燃气轮机材料基础 课件全套 0燃气轮机材料导论 -16有色金属材料

燃气轮机材料导论重型燃气轮机的主要材料与工艺概述结语010203目录燃气轮机概述燃气轮机是航空、舰船和能源领域的核心动力装备，按照结构设计特点可以分为重型燃气轮机、航空发动机和轻型燃气轮机（或航改燃机）。燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，设计、制造难度极大，具有技术密集度高、产业带动面广、军民结合属性强等特点，是一个国家工业水平的集中体现，也是关乎国家安全和国民经济发展的“国之重器”。重型燃气轮机的功率是传统发动机的数百倍，可用于天然气发电、电网调峰或减载，并作为中型航空母舰和驱逐舰的动力源。燃气轮机的效率和可靠性在很大程度上取决于热端部件的技术水平。重型燃气轮机热端部件主要包括涡轮叶片、燃烧室和涡轮盘。目前，主流的重型燃气轮机涡轮进口温度均在1350℃以上，热端部件的材料几乎无一例外地均选用高温合金。高温合金在整个工作温度范围内具有良好的综合性能，但没有一种合金或合金系统能够满足所有热端部件的要求，必须根据工作状况选用。重型燃气轮机主要材料与工艺涡轮叶片燃气轮机涡轮叶片长时间连续工作在高温、易腐蚀和复杂应力下，工作环境十分恶劣。与航空发动机涡轮叶片相比，燃气轮机涡轮叶片的材料对耐久性、抗腐蚀性要求更高，使得航空发动机涡轮叶片材料不能直接用于燃气轮机涡轮叶片。普通的金属材料很难满足这些要求，因此，只能通过高度的合金化，不断增强合金的高温综合性能。涡轮叶片燃气轮机涡轮叶片材料及成形技术发展20世纪40—50年代，以变形钴（Co）基和镍（Ni）基高温合金为主要用材。50年代中期，随着真空冶炼技术的商业化，开始研究铸造镍基合金。60年代，精密铸造技术成熟，使得复杂叶片型面及冷却通道设计变为可能，通过添加合金元素改善材料的组织结构，提高了铸造高温合金的高温强度，使燃气轮机的入口温度大幅度提高。70年代，定向凝固柱晶高温合金开始用于航空发动机叶片。90年代后期，定向凝固柱晶和单晶高温合金开始用于重型燃气轮机动叶片。涡轮叶片GE公司、西门子公司、三菱重工都各自开发出了材料牌号，并形成了自己的涡轮转子/静子叶片材料体系，如左表所示。可以看出，GE公司、西门子公司在其F级及以上燃气轮机中普遍采用了单晶叶片和定向柱晶叶片。三菱重工得益于所掌握的先进冷却技术和热障涂层技术，即使在其最先进的J级燃气轮机上，也没有采用单晶叶片，而仅仅采用定向柱晶叶片。多晶、柱晶和单晶涡轮叶片涡轮叶片材料涡轮叶片

