工程材料講義

工程材料講義緒論第一章：金屬的結(jié)晶與合金的構(gòu)造1.1金屬的晶體構(gòu)造1.2金屬的結(jié)晶1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)1.5二元合金狀態(tài)圖的構(gòu)成第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖2.1碳鐵合金的根本組織2.2碳鐵合金狀態(tài)圖第三章：鋼的熱處理3.1鋼熱處理的根本原理3.2鋼的熱處理第四章：金屬材料的變形與再結(jié)晶4.1單晶體金屬的變形4.2多晶體金屬的變形4.3塑性變形對金屬組織和性能4.4塑性變形后的金屬在加熱時的組織和性能變化第五章：金屬材料的脆性5.1金屬材料的斷裂5.2脆性破壞事故分析5.3韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度5.4無塑性溫度5.5金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件5.6金屬材料的脆化現(xiàn)象第六章：金屬材料的高溫機械性能6.1金屬材料的蠕變現(xiàn)象6.2金屬材料的高溫強度6.3蠕變和持久強度的推測方法6.4鋼的持久塑性6.5影響材料高溫強度性能的因素6.6金屬材料的松弛第七章：長期在高溫條件下金屬組織7.1珠光體球化7.2石墨化7.3合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配第八章：鋼的過熱與過燒8.1概述8.2鋼在高溫加熱中的變化8.3高溫加熱后的冷卻8.4鋼的過熱8.5鋼的過燒現(xiàn)象第九章：金屬材料的腐蝕9.2金屬材料的高溫氧化9.3金屬材料的電化學腐蝕9.4金屬材料的應(yīng)力腐蝕9.5蒸汽腐蝕9.6硫腐蝕9.7釩腐蝕9.8氧腐蝕9.9防腐原理第十章：金屬材料的疲勞10.1交變載荷的特性10.2高周疲勞特點10.3疲勞斷裂機理10.4影響材料疲勞抗力的因素10.5低周疲勞的特性10.6熱疲勞10.7腐蝕疲勞10.8接觸疲勞10.9提高材料與機件疲勞強度第十一章：合金元素在鋼中的作用11.1合金元素在鋼中的存在方式11.2合金元素對鋼的平衡組織的影響11.3合金元素對熱處理的影響11.4合金元素對對氧化與腐蝕的影響11.5合金元素對機械性能的影響11.6合金元素對鋼的工藝性能的影響11.7幾種常用合金元素在鋼中的作用第十二章：構(gòu)件用鋼12.1構(gòu)件用鋼的力學特點12.2構(gòu)件用鋼的工藝性能12.3構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕性能12.4碳素構(gòu)件用鋼12.5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼12.6進一步提高普低鋼力學性能途徑第十三章：有色金屬及其合金13.1鋁及鋁合金13.2鎂及鎂合金13.3銅及銅合金13.4鈦及鈦合金第十四章：金屬材料的加工工藝性能14.1金屬材料的鑄造性能14.2金屬材料的鍛造性能14.3金屬材料焊接性能14.4金屬材料的加工性第十五章：鍋爐及壓力容器常用鋼材15.1鍋爐及壓力容器對鋼材性能要求15.2鍋爐及壓力容器用鋼的分類15.3碳素鋼15.4普通低合金結(jié)構(gòu)鋼15.5低合金熱強鋼15.6不銹耐酸鋼15.7低溫用鋼第十六章：工具鋼16.1概述16.2刃具用鋼16.3模具用鋼16.4量具用鋼第十七章：不銹鋼17.2金屬腐蝕17.3不銹鋼的合金化原理17.4不銹鋼的種類和特點第十八章：耐熱鋼及高溫合金18.1鋼的穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性18.2金屬的熱強性18.3α-Fe基熱強鋼18.4γ-Fe基熱強鋼第十九章：鑄鐵19.1鑄鐵的特點和分類19.2鑄鐵的結(jié)晶19.3鑄鐵的石墨化19.4灰鑄鐵19.5提高鑄鐵性能的途徑19.6可鍛鑄鐵19.7特殊性能的鑄鐵19.8鑄鐵的熱處理緒

論按國際公約規(guī)定，社會經(jīng)濟過程中的全部產(chǎn)品通常分為三類，即硬件產(chǎn)品(hardware)，軟件產(chǎn)品(software)，和流程性產(chǎn)品(processedmaterial)。世界各興旺國家和我國都把“先進制造技術(shù)〞列為優(yōu)先開展的戰(zhàn)略性高技術(shù)之一。先進制造技術(shù)主要指硬件產(chǎn)品的先進制造技術(shù)和流程性材料產(chǎn)品的先進制造技術(shù)。工程材料-工程上使用的材料，與工程有關(guān)的材料。一、工程材料開展過程材料的開展與人類社會的開展緊密聯(lián)系：人類社會歷史：石器時代、銅器時代和鐵器時代在40-50年代，材料的開展主要圍繞著機械制造業(yè)，因此，主要開展了以一般力學性能為主的金屬材料，

50-60年代，壓力容器向高強度方向開展更快，開展了高強度低合金鋼。

60年代以后，由于航空、空間機械和動力機械的開展對材料提出了更苛刻的要求。如高溫、高壓、高的比強度和比模量等。

20世紀后期，材料作為高技術(shù)的四大支柱〔能源、材料、生命和信息〕之一高速開展，新材料特別是非金屬人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及復合材料快速開展。分析測試手段如：掃描電鏡、電子探針、透射電鏡的開展以數(shù)字化、計算機的應(yīng)用加速了材料的開展。

尤其是隨著材料的開展，對刀具和模具材料提出了更高的要求，只有陶瓷材料和復合材料的出現(xiàn)，才能更好地滿足生產(chǎn)的需要。工程材料主要應(yīng)用于機械制造、航空、航天、化工、建筑和交通運輸?shù)炔块T。

石油化工中主要有壓力容器，反響器，塔器，換熱器，貯槽等。二、工程材料分類三、材料性能與化學成分和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。材料的所有性能都是其化學成分和組織結(jié)構(gòu)在一定外界因素〔載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度和環(huán)境介質(zhì)〕作用下的綜合反映。材料的化學成分和組織結(jié)構(gòu)是其力學性能的內(nèi)部依據(jù)，而力學性能那么是具有一定化學成分和組織結(jié)構(gòu)的外部表現(xiàn)。鋼的化學成分是組織結(jié)構(gòu)的主要決定因素之一?；瘜W成分一定時，可以通過不同的熱處理工藝改變材料的組織結(jié)構(gòu)，而導致材料在力學性能上有較大的差異。四、選擇材料需考慮的因素在零構(gòu)件及壓力容器設(shè)計中，正確地選擇結(jié)構(gòu)材料對于保證構(gòu)件的結(jié)構(gòu)合理、平安使用和降低制造本錢是至關(guān)重要的。

材料的選擇必須要考慮到許多因素，以壓力容器為例盡管工藝系統(tǒng)設(shè)計人員負責推薦選用于工藝條件的、即具有良好耐腐蝕性能的材料或?qū)橘|(zhì)無污染的材料。但作為設(shè)備專業(yè)的設(shè)計人員，除應(yīng)了解材料的耐蝕性能外，還必須知道：材料應(yīng)具有足夠的強度和良好的焊接性能和其它加工性能，應(yīng)選擇適合于工藝和機械兩方面要求的最經(jīng)濟的材料．這些材料應(yīng)該是在整個設(shè)備工作壽命期限里，考慮到維修、更新等因素在內(nèi)的本錢最低的材料。選擇結(jié)構(gòu)材料時，需考慮的主要因素包括：〔一〕使用性能1．力學性能

力學性能是針對失效而言。失效三種形式：變形，磨損和斷裂。

〔1〕強度指標——抗拉強度、屈服點；

σ=P/F

抗拉強度是材料的主要強度指標之一，它是材料在拉伸受力過程中，從開始加載至斷裂所能承受的最大應(yīng)力，是決定材料許用應(yīng)力的主要依據(jù)之一。在GB228“金屬拉伸試驗方法〞中給出了抗拉強度的定義和試驗方法。

屈服點是指呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料，在所加外載荷不再增加〔保持恒定〕，而材料仍繼續(xù)伸長變形時所對應(yīng)的應(yīng)力．對于在壓力容器行業(yè)中通常使用的材料，規(guī)定以剩余伸長率為0．2％時的應(yīng)力作為決定材料許用應(yīng)力時的屈服點。GB228中給出了試驗方法。〔2〕剛度——彈性模量剛度是結(jié)構(gòu)抗彎曲和翹曲的能力，是度量構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)受力時變形大小的因素之一，它與材料的彈性模量和結(jié)構(gòu)元件的截面形狀〔截面慣性矩〕有關(guān)。

彈性模量是材料在彈性極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值。

GB150附錄1給出了不同類別鋼材在不同溫度下的彈性模量．〔3〕韌性——抗斷裂性能；沖擊韌性Ak韌性用來衡量材料的抗裂紋擴展能力．對低碳鋼、鋁、銅一類塑性材料，其晶格結(jié)構(gòu)能夠由于裂紋尖端的局部屈服而終止裂紋的擴展；對于類似鑄鐵等脆性材料，其晶格結(jié)構(gòu)不會使裂紋尖端產(chǎn)生局部屈服現(xiàn)象，不能終止裂紋擴展，因此脆性材料不耐拉伸．而在壓縮條件下，任何已經(jīng)存在的初始裂紋都可能閉合．〔4〕硬度——耐磨性，洛氏硬度，維氏硬度

硬度是抵抗其它物體刻劃或壓入其外表的能力．用標準試驗方法測得的外表硬度是材料耐磨能力的重要指標．如果容器是用于處理有摩擦性的固體或含有可能引起磨蝕的懸浮固體的流體物料時，那么應(yīng)考慮材料的外表硬度．根據(jù)試驗方法的不同，有不同的量值表示硬度．在壓力容器行業(yè)中，多采用布氏硬度，其標準試驗方法是GB231‘金屬布氏硬度試驗方皆．其它硬度表示方法及試驗方法有：

