《鍋爐與壓力容器用鋼》

緒論

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緒論

按國際公約規(guī)定，社會經(jīng)濟(jì)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)。世界各發(fā)達(dá)國家和我國都

把“先進(jìn)制造技術(shù)”列為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性高技術(shù)之?、先進(jìn)制造技術(shù)主要指硬件產(chǎn)品

的先進(jìn)制造技術(shù)和流程性材料產(chǎn)品的先進(jìn)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。

0.1工程材料的發(fā)展過程

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一、工程材料發(fā)展過程

材料的發(fā)展與人類社會的發(fā)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，材料的發(fā)展主要圍繞著機(jī)械制造業(yè)，因此，主要發(fā)展了以?般力學(xué)性能

為主的金屬材料，

50-60年代，壓力容器向高強(qiáng)度方向發(fā)展更快，發(fā)展了高強(qiáng)度低合金鋼。

60年代以后，由于航空、空間機(jī)械和動力機(jī)械的發(fā)展對材料提出了更苛刻的要求。如高

溫、高壓、高的比強(qiáng)度和比模量等。

20世紀(jì)后期，材料作為高技術(shù)的四大支柱(能源、材料、生命和信息)之一高速發(fā)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(fù)合材料快速發(fā)展。分析

測試手段如：掃描電鏡、電子探針、透射電鏡的發(fā)展以數(shù)字化、計算機(jī)的應(yīng)用加速了材

料的發(fā)展。

尤其是隨著材料的發(fā)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(fù)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(jī)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，反應(yīng)器，塔器，換熱器，貯槽等。

0.2工程材料的分類

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二、工程材料分類

rW

-構(gòu)件用鈉

「颼色金屬材料，■零件用鋤時熱鋼

臉屬材萃L輛-工具用鈉鏢、帙等

.不鐫鋼及i鋅、錯?保等

「輕有色金屬?鋁、銀、鉗.

-：藍(lán)有色金鳳桐J機(jī)、候、曬

i色金展■或有色金屬?金、幼、骨

工程材料:-稀有喳腐;鴇、桂益屹好

■陶聒陣」放射性金晶銀

L氧化物陶聾第A12O3、Si02>MgO,

一硬化物

非氧化物陶空一氟化物

■鬲分子；

一硼化物

「復(fù)合利

一到科

材料一橡膠

一合成纖維

-金屬基復(fù)合材料

-料-陶蓬基復(fù)合材料

_樹脂蠟復(fù)含材料

0.3材料性能與化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系

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三、材料性能與化學(xué)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(xué)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(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)是其力學(xué)性能的內(nèi)部依據(jù)，而力學(xué)性能則是具有一定化學(xué)成

分和組織結(jié)構(gòu)的外部表現(xiàn)。

鋼的化學(xué)成分是組織結(jié)構(gòu)的主要決定因素之一。

化學(xué)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(dǎo)致材料在力學(xué)

性能上有較大的差異。

0.4選擇材料須考慮的因素

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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、安全使用

和降低制造成本是至關(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(fù)責(zé)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(qiáng)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(jī)械兩方面要求的最經(jīng)濟(jì)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)的成本

最低的材料。

選擇結(jié)構(gòu)材料時，需考慮的主要因素包括：

(-)使用性能

1.力學(xué)性能

力學(xué)性能是針對失效而言。失效三種形式：變形，磨損和斷裂。

(1)強(qiáng)度指標(biāo)——抗拉強(qiáng)度、屈服點；

O=P/F

抗拉強(qiáng)度是材料的主要強(qiáng)度指標(biāo)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(qiáng)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)定以殘余伸

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4

韌性用來衡量材料的抗裂紋擴(kuò)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「裂紋尖端的局部屈服而終止裂紋的擴(kuò)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(kuò)展，因此脆性材料不耐拉伸.而在

壓縮條件卜，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表面的能力.用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的表面硬度是材料

耐磨能力的重要指標(biāo).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，則應(yīng)考慮材料的表面硬度.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'也中，多采用布氏硬度，其標(biāo)準(zhǔn)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(xì)微的裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展以致在應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服

點或強(qiáng)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(jìn)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)力分析為基礎(chǔ)壓力容器

設(shè)計方法“鋼制壓力容器另一標(biāo)準(zhǔn)”中另有專章規(guī)定。

(6)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「少數(shù)材料，在中等溫度下就有顯著的蠕變速

