[材料科学]金属材料基础.ppt

金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1 1 金属材料基礎知識 梁梁 永永 2012010 0/05/27/05/27 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2 2 第一章 金属材料的基础知识 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3 3 第一节 金属材料的性能 金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称工 艺性能。工艺性能好的材料易于承受加工，生产成本低；工 艺性能差的材科在承受加工时工艺复杂、困难，不易达到顶 期的效果，加工成本也高。 一、金属材料的工艺性能 (一)铸造性能 金属材料的生产，多数是通过冶炼、铸造而得到的，如各 种机械设备的底座，汽轮机、发电机的机壳、阀门、磨煤 机的耐磨件等。液体金同浇注成型的能力，称为金属的铸 造性能。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4 4 流动性是指金属对铸型填充的能力。金属的流动性好， 可以浇注成外观整齐、薄而形状复杂的零部件。 在常见的金属材料中，铸铁的流动性优于钢，青铜的流动性比黄铜好，可以 容易地制造各种零件。 收缩率是指铸件冷凝过程中体积的减少率，称为体积收 缩率。 金属自液态凝结成固态时体积都要减少，使铸件形成缩孔和疏松，即形成集 中或分散的孔洞，严重影响金属零件的质量。 铸件冷凝时，由于种种原因会造成化学成分的不均匀，叫 做偏析。偏析使整体冲击韧性降低，质量变坏。 缩孔、疏松和偏析等铸造缺陷都是不允许产生的，在生产过程中应予以消除。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5 5 （二）锻造性能 重要零件的毛坯往往要经过锻造工序，如汽轮机、发电机的主 轴，轮毂，叶片，大型水泵和磨煤机的主轴、齿轮等。材料承 受锻压成型的能力，称为可锻性。 金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力(强度)来衡量。金 属承受锻压时变形程度大而不产生裂纹，其锻造性能就好。 金属的锻造性能取决于材料的成分、组织及加工条件。 通常低碳钢具有较好的可锻性，低碳钢的可锻性最好。随着含碳量的增加，钢的 可锻性降低。合金钢的可锻性略逊于碳钢。一般情况下，合金钢中合金元素含量 越多，其可锻性越差。铸铁则不能承受锻造加工。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6 6 金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。 电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。 (三)焊接性能 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。 在电厂中有大量金属结构件是用焊接方法连接的，如锅炉管道、支架、蒸 汽导管、管道、风管、汽包、联箱等。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7 7 金属的焊接性能主要取决于材料的化学成分，也取决于所采 用的焊接方法、焊接材料(焊条、焊丝、焊药)、工艺参数、 结构形式等。 衡量一种材料的焊接性，需要做焊接性试验。 影响钢的焊接性能的主要因素是钢的含碳量，随着含碳虽的 增加，焊后产生裂纹的倾向增大。钢中其它合金元素的影响 相应小些。将合金元素对焊接性的影响都折合成碳的影响， 即为碳当量。其计算公式为： 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 8 8 式中：C，Mn，Cr，Mo，V，Ni，Cu为钢中该元素的百分含量。 当 Ce0.6%时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热温度和较严格的工艺措施 。 (四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。 金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很容易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 9 9 二、金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在外力作用下，所表现出来的抵抗变形 和破坏的能力以及接受变形的能力。 （一）强度和塑性 强度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。塑性 是衡量材料在外力作用下接受变形的能力。 拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法，该试验依据国家标准 （目前通用的标准为GB/T 2282002）进行，将材料制作成标准 试样或比例试样，在万能实验机上沿试样轴向缓慢地施加拉力， 试样随拉力的增加而变形，直至断裂。测得材料的弹性极限、屈 服极限、强度极限及塑性等主要力学性能指标。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1010 1拉伸试样 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1111 2拉伸曲线 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率，L/L0。 拉伸曲线的形状与材料有关 ，由图可见，在载荷小的oa 阶段，试样在载荷F的作用 下均匀伸长，伸长量与载荷 的增加成正比。