电厂金属材料

电厂金属材料目录第一章一金属材料的基础知识第一节金属材料的性能

第二节金属的晶体结构与结晶

第三节金属的塑形变形与再结晶

第四节合金的相结构及二元合金相图

金属材料的性能铸造性能焊接性能热处理性能切削性能

工艺性能铸造性能锻造性能焊接性能切削性能强度塑性强度定义在外力作用下，材料或结构抵抗破坏（永久变形和断裂）的能力。按所抵抗外力的作用形式可分为：抵抗静态外力的静强度，抵抗冲击外力的冲击强度，抵抗交变外力的疲劳强度等；按环境温度可分为：常温下抵抗外力的常温强度，高温或低温下抵抗外力的热(高温)强度或冷(低温)强度等。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。塑性定义和塑性指标塑性，力学专业术语，英文专业名：Plasticity.Ductility,Briquettability.是指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。评价金属材料的塑性指标包括伸长率（延伸率）A和断面收缩率Z表示。强度和塑形疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力，称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。疲劳强度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度冲击韧性冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。冲击韧性断裂韧性材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。测试方法压痕法（IM）测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值（KIC）。计算公式为：计算公式E为杨氏模量，例如对于Si3N4系统一般取300GPa。公式中载荷P单位为N,裂纹长度C单位为mm,显微硬度HV单位为GPa。断裂韧性金属的晶体结构与结晶晶体的结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格和面心立方晶格碳的晶格图晶面、晶向与晶格单晶体与多晶体工业纯铁显微组织晶体的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。点缺陷是发生在晶体中一个或几个晶格常数范围内，其特征是在三维方向上的尺寸都很小，例如空位、间隙原子、杂质原子等，也可称零维缺陷。点缺陷与温度密切相关所以也称为热缺陷。线缺陷在工程材料学中，线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。其特征是两个方向尺寸上很小另外两个方向延伸较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错，由晶体中原子平面的错动引起。位错从几何结构可分为两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错螺型位错，晶体中某一列或若干列原子发生了刀刃型位错[1]有规的错排的现象。某一原子面再晶体内部中断。这个原子平面中断处的边缘是一个刀刃型位错，就像刀刃一样将晶体上半部分切开，如同沿切口强行锲入半原子面，将刀口处的原子列称为刀刃型位错。金属中存在大量位错，位错在外力作用下会产生运动、堆积和缠结，位错附近区域产生晶体畸变，导致金属的强度升高。又称螺旋位错（Burgersdislocation）。一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。围绕位错线原子的位移矢量称为滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，对于螺型位错，位错线平行于伯格斯矢量。面缺陷一块晶体常常被一些界面分隔成许多较小的畴区，畴区内具有较高的原子排列完整性，畴区之间的界面附近存在着较严重的原子错排。这种发生于整个界面上的广延缺陷被称作面缺陷，即在工程材料学中，面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。面缺陷的种类面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界[1]

。结构复杂，对于晶体的物理性能有着广泛的影响。晶体中相邻畴区间的交接往往不是任意的，通常只有那些点阵匹配度较好，具有特定形态及结构，因而界面能较低的面缺陷能够存在。人们通常按界面两侧晶体结构之间的关系将其分为平移界面、孪晶界面及晶粒间界三大类别纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程影响晶粒大小的因素固态金属的同素异晶转变结晶条件具有一定的过冷度是液态金属能够结晶的必要条件，即结晶的热力学条件过冷度越大时即实际的结晶温度t越低，结晶的条件就越好，其结晶倾向就越大。实际上，当液态金属的冷却速度越大时，过冷度就越大。纯金属结晶冷却曲线结晶过程结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。经历了形核——长大——形核——长大...

的过程。

晶核形成：自发形核与非自发形核

[自发形核]：金属在过冷的条件下，液态金属中某些局部微小的区域内的原子自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核；

[非自发形核]：当金属液中有细微的固态颗粒（自带或人工加入）时，也可以成为结晶的核心，这种形核方式称为非自发形核。

晶核长大：金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。

晶体长大示意图影响晶粒大小的因素1过冷度2不熔杂质3金属的流动与振动过冷度过冷度degreeofundercooling熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值。纯金属的过冷度等于其熔点与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。不熔杂质液态金属中如果有不熔杂质或高熔点金属时，可促进非均匀形核，从而增大形核率。金属的流动与振动如果能增加铸件中液态金属的流动，不但可以增加冷却速度，还可以将枝晶冲断，增大形核率。固态金属的同素异晶转变定义：当外部条件（温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。液态纯铁冷却到1538℃时，结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe；继续冷到1394℃时发生同素异晶的转变，体心立方晶格δ-Fe转变为面心立方晶格γ-Fe；再继续冷却到912℃时，γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。金属的塑形变形与再结晶1单晶体的塑性变形2多晶体的塑性变形3冷塑性变形对金属组织和性能的影响4回复与再结晶5热加工与冷加工的区别单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的主要形式是滑移和孪生。滑移1）滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动滑移的机理位错密度→滑移→塑性变形·位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面→一个原子间距的滑移台阶→塑性变形·滑移线（晶体表面的滑移台阶）→滑移带（大量滑移线）·滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。）。孪生孪生是晶体的另一种塑性变形方式多晶体的塑性变形1.多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。2.多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向