涡轮叶片普遍采用熔模精密铸造成形技术。随着涡轮进口温度、功率的提高，涡轮叶片制造成为一个世界性难题。相比于航空发动机涡轮叶片，燃气轮机涡轮叶片由于尺寸更大，对陶瓷型芯和陶瓷模壳的高温强度要求更高，叶片的尺寸精度更难以保证，各种组织缺陷和铸造缺陷的控制难度更大，如定向柱晶叶片和单晶叶片的杂晶、偏晶、再结晶等缺陷。从锻造合金改为铸造合金是涡轮叶片选材的一个明显趋势。一方面，高度的合金化使得高温合金塑性降低难于锻压加工，同时，气冷技术需要的内腔形状复杂的叶片只有采用铸造技术才能做到；另一方面，真空铸造、精密铸造、晶粒细化、定向凝固等铸造技术的重大进展也为铸造叶片奠定了基础。铸造应用新工艺充分进行合金化，提高了涡轮叶片的高温性能。燃烧室从工况看，燃烧室是燃气轮机承受温度最高的部件，燃烧室材料应具有足够的高温机械强度、良好的抗热疲劳和抗氧化性、较高的高温高周疲劳强度及蠕变强度。从工艺看，燃烧室材料还需具有非常好的成形性能及焊接性能，焊后热处理开裂的倾向性要小。为了满足以上工况和工艺要求，燃烧室材料通常采用镍基高温合金。近年来，为进一步提高燃气轮机效率，燃烧室选用了合金化程度更高的高温合金材料，如Haynes230，但其高温变形抗力大，易产生轧制裂纹，这对制造设备和生产工艺都提出了新的要求。HastelloyX从20世纪60年代开始被用作燃气轮机的燃烧室材料，具有较好的抗氧化性能和抗高温蠕变性能，其成形和焊接性也较好，工作温度可达到980℃左右，GE、西门子、三菱重工等公司都使用过该材料。燃烧室随着燃烧温度的进一步提升，对燃烧室材料提出了更高的要求——在不降低抗氧化性和抗热腐蚀性能的前提下具有更好的抗蠕变性能。为此，GE公司的燃气轮机在过渡段选用了比Hastelloy抗蠕变性能更好的Nimonic263合金，随后又在一些机组中引入了Haynes188钴基合金以进一步提高抗蠕变性能，该合金中加入14%（质量百分数）的钨进行固溶强化，使合金具有良好的综合性能。GE公司在MS7001F和MS9001F火焰筒后段使用了Haynes188合金，在MS7001H和MS9001H机组中则采用了镍基铸造高温合金GTD-222以增强抗蠕变性能。此外，IN617合金、Haynes230合金也被用来制作燃烧室。Haynes230在Haynes188基础上降低钴含量、提高镍含量，并添加了2%的钼，其抗氧化性能有一定提高，同时也具有良好的焊接性能。燃烧室材料燃烧室F级燃气轮机燃烧室中火焰筒和过渡段在1400℃以上的高温下工作，表面必须用热障涂层进行保护。GE公司的燃气轮机在火焰筒和过渡段上均制备了0.4~0.6mm的热障涂层，结合层为MCrAlY，陶瓷层为氧化钇氧化锆，每25μm涂层厚度可降低温度4~9℃。西门子公司的E级、F级燃气轮机燃烧室为整体环形结构，由陶瓷隔热瓦和金属隔热瓦组成环形空腔以隔离高温燃气，其中金属隔热瓦上也喷涂了热障涂层，过渡段则采用了内表面喷涂热障涂层的IN617合金。主要燃烧室用材的持久强度对比Nimonic263、Haynes230和Haynes188的持久性能均优于HastelloyX合金。虽然Nimonic263合金在短时有较高的蠕变强度，但在长时间蠕变后性能下降比Haynes230和Haynes188合金快，Haynes230和Haynes188合金在高温低应力长时间下的持久强度则比较接近，均优于Nimonic263合金，但从Haynes230合金在980℃下1000h的抗氧化性能测试来看，其抗氧化性要优于Haynes188合金。涡轮轮盘GE公司9FB燃气轮机大型IN718涡轮轮盘（后）与航空发动机轮盘（前）对比涡轮轮盘轮缘长期工作在550~600℃，而轮盘中心工作温度则降至450℃以下。不同部位的温差造成了轮盘的径向热应力非常大。此外，轮盘外缘榫齿在燃气轮机起停过程中会承受较高的低周疲劳载荷作用。故涡轮轮盘的材料在使用温度下应具有更高的抗拉强度和屈服强度，能够承载高工作应力，具有非常好的抗冲击性能和耐蠕变性能，特别是变工况载荷下应具有良好的抗疲劳性能，而且短时超温不会对轮盘材料造成蠕变损伤。为此，除了合金钢和耐热钢，涡轮轮盘在选材上也应考虑选择具有良好综合性能的变形高温合金，如IN718和IN706合金。燃气轮机涡轮轮盘直径是航空发动机的3~6倍。在质量上，相对于几百千克的航空发动机轮盘，F级燃气轮机轮盘可达到10t以上，使得轮盘在制造上会遇到诸多问题。对于使用变形高温合金的大型涡轮轮盘，其制造的关键技术在于大尺寸无偏析钢锭冶炼技术和大尺寸轮盘锻造技术。涡轮轮盘对于大型高温合金钢锭，通常要求进行三联工艺冶炼，即真空感应（VIM）+电渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR），以尽可能提高合金的纯净度。此外，铸锭过程还需解决铌（Nb）元素偏析的问题。对于沉淀强化型变形高温合金，由于大量强化相的析出，锻造温度必须控制在γ相溶解温度以上，而且由于固溶强化元素增多，合金在固溶状态的变形抗力也较大，并且为防止晶粒粗化，锻造温度不能过分升高，其范围非常有限。GE公司早期的F级以下的燃气轮机，普遍选用CrMoV低合金钢做为轮盘材料。三菱重工、阿尔斯通及西门子公司为满足传统合金钢或耐热钢轮盘的使用要求，采用增强冷却技术对轮盘进行降温。阿尔斯通公司的轮盘材料选用了12CrNiMoV；西门子公司选用了22CrMoV和12CrNiMo；三菱重工公司的F3和F4燃气轮机涡轮进口温度分别达到1400℃和1427℃，但依然采用10325TG（NiCrMoV合金钢）作为涡轮第1~4级轮盘材料，这得益于该公司的空气冷却器（TCA）技术，并且其第1级涡轮轮盘进气侧有NiCr-Cr3C2涂层保护。随着F级燃气轮机压气机的压比和出气温度的提高，需要在更高温度下能够承载高应力的轮盘材料。镍基变形高温合金由于具有极佳的蠕变抗力，在高温下亦有较高的力学强度，作为轮盘材料被广泛应用于航空发动机和重型燃气轮机中，如A286、Discaloy、Rene41、Rene95、Udimet520、Udimet720、Waspaloy、IN706、IN718等。涡轮轮盘IN706和IN718合金在20世纪50年代左右开发成功后，一直作为航空发动机涡轮盘主选材料。GE公司在20世纪80年代末采用铌含量较低的IN706合金作为F级燃气轮机的涡轮轮盘材料，经过VIM+ESR+VAR三联工艺冶炼其钢锭直径可达到1000mm，轮盘锻件直径达到2200mm。由于IN718材料含5.0%~5.5%的铌，易于形成雀斑型偏析，受限于冶炼和铸锭技术，20世纪国际上公认其钢锭尺寸不能超过500mm。借鉴IN706的制造经验，在20世纪90年代中后期，GE公司开发出了2000mm级别的IN718轮盘锻件，其所用钢锭直径达到686mm，钢锭质量达到9t。GE公司在7/9FB、7H/9H燃气轮机中开始使用IN718轮盘，其中9FB燃气轮机使用的轮盘钢锭质量达到了15t以上，其直径超过了2000mm，是目前有报道的最大的IN718轮盘。涡轮轮盘材料结语燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一。涡轮叶片、燃烧室、涡轮轮盘——燃气轮机的三大核心热端部件的材料及成形技术难度高，涉及高温合金、陶瓷材料、冶金、铸造、锻造、焊接、热处理、机加工、无损检测、性能评价等多个学科和专业，周期长、投资大，须多单位协同合作，以早日突破热端部件研制关键技术，全面实现重型燃气轮机的国产化。谢谢大家敬请指正燃气轮机材料基础第一章工程材料概述

