电厂金属材料ppt课件

1、电厂金属材料电厂金属资料知识点既分散又衔接，第一章根底知识是根底；知识点既分散又衔接，第一章根底知识是根底；与金属资料与金属资料“失效分析关系亲密；失效分析关系亲密；预习、复习；预习、复习；多动手实际实验课程、金工实习；多动手实际实验课程、金工实习；多看参考书多看参考书( (包括利用网上资料包括利用网上资料) )；其它上课、作业、答疑。其它上课、作业、答疑。电厂金属材料第一章 金属资料的根底知识电厂金属材料第一节第一节 金属资料的性能金属资料的性能 金属资料顺应冷热加工的才干，称为加工工艺性能，简称工艺性能。工艺性能好的资料易于接受加工，消费本钱低；工艺性能差的材科在接受加工时工艺复杂、困难，

2、不易到达顶期的效果，加工本钱也高。一、金属资料的工艺性能 (一)铸造性能 金属资料的消费，多数是经过冶炼、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才干，称为金属的铸造性能。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。电厂金属材料 流动性是指金属对铸型填充的才干。金属的流动性好，流动性是指金属对铸型填充的才干。金属的流动性好，可以浇注成外观整齐、薄而外形复杂的零部件。可以浇注成外观整齐、薄而外形复杂的零部件。在常见的金属资料中，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，称为体积收收缩率

3、是指铸件冷凝过程中体积的减少率，称为体积收缩率。缩率。金属自液态凝结成固态时体积都要减少，使铸件构成缩孔和疏松，即构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，由于种种缘由会呵斥化学成分的不均匀，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，在消费过程中应予以消除。电厂金属材料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。资料接受锻压成型的才干，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。金属接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

4、性能取决于资料的成分、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。随着含碳量的添加，钢的可锻性降低。合金钢的可锻性略逊于碳钢。普通情况下，合金钢中合金元素含量越多，其可锻性越差。铸铁那么不能接受锻造加工。电厂金属材料金属的冷热弯曲性能也取决于资料的塑性和强度。资料接受弯曲而不出现裂纹的才干，称为弯曲性能。普通用弯曲角度或弯心直径与资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)焊接性能金属资料采用一定的焊接工艺、焊接资料及构造方式，优质焊接接头的才干，称为金属的焊接性。在电厂中有大量金属构造件是用焊接方法衔接的，如锅炉管道、支架、蒸汽

5、导管、管道、风管、汽包、联箱等。电厂金属材料 金属的焊接性能主要取决于资料的化学成分，也取决于所采金属的焊接性能主要取决于资料的化学成分，也取决于所采用的焊接方法、焊接资料用的焊接方法、焊接资料(焊条、焊丝、焊药焊条、焊丝、焊药)、工艺参数、工艺参数、构造方式等。构造方式等。 衡量一种资料的焊接性，需求做焊接性实验。衡量一种资料的焊接性，需求做焊接性实验。 影响钢的焊接性能的主要要素是钢的含碳量，随着含碳虽的影响钢的焊接性能的主要要素是钢的含碳量，随着含碳虽的添加，焊后产生裂纹的倾向增大。钢中其它合金元素的影响添加，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

6、响都折合成碳的影响，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：即为碳当量。其计算公式为：电厂金属材料）（%15CuNi5VMoCr6MnCCe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厉的工艺措施。(四)切削性能金属资料接受切削加工的难易程度，称为切削性能。 金属的切削性能与资料及切削条件有关，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，属于难加工资料。通常，资料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度假设太低时，容

7、易出现“粘刀景象，光洁度也较差。普通情况下金属接受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。电厂金属材料二、金属资料的力学性能 力学性能是指金属资料在外力作用下，所表现出来的抵抗变形力学性能是指金属资料在外力作用下，所表现出来的抵抗变形和破坏的才干以及接受变形的才干。和破坏的才干以及接受变形的才干。一强度和塑性强度是衡量资料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的才干。塑性强度是衡量资料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的才干。塑性是衡量资料在外力作用下接受变形的才干。是衡量资料在外力作用下接受变形的才干。拉伸实验是测定强度和塑性的最普遍方法，该实验根据国家规范拉伸实验是测定强度和塑性的最普遍方法，该

