工程材料讲义

工程材料讲义绪论第一章：金属的结晶与合金的构造1.1金属的晶体构造1.2金属的结晶1.3金属的同素异晶转变1.4合金的晶体结构1.5二元合金状态图的构成第二章：铁碳合金与铁碳合金相图2.1碳铁合金的根本组织2.2碳铁合金状态图第三章：钢的热处理3.1钢热处理的根本原理3.2钢的热处理第四章：金属材料的变形与再结晶4.1单晶体金属的变形4.2多晶体金属的变形4.3塑性变形对金属组织和性能4.4塑性变形后的金属在加热时的组织和性能变化第五章：金属材料的脆性5.1金属材料的断裂5.2脆性破坏事故分析5.3韧-脆性转变温度5.4无塑性温度5.5金属材料产生脆性断裂的条件5.6金属材料的脆化现象第六章：金属材料的高温机械性能6.1金属材料的蠕变现象6.2金属材料的高温强度6.3蠕变和持久强度的推测方法6.4钢的持久塑性6.5影响材料高温强度性能的因素6.6金属材料的松弛第七章：长期在高温条件下金属组织7.1珠光体球化7.2石墨化7.3合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配第八章：钢的过热与过烧8.1概述8.2钢在高温加热中的变化8.3高温加热后的冷却8.4钢的过热8.5钢的过烧现象第九章：金属材料的腐蚀9.2金属材料的高温氧化9.3金属材料的电化学腐蚀9.4金属材料的应力腐蚀9.5蒸汽腐蚀9.6硫腐蚀9.7钒腐蚀9.8氧腐蚀9.9防腐原理第十章：金属材料的疲劳10.1交变载荷的特性10.2高周疲劳特点10.3疲劳断裂机理10.4影响材料疲劳抗力的因素10.5低周疲劳的特性10.6热疲劳10.7腐蚀疲劳10.8接触疲劳10.9提高材料与机件疲劳强度第十一章：合金元素在钢中的作用11.1合金元素在钢中的存在方式11.2合金元素对钢的平衡组织的影响11.3合金元素对热处理的影响11.4合金元素对对氧化与腐蚀的影响11.5合金元素对机械性能的影响11.6合金元素对钢的工艺性能的影响11.7几种常用合金元素在钢中的作用第十二章：构件用钢12.1构件用钢的力学特点12.2构件用钢的工艺性能12.3构件用钢耐大气腐蚀性能12.4碳素构件用钢12.5普通低合金结构钢12.6进一步提高普低钢力学性能途径第十三章：有色金属及其合金13.1铝及铝合金13.2镁及镁合金13.3铜及铜合金13.4钛及钛合金第十四章：金属材料的加工工艺性能14.1金属材料的铸造性能14.2金属材料的锻造性能14.3金属材料焊接性能14.4金属材料的加工性第十五章：锅炉及压力容器常用钢材15.1锅炉及压力容器对钢材性能要求15.2锅炉及压力容器用钢的分类15.3碳素钢15.4普通低合金结构钢15.5低合金热强钢15.6不锈耐酸钢15.7低温用钢第十六章：工具钢16.1概述16.2刃具用钢16.3模具用钢16.4量具用钢第十七章：不锈钢17.2金属腐蚀17.3不锈钢的合金化原理17.4不锈钢的种类和特点第十八章：耐热钢及高温合金18.1钢的稳定性和热稳定性18.2金属的热强性18.3α-Fe基热强钢18.4γ-Fe基热强钢第十九章：铸铁19.1铸铁的特点和分类19.2铸铁的结晶19.3铸铁的石墨化19.4灰铸铁19.5提高铸铁性能的途径19.6可锻铸铁19.7特殊性能的铸铁19.8铸铁的热处理绪

论按国际公约规定，社会经济过程中的全部产品通常分为三类，即硬件产品(hardware)，软件产品(software)，和流程性产品(processedmaterial)。世界各兴旺国家和我国都把“先进制造技术〞列为优先开展的战略性高技术之一。先进制造技术主要指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。工程材料-工程上使用的材料，与工程有关的材料。一、工程材料开展过程材料的开展与人类社会的开展紧密联系：人类社会历史：石器时代、铜器时代和铁器时代在40-50年代，材料的开展主要围绕着机械制造业，因此，主要开展了以一般力学性能为主的金属材料，

50-60年代，压力容器向高强度方向开展更快，开展了高强度低合金钢。

60年代以后，由于航空、空间机械和动力机械的开展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量等。

20世纪后期，材料作为高技术的四大支柱〔能源、材料、生命和信息〕之一高速开展，新材料特别是非金属人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速开展。分析测试手段如：扫描电镜、电子探针、透射电镜的开展以数字化、计算机的应用加速了材料的开展。

尤其是随着材料的开展，对刀具和模具材料提出了更高的要求，只有陶瓷材料和复合材料的出现，才能更好地满足生产的需要。工程材料主要应用于机械制造、航空、航天、化工、建筑和交通运输等部门。

石油化工中主要有压力容器，反响器，塔器，换热器，贮槽等。二、工程材料分类三、材料性能与化学成分和组织结构的关系。材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素〔载荷性质、应力状态、工作温度和环境介质〕作用下的综合反映。材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据，而力学性能那么是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一。化学成分一定时，可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构，而导致材料在力学性能上有较大的差异。四、选择材料需考虑的因素在零构件及压力容器设计中，正确地选择结构材料对于保证构件的结构合理、平安使用和降低制造本钱是至关重要的。

材料的选择必须要考虑到许多因素，以压力容器为例尽管工艺系统设计人员负责推荐选用于工艺条件的、即具有良好耐腐蚀性能的材料或对介质无污染的材料。但作为设备专业的设计人员，除应了解材料的耐蚀性能外，还必须知道：材料应具有足够的强度和良好的焊接性能和其它加工性能，应选择适合于工艺和机械两方面要求的最经济的材料．这些材料应该是在整个设备工作寿命期限里，考虑到维修、更新等因素在内的本钱最低的材料。选择结构材料时，需考虑的主要因素包括：〔一〕使用性能1．力学性能

力学性能是针对失效而言。失效三种形式：变形，磨损和断裂。

〔1〕强度指标——抗拉强度、屈服点；

σ=P/F

抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。在GB228“金属拉伸试验方法〞中给出了抗拉强度的定义和试验方法。

屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加〔保持恒定〕，而材料仍继续伸长变形时所对应的应力．对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以剩余伸长率为0．2％时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB228中给出了试验方法。〔2〕刚度——弹性模量刚度是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大小的因素之一，它与材料的弹性模量和结构元件的截面形状〔截面惯性矩〕有关。

弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。

GB150附录1给出了不同类别钢材在不同温度下的弹性模量．〔3〕韧性——抗断裂性能；冲击韧性Ak韧性用来衡量材料的抗裂纹扩展能力．对低碳钢、铝、铜一类塑性材料，其晶格结构能够由于裂纹尖端的局部屈服而终止裂纹的扩展；对于类似铸铁等脆性材料，其晶格结构不会使裂纹尖端产生局部屈服现象，不能终止裂纹扩展，因此脆性材料不耐拉伸．而在压缩条件下，任何已经存在的初始裂纹都可能闭合．〔4〕硬度——耐磨性，洛氏硬度，维氏硬度

硬度是抵抗其它物体刻划或压入其外表的能力．用标准试验方法测得的外表硬度是材料耐磨能力的重要指标．如果容器是用于处理有摩擦性的固体或含有可能引起磨蚀的悬浮固体的流体物料时，那么应考虑材料的外表硬度．根据试验方法的不同，有不同的量值表示硬度．在压力容器行业中，多采用布氏硬度，其标准试验方法是GB231‘金属布氏硬度试验方皆．其它硬度表示方法及试验方法有：