度，如鉛，甚至在常溫卜.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

的間隔了，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)計基礎(chǔ)的。

(7)溫和低溫對力學(xué)性能的影響

材料的抗拉強(qiáng)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，

則必須選用在相應(yīng)溫度下能保持其強(qiáng)度指標(biāo)的材料。顯然，不銹鋼比普通碳鋼要優(yōu)越得

多。如果材料在高溫卜承受高的應(yīng)力，則材料的抗蠕變性能是關(guān)鍵性的.必要時采用特

殊合金，如因康鎮(zhèn)。

對于0C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（fee）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(fù)雜。它取決丁?材料的晶格結(jié)構(gòu)，板材的

厚度、加「?后的殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的使用溫度.

目前各國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均以夏比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(biāo)

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(fù)荷下折斷時所吸收的

功，單位為焦耳（J）.標(biāo)準(zhǔn)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，元件材料可能達(dá)到的溫度，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(biāo)的要求.

2.化學(xué)性能

耐腐蝕性能；

3.物理性能

特殊性能：如導(dǎo)熱性，硬化性能；

（二）工藝性能

機(jī)械加工性能-成型、焊接、鍛造、機(jī)加工、熱處理；

（三）其他

標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸?常用板材、管材與型材的規(guī)格；

材料價格.

0.5壓力容器的監(jiān)察機(jī)構(gòu)和設(shè)計規(guī)范

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五、壓力容器監(jiān)察機(jī)構(gòu)和設(shè)計規(guī)范

監(jiān)察機(jī)構(gòu)：技術(shù)監(jiān)督局

管理規(guī)范：鍋爐壓力容器安全監(jiān)察條例

設(shè)計規(guī)范：GB150《鋼制壓力容器》GB151《鋼制管殼式換熱器》

0.6學(xué)習(xí)本課程的目的和要求

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六、學(xué)習(xí)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(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

0.7參考書

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七、參考書

1.《鍋爐與壓力容器用鋼》章燕謀著，西安交通大學(xué)出版社1996

2.《金屬材料及熱處理》，史美堂主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980年。

3.《高性能壓力容器和壓力鋼管用鋼》陳曉，秦曉鐘主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1998年。

4.《金屬工藝學(xué)》沈錦鰲等主編，航空工業(yè)出版社，1991年。

第一章：金屬的結(jié)晶與合金的構(gòu)造

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第一章：金屬的結(jié)晶與合金的構(gòu)造

?L1金屬的晶體構(gòu)造

電1.2金屬的結(jié)晶

電1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

I-&1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

電1.5二元合金狀態(tài)圖的構(gòu)成

1.1金屬的晶體構(gòu)造

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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)則排列的物體。

晶體特點：

(D有固定熔點，

(2)原子呈規(guī)則排列，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)則的原子排列，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。組成晶格的最基本幾何單元叫晶胞。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：絡(luò)，鈕，鶉，鉗，a-Fe。1/8*8+1=2個原子

（2）面心立方晶格：鋁，銅，鉛，銀，丫-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)

品格的致密度：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FL等距離的原子數(shù)。

晶格類型配位數(shù)致密度

體心立方80.68

面心立方120.74

密排六方120.74

1.1.3.2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(xì)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)晶格中某原子為原點，通過該點平等于晶胞的三棱邊作OX,OY,0Z三坐標(biāo)軸，

以晶格常數(shù)a,b,c分別作為相應(yīng)的三個坐標(biāo)軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三

坐標(biāo)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)的確定方法：

（1）通過坐標(biāo)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(biāo)值；

（3）將三個坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，一般用［uvw］表示。

nIT的***0

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}l/a2<100>1/a

(110}1.4/a2<110>0.7/a

{111}0.58/a2<111>1.16/a

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(dǎo)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。

1.2金屬的結(jié)晶

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1.2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)則運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘?定兒何形狀作有

序排列的狀態(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

不斷產(chǎn)生晶核和晶核長大的過程

1.2.3金屬結(jié)晶后晶粒大小

一般來說，晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度和硬度越高，塑性韌性越好。

細(xì)化晶粒的方法：

(1)增大過冷度，增加晶核數(shù)量

(2)加入不熔物質(zhì)作為人工晶核

(3)機(jī)械振動、超聲波振動和電磁振動

1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變

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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℃6-Fe

