的性质，又具有化学结合的性质，如钢材的渗铝、渗氮、渗硼等。一般情况下，金属化合物中的各组元是靠化学健或化学健与其它健共同作用结合的，故它具有高强度、高硬度、高熔点、高脆性的特点。
（四）合金的结晶过程
由于合金是由多组元组成的，各组元的熔点不同，配置比例不同，结晶时的冷却速度不同，最终得到的结晶组织也不同。因此合金的结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，也首先介绍几个基本概念：
a、相平衡：指合金中参于结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相的浓度处于相对稳定而达到的一种能量平衡。
b、相图：指一个以温度为纵坐标，以组元成分为横坐标，表明合金系中各个合金在不同温度下的组成、以及相与相之间平衡关系的图形。相图在金属加工和工程应用中是一个很重要的工具，从相图中可以查到合金的熔点和凝固点；根据相图可以确定合金热加工时的加热温度和热处理温度；相图表明了合金的成分及基本组织，由此可以预测合金的性能。
c、共晶反应：指在结晶过程中，从一成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的过程。共晶反应是一个恒温转变过程。
d、共析反应：指在冷却过程中，从一均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和结构皆不相同的新固相的过程。共析反应也是一个恒温转变过程。
e、次生相：指从固相中析出的相结构有别于母相的小晶体。它是由于液态和固态情况下溶剂对溶质的溶解度不一样，而冷却速度又快，致使共晶反应进行不彻底造成的。一个组织中，如果次生相较多，会造成材料的弥散硬化现象。因为次生相和共析组织都是在温度较低的固相转变中得到的组织，此时原子扩散困难，故得到组织为细晶粒组织。
f、偏析：指由于合金中各组元的溶点不同，结晶的快慢也不同，从而形成晶内化学成分不均匀的现象。如果偏析发生在技晶上，则为枝晶偏析。前面已经讲过，钝金属的偏析一般是由杂质引起的，而合金则可能因各组元的熔点不同而造成，故相对于钝金属，合金更容易出现偏析现象。合金中的偏析会影响其机械性能和耐蚀性，故一般要通过热处理进行消除或改善。
下面就以铁碳合金相图为例介绍合金的结晶过程。
图3-4给出了铁碳合金的相图。
图3－4 铁碳合金相图
该相图中有两个组元，即铁（Fe）和渗碳体（Fe3C）。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，而塑性和韧性较好；Fe3C为具有复杂晶格的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。该相图中有四个基本相，即液相（L）、铁素体（α）、奥氏体（r）和渗碳体（Fe3C），此外还有一个次生相即珠光体（P）。其中，铁素体为碳在α-Fe中的间隙固溶体，它具有体心立方晶格，溶碳量较少，室温溶碳量为0.008%，属常温组织；奥氏体（r）为碳在r-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属高温组织。奥氏体具有良好的塑性，故金属热变形加工多是在这种相状态下进行的；渗碳体（Fe3C）为金属键及化学键结合的化合物，性能如上介绍，属于常温组织；珠光体（P）为铁素体和渗碳体的两相机械混合物，它既具有良好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织。含碳量大于2.06%的合金组织以及高温下的δ-Fe组织在工程上已无太大的意义，故省略介绍。
相图中，A点为钝铁的熔点（1534℃），C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（1147℃），D点为渗碳体的熔点（1600℃），S点为铁素体和渗碳体的共析点（723℃）。GS线为亚共析钢（含碳量小于0.8%的铁碳合金）加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线，或者冷却时奥氏体向铁素转变的开始温度线，通常称之为A3线。因为相变对过冷度和过热度的需要，通常将加热时的A3线叫做Ac3线，将冷却时的A3线叫做Ar3线；ES线为过共析钢（含碳量大于0.8%但小于2.06%的铁碳合金）加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线，或冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线，通常称之为Acm线。同理，考虑过热度和过冷度的问题，将加热时的Acm线叫做Accm线，将冷却时的Acm线叫做Arcm线；PSK线为加热时珠光体向奥氏体转变的温度线，或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线，通常称之为A1线。同理，加热时的A1线叫做Ac1线，冷却时的A1线叫做Ar1线。
从相图中可以看出，亚共析钢的常温组织为（α+P）。当其含碳量较小时，它的组织成分主要是铁素体和一些少量的珠光体，此时材料的塑性和韧性较好，强度和硬度较低。随着含碳量的增加，铁素体量减少，而珠光体量增加，此时材料的塑性和韧性降低，强度和硬度升高；当含碳量增加到0.8%时，得到的合金叫做共析钢。此时合金的常温组织全部为珠光体组织，材料的性能表现为强度、硬度、塑性和韧性均较好；继续增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%时，得到的合金叫做过共析钢。过共析钢的常温组织中开始出现渗碳体，而且渗碳体随着含碳量的增加而增加，珠光体则随着含碳量的增加而减少。此时材料的性能表现为强度和硬度继续升高，而塑性和韧性则大幅度下降；当含碳量增加到2.06%时，合金的常温组织则是以渗碳体为网络骨架的组织，此时材料的强度、塑性和韧性均较差；含碳量超过2.06%时，此时的合金已成为铸铁。