1.1工程材料的发展

1.2研究对象

1.3研究方法

1.4课程目的和内容

1.5参考书目

1.6学时安排及要求材料、能源和信息已经成为现代文明的三大支柱，而材料则是其中的物质基础。进入21世纪以来，信息、新材料、生物技术被视为21世纪新技术的主要标志。材料科学水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民经济水平及综合国力的重要标志。许多国家都把新材料的研究开发放在了优先发展的地位。材料科学与工程材料工程——技术范畴目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。

侧重于工艺与使用性能间关系。

材料科学——科学范畴包括材料本质的发现，分析和了解等方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料内在的组织、结构与性能之间的关系。

公元前10万年石器时代

公元前3000年青铜器时代

公元前1500年铁器时代

17世纪钢(铁)时代

公元前6000年(陶)瓷器时代新材料时代：信息材料、新能源材料，以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料材料发展是人类社会进步发展的标志最早的模铸件—一个铜制杖头4000BC金属铸造工艺---人们得到了他们需要的形状。3000BC青铜的使用-制造合金青铜：第一种合金1450BC铁的发现铁制车轮机身材料的变迁:

钢--铝合金--钛材料--各种复合材料材料的分类

主要按材料的性质分:金属材料

钢铁材料（铁基材料）:钢、铁有色（非铁）金属材料:Al、Mg、Cu、Ti及其合金无机非金属材料

包括陶瓷材料、水泥、玻璃、搪瓷等有机高分子化合物

基于Ｃ、Ｈ基础上具有大分子结构的有机化合物复合材料

多种材料的复合体。按使用性能分类结构材料和功能材料按结构分类

晶态、非晶态、准晶态材料按物理性质分类导电、绝缘、半导体、高温、高强度、磁性、超导、透光材料等。按用途分类电子、研磨、电工、光学、建筑、结构、感光、耐酸、包装材料等。1.1金属材料的发展

中国冶金发展史的我国冶金技术的发展，经历了漫长的岁月和曲折的道路，到中华人民共和国建立以前，大致可以分为以下四个发展时期：荣辱兴衰公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生（一）青铜冶铸业兴起→鼎盛时期（二）钢铁冶铸业兴起→发展→繁荣（三）冶金技术纵深发展（四）冶金技术衰落时期石器时代陶器时代公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（一）青铜冶铸业兴起→鼎盛时期

Cu的熔点1085℃

～公元前2100年

原始社会末期：开始使用简单铜器奴隶社会建立：兴起青铜冶铸技术商代和西周：青铜业达到鼎盛时期夏公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（二）钢铁冶铸业兴起→发展→繁荣

Fe的熔点1538℃

春秋末期(奴隶制崩溃、封建制产生):

─兴起钢铁冶炼技术春秋末期的生铁冶铸技术比世界各国要早一千九百多年

春秋战国时期：

─铁器的使用和冶金技术兴起、发展战国初期的生铁柔化处理技术比西方要早二千三百多年

秦汉至南北朝时期：

─中央集权的封建国家，使发展达到新的高峰，标志着炼铁技术史上的一个繁荣时期。具有中华民族特色的古代冶炼铁技术体系基本建立起来，并保持着世界领先的水平。公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（三）冶金技术纵深发展隋唐以后（隋唐五代宋元时期）：

冶金技术进入纵深发展时期有色金属及其合金的生产有很大的发展钢铁产量大幅度上升对科学技术进行系统整理

系统的科学技术著作（宋代沈括《梦溪笔谈》问世）材料种类有色黑色冶金方法火法水法系统整理科学技术公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（四）冶金技术衰落时期在欧洲，产业革命促进了冶金技术的巨大发展。由于我国古代冶金技术没有超出封建手工业的水平，我国冶金技术终于从明末以前的世界领先地位逐渐落后到西方资本主义近代冶金技术的后边。

1840年鸦片战争以后，民族冶金工业处于风雨飘摇之中。到全国解放前夕，我国的冶金工业已经处于奄奄一息的状态。公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生高技术新材料研究(863、973)

洁净钢超高强度超纯净钢超级性能现只用到理论强度的七分之一

元素

黑色金属

Fe,Cr,Mn

有色金属

Cu,Zn,Pb,Ni,Co,Sb(重)

Al,Mg(轻)

Au,Ag,Pt,Pd(贵)

Ti,Ta,Nb,W,Mo(稀)

非金属

C,Si,O,…

金属材料金属结构材料铁金属：碳钢、低合金钢、合金钢、高温合金、铸铁非铁金属：铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、锆合金金属间化合物：Ni3Al,Fe3Al,Ti3Al,Al3Ti,Al3Nb,Fe3Si金属基复合材料：基体─铝基,镁基,钛基,钢基,铜基增强体─碳纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，氮化硅金属功能材料磁性材料：Fe,Fe-Si,Fe-Ni(软),Sm-Co(硬),Fe-Al-Ni-Co(永),Nd-Fe-B(永)电性材料：Nb-Ti(超导合金),Nb3Ge(金属间化合物)弹性材料：高弹─Cu基，Fe基，Ni基，Co基恒弹─Fe-Ni,Co-Fe,Fe-Mn减振材料：铸铁，Fe-Cr-Al强磁性减振合金形状记忆合金：Ti-Ni,Cu-Zn,Cu-Al-Ni,Fe-Mn-Si储氢合金：Ti,LaNi5,ZrMn2341952.4:BIISI1988:→USTB35WhereAreMetalsinthisKindofFigures?36KLU,Science,16April,2010TheFutureofMetals金属材料特点金属有比高分子材料更高的强度、模量、耐热性；金属有比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；金属材料的发展历史是悠久的，进入19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，出现了前所未有的辉煌;金属材料工业属于夕阳工业的说法是不正确的。

