電廠金屬材料目錄第一章一金屬材料的根底知識第一節金屬材料的性能第二節金屬的晶體結構與結晶第三節金屬的塑形變形與再結晶第四節合金的相結構及二元合金相圖

金屬材料的性能鑄造性能焊接性能熱處理性能切削性能

工藝性能鑄造性能鍛造性能焊接性能切削性能強度塑性強度定義在外力作用下，材料或結構抵抗破壞〔永久變形和斷裂〕的能力。按所抵抗外力的作用形式可分為：抵抗靜態外力的靜強度，抵抗沖擊外力的沖擊強度，抵抗交變外力的疲勞強度等；按環境溫度可分為：常溫下抵抗外力的常溫強度，高溫或低溫下抵抗外力的熱(高溫)強度或冷(低溫)強度等。按外力作用的性質不同，主要有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等，工程常用的是屈服強度和抗拉強度，這兩個強度指標可通過拉伸試驗測出。塑性定義和塑性指標塑性，力學專業術語，英文專業名：Plasticity.Ductility,Briquettability.是指在外力作用下，材料能穩定地發生永久變形而不破壞其完整性的能力。評價金屬材料的塑性指標包括伸長率〔延伸率〕A和斷面收縮率Z表示。強度和塑形疲勞強度疲勞強度是指材料在無限屢次交變載荷作用而不會產生破壞的最大應力，稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限屢次交變載荷試驗。疲勞強度布氏硬度洛氏硬度維氏硬度沖擊韌性沖擊韌度指標的實際意義在于揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，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J〔焦耳〕。沖擊韌性斷裂韌性材料抵抗裂紋擴展斷裂的韌性性能稱為斷裂韌性。是材料抵抗脆性破壞的韌性參數。表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。在加載速度和溫度一定的條件下，對某種材料而言它是一個常數。當裂紋尺寸一定時，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩擴展所需的臨界應力就愈大；當給定外力時，假設材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋到達失穩擴展時的臨界尺寸就愈大。指材料阻止宏觀裂紋失穩擴展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。是應力強度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對物體所作的功表示。例如應力-應變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。測試方法壓痕法〔IM〕測試試樣外表先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負載在拋光外表用硬度計的錐形金剛石壓頭產生一壓痕，這樣在壓痕的四個頂點就產生了預制裂紋。根據壓痕載荷P和壓痕裂紋擴展長度C計算出斷裂韌性數值〔KIC〕。計算公式為：計算公式E為楊氏模量，例如對于Si3N4系統一般取300GPa。公式中載荷P單位為N,裂紋長度C單位為mm,顯微硬度HV單位為GPa。斷裂韌性金屬的晶體結構與結晶晶體的結構有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。體心立方晶格和面心立方晶格碳的晶格圖晶面、晶向與晶格單晶體與多晶體工業純鐵顯微組織晶體的缺陷點缺陷線缺陷面缺陷點缺陷點缺陷是最簡單的晶體缺陷，它是在結點上或鄰近的微觀區域內偏離晶體結構的正常排列的一種缺陷。點缺陷是發生在晶體中一個或幾個晶格常數范圍內，其特征是在三維方向上的尺寸都很小，例如空位、間隙原子、雜質原子等，也可稱零維缺陷。點缺陷與溫度密切相關所以也稱為熱缺陷。線缺陷在工程材料學中，線缺陷指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。其特征是兩個方向尺寸上很小另外兩個方向延伸較長，也稱一維缺陷，集中表現形式是位錯，由晶體中原子平面的錯動引起。位錯從幾何結構可分為兩種：刃型位錯和螺型位錯。刃型位錯螺型位錯，晶體中某一列或假設干列原子發生了刀刃型位錯[1]有規的錯排的現象。某一原子面再晶體內部中斷。這個原子平面中斷處的邊緣是一個刀刃型位錯，就像刀刃一樣將晶體上半局部切開，如同沿切口強行鍥入半原子面，將刀口處的原子列稱為刀刃型位錯。金屬中存在大量位錯，位錯在外力作用下會產生運動、堆積和纏結，位錯附近區域產生晶體畸變，導致金屬的強度升高。又稱螺旋位錯〔Burgersdislocation〕。一個晶體的某一局部相對于其余局部發生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距。在中央軸線處即為一螺型位錯。圍繞位錯線原子的位移矢量稱為滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，對于螺型位錯，位錯線平行于伯格斯矢量。面缺陷一塊晶體常常被一些界面分隔成許多較小的疇區，疇區內具有較高的原子排列完整性，疇區之間的界面附近存在著較嚴重的原子錯排。這種發生于整個界面上的廣延缺陷被稱作面缺陷，即在工程材料學中，面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷的種類面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有兩種：晶界和亞晶界[1]