如果此时卸 除载荷，试样立即回复原状 ，即试样产生的变形为弹性 变形。当载荷超过b点以后 ，试样会进一步产生变形， 此时若卸除载荷，试样的弹 性变形消失，而另一部分变 形则保留下来，这种不能恢 复的变形称为塑性变形。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1212 强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。通过拉伸试验所测得的常用 的强度指标有屈服强度和抗拉强度。 屈服强度是材料产生屈服时对应的应力值。用符号Re表示，单位是 N/mm2或MPa，大小为载荷与试样原始横截面积的比值，即： 式中： Fs材料屈服时的载荷（N）； S0试样原始横截面积（mm2）。 3.强度 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1313 屈服强度可分为上屈服强度和下屈服强度，上屈服强度是指试样发生屈 服而外力首次下降前的最高应力，用符号ReH表示；下屈服强度是指试样屈服 期间，不计初始瞬时的最低应力值，用符号ReL表示。 一般机械零件和工程构件都不允许在使用中产生塑性变形，否则会因失效 而发生事故，所以ReL屈服强度是机械设计和工程设计中的重要依据。 抗拉强度是材料在拉断前所承受的最大应力值。用符号Rm表示，单位是 N/mm2或MPa，其大小为材料最大载荷与试样原始横截面积的比值表示，即 ： 式中： Fb材料屈服时的载荷（N）； S0试样原始横截面积（mm2）。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1414 4塑性 金属材料的塑性指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力。拉伸试验所测得的 塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 断后伸长率，又称延伸率，标准试样的断后伸长率用A表示，指试样被拉断后， 其标距部分所增加的长度与原标距比值的百分率。即： 式中： Lu试样被拉断后标距的长度。 L0试样原始标距。 对于比例试样，A应附下脚注说明所使用的比例系数，例如A11.3表示原始标距的断后伸 长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚标注说明所使用的原始标距，以mm表示，例 如，A80mm表示原始标距L0为80mm的断后伸长率。 断面收缩率指试样拉断后截面积的收缩量与原截面积之比的百 分率，叫金属材料的断面收缩率，用符号Z表示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1515 （二）硬度 金属材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物体压入时所引起局部塑性变形的 能力。 常见的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)和里氏硬 度(HL)等。 1布氏硬度（HB） 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1616 压头的材质有淬火钢球或硬质合金两种，当压头材质为淬火钢球时，布氏硬度 用HBS表示，适用于测量布氏硬度450的材料；当压头材质为硬质合金时，布氏 硬度用HBW表示，适用于测量布氏硬度在450650范围内的材料。 布氏硬度值的表示方法为：硬度值+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷保持时间 （1015秒不标注）。 例如，180HBS10/1000/30,表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，保持30秒测得 的布氏硬度值为120。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1717 2洛氏硬度(HR) 用一定载荷将压头压入材料表面，根据压痕深度表示硬度值。根据压头和载 荷的不同，洛氏硬度分HRA，HRB和HRC，试验规范见表3-1 。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1818 符号压头类 型 总载 荷（ kgf） 适用范围 HRC 120金刚石圆 锥 150 一般淬火钢等硬度较大材料 HRB1.588mm钢球100 退火钢和有色金属等软材料 HRA 120金刚石圆 锥 60 硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢 试验规范 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 1919 3维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下： 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2020 图1-5 维氏硬度试验示意图 维氏硬度也可按对角 线的d值从表中查出，d 值为两对角线的算术平 均值。维氏硬度的结果 表示方法为： 硬度值+HV+试验载荷 +载荷保持时间（ 1015秒不标注）。 例如，640HV3020 表示在试验力30kgf作 用下保持载荷20秒测 定的维氏硬度值为640 。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2121 4里氏硬度（HL） 里氏硬度用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲 击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速 度的比值计算硬度值。计算公式如下： 式中：vR冲击体回弹速度； vA冲击体冲击速度。 