第一部分金属材料的基本知识

1、2第一部分第一部分 金属材料金属材料的基本性能的基本性能一、金属材料的工艺性能一、金属材料的工艺性能二、二、 金属的晶体结构和晶体缺陷金属的晶体结构和晶体缺陷三、三、 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶3第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能l金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称工工艺性能。艺性能。工艺性能好的材料易于承受加工，生产成本低；工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。期的效

2、果，加工成本也高。一、金属材料的工艺性能一、金属材料的工艺性能 (一一)铸造性能铸造性能 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。机的耐磨件等。液体金属浇注成型的能力，称为金属的铸液体金属浇注成型的能力，称为金属的铸造性能。造性能。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。4 流动性流动性是指金属对铸型填充的能力。金属的流动性好，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

3、状复杂的零部件。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。以容易地制造各种零件。56789收缩率收缩率是指铸件冷凝过程中体积的减少率，称为体积收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，使铸件形成缩孔和疏松，即形成集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。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

4、不均匀，叫铸件冷凝时，由于种种原因会造成化学成分的不均匀，叫做做偏析偏析。偏析使整体冲击韧性降低，质量变坏。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。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。10钢和铁的定义：以含碳量的多少划分钢和铁的定义：以含碳量的多少划分亚共析钢，共析钢，过共析钢，铸铁亚共析钢，共析钢，过共析钢，铸铁铸铁的分类：以碳的存在形式不同来定义铸铁的分类：以碳的存在形式不同来定义白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁11（二）锻造性能（二）锻造性能l重要

5、零件的毛坯往往要经过锻造工序，如汽轮机、发电机的主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，称为受锻压成型的能力，称为可锻性可锻性。l金属的锻造性能可用金属的金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力塑性和变形抗力( (强度强度) )来衡量。金来衡量。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。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。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

6、具有较好的可锻性，低碳钢的可锻性最好。随着含碳量的增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。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。12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。比如锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。比如锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热

7、弯曲成型的。(三三)焊接性能焊接性能l金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，获得，获得优质优质焊接接头的能力，称为金属的焊接性。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。道、支架、蒸汽导管、管道、风管、汽包、联箱等。13(四四)切削性能切削性能金属材料承受切削加工的难易程度，称为金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能切削性能。 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，金属的切削性

8、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。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，容易出现度如果太低时，容易出现“粘刀粘刀”现象，光洁度也较差。一现象，光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170HB170一一230230之间为宜。之间为宜。14l力学性能力学性能是指金属材料在外力作

9、用下，所表现出来的抵抗变形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。和破坏的能力以及接受变形的能力。（一）强度和塑性（一）强度和塑性强度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。是衡量材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。塑性塑性是衡量材料在外力作用下接受变形的能力。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，该试验依据国家标准（目前通用的标准为（目前通用的标准为GB/T 228GB/T 22820022002）进行，将材料制作成标准）进行，将材料制作成标准

10、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，试样随拉力的增加而变形，直至断裂。测得材料的弹性极限、屈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。服极限、强度极限及塑性等主要力学性能指标。151 1拉伸试样拉伸试样161 1拉伸试样拉伸试样171 1拉伸试样拉伸试样管材拉伸试验件181 1拉伸试样拉伸试样 TA18钛合金导管141.35拉伸试样191 1拉伸试样拉伸试样拉断后的管材试样(TA18,TA16)202 2拉伸曲线拉伸曲线l拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可

11、用应力延伸率曲线表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，纵坐标为应力示，纵坐标为应力R R，R R= =F F/ /S S0 0，横坐标为延伸率，横坐标为延伸率，L L/ /L L0 0。拉伸曲线的形状与材料有关，拉伸曲线的形状与材料有关，由图可见，在载荷小的由图可见，在载荷小的oaoa阶阶段，试样在载荷段，试样在载荷F F的作用下的作用下均匀伸长，伸长量与载荷的均匀伸长，伸长量与载荷的增加成正比。如果此时卸除增加成正比。如果此时卸除载荷，试样立即回复原状，载荷，试样立即回复原状，即试样产生的变形为即试样产生的变形为弹性变弹性变形形。当载荷超过当载荷超过b b点以后，