GB230“金屬洛氏硬度試驗方法〞GB4340“金屬維氏硬度試驗方法〞〔5〕抗疲勞性能——疲勞極限

材料或元件在交變應(yīng)力〔隨時間作周期性改變的應(yīng)力〕作用下，經(jīng)過一段時期后，在內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中的部位，局部產(chǎn)生細微的裂紋，裂紋逐漸擴展以致在應(yīng)力遠小于屈服點或強度極限的情況下，突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，例如頻繁進料、出料的周期性間歇操作的設(shè)備，應(yīng)考慮其疲勞失效的可能性．

疲勞極限即材料承受近無限次應(yīng)力循環(huán)〔對鋼材約為107次〕，而不破壞的最大應(yīng)力值。

對于承受周期性循環(huán)載荷的容器分析設(shè)計，在即將發(fā)布實施以應(yīng)力分析為根底壓力容器設(shè)計方法“鋼制壓力容器另一標準〞中另有專章規(guī)定?！?〕抗蠕變性能

蠕變是在一個長時間內(nèi)，在穩(wěn)定的拉伸應(yīng)力作用下材料出現(xiàn)逐漸伸長的現(xiàn)象．對于鋼材，通常只有在較高溫度下才會發(fā)生蠕變；對于少數(shù)材料，在中等溫度下就有顯著的蠕變速度，如鉛，甚至在常溫下就會在本身重量下產(chǎn)生蠕變。所以用鉛作村里時，必須以較小的間隔予以支承固定。GB150中是以設(shè)計溫度下經(jīng)過10萬小時蠕變率為1％的蠕變極限作為設(shè)計根底的?！?〕溫和低溫對力學性能的影響

材料的抗拉強度、屈服點和彈性模量隨溫度的升高而降低．如果設(shè)備的操作溫度較高，那么必須選用在相應(yīng)溫度下能保持其強度指標的材料。顯然，不銹鋼比普通碳鋼要優(yōu)越得多。如果材料在高溫下承受高的應(yīng)力，那么材料的抗蠕變性能是關(guān)鍵性的．必要時采用特殊合金，如因康鎳。

對于0℃以下的低溫設(shè)備，通常的塑性金屬材料可能以脆性方式破壞。脆性失效的現(xiàn)象與金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。體心立方〔bcc〕晶格的金屬要比面心立方晶格〔fcc〕的金屬更容易發(fā)生脆性失效。對于低溫容器，如深冷裝置和某些液化氣體的貯存，有時要規(guī)定使用奧氏體不銹鋼和鋁合金。

引起鋼制焊接壓力容器脆性破壞的因索非常復雜。它取決于材料的晶格結(jié)構(gòu)，板材的厚度、加工后的剩余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的使用溫度．

目前各國標準標準均以夏比V型缺口沖擊試驗來檢驗材料對施性破壞的敏感性，其指標為沖擊〔吸收〕功Akv，即具有一定形狀尺寸的金屬試樣在沖擊負荷下折斷時所吸收的功，單位為焦耳〔J〕．標準試驗方法有：

GB2106“金屬夏比〔V型缺口〕沖擊試驗方法〞

GB4159“金屬低溫夏比沖擊試驗方法〞所謂材料的使用溫度是指容器在正常操作過程中，元件材料可能到達的溫度，GB150規(guī)定，該溫度不得超過各許用應(yīng)力表中各鋼號所對應(yīng)的上限溫度；對于0℃以下的使用溫度，要求材料仍能符合對其低溫沖擊功指標的要求．

2．化學性能

耐腐蝕性能；

3．物理性能

特殊性能：如導熱性，硬化性能；

〔二〕工藝性能

機械加工性能一成型、焊接、鍛造、機加工、熱處理；

〔三〕其他

標準系列尺寸一常用板材、管材與型材的規(guī)格；

材料價格．六、學習本課程的目的和要求目的和要求：根據(jù)各種實際工作條件選擇適當?shù)牟牧?。第一章：金屬的結(jié)晶與合金的構(gòu)造1.1金屬的晶體構(gòu)造

1.1.1晶體概念

指原子〔離子〕呈規(guī)那么排列的物體。

晶體特點：

〔1〕有固定熔點，

〔2〕原子呈規(guī)那么排列，宏觀斷口有一定形態(tài)且不光滑

〔3〕各向異性，由于晶體在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶體在不同方向上的性能也不一樣。

晶體：絕大多數(shù)的固態(tài)物質(zhì)，固態(tài)的金屬和合金。

非晶體：玻璃，瀝青。

1.1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體有規(guī)那么的原子排列，主要是由于各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡。

為了便于說明和分析各種晶體的原子排列規(guī)律，把原子看成一個點，并用假想的直線將各點連接起來，這樣就構(gòu)成了一個假想的空間格子。這種用以描述原子在晶體中排列的空間格子叫晶格。組成晶格的最根本幾何單元叫晶胞。晶胞各邊尺寸及夾角稱為“晶格常數(shù)〞。1.1.3三種常見的晶格及分析

〔1〕體心立方晶格：鉻，釩，鎢，鉬，α-Fe。1/8*8+1=2個原子

〔2〕面心立方晶格：鋁，銅，鉛，銀，γ-Fe。1/8*8+1/2*6=4個原子

〔3〕密排六方晶格：鎂，鋅。6個原子

1.1.3.1反映金屬晶體排列緊密的參數(shù)

晶格的致密度：晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比。

配位數(shù)：晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且等距離的原子數(shù)。晶格類型配位數(shù)致密度體心立方8面心立方12密排六方121.1.3.2晶面與晶向指數(shù)：

晶面：晶體中各種方向上的原子面。

晶向：晶體中各種方向上的原子列。

在研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的細節(jié)及其性能時，需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點，因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號，以表示出它們在晶體中的方位或方向，便于分析。晶面和晶向的這種符號分別叫“晶面指數(shù)〞和“晶向指數(shù)〞。

確定晶面指數(shù)的步驟：

〔1〕設(shè)晶格中某一原子為原點，通過該點平等于晶胞的三棱邊作OX，OY，OZ三坐標軸，以晶格常數(shù)a,b,c分別作為相應(yīng)的三個坐標軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距；

〔2〕將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)；

〔3〕再將這三個倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號，即為晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的一般形式用〔hkl〕表示。

立方晶格中三個重要晶面100,110,111

晶向指數(shù)確實定方法：

〔1〕通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向；

〔2〕求出該直線上任意一點的三個坐標值；

〔3〕將三個坐標值按比例化為最小整數(shù)，一般用[uvw]表示。

晶面與晶向的原子密度：

晶面原子密度：單位面積中的原子數(shù)

晶向原子密度：單位長度上的原子數(shù)。例：體心立方晶格晶面指數(shù)晶面密度晶向指數(shù)晶向密度{100}1/a2<100>1/a{110}<110>{111}<111>單晶體應(yīng)用例子：

變壓器中的硅鋼片晶向指數(shù)為<100>，利用了它的磁導率

多晶體結(jié)構(gòu)

如果一個晶體內(nèi)部的晶格方位完全一致，稱為單晶體。工業(yè)中實際使用的金屬材料，包含了許多小晶體，內(nèi)部晶格方位一致，但彼此方位不同，多晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。

單晶體各向異性，多晶體一般不顯示各向異性。金屬的結(jié)晶1.2.1

結(jié)晶

液態(tài)金屬冷卻至凝固溫度時，金屬原子例由無規(guī)那么運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢◣缀涡螤钭饔行蚺帕械臓顟B(tài)，這種由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程稱為金屬的結(jié)晶。

冷卻曲線：

過冷現(xiàn)象：實際上有較快的冷卻速度。

過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差，過冷度。

1.2.2

結(jié)晶過程金屬結(jié)晶后晶粒大小

一般來說，晶粒越細小，材料的強度和硬度越高，塑性韌性越好。

細化晶粒的方法：

〔1〕增大過冷度，增加晶核數(shù)量

〔2〕參加不熔物質(zhì)作為人工晶核

〔3〕機械振動、超聲波振動和電磁振動

1.3

金屬的同互異晶轉(zhuǎn)變

大多數(shù)金屬在結(jié)晶完成后的繼續(xù)冷卻中，其晶體結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，如鋁、銅等。也有少數(shù)金屬如鐵、鈦等。這種金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。

1538℃

δ-Fe

1394℃

γ-Fe

912℃

α-Fe

因為鐵能發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，在生產(chǎn)中才有可能對鋼和鑄鐵進行各種熱處理，改變它的組織與性能，以發(fā)揮材料的潛力。1.4

合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬一般強度低，工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的金屬材料都是合金，碳鋼，合金鋼，鑄鐵，鋁鎂合金。

1.4.1合金概念

由兩種或兩種以上的金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。

1.4.2合金結(jié)構(gòu)

〔1〕固溶體

指溶質(zhì)的原子溶入溶劑原子的晶格中或取代了栽些溶劑原子的位置，而仍保持溶劑原子晶格類型的一種成分和性能均勻的固態(tài)合金。

如鐵素體是碳在固溶體中的混合物。

〔2〕金屬化合物

合金組元間按一定的原子數(shù)量之比，相互化合而成的一種具有金屬特性的新相，稱為金屬化合物。如Fe3C〔滲碳體〕

〔3〕機械混合物

由兩種或兩種以上的相機械地混合在一起而組成的一種多相組織。

如珠光體是滲碳物與鐵素體的混合物。1.5

二元合金狀態(tài)圖的構(gòu)成

合金狀態(tài)圖即合金結(jié)晶過程的簡明圖解，反映在平衡條件下不同成分合金在不同溫度下所存在的相及其相平衡關(guān)系，以了解合金在溫度變化時的相變過程及組織形成的規(guī)律。是分析合金組織、確定熱加工工藝、預測材料性能的依據(jù)。