现在就以工程上常用的20钢（平均含碳量为0.2%）为例，根据铁碳合金相图来看一下其结晶的过程。
20钢在¬点以上时为液体（L）。冷却至稍低于¬点的温度时开始从液相中结晶出δ-Fe。冷却至¬点温度以下时，发生包晶反应（由已结晶的固溶体和其周围尚未结晶的液体相互作用而生成一种新的固溶体的过程）生成奥氏体。继续冷却至®点以下时，发生奥氏体向铁素体的转变。至¯点以下温度时，剩余的奥氏体通过共析反应转变成珠光体。故20钢常温得到的组织为铁素体+珠光体（α+P）。
20钢作为铸件时，也有出现柱状组织、枝晶组织、气孔、缩松、偏析和非金属物夹杂等铸造缺陷的倾向。这一结论对其它合金也同样适用，它是一般铸件普遍具有的缺陷。通过改善铸造条件可消除或减少这些缺陷对钢材性能的影响，详见第九章中的介绍。20钢的偏析常常是由钢中的杂质元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等造成，非金属物夹杂则常常是由杂质元素硫（S）、氧（O）等形成的非金属化合物造成。这些杂质在工程上常对其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不应超过0.035%。20钢在铸造时除易出现上述缺陷外，还常出现其特有的粗大魏氏组织，即此时铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。魏氏组织使20钢的塑性和韧性都大大下降。
（五）过冷度对合金组织的影响
前面讲述了纯金属及铁碳合金的结晶过程以及最终的结晶组织，但这些组织都是理想化的组织。也就是说合金的结晶是在共晶反应和共析反应彻底完成的理想冷却条件下进行的。事实上，这种理想状态是不存在的。如果结晶过程中过冷度较大，结晶过程进行的较快，那么在温度降到Ar1以下时，仍留有部分奥氏体没有来得及转变成铁素体、珠光体或渗碳体，此部分奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在低于Ar1以下时仍将继续转变，而且在不同的温位，转变后得到的组织是不同的。这些组织将对合金的性能产生影响，有时甚至产生较大的影响，故对这个问题有必要作进一步的介绍。在第九章中讲到的热处理，也将用到这些理论。
1、过冷奥氏体的等温转变
假如完全控制着冷却温度，那么在Ar1以下，过冷奥氏体在不同的温度下将发生不同的组织转变。
如果将冷却温度控制在A1~550℃，则发生高温转变，即珠光体型转变。由于渗碳体熔点较高，它首先形核，随着核心的成长，周围的奥氏体因贪碳而转变成铁素体，铁素体周围又因富碳而形成渗碳体，如此反复即形成一层渗碳体、一层铁素体相间的机械混合物，该机械混合物即为珠光体。但因转变温度的差异，得到的珠光体粗细也不同。温度较高时，因铁和碳的扩散能力强，形成的珠光体较粗大。通常把在A1~650℃温度范围内得到的珠光体组织叫做正常珠光体，在650℃~600℃温度范围内得到的珠光体组织叫做索氏体，在600℃~550℃温度范围内得到的珠光体叫做屈氏体。显然，屈氏体组织要比索氏体组织细，索氏体组织要比正常珠光体组织细。而其表现出的机械性能也是屈氏体优于索氏体，索氏体优于正常珠光体。
如果将转变温度控制在550℃~Ms（马氏体转变温度），则发生中温转变，即贝氏体型转变。贝氏体为在铁素体中析出许多细小的渗碳体而形成的组织。此时由于转变温度较低，铁原子扩散困难，仅有碳子扩散而造成。在不同的温度下，得到的贝氏体形态是不一样的。在550℃~350℃温度范围内转变时，得到的组织为上贝氏体组织，此时的贝氏体形状呈羽毛状。这种组织较粗大，致使材料的强度和硬度都不高，而塑性和韧性也不好，故工程上不希望得到这种组织；若在350℃~Ms温度范围内转变时，得到的组织为下贝氏体组织。下贝氏体的形态呈针叶状。此时由于碳化物的弥散硬化作用使得材料的性能比较好，即强度和韧性都比较好。
如果将转变温度控制在Ms（约230℃）以下，则发生低温转变，即马氏体转变。此时由于转变温度很低，铁原子和碳原子的扩散都非常困难，转变后碳以过饱和的方式溶于α-Fe中，通常把碳在α-Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。马氏体的形态受合金含碳量的影响也呈多种行状存在，常见形状有两种，其一为板条状马氏体（C≤0.2%时），其二是片状马氏体（C≥1.0%时）。它们的晶格结构呈高密度错位，从而导致材料的组织不稳定性，并产生较大的结晶应力，最重要的是组织中的过饱和碳原子和高密度的晶格缺陷交互作用，导致了材料的强度和硬度增加，而塑性和韧性急剧下降。
2、自然冷却情况下的过冷奥氏体转变
自然冷却情况下，转变温度将跨过上述的各个温度区间，而又不在哪个特定区间停留足够的时间，故过冷奥氏体在任何特定温度区间的转变都是不彻底的。因此，自然冷却情况下得到的组织即不完全属于珠光体组织，又不完全属于贝氏体组织，也不完全属于马氏体组织，而是三者皆有，只不过对不同的材料，三者的比例和对材料性能的影响不同而已。
从前面的分析中可知，过冷奥氏体在不同温度下的转变所得到的组织，有的对材料性能是有利的，有的是不利的。对某些材料，自然冷却情况下得到的组织可能是不利的，此时可通过适当的热处理，即通过控制转变温度，从而可以获得有利的组织而避开不利的组织。
3、过冷度的影响
