电厂高温金属材料-2013..ppt

1、电厂高温材料,总 复 习,本章主要内容,金属的晶体结构,金属的实际结构和晶体缺陷,金属的结晶与铸锭,第一章 金属材料的基础知识,本章重点： 1、分析材料应力应变曲线 2、三种典型金属晶格及其特性； 3、金属的实际结构与晶格缺陷的种类；,表征材料性能的参数,一、区分弹性极限、屈服强度、抗拉强度 二、认识强度、塑性、硬度及韧性，分析其相互对应关系 三、分析应力-应变曲线,第一节 金属材料的性能,图12 低碳钢拉伸曲线,(F),b,k,s,e,b,s,e,一、 纯金属的晶体结构 晶体：原子呈三维周期性规则排列的固体。 晶格：表示原子排列规律的空间格架。,第二节 金属的晶体结构,（1）体心立方晶格BC

2、C （2）面心立方晶格FCC （3）密排六方晶格HCP,二、 三种常见的金属晶格,一 、多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. 晶界：晶粒之间的交界面。,多晶体示意图,第三节 金属的实际结构和晶体缺陷,二、晶体缺陷晶格不完整的部位 1、 点缺陷 空位：晶格中的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子。,点缺陷对性能的影响： 点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲（称为晶格畸变），从而引起性能变化，使金属强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,2、线缺陷位错 晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生

3、局部滑移, 滑移面上滑移区与未滑移区的交接线.,位错对性能的影响： 金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,晶界: 晶粒与晶粒之间的交界面,3、 面缺陷晶界和亚晶界,亚晶界：亚晶粒之间的交界面。 亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。,金属的塑性变形与再结晶,教学目的：掌握金属塑性变形(主要是滑移变形)的特点，塑性变形对金属组织与性能的影响(特别是加工硬化)以及回复与再结晶规律。 本章重点：1、金属塑性变形及其特点； 2、塑性变形对金属组织与性能的影响；,金属

4、的塑性变形,单晶体金属的塑性变形,多晶体金属的塑性变形,塑性变形对金属组织和性能的影响,塑性变形对金属组织结构的影响,塑性变形对金属性能的影响,第三节 金属的塑性变形与再结晶,回复与再结晶,金属塑性变形方式：滑移 滑移的特点： 只能在切应力的作用下发生； 沿密排面和密排方向发生； 位移量是原子间距整数倍； 伴随着转动 滑移的机理：通过位错运动实现。,一、单晶体金属的塑性变形,一 金属的塑性变形,晶粒越细，晶界总面积越大，对位错的阻碍作用越大；同时晶粒越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。 晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较

5、大塑性变 强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好.,晶粒大小对金属力学性能的影响(重点）,二、多晶体金属的塑性变形,二 塑性变形对金属组织和性能的影响,一、 塑性变形对金属组织结构的影响,二、塑性变形对金属性能的影响,1 、形成纤维组织，出现各向异性,2 、产生织构，出现各向异性,3、 晶粒破碎,1 、位错密度增加，产生加工硬化,2、残余内应力,加工硬化,金属发生冷塑性变形后，随塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化(work hardening)。,加工硬化原因 （1）塑性变形 位错密度增加，相互缠结，运动阻力加大 变形抗力,（2）塑性变形量 晶

6、粒变形、破碎，形成亚晶粒，亚晶界阻止位错运动 强度和硬度,再结晶条件：冷塑性变形 加热时的变化：回复再结晶晶粒长大 再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.再 结晶不是相变过程。 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。 纯金属的最低再结晶温度T再0.4T熔 金属的冷加工与热加工以再结晶温度为分界,三 回复与再结晶,第四节 合金的结构与相图,学习要求 ： 掌握固溶体和化合物两种基本相结构及性能特点。 2. 了解相图的基本概念及相图建立的一般方法。 3. 掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图 四种基本相图；,合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的 物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合

7、金。 相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他 部分有界面分开的均匀组成部分。,固态合金中的相结构,组织 是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。, 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。,1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相. 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。,2、 金属化合物 与组成元素晶体结构均不相同的固相. 分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。, 基体、晶界网状：强韧性低 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 颗粒状： 弥散强

8、化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。,3、 金属化合物形态对性能的影响,常见三相等温水平线上的反应,两相的相对重量百分比为：,在两相区中，确定两相的相对重量,杠杆定律： 在两相区中，过成分温度对应点作一水平线为杠杆与相区边界相交两点为杠杆的两端点，合金成分为杠杆支点，两相的相对量按力学杠杆定律求得。,L,运用杠杆定律时要切实注意：,(1)只适用于平衡状态； (2)只适用于两相区； (3)杠杆的总长度为两平衡相的成分点之间的距离，杠杆的支点一般为合金成分点，杠杆的位置由所处的温度决定； (4)当用杠杆定律计算组织组成物的相对重量时，必须依据该合金

9、的平衡结晶过程分析，找出与组织组成物相对应的两相区，使组织组成物与相应的相相对应，才能进而应用杠杆定律来近似计算组织组成物的相对百分含量。,第二章 铁碳合金 (Iron-carbon Alloy),本章重点： 1、Fe-Fe3C相图及典型铁碳合金结晶规律 2、用杠杆定律计算组织、相相对含量 3、能正确分析铁碳合金力学性能的变化；,教学目的： 掌握Fe-Fe3C相图及典型铁碳合金结晶规律; 掌握用杠杆定律计算组织、相相对含量的方法; 能正确分析含碳量对力学性能的影响； 了解杂质对碳钢性能的影响。,本章难点: 用杠杆定律计算组织、相相对含量,一、铁碳合金中的基本相和组织,1、铁素体 C 在 -Fe

