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1、电厂金属材料电厂金属材料课程特点课程特点学习方法学习方法知识点既分散又连贯，第一章基础知识是基础；与金属材料“失效分析”关系密切；预习、复习；多动手实践（实验课程、金工实习）；多看参考书(包括利用网上资料)；其它（上课、作业、答疑）。4/3/20234/3/20231 1电厂金属材料第一章 金属材料的基础知识4/3/20234/3/20232 2电厂金属材料第一节 金属材料的性能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。一、金属材料的工艺性能(一)
2、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。液液体体金金同同浇浇注注成成型型的的能能力力，称称为为金金属属的的铸铸造性能。造性能。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。4/3/20234/3/20233 3电厂金属材料 流流动动性性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，可以容易地制造各种零件。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
3、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，由于种种原因会造成化学成分的不均匀，叫做偏析偏析。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，在生产过程中应予以消除。4/3/20234/3/20234 4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。材料承受锻压成型的能力，称为可锻性可锻性。金属的锻造性能可用金属的塑塑性性和和变变形形抗抗力力(强强度度)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。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
4、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。4/3/20234/3/20235 5电厂金属材料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，称为弯曲性能弯曲性能。一般用弯曲角度弯曲角度或弯心直径或弯心直径与材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)焊接性能金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊接接头的能力，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
5、道、支架、蒸汽导管、管道、风管、汽包、联箱等。4/3/20234/3/20236 6电厂金属材料金金属属的的焊焊接接性性能能主要取决于材料的化学成分，也取决于所采用的焊接方法、焊接材料(焊条、焊丝、焊药)、工艺参数、结构形式等。衡量一种材料的焊接性，需要做焊接性试验。影影响响钢钢的的焊焊接接性性能能的的主主要要因因素素是钢的含含碳碳量量，随着含碳虽的增加，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响都折合成碳的影响，即为碳当量。其计算公式为：4/3/20234/3/20237 7电厂金属材料式中：C，Mn，Cr，Mo，V，Ni，Cu为钢中该元素的百分含量。当
6、 Ce0.6%时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热温度和较严格的工艺措施。(四)切削性能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，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。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“粘刀粘刀”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HB170一230之间为宜。4/3/20234/3/20238 8电厂金属材料二、金属材料的力学性能力力学学性性能能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
7、的能力以及接受变形的能力。（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。塑性塑性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（目前通用的标准为GB/T 2282002）进行，将材料制作成标准试样或比例试样，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、屈服极限、强度极限及塑性等主要力学性能指标。4/3/20234/3/20239 9电厂金属材料1拉伸试样拉伸试样4/3/20234/3/20231010电厂金属材料2拉伸曲线拉伸曲线表示试
8、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/L0。拉伸曲线的形状与材料有关，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，伸长量与载荷的增加成正比。如果此时卸除载荷，试样立即回复原状，即试样产生的变形为弹性变弹性变形形。当载荷超过b点以后，试样会进一步产生变形，此时若卸除载荷，试样的弹性变形消失，而另一部分变形则保留下来，这种不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。4/3/20234/3/20231111电厂金属材料 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。通过拉伸试验所测得的常用的强度指标有屈服强
9、度和抗拉强度。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材料屈服时的载荷（N）；S0试样原始横截面积（mm2）。3.强度强度4/3/20234/3/20231212电厂金属材料 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
10、ReL屈服强度是机械设计和工程设计中的重要依据。抗拉强度抗拉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：式中：Fb材料屈服时的载荷（N）；S0试样原始横截面积（mm2）。4/3/20234/3/20231313电厂金属材料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。拉伸试验所测得的塑性指标有断后伸长率断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率，又称延伸率，标准试样的断后伸长率用A表示，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