过冷度越大，奥氏体在高温下（Ac1以上）转变的时间越短，那么产生的过冷奥氏体量越多，使得低温（Ar1以下）转变得到组织越多，尤其是得到的马氏体组织越多。因此常说的淬火（急冷）易到淬硬马氏体组织的原因正在于此。对于淬火组织，一般要再进行一次高温回火处理，使马氏体分解并在高温下转变为珠光体。需要说明的是，不同的材料，其珠光体、贝氏体和马氏体的转变温度是不同的，因此导致了不同材料其热处理温度也不同，有关热处理的知识将在第九章中介绍。
二、金属材料的基本性能
在前面的介绍中，曾多次提到金属的成分、组织、晶体结构等对材料的性能有影响，那么，材料的性能究竞都包括那些内容呢？看起来有必要先介绍一下材料的基本性能和反映这些性能的参数指标，才能更好地去分析理解有关的金属理论，并有意识地采取措施以获得所希望的性能，或者根据材料的基本性能去指导工程设计选材。金属材料的基本性能一般包括以下五个方面：机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。
（一）机械性能
材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。
1、强度指标
材料的强度指标是决定其许用应力值的依据。设计中常用的有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切的强度极限sb和屈服极限ss，高温时还要考虑蠕变极限sn和高温持久极限sD。
强度极限sb是指材料在外力的作用下，由开始加载到断裂时为止所能承受的最大应力。它是反映材料抵抗大量均匀塑性变形的强度指标。
屈服强度ss是指材料在外力的作用下，由开始加载到刚出现塑性变形时所承受的应力。它是反映材料抵抗微量塑性变形的强度指标。对某些材料，在加载试验时，其应力应变图中没有明显的屈服平台，此时就以产生0.2%塑性变形时的应力作为该种材料的屈服极限，并用s0.2表示。
蠕变极限sn是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生的塑性变形量为1%时的应力。高温持久极限sD是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生断裂时的应力。蠕变极限sn和高温持久极限sD均是高温下材料抵抗破坏的强度指标。
2、弹性指标
弹性指标是稳定性计算的主要依据，它包括的参数主要有弹性量E等。
弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。
3、塑性指标和韧性指标
塑性指标和韧性指标是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据，也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。其中，塑性指标包括的参数主要有材料的延伸率δ、断面收缩率ψ。韧性指标包括的参数主要有材料的冲击韧性αk和冲击功Ak等。
延伸率δ是指试样发生拉伸破坏时，产生的塑性变形量与原试样长度比值的百分数。根据所选试样长度是试样直径的5倍还是10倍，延延率δ分别有δ5和δ10两个数据。断面收缩率ψ是指试样发生拉伸破坏时，其缩颈处的横截面积缩小量与试样原横截面积比值的百分数。延伸率和截面收缩率均是反映材料塑性的指标。一般情况下，δ5<5%的材料为脆性材料。
冲击功Ak是指试样在进行缺口冲击试验时，摆锤冲击消耗在试样上的能量。而消耗在试样单位截面上的冲击功就是冲击韧性αk。它们是反映材料抗冲击载荷破坏的性能指标，或者说是反映材料韧性的一个性能指标。
由于冲击功仅为试样缺口附近参加变形的体积所吸收，而此体积通常又无法测量，且在同一断面上每一部分的变形也不一致，因此用单位截面积上的冲击功（即冲击韧性）αk来判断材料韧性的方法在国内外已逐渐被淘汰，而应用较多的则是冲击功Ak。
材料的塑性指标和韧性指标与其强度指标和弹性指标不同，它们不直接参与力学计算，而仅仅定性地反映材料的性能。
4、疲劳强度
疲劳强度是指材料在交变应力的作用下，发生破坏时的最大应力，通常用疲劳持久极限来衡量，即材料在交变应力的作用下，经过无数次（一般规定大于106次~107次）的应力循环也不会导致疲劳破坏时的最大应力。它是反映材料抗交变应力破坏的强度指标。
5、断裂韧度
断裂韧度是指材料在受力状态下，内部的裂纹刚刚扩展时其裂纹应力强度因子达到的临界值。如果应力强度因子超过这一临界值（即断裂韧度），裂纹将会扩展而导致材料断裂。断裂韧度是判断材料内部裂纹危险性的一个指标，该指标常被用在断裂力学设计中，或者用于在役压力管道的可靠性和剩余寿命的评估上。
6、硬度
硬度是指材料抵抗外物压入的能力，或者说是材料抵抗局部塑性变形的能力。材料硬度高时，其耐磨性也好。材料的硬度除了与其化学成分有关外，还与它的热处理状态、金相组织、加工或焊接残余应力等有关，故工程上常用检查硬度的办法检验材料热处理的效果，也用它来检验焊接残余应力的存在程度。一般情况下，材料的布氏硬度与其强度之间有着下列近似关系：
低碳钢：σb=0.36 HB
高碳钢：σb=0.34 HB
调质合金钢：σb=0.325 HB
（二）耐腐蚀性能（化学性能）
金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。
石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。例如，材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生；选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。等等。这些方面的内容将在本章第二节中详细论述。
（三）物理性能
