電廠金屬材料

1、第一章 一金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié) 金屬材料的性能 第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 第三節(jié) 金屬的塑形變形與再結(jié)晶 第四節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)及二元合金相圖 鑄造性能焊接性能熱處理性能切削性能 鑄造性能鍛造性能焊接性能切削性能強(qiáng)度定義強(qiáng)度定義在外力作用下，材料或結(jié)構(gòu)抵抗破壞（永久變形和斷裂）的能力。按所抵抗外力的作用形式可分為：抵抗靜態(tài)外力的靜強(qiáng)度，抵抗沖擊外力的沖擊強(qiáng)度，抵抗交變外力的疲勞強(qiáng)度等；按環(huán)境溫度可分為：常溫下抵抗外力的常溫強(qiáng)度，高溫或低溫下抵抗外力的熱(高溫)強(qiáng)度或冷(低溫)強(qiáng)度等。按外力作用的性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等，工程常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這

2、兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)出。塑性定義和塑性指標(biāo)塑性定義和塑性指標(biāo)塑性，力學(xué)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，英文專(zhuān)業(yè)名：Plasticity. Ductility,Briquettability.是指在外力作用下，材料能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。評(píng)價(jià)金屬材料的塑性指標(biāo)包括伸長(zhǎng)率（延伸率）A 和斷面收縮率Z表示。疲勞強(qiáng)度是指材料在無(wú)限多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無(wú)限多次交變載荷試驗(yàn)。沖擊韌度指標(biāo)的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對(duì)外來(lái)沖擊負(fù)荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值（ak）和沖擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm2和

3、J（焦耳）。材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能稱(chēng)為斷裂韌性。是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。在加載速度和溫度一定的條件下，對(duì)某種材料而言它是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就愈大；當(dāng)給定外力時(shí)，若材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸就愈大。指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對(duì)物體所作的功表示

4、。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長(zhǎng)值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。壓痕法（壓痕法（IM）測(cè)試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個(gè)頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值（KIC）。 計(jì)算公式為：計(jì)算公式E為楊氏模量，例如對(duì)于Si3N4系統(tǒng)一般取300GPa。公式中載荷P單位為N, 裂紋長(zhǎng)度C單位為mm, 顯微硬度HV單位為GPa。晶體的結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。點(diǎn)缺陷線(xiàn)缺陷面缺陷點(diǎn)缺陷是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，它是在

5、結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。 點(diǎn)缺陷是發(fā)生在晶體中一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)范圍內(nèi)，其特征是在三維方向上的尺寸都很小，例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等，也可稱(chēng)零維缺陷。點(diǎn)缺陷與溫度密切相關(guān)所以也稱(chēng)為熱缺陷。在工程材料學(xué)中，線(xiàn)缺陷指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。其特征是兩個(gè)方向尺寸上很小另外兩個(gè)方向延伸較長(zhǎng)，也稱(chēng)一維缺陷，集中表現(xiàn)形式是位錯(cuò)，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。位錯(cuò)從幾何結(jié)構(gòu)可分為兩種：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。，晶體中某一列或若干列原子發(fā)生了刀刃型位錯(cuò)1有規(guī)的錯(cuò)排的現(xiàn)象。某一原子面再晶體內(nèi)部中斷。這個(gè)原子平面中斷處的邊緣是一個(gè)刀刃型位錯(cuò)，就像刀刃一樣將晶體上半部分切

6、開(kāi)，如同沿切口強(qiáng)行鍥入半原子面，將刀口處的原子列稱(chēng)為刀刃型位錯(cuò)。金屬中存在大量位錯(cuò)，位錯(cuò)在外力作用下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、堆積和纏結(jié)，位錯(cuò)附近區(qū)域產(chǎn)生晶體畸變，導(dǎo)致金屬的強(qiáng)度升高。又稱(chēng)螺旋位錯(cuò)（Burgers dislocation）。一個(gè)晶體的某一部分相對(duì)于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線(xiàn)盤(pán)旋上升，每繞軸線(xiàn)一周，原子面上升一個(gè)晶面間距。在中央軸線(xiàn)處即為一螺型位錯(cuò)。圍繞位錯(cuò)線(xiàn)原子的位移矢量稱(chēng)為滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，對(duì)于螺型位錯(cuò)，位錯(cuò)線(xiàn)平行于伯格斯矢量。一塊晶體常常被一些界面分隔成許多較小的疇區(qū)，疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的界面附近存在著較嚴(yán)重的原子錯(cuò)排。這種發(fā)生于整