钢铁仍将是21世纪中国结构材料的支柱

1.钢铁具有丰富的矿产资源

在世界发现的200种矿产中，铁矿石储藏量在1500亿t左右，其中中国约64.4亿t，即使按现在4%~8%年开采量增长率计算，世界铁矿石至少可开采到2050年；在有色金属中，铝土矿储藏量约300亿t，其他金属如铜、钛、钒、钴等总贮藏量不足30亿t。石油作为塑料等高分子材料的重要资源，全世界储量约1117.7亿t，其中中国约18.98亿t，如果考虑到其他行业的需求，其实际可利用资源是极其有限的。钢铁的另一资源优势，特别是和塑料、陶瓷相比，是其良好的循环再生能力，目前世界废钢回收率早已超过55%，随着电炉炼钢技术的不断进步和完善，将来几乎所有钢铁制品废弃物最终将返回钢厂再生。

2.钢铁生产能源消耗低钢铁生产具有较低能源消耗。矿石炼钢能耗仅为矿石炼铝的1/4，塑料的1/3，仅高于水泥；二次冶炼技术的进步，钢铁从传统的钢锭模铸技术逐渐被连铸连轧技术所代替，大大缩短了工艺流程，降低了能源消耗并节约成本；随着薄板坯近终形连铸连轧技术的日益成熟，钢铁的能耗和成本还会进一步降低。

3.钢铁可大批量生产在所有结构材料中，钢铁在品种、规格和产量方面具有无可比拟的优势。在产量上能与钢铁相比拟的仅有水泥和高分子材料。尽管钢铁生产受到如能源危机等的影响和来自其他材料的挑战，钢铁生产仍以年增长1%的速率递增，由于基数大，每年钢铁增长的绝对值非常可观。4.钢铁具有低廉的生产成本和销售价格丰富的矿产资源，先进的制造技术和大批量生产，使钢铁具有远较其他结构材料优越的成本和价格优势。钢铁矿石冶炼成本仅为相应铝的1/10。在世界钢铁市场上，钢铁价格远低于其他材料制品价格。新的钢铁生产技术的涌现和发展，将进一步降低钢铁生产成本，提高生产效率，钢铁的价格优势将更加显著。

5.钢铁是与环境相对友好的材料

目前，几乎所有原材料生产工业均是污染大户，相对而言，钢铁的环境协调性更好些。

1）钢铁及其副产品可以再生;2）钢铁废物排放量小，而且随着无焦炼铁法、直接还原铁法(DRI)等新工艺的应用，以及各种短流程生产工艺的优化，减少了能源消耗和各种与之相关的气体、固体、液体排放量，使钢铁生产与环境更为协调。

3）钢铁对环境友好，可以自然降解。钢铁在2000年的历史中对环境的影响远好于塑料在20年中对环境的污染。

6.钢铁具有优异的使用性能一个材料的使用性能，既包括力学、物理和化学性能，也包括安全性、耐用性、可靠性及便利性等，在这些方面钢铁远优于其他材料。钢铁具有远较陶瓷优越的塑性和韧性，又没有塑料难于弥补的低温脆化和高温软化缺点。

8.钢铁具有很大的市场需求

WhystillIronandSteelsevennowadays？

－ShareofMarketAnalysis44China'ssteeloutputisNo.1intheworldfor15yearssofar1996–2010:15yearsLIShijun,Xining,Aug.6,20119.对经济发展、社会进步仍有重大推动作用

尽管钢铁在最近一二十年来遇到来自先进材料的挑战，钢铁对经济发展和社会进步仍起着举足轻重的作用;举两例:汽车:面对日益严重的环境压力，钢铁在减轻汽车重量，降低油耗，减少废气排放，推动汽车产业进步方面的作用是无可替代的;火力发电是我国主要的供电方式，发电机组效率的提高依赖于蒸汽参数(压力、温度)的提高，而要提高蒸汽参数就需要高温强度高、性能可靠的耐热钢。10.钢铁已达到先进材料的要求

所谓“先进材料”一般公认具有3个特点:①综合利用现代的科学技术成就，多学科交叉，知识密集，投资量大；②往往在一定特定的条件下(如高温、真空、急冷、纯净等)才能生产；③难度大，更新换代快，技术保密性强。现代化的钢铁生产已经能完全满足“先进材料”的上述条件。电渣重熔、真空脱气、炉外精炼及控轧控冷技术的不断进步和完善，可以精确地控制钢材的化学成分、夹杂物含量及形状、晶粒尺寸及力学性能等。11.钢铁具有最完备的理论基础和知识体系化学冶金、物理冶金和力学冶金都是以钢铁为主体发展来的。到本世纪50年代，金属与陶瓷、高分子、电子和光学材料等汇合在一起，才形成材料科学和工程大学科。长期以来，钢铁曾是无数科学家的主要研究对象，有关钢的相变、塑变、相结构和合金理论是最为完整的。在钢铁生产、加工和应用等方面，也积累了大量的实践经验，有的已形成国家标准和规范，并且已走向国际化。所有这些都是人类共有的精神财富，也是支撑钢铁工业健康发展的理论基础。但这并不意味着钢铁已经没有什么可以研究的了，老学科仍然有很多新的生长点。