材料的物理性能主要是指其密度g(kg/m3)、导热系数l(kcal/m.℃.h）、比热(kcal/kg.℃）、熔点Tm（℃）、线膨胀系数α（1/℃）、弹性模量E和比重q等。不同的使用条件，对其物理性能有不同的要求。为了便于设计人员查找有关资料，特将有关常用金属材料的物理参数列于附录F3-1。
（四）制造工艺性能
材料的制造工艺性能主要是指其切削加工性、可铸性、可锻性、可焊性和热处理性能等。它也是影响材料选择的一个重要因素，例如，渗铝材料是一种抗硫腐蚀比较好而又相对廉价的材料，但因其焊接问题尚未解决好，使用范围便受到了限制，以至到目前尚不能用在压力管道上。
1、切削加工性能
它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易程度的一个指标。一般情况下，常用金属材料的切削加工性能由好到差的顺序是这样的：铝合金及镁合金>铜合金>一般铸铁>碳素钢>合金钢>奥氏体不锈钢。
2、可铸性
它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。常用的金属材料中，铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。
3、可锻性
它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。
4、可焊性
它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。
5、热处理性能
金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。
（五）材料的经济性
材料的选择是不能脱离经济性这个杠杆作用的，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。例如，对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。
对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，充分发挥其优点，避开其缺点，使之物尽其用。通过了解这些基本性能，对正确选用材料，提出适宜的制造技术要求，做到既经济又可靠的设计是非常有必要的。
三、温度对金属材料性能的影响
金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。然而，温度对材料性能的影响是多方面的。以腐蚀为例，许多腐蚀的发生都与温度条件有关，而且，不同的温度条件，腐蚀发生的机理、形态、速度等都不一样。有关腐蚀与温度的关系将在本章第三节中介绍，在这里仅介绍在高温和低温条件下，材料性能发生的一些变化。
（一）金属材料在高温下的性能变化
在高温作用下，金属原子间的自由电子获得了外界的能量，其活动范围扩大，使原子间的“粘结力”减小，晶格错位容易进行，从而使金属材料的强度下降，而塑性和韧性升高。高温下材料许用应力降低的原因就源于此。
1、材料的蠕变及应力松驰
当材料的使用温度超过其熔点的（0.25~0.35）倍时，金属的性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象：虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。通常把这种现象称做材料的蠕变。一般情况下，对碳素钢来说，考虑蠕变发生的起始温度为400℃，对铬钼合金钢则为450℃。
与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时，可能会出现这样一种现象：材料的总应变量不变，但由于发生蠕变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被“放松”了。材料的这种现象称做应力松驰。应力松驰实际上是蠕变发生的另一种表现形式。高温下工作的螺栓常因应力松驰而导致法兰泄漏，所以此时应选用抗蠕变能力高的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力，由于应力松驰而使其减弱或释放，从而可减缓或消除它们带来的不利影响。
2、材料的球化和石墨化
在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。球化的结果使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。一般情况下，碳钢长期处于450℃以上温度环境时，就有明显的球化现象。
对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象：其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨（石墨为游离的碳原子）。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。一般情况下，碳钢长期处于425℃以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475℃以上时则明显出现。为安全起见，SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规范则规定其最高使用温度为450℃。
通常，珠光体钢的球化先于石墨化发生，当发现材料中有石墨析出时，球化过程已经过去。一般认为，石墨化是某些钢球化的继续和发展。
3、材料的高温氧化