12、点以后，试样会进一步产生变形，此试样会进一步产生变形，此时若卸除载荷，试样的弹性时若卸除载荷，试样的弹性变形消失，而另一部分变形变形消失，而另一部分变形则保留下来，这种不能恢复则保留下来，这种不能恢复的变形称为的变形称为塑性变形塑性变形。21l 强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。通过拉伸试。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。验所测得的常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。l屈服强度是材料产生屈服时对应的应力值屈服强度是材料产生屈服时对应的应力值。用符号。用符号R Re e表示，单位是表示，单位是N/mmN/mm2 2或或MPaMPa，大小

13、为载荷与试样原始横，大小为载荷与试样原始横截面积的比值，即：截面积的比值，即： 式中：式中： Fs材料屈服时的载荷（材料屈服时的载荷（N）；）； S0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2）。）。3.3.强度强度)N/mm(20SFRse22 屈服强度可分为上屈服强度和下屈服强度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

14、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： )N/mm(20bmSFR 式中： Fb材料屈服时的载荷（N）； S0试样原始横截面积（mm2）。23%10000uLLLA4 4塑性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。拉伸试验所测得的塑性指标有塑性指标有断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率。断后伸长率，又称延伸率，标准试样的断后伸长率用断后伸长率，又称延伸率，标准试样的断后伸长率用A A表示，指试样被拉断后，表示

15、，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：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。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分率，叫金属材料的断面收缩率，用符号，叫金属材料的断面收缩率，用符号Z Z表示。表示。24（二）硬度（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。塑性变形的能力。常见的硬度指标有常见的硬度指标有布氏硬度（布氏硬度（HBHB

16、）、洛氏硬度）、洛氏硬度(HR)(HR)、维氏硬度、维氏硬度(HV)(HV)和里氏硬度和里氏硬度(HL)(HL)等。等。 1布氏硬度（布氏硬度（HB）布氏硬度布氏硬度( (起始于起始于19001900年年) )是用一定压是用一定压力将淬火钢球或硬质力将淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，合金球压入试样表面，保持规定的时间后卸保持规定的时间后卸除压力，所留下的单除压力，所留下的单位压痕表面积位压痕表面积A A上所上所承受的平均压力定义承受的平均压力定义为布氏硬度值为布氏硬度值 HBHB。单位为单位为MPa (kgf.mm-MPa (kgf.mm-2)2)，通常不标出单位。，通常不标出单位。25压头

17、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，布氏硬度用用HBSHBS表示，适用于测量布氏硬度表示，适用于测量布氏硬度450450的材料；当压头材质为硬质合金时，布的材料；当压头材质为硬质合金时，布氏硬度用氏硬度用HBWHBW表示，适用于测量布氏硬度在表示，适用于测量布氏硬度在450450650650范围内的材料。范围内的材料。布氏硬度值的表示方法为布氏硬度值的表示方法为：硬度值：硬度值+ +硬度符号硬度符号+ +球体直径球体直径/+/+载荷载荷/+/+载荷保持时间载荷保持时间（10101515秒不标注）秒不标注）。

18、例如，例如，180HBS10/1000/30,180HBS10/1000/30,表示直径表示直径10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf作用下，保持作用下，保持3030秒测得秒测得的布氏硬度值为的布氏硬度值为180180。)kgf/mm(SFHB2)dDD(DS22262洛氏硬度洛氏硬度(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，洛氏硬度分的不同，洛氏硬度分HRAHRA，HRBHRB和和HRCHRC。27符号符号压头类型压头类型总载荷总载荷（kgfkgf）适用范围适用