根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分HLD，HLDC ，HLG和HLC。表示方法为：硬度值+冲击装置类型， 例如700HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为700。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2222 各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直接换算，需要查阅专 门的表格进行换算比较。 硬度是材料的重要性能之一，一般情况下，材料的硬度高，其耐 磨性能也较好。材料的硬度与强度之间也有一定的关系，例如， 对于未淬硬钢，布氏硬度与抗拉强度间存在如下的近似换算关系 ： Rm0.362HBS （当HBS175） Rm0.345HBS （当HBS175） 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和里氏硬度各有优缺点：布氏硬度 由于压痕面积较大，能反映较大范围内的平均硬度，所以测量结果 具有较高的精度和稳定性。但操作费时，对试样表面有一定破坏。 洛氏硬度操作简单，可以直接读出硬度值，且压痕小，不伤工件。 缺点是所测硬度值的离散性较大。维氏硬度的载荷小、压痕浅，广 泛用于测定薄工件表面硬化层。里氏硬度操作简单，便携性好，广 泛用于现场硬度测量。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2323 （三）冲击韧性（k） 冲击韧性是衡量材料抵抗冲击载荷能力大小的指标， 常用冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单 位面积所消耗的冲击功。冲击韧性用k表示，计算公 式如下： 式中： k试样冲断时所消耗的冲击功（J）； S试样缺口处截面积（cm2）。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2424 影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成份、冶金质量、组 织状态、表面质量和内部缺陷等。另外，金属材料的冲击韧性 随温度的降低而下降。 金属材料的强度、塑性、硬度、韧性四者中真正独立的是强度 和塑性，硬度与强度有极为密切的关系，韧性是受强度和塑性 的综合影响；因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常是以 强度和塑性为主要指标。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2525 （四）疲劳强度 金属材料在远低于其屈服极限的交变应力长期作用下发生的断 裂现象，称为金属的疲劳。 1疲劳失效的特点 疲劳失效的断口有明显的特征，一般由两个明显的部分组成，见图1-8所示。图 中A为疲劳源；D区为疲劳裂纹发展区；G区为瞬时断裂区。疲劳裂纹发展区的 特征表面较光滑，另外，裂纹向前扩展时，表面形成类似年轮的贝壳纹。瞬时脆 性破断区特征是断口较粗糙。叶片疲劳断口的宏观形貌如图1-10所示。 汽轮机的轴和叶片等零部件的损坏，多以金属疲劳损坏的方式失效。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2626 图1-10 材料疲劳断口宏观形貌 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2727 2疲劳失效的测定 金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料 的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力在一定条 件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次 循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料 的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号-1表示 。 通常规定，钢经过107次应力循环仍不破坏，就认为它可以经受无限次循环，此时的最大 应力值就定为其疲劳极限；有色金属则规定应力循环数为108次或更多次才能确定其疲劳 强度。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2828 3影响金属材料疲劳强度的因素 材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳强度， 另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁度和工作环境 等有关。 由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产生和发展的，因 而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 2929 （五）断裂韧性 1. 关于断裂力学 在工程上选择金属材料的传统方法，是根据零部件的工作条件，对塑性和韧 性提出一定的要求，并根据该材料的屈服程度Rel或抗拉强度Rm来计算许用应 力值： 式中 许用应力，即该材料的最大工作应力； 工作温度T时材料的屈服强度； n安全系数。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3030 裂纹在外力作用下扩展的形式可分为三类，如图1-12所示。这三 种类型的脆性破坏，以张开型又称为I型的扩展断裂较为常见，且 在外力作用下也较为危险，故近期大量研究的是I型这种裂纹的扩 展及破坏。