金属材料处于高温和氧化性介质（如空气）的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。以碳钢为例，当它处于570℃的空气中时，会产生FeO+Fe3O4+Fe2O3氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。常用材料的抗氧化极限温度列于表3-1。一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下（如烧焦时）才可能这样做。
表3-1 常用金属材料的抗氧化极限温度
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钢 材 牌 号
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抗 氧 化 极 限 温 度 ℃
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碳素钢
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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）金属材料在低温下的性能变化
在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性（冲击功）来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性（冲击功）的限制。
塑性材料在常温下均呈塑性断裂，断裂前有较大的塑性变形及缩颈，断裂过程较慢。在低温下，塑性材料将呈现脆性断裂，它在断裂前没有明显的塑性变形及缩颈，断裂常常是突然发生。
美国人W.S.Pellini等人通过大量的试验研究，得到了无缺陷材料脆断转变温度（NDT）的曲线（即以应力和缺陷为纵坐标，以温度为横坐标的曲线），在曲线的名义应力作用下，材料不会发生脆断。但实际的材料都是有缺陷的，温度的降低增加了材料内部裂纹脆断的危险性，因此NDT与材料的原始缺陷有关，若缺陷越大，NDT越小。但NDT有个极限，即应力水平低于某个值时，不论温度有多么低，也不会发生脆断。该应力一般为常温屈服极限的1/7~1/10。
四、常见元素对金属材料性能的影响
应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学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决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基体元素是铁（Fe），所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。
（一）常用碳素钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%~0.45%的亚共析钢。
碳素钢中，其主要影响元素是碳（C）。除此之外，尚有硅（Si）、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在碳素钢中的作用
从铁碳合金相图中可以看出，碳素钢随含碳量的增加，其组织中的铁素体量在减少，而渗碳体的量则在增加，从而使得碳素钢的强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。一般情况下，当含碳量大于0.25%时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。
含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。
2、硅（Si）在碳素钢中的作用
硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于锰、铬和钒，所以在炼钢过程为常用的还元剂和脱氧剂。为了保证碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量不应少于0.1%，因此，有时也根据碳素钢中是否含硅或含硅的多少来判断其脱氧程度。
硅在碳素钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用。但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性，并易导致冷脆，对中、高碳钢回火时易产生石墨化。
3、硫（S）、氧（O）在碳素钢中的作用
硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物（如FeS、FeO）型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是硫的存在常引起材料的热脆注。硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。
注：由于FeS可与铁形成共晶，并沿晶界分布。Fe- FeS共晶物的熔点为985℃，当在1000℃~1200℃温度下对
材料进行压力加工时，由于它已经溶化而导致晶粒开裂，使材料呈现脆性。材料的这种脆性现象常称为热脆。
4、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）在碳素钢中的作用
磷、砷和锑是属于元素周期表中的同一族元素，因此三个元素在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性，尤其低温脆性。磷和砷又都有是造成碳素钢严重偏析的有害元素。磷对钢的焊接性不利，它能增加焊裂的敏感性。
注：由于磷以固溶型式存在于铁素体中，影响铁素体的晶格变形，使碳素钢在常温下呈现脆性。这种现象常称为