1.5.1二元合金狀態(tài)圖的建立

通過實驗建立的

以Pb-Sb合金為例

〔1〕首先配制幾組成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它們的冷卻曲線

〔2〕作出每個合金的冷卻曲線，并找出各冷卻曲線上的臨界點〔即停歇點和轉(zhuǎn)折點〕

〔3〕作一個以溫度為縱坐標〔單位為℃〕，以合金成分為橫坐標〔單位為重量或原子百分數(shù)〕的直角坐標系統(tǒng)，并自橫坐標上各成分點作垂直線——成分垂線，然后把每個合金冷卻曲線上的臨界點分別標在各合金的成分垂線上。〔4〕將各成分垂線上具有相同意義的點連接成線，并根據(jù)條件分析結(jié)果作標記。相律：合金系在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的自由度〔f〕與組元數(shù)(C)和平衡相數(shù)(P)之間關(guān)系的定律。f=C-P+2

自由度：保持合金系相的數(shù)目不變條件下，可獨立改變的影響合金狀態(tài)的內(nèi)部及外界因素的數(shù)目。

在恒壓下，f=C-P+1，對二元系，C=2,那么f=3-P，可知：f=0，P=3,平衡相最大為3；P=3，f=0,溫度、相成分一定；P=2，f=1,溫度或相的成分可變，但只有一個獨立變量；P=1；f=2，溫度和相成分均可獨立改變。勻晶相圖

當兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時所構(gòu)成的相圖，稱為二元勻晶相圖。具有這類相圖的合金系主要有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni及W-Mo

二元相圖的杠桿定律：杠桿定律：用來確定二相平衡時，兩平衡相的成分和相對量。

〔1〕確定兩平衡相成分的方法

〔2〕確定兩平衡相相對量的方法：

WL?ar=Wa

?rb或WL/Wa=rb/ar

注意：杠桿定律只適用于兩相區(qū)。

合金的結(jié)晶過程：

勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出均一固相過程。

一、相圖分析

以Cu-Ni合金相圖為例：

相線：液相線、固相線

相區(qū)：單相區(qū)、兩相區(qū)

結(jié)晶過程：0-1,1，L相,降溫過程；

1-2，L->α相變過程；

2，α相，成分為合金成分；

2-3，α相，降溫過程；

3，α相，室溫組織

相變過程：

t1:液相開始析出α，α成分由固相線確定,為α1，液相成分L1;

t2:L+α,成分分別由液相線和固相線確定，為L2、α2，α1->α2，L1->L2,兩相的相對量用杠桿定律確定;繼續(xù)降溫，成分分別沿固、液相線變化，W↑α，WL↓；

t3：結(jié)晶結(jié)束，固溶體成分α3=合金成分

總之，結(jié)晶過程是一動態(tài)過程。

選份結(jié)晶〔選擇結(jié)晶〕：從液相結(jié)晶出的固溶體成分與液相成分不同，含有較多的高熔點組元。

固溶體結(jié)晶與純金屬結(jié)晶的異同：

相同點：一定過冷度，形核與長大過程；

不同點：純金屬：恒溫結(jié)晶；結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏；結(jié)晶時無成分變化；

固溶體：變溫結(jié)晶；結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏；結(jié)晶過程總存在原子擴散，以進行溶質(zhì)在液固兩相中的再分配。1.5.3二元共晶相圖

共晶體：共晶轉(zhuǎn)變所得的兩相機械混合物。

當兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，而且發(fā)生共晶反響時，所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。如Pb-Sn,Pb-Sb等。

一、相圖分析

相區(qū)：3個單相區(qū)，3個雙相區(qū)

相線：液相線，固相線。

共晶反響線，在共晶線上，f=C-P+1=2-3+1=0，在恒溫進行，三相的成分恒定。固溶線:MF和NG

點：E點共晶點，共晶反響時液相的成分。

二、典型合金的平衡結(jié)晶及其組織分析要點：臨界點、冷卻曲線、相狀態(tài)、成分變化、室溫組織與相對量

1.含Sn<19%的合金

2.共晶成分合金〔61.9%Sn)

3.亞共晶合金〔50%Sn)

4.過共晶合金〔80%Sn)

組織與相：不同成分Pb-Sn合金室溫下相均為a+b，但組織那么因成分而異。Pb-Sn合金組織分區(qū)圖。三、初生相和共晶體的組織特征1.初生相的組織特征

純金屬或固溶體，一般呈樹枝狀，平面磨面可呈樹枝狀、卵形或顆粒狀。

亞金屬、非金屬或金屬化合物，一般具有規(guī)那么外形。

2.共晶體的組織特征

共晶團：由一個晶核形成的共晶體。

共晶體形態(tài)多樣：層片狀、棒狀、球狀、針片狀、螺旋狀等。

3.離異共晶：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時，共晶組織中與先共晶相相同的一相會依附于先共晶相生長，而將另一相推向最后凝固的晶界處，從而失去了共晶組織特征，這種兩相別離的共晶體稱為離異共晶。四、共晶合金的不平衡結(jié)晶及其組織

1.偽共晶

偽共晶：非共晶成分的合金在快冷條件下得到100%的共晶組織。

偽共晶產(chǎn)生條件：合金過冷至偽共晶區(qū)。

2.離異共晶〔非平衡條件〕

3.其他變化：

組織形態(tài)：細小

相對量：初生相減少、共晶組織增多1.5.4包晶相圖

包晶轉(zhuǎn)變：一個液相與一個固相相互作用，生成一個新的固相的轉(zhuǎn)變，即L+β->α

包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖。Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Sn-Sb等具有包晶相圖。1.5.5相圖分析方法與應(yīng)用一、分析相圖的根本方法

?分析相圖中的相和相區(qū)

?分析相圖中有無水平直線，并判斷其轉(zhuǎn)變類型是共晶型還是包晶型。

?根據(jù)相區(qū)接觸法那么確定圖形結(jié)構(gòu)是否合理。相區(qū)接觸法那么即“相鄰相區(qū)相數(shù)差一〞?分析任一合金的結(jié)晶過程。

二、利用相圖判斷合金的性能

〔1〕利用相圖判斷合金力學性能

利用相圖可確定合金在某一溫度下的相平衡關(guān)系，計算各相相對量，再根據(jù)各相的性質(zhì)，大致判斷合金性能。

〔2〕利用相圖判斷合金工藝性能第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖鐵碳合金的根本組織

1.1.鐵素體

碳與α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用F表示。強度和硬度低，塑性和韌性好。

1.2.奧氏體

碳與γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用A表示。高溫組織，在大于727℃時存在。塑性好，強度和硬度高于F，在鍛造、軋制時常要加熱到A，提高塑性，易于加工。

1.3.滲碳體

鐵與碳形成的金屬化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C

1.4.珠光體

F與Fe3C混合物。強度，硬度，塑性，韌性介于兩者之間。

1.5.萊氏體

A與Fe3C混合物硬度高，塑性差。鐵碳合金狀態(tài)圖狀態(tài)圖主要點線

主要點特性點溫度℃含義A1538純鐵熔點C1148共晶點D1227滲碳體熔點E1148C在γ-Fe中最大溶解度G912純鐵的同互異晶轉(zhuǎn)變點P727C在α-Fe中最大溶解度S727共析點Q室溫室溫時C在α-Fe中最大溶解度主要線：

ABCD線

液相線，液相冷卻至此開始析出，加熱至此全部轉(zhuǎn)化。

AHJECF線

固相線，液態(tài)合金至此線全部結(jié)晶為固相，加熱至此開始轉(zhuǎn)化

GS線

A3線，A開始析出F的轉(zhuǎn)變線，加熱時F全部溶入A

ES線

Acm線，C在A中溶解度曲線

ECF線

共晶線，含C量2.11-6.69%至此發(fā)生共晶反響，結(jié)晶出A與Fe3C混合物，萊氏體。

PSK線

共析線，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反響，產(chǎn)生出珠光體

鐵碳合金分類

鋼含C量0.0218～2.11%

共析鋼含C量0.77%

亞共析鋼0.0218-0.77%

過共析鋼白口鑄鐵2.11-6.69%

共晶白口鑄鐵

4.3%

亞共晶白口鑄鐵

2.11-4.3%

過共晶白口鑄鐵鐵碳合金相圖的作用

在鑄造方面

選擇適宜的澆鑄溫度，流動性好

在煅造方面

選擇適宜的溫度區(qū)，奧氏體區(qū)

在熱處理方面

退火，正火，淬火等

2.2.4碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響

一、含碳量對平衡組織的影響

室溫下，鐵碳合金均由+Fe3C兩相組成

隨含碳量不同，可分為七個典型組織區(qū)

二、含碳量對機械性能的影響

?珠光體P：為F+Fe3C的混合物，呈層片狀，由于Fe3C的強化作用，珠光體性能較好；

?亞共析鋼：由F+P組成，隨碳量增加，珠光體量增加，強度性能提高；?過共析鋼：P+Fe3C(II)組成，當含碳量1%，F(xiàn)e3C(II)斷續(xù)分布在晶界處，強度提高；當含碳量>1%，F(xiàn)e3C(II)呈網(wǎng)狀分布在晶界處，強度性能下降。?萊氏體：硬而脆第三章鋼的熱處理改善鋼的性能，主要有兩個途徑：

〔1〕調(diào)整鋼的化學成分，參加合金元素

〔2〕鋼的熱處理，改變組織結(jié)構(gòu)

熱處理：通過加熱，保溫，冷卻等操作方法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的一種加工工藝。

分類：普通熱處理：退火，正火，淬火，回火

外表熱處理：外表淬火〔火焰加熱，感應(yīng)加熱〕，化學熱處理〔滲碳，氮化，碳氮共滲〕鋼熱處理的根本原理加熱或冷卻時鋼組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

A1，A3，Acm是反映不同含碳量的鋼在緩慢加熱和冷卻時的相變溫度〔平衡臨界點〕。實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻速度不可能很慢，總有過冷和過熱現(xiàn)象。加熱和冷卻速度越大，相變溫度偏離平衡臨界點的程度也越大，即過冷度和過熱度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm表示加熱時偏離后的相變溫度；用Ar1，Ar3和Arcm表示冷卻時偏離后的相變溫度。

大多數(shù)熱處理工藝都是將鋼加熱至相變溫度以上，使其室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驃W氏體，即“奧氏體化〞。