GB230“金属洛氏硬度试验方法〞GB4340“金属维氏硬度试验方法〞〔5〕抗疲劳性能——疲劳极限

材料或元件在交变应力〔随时间作周期性改变的应力〕作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间歇操作的设备，应考虑其疲劳失效的可能性．

疲劳极限即材料承受近无限次应力循环〔对钢材约为107次〕，而不破坏的最大应力值。

对于承受周期性循环载荷的容器分析设计，在即将发布实施以应力分析为根底压力容器设计方法“钢制压力容器另一标准〞中另有专章规定。〔6〕抗蠕变性能

蠕变是在一个长时间内，在稳定的拉伸应力作用下材料出现逐渐伸长的现象．对于钢材，通常只有在较高温度下才会发生蠕变；对于少数材料，在中等温度下就有显著的蠕变速度，如铅，甚至在常温下就会在本身重量下产生蠕变。所以用铅作村里时，必须以较小的间隔予以支承固定。GB150中是以设计温度下经过10万小时蠕变率为1％的蠕变极限作为设计根底的。〔7〕温和低温对力学性能的影响

材料的抗拉强度、屈服点和弹性模量随温度的升高而降低．如果设备的操作温度较高，那么必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。显然，不锈钢比普通碳钢要优越得多。如果材料在高温下承受高的应力，那么材料的抗蠕变性能是关键性的．必要时采用特殊合金，如因康镍。

对于0℃以下的低温设备，通常的塑性金属材料可能以脆性方式破坏。脆性失效的现象与金属的晶体结构有关。体心立方〔bcc〕晶格的金属要比面心立方晶格〔fcc〕的金属更容易发生脆性失效。对于低温容器，如深冷装置和某些液化气体的贮存，有时要规定使用奥氏体不锈钢和铝合金。

引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因索非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度、加工后的剩余应力、结构缺陷以及材料的使用温度．

目前各国标准标准均以夏比V型缺口冲击试验来检验材料对施性破坏的敏感性，其指标为冲击〔吸收〕功Akv，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击负荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳〔J〕．标准试验方法有：

GB2106“金属夏比〔V型缺口〕冲击试验方法〞

GB4159“金属低温夏比冲击试验方法〞所谓材料的使用温度是指容器在正常操作过程中，元件材料可能到达的温度，GB150规定，该温度不得超过各许用应力表中各钢号所对应的上限温度；对于0℃以下的使用温度，要求材料仍能符合对其低温冲击功指标的要求．

2．化学性能

耐腐蚀性能；

3．物理性能

特殊性能：如导热性，硬化性能；

〔二〕工艺性能

机械加工性能一成型、焊接、锻造、机加工、热处理；

〔三〕其他

标准系列尺寸一常用板材、管材与型材的规格；

材料价格．六、学习本课程的目的和要求目的和要求：根据各种实际工作条件选择适当的材料。第一章：金属的结晶与合金的构造1.1金属的晶体构造

1.1.1晶体概念

指原子〔离子〕呈规那么排列的物体。

晶体特点：

〔1〕有固定熔点，

〔2〕原子呈规那么排列，宏观断口有一定形态且不光滑

〔3〕各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在不同方向上的性能也不一样。

晶体：绝大多数的固态物质，固态的金属和合金。

非晶体：玻璃，沥青。

1.1.2金属的晶体结构

晶体有规那么的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡。

为了便于说明和分析各种晶体的原子排列规律，把原子看成一个点，并用假想的直线将各点连接起来，这样就构成了一个假想的空间格子。这种用以描述原子在晶体中排列的空间格子叫晶格。组成晶格的最根本几何单元叫晶胞。晶胞各边尺寸及夹角称为“晶格常数〞。1.1.3三种常见的晶格及分析

〔1〕体心立方晶格：铬，钒，钨，钼，α-Fe。1/8*8+1=2个原子

〔2〕面心立方晶格：铝，铜，铅，银，γ-Fe。1/8*8+1/2*6=4个原子

〔3〕密排六方晶格：镁，锌。6个原子

1.1.3.1反映金属晶体排列紧密的参数

晶格的致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。

配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。晶格类型配位数致密度体心立方8面心立方12密排六方121.1.3.2晶面与晶向指数：

晶面：晶体中各种方向上的原子面。

晶向：晶体中各种方向上的原子列。

在研究金属晶体结构的细节及其性能时，需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向，便于分析。晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数〞和“晶向指数〞。

确定晶面指数的步骤：

〔1〕设晶格中某一原子为原点，通过该点平等于晶胞的三棱边作OX，OY，OZ三坐标轴，以晶格常数a,b,c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；

〔2〕将所得三截距之值变为倒数；

〔3〕再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用〔hkl〕表示。

立方晶格中三个重要晶面100,110,111

晶向指数确实定方法：

〔1〕通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；

〔2〕求出该直线上任意一点的三个坐标值；

〔3〕将三个坐标值按比例化为最小整数，一般用[uvw]表示。

晶面与晶向的原子密度：

晶面原子密度：单位面积中的原子数

晶向原子密度：单位长度上的原子数。例：体心立方晶格晶面指数晶面密度晶向指数晶向密度{100}1/a2<100>1/a{110}<110>{111}<111>单晶体应用例子：

变压器中的硅钢片晶向指数为<100>，利用了它的磁导率

多晶体结构

如果一个晶体内部的晶格方位完全一致，称为单晶体。工业中实际使用的金属材料，包含了许多小晶体，内部晶格方位一致，但彼此方位不同，多晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

单晶体各向异性，多晶体一般不显示各向异性。金属的结晶1.2.1

结晶

液态金属冷却至凝固温度时，金属原子例由无规那么运动状态转变为按一定几何形状作有序排列的状态，这种由液态金属转变为晶体的过程称为金属的结晶。

冷却曲线：

过冷现象：实际上有较快的冷却速度。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差，过冷度。

1.2.2

结晶过程金属结晶后晶粒大小

一般来说，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越好。

细化晶粒的方法：

〔1〕增大过冷度，增加晶核数量

〔2〕参加不熔物质作为人工晶核

〔3〕机械振动、超声波振动和电磁振动

1.3

金属的同互异晶转变

大多数金属在结晶完成后的继续冷却中，其晶体结构不再发生变化，如铝、铜等。也有少数金属如铁、钛等。这种金属在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。

1538℃

δ-Fe

1394℃

γ-Fe

912℃

α-Fe

因为铁能发生同素异晶转变，在生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，改变它的组织与性能，以发挥材料的潜力。1.4

合金的晶体结构纯金属一般强度低，工业生产中大量使用的金属材料都是合金，碳钢，合金钢，铸铁，铝镁合金。

1.4.1合金概念

由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。

1.4.2合金结构

〔1〕固溶体

指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了栽些溶剂原子的位置，而仍保持溶剂原子晶格类型的一种成分和性能均匀的固态合金。

如铁素体是碳在固溶体中的混合物。

〔2〕金属化合物

合金组元间按一定的原子数量之比，相互化合而成的一种具有金属特性的新相，称为金属化合物。如Fe3C〔渗碳体〕

〔3〕机械混合物

由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织。

如珠光体是渗碳物与铁素体的混合物。1.5

二元合金状态图的构成

合金状态图即合金结晶过程的简明图解，反映在平衡条件下不同成分合金在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，以了解合金在温度变化时的相变过程及组织形成的规律。是分析合金组织、确定热加工工艺、预测材料性能的依据。

