金屬材料學(xué)基礎(chǔ)理論

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金屬材料學(xué)基礎(chǔ)理論

目錄

1金屬的基礎(chǔ)知識(shí)..............................................................3

2鋼鐵的基礎(chǔ)知識(shí)..............................................................3

3金屬材料的性能..............................................................5

3.1工藝性能...............................................................5

3.2力學(xué)性能...............................................................8

3.3高溫性能..............................................................11

4金屬材料的微觀理論知識(shí)......................................................14

4.1金屬鍵及其性質(zhì)........................................................14

4.2晶體結(jié)構(gòu)..............................................................14

4.3晶面、晶向與晶格致密度...............................................15

4.4單晶體與多晶體........................................................15

4.5晶體的缺陷............................................................16

4.6純金屬的結(jié)晶..........................................................17

4.7固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變...............................................18

4.8金屬的塑性變形與再結(jié)晶...............................................19

4.9冷加工與熱加工的區(qū)別.................................................21

5相圖........................................................................21

5.1合金相圖..............................................................21

5.2鐵碳合金相圖..........................................................22

5.3相變過(guò)程及概念........................................................23

5.4典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析.............................................24

5.4.1鐵碳合金分類(lèi)......................................................24

5.4.2典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析.........................................24

5.5鐵碳合金相圖的應(yīng)用...................................................26

5.5.1含碳量對(duì)鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律........................26

5.5.2鐵碳相圖的應(yīng)用....................................................27

6鋼的熱處理.................................................................29

7元素對(duì)鋼的性能影響.........................................................37

8金屬材料牌號(hào)的表示方法及電站常見(jiàn)鋼號(hào)......................................41

9電站鍋爐鋼材選用原則.......................................................47

9.1耐熱鋼的分類(lèi)與設(shè)計(jì)...................................................47

9.2常用耐熱鋼選用原則...................................................48

9.3電站鍋爐常見(jiàn)鋼種.....................................................48

10無(wú)損檢測(cè)...................................................................51

11金屬焊接...................................................................56

12金屬?lài)娡考夹g(shù)...............................................................76

1金屬的基礎(chǔ)知識(shí)

化學(xué)周期表中現(xiàn)有108種元素，按照元素的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大體可分為金屬、非金屬

和準(zhǔn)金屬三大類(lèi)。

金屬的種類(lèi)繁多，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的金屬有86種。按照冶金工業(yè)方法分為黑色金屬和有色金

屬兩大類(lèi)，黑色金屬包括鐵、鎰、格三種金屬及它們的合金，其他金屬統(tǒng)稱(chēng)為有色金屬。按

照密度大小分為輕金屬和重金屬，密度小于4500千克/立方米的為輕金屬，如鋁、鎂、鉀、

鈉、鈣、錮、根等，密度大于4500千克/立方米，如銅、銀、鉆、鉛、鋅、錫、睇、鈕、鎘、

汞等。按照價(jià)格成本可分為一般金屬和貴金屬。按照地殼豐度大小可分為常見(jiàn)金屬和稀有金

屬。

金屬是一種具有光澤（即對(duì)可見(jiàn)光強(qiáng)烈反射）、富有延展性、容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)的

物質(zhì)。在自然界中，絕大多數(shù)金屬以化合態(tài)存在，少數(shù)金屬例如金、鉗、銀、鈕以游離態(tài)存

在。

金屬之最：地殼中含量最高的金屬元素——鋁；目前世界年產(chǎn)量最高的金屬一一鐵；人

體中含量最高的金屬元素一一鈣；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好的金屬一一銀；硬度最大的金屬一一銘；

硬度最?。ㄗ钴洠┑慕饘僖灰惠猓蝗埸c(diǎn)最高的金屬一一鋁；熔點(diǎn)最低的金屬一一汞；密度最大

的金屬一一鉞：密度最小的金屬一一鋰；延展性最好的金屬一一金、的；海水中儲(chǔ)量最大的

放射性元素一一鈾。

2鋼鐵的基礎(chǔ)知識(shí)

2.1鋼鐵的優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)入青銅時(shí)代以來(lái)，人類(lèi)與金屬材料及其制品的關(guān)系日益密切，可以說(shuō)沒(méi)有金屬材料就