以共析鋼為例說明鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變。

形成過程

共析鋼在室溫時具有珠光體組織，將其加熱到Ac1以上時，珠光體將全部轉(zhuǎn)為含碳量為0.77%的奧氏體。

P=F〔體心立方〕+Fe3C〔復雜晶格〕——>A〔面心立方〕

奧氏體化是一個重結(jié)晶的過程，分為四個階段：

*奧氏體晶核形成

晶核易于在F和Fe3C相界面形成，這是因為此處原子排列紊亂，位錯、空位密度高。

*奧氏體晶核的長大

含碳量不同出現(xiàn)碳濃度梯度，引起F->A及Fe3C溶解。

*剩余奧氏體的溶解

F先轉(zhuǎn)變完，F(xiàn)e3C完全溶解

*奧氏體成分均勻化

碳擴散使A含C量趨于均勻。

影響珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的因素

*形成溫度，鋼的成分和原始組織及加熱速度

形成溫度越高，原子擴散能力增大，增大了A中C濃度梯度，加速成A形成。

*含C量越高，F(xiàn)和Fe3C相界面增多，有得于A形成。

*P越細，A形成速度越快。

*連續(xù)加熱時，隨著加熱速度增大，A形成溫度提高，所需時間縮短。

3.1.1.3奧氏體晶粒的長大及其影響因素

晶粒度分為起始晶粒度，實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度。

起始晶粒度：指珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)锳時的A晶粒度。

實際晶粒度：指鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體晶粒大小。直接影響鋼件性能。

本質(zhì)晶粒：指A晶粒長大的傾向性〔本質(zhì)細晶粒鋼，本質(zhì)粗晶粒鋼〕

A晶粒長大及其影響因素：

*奧氏體化溫度越高，晶粒長大越明顯。

*參加合金元素影響奧氏體晶粒長大。

能形成穩(wěn)定碳化物元素Ti，Cr，抑制A長大。

Mn，P等那么加速A長大鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

冷卻方式有兩種：

〔1〕等溫冷卻

就是將加熱后組織為全部奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷卻到Ar1線以下某一溫度，這時奧氏體尚未來得及轉(zhuǎn)變，但已成為過冷奧氏體。然后進行保溫，使奧氏體在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。再繼續(xù)冷卻到室溫，如等溫退火、等溫淬火等。

〔2〕連續(xù)冷卻、

將加熱后組織為全部奧氏體的鋼，以某一速度冷卻，使奧氏體在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。如退火〔爐冷〕，正火〔空冷〕，普通淬火〔油、水泠〕。

過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)與性能

珠光體，索氏體，屈氏體：晶粒粗細之分。

馬氏體：C在α-Fe中的過飽和固溶體，高強度，高硬度和耐磨性

貝氏體：由含碳過飽和F和碳化物組成的兩相混合物。上貝氏體，下貝氏體〔高強，韌〕

過冷A等溫冷卻

將A過冷到Ar1以下的某一溫度，并在此溫度等溫停留過程中完成其組織轉(zhuǎn)變過程，稱為過冷A的等溫轉(zhuǎn)變。

〔1〕高溫轉(zhuǎn)變區(qū)Ar1-550

〔2〕中溫轉(zhuǎn)變區(qū)550-230

〔3〕低溫轉(zhuǎn)變區(qū)

3.1.2.2.過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

在實際熱處理生產(chǎn)中，A的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進行的，常在爐內(nèi)、空氣中，油中或水中冷卻。與等溫轉(zhuǎn)變一樣也能發(fā)生珠光體、貝氏體、馬氏體等轉(zhuǎn)變，但不同的是冷卻過程要經(jīng)過各個轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，會發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變，得到幾種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的復合組織。鋼的熱處理退火與正火

鋼的退火與正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理工藝，例如各類鑄、鍛、焊生產(chǎn)的毛坯或半成品的預備熱處理，目的在于消除冶金及熱加工過程中產(chǎn)生的某此缺陷，改善組織和工藝性能，為以后的機加工及最終熱處理做好組織與性能準備。對于某些性能要求不高的機械零件，經(jīng)退火或正火后可直接使用。此時，退火或正火也就成為最終熱處理。退火：把鋼加熱到臨界點Ac1以上或以下的一定溫度，保溫一段時間，隨后在爐中或埋入爐中或?qū)嵝暂^差的介質(zhì)中，使其緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態(tài)的穩(wěn)定的組織。

目的：

〔1〕降低鋼的硬度，改善切削加工性；

〔2〕提高鋼的塑韌性，便于成形加工；

〔3〕細化晶粒

〔4〕消除工件內(nèi)的剩余應(yīng)力。正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-50℃，適當保溫后，從爐中取出在靜止的空氣中冷卻至室溫。目的：

〔1〕細化晶粒，消除缺陷

〔2〕調(diào)整鋼的硬度

〔3消除內(nèi)應(yīng)力

既可做為中間熱處理，也可用作最終熱處理。淬火與回火

淬火：將鋼加熱到Ac3或Ac1線以上30-50℃，保溫一定時間后，在水或油中快速冷卻，以獲得馬氏體組織。

目的：主要是獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。

兩個概念：淬透性，淬硬性淬火后強度和硬度有了較大提高，但塑性和韌性卻顯著降低，此外，淬火工件內(nèi)部有較大內(nèi)應(yīng)力，如不及時處理，

會進一步變形至開裂，為此，淬火后要及時回火。

回火：將淬火后的鋼加熱到Ac1線以下的某一溫度，在該溫度下保溫一定時間〔2-4小時〕，然后取出在空氣或油中冷卻。

回火通常作鋼件熱處理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的聯(lián)合工藝稱為最終熱處理。目的：

〔1〕降低脆性，減少內(nèi)應(yīng)力，防止變形開裂

〔2〕調(diào)整鋼件的機械性能

〔3〕穩(wěn)定組織，保證工件尺寸、形狀穩(wěn)定。

低溫回火：加熱到150-250℃，保溫1-3小時后空冷，得到回火馬氏體?！脖ＷC高硬度，如刃具、量具〕

中溫回火：加熱到350-450℃，保溫后空冷，得到回火屈氏體?！哺邚椥詷O限，有一定韌度和硬度，如彈簧〕

高溫回火：加熱到500-650℃，保溫后空冷，得到回火索氏體?！灿幸欢◤姸群陀捕?，又有良好的塑性和韌性，如曲軸，齒輪〕

淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理3.2.3外表熱處理

機器零件如齒輪，曲軸工件條件不同，有時受沖擊，外表受摩擦，要求芯部有足夠強度，韌性，外表有高的硬度和耐磨性。3.2.3.1.外表淬火

火焰加熱外表淬火；感應(yīng)加熱外表淬火

3.2.3.2.外表化學熱處理

滲碳：向鋼的外表滲入碳原子，提高外表含碳量，提高材料外表硬度、抗疲勞性和耐磨性。

滲氮：在工件外表滲入氮原子，形成一個富氮硬化層的過程。提高材料外表硬度、抗疲勞性和耐磨性，且滲氮性能優(yōu)于滲碳。

碳氮共滲：碳氮同時滲入工件表層。提高外表硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點。

滲鉻：有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不銹鋼和耐熱鋼用于機械和工具制造。

滲硼：十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。第四章：金屬材料的變形與再結(jié)晶金屬材料在承受外力時，會產(chǎn)生一定的變形，隨著外力的增加，其變形將由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，直至斷裂。金屬材料的變形特性在工程技術(shù)上十分重要，〔1〕由于鑄態(tài)金屬中往往具有晶粒粗大不均勻、組織不致密及雜質(zhì)偏析等缺陷，故工業(yè)上的金屬材料大多要在澆注后經(jīng)過壓力加工再予使用?！?〕把材料制作成所要求的形狀。因為通過壓力加工時的塑性變形，金屬的組織也會發(fā)生很大的變化，可使某些性能如強度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時，也會給金屬的組織和性能帶來某些不利的影響，因此在壓力加工之后或在其加工的過程中，還應(yīng)經(jīng)常對金屬進行加熱，使其發(fā)生回復與再結(jié)晶，以消除不利的影響。工程上實際材料均為多晶體組織，為了更好地了解多晶體材料的變形，首先了解單晶體的變形特性。4.1.單晶體金屬變4.1.1.單晶體金屬彈性變形單晶體金屬材料在正應(yīng)力作用下變形過程，圖〔2-1〕切應(yīng)力變形圖圖〔2-2〕特點：〔1〕可逆性，去除外力后，變形消失。〔2〕變形量小，<1%。〔3〕應(yīng)變與應(yīng)力成正比。4.1.2.單晶體金屬塑性變形單晶體塑性變形有“滑移〞和“孿生〞等不同方式，大多數(shù)情況以滑移方式發(fā)生。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，或進一步把晶體拉斷切應(yīng)力可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最終使試樣拉長變細。滑移：晶體的一局部相對于另一局部沿一定晶面發(fā)生相對的滑動?；谱冃我c：〔1〕滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生〔2〕滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。這是因為只有在最密晶面〔滑移面〕之間的面間距及最密晶向〔滑移方向〕之間的原子間距才最大，因而原子結(jié)合力最弱，所以在最小的切應(yīng)力下使能引起它們之間的相對滑動?；葡担夯泼鏀?shù)與滑移方向數(shù)的乘積?；葡翟酱?，金屬滑移的可能性越大，即金屬塑性越好。晶格體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面{110}*6{111}*4六方底面*1滑移方向{111}*2{110}*3底面對角線*3滑移系6*2=124*3=121*3=3