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3131 2.断裂韧性的评定 金属材料的断裂韧性是材料固有的性能，也是通过一定的实验方法测定出来的 。由于验的方法不同，裂纹在外力作用下失稳扩展、脆性断裂的形式也不同，目 前常用的断裂韧性计算公式为： 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3232 脆断应力也和裂纹形状及加力方式有关，即： 构件中的裂纹越长（a越大），则裂纹前端应力集中越大，使裂 纹扩展的外加应力，即脆断应力 越小，即： 当a和Y已知时，可根据一定的实验方法测出脆断应力 代入上式，即可 计算出k1C值显然，材料的k1C值越高，则材料阻止裂纹扩展的能力越强。因 此，k1C是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标，是材料抵抗低应力脆断的韧 性参数。 断裂韧性在电厂金属材 料中有相当重要的作用 。由于电厂的大型、重 要构件，如锅炉汽包， 气轮机转子、主轴、叶 片等，是在高温及复杂 的应力状态下运行的， 对于这些在特殊状态下 工作的金属材料断裂韧 性的研究，就显的更加 必要。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3333 一、金属键与晶体结构 金属原子的结构特点是：价电 子数目较少（13个），电子层 数较多，原子核对价电子的引 力较弱，价电子极易脱离原子 核形成自由电子，金属原子成 为正离子，如图1-13所示。自 由电子在正离子之间做高速运 动，形成带负电的电子气。金 属原子间这种正离子与自由电 子的电性引力结合，称为金属 键。 第二节 金属的晶体结构与结晶 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3434 金属键与非金属原子间的结合键（离子键和共价键）不同 。金属离子间的键合力很大，且由大量原子结合成整体金属 ，故金属的强度高： 自由电子在电场力作用下作定向运动，使金属具有导电性； 金属离子周围的键是等价的、对称的，因而金属原子在空间 的位置必须有规则地排列且势能最低，即呈晶体结构。 金属离子在平衡位置上作高速振动，温度越高，振幅越大。 金属的这种结构决定了其具有优良的导热性。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3535 取晶格中一个最基本的几何单元来表明原子排列的规律性，这个最小的 几何单元，称为“晶胞”。显然，金属的结构是由大量晶胞在空间堆垛形成 。晶胞各边的长度a，b，c称为“晶格常数”，其大小是以为单位来度量。 金属材料通常都是晶体，为了便于分析晶体中原子的排列规律，通常用假想的 线条将各原子中心连接起来，使之构成一个空间格架，这种三维的空间格架， 称作“晶格”. 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3636 常见的晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3737 （一）体心立方晶格 （二）面心立方晶格 （三）密排六方晶格 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3838 二、晶面、晶向与晶格致密度 为了研究方便，可以把金属原子看成球形，并且人为规定与邻近的原子是 相切的，并将球的半径规定为原子半径。图1-18是体心立方晶格中的原子 半径与晶格常数的关系图。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 3939 三、单晶体与多晶体 如果依晶格中晶胞的长、宽、高取坐标系X、Y、Z，将坐标原点选在一 个顶角原子上，晶格就有了方位和方向，称为位向。 在单晶体中晶格的位向是一致的。金属的单晶体很小，约在10-1-10-3cm 数量级。金属总是以多晶体的形式存在，所以往往看不到金属的单晶体 ，金属单晶体的各向异性也被抵消了。图1-21为多晶体示意图。 在自然界中，常常可以看到食盐，方解石的单晶体。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4040 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4141 四、晶体的缺陷 金属晶体的缺陷依照其几何形状，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 （一）点缺陷 点缺陷是指晶格中三维尺寸都较小的点状缺陷，主要包括晶格空 位、间隙原子和异质原子。 图1-23为空位和间隙原子，空位指晶格中某些结点处没有原子， 而间隙原子指晶格间隙中出现多余原子。产生空位和间隙原子的 主要原因是由于原子热运动使其逃离晶体结点位置或转移到晶格 间隙中。 图1-24为异质原子，一般是其他金属或非金属原子置换原晶格中 原子或存在原晶格间隙中。空位、间隙原子和异质原子缺陷均会 引起晶格局部变形，即晶格畸变。晶格畸变引起能量升高，使金 属的强度、硬度和电阻升高。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4242 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4343 （二）线缺陷 线缺陷又称位错，是指晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位 错有两种类型，最简单的是刃形位错. 位错的存在对金属的性能有很大影响，随着位错数目的增加，金属强度先降 低后增加，所以金属晶体中不含位错或含有大量位错均能使强度提高。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4444 （三）面缺陷 面缺陷是晶体中二维尺寸较大，一维尺寸较小的呈面状分布的缺陷，如晶界 、亚晶界等。