沒(méi)有人類(lèi)的物質(zhì)文明。在人類(lèi)使用的所有金屬材料中，鐵是使用量最大、使用范圍最廣泛的

基礎(chǔ)材料。其主要原因是：

I.鐵是一種化學(xué)元素，它是地球中較多的元素之一，約占35%,且大多以巨大的鐵礦

床存在于自然界中；

2.鐵礦石的冶煉和加工與其他金屬的生產(chǎn)相比，具有生產(chǎn)規(guī)模大、效率高、質(zhì)量好、

成本低等顯著的優(yōu)勢(shì)；

3.鋼鐵具有良好的物理、機(jī)械和工藝性能;

4.將銀、銘、鈔L、鎰等金屬作為合金元素加入鐵中，可獲得具有各種性能的金屬材料：

5.鋼鐵通過(guò)熱處理能調(diào)整其機(jī)械性能，可以滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需要；

6.鋼鐵具有良好的可回收性。

2.2鋼鐵的基本概念

合金：由兩種或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

鋼鐵產(chǎn)品：以鐵元素（Fe）為基礎(chǔ)組成成分的金屬產(chǎn)品的統(tǒng)稱(chēng)，II常形態(tài)包括鐵、粗鋼、

鋼材、鐵合金等。

生鐵：一般指含碳量在大于2%的鐵碳合金，按用途分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵，按化學(xué)

成分分為普通生鐵和特種生鐵。含碳量在2.5%-3.5%之間的稱(chēng)為鑄鐵，按斷口顏色分為灰口

鑄鐵、白口鑄鐵和麻口鑄鐵。

熟鐵：?般指含碳量小于0.2%的鐵碳合金，含碳量小于0.04%的鐵碳合金叫工業(yè)純鐵。

熟鐵軟，塑性好，容易變形，強(qiáng)度和硬度均較低。

鋼：以鐵為主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的合金材料。（在鋁鋼

中含碳量可能大于2%,但含碳量2%通常是鋼和鑄鐵的分界線(xiàn)。）

2.3鋼鐵的分類(lèi)

2.3.1按冶煉方法分為：手爐鋼、電爐鋼和轉(zhuǎn)爐鋼。電爐鋼又分為電弧爐、感應(yīng)爐、真空

感應(yīng)爐、電渣爐。

2.3.2按脫氧程度分為：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。

2.3.3按用途分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼和專(zhuān)業(yè)用鋼。

2.3.4按金相組織分為：（1）按平衡狀態(tài)和退火組織區(qū)分，亞共析鋼、共析鋼、過(guò)共析鋼

和萊氏體鋼。（2）按正火組織區(qū)分，珠光體剛、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼。（3）按加

熱時(shí)有無(wú)相變和室溫時(shí)的金相組織區(qū)分，鐵素體鋼、奧氏體鋼、馬氏體鋼、雙相鋼。

2.3.5按化學(xué)成分分為：（1）碳素鋼。簡(jiǎn)稱(chēng)碳鋼，除鐵、碳外主要含有少量Si、Mn、S、P

雜質(zhì)，總含量不超過(guò)2%,含碳量小于0.25%為低碳鋼，含碳量在0.25%-0.6%為中碳鋼，含

碳量大于0.6%為高碳鋼。包括普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)碳素鋼。（2）合金鋼。除碳

鋼所含元素外還含有其他一些合金元素如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，包括低合金鋼、中

合金鋼和高合金鋼。合金含量小于5%為低合金鋼，合金含量在5%-10%之間為中合金鋼，

合金含量大于10%為高合金鋼。

2.3.6按品質(zhì)分為：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高優(yōu)質(zhì)鋼A和特殊優(yōu)質(zhì)鋼E。