FeCu,AlMg,Zn〔3〕滑移時晶體的一局部相對于另一局部沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果會在晶體的外表上造成臺階。〔4〕滑移的同時必然伴有晶體的轉(zhuǎn)動，沿外力方向?；七^程,4.2.多晶體金屬的變形4.2.1.晶界作用以兩個晶粒的試樣在拉伸時的變形為例在遠離晶界處，變形明顯，在靠近晶界處變形出現(xiàn)“竹節(jié)〞現(xiàn)象。說明晶界對變形有較大的阻礙作用。原因：晶界附近晶格排列紊亂，雜質(zhì)原子往往較多，增大晶格畸變，因而使該處在滑移時位錯運動的阻力較大，難以發(fā)生變形。4.2.2.各晶粒位向差異的影響位向不同當受外力作用時，有些晶粒的滑移面適合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面與外力方向相抵觸，其中任一晶粒的滑移都必然會受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙。所以多晶體金屬的塑性變形抗力總是高于單晶體。4.2.3.多晶體金屬變形過程滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45度夾角的晶粒必將首先發(fā)生滑移變形，不同位向的晶粒分批滑移。塑性變形特點：〔1〕起始塑性變形的非同時性。位向不同，所以在工程上無法測得真正的最大彈性變形抗力和真正的起始塑性變形的抗力指標，要采用條件規(guī)定的方法〔2〕塑性變形的時間性。彈性變形以聲速進行，變形速度對金屬彈性性能無影響，但塑性變形需要時間。緩慢拉伸和快速拉伸。要控制冷變形加工速度?！?〕塑性變形量的不均一性。剩余應(yīng)力〔4〕變形過程中伴隨著發(fā)生金屬機械性能及其他物理、化學性能的改變。形變強化，密度降低，電阻增加，化學活性增大。4.3.塑性變形對金屬組織和性能的影響變形后性能的變化是由塑性變形時金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化決定的。4.3.1.晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性內(nèi)部晶粒形狀與金屬外形成比例，變形量大時，產(chǎn)生纖維關(guān)“纖維組織〞4.3.2.晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化.形變量不大時，在變形晶粒中的晶界附近出現(xiàn)位錯的堆積。隨著變形量增大，晶粒破碎為亞晶粒，亞晶界量越多?；谱冃问峭ㄟ^位錯在滑移面上移動實現(xiàn)，晶體內(nèi)部的晶界、亞晶界以及其他缺陷都成為各種阻礙位錯移動的障礙物。位錯在亞晶界堆積，使滑移變形不易繼續(xù)進行下去。“晶格畸變〞隨著形變量增大，由于晶粒破碎和位錯密度的嗇，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即硬度和強度顯著升高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生“加工硬化〞。4.3.3.織構(gòu)現(xiàn)象產(chǎn)生隨著變形發(fā)生，各晶粒晶格位向也會沿著變形的方向同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，故在變形量到達一定的程度〔70-90%〕時，金屬組織將會出現(xiàn)一種織構(gòu)現(xiàn)象。織構(gòu)現(xiàn)象有兩種〔1〕各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，絲織構(gòu)〔2〕各晶粒某一晶面平行于軋制方向，板織構(gòu)出現(xiàn)各向異性，不利。4.3.4.剩余內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過塑性變形，外力對金屬所作的功，約90%轉(zhuǎn)化成熱，10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。塑性變形后，退火。4.4.塑性變形后的金屬在加熱時的組織和性能變化加工硬化會造成進一步加工的困難，退火，一是為了消除加工硬化〔再結(jié)晶退火〕，另一是保存加工硬化，減小內(nèi)應(yīng)力。4.4.1.回復與再結(jié)晶4.4.1.1.回復即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯遷移而所引起的某些晶內(nèi)的變化。晶粒大小和形狀無明顯變化。冷卷彈簧卷制后低溫退火，去應(yīng)力250～300℃。4.4.1.2.金屬的再結(jié)晶破碎晶粒未改變，組織仍不穩(wěn)定，加熱到較高溫度，晶粒外形開始變化，生成新的等軸顆粒?！霸俳Y(jié)晶〞。強度和硬度顯著降低，塑性和韌性提高，消除加工硬化。例：黃銅33%冷軋變形后，在580℃再結(jié)晶。4.4.1.3.晶粒長大再結(jié)晶完成后，再繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時間，晶粒便會繼續(xù)長大。因為晶粒長大可降低外表能，熱力學第二定律。4.4.2.再結(jié)晶后的晶粒度再結(jié)晶退火時，要確定加熱溫度4.4.2.1.變形度影響變形度越大，再結(jié)晶溫度越低。因為變形度越大，金屬晶體缺陷越多，組織破碎越嚴重，越不穩(wěn)定。變形度增大，再結(jié)晶溫度降低，并逐漸趨近于一個極限溫度，金屬的最低再結(jié)晶溫度。4.4.2.2.金屬熔化溫度的影響工業(yè)純金屬TR=(0.40~0.50)TfTR是金屬最低再結(jié)晶溫度，Tf是金屬熔化溫度4.4.2.3.金屬純度的影響有雜質(zhì)或合金元素時，再結(jié)晶溫度明顯提高。4.4.2.4.金屬原始組織影響原始組織的晶粒越粗大，變形阻力越小，晶界少，不容易再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度越高。4.4.3.再結(jié)晶后的晶粒度影響再結(jié)晶后晶粒度的因素〔1〕加熱溫度和加熱時間再結(jié)晶退火時的加熱溫度越高，晶粒越大。一定溫度，時間越長，晶粒越大〔2〕預先冷變形度變形均勻度變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶后晶粒度越小。第五章：金屬材料的脆性5.1.金屬材料的斷裂金屬在外加載荷的作用下，當應(yīng)力到達材料的斷裂強度時，發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋發(fā)生和開展的過程?！矆D〕5.1.1.斷裂的類型根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴散的情況不同。

圖5-1韌性斷裂和脆性斷裂時裂紋擴展的比較韌性斷裂和脆性斷裂只是相對的概念，在實際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同，會出現(xiàn)不同的斷裂。5.1.2.斷裂的方式根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向垂直，一般為脆斷，也可能韌斷。切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45°，為韌斷5.1.3.斷裂的形式裂紋擴散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，韌斷也可為脆斷。晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，脆斷。5.1.4.斷口分析斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因，擴散的途徑，擴散過程及影響裂紋擴散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改良構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據(jù)。斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。.1.宏觀斷口分析斷口三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇。纖維區(qū)：呈暗灰色，無金屬光澤，外表粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。放射區(qū)：宏觀特征是外表呈結(jié)晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。剪切唇：宏觀特征是外表光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。5.1.4.2.微觀斷口分析略5.2.脆性破壞事故分析脆性斷裂有以下特征：〔1〕脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞，其破壞應(yīng)力往往遠低于材料的屈服極限。〔2〕一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20℃?！?〕脆斷發(fā)生前，無預兆，開裂速度快，為音速的1/3。〔4〕發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。防止脆斷的措施〔1〕選用低溫沖擊韌性好的鋼材。〔2〕盡量防止構(gòu)件中應(yīng)力集中〔3〕注意使用溫度。5.3.韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度為了確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，進行了大量的試驗研究工作。如果把一組有缺口的金屬材料試樣，在整個溫度區(qū)間中的各個溫度下進行沖擊試驗。低碳鋼典型的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度。隨著溫度的降低，材料的沖擊值下降，同時在斷裂面上的結(jié)晶狀斷面局部增加，亦即材料的韌性降低，脆性增加。有幾種方法〔1〕沖擊值降低至正常沖擊值的50～60%〔2〕沖擊值降至某一特定的、所允許的最低沖擊值時的溫度?！?〕以產(chǎn)生最大與最小沖擊值平均時的相應(yīng)溫度〔4〕斷口中結(jié)晶狀斷面占面積50%時的溫度對于厚度在40mm以下的船用軟鋼板，夏比V型缺口沖擊能量為2時的溫度作為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。5.4.無塑性溫度韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度是針對低碳鋼和低碳錳鋼，其它鋼材，無法進行大量試驗。依靠其它試驗方法，定出該材料的“無塑性溫度〞NDT〔1〕爆炸鼓脹試驗正方的試樣板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上鋸一缺口。在試樣上方爆炸，根據(jù)試樣破壞情況判斷是否塑性破壞。平裂，凹裂，鼓脹撕裂〔2〕落錘試驗5.5.金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件5.5.1.溫度任何一種斷裂都具有兩個強度指標，屈服強度和表征裂紋失穩(wěn)擴散的臨界斷裂強度。溫度高，原子運動熱能大，位錯源釋放出位錯，移動吸收能量；溫度低反之。5.5.2.缺陷5.5.2.1.材料韌性裂紋尖端應(yīng)力大，韌性好發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，限制裂紋進一步擴散。5.5.2.2.裂紋長度裂紋越長，越容易發(fā)生脆性斷裂。5.5.2.3.缺陷鋒利程度越鋒利，越容易發(fā)生脆性斷裂。5.5.3.厚度鋼板越厚，沖擊韌性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。原因：〔1〕越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應(yīng)力增加，在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)?！?〕冶金效應(yīng)，厚板中晶粒較粗大，內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。5.5.4.加載速度低強度鋼，速度越快，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。5.6.金屬材料的脆化現(xiàn)象分兩類：〔1〕在一定溫度條件下出現(xiàn)的脆性，溫度條件改變后，脆性自行消失，或者在一定溫度條件下，經(jīng)一定時間后出現(xiàn)的脆性。這種情況下，金屬的組織變化不明顯。有冷脆性，熱脆性，紅脆性及回火脆性?！?〕由于應(yīng)力的反復作用，介質(zhì)的浸蝕以在高溫下長期工作后，金屬組織改變引起的脆化現(xiàn)象。這種脆性無法消除或要通過一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氫脆，熱疲勞，石墨化。5.6.1.冷脆性冷脆性：金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的沖擊值明顯降低的現(xiàn)象。影響因素：化學成分〔1〕含碳量〔2〕錳〔3〕鎳〔4〕磷5.6.2.熱脆性熱脆性：某些鋼材長時間停留在400～500℃溫度區(qū)間再冷卻至室溫，其沖擊值有明顯下降。影響因素：〔1〕化學成分含C量，鉻錳鉬磷等〔2〕保溫時間不同鋼產(chǎn)生熱脆性所需的保溫時間不同〔3〕熱處理調(diào)質(zhì)處理可阻止熱脆性產(chǎn)生。5.6.3.紅脆性含S較多的鋼中，在800～900℃以上呈現(xiàn)較大脆性。S化物以網(wǎng)關(guān)分布在晶界上。消除方法：〔1〕長時間高溫退火，使網(wǎng)狀S化物變?yōu)榍驙??！?〕參加錳，硫化錳以點狀，球狀存在于晶界上。5.6.4.回火脆性對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。但某些鋼在回火后，沖擊韌性反而降低?；鼗鸫嘈浴?.6.4.1.第一類回火脆性發(fā)生在合金結(jié)構(gòu)鋼中。但某些鋼在250～400℃回火后，沖擊韌性反而降低。實際遇到時機少。5.6.4.2.第二類回火脆性在450～600℃長時間回火或在更高溫度〔600～700℃〕回火后，出現(xiàn)常溫沖擊韌性下降。再次回火消除或參加鉬鎢防止。對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。5.6.5.苛性脆化苛性脆化：金屬材料的局部高應(yīng)力區(qū)與具有一定濃度的氫氧化鈉溶液相接觸而發(fā)生的電化學晶間腐蝕脆化現(xiàn)象稱為苛性脆化。

