电厂金属材料

1、 电厂金属材料电厂金属材料 华北电力大学机械系华北电力大学机械系热力设备强度与安全研究室热力设备强度与安全研究室机械工程学院机械工程学院School of Mechanical EngineeringNorth China Electric Power University课程主要内容：第一章 金属材料的力学行为第二章 金属学基础知识第三章 钢的热处理第四章 火电厂常用金属材料第五章 金属材料的高温性能第六章 火电厂金属材料的常见失效形式第七章 火电厂金属监督第一章 金属材料的力学行为q 金属材料在静载下的力学行为q 金属的缺口冲击韧性试验 q 金属的断裂韧性q 金属材料在交变载荷下的力学行为

2、q 材料在环境介质作用下的力学行为q 金属材料的磨损金属材料的性能描述冷加工性能：车、铣、刨、磨冷加工性能：车、铣、刨、磨 工艺性能工艺性能热加工性能：铸、锻、焊、热处理热加工性能：铸、锻、焊、热处理 使用性能使用性能力学性能（机械性能）力学性能（机械性能）物理性能物理性能化学性能化学性能金属具有许多优良的性质，是广泛使用的工程材料。金属具有许多优良的性质，是广泛使用的工程材料。金属材料的性能是由其内部的组织结构所决定的。化学成分金属材料的性能是由其内部的组织结构所决定的。化学成分 处理条件处理条件 应用应用 工工况等。况等。性能是选材的依据，火电厂中大容量，高参数机组的增多，对金属材料的要求

3、性能是选材的依据，火电厂中大容量，高参数机组的增多，对金属材料的要求越来越高。越来越高。金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能铸造性能铸造性能 液体金属浇注成型的能力可锻性能可锻性能 承受变形而不产生裂纹的能力焊接性能焊接性能 焊缝的性能，接头的强度热处理性能热处理性能 淬透性切削性能切削性能 车、铣、刨、磨、钻、镗的能力 所谓所谓机械性能机械性能是指零件在外力作用下，材料所表现出来的抵是指零件在外力作用下，材料所表现出来的抵抗变形和破坏的能力。又称为力学性能。抗变形和破坏的能力。又称为力学性能。如强度、塑性、硬度、冲击韧性等。如强度、塑性、硬度、冲击韧性等。金属材料的常温机械性能金属材料的常温

4、机械性能一般情况，机械零件的设计和选材主要依据材料的机械性能一般情况，机械零件的设计和选材主要依据材料的机械性能零件在特殊条件下服役，需要一定的物理、化学性能。因此，零件在特殊条件下服役，需要一定的物理、化学性能。因此，我们将着重介绍材料的机械性能。我们将着重介绍材料的机械性能。v 弹性、刚度和弹性能弹性、刚度和弹性能v 强度强度v 塑性塑性v 硬度硬度v 疲劳强度疲劳强度v 韧性（冲击韧性）韧性（冲击韧性）v 断裂韧性断裂韧性金属材料的常温机械性能指标金属材料的常温机械性能指标1、金属材料的力学性能与基本实验 用静拉伸试验得到的应力应变（用静拉伸试验得到的应力应变（ - ）曲线，可以求出许多

5、重要性能指标。曲线，可以求出许多重要性能指标。如弹性模量如弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中；材料的屈服强度，主要用于零件的刚度设计中；材料的屈服强度s和抗拉强度和抗拉强度b则主要用于零件的强度设计中，特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比则主要用于零件的强度设计中，特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；而材料的塑性，断例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；而材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考。1.1 金属材料的拉伸实验金属材料的拉伸实验（G

6、B/T228-2002GB/T228-2002）静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。拉伸实验是对材料进行的拉伸破坏性实验拉伸实验是对材料进行的拉伸破坏性实验材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材料材料的力学性能的力学性能。 标准拉伸、压缩试件标准拉伸、压缩试件 国家标准GB6397-86金属拉伸试验试样中规定拉伸试件截面可采用圆形和矩形，并分别具有长短两种规格。圆截面长试件其工作段长度（也称标距）， l 0 = 10d 0，短试件l 0 = 5d 0（图a）；矩形截面长试件