2.3.7按形狀分為：（1）板材。厚度0.24mm為薄鋼板，4-20mm為中厚鋼板，大于20mm

為厚鋼板。（2）管材。無(wú)縫（熱軋、冷撥和抵壓），有縫（焊接管）。（3）型材。角鋼、槽鋼、

工字鋼、圓鋼、方鋼、扁鋼和六角鋼。（4）線(xiàn)材。鋼筋、鋼絲和鐵絲。

3金屬材料的性能

3.1工藝性能

金屬材料適應(yīng)冷熱加工的能力，稱(chēng)為加工工藝性能，簡(jiǎn)稱(chēng)工藝性能。工藝性能好的材料

易于進(jìn)行加工，生產(chǎn)成本低；工藝性能差的材科在進(jìn)行加工時(shí)工藝復(fù)雜、困難，不易達(dá)到頂

期的效果，加工成本高。

3.1.1鑄造性能

金屬材料的生產(chǎn)，大多是通過(guò)冶煉、鑄造而得到的，如各種機(jī)械設(shè)備的底座基礎(chǔ)，汽輪

機(jī)的機(jī)殼、閥門(mén)，磨煤機(jī)的耐磨件等。液體金屬澆注成型的能力，稱(chēng)為金屬的鑄造性能。它

包括流動(dòng)性、收縮率和偏析傾向等。

（1）流動(dòng)性：指金屬對(duì)鑄模流動(dòng)填充繼而固化成型的能力。金屬的流動(dòng)性好，可以澆注

成外觀整齊、尺寸準(zhǔn)確、輪廓清晰、壁薄而形狀復(fù)雜的零部件，有利于非金屬夾雜物和氣

體的上浮和排除，易于補(bǔ)縮和熱裂紋的彌合。比如，鑄鐵的流動(dòng)性?xún)?yōu)于鋼，青銅的流動(dòng)性

好于黃銅。

影響流動(dòng)性的因素有：合金種類(lèi)、成分、結(jié)晶特征、粘度、結(jié)晶潛熱、熱導(dǎo)率和其他物

理性能。

（2）收縮率：指鑄件冷凝過(guò)程中體積和尺寸的減少率。收縮是合金本身的物理性質(zhì)，是

鑄件產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的基本原因。整個(gè)收縮過(guò)程包括液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)互

相聯(lián)系的階段。

（3）偏析：鑄件冷凝時(shí)，由于種種原因而造成化學(xué)成分出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。偏析使整體

沖擊韌性降低，質(zhì)量變差。

（4）常見(jiàn)的鑄造缺陷可分為表面類(lèi)、裂紋類(lèi)、孔眼類(lèi)、形狀不合格、尺寸不合格、重量

不合格、成分不合格、組織不合格、性能不合格。比如：縮孔、縮松、變形、開(kāi)裂、冷隔、

澆不足、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂等。

序缺陷名缺陷類(lèi)圖示

形成原因防控措施

號(hào)稱(chēng)別

鑄件內(nèi)部厚截面處?改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，盡可

縮松形成不規(guī)則的孔洞，能減少熱節(jié)數(shù)。,1

2孔洞類(lèi)

縮孔微小密集，表面粗?合理設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng)

糙。和澆道位置，形成順序11r

凝固。

?選擇適當(dāng)?shù)臐茶T溫

度。

?改進(jìn)熔練工藝和排氣

孔，減少含氣量與氧化

物。

?保證澆鑄量，合理補(bǔ)

縮

?結(jié)構(gòu)保證：壁厚均勻，

鑄件內(nèi)部存在應(yīng)力，

圓角連接，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。

3裂紋裂紋類(lèi)包括熱應(yīng)力與機(jī)械

?工藝保證：同時(shí)凝固，

應(yīng)力

去應(yīng)力退火。

?降低金屬液中的含氣

鑄件內(nèi)部或表面有

量。

大小不等的孔眼，孔

4氣孔孔洞類(lèi)?增大砂型的透氣性。

的內(nèi)壁光滑，多呈圓

?在型腔的最高處增設(shè)

形。

出氣冒口等。

鑄件表面上粘附有?在型砂中加入煤粉。

5粘砂表面類(lèi)一層難以清除的砂?在鑄型表面涂刷防粘

粒砂涂料等

在鑄件表面形成的

6夾砂表面類(lèi)■

溝槽和疤痕

在鑄件內(nèi)部或表面

7砂眼孔洞類(lèi)?鄉(xiāng)

充塞著型砂

?提高砂型強(qiáng)度、砂箱

剛度、加大合箱時(shí)的壓

形狀、尺澆注時(shí)在金屬液的

箱力或緊固力，并適當(dāng)