1.5.1二元合金状态图的建立

通过实验建立的

以Pb-Sb合金为例

〔1〕首先配制几组成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它们的冷却曲线

〔2〕作出每个合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点〔即停歇点和转折点〕

〔3〕作一个以温度为纵坐标〔单位为℃〕，以合金成分为横坐标〔单位为重量或原子百分数〕的直角坐标系统，并自横坐标上各成分点作垂直线——成分垂线，然后把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各合金的成分垂线上。〔4〕将各成分垂线上具有相同意义的点连接成线，并根据条件分析结果作标记。相律：合金系在平衡状态下，系统的自由度〔f〕与组元数(C)和平衡相数(P)之间关系的定律。f=C-P+2

自由度：保持合金系相的数目不变条件下，可独立改变的影响合金状态的内部及外界因素的数目。

在恒压下，f=C-P+1，对二元系，C=2,那么f=3-P，可知：f=0，P=3,平衡相最大为3；P=3，f=0,温度、相成分一定；P=2，f=1,温度或相的成分可变，但只有一个独立变量；P=1；f=2，温度和相成分均可独立改变。匀晶相图

当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图，称为二元匀晶相图。具有这类相图的合金系主要有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni及W-Mo

二元相图的杠杆定律：杠杆定律：用来确定二相平衡时，两平衡相的成分和相对量。

〔1〕确定两平衡相成分的方法

〔2〕确定两平衡相相对量的方法：

WL•ar=Wa

•rb或WL/Wa=rb/ar

注意：杠杆定律只适用于两相区。

合金的结晶过程：

匀晶转变：由液相结晶出均一固相过程。

一、相图分析

以Cu-Ni合金相图为例：

相线：液相线、固相线

相区：单相区、两相区

结晶过程：0-1,1，L相,降温过程；

1-2，L->α相变过程；

2，α相，成分为合金成分；

2-3，α相，降温过程；

3，α相，室温组织

相变过程：

t1:液相开始析出α，α成分由固相线确定,为α1，液相成分L1;

t2:L+α,成分分别由液相线和固相线确定，为L2、α2，α1->α2，L1->L2,两相的相对量用杠杆定律确定;继续降温，成分分别沿固、液相线变化，W↑α，WL↓；

t3：结晶结束，固溶体成分α3=合金成分

总之，结晶过程是一动态过程。

选份结晶〔选择结晶〕：从液相结晶出的固溶体成分与液相成分不同，含有较多的高熔点组元。

固溶体结晶与纯金属结晶的异同：

相同点：一定过冷度，形核与长大过程；

不同点：纯金属：恒温结晶；结构起伏与能量起伏；结晶时无成分变化；

固溶体：变温结晶；结构起伏、能量起伏和成分起伏；结晶过程总存在原子扩散，以进行溶质在液固两相中的再分配。1.5.3二元共晶相图

共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。

当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反响时，所构成的相图称为二元共晶相图。如Pb-Sn,Pb-Sb等。

一、相图分析

相区：3个单相区，3个双相区

相线：液相线，固相线。

共晶反响线，在共晶线上，f=C-P+1=2-3+1=0，在恒温进行，三相的成分恒定。固溶线:MF和NG

点：E点共晶点，共晶反响时液相的成分。

二、典型合金的平衡结晶及其组织分析要点：临界点、冷却曲线、相状态、成分变化、室温组织与相对量

1.含Sn<19%的合金

2.共晶成分合金〔61.9%Sn)

3.亚共晶合金〔50%Sn)

4.过共晶合金〔80%Sn)

组织与相：不同成分Pb-Sn合金室温下相均为a+b，但组织那么因成分而异。Pb-Sn合金组织分区图。三、初生相和共晶体的组织特征1.初生相的组织特征

纯金属或固溶体，一般呈树枝状，平面磨面可呈树枝状、卵形或颗粒状。

亚金属、非金属或金属化合物，一般具有规那么外形。

2.共晶体的组织特征

共晶团：由一个晶核形成的共晶体。

共晶体形态多样：层片状、棒状、球状、针片状、螺旋状等。

3.离异共晶：发生共晶转变时，共晶组织中与先共晶相相同的一相会依附于先共晶相生长，而将另一相推向最后凝固的晶界处，从而失去了共晶组织特征，这种两相别离的共晶体称为离异共晶。四、共晶合金的不平衡结晶及其组织

1.伪共晶

伪共晶：非共晶成分的合金在快冷条件下得到100%的共晶组织。

伪共晶产生条件：合金过冷至伪共晶区。

2.离异共晶〔非平衡条件〕

3.其他变化：

组织形态：细小

相对量：初生相减少、共晶组织增多1.5.4包晶相图

包晶转变：一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的转变，即L+β->α

包晶相图：具有包晶转变的相图。Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Sn-Sb等具有包晶相图。1.5.5相图分析方法与应用一、分析相图的根本方法

•分析相图中的相和相区

•分析相图中有无水平直线，并判断其转变类型是共晶型还是包晶型。

•根据相区接触法那么确定图形结构是否合理。相区接触法那么即“相邻相区相数差一〞•分析任一合金的结晶过程。

二、利用相图判断合金的性能

〔1〕利用相图判断合金力学性能

利用相图可确定合金在某一温度下的相平衡关系，计算各相相对量，再根据各相的性质，大致判断合金性能。

〔2〕利用相图判断合金工艺性能第二章：铁碳合金与铁碳合金相图铁碳合金的根本组织

1.1.铁素体

碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。

1.2.奥氏体

碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。

1.3.渗碳体

铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C

1.4.珠光体

F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。

1.5.莱氏体

A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。铁碳合金状态图状态图主要点线

主要点特性点温度℃含义A1538纯铁熔点C1148共晶点D1227渗碳体熔点E1148C在γ-Fe中最大溶解度G912纯铁的同互异晶转变点P727C在α-Fe中最大溶解度S727共析点Q室温室温时C在α-Fe中最大溶解度主要线：

ABCD线

液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。

AHJECF线

固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化

GS线

A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A

ES线

Acm线，C在A中溶解度曲线

ECF线

共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反响，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。

PSK线

共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反响，产生出珠光体

铁碳合金分类

钢含C量0.0218～2.11%

共析钢含C量0.77%

亚共析钢0.0218-0.77%

过共析钢白口铸铁2.11-6.69%

共晶白口铸铁

4.3%

亚共晶白口铸铁

2.11-4.3%

过共晶白口铸铁铁碳合金相图的作用

在铸造方面

选择适宜的浇铸温度，流动性好

在煅造方面

选择适宜的温度区，奥氏体区

在热处理方面

退火，正火，淬火等

2.2.4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

一、含碳量对平衡组织的影响

室温下，铁碳合金均由+Fe3C两相组成

随含碳量不同，可分为七个典型组织区

二、含碳量对机械性能的影响

•珠光体P：为F+Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好；

•亚共析钢：由F+P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高；•过共析钢：P+Fe3C(II)组成，当含碳量1%，Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高；当含碳量>1%，Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。•莱氏体：硬而脆第三章钢的热处理改善钢的性能，主要有两个途径：

〔1〕调整钢的化学成分，参加合金元素

〔2〕钢的热处理，改变组织结构

热处理：通过加热，保温，冷却等操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。

分类：普通热处理：退火，正火，淬火，回火

外表热处理：外表淬火〔火焰加热，感应加热〕，化学热处理〔渗碳，氮化，碳氮共渗〕钢热处理的根本原理加热或冷却时钢组织结构发生变化。

钢在加热时的组织转变

A1，A3，Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度〔平衡临界点〕。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度。