7、，短试件 ，A 0为横截面面积（图b）。金属材料的压缩实验，一般采用短圆柱形试件，其高度为直径的1.5倍（图c）。 003 .11Al 0065. 5Al 材料实验设备电子万能实验机电子万能实验机 现代的电子万能实验机适现代的电子万能实验机适用于金属薄板，金属丝，橡胶，用于金属薄板，金属丝，橡胶，塑料及其他材料的机械性能及塑料及其他材料的机械性能及断裂性能的测试与研究，可广断裂性能的测试与研究，可广泛应用于机械、材料泛应用于机械、材料、冶金冶金、航空航空、汽车汽车、医学等许多领域医学等许多领域。实验机具有等速率载荷实验机具有等速率载荷，等速等速率行程率行程，等速率应变等多种控等速率应变等多种控

8、制模式制模式，可根据实验要求实现可根据实验要求实现控制模式的自动转换控制模式的自动转换. 金属材料拉伸实验 (tensile test )试验条件：常温，静载，标准试件。试验条件：常温，静载，标准试件。应力应力-应变（应变（-）曲线曲线屈服点和抗拉强度是衡量材料强度的两个重要指标。如Q235钢：s =235MPa b=400MPa分四个阶段：分四个阶段：1、弹性阶段、弹性阶段比例极限比例极限 P弹性极限弹性极限 e遵守虎克定律遵守虎克定律2、屈服阶段、屈服阶段屈服极限屈服极限 s3、强化阶段、强化阶段强度极限强度极限 b4、局部变形阶段、局部变形阶段材料常数：材料常数：弹性模量弹性模量 E 泊

9、松比泊松比 塑性材料低碳钢的应力塑性材料低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线 E0AFbb0AFPP0AFss低碳钢的拉伸与压缩拉压屈服极限相等拉压屈服极限相等 ts= cs脆性材料的应力-应变曲线强度极限强度极限 b脆性材料如铸铁脆性材料如铸铁压拉bb1.2 金属材料的弹性变形弹性弹性：材料受力发生变形，当外力撤消后，材料恢复原始状态的能力称为弹性。EUe22E刚度刚度：材料抵抗变形的能力。虎克定律：线性的应力-应变关系弹性比功弹性比功 弹性能弹性能：金属材料吸收变形功而不发生永久变形的能力。这部分储存的能量称为弹性能。比如弹簧作为减震元件。弹性常数：弹性常数： 弹性模量 E； 剪切弹性模量

10、G； 泊松比弹性极限：弹性极限：比例极限P 弹性极限e P与e十分接近 如Q235钢： E =200GPa =0.28 P=200MPa广义虎克定律： 一般应力状态下各向同性材料的广义虎克定律为：一般应力状态下各向同性材料的广义虎克定律为： 已知在单向应力状态下应力和应变的关系为：已知在单向应力状态下应力和应变的关系为： 其中其中G剪切弹性摸量：剪切弹性摸量：主应力状态下的主应变： 1.3金属材料的强度指标 s 、b强度强度就是金属材料在外力作用时，抵抗变形和破坏的能力。就是金属材料在外力作用时，抵抗变形和破坏的能力。工程上的强度破坏有两种含义：工程上的强度破坏有两种含义：1. 屈服屈服 2.

11、 断裂断裂上述指标与合金化、热处理和冷热加工关系极大。热处理是提高零件强度的重要手段。塑性材料的主要破坏形式为屈服，其强度指标为：塑性材料的主要破坏形式为屈服，其强度指标为： 屈服极限屈服极限 s如Q235钢：s =235MPa脆性材料的主要破坏形式为断裂，其强度指标为：脆性材料的主要破坏形式为断裂，其强度指标为： 强度极限强度极限 b如灰铸铁HT150：b拉=150MPa b压=650MPa通常所说的材料强度是指材料承受拉力时的强度。工作应力工作应力通过计算所得构件的实际应力。许用应力许用应力工作应力的最大允许值。强度条件：强度条件： nu抗拉强度表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力，是失

12、效应力。失效应力。 条件屈服极限0.2确定没有明显屈服阶段材料的屈服强度，如：合金钢条件屈服极限(名义屈服极限)0.2：以卸载后产生的0.2% 残余应变的应力值作为屈服应力。铝镁合金，铜合金，中碳合金结构钢等都如此。如不锈钢Cr17的0.2 = 205MPa影响屈服强度的因素 影响屈服强度的内在因素有：影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化

13、是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。 影响屈服强度的外在因素有：影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。屈服强度的工程意义 传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应