1394℃Y-Fe

912℃a-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(jìn)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)

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1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

純金屬一般強(qiáng)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(jī)械混合物

由兩種或兩種以上的相機(jī)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

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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(yù)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）苜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(biāo)（單位為。C）,以合金成分為橫坐標(biāo)（單位為重量或原子

百分?jǐn)?shù)）的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，并自橫坐標(biāo)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(biāo)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)已知條件分析結(jié)果作標(biāo)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,則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=l,溫度或相的成分可變，但只有一個獨立變

量；P=l；f=2,溫度和相成分均可獨立改變。

1.5.2勻晶相圖

當(dāng)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->a相變過程；

2,a相，成分為合金成分；

2-3,a相，降溫過程；

3,a相，室溫組織

相變過程：

tl:液相開始析出a,a成分由固相線確定，為a1,液相成分L1;

t2:L+a,成分分別由液相線和固相線確定，為L2、a2,a1->a2,LI->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，Wta,WL

I;

t3：結(jié)晶結(jié)束，固溶體成分a3=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：?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(kuò)散，以

進(jìn)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(jī)械混合物。

當(dāng)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)生共晶反應(yīng)時，所構(gòu)成的相圖

稱為二元共晶相圖。如Pb-Sn,Pb-Sb等。

■、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。

共晶反應(yīng)線，在共晶線上，f=C-P+l=2-3+l=0,在恒溫進(jìn)行，三相的成分恒定。固

溶線：MF和NG

點：E點共晶點，共晶反應(yīng)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,但組織則因成分而異。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)則外形。

2.共晶體的組織特征

共晶團(tuán)：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，這種兩相分離的共

晶體稱為離異共晶。

四、共晶合金的不平衡結(jié)晶及其組織

L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(xì)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+B->a

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

?、分析相圖的基本方法

?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)接觸法則確定圖形結(jié)構(gòu)是否合理。相區(qū)接觸法則即“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(xué)性能

利用相圖可確定合金在某?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

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第二章：鐵碳合金與鐵碳合金相圖

I-&2.1碳鐵合金的基本組織

電2.2碳鐵合金狀態(tài)圖

2.1碳鐵合金的基本組織

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2.1鐵碳合金的基本組織

1.1.鐵素體

碳與a-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用F表示。強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌

性好。

1.2.奧氏體

碳與丫-FeU」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(qiáng)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(qiáng)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。

2.2碳鐵合金狀態(tài)圖

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2.2鐵碳合金狀態(tài)圖

*10

)o0)c

9?o0

oj

8aO

O

7

2>0

6

Fe123456669c

C(%)

Fe-Fe3c合金相圖

2.2.1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Y-Fe中最大溶解度

G純鐵的同互異晶轉(zhuǎn)變點

P727C在a-Fe中最大溶解度

S727共析點

Q家》;室溫時C在a-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|11|線

ECF線

共晶線，含C量2.11-6.69%至此發(fā)生共晶反應(yīng)，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%至此反生共析反應(yīng)，產(chǎn)生出珠光體

2.2.2鐵碳合金分類

2.2.2.1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0.77-2.11%

2.2.2.2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4.3-6.69%

2.2.3鐵碳合金相圖的作用

在鑄造方面

選擇合適的澆鑄溫度，流動性好

在城造方面

選擇合適的溫度區(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

?、含碳量對平衡組織的影響

室溫下，鐵碳合金均由a+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(jī)械性能的影響

?珠光體P：為F+Fe：,C的混合物，呈層片狀，由于Fe3c的強(qiáng)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(qiáng)度性能提高；

?過共析鋼：P+Fe3c(H)組成，當(dāng)含碳量＜現(xiàn)，F(xiàn)e3c(H)斷續(xù)分布在晶界處，強(qiáng)度提

高；當(dāng)含碳量〉設(shè)，F(xiàn)e3c(口)呈網(wǎng)狀分布在晶界處，強(qiáng)度性能下降。

?萊氏體：硬而脆

第三章：鋼的熱處理

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改善鋼的性能，主要有兩個途徑

（1）調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加入合金元素

（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

表面熱處理：表面淬火（火焰加熱，感應(yīng)加熱），化學(xué)熱處理（滲碳，效化，碳

氮共滲）

3.1鋼熱處理的基本原理

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3.1鋼熱處理的基本原理

加熱或冷卻時鋼組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3.1.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