大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化〞。

以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变。

形成过程

共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。

P=F〔体心立方〕+Fe3C〔复杂晶格〕——>A〔面心立方〕

奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段：

*奥氏体晶核形成

晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。

*奥氏体晶核的长大

含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F->A及Fe3C溶解。

*剩余奥氏体的溶解

F先转变完，Fe3C完全溶解

*奥氏体成分均匀化

碳扩散使A含C量趋于均匀。

影响珠光体向奥氏体转变的因素

*形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度

形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了A中C浓度梯度，加速成A形成。

*含C量越高，F和Fe3C相界面增多，有得于A形成。

*P越细，A形成速度越快。

*连续加热时，随着加热速度增大，A形成温度提高，所需时间缩短。

3.1.1.3奥氏体晶粒的长大及其影响因素

晶粒度分为起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度。

起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为A时的A晶粒度。

实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。直接影响钢件性能。

本质晶粒：指A晶粒长大的倾向性〔本质细晶粒钢，本质粗晶粒钢〕

A晶粒长大及其影响因素：

*奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。

*参加合金元素影响奥氏体晶粒长大。

能形成稳定碳化物元素Ti，Cr，抑制A长大。

Mn，P等那么加速A长大钢在冷却时的组织转变

冷却方式有两种：

〔1〕等温冷却

就是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等。

〔2〕连续冷却、

将加热后组织为全部奥氏体的钢，以某一速度冷却，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变。如退火〔炉冷〕，正火〔空冷〕，普通淬火〔油、水泠〕。

过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能

珠光体，索氏体，屈氏体：晶粒粗细之分。

马氏体：C在α-Fe中的过饱和固溶体，高强度，高硬度和耐磨性

贝氏体：由含碳过饱和F和碳化物组成的两相混合物。上贝氏体，下贝氏体〔高强，韧〕

过冷A等温冷却

将A过冷到Ar1以下的某一温度，并在此温度等温停留过程中完成其组织转变过程，称为过冷A的等温转变。

〔1〕高温转变区Ar1-550

〔2〕中温转变区550-230

〔3〕低温转变区

3.1.2.2.过冷A连续冷却转变

在实际热处理生产中，A的转变大多是在连续冷却过程中进行的，常在炉内、空气中，油中或水中冷却。与等温转变一样也能发生珠光体、贝氏体、马氏体等转变，但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区，会发生几种转变，得到几种转变产物的复合组织。钢的热处理退火与正火

钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。退火：把钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入炉中或导热性较差的介质中，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。

目的：

〔1〕降低钢的硬度，改善切削加工性；

〔2〕提高钢的塑韧性，便于成形加工；

〔3〕细化晶粒

〔4〕消除工件内的剩余应力。正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温。目的：

〔1〕细化晶粒，消除缺陷

〔2〕调整钢的硬度

〔3消除内应力

既可做为中间热处理，也可用作最终热处理。淬火与回火

淬火：将钢加热到Ac3或Ac1线以上30-50℃，保温一定时间后，在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织。

目的：主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。

两个概念：淬透性，淬硬性淬火后强度和硬度有了较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，如不及时处理，

会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。

回火：将淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间〔2-4小时〕，然后取出在空气或油中冷却。

回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。目的：

〔1〕降低脆性，减少内应力，防止变形开裂

〔2〕调整钢件的机械性能

〔3〕稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。

低温回火：加热到150-250℃，保温1-3小时后空冷，得到回火马氏体。〔保证高硬度，如刃具、量具〕

中温回火：加热到350-450℃，保温后空冷，得到回火屈氏体。〔高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧〕

高温回火：加热到500-650℃，保温后空冷，得到回火索氏体。〔有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮〕

淬火+高温回火=调质处理3.2.3外表热处理

机器零件如齿轮，曲轴工件条件不同，有时受冲击，外表受摩擦，要求芯部有足够强度，韧性，外表有高的硬度和耐磨性。3.2.3.1.外表淬火

火焰加热外表淬火；感应加热外表淬火

3.2.3.2.外表化学热处理

渗碳：向钢的外表渗入碳原子，提高外表含碳量，提高材料外表硬度、抗疲劳性和耐磨性。

渗氮：在工件外表渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。提高材料外表硬度、抗疲劳性和耐磨性，且渗氮性能优于渗碳。

碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高外表硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。

渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。

渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。第四章：金属材料的变形与再结晶金属材料在承受外力时，会产生一定的变形，随着外力的增加，其变形将由弹性变形转变为塑性变形，直至断裂。金属材料的变形特性在工程技术上十分重要，〔1〕由于铸态金属中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密及杂质偏析等缺陷，故工业上的金属材料大多要在浇注后经过压力加工再予使用。〔2〕把材料制作成所要求的形状。因为通过压力加工时的塑性变形，金属的组织也会发生很大的变化，可使某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给金属的组织和性能带来某些不利的影响，因此在压力加工之后或在其加工的过程中，还应经常对金属进行加热，使其发生回复与再结晶，以消除不利的影响。工程上实际材料均为多晶体组织，为了更好地了解多晶体材料的变形，首先了解单晶体的变形特性。4.1.单晶体金属变4.1.1.单晶体金属弹性变形单晶体金属材料在正应力作用下变形过程，图〔2-1〕切应力变形图图〔2-2〕特点：〔1〕可逆性，去除外力后，变形消失。〔2〕变形量小，<1%。〔3〕应变与应力成正比。4.1.2.单晶体金属塑性变形单晶体塑性变形有“滑移〞和“孪生〞等不同方式，大多数情况以滑移方式发生。正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断切应力可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。通过大量的晶面滑移，最终使试样拉长变细。滑移：晶体的一局部相对于另一局部沿一定晶面发生相对的滑动。滑移变形要点：〔1〕滑移只能在切应力的作用下发生〔2〕滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面〔滑移面〕之间的面间距及最密晶向〔滑移方向〕之间的原子间距才最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下使能引起它们之间的相对滑动。滑移系：滑移面数与滑移方向数的乘积。滑移系越大，金属滑移的可能性越大，即金属塑性越好。晶格体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底面对角线*3滑移系6*2=124*3=121*3=3