14、力=ys/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力=b/n，安全系数n一般取6。 需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。 屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。 1.4 金属材料的塑性变形延伸率和试件有关，必须选用标准试件。对于塑性材料来说，这两个指标愈大表示材料的塑性

15、愈好。金属材料一般分为塑性材料和脆性材料， 5%称塑性材料，否则称脆性材料。金属材料在外力作用下，材料产生塑性变形，而不破断的能力，称为塑性塑性。工程上的常用的材料塑性指标有：延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 00lll 00AAA塑性指标塑性指标卸载与重新加载行为卸载与重新加载行为 卸载定律：成比例地卸载。卸载定律：成比例地卸载。重新加载：第二次加载时，材料的比例极限得到提高，而塑性变形和伸长重新加载：第二次加载时，材料的比例极限得到提高，而塑性变形和伸长率有所降低。率有所降低。塑性的实际意义 试样拉断时所测得的条件延伸率试样拉断时所测得的条件延伸率 主要反映了材料均匀变形的能主要反映了材

16、料均匀变形的能力，而断面收缩率力，而断面收缩率 则主要反映了材料局部变形的能力。如试样则主要反映了材料局部变形的能力。如试样的的 ，说明拉断时不产生颈缩，反之发生颈缩的试样，其，说明拉断时不产生颈缩，反之发生颈缩的试样，其 。在常温下，材料经加载到产生塑性变形后卸载，由于材料经历过强化，在常温下，材料经加载到产生塑性变形后卸载，由于材料经历过强化，从而使其比例极限提高、塑性性能降低的现象称为从而使其比例极限提高、塑性性能降低的现象称为冷作硬化冷作硬化。金属受力变形超过屈服极限后，随着塑性变形量的增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。冷作硬化现象冷作硬化现象加工硬化现象：加工硬化现象：几种常用材

17、料的主要力学性能几种常用材料的主要力学性能 材料名称材料名称牌 号屈服点s/MPa抗拉强度b /MPa伸长率5(%)普通碳素钢(GB/T700 1988)Q235Q275240280380 470500 62025 2719 21优质碳素钢(GB/T699 1988)45503603906106601613普通低合金钢(GBT/1591 1994)Q345BQ390B280 3503340 420480 520500 56019 2117 19合金结构钢(GB/T3077 1988)40Cr（调质）40MnB（调质）550 800500 800750 1000750 10009 1510 12

18、铝合金(GB/T3190 1996)2A112A90110 240280210 4204201813球黑铸铁(GB/T1438 1988)QT400 18QT600 3280 320400 440380 420580 62017 193灰铸铁(GB/T9439 1988)HT15 0HT200 1002801603201.7 硬度 金属材料抵抗塑性变形的能力愈大，其硬度也愈大。材料的硬度金属材料抵抗塑性变形的能力愈大，其硬度也愈大。材料的硬度和强度之间存在一定的关系，可以通过对硬度的测量来判断材料的强和强度之间存在一定的关系，可以通过对硬度的测量来判断材料的强度。因此，硬度的测量是检验产品质量

19、必不可少的手段，也是设计图度。因此，硬度的测量是检验产品质量必不可少的手段，也是设计图纸要求的技术参数之一。纸要求的技术参数之一。 硬度并不是金属独立的基本性能。金属材料表面局部抵抗塑性变形与破坏的能力，用硬度硬度来描述。 硬度试验按其试验方法的物理意义可分为刻划硬度、回跳硬度(肖氏硬度)和压入硬度。刻划硬度主要表征金属抵抗破裂的能力 ；压入法型硬度试验则表征金属抵抗变形的能力；回跳硬度主要表征材料弹性比功大小 。 生产中应用最多的是压入法型硬度，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。 硬度的测量必须在专门的硬度实验机上进行。常用的硬度指标压头为淬火钢球（压头为淬火钢球（HBS）或硬质合

20、金）或硬质合金（HBW），测压痕的平均直径，算出面），测压痕的平均直径，算出面积。压痕比较大，精度高，有较大伤痕，积。压痕比较大，精度高，有较大伤痕，操作费时，测较软的材料。操作费时，测较软的材料。HBS范围：范围：HB 450HBW范围：范围：HB450 650布氏硬度（布氏硬度（HB，HBS，HBW）布氏硬度计布氏硬度计如 120HB)(N/mm HB2SF布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验的优缺点和适用范围：布氏硬度试验的优缺点和适用范围： 优点：优点：代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组