11、：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应附下脚注说明所使用的比例系数，例如A11.3表示原始标距的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚标注说明所使用的原始标距，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分率，叫金属材料的断面收缩率，用符号Z表示。4/3/20234/3/20231414电厂金属材料（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塑性变形的能力。常见的硬度指标有布氏硬度（布氏
12、硬度（HB）、）、洛氏硬度洛氏硬度(HR)、维氏硬度维氏硬度(HV)和里氏硬和里氏硬度度(HL)等。1布氏硬度（HB）4/3/20234/3/20231515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，适用于测量布氏硬度450的材料；当压头材质为硬质合金时，布氏硬度用HBW表示，适用于测量布氏硬度在450650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+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷保持时间（1015秒不标注）。例如，180HBS10/1000/30,表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，保持30秒测得的布氏
13、硬度值为120。4/3/20234/3/20231616电厂金属材料2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。根据压头和载荷的不同，洛氏硬度分HRA，HRB和HRC，试验规范见表3-1。4/3/20234/3/20231717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试验规范试验规范4/3/20234/3/20231818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
14、为136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，测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下：4/3/20234/3/20231919电厂金属材料图1-5 维氏硬度试验示意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+试验载荷+载荷保持时间（1015秒不标注）。例如，640HV3020表示在试验力30kgf作用下保持载荷20秒测定的维氏硬度值为640。4/3/20234/3/20232020电厂金属材料4里氏硬度（里氏硬度（H
15、L）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1mm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：式中：vR冲击体回弹速度；vA冲击体冲击速度。根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分里氏硬度分HLD，HLDC，HLG和和HLC。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700HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为700。4/3/20234/3/20232121电厂金属材料各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直接换算不能直接换算，需要查阅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，其耐磨性能也较
16、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。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。维氏硬度的载荷小、压痕浅，广维氏硬度的载荷小、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，广泛用于测定薄工件表面硬化层。里氏硬度操作
17、简单，便携性好，广泛用于现场硬度测量。泛用于现场硬度测量。4/3/20234/3/20232222电厂金属材料（三）冲击韧性（三）冲击韧性（k）冲击韧性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试样冲断时所消耗的冲击功（试样冲断时所消耗的冲击功（J）；）；S试样缺口处截面积（试样缺口处截面积（cm2）。）。4/3/20234/3/2023232
18、3电厂金属材料影响冲击韧性值大小的因素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强度和塑性为主要指标。4/3/20234/3/20232424电厂金属材料（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现象，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，一般由两个明显的部分组成，见图1-8所
19、示。图中A为疲劳源；D区为疲劳裂纹发展区；G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，多以金属疲劳损坏的方式失效。4/3/20234/3/20232525电厂金属材料图1-10 材料疲劳断口宏观形貌4/3/20234/3/20232626电厂金属材料2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定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材
20、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。4/3/20234/3/20232727电厂金属材料3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，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。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