FeCu,AlMg,Zn〔3〕滑移时晶体的一局部相对于另一局部沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的外表上造成台阶。〔4〕滑移的同时必然伴有晶体的转动，沿外力方向。滑移过程,4.2.多晶体金属的变形4.2.1.晶界作用以两个晶粒的试样在拉伸时的变形为例在远离晶界处，变形明显，在靠近晶界处变形出现“竹节〞现象。说明晶界对变形有较大的阻碍作用。原因：晶界附近晶格排列紊乱，杂质原子往往较多，增大晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。4.2.2.各晶粒位向差异的影响位向不同当受外力作用时，有些晶粒的滑移面适合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面与外力方向相抵触，其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍。所以多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。4.2.3.多晶体金属变形过程滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45度夹角的晶粒必将首先发生滑移变形，不同位向的晶粒分批滑移。塑性变形特点：〔1〕起始塑性变形的非同时性。位向不同，所以在工程上无法测得真正的最大弹性变形抗力和真正的起始塑性变形的抗力指标，要采用条件规定的方法〔2〕塑性变形的时间性。弹性变形以声速进行，变形速度对金属弹性性能无影响，但塑性变形需要时间。缓慢拉伸和快速拉伸。要控制冷变形加工速度。〔3〕塑性变形量的不均一性。剩余应力〔4〕变形过程中伴随着发生金属机械性能及其他物理、化学性能的改变。形变强化，密度降低，电阻增加，化学活性增大。4.3.塑性变形对金属组织和性能的影响变形后性能的变化是由塑性变形时金属内部组织结构的变化决定的。4.3.1.晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性内部晶粒形状与金属外形成比例，变形量大时，产生纤维关“纤维组织〞4.3.2.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化.形变量不大时，在变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积。随着变形量增大，晶粒破碎为亚晶粒，亚晶界量越多。滑移变形是通过位错在滑移面上移动实现，晶体内部的晶界、亚晶界以及其他缺陷都成为各种阻碍位错移动的障碍物。位错在亚晶界堆积，使滑移变形不易继续进行下去。“晶格畸变〞随着形变量增大，由于晶粒破碎和位错密度的啬，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生“加工硬化〞。4.3.3.织构现象产生随着变形发生，各晶粒晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，故在变形量到达一定的程度〔70-90%〕时，金属组织将会出现一种织构现象。织构现象有两种〔1〕各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，丝织构〔2〕各晶粒某一晶面平行于轧制方向，板织构出现各向异性，不利。4.3.4.剩余内应力经过塑性变形，外力对金属所作的功，约90%转化成热，10%转化为内应力残留于金属中。塑性变形后，退火。4.4.塑性变形后的金属在加热时的组织和性能变化加工硬化会造成进一步加工的困难，退火，一是为了消除加工硬化〔再结晶退火〕，另一是保存加工硬化，减小内应力。4.4.1.回复与再结晶4.4.1.1.回复即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而所引起的某些晶内的变化。晶粒大小和形状无明显变化。冷卷弹簧卷制后低温退火，去应力250～300℃。4.4.1.2.金属的再结晶破碎晶粒未改变，组织仍不稳定，加热到较高温度，晶粒外形开始变化，生成新的等轴颗粒。“再结晶〞。强度和硬度显著降低，塑性和韧性提高，消除加工硬化。例：黄铜33%冷轧变形后，在580℃再结晶。4.4.1.3.晶粒长大再结晶完成后，再继续提高加热温度或延长加热时间，晶粒便会继续长大。因为晶粒长大可降低外表能，热力学第二定律。4.4.2.再结晶后的晶粒度再结晶退火时，要确定加热温度4.4.2.1.变形度影响变形度越大，再结晶温度越低。因为变形度越大，金属晶体缺陷越多，组织破碎越严重，越不稳定。变形度增大，再结晶温度降低，并逐渐趋近于一个极限温度，金属的最低再结晶温度。4.4.2.2.金属熔化温度的影响工业纯金属TR=(0.40~0.50)TfTR是金属最低再结晶温度，Tf是金属熔化温度4.4.2.3.金属纯度的影响有杂质或合金元素时，再结晶温度明显提高。4.4.2.4.金属原始组织影响原始组织的晶粒越粗大，变形阻力越小，晶界少，不容易再结晶，再结晶温度越高。4.4.3.再结晶后的晶粒度影响再结晶后晶粒度的因素〔1〕加热温度和加热时间再结晶退火时的加热温度越高，晶粒越大。一定温度，时间越长，晶粒越大〔2〕预先冷变形度变形均匀度变形越大，变形越均匀，再结晶后晶粒度越小。第五章：金属材料的脆性5.1.金属材料的断裂金属在外加载荷的作用下，当应力到达材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和开展的过程。〔图〕5.1.1.断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。

图5-1韧性断裂和脆性断裂时裂纹扩展的比较韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。5.1.2.断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断5.1.3.断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。5.1.4.断口分析断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改良构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。.1.宏观断口分析断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，外表粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是外表呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是外表光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。5.1.4.2.微观断口分析略5.2.脆性破坏事故分析脆性断裂有以下特征：〔1〕脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。〔2〕一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。〔3〕脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。〔4〕发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。防止脆断的措施〔1〕选用低温冲击韧性好的钢材。〔2〕尽量防止构件中应力集中〔3〕注意使用温度。5.3.韧-脆性转变温度为了确定材料的脆性转变温度，进行了大量的试验研究工作。如果把一组有缺口的金属材料试样，在整个温度区间中的各个温度下进行冲击试验。低碳钢典型的韧-脆性转变温度。随着温度的降低，材料的冲击值下降，同时在断裂面上的结晶状断面局部增加，亦即材料的韧性降低，脆性增加。有几种方法〔1〕冲击值降低至正常冲击值的50～60%〔2〕冲击值降至某一特定的、所允许的最低冲击值时的温度。〔3〕以产生最大与最小冲击值平均时的相应温度〔4〕断口中结晶状断面占面积50%时的温度对于厚度在40mm以下的船用软钢板，夏比V型缺口冲击能量为2时的温度作为该材料的脆性转变温度。5.4.无塑性温度韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢，其它钢材，无法进行大量试验。依靠其它试验方法，定出该材料的“无塑性温度〞NDT〔1〕爆炸鼓胀试验正方的试样板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上锯一缺口。在试样上方爆炸，根据试样破坏情况判断是否塑性破坏。平裂，凹裂，鼓胀撕裂〔2〕落锤试验5.5.金属材料产生脆性断裂的条件5.5.1.温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。5.5.2.缺陷5.5.2.1.材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。5.5.2.2.裂纹长度裂纹越长，越容易发生脆性断裂。5.5.2.3.缺陷锋利程度越锋利，越容易发生脆性断裂。5.5.3.厚度钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：〔1〕越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。〔2〕冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。5.5.4.加载速度低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。5.6.金属材料的脆化现象分两类：〔1〕在一定温度条件下出现的脆性，温度条件改变后，脆性自行消失，或者在一定温度条件下，经一定时间后出现的脆性。这种情况下，金属的组织变化不明显。有冷脆性，热脆性，红脆性及回火脆性。〔2〕由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。这种脆性无法消除或要通过一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氢脆，热疲劳，石墨化。5.6.1.冷脆性冷脆性：金属材料在低温下呈现的冲击值明显降低的现象。影响因素：化学成分〔1〕含碳量〔2〕锰〔3〕镍〔4〕磷5.6.2.热脆性热脆性：某些钢材长时间停留在400～500℃温度区间再冷却至室温，其冲击值有明显下降。影响因素：〔1〕化学成分含C量，铬锰钼磷等〔2〕保温时间不同钢产生热脆性所需的保温时间不同〔3〕热处理调质处理可阻止热脆性产生。5.6.3.红脆性含S较多的钢中，在800～900℃以上呈现较大脆性。S化物以网关分布在晶界上。消除方法：〔1〕长时间高温退火，使网状S化物变为球状。〔2〕参加锰，硫化锰以点状，球状存在于晶界上。5.6.4.回火脆性对于一般钢回火可提高冲击韧性。但某些钢在回火后，冲击韧性反而降低。回火脆性。5.6.4.1.第一类回火脆性发生在合金结构钢中。但某些钢在250～400℃回火后，冲击韧性反而降低。实际遇到时机少。5.6.4.2.第二类回火脆性在450～600℃长时间回火或在更高温度〔600～700℃〕回火后，出现常温冲击韧性下降。再次回火消除或参加钼钨防止。对于一般钢回火可提高冲击韧性。5.6.5.苛性脆化苛性脆化：金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的氢氧化钠溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象称为苛性脆化。

材料在高应力作用下，晶粒本体与晶界产生电位差，当与具有一定浓度的氢氧化钢溶液相接触，晶界部位的铁离子将进入溶液中，与溶液中的氢氧根离子发生电化学反响。

如果溶液中的氢氧化钠浓度较高，溶液中的氢氧根负离子较多，促使晶界部位的铁离子大量进入溶液，发生电化学反响，从而形成晶间裂纹，导致苛性脆化。材料产生苛性脆化必须具备三个条件：〔1〕在材料中需存在较高的局部应力，对于碳素钢高达250MPa；〔2〕需具有较高浓度的氢氧化钢溶液与材料的局部高应力区相接触，并且在溶液中需具有能加速反响的催化剂；〔3〕需具有一定温度。在锅炉的铆接或胀接部位最易发生苛性脆化。应力：工作应力+联接应力+附加应力化学成分：铆接或胀接处锅水渗漏，浓缩温度：低压锅炉为200℃，中压锅炉为250℃，高压锅炉为300℃5.6.6.氢脆金属在外加载荷的作用下，当应力到达断裂强度时，发生断裂。第六章：金属材料的高温机械性能高温下承载材料的机械性能与室温承载材料有很大区别：比方