21、成相 的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。 缺点：缺点：钢球本身变形问题。对HB450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。此外，因需测量d值，故被测处要求平稳，操作和测量都需较长时间，故在要求迅速检定大量成品时不适合。洛氏硬度（洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）洛氏硬度洛氏硬度HR表示洛氏硬度，由洛氏硬度实验测定。其原理是用120金刚石圆锥或钢球为压头，在规定的载荷下，压入被测金属表面，测压痕深度，压痕越深，硬度越小。由于压头及载荷不同又分为HRC、HRB、HRA

22、，以HRC最常用。HRC的压头为120金刚石圆锥，载荷1.471kN。洛氏硬度值为一无名数，HRC硬度值为两位数，范围HRC2070，适合测量较硬的材料，如淬火钢等。 洛氏硬度洛氏硬度操作简便，可直接读数，压痕小，应用广操作简便，可直接读数，压痕小，应用广泛。适合测较硬的材料，但读数分散，应取平均值。泛。适合测较硬的材料，但读数分散，应取平均值。如如 HRC50洛氏硬度试验的优缺点洛氏硬度试验的优缺点 优点优点： 1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题； 2)压痕小，不伤工件表面； 3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点缺

23、点：用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。 洛氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度（维氏硬度（HV） 压头为棱角为压头为棱角为136金刚石四金刚石四棱锥，所用载荷较小。可测棱锥，所用载荷较小。可测极软到极硬的材料。可配合极软到极硬的材料。可配合显微镜，测显微硬度。显微镜，测显微硬度。如如 200HV维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度具有许多优点：维氏硬度具有许多优点：它不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏硬度那种硬度值无法统一的问题。而它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度，这点只有洛氏表面硬度级才能做到。但即

24、使在这样的条件下，也只能在该洛氏级内进行比较，和其它硬度级统一不起来。此外洛氏硬度由于是以压痕深度为计量指标，而压痕深度总比压痕宽度要小些，故其相对误差也越大些。因此，洛氏硬度数据不如布氏、维氏稳定，当然更不如维氏精确。 唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。 2、金属的缺口冲击韧性试验冲击韧性又称为韧性韧性，是指材料抵抗冲击载荷的能力。 SAkkK冲击韧性 J/cm2S试样缺口处的截面积cm2夏比冲击功夏比冲击功 AK冲击能量（焦耳J）对标准试件用Ak表示摆锤冲击仪摆锤冲击仪 本仪器根据本仪器根据ASTMASTM，ISOISO，DINDIN，UNI

25、UNI，AFNORAFNOR等主要国际标准设计，用来进行单向等主要国际标准设计，用来进行单向冲击试验。冲击试验。 完善的配置使该仪器可以进行完善的配置使该仪器可以进行IZODIZOD和和CHARPYCHARPY冲击，以及拉伸冲击和冲击，以及拉伸冲击和DYNSTATDYNSTAT等多等多种试验，可提供最高能量为种试验，可提供最高能量为25J25J的校正摆锤。的校正摆锤。 数据和结果管理系统在两种不同的环数据和结果管理系统在两种不同的环境下作业。仪器控制环境允许输入数据和存境下作业。仪器控制环境允许输入数据和存储结果，这对生成仪器控制图是必要的。储结果，这对生成仪器控制图是必要的。 试验环境用于输

26、入存储和计算试验数试验环境用于输入存储和计算试验数据（最多可存储据（最多可存储5050个实验数据）并且能打印个实验数据）并且能打印出试验报告，独特的安全性考虑防止操作者出试验报告，独特的安全性考虑防止操作者在危险条件下使用仪器。在危险条件下使用仪器。 以上讨论的金属材料的强度、塑性、硬度、韧性等基本力学性能指标中，真正独立的是以上讨论的金属材料的强度、塑性、硬度、韧性等基本力学性能指标中，真正独立的是强度强度和和塑性塑性。强度表示对变形和破坏的抵抗能力；塑性表示塑性变形的能力；硬度表示对局。强度表示对变形和破坏的抵抗能力；塑性表示塑性变形的能力；硬度表示对局部塑性变形的抵抗能力，它与强度密切相