寸及重壓力作用下，鑄型型

8脹砂降低澆注溫度，使金屬

量不合壁移動(dòng)，鑄件局部脹

液的表面提早結(jié)殼，以

格大

降低金屬液對(duì)鑄型的壓

力

液態(tài)金屬充型能力

不足，或充型條件較

形狀尺

變形差，在型腔被填滿(mǎn)之

寸及重?提高澆注溫度與澆注

9冷隔前，金屬液便停止流

量不合速度

澆不足動(dòng)，鑄件不能獲得完

格

整的形狀，存有未完

全融合的接縫

3.1.2鍛造性能

重要零件的毛坯往往要經(jīng)過(guò)鍛造工序，如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的主軸、輪轂、葉片，大型水

泵和磨煤機(jī)的主軸、齒輪等。材料承受鍛壓成型的能力，稱(chēng)為可鍛性。

金屬的鍛造性能可用金屬的塑性和變形抗力（強(qiáng)度）來(lái)衡量。金屬承受鍛壓時(shí)變形程度大

而不產(chǎn)生裂紋，其鍛造性能就好。

金屬的鍛造性能取決于材料的成分、組織及加工條件。

通常低碳鋼具有較好的可鍛性，低碳鋼的可鍛性最好。隨著含碳量的增加，鋼的可鍛性

降低。合金鋼的可鍛性略遜于碳鋼。一般情況下，合金鋼中合金元素含量越多，其可鍛性越

差。鑄鐵則不能承受鍛造加工。

常用的鍛造方法有：自由鍛造、模鍛、沖壓、軋制、擠壓和拉拔。

金屬的冷熱彎曲性能也取決于材料的塑性和強(qiáng)度。材料承受彎曲而不出現(xiàn)裂紋的能力，

稱(chēng)為彎曲性能。一般用彎曲角度或彎心直徑與材料厚度的比值來(lái)衡量彎曲性能。

3.1.3焊接性能

金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力，稱(chēng)為金屬

的焊接性。

在電廠(chǎng)中有大量金屬結(jié)構(gòu)件是用焊接方法連接的，如鍋爐管道、支架、蒸汽導(dǎo)管、管道、

風(fēng)管、汽包、聯(lián)箱等。

金屬的焊接性能主要取決于材料的化學(xué)成分,也取決于所采用的焊接方法、焊接材料（焊

條、焊絲、焊藥）、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等。

影響鋼的焊接性能的主要因素是鋼的含碳量，隨著含碳量的增加，焊后產(chǎn)生裂紋的傾向

增大。鋼中其它合金元素的影響相應(yīng)小些。

焊接工藝的特點(diǎn)：（1）能減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省大量金屬材料。（2）能保證容器件有較好

的密封性。（3）便于由小拼大，化大為小。（4）可制造雙金屬結(jié)構(gòu)。（5）焊件和焊接接頭易

產(chǎn)生應(yīng)力和變形等缺陷。

焊接缺陷：指焊接過(guò)程中在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象。

分為內(nèi)部缺陷和外部缺陷兩部分。

常見(jiàn)缺陷及產(chǎn)生原因

缺陷名稱(chēng)圖示特征產(chǎn)生原因

1.工作坡口角度不當(dāng)或裝配間隙

焊縫外形焊縫表面高低不不均勻。

尺寸不符平；焊縫寬度不均2.焊接電流過(guò)大或過(guò)小。

合要求勻；3.焊條的角度選擇不合適或運(yùn)動(dòng)

速度不均勻。

沿焊趾的母材部位1.焊接的電流太大，電弧過(guò)長(zhǎng)或運(yùn)

咬邊產(chǎn)生的溝槽或凹條速度不合適。

陷。2.焊條角度或電弧長(zhǎng)度不合適。

焊接時(shí)，熔池中的1.熔化金屬凝固太快。

氣泡在凝固時(shí)未能2.電弧太長(zhǎng)或太短。

氣孔

逸出而殘留下來(lái)形3焊.接材料化學(xué)成分不當(dāng)。

成空穴。4.焊接材料不干凈。

1.工件邊緣與焊層之間清理不干

凈。

央責(zé)