材料在高應(yīng)力作用下，晶粒本體與晶界產(chǎn)生電位差，當與具有一定濃度的氫氧化鋼溶液相接觸，晶界部位的鐵離子將進入溶液中，與溶液中的氫氧根離子發(fā)生電化學反響。

如果溶液中的氫氧化鈉濃度較高，溶液中的氫氧根負離子較多，促使晶界部位的鐵離子大量進入溶液，發(fā)生電化學反響，從而形成晶間裂紋，導致苛性脆化。材料產(chǎn)生苛性脆化必須具備三個條件：〔1〕在材料中需存在較高的局部應(yīng)力，對于碳素鋼高達250MPa；〔2〕需具有較高濃度的氫氧化鋼溶液與材料的局部高應(yīng)力區(qū)相接觸，并且在溶液中需具有能加速反響的催化劑；〔3〕需具有一定溫度。在鍋爐的鉚接或脹接部位最易發(fā)生苛性脆化。應(yīng)力：工作應(yīng)力+聯(lián)接應(yīng)力+附加應(yīng)力化學成分：鉚接或脹接處鍋水滲漏，濃縮溫度：低壓鍋爐為200℃，中壓鍋爐為250℃，高壓鍋爐為300℃5.6.6.氫脆金屬在外加載荷的作用下，當應(yīng)力到達斷裂強度時，發(fā)生斷裂。第六章：金屬材料的高溫機械性能高溫下承載材料的機械性能與室溫承載材料有很大區(qū)別：比方

〔1〕強度降低，在不同溫度下進行金屬材料的靜拉伸試驗時，可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗溫度的升高，屈服平臺消失，而且材料所能承受的最大載荷也降低。圖

〔2〕塑性增大。

在高溫條件下，影響材料機械性能的因素增多，不僅溫度有影響，應(yīng)變速度，斷裂所需時間也有影響。6.1.金屬材料的蠕變形象6.1.1.蠕變現(xiàn)象

蠕變：金屬材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。

碳素鋼超過300～350℃，合金鋼超過400～450℃發(fā)生

蠕變曲線：三個階段

oa開始局部，加載引起的瞬時變形

ab第1階段，速度大，不穩(wěn)定階段，減速階段，τ1，ε1

bc第2階段，穩(wěn)定階段，等速階段τ2，ε2

cd第3階段，最后階段，加速階段τ3，ε3，不能計入元件壽命期。6.1.2.蠕變曲線的表示方式

數(shù)學模型，主要表示第一階段和第二階段

蠕變條件下蠕變速度隨時間變化可用下式來表示

其中A，n為外界條件與材料性質(zhì)的常數(shù)第一階段兩種式子第二階段6.1.3.金屬材料在蠕變中的組織變化6.1.3.1.滑移整個蠕變過程中，有滑移產(chǎn)生6.1.3.2.亞晶形成晶粒變形不均勻破裂，形成亞晶6.1.3.3.晶界形變晶界也參與形變，有時高達40-50%6.1.4.金屬材料的蠕變理論蠕變是在一定的溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生的，與原子熱運動有關(guān)。原子熱運動作用大致有兩方面：〔1〕是在應(yīng)力作用下原子直接大量地定向擴散〔2〕協(xié)助受阻位錯克服障礙重新運動一方面形變硬化，一方面回復6.1.5.金屬材料的蠕變斷裂機理金屬材料蠕變斷裂分2種：晶間和穿晶穿晶：有大量塑性變形，韌性，高應(yīng)力，低溫晶間：塑性變形小，脆性，低應(yīng)力，高溫等強度溫度概念兩種理論：楔形蠕變裂紋〔三晶交界處應(yīng)力集中，穿晶〕，空洞形〔空洞在三晶交界處聚集，晶間〕6.2.金屬材料的高溫強度6.2.1.條件蠕變極限根據(jù)不同的需要有2種〔1〕給定溫度下，引起規(guī)定變形速度的應(yīng)力值〔2〕一定工作溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量總變形時的應(yīng)力值6.2.2.高溫持久強度在給定溫度下，經(jīng)過一定時間而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力。表示材料在溫度t經(jīng)過τ而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力與蠕變區(qū)別：蠕變考慮變形為主，高溫持久強度主要考慮材料在長期使用下的破壞抗力。.3.蠕變和持久強度的推測方法必須進行長期試驗，應(yīng)用外推方法，可大大縮短時間。外推法：〔1〕總結(jié)金屬材料試驗數(shù)據(jù)，找出經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，用以外推〔2〕從微觀出發(fā)，建立應(yīng)力，溫度和斷裂時間的關(guān)系式。等溫線法：在同一試驗溫度下，用較高溫度應(yīng)力進行短期試驗數(shù)據(jù)。〔加大強度〕6.4.鋼的持久塑性是高溫條件下工作的重要指標之一。細小碳化物〔Mo2C，VC〕在晶內(nèi)析出，提高晶內(nèi)強度，削弱晶界強度，形成低塑性的晶間斷裂。影響因素〔1〕合金元素參加硼強化晶界，減小有害元素S等〔2〕金相組織珠光體-F>貝氏體>馬氏體〔3〕熱處理奧氏體化溫度d，回火溫度a影響材料高溫強度性能的因素提高材料高溫強度關(guān)鍵〔1〕使在蠕變變形過程中受到阻礙而堆積的位錯不容易重新開始運動〔2〕大力強化晶界，防止晶間開裂6.5.1.化學成分6.5.1.1.C<0.4%高溫強度隨碳增加而增加不同鋼種有最正確值。6.5.1.2.其它合金元素影響Mo可提高材料高溫強度V,Nb,Ti可強烈形成碳化物，在鋼中形成彌散分布的沉淀相，有良好強化效果。P強化晶界〔1〕每種合金元素的作用與其質(zhì)量分數(shù)不成正比，往往有一最正確值?！?〕每種合金元素的質(zhì)量分數(shù)越高，那么單位質(zhì)量分數(shù)所引起的作用越小。因而多元素，少質(zhì)量分數(shù)的鋼種有良好的高溫性能6.5.2.冶煉方法鋼中氣體量，晶界處的偏析，夾渣對鋼高溫性能影響大。減小有害元素，選擇適當?shù)囊睙挿椒?.5.3.金屬材料的組織結(jié)構(gòu)6.5.3.1.碳化物形狀分布片狀彌散分布熱強性好，球狀聚集不好6.5.3.2.晶粒度常溫下，細晶粒具有高強度高溫下細晶那么易蠕變，此時有個最正確值6.5.4.熱處理方法熱處理后，在常溫下使用，不發(fā)生組織變化，可行而在高溫下，不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)組織將發(fā)生變化，使高溫性能變壞。6.5.5.溫度波動對鋼材高溫強度的影響溫度對鋼和的高溫強度影響，主要有2方面〔1〕溫度的波動使實際溫度高于規(guī)定溫度〔2〕附加熱應(yīng)力.6.金屬材料的松馳6.6.1.

金屬材料的松馳特性松馳：金屬材料在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如果維持總變形量不變，隨著時間的延長，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。如果總變形量不變，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃螒?yīng)力松馳分2階段，第1階段應(yīng)力隨時間急劇降低，第2階段應(yīng)力下降緩慢并趨向恒定。恒定值為松馳極限。因為松馳極限小，通常不用它來評定材料的抗松馳能力，而用一定時間內(nèi)，材料中應(yīng)力的降低值來表征材料抗松馳性能。松馳穩(wěn)定系數(shù)S0，不考慮初應(yīng)力，更合理。a6.6.2.

松馳的塑性應(yīng)變速度低碳鋼只與應(yīng)力有關(guān)合金鋼在第1階段與應(yīng)力和總應(yīng)變有關(guān)，第2階段，只與應(yīng)力有關(guān)。6.6.3.

再緊固對松馳的影響在動力裝置上，常采用法蘭螺栓聯(lián)接，為了保證聯(lián)接的緊密性，使用一定時間后要再次緊固。單純松馳與再緊固松馳見以下圖:

6.6.4.