在多晶体中相临晶粒的位向不同，在交界的地方原子排列不可 能很规则，于是产生一层“过渡层”。相邻晶粒的位向差如果小于15度，称作“ 小角度晶界”，可以看作由许多纵向排列的同号刃型位错组成；当位向差大于 15度时，称作大角度晶界，随着位向差的增加，晶界的厚度也增加。在实际 金属中多数晶界是大角度晶界。 在晶界上原子的无规则排列，使得晶界 的性能与晶内差别很大：晶界原子比晶 内原子易于发生化学反应，因而容易被 腐蚀；晶界原子近于液态结构，致使晶 界熔点低于晶内；异类原子和杂质在晶 界上存在时能量低，所以晶界是杂质原 子易于聚集的地方；由于晶界处原子排 列无规则，金属的塑性变形（滑移）受 到阻碍，致使晶界的强度比晶内高。因 此，金属晶粒的大小对金属的性能有很 大影响。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4545 五、纯金属的结晶 金属材料自液态凝固的过程称为结晶。 （一）结晶的条件 纯金属在结晶时都有一固定的转变温度，称为熔点，或平衡结晶温度。金 属的温度高于熔点时，金属应以液体状态存在；低于熔点时，金属则以固 体状态存在。在 平衡结晶温度时，液体与固体同时存在，这时液体的结晶 速度与固体的熔化速度相同，是动态平衡状态。 液态金属冷却到镕点时是不能结晶成晶体的，只有冷到低于熔点的温度时 ，即有一定的“过冷度”时才能结晶。过冷度按下式计算： ttRt 式中 ：t过冷度 tR理论熔点 t实际结晶温度 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4646 金属的实际结晶温度可以用热分析法测得。 冷却曲线有一水平线段，说明金属在结晶过程中温度是恒定的这是由于金属在由 液态转变为固态时，要放出“结晶浴热”。这种潜热的释放恰恰补偿了金属向周围散逸 的热量，而使结晶过程处于恒温状态。当结晶过程结束时，即液态金属都已转变为晶 体后，金属的温度又随着散热而降低，直至室温。曲线上水平线段的长度代表结晶过 程的时间。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4747 （二）结晶的过程 金属的结晶过程一般包括两个过程，即形核过程和晶核长大过程。 形核过程是当温度降到结晶温度时，熔液中开始出现时聚时散的类似晶体结构的小 集团，当小集团达到一定临界值时，逐渐稳定，这种最初形成的小晶体被称为晶核 。熔液中晶核数目的多少与过冷度、熔液中含高熔点杂质数目等因素有关，把单位 时间内单位体积中所产生晶核数用形核速率（简称形核率）来表示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4848 长大过程是晶核逐渐长大的过程，晶核的长大过程具有方向性，一般沿过 冷度大的方向生长，这种生长方式类似树枝的生长，被称为树枝状长大， 直到液相消耗完毕。晶核长大的速率称为长大率，用单位时间内晶体表面 向前推进的线速度表示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 4949 （三）影响晶粒大小的因素 金属晶粒的大小是影响金属性能的重要因素。 晶粒大小与常温力学性能的关系为：晶粒越细小，金 属的强度、塑性、韧性越高。反之晶粒越粗大，金属 的力学性能越差。 制备细晶粒材料的措施一般为在结晶过程提高形核率 和抑制长大率。形核率和长大率的影响因素主要有以 下三个方面： 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5050 1过冷度影响 形核率N和长大率G与过 冷度t关系，一般随着过 冷度的增加，形核率和长 大率先增加后下降。 3金属流动与振动 在金属结晶时如果增加液体流速或给以机械振动、超声波振动，都将达到增加形核率或抑制长大率的 效果。 2难熔杂质的影响 高熔点杂质的加入对细化晶粒的作用 也非常明显，由于液态金属结晶时可 以附着在未全部熔解的高熔点杂质的 颗粒表面，所以加入高熔点杂质能提 高形核率。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5151 四、固态金属的同素异晶转变 多数金属结晶后晶格类型保持不变，但有些金属如铁、锰、 钴、钛、锡等在固态下晶格类型会随温度的变化而发生改变 ，由一种晶格向另一种晶格转变，金属在固态下发生晶格变 化的过程称为同素异晶转变。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5252 纯铁的同素异晶转 变在实际生产中有 重要意义，正是由 于纯铁能够发生同 素异晶转变，生产 中才有可能用热处 理的方法来改变钢 的组织和性能。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5353 第三节 金属的塑性变形与再结晶 一、单晶体的塑性变形 晶体塑性变形的主要形式是滑移和孪生。 （一）滑移 如果对单晶体锌做拉伸试验，但单晶锌被拉长后，发现锌的表 面出现倾斜的近乎平行的细线，称为滑移线。在锌晶体的内部 ，发生了一部分晶体相对于另一部分晶体的相对滑动，即滑移 。 对滑移后的晶体进行x射线分析表明，晶体发生相对浴动后仍 然是完整的晶体，且晶格位向不变，滑动的距离是晶格常数的 整数倍。这种由整个晶体沿着一个滑移的平面发生的整体滑动 ，称为“刚性滑移”。发生滑移的晶面，叫做滑移面。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5454 1滑移的受力分析 作用在滑移面上的拉力P可以分解为垂直滑移面的正应力分量，和平行沿移面 的切应力分量。由图中分析可知，作用在滑移面上的正应力，只能引起晶格的 弹性伸长，即弹性交形，应力取消时，弹性使变形恢复原状。只有在很大很大( 超过原子间的结合力)时，才能将晶体拉断。 晶体在切应力作用下，发生剪切弹性变形。这时，如果取消外力，晶体则 恢复原状。但当切应力分量大到一定值时，品格发生刚性滑移。能使晶体 滑移的最小分切应力，称为“临界切应力”。 