21、高疲劳强度。4/3/20234/3/20232828电厂金属材料（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，对塑性和韧性提出一定的要求，并根据该材料的屈服程度Rel或抗拉强度Rm来计算许用应力值：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；n安全系数。4/3/20234/3/20232929电厂金属材料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1-12所示。这三种类型的脆性破坏，以张开型又称为I型的扩展断裂较为常见，且在外力作用下也较为危险，故近期大量研究的是I型这种裂
22、纹的扩展及破坏。4/3/20234/3/20233030电厂金属材料2.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、脆性断裂的形式也不同，目前常用的断裂韧性计算公式为：4/3/20234/3/20233131电厂金属材料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（a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 越小，即：当a和Y已知时，可根据一定的实验方法测出脆断应力 代入上式，即可计算出k1C值显然，材料的k1C值越高，则材料阻止裂纹扩展的能力越强。因此，k1C
23、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。断裂韧性在电厂金属材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，是在高温及复杂的应力状态下运行的，对于这些在特殊状态下工作的金属材料断裂韧性的研究，就显的更加必要。4/3/20234/3/20233232电厂金属材料一、金属键与晶体结构一、金属键与晶体结构金金属属原原子子的的结结构构特特点点是：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形成自由电子，金属原子成为正离子，如图1-13所示。自由电子在正离子之间做高速运动，形成带负电的电子气。金金属
24、属原原子子间间这这种种正正离离子子与与自自由由电电子子的的电电性性引引力力结结合合，称称为为金金属属键。键。第二节第二节 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶4/3/20234/3/20233333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：自由电子在电场力作用下作定向运动，使金属具有导电性；自由电子在电场力作用下作定向运动，使金属具有导电性；金属离子周围的键是等价的、对称的，因而金
25、属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，即呈晶体结构。的位置必须有规则地排列且势能最低，即呈晶体结构。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具有优良的导热性。金属的这种结构决定了其具有优良的导热性。4/3/20234/3/20233434电厂金属材料 取晶格中一个最基本的几何单元来表明原子排列的规律性，这个最小的几何单元，称为“晶胞晶胞”。显然，金属的结构是由大量晶胞在空间堆垛形成。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
26、属材料通常都是晶体，为了便于分析晶体中原子的排列规律，通常用假想的线条将各原子中心连接起来，使之构成一个空间格架，这种三维的空间格架，称作“晶格晶格”.4/3/20234/3/20233535电厂金属材料常见的晶体结构有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。4/3/20234/3/20233636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4/3/20234/3/20233737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 为了研究方便，可以把
27、金属原子看成球形，并且人为规定与邻近的原子是相切的，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。4/3/20234/3/20233838电厂金属材料三、单晶体与多晶体三、单晶体与多晶体如果依晶格中晶胞的长、宽、高取坐标系X、Y、Z，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。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。金金属属总总是是以以多多晶晶体体的的形形式式存存在在，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了。图1-21为多晶体示意图。在自然界中，常常可以看到食盐，方解石的单晶体
28、。4/3/20234/3/20233939电厂金属材料 4/3/20234/3/20234040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，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。（一）点缺陷（一）点缺陷点点缺缺陷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。图1-23为空空位位和和间间隙隙原原子子，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主要晶格间隙中。空位、间隙原子和异质原子缺陷均会引起晶格局部变形，即晶格畸变原因是由于原子热运动使其逃离晶体
29、结点位置或转移到晶格间隙中。图1-24为异异质质原原子子，一般是其他金属或非金属原子置换原晶格中原子或存在原。晶格畸变引起能量升高，使金属的强度、硬度和电阻升高。4/3/20234/3/20234141电厂金属材料4/3/20234/3/20234242电厂金属材料（二）线缺陷（二）线缺陷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。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。4/3/20234/3/20234343电厂金属材料（三）面缺陷（三
30、）面缺陷面面缺缺陷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，在交界的地方原子排列不可能很规则，于是产生一层“过渡层”。相邻晶粒的位向差如果小于15度，称作“小角度晶界”，可以看作由许多纵向排列的同号刃型位错组成；当位向差大于15度时，称作大角度晶界，随着位向差的增加，晶界的厚度也增加。在实际金属中多数晶界是大角度晶界。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：晶界原子比晶内原子易于发生化学反应，因而容易被腐蚀；晶界原子近于液态结构，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