7、個(gè)界面上的廣延缺陷被稱(chēng)作面缺陷，即在工程材料學(xué)中，面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷的種類(lèi)繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有兩種：晶界和亞晶界1。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于晶體的物理性能有著廣泛的影響。晶體中相鄰疇區(qū)間的交接往往不是任意的，通常只有那些點(diǎn)陣匹配度較好，具有特定形態(tài)及結(jié)構(gòu)，因而界面能較低的面缺陷能夠存在。人們通常按界面兩側(cè)晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系將其分為平移界面、孿晶界面及晶粒間界三大類(lèi)別結(jié)晶的條件結(jié)晶的過(guò)程影響晶粒大小的因素固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變具有一定的過(guò)冷度是液態(tài)金屬能夠結(jié)晶的必要條件，即結(jié)晶的熱力學(xué)條件 過(guò)冷度越大時(shí)即實(shí)際的結(jié)晶溫度t越低，結(jié)晶的條件就越好，其結(jié)晶傾向就越大。

8、實(shí)際上，當(dāng)液態(tài)金屬的冷卻速度越大時(shí)，過(guò)冷度就越大。結(jié)晶過(guò)程是金屬內(nèi)的原子從液態(tài)的無(wú)序的混亂排列轉(zhuǎn)變成固態(tài)的有規(guī)律排列。經(jīng)歷了形核長(zhǎng)大形核長(zhǎng)大. 的過(guò)程。 晶核形成：自發(fā)形核與非自發(fā)形核 自發(fā)形核：金屬在過(guò)冷的條件下，液態(tài)金屬中某些局部微小的區(qū)域內(nèi)的原子自發(fā)地聚集在一起，這種原子規(guī)則排列的細(xì)小聚合體稱(chēng)為晶核，這種形核方式稱(chēng)為自發(fā)形核； 非自發(fā)形核：當(dāng)金屬液中有細(xì)微的固態(tài)顆粒（自帶或人工加入）時(shí)，也可以成為結(jié)晶的核心，這種形核方式稱(chēng)為非自發(fā)形核。 晶核長(zhǎng)大： 金屬液中的原子不斷向晶核表面遷移，使晶核不斷長(zhǎng)大，與此同時(shí)，不斷有新的晶核產(chǎn)生并長(zhǎng)大，直至金屬液全部消失。 1過(guò)冷度2不熔雜質(zhì)3金屬的流動(dòng)與

9、振動(dòng)過(guò)冷度degree of under cooling熔融金屬平衡狀態(tài)下的相變溫度與實(shí)際相變溫度的差值。純金屬的過(guò)冷度等于其熔點(diǎn)與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值，合金的過(guò)冷度等于其相圖中液相線(xiàn)溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。每一種物質(zhì)都有自己的平衡結(jié)晶溫度或者稱(chēng)為理論結(jié)晶溫度，但是，在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷現(xiàn)象，兩者的溫度差值被稱(chēng)為過(guò)冷度。過(guò)冷度的大小與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越快，實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，過(guò)冷度就越大；反之冷卻速度越慢，過(guò)冷度就越小，實(shí)際結(jié)晶溫度就更接近理論結(jié)晶溫度。液態(tài)金屬中如果有不熔雜質(zhì)或高熔點(diǎn)金屬時(shí)，可促進(jìn)非均勻形核，從而增大形核率。如果能增

10、加鑄件中液態(tài)金屬的流動(dòng)，不但可以增加冷卻速度，還可以將枝晶沖斷，增大形核率。定義：當(dāng)外部條件（溫度和壓強(qiáng)）改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。液態(tài)純鐵冷卻到1538時(shí)，結(jié)晶成具有體心立方晶格的-Fe；繼續(xù)冷到1394時(shí)發(fā)生同素異晶的轉(zhuǎn)變，體心立方晶格-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?Fe；再繼續(xù)冷卻到912時(shí)，-Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe。純鐵變?yōu)楣虘B(tài)后發(fā)生了兩次同素異晶轉(zhuǎn)變。 1單晶體的塑性變形2多晶體的塑性變形3冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響4回復(fù)與再結(jié)晶5熱加工與冷加工的區(qū)別單晶體的塑性變形的主要形式是滑移和孿生。1）滑移：在外加切應(yīng)力作用下

11、，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)位錯(cuò)密度滑移塑性變形位錯(cuò)在外加切應(yīng)力的作用下移動(dòng)至晶體表面 一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階 塑性變形滑移線(xiàn)（晶體表面的滑移臺(tái)階）滑移帶（大量滑移線(xiàn)）滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系為12個(gè)，HCP為3個(gè)，F(xiàn)CC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。）。孿生是晶體的另一種塑性變形方式1.多晶體中, 由于晶界上原子排列不很規(guī)則, 阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng), 使變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度就