8、实验根据国家规范目前通用的规范为目前通用的规范为GB/T 2282019进展，将资料制形成规范进展，将资料制形成规范试样或比例试样，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，试样随拉力的添加而变形，直至断裂。测得资料的弹性极限、屈试样随拉力的添加而变形，直至断裂。测得资料的弹性极限、屈服极限、强度极限及塑性等主要力学性能目的。服极限、强度极限及塑性等主要力学性能目的。电厂金属材料电厂金属材料1拉伸试样拉伸试样电厂金属材料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

9、/L0。拉伸曲线的外形与资料有关，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，伸长量与载荷的添加成正比。假设此时卸除载荷，试样立刻回复原状，即试样产生的变形为弹性变形。当载荷超越b点以后，试样会进一步产生变形，此时假设卸除载荷，试样的弹性变形消逝，而另一部分变形那么保管下来，这种不能恢复的变形称为塑性变形。电厂金属材料 强度是资料抵抗塑性变形或断裂的才干。经过拉伸实验所测得的常用的强度目的有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是资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资料屈服时的载荷N； S0试样原始横

10、截面积mm2。3.强度强度)N/mm(20SFRse电厂金属材料 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初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。普通机械零件和工程构件都不允许在运用中产生塑性变形，否那么会因失效而发惹事故，所以ReL屈服强度是机械设计和工程设计中的重要根据。抗拉强度是资料在拉断前所接受的最大应力值。用符号Rm表示，单位是N/mm2或MPa，其大小为资料最大载荷与试样原始横截面积的比值表示，即： )N/mm(20bmSFR 式中： Fb资料屈服时的载荷N； S0试样原始横截面积

11、mm2。电厂金属材料%10000uLLLA4塑性塑性金属资料的塑性指金属资料产生塑性变形而不破坏的才干。拉伸实验所测得的金属资料的塑性指金属资料产生塑性变形而不破坏的才干。拉伸实验所测得的塑性目的有断后伸长率和断面收缩率。塑性目的有断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率，又称延伸率，规范试样的断后伸长率用断后伸长率，又称延伸率，规范试样的断后伸长率用A A表示，指试样被拉断后，表示，指试样被拉断后，其标距部分所添加的长度与原标距比值的百分率。即：其标距部分所添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应附下脚注阐明所运用的比例系数，例

12、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应附以下脚标注阐明所运用的原始标距，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，叫金属资料的断面收缩率，用符号分率，叫金属资料的断面收缩率，用符号Z表示。表示。电厂金属材料二硬度二硬度金属资料的硬度通常是指资料外表抵抗更硬物体压入时所引起部分塑性变形的金属资料的硬度通常是指资料外表抵抗更硬物体压入时所引起部分塑性变形的才干。才干。常见的硬度目的有布氏硬度常见的硬度目的有布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬

13、度(HR)、维氏硬度、维氏硬度(HV)和里氏硬和里氏硬度度(HL)等。等。 1布氏硬度HB电厂金属材料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，适用于丈量布氏硬度450的资料；当压头材质为硬质合金时，布氏硬度用HBW表示，适用于丈量布氏硬度在450650范围内的资料。布氏硬度值的表示方法为：硬度值+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷坚持时间1015秒不标注。例如，180HBS10/1000/30,表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，坚持30秒测得的布氏硬度值为120。)kgf/mm(SFHB2)dDD(DS22电厂金属材料2洛氏硬度洛氏硬度(H

14、R)用一定载荷将压头压入资料外表，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，实验规范见表3-1 。电厂金属材料符号压头类型总载荷（kgf）适用范围HRC120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HRA120金刚石圆锥60硬而薄的硬质合金或表面淬火钢实验规范实验规范电厂金属材料3维氏硬度维氏硬度HV维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为的正四棱锥金刚石压头压入试样的正四棱锥金刚石压头压入试样外表，坚持一定时间后卸除载荷，试样外表就留下压痕，丈量压痕对角线的外表，坚持一定时