12.钢铁还有巨大的发展潜力

近来，晶界工程已成为降低成本获得优良性能结构材料的强有力手段，实验表明，利用晶界工程，一些超耐热不锈钢的腐蚀抗力几乎提高10倍，高温蠕变抗力提高15倍，疲劳抗力提高2倍；IF钢冷加工脆化抗力提高4倍；利用新的热机械加工方法及其他制造技术;利用加压融熔凝固技术或气体雾化与粉末冶金技术的结合，已开发出氮含量>1%的超极限含氮不锈钢，实现了高强度与高腐蚀抗力的结合;利用计算机技术可有效地进行钢材成分设计优化、组织性能预测、应力分布及变形估计，设计出性能优良的结构钢材。49K.Lu,Science328,319(2010)2.T.W.Eagar,WeldingJ.70(6),69(1991)2723.M.F.Ashby,MaterialsSelectioninMechanicalDesign,3rdedn.268(Elsevier,Amsterdam,2005)269

1.2研究对象

相互关系、变化规律？金属学是关于金属材料（金属和合金）的科学，它的中心内容是研究金属和合金的成分、结构、组织和性能，以及它们之间的相互关系和变化规律。成分、结构、组织性能从创造和应用金属材料开始性能基础知识成分相互联系金属学的加工处理变化规律基本内容质量检验改进工艺金属学的发展积累金属材料的

十九世纪后期显微镜的应用+

揭开金属材料内部的一些秘密物理化学分析方法形成现代金属学的新领域：金相学

二十世纪三十年代

X射线技术电子显微镜场离子显微镜电子探针由宏观到微观、直至原子组态、电子结构方面的秘密及其和性能方面的相互联系、变化规律都初步揭示出来，金属学更加趋于完善。金相学+物理化学+材料力学→金属学

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法相互关系、变化规律？成分、结构、组织性能分析成分、测定结构、观察组织测试性能金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）偏析气孔裂纹断口形式细微组织微裂纹纳米相（0.2μm）→2万倍→20万倍→100万倍（10Å～100Å）

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）（0.2μm）→2万倍→20万倍→100万倍（10Å～100Å）偏析气孔裂纹断口形式细微组织微裂纹纳米相结构是指原子集合体中各原子的具体组合状态。

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）（0.2μm）→2万倍→20万倍→100万倍（10Å～100Å）偏析气孔裂纹断口形式细微组织微裂纹纳米相结构是指原子集合体中各原子的具体组合状态。

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）偏析气孔裂纹断口形式细微组织微裂纹纳米相（0.2μm）→2万倍→20万倍→100万倍（10Å～100Å）

─电子探针微区X线能谱分析；化学成分分析

─X射线衍射方法测定晶体结构

力学、电学、热学、磁学、化学方法：各种有关性能工艺性能─适应实际生产工艺要求的能力：使用性能─适应或抵抗各种外界作用的能力：铸造，加工，热处理，焊接力学、化学、电学、磁学、耐高温、抗腐蚀热力学─研究合金系中相的形成和相平衡的条件及相变的方向、限度和驱动力动力学─研究金属和合金系中各种转变过程中的速度和机理电子

理论─使有关结构和性能方面的研究更加深化

1.4课程目的和内容

着重阐述工程材料的基本概念、基本理论及其应用。本课程主要包括三部分：1.材料科学基础篇2.热处理原理和工艺篇3.金属材料篇《工程材料学》第2版王浩等，冶金工业出版社《金属材料学》第3版强文江、吴承建，冶金工业出版社《工程材料的结构与性能》，DanielHenkel&AlanW.Pense编，清华大学出版社，2008年，第5版。《工程材料科学与设计》JSchaffer等编，（国内英文影印版），高等教育出版社，2003年，第2版。

1.5参考书目1.6学时安排及要求实验：金属材料成分、工艺、组织和性能一体化设计虚拟仿真实验（6学时）本课程总学时为32学时，其中理论教学26学时，实验教学6学时。闭卷考试。平时成绩（占比30%）组成：出勤、作业、实验报告。利用材料科学与工程学院实验中心的虚拟实验室燃气轮机材料基础第二章金属和合金的固态结构

第一节金属与合金第二节金属和合金的典型结构模型

第三节晶体学简介第四节金属和合金中原子间的结合第五节金属和合金的晶体结构类型第六节固溶体第七节结构缺陷第二章金属和合金的固态结构重点导航：

晶体学初步及晶体结构金属和合金的晶体结构类型金属和合金的典型结构模型晶体结构缺陷金属或合金显微组织晶体结构第一节金属与合金从金属到合金两种或多种元素组成以金属元素为主体冶炼熔合材料或物质具有一般金属的共同特性合金组元合金合金元素：凡是有益的、有意识地加入或存留在某一金属材料中的一定数量的元素。例如：黄铜中的Zn，不锈钢中的Cr、Ni、Ti，耐侯钢中的P等。杂质：无益的、偶而混入的或难于净除而存留下来的元素。

例如：钢中的O、S和P等。纯金属：基本上是由一种金属元素组成的材料或物质。

工业纯金属，工业生产和使用化学纯金属，科学研究、尖端技术、特殊生产领域第一节金属与合金从金属到合金两种或多种元素组成以金属元素为主体冶炼熔合材料或物质具有一般金属的共同特性合金组元合金各种命名方式：以主要组元命名：铜合金、铝合金、铁合金以组元合称命名：铜镍合金、铝铜合金、铁碳合金专门名称：钢、铸铁、硬铝、青铜、黄铜第二节金属和合金的典型结构模型

金属和合金的组织单元是晶粒，一个完整的理想晶粒，它内部的原子或分子是按严格的、规则的几何图案相互结合起来的。七大晶系，十四种空间点阵??第二节金属和合金的典型结构模型