从金属晶体受力分析可知，作用在滑移面上的正应力分量远远没有达到晶 体结合力时，切应力分量已经达到临界切应力值。因此，金属受力后总是 先发生塑性交形，在大量塑性变形后才发生断裂现象。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5555 晶体在产生滑移变形时，不是沿着任何晶面都能滑移的，只有在原子最密排的晶面上 才能发生滑移。晶体中原子排列最密的品面，称为密排面。这些密排面往往就是滑移变 形的滑移面，如图134所示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5656 当晶体沿着密徘面滑移时，滑移的方向一定是沿着面内最密排的方向。这是因 为密排方向上原子之间的距离小，滑动一个原子间距所需的能量小的缘故。 一个密排面及面上一个密排的晶向，组成一个可能滑移的通道，称为滑移系。 晶体中滑移系越多，其塑性越好。 面心立方晶格与体心立方晶格金属的滑移系比密排六方晶格金属的滑移系多， 因此密排六方晶格的金属镁、锌等塑性较差。面心立方晶格与体心立方晶格的 滑移系虽然形同，但滑移方向对塑性的贡献更大些，因此具有面心立方晶格的 铜、铝、镍等比具有体心立方晶格的铬、钼、钨、钒等塑性好。 2滑移的机理 金属晶体如果按照上述刚性滑移的机理发生滑移变形，即部分晶体发生 整体滑动时，所需的切应力比实际晶体滑移时所需的临界切应力大二至三 个数量组。如铁在刚性滑移时所需切应力为2300MPa，而实际测得的临界 切应力为29MPa；铜在刚性滑移时所需切应力为1540MPa，而实际测得 的临界切应力为1MPa。这说明实际晶体滑移时，并不是刚性滑移。 实验证明，滑移变形的真正机理是由位错的移动来完成的。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5757 其微观过程，是由位错的移动来完成的。金属中存在着大量位错，位错沿着滑移面运 动，在宏观上引起金属的塑性变形。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5858 金属的健合力是很高的，即其本质强度很高，但在外力作用下，金属中所存在的大量 位所在切应力很小时即可运动，导致滑移变形。金属经一定量的塑性变形后，内部缺 陷增加，以致断裂。因此，金属中位错的数量、分布对金属的性能影响很大。假如金 属中没有位错，金属的塑性变形只有依刚性滑移来进行，金属的强度就很高。随着位 错数量的增加，金属的强度下降，但当位错数量增至很大时，位错线之间发生的交互 作用，反而阻碍位错的移动，金属强度又有上升的趋势。金属强度与位错密度的关系 如图l37所示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 5959 （二）孪生 孪生是晶体的另一种塑性变形方式。在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（ 孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。 与滑移变形相 比，孪生变形很少发生。因为孪生所需要的剪切应力很大，孪生变形往往只在低温的 体心六方晶格金属中发生，或在滑核系很少的密排六方晶格金属中发生，或受到冲击 变形的金属中发生。 二、多晶体的塑性变形 多晶体塑性变形时，每个晶粒的塑性变形与单晶体塑性变形基本相同，但由 于晶界的作用及相邻晶粒之间位向不同，多晶体的塑性变形与单晶体相比又 有所不同。 实际使用的金属材料几乎都是多晶体。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6060 （一）晶界的影响 晶界是相邻两个晶粒的边界，晶界上的原子排列是无规则的，金属中的杂质原于 往往存在其间，这对于位错的运动形成很大阻力。 用只有两个晶粒的试样进行拉伸试验，变形后试样出现了所谓“竹节现象”，如图139 所示。这说明晶界附近晶体的塑变抗力很大。由此可以推断，多晶体金属的晶粒越细小 （单位体积内晶粒数越多）时，该晶体的塑变抗力越大，即强度越高。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6161 （二）位向差的作用 外力的切应力分量在外力呈45角度时最大。因此，晶体中与外力方向接近45的滑移系最容易发生滑移 ，而接近0与90时，切应力分量最小，晶体不易发生滑移。由于多晶体金属中相邻晶粒位向不同，当 一个晶粒的位向接近45发生滑移时，必然受到相邻晶粒的牵制作用，相邻晶粒间的位向差越大时，牵 制作用越大，从而增加了塑变抗力，使强度提高。 金属的晶粒越细时，其强度越高。细晶粒的金属不仅强度高，塑性也好，这是应为多晶体在应力作用下 ，塑性变形分散在更多的晶粒之中，晶粒越细时，多晶体各处的塑性变形越均匀。相反，多晶体的晶粒 很措大时，某些大晶粒的位向不利于滑移变形，则在较大的体积内牵制塑性变形，使塑性交形不均匀。 在实际生产中，希望金属零件的晶粒越细越好。在电力设备中，有些重要零件的晶粒度，被限定在一定级别之内 ，尤其是承受冲击的构件，如碎煤机的锤头和锤扦，细晶粒金属的强度高、塑性好，则冲击韧性也高，能够承受 反复的冲击而不易产生疲劳损坏。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6262 三、冷塑性变形对金属组织和性能影响 金属材料在外力作用下产生塑性变形，其内部的组织和力学性能、物理、化学性能也发生一 系列的变化，主要的变化是加工硬化，同时在金属内部产生形变内应力。 在电力工业中，碎煤机锤头、磨煤机衬板、斗轮机斗齿、冷卷弹簧等都是利用加工硬化进一步提高强度的。 (一)加工硬化 金属在受外力作用屈服后，如继续变形则需要增加应 力，即随着塑性变形的增加金属不断强化、硬化，直 至达到强度极限。 低碳钢的加工硬化现象见图141 所示，出现了加工硬化后强度可提高80以上。建筑 用钢筋须先经过冷拔强化。但加工硬化会使金属的电 阻增加，耐腐蚀性下降，特别是金属的塑性韧性下 降，甚至趋于零。 