15、间后卸除载荷，试样外表就留下压痕，丈量压痕对角线的长度，计算压痕外表积，载荷长度，计算压痕外表积，载荷F除以压痕面积除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏硬所得值即为维氏硬度。维氏硬度用符号度用符号HV表示，计算公式如下：表示，计算公式如下： )(kgf/mmdF1.8544SFHV22电厂金属材料图1-5 维氏硬度实验表示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+实验载荷+载荷坚持时间1015秒不标注。例如，640HV3020表示在实验力30kgf作用下坚持载荷20秒测定的维氏硬度值为640。电厂金属材料4里氏硬度里氏硬度HL

16、 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外表，用冲头在距试样外表冲击试样外表，用冲头在距试样外表1mm处的回弹速度与冲击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：速度的比值计算硬度值。计算公式如下： 式中：式中：vR冲击体回弹速度；冲击体回弹速度； vA冲击体冲击速度。冲击体冲击速度。根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分HLD，HLDC，HLG和和HLC。表示方法为：硬度值。表示方法为：硬度值+冲击安装类型，冲击安装类型，例如例如700HLD表示用表示用D型冲击安装

17、测定的里氏硬度值为型冲击安装测定的里氏硬度值为700。ARvv1000HL 电厂金属材料各种硬度实验因其实验条件的不同而不能直接换算，需求查阅专门的表格进展换算比较。硬度是资料的重要性能之一，普通情况下，资料的硬度高，其耐磨性能也较好。资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陷：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，所以丈量结果具有较高的精度和稳定性。但操作费时，对试样外表有一定破坏。洛氏硬度操作简

18、单，可以直接读出硬度值，且压痕小，不伤工件。缺陷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外表硬化层。里氏硬度操作简单，便携性好，广泛用于现场硬度丈量。电厂金属材料三冲击韧性三冲击韧性k冲击韧性是衡量资料抵抗冲击载荷才干大小的目的，常冲击韧性是衡量资料抵抗冲击载荷才干大小的目的，常用冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单位用冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单位面积所耗费的冲击功。冲击韧性用面积所耗费的冲击功。冲击韧性用k表示，计算公表示，计算公式如下：式如下： 式中：式中： k试样冲断时所耗费的冲击功试样冲断时所耗费的冲击功J； S试样缺口处截面积试样缺

19、口处截面积cm2。）（2kkcmJ/ SA 电厂金属材料影响冲击韧性值大小的要素有资料的化学成份、冶金质量、影响冲击韧性值大小的要素有资料的化学成份、冶金质量、组织形状、外表质量和内部缺陷等。另外，金属资料的冲击组织形状、外表质量和内部缺陷等。另外，金属资料的冲击韧性随温度的降低而下降。韧性随温度的降低而下降。金属资料的强度、塑性、硬度、韧性四者中真正独立的是强金属资料的强度、塑性、硬度、韧性四者中真正独立的是强度和塑性，硬度与强度有极为亲密的关系，韧性是受强度和度和塑性，硬度与强度有极为亲密的关系，韧性是受强度和塑性的综合影响；因此，在鉴别金属资料的力学性能时，经塑性的综合影响；因此，在鉴别

20、金属资料的力学性能时，经常是以强度和塑性为主要目的。常是以强度和塑性为主要目的。 电厂金属材料四疲劳强度四疲劳强度金属资料在远低于其屈服极限的交变应力长期作用下发生的断金属资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景象，称为金属的疲劳。裂景象，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，普通由两个明显的部分组成，见图1-8所示。图中A为疲劳源；D区为疲劳裂纹开展区；G区为瞬时断裂区。疲劳裂纹开展区的特征外表较光滑，另外，裂纹向前扩展时，外表构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

21、金属疲劳损坏的方式失效。电厂金属材料图1-10 资料疲劳断口宏观形貌电厂金属材料2疲劳失效的测定疲劳失效的测定金属资料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为资料金属资料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为资料的疲劳极限强度。它反映资料抗疲劳断裂的才干在一定条的疲劳极限强度。它反映资料抗疲劳断裂的才干在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，资料能够经受无限次件下，当应力的最大值低于某一定值时，资料能够经受无限次循环依然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属资料循环依然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属资料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号的疲劳强度。当交变

