电厂金属材料

电厂金属材料目录第一章一金属材料的根底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屡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屡次交变载荷试验。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，假设材料的断裂韧性值愈高，其裂纹到达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〕测试试样外表先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光外表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，晶体中某一列或假设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局部切开，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〕。一个晶体的某一局部相对于其余局部发生滑移，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，这种原子规那么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〔自带或人工参加〕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外表迁移，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，晶体的一局部相对于另一局部沿一定晶面〔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外表→一个原子间距的滑移台阶→塑性变形·滑移线〔晶体外表的滑移台阶〕→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那么,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),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和开展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。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那么的，金属中的杂质原子往往存在期间，这对于位错的运动形成很大阻力位相差从材料力学知道，拉伸试样受拉时，外力的切应力分量在与外力呈45度角时最大冷塑性变形对金属组织性能的影响

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低碳钢的加工硬化现象形变内应力一宏观内应力二显微应力三晶格畸变应力回复与再结晶再结晶再结晶温度与预变形量的关系热加工与冷加工的区别冷加工与热加工的区别是什么?冷加工通常指金属的切削加工。用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和外表质量的加工方法。任何切削加工都必须具备3个根本条件:切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬。不同的刀具结构和切削运动形式构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等;用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和抛光等。冷加工会导致一些不需要的效果。比方延展性的降低以及剩余应力的增加。由于冷加工或加工硬化的机制是增加了位错密度，因此任何可以重新排列或消除位错的处理方法都可以消除冷加工的效果。在金属学中，把高于金属再结晶温度的加工叫热加工。热加工可分为金属铸造、热轧、锻造、焊接和金属热处理等工艺。有时也将热切割、热喷涂等工艺包括在内。热加工能使金属零件在成形的同时改善它的组织，或者使已成形的零件改变结晶状态以改善零件的机械性能。铸造、焊接是将金属熔化再凝固成型。合金概念合金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝〔距今3000多年前〕青铜〔铜锡合金〕工艺就已非常兴旺；公元前6世纪左右〔春秋晚期〕已锻打〔还进行过热处理〕出锋利的剑(钢制品)。合金类型(1)混合物合金〔共熔混合物〕，当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；(2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；(