27、关；韧性受强度和塑性的综合影响。部塑性变形的抵抗能力，它与强度密切相关；韧性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，常常以因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常以强度强度和和塑性塑性作为主要指标。作为主要指标。金属的常温力学性能如金属的常温力学性能如断裂韧性的评定：断裂韧性的评定：以型裂纹为准，通过试验测定。裂纹尖端是应力集中点。裂纹尖端应力场，应力强度因子KI ，断裂韧性断裂韧性KIC ：裂纹失稳的 临界值当 时，裂纹失稳扩展，发生脆断。3、金属的断裂韧性（fracture toughness）带裂纹金属材料，易发生低应力脆断。与裂纹扩展有密切关系。金属材料抵抗脆性断裂性能

28、的指标称为断裂韧性断裂韧性。按断裂力学的观点：裂纹在工作应力作用下失稳扩展，导致构件的破坏。三类裂纹扩展形式：张开型（型），滑开型（ 型），撕开型（ 型）以张开型，即型裂纹为较常见，且较危险。ICIKK ）MN/m（ 23ICYaKc）MN/m（ 23IaYK影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素 如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗脆断能力。因此必须了解断裂韧性是受那些因素控制的。影响断裂韧性的高低，有外部因素如板材或构件截面的尺寸，服役条件下的温度和应变速率等，而内部因素则有材料的强度，材料的合金成分和内部组织。4、金属材料在交变载荷下的力学行为金属材料承受多次交变应力的作用，而不发生断裂的能

29、力称为疲劳强度，又称疲劳极限疲劳极限 -1 。疲劳的概念疲劳的概念 在重复的加载和卸载条件（交变应力作用）下，当应力小于材料在静载荷下的极限强度（抗拉强度或屈服强度）时，金属材料会突然断裂，这种现象称为材料的疲劳断裂疲劳断裂。破坏所需的应力随应力循环次数的增加而减小。绝大多数机械零件的破坏属于疲劳破坏。如汽轮机叶片、轴等。4.1 4.1 金属疲劳破坏特点：金属疲劳破坏特点：1 1、引起疲劳断裂的应力远低于静载、引起疲劳断裂的应力远低于静载的破坏应力；的破坏应力；2 2、经多次应力循环，疲劳破坏是累、经多次应力循环，疲劳破坏是累积损伤过程；积损伤过程；3 3、无明显塑性变形，是突然脆断，、无明显

30、塑性变形，是突然脆断，有很大的危险性；有很大的危险性；4 4、破坏的断口有明显的裂纹源（疲、破坏的断口有明显的裂纹源（疲劳源），裂纹扩展区（光滑区）和断劳源），裂纹扩展区（光滑区）和断裂区（粗粒状区）。裂区（粗粒状区）。叶片的疲劳破坏叶片的疲劳破坏疲劳破坏过程疲劳破坏过程4.2 4.2 疲劳断口疲劳断口 一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成 4.3 S-N曲线和疲劳极限（又称持久极限）曲线和疲劳极限（又称持久极限） 通过耐久实验测得疲劳极限。 金属的疲劳强度随应力循环的类型，循环的次数而改变。 应力幅a ， 循环特征r， r = -1，称为对称循环 r = 0，

31、 脉动循环maxminr疲劳极限疲劳极限 -1对称循环下，循环次数107左右而不发生断裂时的最大应力。是评定疲劳失效的性能指标。-1Nmaxo 疲劳强度曲线疲劳实验通过对称循环下的 -N曲线测疲劳极限低周疲劳低周疲劳 寿命小于104 的疲劳问题。如转子温度应力引起的疲劳高周疲劳高周疲劳 寿命高于104的疲劳问题。bbb）（）（）（扭拉弯29. 023. 059. 033. 05 . 04 . 01114.4 疲劳强度与抗拉强度的比较疲劳强度与抗拉强度的比较对屈强比（ s / b ）不同的材料：）（）（拉弯bsbs23. 027. 011对铸铁对铸铁弯扭拉弯）（111101. 179. 04 .