22、应力循环对称时，疲劳强度用符号-1表示。表示。通常规定，钢经过107次应力循环仍不破坏，就以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；有色金属那么规定应力循环数为108次或更多次才干确定其疲劳强度。电厂金属材料3影响金属资料疲劳强度的要素影响金属资料疲劳强度的要素资料本身的强度、塑性、组织和材质等影响资料的疲劳强度，资料本身的强度、塑性、组织和材质等影响资料的疲劳强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何外形、加工光洁度和任务环境另外，疲劳强度还与零部件的几何外形、加工光洁度和任务环境等有关。等有关。由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从外表产生和开展的，因由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是

23、先从外表产生和开展的，因此采用外表强化的处置，可以提高疲劳强度。此采用外表强化的处置，可以提高疲劳强度。电厂金属材料 nRRT e RTeR五断裂韧性五断裂韧性关于断裂力学关于断裂力学在工程上选择金属资料的传统方法，是根据零部件的任务条件，对塑性和韧在工程上选择金属资料的传统方法，是根据零部件的任务条件，对塑性和韧性提出一定的要求，并根据该资料的屈服程度性提出一定的要求，并根据该资料的屈服程度Rel或抗拉强度或抗拉强度Rm来计算许用应来计算许用应力值：力值： 式中许用应力，即该资料的最大任务应力；任务温度T时资料的屈服强度；n平安系数。 电厂金属材料裂纹在外力作用下扩展的方式可分为三类，如图裂

24、纹在外力作用下扩展的方式可分为三类，如图1-12所示。这三所示。这三种类型的脆性破坏，以张开型又称为种类型的脆性破坏，以张开型又称为I型的扩展断裂较为常见，型的扩展断裂较为常见，且在外力作用下也较为危险，故近期大量研讨的是且在外力作用下也较为危险，故近期大量研讨的是I型这种裂纹型这种裂纹的扩展及破坏。的扩展及破坏。电厂金属材料2.断裂韧性的评定断裂韧性的评定金属资料的断裂韧性是资料固有的性能，也是经过一定的实验方法测定出来的。金属资料的断裂韧性是资料固有的性能，也是经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、脆性断裂的方式也不同，目前由于验的方法不同，裂纹在外力作

25、用下失稳扩展、脆性断裂的方式也不同，目前常用的断裂韧性计算公式为：常用的断裂韧性计算公式为：）（231CmMNKYac电厂金属材料cac1aYc1脆断应力也和裂纹外形及加力方式有关，即：构件中的裂纹越长a越大，那么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，资料的k1C值越高，那么资料阻止裂纹扩展的才干越强。因此，k1C是资料抵抗裂纹失稳扩展才干的目的，是资料抵抗低应力脆断的韧性参数。断裂韧性在电厂金属资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

26、在高温及复杂的应力形状下运转的，对于这些在特殊形状下任务的金属资料断裂韧性的研讨，就显的更加必要。电厂金属材料一、金属键与晶体构造金属原子的构造特点是：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构成自在电子，金属原子成为正离子，如图1-13所示。自在电子在正离子之间做高速运动，构成带负电的电子气。金属原子间这种正离子与自在电子的电性引力结合，称为金属键。第二节第二节 金属的晶体构造与结晶金属的晶体构造与结晶电厂金属材料 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

27、成整体金属，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：故金属的强度高：自在电子在电场力作用下作定向运动，使金属具有导电性；自在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，因此金属原子在空间金属离子周围的键是等价的、对称的，因此金属原子在空间的位置必需有规那么地陈列且势能最低，即呈晶体构造。的位置必需有规那么地陈列且势能最低，即呈晶体构造。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。金属的这种构造决议了其具有优良的导热性。金属的这种构造决议了其具有优良的导热性。电厂金属材料