。結構復雜，對于晶體的物理性能有著廣泛的影響。晶體中相鄰疇區間的交接往往不是任意的，通常只有那些點陣匹配度較好，具有特定形態及結構，因而界面能較低的面缺陷能夠存在。人們通常按界面兩側晶體結構之間的關系將其分為平移界面、孿晶界面及晶粒間界三大類別純金屬的結晶結晶的條件結晶的過程影響晶粒大小的因素固態金屬的同素異晶轉變結晶條件具有一定的過冷度是液態金屬能夠結晶的必要條件，即結晶的熱力學條件過冷度越大時即實際的結晶溫度t越低，結晶的條件就越好，其結晶傾向就越大。實際上，當液態金屬的冷卻速度越大時，過冷度就越大。純金屬結晶冷卻曲線結晶過程結晶過程是金屬內的原子從液態的無序的混亂排列轉變成固態的有規律排列。經歷了形核——長大——形核——長大...

的過程。

晶核形成：自發形核與非自發形核

[自發形核]：金屬在過冷的條件下，液態金屬中某些局部微小的區域內的原子自發地聚集在一起，這種原子規那么排列的細小聚合體稱為晶核，這種形核方式稱為自發形核；

[非自發形核]：當金屬液中有細微的固態顆粒〔自帶或人工參加〕時，也可以成為結晶的核心，這種形核方式稱為非自發形核。

晶核長大：金屬液中的原子不斷向晶核外表遷移，使晶核不斷長大，與此同時，不斷有新的晶核產生并長大，直至金屬液全部消失。

晶體長大示意圖影響晶粒大小的因素1過冷度2不熔雜質3金屬的流動與振動過冷度過冷度degreeofundercooling熔融金屬平衡狀態下的相變溫度與實際相變溫度的差值。純金屬的過冷度等于其熔點與實際結晶溫度的差值，合金的過冷度等于其相圖中液相線溫度與實際結晶溫度的差值。每一種物質都有自己的平衡結晶溫度或者稱為理論結晶溫度，但是，在實際結晶過程中，實際結晶溫度總是低于理論結晶溫度的，這種現象稱為過冷現象，兩者的溫度差值被稱為過冷度。過冷度的大小與冷卻速度密切相關，冷卻速度越快，實際結晶溫度就越低，過冷度就越大；反之冷卻速度越慢，過冷度就越小，實際結晶溫度就更接近理論結晶溫度。不熔雜質液態金屬中如果有不熔雜質或高熔點金屬時，可促進非均勻形核，從而增大形核率。金屬的流動與振動如果能增加鑄件中液態金屬的流動，不但可以增加冷卻速度，還可以將枝晶沖斷，增大形核率。固態金屬的同素異晶轉變定義：當外部條件〔溫度和壓強〕改變時，金屬內部由一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變稱為多晶型轉變或同素異晶轉變。液態純鐵冷卻到1538℃時，結晶成具有體心立方晶格的δ-Fe；繼續冷到1394℃時發生同素異晶的轉變，體心立方晶格δ-Fe轉變為面心立方晶格γ-Fe；再繼續冷卻到912℃時，γ-Fe又轉變為體心立方晶格的α-Fe。純鐵變為固態后發生了兩次同素異晶轉變。金屬的塑形變形與再結晶1單晶體的塑性變形2多晶體的塑性變形3冷塑性變形對金屬組織和性能的影響4回復與再結晶5熱加工與冷加工的區別單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的主要形式是滑移和孿生。滑移1〕滑移：在外加切應力作用下，晶體的一局部相對于另一局部沿一定晶面〔滑移面〕的一定方向〔滑移方向〕發生相對的滑動滑移的機理位錯密度→滑移→塑性變形·位錯在外加切應力的作用下移動至晶體外表→一個原子間距的滑移臺階→塑性變形·滑移線〔晶體外表的滑移臺階〕→滑移帶〔大量滑移線〕·滑移系〔滑移面和該面上的一個滑移方向〕，滑移系數目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系為12個，HCP為3個，FCC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu〔FCC〕＞Fe〔BCC〕＞Zn〔HCP〕。〕。孿生孿生是晶體的另一種塑性變形方式多晶體的塑性變形1.