金属的显微组织：会发现金属的晶粒逐渐被拉长，甚 至会变成细条状、纤维状，这说明晶粒发生碎化，亚 晶的数量增加。晶界和亚晶界数量的增加，使位错运 动受阻，形变抗力加大，导致强度和硬度增加， 性能：随着塑性变形量的增加，位错密度增加，使运 动中的位错发生复杂的交互作用，位错线相互缠结、 堆积，阻碍了位错的运动，也会使强度、硬度提高， 塑性、韧性下降。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6363 (二)形变内应力 金属经塑性变形后，由于多晶体的变形不均匀，有的晶粒须以弹性变形协调整体的变形， 又由于塑性变形产生了大量的缺陷，因此，外力所做的功有一小部分以弹性能的形式残存 于晶体中，称为形变内应力。 形变内应力按照其存在的范围不同，可分为三种： 第一类内应力，亦称为宏观内应力。 第二类内应力，亦称为显微应力。 第三类内应力，亦称为晶格畸变应力。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6464 四、回复与再结晶 形变后的金属加热时，将发生一系列的组织和性能的变化，变化的主要 形式是回复与再结晶。 (一)回复 经过塑性变形的金属在加热温度较低时，金属组织基本不变，硬化现象仍 然保留，但内应力大大消除，这种现象称为回复。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6565 （二）再结晶 塑性变形后的金属在较低温度下加热时，虽经回复使内应力大部分消除，但显微组织 和结构没有明显的改变，形变储存能未能完全释放，金属组织仍处于不稳定状态。如 继续提高加热温度，使金属原子的扩散能力增加，这种高能不稳定状态将消除，晶粒 拉长和碎化趋于消失，金属的组织、性能完全恢复到变形前的状态。这种变化实质上 是一个重新形核、长大的过程，称为再结晶。 再结晶后的金属组织与形变前的退火 组织相同，加工硬化现象完全消失，位错密度也降至变形前的状态，如图l43所示。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6666 (三)再结品温度与晶粒长大 再结晶过程不是相变。 再结晶温度主要取决于金属的预变形程度。没有产生塑性变形的金属加热时 不会出现再结晶的现象。金属的预变形度越大，其形变储存能越多，加热时再 结晶的倾向越大，所需的再结晶温度越低。当形变量大到一定程度后，再结晶 温度趋于某一固定值，这一温度值称作Ta，即最低再结晶温度。 金属的最低再结晶温度与金属的熔点有关，高熔点的金属Ta较高，反之则低。 与金属熔点Tr的关系约为： Ta0.350.4Tr 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6767 加热温度过高，保温时间过长，都能使已形成的细晶粒组织继续长大，而成为粗大晶粒的组织 ，使金属的性能变坏，这是应该力求避免的。 回复、再结晶和晶粒长大过程中，随加热温度的增加，组织和性能变化如图145所示。 再结晶退火在工业生产中适于冷拔、冷拉的金属材料。往往在冷拔或冷拉后，安排一道或数道 再结晶退火工艺，使变形后的金属恢复到变形前，再继续变形，如冷拔无缝钢管，冷拉钢丝、 铜丝等。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6868 五、热加工与冷加工的区别 许多重要工件在机加工前，往往 安排一道锻造工序，如汽轮机的主 袖、叶轮叶片，发电机风机、水 泵的主轴、齿轮等。 用金属学的观点来看，凡在金属的再结晶温度以下的加工变形称作冷加工，而在再 结晶温度以上的加工变形称为热加工。 金属热加工的塑性变形量大，不会出现加工硬化，可以很快加工成型。在热加工中 ，金属的某些缺陷(如气孔、裂纹等)可以在高温下焊合，因而热加工后金属的组织细 密质量好。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 6969 二、二元合金相图 合金的性能是由合金的成分、组织决定的，研究合金成分、组织、性能 之间关系最重要的工具是合金相图。 相图的概念 合金相图又称平衡图或平衡状态图。它以合金成分为横坐标，以温度为 纵坐标，表示同一合金系在平衡状态下不同成分的合金在不同温度下由 哪些相组成，以及相间平衡关系的图形。平衡是指热力学平衡，即一定 成分的合金在一定温度下各相的量不再发生变化，处于动态平衡状态。 处在动态平衡状态下的相称为平衡相。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7070 1.相图的表示 纯金属的相图可以用表示温度的纵坐标及其上几个临界点表示。 图151为工业纯铁的冷却曲线及相图。图中左边是工业纯铁的冷却曲线 ，二元合金的组织组成的相不仅与温度有关，且与合金的成分有关。如用 一核坐标表示合金的成分，用纵坐标表示温度，即可将不同成分的合金在 不同温度下的平衡相及相间的平衡关系表示出来。 图152为铜镍合金相图，CuNi横坐标表示从0Ni至100Ni的合金 系的所有成分。这样二维坐标平面上任一点(称作表象点)，即表示一个成 分的合金在某一温度时的状态（相）。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7171 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7272 2相图的测定 二元合金相图可以用多种方法则定，其中最简单、最常用的方法是采 用热分析法。 以CuNi合金为例，用热分析法测定相图的步骤： （1）配制不同成分的CuNi合金，测出结晶开始温度(上转变点)及结 晶终了温度(下转变点)： 绘制合金的冷却曲线，如图1-53(a)所示。 （2）将各冷却曲线的临界点平移至相图上，如图1-53(b)所示，并将同 类的点描成线，称为相界线，即的到一个完整的Cu-Ni合金相图。