31、方；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。4/3/20234/3/20234444电厂金属材料五、纯金属的结晶五、纯金属的结晶金属材料自液态凝固的过程称为结晶。金属材料自液态凝固的过程称为结晶。（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，称为熔熔点点，或平衡结晶温度。金属的温度高于熔点时，金属应以液体状态存在；低于熔点时，金属则以固体状态存在。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相同，是动态平衡状态。液态金属冷却到镕点时是不能结晶成晶体的，只有冷
32、到低于熔点的温度时，即有一定的“过冷度”时才能结晶。过冷度按下式计算：ttRt 式中：t过冷度 tR理论熔点 t实际结晶温度4/3/20234/3/20234545电厂金属材料金属的实际结晶温度可以用热分析法热分析法测得。冷却曲线有一水平线段，说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“结结晶晶浴浴热热”。这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状态。当结晶过程结束时，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。曲线上水平线段的长度代表结晶过程的时间。4/3/20234/3/20234646电厂金属材料（二）结晶的过
33、程（二）结晶的过程金属的结晶过程一般包括两个过程，即形核过程和晶核长大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，熔液中开始出现时聚时散的类似晶体结构的小集团，当小集团达到一定临界值时，逐渐稳定，这种最初形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因素有关，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。4/3/20234/3/20234747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，一般沿过冷度大的方向生长，这种生长方式类似树枝的生长，被称为树树枝枝状状长长大大，直到液相消耗完毕。晶核长大的速率称为长大
34、率，用单位时间内晶体表面向前推进的线速度表示。4/3/20234/3/20234848电厂金属材料（三）影响晶粒大小的因素（三）影响晶粒大小的因素金属晶粒的大小是影响金属性能的重要因素金属晶粒的大小是影响金属性能的重要因素。晶晶粒粒大大小小与与常常温温力力学学性性能能的的关关系系为：晶粒越细小，金属的强度、塑性、韧性越高。反之晶粒越粗大，金属的力学性能越差。制备细晶粒材料的措施一般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因素主要有以下三个方面：4/3/20234/3/20234949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，一般随着过冷度的增加，形核率和长大率先
35、增加后下降。3金属流动与振动在金属结晶时如果增加液体流速或给以机械振动、超声波振动，都将达到增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加入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表面，所以加入高熔点杂质能提高形核率。4/3/20234/3/20235050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多数数金金属属结结晶晶后后晶晶格格类类型型保保持持不不变变，但但有有些些金金属属如如铁铁、锰锰、钴钴、钛钛、锡锡等等在在固固态态下下晶晶格格类类型型会会随随温温度度的的变变化化而而发发生生改改变变，由由一一种种晶晶格格
36、向向另另一一种种晶晶格格转转变变，金金属属在在固固态态下下发发生生晶晶格格变变化化的过程称为同素异晶转变。的过程称为同素异晶转变。4/3/20234/3/20235151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际生产中有变在实际生产中有重要意义，正是由重要意义，正是由于纯铁能够发生同于纯铁能够发生同素异晶转变，生产素异晶转变，生产中才有可能用热处中才有可能用热处理的方法来改变钢理的方法来改变钢的组织和性能。的组织和性能。4/3/20234/3/20235252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
37、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。（一）滑移（一）滑移如如果果对对单单晶晶体体锌锌做做拉拉伸伸试试验验，但但单单晶晶锌锌被被拉拉长长后后，发发现现锌锌的的表表面面出出现现倾倾斜斜的的近近乎乎平平行行的的细细线线，称称为为滑滑移移线线。在在锌锌晶晶体体的的内内部部，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。对对滑滑移移后后的的晶晶体体进进行行x射射线线分分析析表表明明，晶晶体体发发生生相相对对浴浴动动后后仍仍然然是是完完整整的的晶晶体体，且且晶晶格格位位向向不不变变，滑滑动动的的距距离离是是晶晶格格常常数数的的
38、整整数数倍倍。这这种种由由整整个个晶晶体体沿沿着着一一个个滑滑移移的的平平面面发发生生的的整整体体滑滑动动，称为称为“刚性滑移刚性滑移”。发生滑移的晶面，叫做滑移面。发生滑移的晶面，叫做滑移面。4/3/20234/3/20235353电厂金属材料 1滑移的受力分析滑移的受力分析作作用用在在滑滑移移面面上上的的拉拉力力P可可以以分分解解为为垂垂直直滑滑移移面面的的正正应应力力分分量量，和和平平行行沿沿移移面面的的切切应应力力分分量量。由由图图中中分分析析可可知知，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。只有在很大很大(超过原子间的结合力)时，才
39、能将晶体拉断。晶体在切应力作用下，发生剪切弹性变形。这时，如果取消外力，晶体则恢复原状。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达到晶体结合力时，切应力分量已经达到临界切应力值。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现象。4/3/20234/3/20235454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，称为密排面密排面。这些密排面往往就是滑移变形的滑移面，如图134所
40、示。4/3/20234/3/20235555电厂金属材料当当晶晶体体沿沿着着密密徘徘面面滑滑移移时时，滑滑移移的的方方向向一一定定是是沿沿着着面面内内最最密密排排的的方方向向。这这是是因因为密排方向上原子之间的距离小，滑动一个原子间距所需的能量小的缘故。为密排方向上原子之间的距离小，滑动一个原子间距所需的能量小的缘故。一一个个密密排排面面及及面面上上一一个个密密排排的的晶晶向向，组组成成一一个个可可能能滑滑移移的的通通道道，称称为为滑滑移移系系。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，因此密排六方晶格的金属镁、锌等塑性较差。面心立方晶格