28、 取晶格中一个最根本的几何单元来阐明原子陈列的规律性，这个最小的几何单元，称为“晶胞。显然，金属的构造是由大量晶胞在空间堆垛构成。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。 金属资料通常都是晶体，为了便于分析晶体中原子的陈列规律，通常用假想的线条将各原子中心衔接起来，使之构成一个空间格架，这种三维的空间格架，称作“晶格.电厂金属材料常见的晶体构造有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。电厂金属材料一体心立方晶格一体心立方晶格二面心立方晶格二面心立方晶格三密排六方晶格三密排六方晶格电厂金属材料二、晶面、晶向与晶格致密度二、晶面、晶向与晶格致密度 为了研讨方便，可

29、以把金属原子看成球形，并且人为规定与临近的原子是相切的，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。电厂金属材料三、单晶体与多晶体三、单晶体与多晶体假设依晶格中晶胞的长、宽、高取坐标系假设依晶格中晶胞的长、宽、高取坐标系X、Y、Z，将坐标原，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。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方式存在，所以数量级。金属总是以多晶体的方式存在，

30、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。图了。图1-21为多晶体表示图。为多晶体表示图。在自然界中，经常可以看到食盐，方解石的单晶体。电厂金属材料 电厂金属材料四、晶体的缺陷四、晶体的缺陷金属晶体的缺陷按照其几何外形，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。金属晶体的缺陷按照其几何外形，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。一点缺陷一点缺陷 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。位、间隙原子和异质原子。 图图1-23为空位和间隙原子，空位指晶格中某

31、些结点处没有原子，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缘由是由于原子热运动使其逃离晶体结点位置或转移到晶格主要缘由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。间隙中。 图图1-24为异质原子，普通是其他金属或非金属原子置换原晶格中为异质原子，普通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部分变形，即晶格畸变。晶格畸变引起能量升高，使金引起晶格部

32、分变形，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。属的强度、硬度和电阻升高。电厂金属材料电厂金属材料二线缺陷二线缺陷线缺陷又称位错，是指晶体中一列或假设干列原子发生有规律线缺陷又称位错，是指晶体中一列或假设干列原子发生有规律的错排景象。位错有两种类型，最简单的是刃形位错的错排景象。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，随着位错数目的添加，位错的存在对金属的性能有很大影响，随着位错数目的添加，金属强度先降低后添加，所以金属晶体中不含位错或含有大量位金属强度先降低后添加，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。错均能使强度提高。电厂

33、金属材料三面缺陷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、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，在交界的地方原子陈列不能够亚晶界等。在多晶体中相临晶粒的位向不同，在交界的地方原子陈列不能够很规那么，于是产生一层很规那么，于是产生一层“过渡层。相邻晶粒的位向差假设小于过渡层。相邻晶粒的位向差假设小于15度，称作度，称作“小角度晶界，可以看作由许多纵向陈列的同号刃型位错组成；当位向差大小角度晶界，可以看作由许多纵向陈列的同号刃型位错组成；当位向差大于于15度时，称作大角度晶界，随着位向差的添加，

34、晶界的厚度也添加。在实度时，称作大角度晶界，随着位向差的添加，晶界的厚度也添加。在实践金属中多数晶界是大角度晶界。践金属中多数晶界是大角度晶界。在晶界上原子的无规那么陈列，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响，因此容易被腐蚀；晶界原子近于液态构造，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；由于晶界处原子陈列无规那么，金属的塑性变形滑移遭到妨碍，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。电厂金属材料五、纯金属的结晶五、纯金属的结晶 金属资料自液态凝固的过程称为结晶。金属资料自液态凝固的过程称为

35、结晶。一结晶的条件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，金属应以液体形状存在；低于熔点时，金属那么以固体形状存在。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一样，是动态平衡形状。液态金属冷却到镕点时是不能结晶成晶体的，只需冷到低于熔点的温度时，即有一定的“过冷度时才干结晶。过冷度按下式计算： ttRt 式中 ：t过冷度 tR实际熔点 t实践结晶温度电厂金属材料 金属的实践结晶温度可以用热分析法测得。冷却曲线有一程度线段，阐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