〔1〕强度降低，在不同温度下进行金属材料的静拉伸试验时，可以发现，随着试验温度的升高，屈服平台消失，而且材料所能承受的最大载荷也降低。图

〔2〕塑性增大。

在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。6.1.金属材料的蠕变形象6.1.1.蠕变现象

蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。

碳素钢超过300～350℃，合金钢超过400～450℃发生

蠕变曲线：三个阶段

oa开始局部，加载引起的瞬时变形

ab第1阶段，速度大，不稳定阶段，减速阶段，τ1，ε1

bc第2阶段，稳定阶段，等速阶段τ2，ε2

cd第3阶段，最后阶段，加速阶段τ3，ε3，不能计入元件寿命期。6.1.2.蠕变曲线的表示方式

数学模型，主要表示第一阶段和第二阶段

蠕变条件下蠕变速度随时间变化可用下式来表示

其中A，n为外界条件与材料性质的常数第一阶段两种式子第二阶段6.1.3.金属材料在蠕变中的组织变化6.1.3.1.滑移整个蠕变过程中，有滑移产生6.1.3.2.亚晶形成晶粒变形不均匀破裂，形成亚晶6.1.3.3.晶界形变晶界也参与形变，有时高达40-50%6.1.4.金属材料的蠕变理论蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的，与原子热运动有关。原子热运动作用大致有两方面：〔1〕是在应力作用下原子直接大量地定向扩散〔2〕协助受阻位错克服障碍重新运动一方面形变硬化，一方面回复6.1.5.金属材料的蠕变断裂机理金属材料蠕变断裂分2种：晶间和穿晶穿晶：有大量塑性变形，韧性，高应力，低温晶间：塑性变形小，脆性，低应力，高温等强度温度概念两种理论：楔形蠕变裂纹〔三晶交界处应力集中，穿晶〕，空洞形〔空洞在三晶交界处聚集，晶间〕6.2.金属材料的高温强度6.2.1.条件蠕变极限根据不同的需要有2种〔1〕给定温度下，引起规定变形速度的应力值〔2〕一定工作温度下，在规定时间内，使试件发生一定量总变形时的应力值6.2.2.高温持久强度在给定温度下，经过一定时间而断裂时所能承受的最大应力。表示材料在温度t经过τ而断裂时所能承受的最大应力与蠕变区别：蠕变考虑变形为主，高温持久强度主要考虑材料在长期使用下的破坏抗力。.3.蠕变和持久强度的推测方法必须进行长期试验，应用外推方法，可大大缩短时间。外推法：〔1〕总结金属材料试验数据，找出经验关联式，用以外推〔2〕从微观出发，建立应力，温度和断裂时间的关系式。等温线法：在同一试验温度下，用较高温度应力进行短期试验数据。〔加大强度〕6.4.钢的持久塑性是高温条件下工作的重要指标之一。细小碳化物〔Mo2C，VC〕在晶内析出，提高晶内强度，削弱晶界强度，形成低塑性的晶间断裂。影响因素〔1〕合金元素参加硼强化晶界，减小有害元素S等〔2〕金相组织珠光体-F>贝氏体>马氏体〔3〕热处理奥氏体化温度d，回火温度a影响材料高温强度性能的因素提高材料高温强度关键〔1〕使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动〔2〕大力强化晶界，防止晶间开裂6.5.1.化学成分6.5.1.1.C<0.4%高温强度随碳增加而增加不同钢种有最正确值。6.5.1.2.其它合金元素影响Mo可提高材料高温强度V,Nb,Ti可强烈形成碳化物，在钢中形成弥散分布的沉淀相，有良好强化效果。P强化晶界〔1〕每种合金元素的作用与其质量分数不成正比，往往有一最正确值。〔2〕每种合金元素的质量分数越高，那么单位质量分数所引起的作用越小。因而多元素，少质量分数的钢种有良好的高温性能6.5.2.冶炼方法钢中气体量，晶界处的偏析，夹渣对钢高温性能影响大。减小有害元素，选择适当的冶炼方法6.5.3.金属材料的组织结构6.5.3.1.碳化物形状分布片状弥散分布热强性好，球状聚集不好6.5.3.2.晶粒度常温下，细晶粒具有高强度高温下细晶那么易蠕变，此时有个最正确值6.5.4.热处理方法热处理后，在常温下使用，不发生组织变化，可行而在高温下，不稳定的结构组织将发生变化，使高温性能变坏。6.5.5.温度波动对钢材高温强度的影响温度对钢和的高温强度影响，主要有2方面〔1〕温度的波动使实际温度高于规定温度〔2〕附加热应力.6.金属材料的松驰6.6.1.

金属材料的松驰特性松驰：金属材料在高温和应力状态下，如果维持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象。如果总变形量不变，弹性变形转变为塑性变形应力松驰分2阶段，第1阶段应力随时间急剧降低，第2阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，材料中应力的降低值来表征材料抗松驰性能。松驰稳定系数S0，不考虑初应力，更合理。a6.6.2.

松驰的塑性应变速度低碳钢只与应力有关合金钢在第1阶段与应力和总应变有关，第2阶段，只与应力有关。6.6.3.

再紧固对松驰的影响在动力装置上，常采用法兰螺栓联接，为了保证联接的紧密性，使用一定时间后要再次紧固。单纯松驰与再紧固松驰见以下图:

6.6.4.

应力松驰与蠕变的关系松驰与蠕变有差异也有联系差异：蠕变是恒定应力下，塑性变形随时间的延长而不断增加的过程；松驰是恒定变形下，应力随时间的延长不断降低过程，此时塑性变形的增加是与弹性变形的减小等量同时发生。联系：本质相同，松驰也可看作是应力不断降低时的多级蠕变。

第七章：长期在高温条件下金属组织在室温条件下，钢材的组织比较稳定，不随时间而改变。在高温下，由于金属原子热运动，在长期工作中，金相组织会将不断发生变化，并可能导致性能改变。钢材长期在高温条件下的组织变化主要有：珠光体球化，石墨化，合金元素重新分配。珠光体球化锅炉及压力容器上常用的碳素钢及低合金钢都是过共析珠光体钢。P中F和Fe3C均呈薄片状分布。片状物的外表积与体积之比球状物的外表积与体积之比大，即在同样体积情况下，片状物比球状物有更大的体积。因此，片状物比球状物具有更大的外表能。根据热力学第二定律，具有较大能量的状态有自行向能量较小的状态转变的趋势。所以片状珠光体是一种不稳定的组织，其中渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为根底的，当温度较高时，原子的活动能力增强，扩散速度加快，片状渗碳体逐渐转变成球状，再聚集成大球团。球化-聚集见右图球化对金属性能的影响对室温机械性能影响降低室温强度σs及σb对低碳钢和低碳钼钢：中等程度球化，强度指标下降10-15%严重球化，强度指标下降20-30%对高温机械性能影响蠕变极限和持久强度下降

表试验温度〔℃)

482

538蠕变极限降低的百分数〔%〕

46

23持久强度降低的百分数〔%〕

52

45影响珠光体球化的因素影响球化过程开展的主要因素是温度，时间和化学成分珠光体球化和碳化物聚集是基于扩散的一种过程，温度对球化过程必然有很大影响。公式T-绝对温度，A-物性参数，b-常数，e-自然对数底温度升高，完全球化所需的时间便明显减少。碳扩散速度与合金元素对碳在固溶体中扩散的影响有关。因而，但凡能形成稳定碳化物的合金元素，或进入固溶体中可降低其原子扩散系数的合金元素，均能阻止或减缓球化及其积聚过程。单纯碳钢最易球化，钛、铌、钼、铬、钒可提高球光体稳定性。此外，在钢的化学成分的温度相同的条件下，球化速度还与钢的晶粒度，冷加工变形度和渗碳体片大小有关。细晶粒钢，球化时间短，总外表积大冷加工变形度大时间短，塑性变形中的晶格畸变，导致内能增加，扩散速度加快，球化过程首先在此发生。过小的渗碳体片缩短了扩散距离，加速球化。珠光体球化的级别分6级未球化