32、 045. 0bb对钢对钢影响疲劳强度的因素很多影响疲劳强度的因素很多材料本身的影响材料本身的影响 材质，组织结构。强度、塑性越好，抵抗疲劳的能力越高，若存在夹杂等缺陷，容易成为疲劳源，降低疲劳强度。构件外形的影响构件外形的影响 应力集中促使疲劳裂纹形成，沟槽圆角半径等，减小尺寸差异，圆滑过渡。构件尺寸的影响构件尺寸的影响 疲劳极限随截面的尺寸增大而降低。尺寸因数加工质量的影响加工质量的影响 表面光洁度高，疲劳寿命长，表层缺陷影响疲劳寿命工作环境的影响工作环境的影响 若在腐蚀性介质中工作，腐蚀性介质侵入微裂纹后，促使零件产生疲劳失效。提高构件疲劳强度的主要措施提高构件疲劳强度的主要措施1、改善

33、外形设计，最大限度地减小应力集中。如：采用过度圆角，减小尺寸过度，采用凹槽结构，设置卸载槽，将必要的孔与槽设置在低应力区等。2、减小构件截面尺寸。截面尺寸大易产生疲劳，材料的静强度愈高，截面尺寸大小对疲劳极限的影响愈显著。3、改善表面加工质量，提高表面光洁度，使材料组织均匀。减少各种表面缺陷，如刀痕、擦伤。4、对材料表面进行处理（如喷丸、化学热处理）使表面形成残余应力。疲劳源绝大多数是先从表面产生的，表面强化处理可以提高疲劳强度。5、材料在环境介质作用下的力学行为金属腐蚀的形态可分为全面（均匀）腐蚀和局部腐蚀两大类。前者较均匀地发生在全部表面，后者只发生在局部。例如孔蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀，应

34、力腐蚀破裂，腐蚀疲劳，氢腐蚀破裂，选择腐蚀，磨损腐蚀，脱层腐蚀等 。金属的腐蚀类型金属的腐蚀类型金属腐蚀类型金属腐蚀类型全面（均匀）腐蚀全面（均匀）腐蚀 ： 金属表面的全部或大部都发生腐蚀，腐蚀程度大致是均允的。 孔孔 蚀：蚀： 孔蚀是高度局部的腐蚀形态。金属表面的大部分不腐蚀或腐蚀轻微, 只在局部发生一个或一些孔。 缝隙腐蚀缝隙腐蚀 是孔蚀的一种特殊形态，发生在缝隙内（如焊、铆缝、垫片或沉积物下面的缝隙），破坏形态为沟缝状，严重的可穿透。 脱层腐蚀脱层腐蚀 在金属层状结构层与层之间产生腐蚀，先垂直向内发展，然后改变方向，有选择地腐蚀与表面平行的物质。腐蚀产物的膨胀力使未腐蚀的表层成层状脱离晶

35、间腐蚀晶间腐蚀 腐蚀从表面沿晶粒边界向内发展，外表没有腐蚀迹象，但晶界沉积疏松的腐蚀产物。由金相显微镜可看到晶界呈现网状腐蚀严重的晶间腐蚀可使金属失去强度和延展性，在正常载荷下碎裂 选择性腐蚀选择性腐蚀 工业合金含有不同成分和杂质，具有不同的结构，耐蚀性也有差别。 磨损腐蚀磨损腐蚀 金属表面受高流速和湍流状的流体冲击，同时遭到磨损和腐蚀的破坏，称为磨损腐蚀。 材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏叫应力腐蚀应力腐蚀。 (1)造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。这个应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热

36、处理产生的残留拉应力。 (2)应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。 (3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。例如黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而黄铜在水中就能破裂。 (4)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 (5)应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 (6)应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 (7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有

37、分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。 (8)应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。5.1 应力腐蚀应力腐蚀5.2 氢氢 脆脆 (1)实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速,则为应力腐蚀,而当施加一小阴极电流,使开裂加速者则为氢脆。 (2)在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小，这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。 (3)断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂

38、纹是截然不同的。氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式，但就具体的金属-环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。例如，在淬火回火钢中氢脆常沿着原奥氏体晶界扩展；而在钛合金中容易形成氢化物，裂纹是沿着氢化物与基体金属的界面上发展。 (4)氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 (5)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小，当形变速率大于某一临界值后，则氢脆完全消失。氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则

39、影响较大。 氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：5.3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 (1)应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。(2)对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子K1SCC，这是材料固有的性能，当外加应力强度因子K1K1SCC，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使KmaxK1SCC，疲劳裂纹仍旧会扩展。(3)应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。(4)在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，总是高于整体环境的平均值。而腐蚀疲劳在交变应力作用下，裂纹不断的张开与闭合