41、与体心立方晶格的滑移系虽然形同，但滑移方向对塑性的贡献更大些，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。2滑移的机理滑移的机理 金金属属晶晶体体如如果果按按照照上上述述刚刚性性滑滑移移的的机机理理发发生生滑滑移移变变形形，即即部部分分晶晶体体发发生生整整体体滑滑动动时时，所所需需的的切切应应力力比比实实际际晶晶体体滑滑移移时时所所需需的的临临界界切切应应力力大大二二至至三三个个数数量量组组。如如铁铁在在刚刚性性滑滑移移时时所所需需切切应应力力为为2300MPa，而而实实际际测测得得的的临临界界切切应应力力为为29MPa；铜铜在在刚刚性性滑滑移移时时所所需需切
42、切应应力力为为1540MPa，而而实实际际测测得得的临界切应力为的临界切应力为1MPa。这说明实际晶体滑移时，并不是刚性滑移。这说明实际晶体滑移时，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。4/3/20234/3/20235656电厂金属材料其其微微观观过过程程，是是由由位位错错的的移移动动来来完完成成的的。金金属属中中存存在在着着大大量量位位错错，位位错错沿沿着着滑滑移移面面运运动，在宏观上引起金属的塑性变形。动，在宏观上引起金属的塑性变形。4/3/20234/3/20235757电厂金属材料金金属属的的健健合合力
43、力是是很很高高的的，即即其其本本质质强强度度很很高高，但但在在外外力力作作用用下下，金金属属中中所所存存在在的的大大量量位位所所在在切切应应力力很很小小时时即即可可运运动动，导导致致滑滑移移变变形形。金金属属经经一一定定量量的的塑塑性性变变形形后后，内内部部缺缺陷陷增增加加，以以致致断断裂裂。因因此此，金金属属中中位位错错的的数数量量、分分布布对对金金属属的的性性能能影影响响很很大大。假假如如金金属属中中没没有有位位错错，金金属属的的塑塑性性变变形形只只有有依依刚刚性性滑滑移移来来进进行行，金金属属的的强强度度就就很很高高。随随着着位位错错数数量量的的增增加加，金金属属的的强强度度下下降降，但
44、但当当位位错错数数量量增增至至很很大大时时，位位错错线线之之间间发发生生的的交交互互作作用用，反反而而阻阻碍碍位位错错的的移移动动，金金属属强强度度又又有有上上升升的的趋趋势势。金金属属强强度度与与位位错错密密度度的的关关系系如图如图l37所示。所示。4/3/20234/3/20235858电厂金属材料（二）孪生（二）孪生孪孪生生是是晶晶体体的的另另一一种种塑塑性性变变形形方方式式。在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定的的晶晶面面（孪孪晶晶面面）和和晶晶向向（挛挛晶晶方方向向）相相对对于于另另一一部部分分所所发发生生的的切切变变称称为为孪孪生生。与与滑滑移移变变形
45、形相相比比，孪孪生生变变形形很很少少发发生生。因因为为孪孪生生所所需需要要的的剪剪切切应应力力很很大大，孪孪生生变变形形往往往往只只在在低低温温的的体体心心六六方方晶晶格格金金属属中中发发生生，或或在在滑滑核核系系很很少少的的密密排排六六方方晶晶格格金金属属中中发发生生，或或受受到到冲冲击变形的金属中发生。击变形的金属中发生。二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形 多多晶晶体体塑塑性性变变形形时时，每每个个晶晶粒粒的的塑塑性性变变形形与与单单晶晶体体塑塑性性变变形形基基本本相相同同，但但由由于于晶晶界界的的作作用用及及相相邻邻晶晶粒粒之之间间位位向向不不同同，多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形
46、与与单单晶晶体体相相比比又又有所不同。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。4/3/20234/3/20235959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界，晶界上的原子排列是无规则的，金属中的杂质原于往往存在其间，这对于位错的运动形成很大阻力。用只有两个晶粒的试样进行拉伸试验，变形后试样出现了所谓“竹节现象竹节现象”，如图139所示。这说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。4/3/20234/3/20236060电厂金属材料（二）位向
47、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，必然受到相邻晶粒的牵制作用，相邻晶粒间的位向差越大时，牵制作用越大，从而增加了塑变抗力，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，则在较大的体积内牵制塑性变形，使塑性交形不均匀。在在实
48、实际际生生产产中中，希希望望金金属属零零件件的的晶晶粒粒越越细细越越好好。在在电电力力设设备备中中，有有些些重重要要零零件件的的晶晶粒粒度度，被被限限定定在在一一定定级级别别之之内内，尤尤其其是是承承受受冲冲击击的的构构件件，如如碎碎煤煤机机的的锤锤头头和和锤锤扦扦，细细晶晶粒粒金金属属的的强强度度高高、塑塑性性好好，则则冲冲击击韧韧性性也也高高，能能够够承承受受反反复的冲击而不易产生疲劳损坏。复的冲击而不易产生疲劳损坏。4/3/20234/3/20236161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金属属材材料料在在外外力力作作用用下下产产生生塑塑性
49、性变变形形，其其内内部部的的组组织织和和力力学学性性能能、物物理理、化化学学性性能能也也发发生生一一系列的变化，主要的变化是加工硬化，同时在金属内部产生形变内应力。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。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受外力作用屈服后，如继续变形则需要增加应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、硬化，直力，即随着塑性变形的增
50、加金属不断强化、硬化，直至达到强度极限。至达到强度极限。低碳钢的加工硬化现象见图低碳钢的加工硬化现象见图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。建筑以上。建筑用钢筋须先经过冷拔强化。但加工硬化会使金属的电用钢筋须先经过冷拔强化。但加工硬化会使金属的电阻增加，耐腐蚀性下降，特别是金属的塑性韧性下阻增加，耐腐蚀性下降，特别是金属的塑性韧性下降，甚至趋于零。降，甚至趋于零。金属的显微组织：会发现金属的晶粒逐渐被拉长，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，这说明晶粒发生碎化，亚至会变成细条状、纤维状，这说明晶粒发生碎化，亚晶的数