Al,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Acl,Ac3和

Accm表示加熱時偏離后的相變溫度;用Arl,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。

3.1.1.1形成過程

共析鋼在室溫時具有珠光體組織，將其加熱到Acl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）+Fe：；C（復(fù)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。

*殘余奧氏體的溶解

F先轉(zhuǎn)變完，F(xiàn)e3c完全溶解

*奧氏體成分均勻化

碳擴(kuò)散使A含C量趨于均勻。

3.1.1.2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(kuò)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(xì)，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(xì)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。

*加入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等則加速A長大

3.1.2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Ari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(jìn)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(汕、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(xì)之分。

馬氏體：C在a-Fe中的過飽和固溶體，高強(qiáng)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(qiáng),

韌)

3.1.2.1過冷A等溫冷卻

將A過冷到Ari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)Arl-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(jìn)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(fù)合組織。

3.2鋼的熱處理

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3.2鋼的熱處理

3.2.1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(yù)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(jī)加工及最終熱處理做好組織與性能準(zhǔn)備。對于某些性能

要求不高的機(jī)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Acl以上或以卜的一定溫度，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(xì)化晶粒

(4)消除工件內(nèi)的殘余應(yīng)力。

正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-50C,適當(dāng)保溫后，從爐中取出在靜止的空氣中

冷卻至室溫。

目的：

(1)細(xì)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。

3.2.2淬火與回火

淬火：將鋼加熱到Ac3或Acl線以上30-50C,保溫一定時間后，在水或油中快速

冷卻，以獲得丹氏體組織。

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(qiáng)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(jìn)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Acl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(jī)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150-250C,保溫1-3小時后空冷，得到回火馬氏體。（保證高硬度，

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。（高彈性極限，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。（有一定強(qiáng)度和硬度，

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表面熱處理

機(jī)器零件如齒輪，曲軸工件條件不同，有時受沖擊，表面受摩擦，要求芯部有足夠

強(qiáng)度，韌性，表面有高的硬度和耐磨性。

3.2.3.1.表面淬火

火焰加熱表面淬火；感應(yīng)加熱表面淬火

3.2.3.2.表面化學(xué)熱處理

滲碳：向鋼的表面滲入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、抗疲勞性和耐磨

性。

滲氮：在工件表面滲入氮原子，形成一個富氮硬化層的過程。提高材料表面硬度、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。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和

滲氮的優(yōu)點。

滲絡(luò)：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(jī)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

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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，故匚

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。

(2)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(qiáng)

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「.的過程中，還應(yīng)經(jīng)常對金屬進(jìn)行加熱，使其發(fā)生

回復(fù)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單晶體金屬的變形

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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（2T）

切應(yīng)力變形圖圖（2-2）

第27甲M年金”在切應(yīng)力作坪下的交存示意用

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“季生”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(jìn)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(jìn)一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最

終使試樣拉長變細(xì)。

滑移：晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對的滑動。

滑移變形要點：

（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。

r

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o

圖27爾晶體滑移時滑移面的轉(zhuǎn)動

滑移系:滑移面數(shù)與滑移方向數(shù)的乘積?；葡翟酱螅饘倩频目赡苄栽酱?，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{110)*3底面對角線*3

滑移系6*2=124*3=121*3=3

FeCu,AlMg,Zn

（3）滑移時晶體的一部分相對于另一部分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)果會在晶體的表面上造成臺階。

（4）滑移的同時必然伴有晶體的轉(zhuǎn)動，沿外力方向。滑移過程，

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4.2多晶體金屬的變形

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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(yuǎn)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。表明晶界對變形有較

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.各晶粒位向差別的影響

位向不同當(dāng)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?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「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(biāo)，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(jìn)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。

(3)塑性變形量的不均一性。

殘余應(yīng)力

(4)變形過程中伴隨著發(fā)生金屬機(jī)械性能及其他物理、化學(xué)性能的改變。

形變強(qiáng)化，密度降低，電阻增加，化學(xué)活性增大。

4.3塑性變形對金屬組織和性能

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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。滑移變形是通過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(jìn)行下去?！熬Ц窕儭?/p>

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(qiáng)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，故在變形量達(dá)到一

定的程度(70-90