應(yīng)力松馳與蠕變的關(guān)系松馳與蠕變有差異也有聯(lián)系差異：蠕變是恒定應(yīng)力下，塑性變形隨時間的延長而不斷增加的過程；松馳是恒定變形下，應(yīng)力隨時間的延長不斷降低過程，此時塑性變形的增加是與彈性變形的減小等量同時發(fā)生。聯(lián)系：本質(zhì)相同，松馳也可看作是應(yīng)力不斷降低時的多級蠕變。

第七章：長期在高溫條件下金屬組織在室溫條件下，鋼材的組織比較穩(wěn)定，不隨時間而改變。在高溫下，由于金屬原子熱運動，在長期工作中，金相組織會將不斷發(fā)生變化，并可能導致性能改變。鋼材長期在高溫條件下的組織變化主要有：珠光體球化，石墨化，合金元素重新分配。珠光體球化鍋爐及壓力容器上常用的碳素鋼及低合金鋼都是過共析珠光體鋼。P中F和Fe3C均呈薄片狀分布。片狀物的外表積與體積之比球狀物的外表積與體積之比大，即在同樣體積情況下，片狀物比球狀物有更大的體積。因此，片狀物比球狀物具有更大的外表能。根據(jù)熱力學第二定律，具有較大能量的狀態(tài)有自行向能量較小的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。所以片狀珠光體是一種不穩(wěn)定的組織，其中滲碳體有自行轉(zhuǎn)變成球狀并聚集成大球團的趨勢。這種球化過程是以擴散為根底的，當溫度較高時，原子的活動能力增強，擴散速度加快，片狀滲碳體逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，再聚集成大球團。球化-聚集見右圖球化對金屬性能的影響對室溫機械性能影響降低室溫強度σs及σb對低碳鋼和低碳鉬鋼：中等程度球化，強度指標下降10-15%嚴重球化，強度指標下降20-30%對高溫機械性能影響蠕變極限和持久強度下降

表試驗溫度〔℃)

482

538蠕變極限降低的百分數(shù)〔%〕

46

23持久強度降低的百分數(shù)〔%〕

52

45影響珠光體球化的因素影響球化過程開展的主要因素是溫度，時間和化學成分珠光體球化和碳化物聚集是基于擴散的一種過程，溫度對球化過程必然有很大影響。公式T-絕對溫度，A-物性參數(shù)，b-常數(shù)，e-自然對數(shù)底溫度升高，完全球化所需的時間便明顯減少。碳擴散速度與合金元素對碳在固溶體中擴散的影響有關(guān)。因而，但凡能形成穩(wěn)定碳化物的合金元素，或進入固溶體中可降低其原子擴散系數(shù)的合金元素，均能阻止或減緩球化及其積聚過程。單純碳鋼最易球化，鈦、鈮、鉬、鉻、釩可提高球光體穩(wěn)定性。此外，在鋼的化學成分的溫度相同的條件下，球化速度還與鋼的晶粒度，冷加工變形度和滲碳體片大小有關(guān)。細晶粒鋼，球化時間短，總外表積大冷加工變形度大時間短，塑性變形中的晶格畸變，導致內(nèi)能增加，擴散速度加快，球化過程首先在此發(fā)生。過小的滲碳體片縮短了擴散距離，加速球化。珠光體球化的級別分6級未球化

第1級傾向性球化

第2級輕度球化

第3級中度球化

第4級完全球化

第5級嚴重球化

第6級材料發(fā)生球化后的恢復處理可采用熱處理恢復例：16Mo鋼的φ245×26蒸汽管道在，510℃條件下運行約8*104h后，珠光體球化，碳化物聚集在晶界上，67%Mo進入碳化相中，機械性能惡化。加熱至920℃，停留1h，在爐中翻開爐門冷卻80-90℃/h。石墨化鋼中滲碳體在高溫長期作用下自行分解的一種現(xiàn)象。Fe3C——>3Fe+C石墨開始以細微點狀出現(xiàn)，逐漸聚集成越來越粗的顆粒，石墨強度低，相當于在金屬內(nèi)部產(chǎn)生空穴。對材料影響：脆性急劇增大。影響石墨化因素溫度：高溫下，是一個擴散過程合金元素：與碳結(jié)合能力強的元素均可阻止石墨化發(fā)生鉻，鈦，釩；促進石墨化，硅，鋁，鎳晶粒大?。杭毦Яｄ摷坝屑庸び不撘装l(fā)生。石墨化分級

1級不明顯

2級明顯

3級嚴重

4級很嚴重合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配在高溫下使合金元素原子活動能力增加，對一些起固溶強化作用的合金元素，鉻，錳，鉬〔固溶體〕脫落，轉(zhuǎn)移至碳化物中。固溶體引起晶格畸變從而起到強化作用，畸變晶格不穩(wěn)定，在高溫下就有向較穩(wěn)定的碳化物中轉(zhuǎn)移的趨勢?！补倘荏w和碳化物中〕合金元素成分的變化及對高溫機械性能影響：常用珠光體熱強鋼：〔1〕鉻鉬低合金鋼〔2〕鉻鉬釩低合金鋼第八章：鋼的過熱與過燒概述在鍋爐和壓力容器制造中，對所用鋼材進行熱加工和熱處理。此時，如果加熱溫度控制不當，加熱不均會使材料超溫，導致材料機械性能惡化。根據(jù)超溫的程度和時間長短，鋼材會發(fā)生脫碳，過熱和過燒現(xiàn)象。過熱：鋼被加熱到Ac3以上某一溫度，隨著奧氏體晶粒的長大，在粗大的奧氏體晶界上，發(fā)生了化學成分的明顯變化〔主要是硫的偏析〕，在冷卻時，或者在原始奧氏體晶界上保持了硫的偏析，或者產(chǎn)生了第二相〔主要是硫化物〕質(zhì)點的網(wǎng)狀沉積，導致晶界脆化，使鋼的拉伸塑性和沖擊韌性明顯降低的現(xiàn)象。開始發(fā)生過熱現(xiàn)象的溫度為過熱溫度。不穩(wěn)定過熱〔可恢復〕，穩(wěn)定過熱如果沒有硫的析出，不算是過熱。過燒：鋼被加熱到接近固相線或固-液兩相溫度范圍內(nèi)的某一溫度后，在十分粗大奧氏體晶界上不僅發(fā)生了化學成分的明顯變化〔主要是硫和磷的偏析〕，而且局部或整個晶界出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象，從而在晶界上形成了富硫，磷的液相。在隨后的冷卻過程中，晶界上產(chǎn)生富硫，磷的燒熔層，并伴隨著形成硫化物，磷化鐵等脆性相的沉積，導致晶界嚴重弱化，從而劇烈降低鋼的拉伸塑性和沖擊韌性的現(xiàn)象。開始發(fā)生過燒現(xiàn)象的溫度為過燒溫度。鋼在高溫加熱中的變化奧氏體晶粒長大奧氏體晶粒長大速率D-晶粒長大后的平均晶粒直徑，K-物性參數(shù)，t時間。奧氏體晶粒長大影響因素化學成分和冶煉方法本質(zhì)晶粒度指鋼被加熱到Ac3以上某一溫度時奧氏體晶粒的大小。本質(zhì)粗晶粒鋼在冶煉時只用錳鐵脫氧〔沸騰鋼〕或用錳鐵、硅鐵脫氧的鋼本質(zhì)細晶粒鋼指在除錳鐵和硅鐵脫氧外，還用鋁作脫氧劑的鋼。碳及合金元素含碳量增加，晶粒長大傾向增大。強烈抑制晶粒長大：Al,Ti,Nb,V,Zr中等抑制晶粒長大：Mo,W,Cr微弱抑制晶粒長大：Cu,Co增加晶粒長大傾向：Mn,P加熱溫度保溫時間鋼在高溫加熱時的成分和組織變化第一階段鋼從Ac3溫度到其過熱溫度以下的溫度區(qū)間內(nèi)加熱。奧氏體逐漸長大。第二階段過熱溫度到過燒溫度硫析出8.2.第三階段指從鋼的過燒溫度至固-液相線溫度區(qū)間內(nèi)加熱。在晶界上形成富硫，磷液相高溫加熱后的冷卻第一階段加熱后的冷卻在此階段加熱后冷卻，當冷至Ar3溫度，A析出F，至Ar1，奧氏體發(fā)生共析反響轉(zhuǎn)變?yōu)镻。如在Ar3至Ar1冷卻較快，會析出F的魏氏體組織。降低鋼的沖擊性能，會使鋼的機械性能惡化。第二階段加熱后的冷卻硫在鐵中的溶解度很低，且隨著溫度的降低而急劇減少。第二階段加熱后冷卻，冷卻速度越高，冷卻后的鋼越接近于高溫下的平衡狀態(tài)；反之，晶界上的硫以平衡偏析為主，且在冷卻過程中析出的硫化錳質(zhì)點，將在緩慢冷卻過程中逐漸聚集成團。第三階段加熱后的冷卻粗大的A晶界上有富硫，磷的液相出現(xiàn)，特別是磷在晶界上的嚴重偏析。鋼的過熱鋼的過熱溫度1200～1350℃之間。過熱鋼的特征宏觀斷口不穩(wěn)定過熱：結(jié)晶狀斷面穩(wěn)定過熱：無金屬光澤的灰白色粒狀斷面顯微特征粗大的A晶粒，魏氏體組織，原始A晶界處S偏析或硫化錳沉淀過熱鋼的機械性能塑性和沖擊韌性明顯降低，對強度和硬度根本無影響鋼發(fā)生過熱后的補救措施正火，淬火和回火鋼的過燒現(xiàn)象鋼的過燒溫度通常比過熱溫度高幾十至一百度左右過燒鋼特征宏觀斷口無金屬光澤的灰白色石狀斷面顯微特征粗大的A晶粒，魏氏體組織，原始A晶界處富P，S燒熔層及原始奧氏體晶界上硫化錳和磷化鐵沉淀。過燒鋼的機械性能塑性和沖擊韌性嚴重降低，必須報廢。第九章：金屬材料的腐蝕概述金屬腐蝕是指金屬與其周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學腐蝕而產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。