金属和合金的组织单元是晶粒，一个完整的理想晶粒，它内部的原子或分子是按严格的、规则的几何图案相互结合起来的。七大晶系，十四种空间点阵一、纯金属的典型结构模型金属原子刚性球体，以的形式堆砌最密集原子面：每个球周围都有六个球与其相切。次密集原子面：每个球周围都有四个球与其相切。三个密集方向二个密集方向第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型原子堆积模型晶胞模型密集六方结构原子密排面1.面心立方和密集六方面心立方，FCC─facecentredcubic

密集六方，HCP─hexagonalclose-packed面心立方结构第二节金属和合金的典型结构模型原子堆积模型晶胞模型密集六方结构原子密排面1.面心立方和密集六方面心立方，FCC─facecentredcubic

密集六方，HCP─hexagonalclose-packed面心立方结构第二节金属和合金的典型结构模型密集面面心立方，以立方体的体对角线为法线的原子面密集六方，六棱柱的底面或顶面配位数面心立方密集六方12个，其中同一层中6个近邻原子，上下层中各有3个近邻原子致密度原子占总体积74％空隙占总体积26％ra2a2=(4r)2a2=8r2

立方体体积立方体中原子的个数：顶角每个原子占1/8×8

（4）面心每个原子占1/2×6立方体中原子的总体积：原子占总体积：第二节金属和合金的典型结构模型每三个原子之间有一个处于三角中心的间隙─三角间隙每四个原子之间有一个处于四面体中心的间隙─四面体间隙每六个原子之间有一个处于八面体中心的间隙─八面体间隙密集六方结构阵点位置/八面体间隙位置=1/1(1/3,2/3,3/4)第二节金属和合金的典型结构模型每三个原子之间有一个处于三角中心的间隙─三角间隙每四个原子之间有一个处于四面体中心的间隙─四面体间隙每六个原子之间有一个处于八面体中心的间隙─八面体间隙密集六方结构阵点位置/四面体间隙位置=1/2(2/3,1/3,7/8)第二节金属和合金的典型结构模型每三个原子之间有一个处于三角中心的间隙─三角间隙每四个原子之间有一个处于四面体中心的间隙─四面体间隙每六个原子之间有一个处于八面体中心的间隙─八面体间隙面心立方结构阵点位置/八面体间隙位置=1/1(1/2,1/2,1/2)第二节金属和合金的典型结构模型面心立方结构若干四面体间隙位置第二节金属和合金的典型结构模型每三个原子之间有一个处于三角中心的间隙─三角间隙每四个原子之间有一个处于四面体中心的间隙─四面体间隙每六个原子之间有一个处于八面体中心的间隙─八面体间隙面心立方结构阵点位置/四面体间隙位置=1/2(1/4,1/4,1/4)第二节金属和合金的典型结构模型每三个原子之间有一个处于三角中心的间隙─三角间隙每四个原子之间有一个处于四面体中心的间隙─四面体间隙每六个原子之间有一个处于八面体中心的间隙─八面体间隙面心立方结构阵点位置/四面体间隙位置=1/2(1/4,1/4,1/4)第二节金属和合金的典型结构模型面心立方结构金属：铜、金、铝、铅、镍、锰、铂、铱、银、钍、铑、钯、……Cu-Ni代位固溶体

铜型晶格密排六方结构金属：锇、镁、锌、钴、钛、锆、铍、镉、……Mg-Zn代位固溶体

锇型晶格第二节金属和合金的典型结构模型2.体心立方结构体心立方，BCC─bodycentredcubic

原子次密集堆积形式：次密集面A-B-A-B堆积

一个密集方向遭到破坏第二节金属和合金的典型结构模型次密排面：两条体对角线构成的晶面=两面对角线构成的晶面配位数：体心原子与立方体的八个顶角为紧邻（最近邻）（8+6）与六个面外的体心原子均为近邻（次近邻）致密度：原子占总体积的68％，空隙占32％八面体间隙的位置：梭边的中心和各面的面心体心立方结构第二节金属和合金的典型结构模型次密排面：两条体对角线构成的晶面=两面对角线构成的晶面配位数：体心原子与立方体的八个顶角为紧邻（最近邻）（8+6）与六个面外的体心原子均为近邻（次近邻）致密度：原子占总体积的68％，空隙占32％四面体间隙的位置：各面上对边中心连线的1/4处体心立方结构第二节金属和合金的典型结构模型面心立方结构金属：铜、金、铝、铅、镍、锰、铂、铱、银、钍、铑、钯、……Cu-Zn代位固溶体

铜型晶格密排六方结构金属：锇、镁、锌、钴、钛、锆、铍、镉

Mg-Zn代位固溶体

锇型晶格体心立方结构金属：铁、铬、钼、钨、钒、钽、锂、钾、……

α-Fe型晶格第二节金属和合金的典型结构模型第二节金属和合金的典型结构模型二、合金中的典型结构由两种或多种元素组成、以金属元素为主体、大多通过冶炼或熔合而成、并在宏观上具有一般金属元素所具有的共同特征，这一类材料或物质通称为合金。合金纯金属+异类原子怎样进入主组元中

