电厂金属材料

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。


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。


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


铸造性能 焊接性能 热处理性能 切削性能


铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削性能

强度定义

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。
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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，金属中的杂质原子往 往存在期间，这对于位错的运动形成很大 阻力

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
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

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。

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。

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。
一 宏观内应力 二 显微应力 三 晶格畸变应力


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、尺寸和表面质量的加 工方法。任何切削加工都必须具备3个基本条件: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。比如延展性的降低以及残余应力的增加。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，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） 工艺就已非常发达；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)。
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）。

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
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

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。


1过冷度 2不熔杂质 3金属的流动 与振动



过冷度degree of under cooling 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。
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； (3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成 的黄铜（β-黄铜、γ-黄铜和ε-黄铜）等。 合金的许多性能优于纯金属，故在应用材料中大多使用合金(参看铁 合金、不锈钢)。 合金的通性 各类型合金都有以下通性： (1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点； (2)硬度一般比其组分中任一金属的硬度大；（特例：钠钾合金是液 态的，用于原子反应堆里的导热剂） (3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性， 可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料。 (4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢)如在铁中掺入15%铬和9%镍得到一 种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业

又称螺旋位错（Burgers dislocation）。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。


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。
点缺陷 线缺陷 面缺陷


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。

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。

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）。

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。


，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。