鍋爐與壓力容器的一些主要承壓元件在使用過程中與一些腐蝕介質(zhì)接觸，會發(fā)生各種腐蝕現(xiàn)象，引發(fā)破裂損壞事故，后果

〔1〕往往引發(fā)事故造成巨大經(jīng)濟損失

〔2〕消耗大量資源和能源，1/3冶煉金屬由于腐蝕而破壞

〔3〕污染環(huán)境

因此有必要對腐蝕現(xiàn)象進行研究。

分類按機理

化學腐蝕：金屬與非電解質(zhì)介質(zhì)直接發(fā)生純化學反響。服從于多相反響的化學動力學的根本規(guī)律。例如：金屬在高溫下發(fā)生的氧化現(xiàn)象。電化學腐蝕：金屬與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學作用而引起的破壞現(xiàn)象，構(gòu)成了原電池，服從于電化學動力學規(guī)律。電化學腐蝕是金屬腐蝕的更重要更普遍的形式。按腐蝕環(huán)境分類大氣腐蝕，土壤腐蝕，高溫氣體腐蝕，海水腐蝕等。按腐蝕的形式：均勻腐蝕腐蝕作用以根本相同的速度在整個金屬外表同時進行。危害性小，可估計腐蝕速度。例：碳鋼在強酸中的腐蝕局部腐蝕發(fā)生在金屬的局部地區(qū)。應(yīng)力腐蝕裂開材料在靜拉伸應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象。主要是晶間，脆斷。也有穿晶。在氮化物，堿性氮氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常有發(fā)生。點蝕發(fā)生在金屬外表局部區(qū)域，點蝕形成后迅速向深處開展，最后穿透金屬。出現(xiàn)后就及時磨光或涂漆，防止進一步深入。不銹鋼，鋁及其合金，鈦及其合金在氯離子介質(zhì)中易發(fā)生。晶間腐蝕在金屬材料晶界部位的腐蝕。腐蝕沿晶間進行，使晶粒之間的結(jié)合力大大削弱，機械強度急劇降低。不銹鋼，鋁鎂合金?？p隙腐蝕金屬與金屬或金屬與非金屬之間存在細小縫隙中發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。法蘭聯(lián)接面，螺母壓緊面。電偶腐蝕電解質(zhì)溶液中，不同的金屬接觸時，由于腐蝕電位差引起電位低的金屬在接觸部位腐蝕的現(xiàn)象。如碳鋼與黃銅在海水中接觸。腐蝕疲勞金屬在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生。產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋，顯著降低鋼的疲勞強度。腐蝕共同特性從熱力學角度看，腐蝕是金屬由非穩(wěn)態(tài)自發(fā)向穩(wěn)態(tài)的一個轉(zhuǎn)變過程。是化學，電化學過程。總是發(fā)生在外表，從外表開始。金屬材料的高溫氧化高溫氧化過程的機理氧與氧化性氣體介質(zhì)的化學反響。發(fā)生氧化反響判據(jù)〔1〕初始系統(tǒng)〔金屬和氧〕的等壓-等溫自由能與最終狀態(tài)時的差值?！?〕系統(tǒng)中氧的分壓高于金屬氧化物的分解壓力。氧化過程2個階段〔1〕化學反響過程，氧與外表金屬接觸反響，形成氧化膜〔2〕電化學反響，內(nèi)部金屬腐蝕，分7步驟1〕氧分子吸附至氧化膜2〕氧分子分解為氧原子3〕氧原子形成離子4〕氧化膜中的陰離子向金屬外表遷移5〕金屬原子電離及陽離子向氧化膜過渡；6〕氧化膜中的陽離子和電子向膜氣相界面遷移；7〕陽離子和陰離子作用并產(chǎn)生金屬氧化物氧化膜的保護性能〔1〕氧化膜能完整性，指完整地覆蓋在基體金屬外表〔2〕氧化膜的強度，塑性及與基體金屬結(jié)合力〔3〕高溫下的穩(wěn)定性。高溫氧化過程的動力學規(guī)律常見的直線，拋物線，對數(shù)規(guī)律直線規(guī)律氧化物不多孔性氧化膜時,鎂在450℃以上，鉬在550℃以上。拋物線規(guī)律金屬外表附一層致密氧化膜，氧化開始時候為最大氧化速度，此后不斷減小，趨近于0鎳和銅大于500℃，鐵在大于700℃對數(shù)規(guī)律低溫，動力學規(guī)律氧化開始時候為最大氧化速度，此后很快減小，趨近于0氧化的溫度規(guī)律低溫為對數(shù)規(guī)律，中溫為拋物線，高溫為直線規(guī)律金屬材料的高溫抗氧化性指標金屬重量變化指標腐蝕深度：應(yīng)用較多。鋼材耐熱性級別級別腐蝕深度(mm/a)耐熱性分類1完全抗氧化性2抗氧化性3次抗氧化性4弱抗氧化性5不抗氧化性鍋爐高溫承壓元件，只允許用1級金屬材料的電化學腐蝕金屬材料與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學作用而造成的破壞現(xiàn)象。金屬的電極電位及腐蝕電池金屬離子水化過程標準電極電位：活度為1，溫度298K，氣體分壓下平衡電極電位。分為負電性金屬，正電性金屬。原電池產(chǎn)生，電位差，可能原因：不同金屬，溫差，電解質(zhì)濃度差金屬的極化與鈍化極化現(xiàn)象：腐蝕電池工作后引起的電極電位變化現(xiàn)象，陰極電位降低，陽級電位升高，電池回路電流減小。鈍化：金屬外表狀態(tài)突然變化的過程。鐵在濃硝酸，濃硫酸中?？商岣呓饘倌臀g性。金屬元素耐蝕性評定熱力學穩(wěn)定性金屬元素標準電極電位(V)熱力學穩(wěn)定性金屬元素不穩(wěn)定鎂鋁鋅鐵鉻-0.414～0不夠穩(wěn)定鉬鎳較穩(wěn)定銅穩(wěn)定金鉑鈍化現(xiàn)象生成保護性好的腐蝕產(chǎn)物膜金屬材料耐蝕合金化途徑提高金屬材料的熱力學穩(wěn)定性參加熱力學穩(wěn)定性高的合金元素，提高電極電位。減弱金屬材料的陽極活性參加易鈍化元素，鐵中參加鉻。減弱金屬材料的陰級活性減小陰極面積，提高金屬材料陰極放氫超電位使金屬材料外表生成電阻值大的腐蝕產(chǎn)物膜鋼中參加銅和磷金屬材料應(yīng)力腐蝕材料在靜拉伸應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象。分2類陽極反響敏感型：金屬陽極溶解為根底。陰極反慶敏感型：陰極吸氫為根底〔氫脆〕應(yīng)力靜拉伸應(yīng)力圖有效應(yīng)力與破壞時間腐蝕介質(zhì)有一定組合，鋼+氫氧化物材料合金或含雜質(zhì)金屬。純銅+0.004%磷破壞過程主要是晶間，脆斷。也有穿晶，混合蒸汽腐蝕水在鐵為催化劑下在400℃下發(fā)生分解。4H2O+3Fe——>Fe3O4+8H如H不能被流動帶走，產(chǎn)生氫脆影響因素，防止方法：〔1〕消除蒸汽停滯現(xiàn)象，〔2〕參加合金元素，Cr,Mo硫腐蝕鍋爐燃料〔煤、油〕中含有一定量的硫，硫以各種形式存在于煙氣中，使鍋爐受熱面及元件受到腐蝕。高壓鍋爐水冷壁管的硫腐蝕過程〔1〕產(chǎn)生自由的硫原子FeS2——>FeS+S〔2〕形成硫化亞鐵2H2S+SO2——>2H2O+3S〔3〕形成硫化亞鐵Fe+S——>FeS鋼材經(jīng)外表滲鋁處理，可提高鋼材料耐熱性及對某些介質(zhì)的耐腐蝕性。鍋爐過熱器管的高溫硫腐蝕復合硫酸鹽在550～700℃會與金屬反響。含鎳合金鋼的硫腐蝕硫會與鋼中的鎳發(fā)生作用生成Ni2S2，與鎳組成易熔共晶體〔Ni-Ni2S2〕。防止方法在含鎳的鋼中參加合金元素Cr。硫的低溫腐蝕低溫煙氣中有少量SO3，與水蒸汽化合成硫酸。防止方法：省煤器及低氧燃燒釩腐蝕油燃燒產(chǎn)生的釩氧化物存在于油灰中，高溫下會破壞金屬的氧化膜。鋼中參加添加劑，鎂，氧化鎂。氧腐蝕指水或汽水混合物中所含的氧與金屬材料之間發(fā)生的電化學腐蝕現(xiàn)象。氧腐蝕原理鐵〔標準電極電位〕與氧構(gòu)成原電池(+0.4V)。影響氧腐蝕因素水中的溶解氧量溶解氧越多，氧腐蝕速度越大水的pH值PH值越低，腐蝕越嚴重，PH接近于7時，金屬外表生成保護膜，腐蝕速度顯著降低。水的溫度溫度越高，擴散越快，金屬腐蝕越快防腐原理電化學腐蝕是金屬腐蝕的更重要更普遍的形式，盡可能減少原電池；在鋼外表形成一層穩(wěn)定，完整且與鋼基體結(jié)合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間電位差。第十章：金屬材料的疲勞材料或元件在交變應(yīng)力〔隨時間作周期性改變的應(yīng)力〕作用下，經(jīng)過一段時期后，在內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中的部位，局部產(chǎn)生細微的裂紋，裂紋逐漸擴展以致在應(yīng)力遠小于屈服點或強度極限的情況下，突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，例如頻繁進料、出料的周期性間歇操作的設(shè)備，往復式壓縮機氣缸，應(yīng)考慮其疲勞失效的可能性．疲勞分類：〔1〕高周疲勞低應(yīng)力，高循環(huán)次數(shù)。最常見〔2〕低周疲勞高應(yīng)力，低循環(huán)次數(shù)。〔3〕熱疲勞溫度變化引起的熱應(yīng)力作用下引起的疲勞破壞?！?〕腐蝕疲勞交變載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用下引起的破壞?！?〕接觸疲勞機件的接觸外表在接觸應(yīng)力反復作用下出現(xiàn)外表剝落。交變載荷特性大小或方向或兩者同時隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷的特性可用幾個參數(shù)來表示：應(yīng)力循環(huán)：交變應(yīng)力在兩個應(yīng)力極值之間變化一次的過程。最大應(yīng)力〔σmax〕：循環(huán)中代數(shù)值最大的應(yīng)力。最小應(yīng)力〔σmin〕：循環(huán)中代數(shù)值最小的應(yīng)力。平均應(yīng)力：〔σmax+σmax〕/2應(yīng)力幅：〔σmax-σmin〕/2不對稱系數(shù)：r=〔σmin/σmax〕;r=-1對稱，r=0脈動；-1<r<1不對稱高周疲勞特點應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力幅值不變，應(yīng)變量在減小。這是因為發(fā)生的冷作硬化。應(yīng)力幅值是表征材料高周疲勞的主要參量。金屬材料的疲勞特性曲線〔圖〕用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗法進行高周疲勞試驗。應(yīng)力幅值與交變循環(huán)周數(shù)。鋼鐵材料Nf>107曲線呈