40、，促使介质的流动，所以裂纹尖端溶液的酸度与周围环境的平均值差别不大。材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做腐蚀疲劳腐蚀疲劳。 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 特点：特点：6、 金属材料的磨损 两种金属实际的接触区域已发生塑性变形，随着外加载荷的增大，一方面塑性变形自接触界面向内部延伸，另一方面更加大了接触面积。在这些接触的局部区域中，由于摩擦热使局部达到很高温度，并使某些位置焊合起来当焊合处的切力F=t较大时，将使此区剪断。剪断下的碎片就是磨屑。 影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。(2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。 (3)

41、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使摩擦系数减小，起到减磨作用，也减小粘着磨损。(4)改善润滑条件，如在润滑油中添加极压剂。(5)粘着磨损严重时表现为胶合。运动的摩擦副，主要表现为粘着磨损。6.1 粘着磨损粘着磨损6.2 磨粒磨损磨粒磨损 当硬颗粒例如岩石砂子或某些硬金属碎片等，在压力作用下滑过或滚过零件表面时，就产生磨粒磨损磨粒磨损。 磨粒磨损机理磨粒磨损机理 (1)微观切削磨损机理 (2)多次塑变导致断裂的磨损机理 (3)微观断裂磨损机理影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素 (1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。 (2)外界载荷大小、滑动距离及

42、滑动速度。 (3)材料自身的硬度及内部组织。磨粒磨损分类磨粒磨损分类(1)(1)低应力划伤式的磨料磨损低应力划伤式的磨料磨损 (2)(2)高应力辗碎式的磨料磨损，高应力辗碎式的磨料磨损， (3)(3)凿削式磨料磨损凿削式磨料磨损 6.3 接触疲劳接触疲劳工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点点蚀或麻点磨损。蚀或麻点磨损。 接触疲劳类型接触疲劳类型 1裂纹源于次表面的麻点剥落； 2. 裂纹源于表层的麻点剥落； 3. 裂纹源于硬化层与心部交界处的表层剥

43、落 ； 影响接触疲劳寿命的若干因素：影响接触疲劳寿命的若干因素： 接触疲劳寿命首先取决于加载条件，特别是载荷大小。此外，还与许多其它因素有关，这里仅简叙其中若干有代表性的因素。 1非金属夹杂物 2马氏体含碳量 3剩余碳化物颗粒大小和数量 4硬度 第三 篇 金属材料的高温性能 金属材料的高温力学性能耐热钢的化学稳定性钢在高温下的组织转变温度载荷一、金属材料的高温力学性能抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力；在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性；具有良好的加工性能及焊接性能；按照不同用途有合理的组织稳定性。钢在高温下的性能要求钢在高温下的性能要求钢在高温下能够保持化学稳定性（耐腐蚀、不起皮）

44、的品质。热稳定性热稳定性：钢在高温下具有足够强度的品质。即钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力热强性热强性：1 温度对金属材料性能的影响工作温度的升高工作温度的升高 ，一方面影响钢的化学稳定性；另一，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。方面降低钢的强度。常温下晶界强度高于晶内强度。高温下，晶内强度高于晶界强度。等强温度：等强温度：晶界强度与晶内强度相等的温度在室温下，钢的力学性能与加载时间无关，但在高温下钢的强度及变形量不但与温度有关，而且与时间有关。温度对强度的影响温度 强度应力MPaote晶界强度晶内强度常温下，穿晶破坏，穿晶破坏，塑性断裂高温下，沿晶破坏，沿晶破坏

45、，脆性断裂晶粒度晶粒度对钢材强度的影响在常温下和高温下的意义不同。金属在高温下的性能评定金属在高温下的性能评定 瞬时性能瞬时性能是指在高温条件下进行常规力学性能试验所测得的性能指标。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。其特点是高温、短时加载 ，一般说来瞬时性能是钢热强性的一个侧面，所测得的性能指标一般不作设计指标，而是作为选择高温材料的一个参考指标。必须用热强性热强性来评定金属材料的高温性能，包括高温条件下的瞬时性能瞬时性能和长时性能长时性能。 长时性能长时性能是指材料在高温及载荷共同长时间作用下所测得的性能。常见的性能指标有：蠕变极限蠕变极限、持久强度持久强度、应力松驰、高温疲劳强度和冷热疲劳