36、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形状。当结晶过程终了时，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。曲线上程度线段的长度代表结晶过程的时间。电厂金属材料二结晶的过程二结晶的过程金属的结晶过程普通包括两个过程，即形核过程和晶核长大过程。金属的结晶过程普通包括两个过程，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，熔液中开场出现时聚时散的类似晶体构造形核过程是当温度降到结晶温度时，熔液中开场出现时聚时散的类似晶体构造的小集团，当小集团到达一定临界值时，逐渐稳定，这种最初构成的小晶体的小集团，当小集团到达一定临界值时，逐渐稳定，这种最

37、初构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要素有关，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要素有关，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。来表示。电厂金属材料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，普通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，直到液相耗费终了。晶核长大的速率称为长大率，用单位时间内晶体外表向前推进的线速度表示。电厂金属材料三影响晶粒大小的要素三影响晶粒大小的要素 金属晶粒的大小是影响金属性能的

38、重要要素。金属晶粒的大小是影响金属性能的重要要素。 晶粒大小与常温力学性能的关系为：晶粒越细小，金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。的力学性能越差。 制备细晶粒资料的措施普通为在结晶过程提高形核率制备细晶粒资料的措施普通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要素主要有以和抑制长大率。形核率和长大率的影响要素主要有以下三个方面：下三个方面：电厂金属材料1过冷度影响形核率N和长大率G与过冷度t关系，普通随着过冷度的添加，形核率和长大率先添加后下降。3金属流动与振

39、动在金属结晶时假设添加液体流速或给以机械振动、超声波振动，都将到达添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参与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外表，所以参与高熔点杂质能提高形核率。电厂金属材料四、固态金属的同素异晶转变四、固态金属的同素异晶转变 多数金属结晶后晶格类型坚持不变，但有些金属如铁、锰、多数金属结晶后晶格类型坚持不变，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动，钴、钛、锡等在固态下晶格类型会随温度的变化而发生改动，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由一种晶格向另一种晶

40、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。的过程称为同素异晶转变。电厂金属材料纯铁的同素异晶转纯铁的同素异晶转变在实践消费中有变在实践消费中有重要意义，正是由重要意义，正是由于纯铁可以发生同于纯铁可以发生同素异晶转变，消费素异晶转变，消费中才有能够用热处中才有能够用热处置的方法来改动钢置的方法来改动钢的组织和性能。的组织和性能。电厂金属材料第三节第三节 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形晶体塑性变形的主要方式是滑移和孪生。晶体塑性变形的主要方式是滑移和孪生。一滑移一滑移假设对单晶体锌做拉伸实验，但单晶锌被拉长后，发现锌的外表假设对

41、单晶体锌做拉伸实验，但单晶锌被拉长后，发现锌的外表出现倾斜的近乎平行的细线，称为滑移线。在锌晶体的内部，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。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。 对滑移后的晶体进展对滑移后的晶体进展x射线分析阐明，晶体发生相对浴动后依然射线分析阐明，晶体发生相对浴动后依然是完好的晶体，且晶格位向不变，滑动的间隔是晶格常数的整是完好的晶体，且晶格位向不变，滑动的间隔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，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，称为称

42、为“刚性滑移。发生滑移的晶面，叫做滑移面。刚性滑移。发生滑移的晶面，叫做滑移面。电厂金属材料 1滑移的受力分析滑移的受力分析作用在滑移面上的拉力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可以分解为垂直滑移面的正应力分量，和平行沿移面的切，和平行沿移面的切应力分量应力分量。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。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。只需在伸长，即弹性交形，应力取消时，弹性使变形恢复原状。只需在很大很大很大很大(超超越原子间的结合力越原子间的结合力)时，才干将晶体拉断。时，才干将

43、晶体拉断。晶体在切应力作用下，发生剪切弹性变形。这时，假设取消外力，晶体那么恢复原状。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到达晶体结合力时，切应力分量曾经到达临界切应力值。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景象。电厂金属材料晶体在产生滑移变形时，不是沿着任何晶面都能滑移的，只需在原子最密排的晶面上才干发生滑移。晶体中原子陈列最密的品面，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。电厂金属材料当晶体沿着密徘面滑移时，滑移的方向一定是沿着