第1级倾向性球化

第2级轻度球化

第3级中度球化

第4级完全球化

第5级严重球化

第6级材料发生球化后的恢复处理可采用热处理恢复例：16Mo钢的φ245×26蒸汽管道在，510℃条件下运行约8*104h后，珠光体球化，碳化物聚集在晶界上，67%Mo进入碳化相中，机械性能恶化。加热至920℃，停留1h，在炉中翻开炉门冷却80-90℃/h。石墨化钢中渗碳体在高温长期作用下自行分解的一种现象。Fe3C——>3Fe+C石墨开始以细微点状出现，逐渐聚集成越来越粗的颗粒，石墨强度低，相当于在金属内部产生空穴。对材料影响：脆性急剧增大。影响石墨化因素温度：高温下，是一个扩散过程合金元素：与碳结合能力强的元素均可阻止石墨化发生铬，钛，钒；促进石墨化，硅，铝，镍晶粒大小：细晶粒钢及有加工硬化钢易发生。石墨化分级

1级不明显

2级明显

3级严重

4级很严重合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配在高温下使合金元素原子活动能力增加，对一些起固溶强化作用的合金元素，铬，锰，钼〔固溶体〕脱落，转移至碳化物中。固溶体引起晶格畸变从而起到强化作用，畸变晶格不稳定，在高温下就有向较稳定的碳化物中转移的趋势。〔固溶体和碳化物中〕合金元素成分的变化及对高温机械性能影响：常用珠光体热强钢：〔1〕铬钼低合金钢〔2〕铬钼钒低合金钢第八章：钢的过热与过烧概述在锅炉和压力容器制造中，对所用钢材进行热加工和热处理。此时，如果加热温度控制不当，加热不均会使材料超温，导致材料机械性能恶化。根据超温的程度和时间长短，钢材会发生脱碳，过热和过烧现象。过热：钢被加热到Ac3以上某一温度，随着奥氏体晶粒的长大，在粗大的奥氏体晶界上，发生了化学成分的明显变化〔主要是硫的偏析〕，在冷却时，或者在原始奥氏体晶界上保持了硫的偏析，或者产生了第二相〔主要是硫化物〕质点的网状沉积，导致晶界脆化，使钢的拉伸塑性和冲击韧性明显降低的现象。开始发生过热现象的温度为过热温度。不稳定过热〔可恢复〕，稳定过热如果没有硫的析出，不算是过热。过烧：钢被加热到接近固相线或固-液两相温度范围内的某一温度后，在十分粗大奥氏体晶界上不仅发生了化学成分的明显变化〔主要是硫和磷的偏析〕，而且局部或整个晶界出现烧熔现象，从而在晶界上形成了富硫，磷的液相。在随后的冷却过程中，晶界上产生富硫，磷的烧熔层，并伴随着形成硫化物，磷化铁等脆性相的沉积，导致晶界严重弱化，从而剧烈降低钢的拉伸塑性和冲击韧性的现象。开始发生过烧现象的温度为过烧温度。钢在高温加热中的变化奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大速率D-晶粒长大后的平均晶粒直径，K-物性参数，t时间。奥氏体晶粒长大影响因素化学成分和冶炼方法本质晶粒度指钢被加热到Ac3以上某一温度时奥氏体晶粒的大小。本质粗晶粒钢在冶炼时只用锰铁脱氧〔沸腾钢〕或用锰铁、硅铁脱氧的钢本质细晶粒钢指在除锰铁和硅铁脱氧外，还用铝作脱氧剂的钢。碳及合金元素含碳量增加，晶粒长大倾向增大。强烈抑制晶粒长大：Al,Ti,Nb,V,Zr中等抑制晶粒长大：Mo,W,Cr微弱抑制晶粒长大：Cu,Co增加晶粒长大倾向：Mn,P加热温度保温时间钢在高温加热时的成分和组织变化第一阶段钢从Ac3温度到其过热温度以下的温度区间内加热。奥氏体逐渐长大。第二阶段过热温度到过烧温度硫析出8.2.第三阶段指从钢的过烧温度至固-液相线温度区间内加热。在晶界上形成富硫，磷液相高温加热后的冷却第一阶段加热后的冷却在此阶段加热后冷却，当冷至Ar3温度，A析出F，至Ar1，奥氏体发生共析反响转变为P。如在Ar3至Ar1冷却较快，会析出F的魏氏体组织。降低钢的冲击性能，会使钢的机械性能恶化。第二阶段加热后的冷却硫在铁中的溶解度很低，且随着温度的降低而急剧减少。第二阶段加热后冷却，冷却速度越高，冷却后的钢越接近于高温下的平衡状态；反之，晶界上的硫以平衡偏析为主，且在冷却过程中析出的硫化锰质点，将在缓慢冷却过程中逐渐聚集成团。第三阶段加热后的冷却粗大的A晶界上有富硫，磷的液相出现，特别是磷在晶界上的严重偏析。钢的过热钢的过热温度1200～1350℃之间。过热钢的特征宏观断口不稳定过热：结晶状断面稳定过热：无金属光泽的灰白色粒状断面显微特征粗大的A晶粒，魏氏体组织，原始A晶界处S偏析或硫化锰沉淀过热钢的机械性能塑性和冲击韧性明显降低，对强度和硬度根本无影响钢发生过热后的补救措施正火，淬火和回火钢的过烧现象钢的过烧温度通常比过热温度高几十至一百度左右过烧钢特征宏观断口无金属光泽的灰白色石状断面显微特征粗大的A晶粒，魏氏体组织，原始A晶界处富P，S烧熔层及原始奥氏体晶界上硫化锰和磷化铁沉淀。过烧钢的机械性能塑性和冲击韧性严重降低，必须报废。第九章：金属材料的腐蚀概述金属腐蚀是指金属与其周围介质发生化学或电化学腐蚀而产生的破坏现象。