代位固溶体结构有序固溶体结构间隙固溶体结构金属间化合物类型？第二节金属和合金的典型结构模型1.代位固溶体结构主组元的一部分原子被其它组元的原子所取代，保留主组元的结构类型。异类原子按任意比例统计式地分布在各类结构中的各相应晶面上，并处于主组元相似的正常位置上。Cu-Ni为FCC结构；Fe-Cr为BCC结构；Mg-Zn为HCP结构一定范围内（有限互溶）或是所有成分范围内（无限互溶）第二节金属和合金的典型结构模型异类原子不是统计式的分布，而是按一定顺序分布。某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定的原子比（例如AB，AB2等），在低于一定的临界温度Tc时，可以转化为长程有序固溶体（或称超结构）。2.有序固溶体结构第二节金属和合金的典型结构模型异类原子分布在主组元原子间的空隙中。例如：Fe形成体心立方或面心立方结构，

C分布在八面体间隙中。3.间隙固溶体结构第二节金属和合金的典型结构模型各组元原子按一定比例和一定顺序、共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构。例如：Cu、Ni、Al─FCC，Zn─HCPCuZn和NiAl─BCCZn、Al占体心位置，Cu、Ni占顶角位置。4.金属间化合物类型燃气轮机材料基础第二章金属和合金的固态结构

第一节金属与合金第二节金属和合金的典型结构模型

第三节晶体学简介第四节金属和合金中原子间的结合第五节金属和合金的晶体结构类型第六节固溶体第七节结构缺陷第三节晶体学简介不同的晶体（原子或分子堆垛）可能抽象出相同的空间点阵。一、空间点阵和单胞直线上─晶向晶体中原子或分子堆积呈规律性平面上─晶面空间中─晶体点阵晶体是由结构基元在空间呈规则的三维周期排列而形成的。若把每个基元抽象为一个点，这些点具有完全相同的几何环境和物理环境，称为等同点。由构成晶体的结构基元抽象出来的等同点在三维空间中的周期排列称为空间点阵。空间点阵中的各个点又叫做阵点。第三节晶体学简介一、空间点阵和单胞

第三节晶体学简介AllM.C.Escherworks(c)CordonArt-Baarn-theNetherlands.

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Allrightsreserved.第三节晶体学简介第三节晶体学简介第三节晶体学简介不同的晶面上阵点的排列密度不同，晶面间距也不同。晶向：点阵空间中任意两个阵点的连线（及其延长线）构成点阵直线，点阵直线方向在非严格意义上又称为晶向。晶面：点阵空间中由阵点组成的平面为点阵平面，在非严格意义上又称为晶面。排列周期：点阵直线上相邻两点间的距离。第三节晶体学简介单胞（基胞）和简单单胞在空间点阵中选取的一个能够反映其特点的最小构筑单元（点阵的基元）称之为单胞或基胞。一般以最近邻的八个阵点为顶点能够构成一个体积最小、对称性最高的平行六面休。单胞（单位平行六面体）符合三个条件：①单位平行六面体必须能充分反映空间点阵固有的对称性；②棱长和棱角夹角都应尽量相等，三条棱尽量相互垂直；③体积应为最小。第三节晶体学简介单胞（基胞）和简单单胞在空间点阵中选取的一个能够反映其特点的最小构筑单元（点阵的基元）称之为单胞或基胞。一般以最近邻的八个阵点为顶点能够构成一个体积最小、对称性最高的平行六面休。单胞（单位平行六面体）符合三个条件：①单位平行六面体必须能充分反映空间点阵固有的对称性；②棱长和棱角夹角都应尽量相等，三条棱尽量相互垂直；③体积应为最小。如果一个单胞平均只含一个阵点，这种单胞叫做简单单胞。第三节晶体学简介二、晶系与布喇菲点阵晶系是以空间点阵类型来划分的。千百种晶体七种晶系、十四种平移点阵（布喇菲点阵）

单胞的特征参数相区别

点阵参数单胞各边的长度a、b、c各晶轴之间的夹角α、β、γ三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90º单斜晶系a≠b≠c，α=β=90º

≠γ正交晶系

a≠b≠c，α=β=γ=90°六方晶系a=b≠c，α=β=90°

γ=120º

菱方(三角)晶系

a=b=c，α=β=γ≠90º正方(四方)晶系

a=b≠c，α=β=γ=90º立方晶系

a=b=c，α=β=γ=90º第三节晶体学简介①三斜晶系(TriclinicSystem)a≠b≠c，α≠β≠γ≠90º②单斜晶系(MonoclinicSystem)a≠b≠c，α=β=90º≠γ③正交晶系(OrthogonalSystem)a≠b≠c，α=β=γ=90°④正方(四方)晶系(TetragonalSystem)a=b≠c，α=β=γ=90º⑤立方晶系(CubicSystem)a=b=c，α=β=γ=90º⑥六方晶系(HexagonalSystem)a=b≠c，α=β=90°

γ=120º

⑦菱方(三角)晶系(RhombohedralSystem)a=b=c，α=β=γ≠90º第三节晶体学简介三、复合单胞、平移点阵、复合点阵简单单胞单胞的顶角有阵点(0,0,0)简单点阵面心化面心正交、面心立方体心化体心正交、体心正方、体心立方底心化底心单斜、底心正交

面心(½,½,o)(½,o,½)(o,½,½)

复合单胞顶角(0,0,0)+体心(½,½,½)复合点阵

底心(½,½,o)平移扩展

14种平移点阵（布喇菲点阵）平移扩展平移点阵布喇菲点阵第三节晶体学简介摘自余永宁《金属学原理》第三节晶体学简介摘自余永宁《金属学原理》第三节晶体学简介正方系

a=b≠c

α=β=γ=90°底心化后，可以简化成更小的简单单胞体心化后，如果简化成更小的简单单胞，则破坏原来的对称性。面心化后，可以简化成更小的体心正方摘自余永宁《金属学原理》第三节晶体学简介物质千千万万种→晶体结构→点阵类型（晶形）14种→晶系7类四、点阵与晶体结构空间点阵单胞（简单单胞+复合单胞）