44、面内最密排的方向。这是由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。这是由于密排方向上原子之间的间隔小，滑动一个原子间距所需的能量小的缘故。于密排方向上原子之间的间隔小，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，组成一个能够滑移的通道，称为滑移系。一个密排面及面上一个密排的晶向，组成一个能够滑移的通道，称为滑移系。晶体中滑移系越多，其塑性越好。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，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

45、立方晶格与体心立方晶格的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奉献更大些，因此具有面心立方晶格的滑移系虽然形同，但滑移方向对塑性的奉献更大些，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。铜、铝、镍等比具有体心立方晶格的铬、钼、钨、钒等塑性好。2滑移的机理滑移的机理 金属晶体假设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金属晶体假设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，所需的切应力比实践晶体滑移时所需的临界切应力大二至三个数滑动时，所需的切应力比实践晶体滑移时所需

46、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量组。如铁在刚性滑移时所需切应力为2300MPa，而实践测得的临界切，而实践测得的临界切应力为应力为29MPa；铜在刚性滑移时所需切应力为；铜在刚性滑移时所需切应力为1540MPa，而实践测得的，而实践测得的临界切应力为临界切应力为1MPa。这阐明实践晶体滑移时，并不是刚性滑移。这阐明实践晶体滑移时，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挪动来完成的。实验证明，滑移变形的真正机理是由位错的挪动来完成的。电厂金属材料其微观过程，是由位错的挪动来完成的。金属中存在着大量位错，位错沿着滑移面其微观过程，是由位错的挪动来完成的。

47、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。运动，在宏观上引起金属的塑性变形。电厂金属材料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，内部缺陷添加，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。假设金陷添加，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。假设金属中没有位错，金属的塑性变形只需依刚性滑

48、移来进展，金属的强度就很高。随着位属中没有位错，金属的塑性变形只需依刚性滑移来进展，金属的强度就很高。随着位错数量的添加，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错数量的添加，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，反而妨碍位错的挪动，金属强度又有上升的趋势。金属强度与位错密度的关系作用，反而妨碍位错的挪动，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如图l37所示。所示。 电厂金属材料二孪生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

49、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。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，与滑移变形相比，孪生变形很少发生。由于孪生所需求的剪切应力很大，孪生变形往往只在低温的体心孪生变形很少发生。由于孪生所需求的剪切应力很大，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，或遭到冲击变形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，或遭到冲击变形的金属中发生。的金属中发生。二、多晶体的塑性变形二、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根本一样，但由于晶多晶体塑性变形时，

50、每个晶粒的塑性变形与单晶体塑性变形根本一样，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。不同。实践运用的金属资料几乎都是多晶体。实践运用的金属资料几乎都是多晶体。电厂金属材料一晶界的影响一晶界的影响晶界是相邻两个晶粒的边境，晶界上的原子陈列是无规那么的，金属中的杂质原晶界是相邻两个晶粒的边境，晶界上的原子陈列是无规那么的，金属中的杂质原于往往存在其间，这对于位错的运动构成很大阻力。于往往存在其间，这对于位错的运动构成很大阻力。用只需两个晶粒的试样进展拉伸实验，变形后试样出现了所谓“竹节景象，如

51、图139所示。这阐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。电厂金属材料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，必然遭到相邻晶粒的牵制造用，相邻晶粒间的位向差越大时，牵制造用越大，从而添加了塑变抗力，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

52、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，那么在较大的体积内牵制塑性变形，使塑性交形不均匀。在实践消费中，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在实践消费中，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，尤其是接受冲击的构件，如碎煤机的锤头和锤扦，细晶粒金属的强度高、塑性好，那么冲击韧性也高，可以内，尤其是接受冲击的构件，如碎煤机的锤头和锤扦，细晶粒金属的强度高、塑性好，那么冲击韧性也高，可以接受反复的冲击而不易产生疲劳损坏。接受反复的冲击而不易产

53、生疲劳损坏。电厂金属材料三、冷塑性变形对金属组织和性能影响三、冷塑性变形对金属组织和性能影响金属资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、化金属资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。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。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。(一一)加工硬化加工硬化金属在