冷脆。
（二）常用低合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20%的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%~0.45%的铬钢和铬钼钢。
低合金钢中，其主要影响元素有碳（C）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）、硅（Si）、铝（Al）等。除此之外，尚有硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在低合金钢中的作用
同碳素钢部分。
2、锰（Mn）在低合金钢中的作用
锰与铁形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。锰又是碳化物形成元素，它进入渗碳体中将取代一部分铁原子。锰还可起到细化珠光体的作用，因此，在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度，但它使材料的延展性有所降低，而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在1%~2%。
锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰。
锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好。
锰能强烈增加碳锰钢的淬透性。锰含量较高时，有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。
锰对钢的焊接性有不利的影响。为改善钢的焊接性，应在许可的范围内，适当降低钢的碳含量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。
3、铬（Cr）在低合金钢中的作用
铬是缩小g相区和形成g相圈的元素，在a－Fe中无限固溶，在g－Fe中的最大溶解度为12.5%。
铬属于中等碳化物形成元素。随铬含量的增加，可形成(Fe，Cr)3C、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物，使铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。
铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加而下降。
在含钼的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。
4、钼（Mo）在低合金钢中的作用
钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体；当含量较高时，则形成特殊碳化物。在较高回火温度下，由于钼的弥散分布，可使材料出现二次硬化。
钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。此外，钼还可有效地抑制渗碳体在450℃~650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。自含钼0.5%的低合金钢用于锅炉管后，一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。
钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。
钼常与其他元素如锰、铬等配合使用，可显著提高钢的淬透性；钼含量约0.5%时，能抑制或降低其他合金元素导致的回火脆性。
5、钒（V）在低合金钢中的作用
钒是缩小g相区、形成g相圈的元素，在a－Fe中无限固溶，在g－Fe中的最大溶解度约1.35%。
钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。在低合金钢中，钒能有效地固定钢中的碳和氮，并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高温下，聚合长大也极缓慢，因而可以增加钢的热强性和对蠕变的抗力。一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12Cr1MoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。
含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等，尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性，因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。
由于钒对碳的固定作用，在高温下，对抗氢腐蚀（脱碳和脆化）是有益的。在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
6、硅（Si）在低合金钢中的作用
硅作为杂质元素时，它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同，作为合金元素时，一般应不低于0.4%。
硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用，在常见元素中仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。