19、范围HRCHRC120120金刚石圆金刚石圆锥锥150150一般淬火钢等硬度较大材料一般淬火钢等硬度较大材料HRBHRB1.588mm1.588mm钢球钢球100100退火钢和有色金属等软材料退火钢和有色金属等软材料HRAHRA120120金刚石圆金刚石圆锥锥6060硬而薄的硬质合金或表面淬硬而薄的硬质合金或表面淬火钢火钢试验规范试验规范28表面洛氏硬度计293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136136的正四棱锥金刚石压头压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，测量压痕对入试样表面，保持一

20、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，载荷角线的长度，计算压痕表面积，载荷F F除以压痕面积除以压痕面积S S所得值即为维氏硬度。所得值即为维氏硬度。维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，计算公式如下：表示，计算公式如下： )(kgf/mmdF1.8544SFHV2230维氏硬度试验示意图维氏硬度试验示意图维氏硬度也可按对角维氏硬度也可按对角线的线的d d值从表中查出，值从表中查出，d d值为两对角线的算术平值为两对角线的算术平均值。维氏硬度的结果均值。维氏硬度的结果表示方法为：表示方法为：硬度值硬度值+HV+HV+试验载荷试验载荷+ +载荷保持时间载

21、荷保持时间（10151015秒不标注）。秒不标注）。例如，例如，640HV3020表示在试验力表示在试验力30kgf作作用下保持载荷用下保持载荷20秒测秒测定的维氏硬度值为定的维氏硬度值为640。31维氏维氏显微硬度计显微硬度计324里氏硬度（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冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm1mm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：vRvR冲击体回弹速度；冲击体回弹速度；

22、 vAvA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，根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分里氏硬度分HLDHLD，HLDCHLDC，HLGHLG和和HLCHLC。表示方法为：。表示方法为：硬度值硬度值+ +冲击装置类型冲击装置类型例如例如700HLD700HLD表示用表示用D D型冲击装置测定的里氏硬度值为型冲击装置测定的里氏硬度值为700700。ARvv1000HL 33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、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，所以布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大范围

23、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。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。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。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。氏硬度操作简单，便携性好，广泛用于现场硬度测量。34各种硬度试验因其试验条件的不同而各种硬度试验因其试验条件的

24、不同而不能直接换算不能直接换算，需要查阅，需要查阅专门的表格进行换算比较。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：算关系： Rm0.362HBS （当HBS175） Rm0.345HBS （当HBS175）35）（2kkcmJ/ SA 36（三）冲击韧性（三）冲击韧性（k）l冲击韧性

25、冲击韧性是衡量材料抵抗冲击载荷能力大小的指标，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。冲击韧性用位面积所消耗的冲击功。冲击韧性用kk表示，计算表示，计算公式如下：公式如下： 式中：式中： kk试样冲断时所消耗的冲击功（试样冲断时所消耗的冲击功（J J）；）； SS试样缺口处截面积（试样缺口处截面积（cm2cm2）。）。）（2kkcmJ/ SA 37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

26、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。 3839（四）疲劳强度（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。现象，称为金属的疲劳。1疲劳失效的特点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。图中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。图中A A为疲劳源；为疲劳源；D D区为疲劳裂纹发展区；区为疲劳裂纹发展区；G G区为瞬时

27、断裂区。疲劳裂纹发展区的特征表面较光滑，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。断口较粗糙。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。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。40材料疲劳断口宏观形貌材料疲劳断口宏观形貌疲劳宏观断口特征疲劳宏观断口特征 典型疲劳断口具有三个形貌典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域不同的区域疲劳源、疲疲劳源、疲劳区及瞬断区。劳区及瞬断区。 (1)(1)疲劳源疲劳源 是疲劳裂纹