12、越大。2.多晶體中每個(gè)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應(yīng)力方向(稱(chēng)晶粒處于軟位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大(稱(chēng)晶粒處于硬位向)。在發(fā)生滑移時(shí)，軟位向晶粒先開(kāi)始。當(dāng)位錯(cuò)在晶界受阻逐漸堆積時(shí)，其它晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時(shí)晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。晶粒越細(xì)，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。 由于細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度較高，塑性較好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功，因而韌性也較好。因此細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。晶界是相鄰兩個(gè)晶粒的邊界，晶界

13、上的原子排列是無(wú)規(guī)則的，金屬中的雜質(zhì)原子往往存在期間，這對(duì)于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形成很大阻力從材料力學(xué)知道，拉伸試樣受拉時(shí)，外力的切應(yīng)力分量在與外力呈45度角時(shí)最大 金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時(shí)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力一 宏觀內(nèi)應(yīng)力二 顯微應(yīng)力三 晶格畸變應(yīng)力冷加工與熱加工的區(qū)別是什么?冷加工通常指金屬的切削加工。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層切去成為切屑，使工件獲得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。任何切削加工都必須具備3個(gè)基本條件:切削工具、工件和切削運(yùn)動(dòng)。切削工具應(yīng)有刃口

14、，其材質(zhì)必須比工件堅(jiān)硬。不同的刀具結(jié)構(gòu)和切削運(yùn)動(dòng)形式構(gòu)成不同的切削方法。用刃形和刃數(shù)都固定的刀具進(jìn)行切削的方法有車(chē)削、鉆削、鏜削、銑削、刨削、拉削和鋸切等;用刃形和刃數(shù)都不固定的磨具或磨料進(jìn)行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和拋光等。冷加工會(huì)導(dǎo)致一些不需要的效果。比如延展性的降低以及殘余應(yīng)力的增加。由于冷加工或加工硬化的機(jī)制是增加了位錯(cuò)密度，因此任何可以重新排列或消除位錯(cuò)的處理方法都可以消除冷加工的效果。在金屬學(xué)中，把高于金屬再結(jié)晶溫度的加工叫熱加工。熱加工可分為金屬鑄造、熱軋、鍛造、焊接和金屬熱處理等工藝。有時(shí)也將熱切割、熱噴涂等工藝包括在內(nèi)。熱加工能使金屬零件在成形的同時(shí)改善它的組織，或者使已

15、成形的零件改變結(jié)晶狀態(tài)以改善零件的機(jī)械性能。鑄造、焊接是將金屬熔化再凝固成型。合金，是由兩種或兩種以上的金屬與金屬或非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。一般通過(guò)熔合成均勻液體和凝固而得。根據(jù)組成元素的數(shù)目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國(guó)是世界上最早研究和生產(chǎn)合金的國(guó)家之一，在商朝（距今3000多年前）青銅（銅錫合金）工藝就已非常發(fā)達(dá)；公元前6世紀(jì)左右（春秋晚期）已鍛打（還進(jìn)行過(guò)熱處理）出鋒利的劍(鋼制品)。合金類(lèi)型合金類(lèi)型(1)混合物合金（共熔混合物），當(dāng)液態(tài)合金凝固時(shí)，構(gòu)成合金的各組分分別結(jié)晶而成的合金，如焊錫、鉍鎘合金等；(2)固熔體合金，當(dāng)液態(tài)合金凝固時(shí)形成固溶體的合金

16、，如金銀合金等；(3)金屬互化物合金，各組分相互形成化合物的合金，如銅、鋅組成的黃銅（-黃銅、-黃銅和-黃銅）等。合金的許多性能優(yōu)于純金屬，故在應(yīng)用材料中大多使用合金(參看鐵合金、不銹鋼)。合金的通性合金的通性各類(lèi)型合金都有以下通性通性：(1)多數(shù)合金熔點(diǎn)低于其組分中任一種組成金屬的熔點(diǎn)；(2)硬度一般比其組分中任一金屬的硬度大；（特例：鈉鉀合金是液態(tài)的，用于原子反應(yīng)堆里的導(dǎo)熱劑）(3)合金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性低于任一組分金屬。利用合金的這一特性，可以制造高電阻和高熱阻材料。還可制造有特殊性能的材料。(4)有的抗腐蝕能力強(qiáng)(如不銹鋼)如在鐵中摻入15%鉻和9%鎳得到一種耐腐蝕的不銹鋼，適用于化學(xué)工業(yè)當(dāng)一種(或多種)元素加入到金屬中組成合金時(shí)，隨著各