54、受外力作用屈服后，如继续变形那么需求添加金属在受外力作用屈服后，如继续变形那么需求添加应力，即随着塑性变形的添加金属不断强化、硬化，应力，即随着塑性变形的添加金属不断强化、硬化，直至到达强度极限。直至到达强度极限。 低碳钢的加工硬化景象见图低碳钢的加工硬化景象见图141所示，出现了加工硬化后强度可提高所示，出现了加工硬化后强度可提高80以上。建以上。建筑用钢筋须先经过冷拔强化。但加工硬化会使金属的筑用钢筋须先经过冷拔强化。但加工硬化会使金属的电阻添加，耐腐蚀性下降，特别是金属的塑性韧性电阻添加，耐腐蚀性下降，特别是金属的塑性韧性下降，甚至趋于零。下降，甚至趋于零。金属的显微组织：会发现金属的晶

55、粒逐渐被拉长，甚金属的显微组织：会发现金属的晶粒逐渐被拉长，甚至会变成细条状、纤维状，这阐明晶粒发生碎化，亚至会变成细条状、纤维状，这阐明晶粒发生碎化，亚晶的数量添加。晶界和亚晶界数量的添加，使位错运晶的数量添加。晶界和亚晶界数量的添加，使位错运动受阻，形变抗力加大，导致强度和硬度添加，动受阻，形变抗力加大，导致强度和硬度添加，性能：随着塑性变形量的添加，位错密度添加，使运性能：随着塑性变形量的添加，位错密度添加，使运动中的位错发生复杂的交互作用，位错线相互缠结、动中的位错发生复杂的交互作用，位错线相互缠结、堆积，妨碍了位错的运动，也会使强度、硬度提高，堆积，妨碍了位错的运动，也会使强度、硬度

56、提高，塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。电厂金属材料(二二)形变内应力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方式残存于晶体中，称为形变内应力。弹性能的方式残存于晶体中，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：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。第一类内应力，亦称为宏观内应力。第二类

57、内应力，亦称为显微应力。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。第三类内应力，亦称为晶格畸变应力。电厂金属材料四、回复与再结晶四、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，变化的主要方式是回复形变后的金属加热时，将发生一系列的组织和性能的变化，变化的主要方式是回复与再结晶。与再结晶。(一一)回复回复 经过塑性变形的金属在加热温度较低时，金属组织根本不变，硬化景象依然保经过塑性变形的金属在加热温度较低时，金属组织根本不变，硬化景象依然保管，但内应力大大消除，这种景象称为回复。管，但内应力大大消除，这种景象称为回复。电厂金属材料二再结晶二再结晶塑性

58、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，但显微组织和构造没有明显的改动，形变储存能未能完全释放，金属组织仍处于不稳定形状。如继构造没有明显的改动，形变储存能未能完全释放，金属组织仍处于不稳定形状。如继续提高加热温度，使金属原子的分散才干添加，这种高能不稳定形状将消除，晶粒拉续提高加热温度，使金属原子的分散才干添加，这种高能不稳定形状将消除，晶粒拉长和碎化趋于消逝，金属的组织、性能完全恢复到变形前的形状。这种变化本质上是长和碎化趋于消逝，金属的组织、性能完全恢复到变形前的形状。这种变化本质上是一个重新

59、形核、长大的过程，称为再结晶。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再结晶后的金属组织与形变前的退火组织一样，加工硬化景象完全消逝，位错密度也降至变形前的形状，如图织一样，加工硬化景象完全消逝，位错密度也降至变形前的形状，如图l43所示。所示。电厂金属材料 (三三)再结品温度与晶粒长大再结品温度与晶粒长大再结晶过程不是相变。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景象。金属的预变形度越大，其形变储存能越热时不会出现再结晶的景象。金属的

60、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，即最低再结晶温度。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，反之那较高，反之那么低。与金属熔点么低。与金属熔点Tr的关系约为：的关系约为： Ta0.350.4Tr电厂金属材料加热温度过高，保温时间过长，都能使已构成的细晶粒组织继续长大，而成为粗大晶粒