28、萌生的策是疲劳裂纹萌生的策源地，在断口上，疲劳源一般在机源地，在断口上，疲劳源一般在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。蚀坑等缺陷相连。 材料内部存在严重冶金缺陷也会在机件内部产生疲劳源材料内部存在严重冶金缺陷也会在机件内部产生疲劳源 42疲劳宏观断口特征疲劳宏观断口特征 (2)(2)疲劳区疲劳区疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征证据。断疲劳断裂的重要特征证据。宏观特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线宏观特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线( (或海滩花样或海滩花样) )

29、。 (3)(3)瞬断区瞬断区 是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。432疲劳失效的测定疲劳失效的测定 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材料的疲劳极限（强度）疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力在一。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

30、对称时，疲劳强度用符号材料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号-1-1表示。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。4445463影响金属材料疲劳强度的因素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，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。等有关。 由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从

31、表面产生和发展的，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。因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。47 nRRT e RTeR（五）断裂韧性（五）断裂韧性1.关于断裂力学关于断裂力学 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韧性提出一定的要求，并根据该材料的屈服程度R Relel或抗拉强度或抗拉强度R Rm m来计算许用应来计算许用应力值：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

32、；n安全系数。 48 1)型或张开型型或张开型 2)型或滑开型型或滑开型 3)型或撕开型型或撕开型 裂纹在外力作用下扩展的形式可分为三类裂纹在外力作用下扩展的形式可分为三类，如图所示。这三种类，如图所示。这三种类型的脆性破坏，以张开型又称为型的脆性破坏，以张开型又称为I I型的扩展断裂较为常见，且在型的扩展断裂较为常见，且在外力作用下也较为危险，故大量研究的是外力作用下也较为危险，故大量研究的是I I型这种裂纹的扩展及型这种裂纹的扩展及破坏。破坏。492.断裂韧性的评定断裂韧性的评定 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

33、法测定出来的。由于实验的方法不同，裂纹在外力作用下失稳扩方法测定出来的。由于实验的方法不同，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：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：）（231CmMNKYac50cac1aYc1脆断应力也和裂纹形状及加力方式有关，即：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（构件中的裂纹越长（a a越大），则裂纹前端应力集中越大，使裂越大），则裂纹前端应力集中越大，使裂纹扩展的外加应力，即脆断应力纹扩展的外加应力，即脆断应力 越小，即：越小，即：当当a a和和Y Y已知时，可根据一定的实验方法测出脆断

34、应力已知时，可根据一定的实验方法测出脆断应力 代入上式，即可代入上式，即可计算出计算出k k1C1C值显然，材料的值显然，材料的k k1C1C值越高，则材料阻止裂纹扩展的能力越强。因值越高，则材料阻止裂纹扩展的能力越强。因此，此，k k1C1C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。性参数。断裂韧性在电厂金属材断裂韧性在电厂金属材料中有相当重要的作用。料中有相当重要的作用。由于电厂的大型、重要由于电厂的大型、重要构件，如锅炉汽包，气构件，如锅炉汽包，气轮机转子、主轴、叶片轮机转子、主轴、叶片等，是在高温及复杂的

35、等，是在高温及复杂的应力状态下运行的，对应力状态下运行的，对于这些在特殊状态下工于这些在特殊状态下工作的金属材料断裂韧性作的金属材料断裂韧性的研究，就显得非常必的研究，就显得非常必要。要。51一、金属键与一、金属键与晶体结构晶体结构l金属原子的结构特点金属原子的结构特点是：价电子数目较少（是：价电子数目较少（1-31-3个），电个），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，金属原子成为离原子核形成自由电子，金属原子成为正离子。正离子。自由电子自由电子在正离子之间做高速运动，形成带负电的电子气在正离子之间做高速运

36、动，形成带负电的电子气。l金属金属原子间这种正离子与自由电子的电性引力结合，称为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。金属键。第二章第二章 金属的晶体结构和晶体缺陷金属的晶体结构和晶体缺陷52l 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，故故金属的强度高；金属的强度高；l自由电子在电场力作用下作定向运动，使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具有导电性；l金属离子周围的键是等价的、对称的，因而金属