多晶體中,由于晶界上原子排列不很規那么,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。2.多晶體中每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向(稱晶粒處于軟位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。在發生滑移時，軟位向晶粒先開始。當位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其它晶粒發生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。晶粒越細，金屬的變形越分散，減少了應力集中，推遲裂紋的形成和開展，使金屬在斷裂之前可發生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。由于細晶粒金屬的強度較高，塑性較好，所以斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性也較好。因此細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。晶界的影響晶界是相鄰兩個晶粒的邊界，晶界上的原子排列是無規那么的，金屬中的雜質原子往往存在期間，這對于位錯的運動形成很大阻力位相差從材料力學知道，拉伸試樣受拉時，外力的切應力分量在與外力呈45度角時最大冷塑性變形對金屬組織性能的影響

金屬材料在外力作用下產生塑性變形，其內部的組織和力學性能、物理、化學性能也發生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時在金屬內部產生形變內應力低碳鋼的加工硬化現象形變內應力一宏觀內應力二顯微應力三晶格畸變應力回復與再結晶再結晶再結晶溫度與預變形量的關系熱加工與冷加工的區別冷加工與熱加工的區別是什么?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，使工件獲得規定的幾何形狀、尺寸和外表質量的加工方法。任何切削加工都必須具備3個根本條件:切削工具、工件和切削運動。切削工具應有刃口，其材質必須比工件堅硬。不同的刀具結構和切削運動形式構成不同的切削方法。用刃形和刃數都固定的刀具進行切削的方法有車削、鉆削、鏜削、銑削、刨削、拉削和鋸切等;用刃形和刃數都不固定的磨具或磨料進行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和拋光等。冷加工會導致一些不需要的效果。比方延展性的降低以及剩余應力的增加。由于冷加工或加工硬化的機制是增加了位錯密度，因此任何可以重新排列或消除位錯的處理方法都可以消除冷加工的效果。在金屬學中，把高于金屬再結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。有時也將熱切割、熱噴涂等工藝包括在內。熱加工能使金屬零件在成形的同時改善它的組織，或者使已成形的零件改變結晶狀態以改善零件的機械性能。鑄造、焊接是將金屬熔化再凝固成型。合金概念合金，是由兩種或兩種以上的金屬與金屬或非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一，在商朝〔距今3000多年前〕青銅〔銅錫合金〕工藝就已非常興旺；公元前6世紀左右〔春秋晚期〕已鍛打〔還進行過熱處理〕出鋒利的劍(鋼制品)。合金類型(1)混合物合金〔共熔混合物〕，當液態合金凝固時，構成合金的各組分分別結晶而成的合金，如焊錫、鉍鎘合金等；(2)固熔體合金，當液態合金凝固時形成固溶體的合金，如金銀合金等；(