安置具体物质的

晶体点阵晶胞原子分子离子原子团点阵参数变化阵点上，不同

a,b,c,α,β,γ原子、分子、离子、原子团空间点阵是晶体结构基元的几何抽象点阵+结构基元=晶体结构描述晶体内部结构基元（等同点）排列的规律性（14种）表示具体物质的理想晶体结构（许许多多种）第三节晶体学简介四、点阵与晶体结构空间点阵是晶体中质点排列的几何抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型（布拉菲点阵，晶体结构形式，晶形）。晶体点阵是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。第三节晶体学简介五、晶面和晶向指数晶体学指数晶面指数—密勒（Miller)指数平面方程式：

A、B、C为平面在x、y、z坐标轴上的截距确定唯一平面;

若按比例变化，则代表一组平行平面，对应于周期重复的一组晶面。①以点阵常数a、b、c为各轴的度量单位；②将按比例化为简单整数比h:k:l，符号(hkl)表示等同晶面组。晶面指数晶向指数晶面：点阵空间中由阵点组成的平面为点阵平面，在非严格意义上又称为晶面。第三节晶体学简介求取晶面指数的一般步骤：①选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；②从要确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出截距A、B、C的值。均为整数；③取各截距的倒数1/A、1/B、1/C，并按比例化为简单整数比h:k:l，并写进圆括号内（hkl)，即为晶面指数或称密勒指数。当某晶面与晶轴平行时，截距为∞，指数为0；截距为负值时，指数上边加以负号，如（112）、（132）；各指数同乘以-1，晶面组不变。第三节晶体学简介晶体中的等同晶面:

晶体中原子或分子排列相同的晶面组成一个晶面族或晶面系。（111）如：立方系的（111）（111）

111

（111）第三节晶体学简介晶向：点阵空间中任意两个阵点的连线（及其延长线）构成点阵直线，点阵直线方向在非严格意义上又称为晶向。2.晶向指数求取晶向指数的一般步骤：①选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；②通过坐标原点作一条与所求晶向平行的另一晶向；③求这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标轴上的分量（即求出任一质点的坐标数）；④按比例化为简单整数比u、v、w，并写进方括号内[uvw]，即为所求晶向的指数。第三节晶体学简介晶体中的等同晶向：晶体中线周期等同的晶向构成晶向族，用<uvw>表示。

[111]

如立方晶系[111][111]

构成<111>晶向族

[111]晶带和晶带轴：晶体中一系列晶面可相交于一条直线或几条相平行的直线，这些晶面合称一个晶带；这些直线所代表的晶向称为晶带轴。晶带轴[uvw]与其所属晶面{hkl}之间各指数满足方程式(晶带方程）hu+kv+lw=03.六方晶系的晶面指数和晶向指数六方系的单胞不能反映点阵的对称性，通常把三个单胞拼成一个六面柱体（它不是真正的单胞）来讨论问题。在六方晶系中采用密勒指数（三轴坐标）的不便之处：同一晶面族或晶向族不易判别、无规可寻。(hkl)[UVW]密勒指数（三轴坐标）

(hkil)[uvtw]密勒-布喇菲指数（四轴坐标）

a3=-(a1+a2)

i=-(h+k)

t=-(u+v)

第三节晶体学简介第三节晶体学简介对于晶面指数，可以证明：i=-(h+k)111—=—+—

ODOAOBODOA

——=—————sin(a)sin(60+β)

ODOB

——=—————sin(β)sin(60+a)

α+β+120°=180°sin(a)+sin(β)sin(60+β)sin(60+a)——————=—————+—————ODOAOB

sin(a)+sin(60-a)sin(120-a)sin(60+a)———————=—————+—————ODOAOB对于晶向指数，需附加约束条件：t=-(u+v)，否则指数不唯一。三轴指数[UVW]和四轴指数[uvtw]：

OP=a1U+a2V+cWOP=a1u+a2v+a3t+cw因为t=-(u+v)和a3=-(a1+a2)，所以有：a1U+a2V+cW=a1u+a2v+(a1+a2)(u+v)+cwU=2u+vu=1/3(2U-V)V=u+2vv=1/3(2V-U)W=wt=-(u+v)W=w第三节晶体学简介燃气轮机材料基础第二章金属和合金的固态结构

第一节金属与合金第二节金属和合金的典型结构模型第三节晶体学简介

第四节金属和合金中原子间的结合第五节金属和合金的晶体结构类型第六节固溶体第七节结构缺陷第四节金属和合金中原子间的结合

正电性元素━易于丢失电子，如：金属负电性元素━易于取得电子，如：非金属一、原子结合键的类型

1.离子键：正电性元素+负电性元素

2.共价键：得失电子机会近似饱和性、方向性

3.金属键：公有化自由电子的静电作用结合进来电子云、电子气

4.极化键或范得华（VanDerWaals）键不易得失电子的中性原子或分子，内部电子发生不均匀重新分布。一端呈正电荷，另一端呈负电荷

极化键

5.氢键：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子(F、N)相结合而产生的键，其键力要比范德华力大。饱和性、方向性第四节金属和合金中原子间的结合二、结合力与结合能

d0

原子的平衡位置

<d0

净斥力

>d0

净引力

EAB

原子间的结合能或键能原子间的能阱或势阱开放型金属：

d0点附近较平缓、势阱小原子间作用力弱、结合能小、原子易压缩、刚度小、热膨胀大封闭型金属：

d0点附近较陡峭、势阱大原子间作用力强、结合能大、原子不易压缩、刚度大、热膨胀小原子间的最大