37、原子在空间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，即的位置必须有规则地排列且势能最低，即呈晶体结构呈晶体结构。l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。金属的这种结构决定了其金属的这种结构决定了其具有优良的导热性具有优良的导热性。53常见的晶体结构有三种，常见的晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。晶格和密排六方晶格。54二、二、晶体的缺陷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。金属晶体的缺陷依照其几何形状，分为

38、点缺陷、线缺陷和面缺陷。 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。空位、间隙原子和异质原子。 空位和间隙原子空位和间隙原子：空位指晶格中某些结点处没有原子，而间隙：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。隙中。 异质原子异质原子：一般是其他金属或非金属原子置换原晶格中原子或：一般是其他

39、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。的强度、硬度和电阻升高。5556 线缺陷又称位错线缺陷又称位错，是指晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象。，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，金属强度先位错的存在对金属的性能有很

40、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。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。57l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。陷，如晶界、亚晶界等。在晶界上原子的无规则排列，使得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，因而内原子易于发生化学反应，因而容易被容易被腐蚀腐蚀；晶界原子近于液态结构，致使晶界原子近于液态结构，致使晶界熔

41、点晶界熔点低于晶内低于晶内；异类原子和杂质在晶界上存在时能量低，异类原子和杂质在晶界上存在时能量低，所以所以晶界是杂质原子易于聚集的地方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，致使性变形（滑移）受到阻碍，致使晶界的晶界的强度比晶内高强度比晶内高。因此，金属晶粒的大小对金属的性能有因此，金属晶粒的大小对金属的性能有很大影响。很大影响。58晶体塑性变形的主要形式是晶体塑性变形的主要形式是滑移和孪生滑移和孪生。l一部分一部分晶体相对于另一部分晶体的相对滑动，晶体相对于另一部分晶体的相对滑动，即为滑移即为滑移。l对对滑移

42、后的晶体进行滑移后的晶体进行x x射线分析表明，晶体发生射线分析表明，晶体发生相对移动后相对移动后仍然仍然是完整的晶体，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倍。l这种这种由整个晶体沿着一个滑移的平面发生的整体滑动，称为由整个晶体沿着一个滑移的平面发生的整体滑动，称为“刚刚性滑移性滑移”。发生。发生滑移的晶面滑移的晶面，叫做滑移面。，叫做滑移面。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，原子最密排的晶面上才

43、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。称为密排面。这些密排面往往就是滑移变形的滑移面。 实验证明，滑移变形的真正机理是由位错的移动来完成的。实验证明，滑移变形的真正机理是由位错的移动来完成的。59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。错，位错沿着滑移面运动，在宏观上引起金属的塑性变形。60l孪生是晶体的另一种塑性变形方式孪生是晶体的另一种塑性变形方式。l在在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向切应力作用下，晶

44、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。（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。 l与与滑移变形相比，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。属中发生。61 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多晶体塑性变形时，每个晶粒的塑性变形与单晶体

45、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。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。实际使用的金属材料几乎都是多晶体。62多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，塑性变形具有如下一些特点：1、各晶粒变形的不同时性和不均匀性 变形的不同时性和不均匀性常常是相互联系的。金属组织越不均匀，则起始塑性变形不同时性就越严重。2、各晶粒变形的相互协调63l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、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

46、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。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。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。金属在受外力作用屈服后，如继续变形则需要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、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。硬化，直至达到强度极限。 低碳钢加工硬化后强度

47、可提高低碳钢加工硬化后强度可提高8080以上。以上。金属的显微组织金属的显微组织：会发现金属的晶粒逐渐被拉：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，导致强增加，使位错运动受阻，形变抗力加大，导致强度和硬度增加。度和硬度增加。性能性能：随着塑性变形量的增加，位错密度增加，：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、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。硬