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7373 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7474 （二）杠杆定律 由二元合金相图不仅可以确定任何成分的合金在任何温度下有那些相， 还可以借助杠杆定律确定两相区内两个平衡相的相对重量如图154所示 。因此，杠杆定律是分析合金相图的重要工具。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7575 1确定二平衡相的成分 在图1-54给出的铜镍合金相图中，液相以上是液相区L， 固相线以下是固相区，两相线之间是二相平衡共存的区 域L+。若有任何一个成分的合金CX，在温度t时处在 两相区L+,这时的表相点为b。若通过该点作一水平与液 相线及固相线交于a、c两点，则a、c点的成分是两平衡 相L,的成分，其原因可做如下分析。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7676 2确定两平衡相的相对重量 图154所示的CuNi合金相图中，仍以Cx成分的合金为例，设Cx成分的合 金重量为1，t液相L的重量为QL，固相的重量为Q，则 QL1Q 因为合金中含Ni量为Cx，t时，固相中含Ni量为C2，液相中含Ni量为C1，则 QC2QLC11Cx QC2（1Q）C1Cx 整理得 所以： 或 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7777 （三）相图的基本类型 匀晶相图 前面讨论的CuNi相图，称为匀晶相图。形成匀晶相图的二组元在液态和固态都 能无限互溶，在固态时能够形成无限固溶体。匀晶相图是最简单的二元合金相图 ，只有两个单相区L及，一个两相区L。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7878 共晶过程 二元合金的两个组元在液态完全互溶，在固态有限互溶，形成共晶的 二元合金，其相图称为共晶相图，如Al-Si、Ag-Cu、Pb-Sn、Al- CuAl2等。 结晶过程还可用反应式表示： LL 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 7979 （2）合金结晶过程分析 图158表示PbSn合金相图。 1）共晶合金：合金1为c点合金的成分，称为共晶合金。从相图上看，在c点液 相线与固相线交于一点，说明结晶过程是在恒温下进行的。结晶的产物是、 固溶体同时生成物，称作共晶体。 图1-59是共合金I的冷却曲线和结晶过程示意图。从图中可以看出，共晶反应是个恒温过程， 在冷却曲线上是个水平台阶。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 8080 因为c点是ac与bc的交点，即两个匀晶相图的交点，这时生成的相的成 分为d，相成分为e。写出共晶反应式为： Lcde 共晶生成物的组织称作共晶组织。共晶组织的形态是多种多样的，有层 片状、短杆状、球状、点状等。但它们都有一个特点，即两相组织都比 较小，相间而生，在较低的显微镜下观察，甚至分辨不清，是一种两相 的机械混合物组织。 共晶合金的温度降至相区后，再随温度降低d与c两相的成分要沿 着各自的固溶曲线变化，到室温时为f及g。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 8181 2)亚共晶合金：成分在dc之间的合金称作亚共晶合金，如图1-58中合金II。 合金自液态冷却至ac线时，开始析出固溶体；随着温度降低，相逐渐 增多，L相逐渐减少。由杠杆定律可知，固相的成分沿着固相线ad变化 ，液相L的成分沿着液相线ac变化，直到2点以前，合金的结晶过程完全 遵守匀晶相图的结晶规律。当温度降至2点时，利用杠杆定律可知，已析 出的与剩下的液相的重量比为2c/d2，已析出的相成分为d，剩下的液 相成分为c，具备了共晶反应的条件。 剩下的成分为c的液相在共晶温度下将会发生共晶反应，生成共晶体。于 是，当温度冷至共晶温度以下时，生成的组织为初生的相及共晶体，如 图1-60所示。亚共晶合金自液态的结晶过程可用反应式表示： LIILdLcd（dc）共晶 成分为IV的合金结晶过程与亚共晶合金相同，只是将固溶体换成固溶体 即可称作过共晶合金。生成物的组织为：c（dc）共晶。 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 8282 金属材料 新干班教材新干班教材 * * 8383 3)成分为III的合金：图1-58中成分III的合金结晶过程，如图1-61所示。与匀 晶相图合金的结晶过程相似，在温度2、3之间得到单相的固溶体组织；但 是，当温度降至3点时，与固溶线df线相交，固溶体达到饱和状态；温度 再下降时，从固溶体中产生的沉淀物，这种沉淀物不是溶质，而是另一种 固溶体相，称为次生相，或二次相，记作II；当温度降至室温时，固溶 体相的成分沿df达到f，析出的II可用杠杆定律计算。成分III的合金结晶过 程可用反应式表示： LIIIL+II 成分V的合金与成分III的合金相似，只是将固溶体换成固溶体即可，生成 物组织为：II 需要说明的是，亚共晶和过共晶合金结晶时，在共晶温度下形成的组织冷 却到室温时，与共晶合金一样，也要从和相中分别析出二次相II和II。 不过，二次相I、II、IV合金组织中所占的比例较少，因此，在研究时常可忽 略不计。 金属材料 新干班教材新干班教材 3.5 典型铁碳合金 金属材料 新干班教材新干班教材 工业纯铁：C0.0218%， FFe3C 钢：C0.02182.11%， A 高温下 亚共析钢： C0.02180.77%，FP 共析钢：C0.77%，P 过共析钢：C0.772.11%，PFe3C 白口铸铁：C2.116.69% 亚共晶白口铸铁：C2.114.3%，PFe3CLd 共晶白口铸铁：C4.3%，Ld 过共晶白口铸铁：C4.36.69%，Fe3CLd 3.5 典型铁碳合金 金属材料 新干班教材新干班教材 1、工业纯铁 C0.0218% 上部是单相L