46、等，这是评定高温材料必须建立的性能指标。金属在一定的温度和应力（低于屈服极限）的作用下，产生缓慢金属在一定的温度和应力（低于屈服极限）的作用下，产生缓慢而连续的塑性变形现象。而连续的塑性变形现象。原子热运动作用大致有两方面：（1）在应力作用下原子直接大量地定向扩散（2）协助受阻位错克服障碍重新运动2 蠕变现象 碳素钢超过350，合金钢超过350400有蠕变现象。温度越高，蠕变越显著。蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的，与原子热运动有关。 蠕胀：蠕变的变形量蠕胀：蠕变的变形量典型蠕变分三个阶段典型蠕变分三个阶段蠕变曲线蠕变曲线ab蠕变第蠕变第1阶段。阶段。减速蠕变阶段 ，过渡蠕变阶段，不稳定阶

47、段，蠕变速度快。bc蠕变第蠕变第2阶段。阶段。恒速蠕变阶段，稳定阶段，等速阶段。 为常数cd蠕变第蠕变第3阶段。阶段。加速蠕变阶段，最后阶段，不能计入零件寿命期。d/doa开始部分，为加载引起的瞬时变形应力和温度对蠕变曲线有很大影响。应力和温度对蠕变曲线有很大影响。金属的蠕变的速率与应力和温度的关系nssA理想材料的蠕变曲线应满足理想材料的蠕变曲线应满足第一阶段的起始蠕变量小第二阶段的蠕变速率低要有明显的第三阶段，以预示蠕变危险点的到来 蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小时。一般在高温下工作的部件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。因此人们对蠕变第二阶段特别关注。 蠕变极限蠕变极限在规定温度下，

48、引起规定蠕变速率蠕变速率的应力值（蠕变第二阶段的蠕变速率）时，把对应的应力值定义为条件蠕变极限。 其中T为规定温度， 为第二阶段蠕变速率%/h 表示为MPa935801015MPaT这是为保证在高温长时间载荷作用下，零件不致产生过量塑性变形的抗力指标。两种表示方法：两种表示方法：如在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总变形量总变形量，其所对应的应力值确定为蠕变极限。即规定的时间内，引起规定的蠕变变形量的应力值。火电厂中，配合间隙要求高的，设计时以蠕变极限作为强度指标。如叶片，叶轮，隔板，汽缸。MPa/TtMPa10050010/ 15如500 下，规定的时间为105h（约合12年）

49、，总变形量小于1%，蠕变强度写成：蠕变强度的第二种表示法：蠕变强度的第二种表示法：3、持久强度持久塑性持久塑性在高温下，材料断裂的延伸率和断面收缩率。衡量材料蠕变脆化的重要指标 锅炉不低于3%5%持久强度持久强度材料在规定温度下，规定的持续时间内引起断裂的最大应力值。 MPa100700105MPaTt 对某些高温零件，如锅炉中的过热蒸气管，对蠕变变形要求并不严格，主要是要求在使用期间不发生爆破，因此，对过热蒸气管的主要性能要求为持久强度，在设计时以持久强度作依据。 是高温强度计算的重要指标之一，如锅炉设计影响蠕变极限和持久极限的因素影响蠕变极限和持久极限的因素C0.4%时，高温强度随碳增加而

50、增加，不同钢种有最佳值。加入B强化晶界，减小有害元素S等。Mo可提高材料高温强度。V，Nb，Ti可强烈形成碳化物，在钢中形成弥散分布的沉淀相，有良好强化效果 。使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动。大力强化晶界，避免晶间开裂。提高材料高温强度关键在于主要取决于材料的化学成分：4 应力松弛紧固件、密封件、弹簧、弹簧片等易产生松弛。常常数数ep0初始变形初始变形弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形0ep高温下，金属材料总变形量保持不变，工作应力逐渐降低的现象。弹性变形 塑性变形， 应力松弛是蠕变的结果 应力松驰分应力松驰分两个两个阶段阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限很小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，材料中应力的降低值来表征材料抗松驰性能。应力松弛曲线应力松弛曲线时间应力maxo 1102 2第第1 1阶段：阶段：应力随时间急剧降第第2 2阶段：阶段： 0 初始应力初始应力 1 经过时间经过时