低硅含量对钢的抗腐蚀性能影响不大，只有当硅含量达到一定值时，它对钢的抗腐蚀性能才有显著的增强作用。硅含量为15%~20%的硅铸铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定，但在盐酸和王水的作用下稳定性很小，在氢氟酸中则不稳定。高硅铸铁之所以抗腐蚀，是由于当开始腐蚀时，在其表面形成致密的SiO2薄层，阻碍着酸的进一步向内侵蚀。
含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成SiO2薄层，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
7、铝（Al）在低合金钢中的作用
铝与氮及氧的亲和力很强，因此它也用作炼钢时的脱氧定氮剂，并起到细化晶粒、阻抑碳钢的时效、提高钢在低温下韧性的作用。
铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。因此，铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中，得到了广泛的应用。
铝在铁素体及珠光体钢中，当它的含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。
铝和碳虽然可以化合生成碳化物Al4C3和Al3C，但它和碳的亲和力小于铁和碳的亲和力，因此在钢中一般不存在铝的碳化物。
当铝含量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有抗蚀性，但使钢的焊接性变坏。
铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。铝含量在4%左右的钢，在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。
铝对钢在水蒸汽、氯气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。
在钢铁材料表面镀铝和渗铝，可以提高其抗氧化性和在工业和海洋性气氛中的抗蚀性。
含铝的钢渗氮后，在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。
铝是高锰低温钢的主要合金元素。一定量的铝，有提高铁锰奥氏体的稳定度、抑制b—Mn相变的作用，从而使铝在低温钢中得到了应用。
8、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢中的作用。但由于低合金钢熔点较高，磷、砷、锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集，从而导致低合金钢的高温回火脆性注。一般情况下，低合金钢均采用较高级的冶炼方法（如电炉冶炼），故其硫、磷等杂质元素含量较低。
注：合金钢在进行高温回火热处理或长期在高温下工作时，其中的杂质元素磷、砷、锑等容易在高温下迁移聚集。
由于这些元素的熔点一般比合金元素低，它将“割裂”材料基体而导致合金钢在高温下呈现脆性。因为合金
钢的这种脆性发生在红热的温度下，故常称为红脆。
（三）常用高合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10%的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。
高合金钢中，其主要影响元素有碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）、钛（Ti）、硅（Si）等。除此之外，尚有硫（S）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在高合金钢中的作用
碳也是高合金钢中的强化元素，但不是主要强化元素，此时的强化元素主要是合金元素。为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求，它的含碳量一般不大于0.1%。
对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢，它的含碳量一般不大于0.08%。当其含碳量小于等于0.03%时，由于含碳量较低，高温强度也较低，故不宜用于525℃及以上的温度环境中。作为高温下耐热用的高合金钢，其含碳量应大于等于0.04%，但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
2、铬（Cr）在高合金钢中的作用
铬在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。
铬在不锈耐热钢中，当其含量超过12%时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。但铬含量太高时或者处理不当，易发生s相和475℃回火脆化。
在单一的铬钢中，材料的焊接性能随铬含量的增加而恶化。
3、钼（Mo）在高合金钢中的作用
钼在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。
钼在不锈耐热钢中，也能使钢表面钝化，但作用不如铬显著。钼与铬相反，它既能在还原性酸（HCI、H2SO4、H2SO3）中又能在强氧化性盐溶液（特别是含有氯离子时）中，使钢材表面钝化。因此，钼可以普遍提高钢的抗蚀性能。
钼加入奥氏体耐酸钢中，能显著地提高材料对醋酸、环烷酸的抗蚀性。
在含有氯化物的溶液中，常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间腐蚀。材料中加入钼后，这种倾向在很大程度上会被减缓或抑止。