锅炉与压力容器的一些主要承压元件在使用过程中与一些腐蚀介质接触，会发生各种腐蚀现象，引发破裂损坏事故，后果

〔1〕往往引发事故造成巨大经济损失

〔2〕消耗大量资源和能源，1/3冶炼金属由于腐蚀而破坏

〔3〕污染环境

因此有必要对腐蚀现象进行研究。

分类按机理

化学腐蚀：金属与非电解质介质直接发生纯化学反响。服从于多相反响的化学动力学的根本规律。例如：金属在高温下发生的氧化现象。电化学腐蚀：金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏现象，构成了原电池，服从于电化学动力学规律。电化学腐蚀是金属腐蚀的更重要更普遍的形式。按腐蚀环境分类大气腐蚀，土壤腐蚀，高温气体腐蚀，海水腐蚀等。按腐蚀的形式：均匀腐蚀腐蚀作用以根本相同的速度在整个金属外表同时进行。危害性小，可估计腐蚀速度。例：碳钢在强酸中的腐蚀局部腐蚀发生在金属的局部地区。应力腐蚀裂开材料在静拉伸应力与腐蚀介质作用下发生的破坏现象。主要是晶间，脆断。也有穿晶。在氮化物，碱性氮氧化物或其它水溶性介质中常有发生。点蚀发生在金属外表局部区域，点蚀形成后迅速向深处开展，最后穿透金属。出现后就及时磨光或涂漆，防止进一步深入。不锈钢，铝及其合金，钛及其合金在氯离子介质中易发生。晶间腐蚀在金属材料晶界部位的腐蚀。腐蚀沿晶间进行，使晶粒之间的结合力大大削弱，机械强度急剧降低。不锈钢，铝镁合金。缝隙腐蚀金属与金属或金属与非金属之间存在细小缝隙中发生的腐蚀现象。法兰联接面，螺母压紧面。电偶腐蚀电解质溶液中，不同的金属接触时，由于腐蚀电位差引起电位低的金属在接触部位腐蚀的现象。如碳钢与黄铜在海水中接触。腐蚀疲劳金属在交变应力和腐蚀介质的作用下发生。产生腐蚀坑和大量裂纹，显著降低钢的疲劳强度。腐蚀共同特性从热力学角度看，腐蚀是金属由非稳态自发向稳态的一个转变过程。是化学，电化学过程。总是发生在外表，从外表开始。金属材料的高温氧化高温氧化过程的机理氧与氧化性气体介质的化学反响。发生氧化反响判据〔1〕初始系统〔金属和氧〕的等压-等温自由能与最终状态时的差值。〔2〕系统中氧的分压高于金属氧化物的分解压力。氧化过程2个阶段〔1〕化学反响过程，氧与外表金属接触反响，形成氧化膜〔2〕电化学反响，内部金属腐蚀，分7步骤1〕氧分子吸附至氧化膜2〕氧分子分解为氧原子3〕氧原子形成离子4〕氧化膜中的阴离子向金属外表迁移5〕金属原子电离及阳离子向氧化膜过渡；6〕氧化膜中的阳离子和电子向膜气相界面迁移；7〕阳离子和阴离子作用并产生金属氧化物氧化膜的保护性能〔1〕氧化膜能完整性，指完整地覆盖在基体金属外表〔2〕氧化膜的强度，塑性及与基体金属结合力〔3〕高温下的稳定性。高温氧化过程的动力学规律常见的直线，抛物线，对数规律直线规律氧化物不多孔性氧化膜时,镁在450℃以上，钼在550℃以上。抛物线规律金属外表附一层致密氧化膜，氧化开始时候为最大氧化速度，此后不断减小，趋近于0镍和铜大于500℃，铁在大于700℃对数规律低温，动力学规律氧化开始时候为最大氧化速度，此后很快减小，趋近于0氧化的温度规律低温为对数规律，中温为抛物线，高温为直线规律金属材料的高温抗氧化性指标金属重量变化指标腐蚀深度：应用较多。钢材耐热性级别级别腐蚀深度(mm/a)耐热性分类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不抗氧化性锅炉高温承压元件，只允许用1级金属材料的电化学腐蚀金属材料与电解质溶液发生电化学作用而造成的破坏现象。金属的电极电位及腐蚀电池金属离子水化过程标准电极电位：活度为1，温度298K，气体分压下平衡电极电位。分为负电性金属，正电性金属。原电池产生，电位差，可能原因：不同金属，温差，电解质浓度差金属的极化与钝化极化现象：腐蚀电池工作后引起的电极电位变化现象，阴极电位降低，阳级电位升高，电池回路电流减小。钝化：金属外表状态突然变化的过程。铁在浓硝酸，浓硫酸中。可提高金属耐蚀性。金属元素耐蚀性评定热力学稳定性金属元素标准电极电位(V)热力学稳定性金属元素不稳定镁铝锌铁铬-0.414～0不够稳定钼镍较稳定铜稳定金铂钝化现象生成保护性好的腐蚀产物膜金属材料耐蚀合金化途径提高金属材料的热力学稳定性参加热力学稳定性高的合金元素，提高电极电位。减弱金属材料的阳极活性参加易钝化元素，铁中参加铬。减弱金属材料的阴级活性减小阴极面积，提高金属材料阴极放氢超电位使金属材料外表生成电阻值大的腐蚀产物膜钢中参加铜和磷金属材料应力腐蚀材料在静拉伸应力与腐蚀介质作用下发生的破坏现象。分2类阳极反响敏感型：金属阳极溶解为根底。阴极反庆敏感型：阴极吸氢为根底〔氢脆〕应力静拉伸应力图有效应力与破坏时间腐蚀介质有一定组合，钢+氢氧化物材料合金或含杂质金属。纯铜+0.004%磷破坏过程主要是晶间，脆断。也有穿晶，混合蒸汽腐蚀水在铁为催化剂下在400℃下发生分解。4H2O+3Fe——>Fe3O4+8H如H不能被流动带走，产生氢脆影响因素，防止方法：〔1〕消除蒸汽停滞现象，〔2〕参加合金元素，Cr,Mo硫腐蚀锅炉燃料〔煤、油〕中含有一定量的硫，硫以各种形式存在于烟气中，使锅炉受热面及元件受到腐蚀。高压锅炉水冷壁管的硫腐蚀过程〔1〕产生自由的硫原子FeS2——>FeS+S〔2〕形成硫化亚铁2H2S+SO2——>2H2O+3S〔3〕形成硫化亚铁Fe+S——>FeS钢材经外表渗铝处理，可提高钢材料耐热性及对某些介质的耐腐蚀性。锅炉过热器管的高温硫腐蚀复合硫酸盐在550～700℃会与金属反响。含镍合金钢的硫腐蚀硫会与钢中的镍发生作用生成Ni2S2，与镍组成易熔共晶体〔Ni-Ni2S2〕。防止方法在含镍的钢中参加合金元素Cr。硫的低温腐蚀低温烟气中有少量SO3，与水蒸汽化合成硫酸。防止方法：省煤器及低氧燃烧钒腐蚀油燃烧产生的钒氧化物存在于油灰中，高温下会破坏金属的氧化膜。钢中参加添加剂，镁，氧化镁。氧腐蚀指水或汽水混合物中所含的氧与金属材料之间发生的电化学腐蚀现象。氧腐蚀原理铁〔标准电极电位〕与氧构成原电池(+0.4V)。影响氧腐蚀因素水中的溶解氧量溶解氧越多，氧腐蚀速度越大水的pH值PH值越低，腐蚀越严重，PH接近于7时，金属外表生成保护膜，腐蚀速度显著降低。水的温度温度越高，扩散越快，金属腐蚀越快防腐原理电化学腐蚀是金属腐蚀的更重要更普遍的形式，尽可能减少原电池；在钢外表形成一层稳定，完整且与钢基体结合牢固的钝化膜；在形成原电池的情况下，尽可能减少两极间电位差。第十章：金属材料的疲劳材料或元件在交变应力〔随时间作周期性改变的应力〕作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间歇操作的设备，往复式压缩机气缸，应考虑其疲劳失效的可能性．疲劳分类：〔1〕高周疲劳低应力，高循环次数。最常见〔2〕低周疲劳高应力，低循环次数。〔3〕热疲劳温度变化引起的热应力作用下引起的疲劳破坏。〔4〕腐蚀疲劳交变载荷与腐蚀介质共同作用下引起的破坏。〔5〕接触疲劳机件的接触外表在接触应力反复作用下出现外表剥落。交变载荷特性大小或方向或两者同时随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷的特性可用几个参数来表示：应力循环：交变应力在两个应力极值之间变化一次的过程。最大应力〔σmax〕：循环中代数值最大的应力。最小应力〔σmin〕：循环中代数值最小的应力。平均应力：〔σmax+σmax〕/2应力幅：〔σmax-σmin〕/2不对称系数：r=〔σmin/σmax〕;r=-1对称，r=0脉动；-1<r<1不对称高周疲劳特点应力-应变曲线随着循环次数的增加，应力幅值不变，应变量在减小。这是因为发生的冷作硬化。应力幅值是表征材料高周疲劳的主要参量。金属材料的疲劳特性曲线〔图〕用旋转弯曲疲劳试验法进行高周疲劳试验。应力幅值与交变循环周数。钢铁材料Nf>107曲线呈