10、 中形成的间隙固溶体，具有体心立方晶格结构，用符号 F 表示,强度、硬度低，塑性好。,硬度、强度较低；塑性较高,2、奥氏体 C 在 -Fe 中形成的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构， 用符号 A 表示,3、渗碳体 Fe 与C 形成的间隙化合物Fe3C, 含碳量为6.69% ，有固定的化学成分。,渗碳体对合金性能的影响： （1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。 （2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关： 以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。,钢中的渗碳体,4、两相机械混合物,珠光

11、体 P（Pearlite）,强度、硬度及塑性适中。,（F+ Fe3C）层片状机械混合物,片状P :F 和 Fe3C 呈片状相间分布 粒状P: Fe3C呈粒状分布在F 基体上,含碳量为：0.77%,珠光体,莱氏体,莱氏体 （Ledeburite）or Ld,727以上：（A+ Fe3C ）机械混合物,727下：（P+ Fe3C ）机械混合物,性能：硬而脆,奥氏体呈颗粒状或块状分布在渗碳体的基体上,含碳量为：4.3%,铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+ Fe3C,A+F,L+A,A+ ,L+ ,F,A,L,L+ Fe3C,F+ Fe3C

12、,A+ Fe3C,A+ Fe3C+Le,Le,Le+ Fe3C,Le+ Fe3C,Le,P+ Fe3C+Le,P+ Fe3C,P+F,P,F+ Fe3C,莱氏体Ld(A+ Fe3C) Ld(P+Fe3C),珠光体P(F+ Fe3C),复相组织组成物：,组织组成物标注,相区标注,线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,C%,温度,杠杆定律的应用,含碳量对力学性能的影响（重点）,亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 0.9%C，Fe3C在晶界连接成网状，割裂基体。强度下降, 但硬度仍上升。,碳钢,碳钢

13、: 五大组成元素: 碳、硅、锰、硫、磷 牌号： 优质碳素结构钢：两位数字（代表含碳量的万分之几） 例：45钢，代表含碳量为0.45% 优质碳素工具钢：T+数字（代表含碳量的千分之几）例：T8钢，含碳量0.8%,教学目的： 掌握钢的热处理原理及常用热处理工艺； 了解钢的淬透性及其对零件机械性能的影响； 本章重点： 1、钢加热和冷却时的组织转变； 2、C曲线的建立与应用； 3、钢的退火、正火、淬火、回火 4、钢的淬透性 本章难点：钢冷却时的组织转变， 各种热处理工艺的原则和应用,第三章 钢的热处理,1、加热时的转变 奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。 奥氏体化后的晶粒

14、度： 初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。 实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。 本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。,一、热处理原理,2、冷却时的转变, 等温转变曲线及产物,650,600,550,350,P,S,T,B上,B下,M,M+A,AP,AS,AT,AB上,AB下,AM,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A,共析钢的连续冷却转变曲线,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,二、 热处理工艺,热处理工艺（续）,热处理工序位置,1.预先热处理的工序位置,退火、正火：毛坯生产之后，切削加工之前 调质：粗加工之后，精加工或半精加工之前 目的：调整硬度，改善切削加工性能，消除毛坯内应力，细化

15、晶力，均匀组织，为最终热处理做好组织准备。,调质：粗加工（半精加工）之后，磨削之前 调质件热处理工艺路线： 下料锻造正火（退火）粗加工（半精加工）调质精加工 表面淬火件热处理工艺路线： 下料锻造正火粗加工（调质） 精加工表面淬火及回火精磨,2.最终热处理的工序位置,下料锻造正火或退火或调质粗加工、半精加工渗碳淬火、低温回火磨削,渗氮件热处理工艺路线： 下料锻造正火（退火）粗加工调质精加工去应力退火粗磨渗氮精磨或研磨,渗碳件热处理工艺路线：,钢的淬透性,所谓钢的淬透性是指: 钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力（获得马氏体层厚度的能力）。 淬透层深度： 从表层马氏体到 半马氏体（50%马氏 体）

16、处的深度。 获得马氏体层的厚度越大，即淬透层深度越大，钢的淬透性越好。 区分：淬硬性,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,要求：掌握不同合金钢的牌号的意义。 记住几种典型合金钢的特征。 根据不同合金钢的组织、性能特点，进行合理选材。,第四章 合金钢,第五章 耐热钢,1、耐热钢的含义 2、耐热钢在热电厂中的应用 3、耐热钢的高温性能 蠕变强度、持久强度、应力松弛 4、钢腐蚀的原理 5、钢在高温下的组织变化,在高温下具有高的热稳定性和热强性的特殊钢称之为耐热钢。 为什么火电厂中很多零件需耐热钢制造? 在高温、高压及腐蚀介质中长期工作。,高温力学性能指标有： 蠕变强度：材料在高温长期载荷下对缓慢 塑性变形（即蠕变）的抗力； 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的 抗力； 应力松弛：零件在高温和应力作用下，如果总的变形量不变，应力值却在缓慢降低,耐热钢（性能指标）,耐热钢的组织稳定性,钢在高温下长期工作时的组织变化: 一、碳化物的球化 二、石墨化 三、固溶体中合金元素的贫化,耐热钢中的合金元素及其作用,钢材的耐热性能主要通过合金化来达到。 一、强