4、镍（Ni）在高合金钢中的作用
镍是扩大g相区，形成无限固溶体的元素，它是奥氏体不锈钢中的主加元素。
镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的a相和g相中，使之强化。
镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。含镍量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显著降低，而低温冲击韧性显著提高，因此镍钢常用于低温度材料。一般情况下，含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用，含镍达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳的性能。镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。在高温时镍将与一氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞。
在不锈耐热钢中，镍与铬、钼等元素适当配合使材料在常温下为奥氏体组织，即得到所谓的奥氏体不锈钢或耐热钢。然而，目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素，故作为一种合金元素，应该只有在用其它元素不能获得所需要的性能时，才考虑使用它。
由于镍可降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而它可提高钢的淬透性。
镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元素。在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化，钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、钛、铝来提高。
镍是有一定抗腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具有一定的抗蚀能力。
5、钛（Ti）在高合金钢中的作用
钛是缩小g相区，形成g相圈的元素。
钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲和力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素，正因为这样，含钛的高合金钢不宜用作铸件。
在奥氏体不锈钢中，由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体不锈钢中的钛、碳含量之比超过4.5时，由于此时材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住，故使得材料对晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆有很好的抗力。
当钛以碳化钛微粒存在时，由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核，可使钢的淬透性降低，但也使材料的高温固溶强化效果降低。
钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。在高镍含铝合金中能形成g¢相[Ni3（Al，Ti）]，并弥散析出，从而提高材料的热强性。目前，钛越来越多地被用作航空、宇航工业材料。
钛作为强碳化物形成元素，可以提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。当钢中的钛含量达到碳含量的4倍时，可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。
6、硅（Si）在高合金钢中的作用
硅在高合金钢中常用于奥氏体－铁素体或铁素体－奥氏体双相不锈钢中，起固溶强化作用。
各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅，可以增强它们的高温不起皮性。
在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中加入硅，都将提高它们的高温抗氧化性能。但硅含量太高时，材料的表面脱碳倾向增加。
7、硫（S）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素在高合金钢中的作用
同低合金钢部分。
思考题
1、金属具有那些特征？
2、什么叫晶体？什么叫晶格？什么叫晶胞？常见的晶胞形式有哪几种？
3、什么叫晶粒？什么叫晶界？晶界的特性有哪些？
4、为什么说金属的晶粒度越小，其综合机械性能越好？
5、什么叫结晶？什么叫过冷度？
6、什么叫金属的组元、相、系和组织？
7、什么叫固溶体？什么叫间隙固溶体？
8、什么叫相图？说明A3、A1、ACM线的意义。
9、什么叫共晶反应？什么叫共析反应？
10、什么叫马氏体？它对材料的性能有什么影响？
11、材料的机械性能指标有哪些？
12、高温环境对材料性能有哪些影响？
13、什么叫蠕变？什么叫应力松弛？
14、什么叫材料的球化？什么叫石墨化？
15、低温环境对材料性能有哪些影响？
16、什么叫低温脆性转变温度？
17、碳元素在碳素钢中有哪些作用？
18、碳元素在奥氏体不锈钢中的作用如何？
19、硫（S）和磷（P）对材料性能有什么影响？
20、什么叫热脆？什么叫冷脆？什么叫红脆？