焊后殘留在焊縫中2.焊接電流太小，熔化金屬凝固太

夾渣

的殘?jiān)？臁?/p>

3.焊條角度和運(yùn)條方法不當(dāng)。

4.焊接材料成分不當(dāng)。

焊接時(shí)焊頭根部未

1.焊接電流太小，焊接速度太快。

完全熔透的現(xiàn)象。

2.焊條角度不當(dāng)。

未焊透對(duì)接焊縫的焊縫深

3.坡口角度太小，鈍邊太厚，間隙

度未達(dá)到設(shè)計(jì)要

太小等。

求。

1焊.接材料化學(xué)成分不當(dāng)。

焊縫、熱影響區(qū)內(nèi)2.熔化金屬冷卻太快。

裂紋部或表面因開(kāi)裂而3.焊接順序和措施不當(dāng)。

形成縫隙。4.工件設(shè)計(jì)不合理。

5.焊接應(yīng)力過(guò)大。

1.焊接電流太大。

熔化金屬流到焊縫

2.電弧過(guò)長(zhǎng)。

之外未熔化的母材

焊瘤3.焊接速度太慢。

上所形成的金屬

4.工作裝配間隙太大。

瘤。

5.操作不熟練，運(yùn)條不當(dāng)。

焊后在焊縫表面或

背面形成的低于母1.熄弧過(guò)快。

凹坑

材表面的局部低洼2.焊接電流過(guò)大。

部分。

3.1.4切削性能

金屬材料承受切削加工的難易程度，稱(chēng)為切削性能。

金屬的切削性能與材料及切削條件有關(guān)，如純鐵很容易切削，但難以獲得較高的光潔度;

不銹鋼可在普通車(chē)床上加工，但在自動(dòng)車(chē)床上，卻難以斷屑，屬于難加工材料?通常，材料

硬度低時(shí)切削性能較好，但是對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，硬度如果太低時(shí)，容易出現(xiàn)“粘刀”現(xiàn)象，光

潔度也較差。一般情況下金屬承受切削加工時(shí)的硬度在HB170-230之間為宜。

3.2力學(xué)性能

力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下,所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗變形和破壞的能力以及接受變

形的能力。包括強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞抗力等指標(biāo)。力學(xué)性能指標(biāo)是選

材、材料檢驗(yàn)、零件設(shè)計(jì)計(jì)算、評(píng)定工藝質(zhì)量或生產(chǎn)操作質(zhì)量（尤其是熱處理質(zhì)量）的重要

依據(jù)。力學(xué)性能與受力狀態(tài)，材料成分，組織及加工過(guò)程有關(guān)。

3.2.1金屬拉仰試驗(yàn)

金屬拉伸試樣在逐漸增大的外力作用下，一般依次產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和斷裂。

發(fā)生斷裂

（31部斷裂）

拉伸機(jī)

過(guò)程特點(diǎn)：彈性、屈服、塑變、頸縮、斷裂

彈性變形：外力卸除后能完全消失的變形。

塑性變形：永久變形，是外力卸除后仍然保留的變形。

斷裂：試樣整體性被永久性地破壞的呈現(xiàn)形式。

3.2.2強(qiáng)度

強(qiáng)度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)主要有彈性極限、

屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）和抗拉強(qiáng)度。

屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）：是試樣屈服時(shí)承受的拉應(yīng)力，用符號(hào)os表示，單位為MPa。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以產(chǎn)生0.2%殘留應(yīng)變時(shí)的拉應(yīng)力作為條件屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度），用符號(hào)

o0.2表示。

屈服點(diǎn)。s或條件屈服點(diǎn)。0.2是表征在拉伸力作用下，金屬抵抗明顯塑性變形的能力。

強(qiáng)度按照荷裁作用方式的不同可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗扭

強(qiáng)度。

3.2.3塑性

塑性是衡量材料在外力作用下接受并發(fā)生不可逆永久變形而不破壞斷裂的能力。塑性指

標(biāo)主要有斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和冷彎角。

斷后伸長(zhǎng)率：又稱(chēng)延伸率，指試樣被拉斷后，其標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距比值的

百分率。

斷面收縮率：指試樣拉斷后截面積的收縮量與原截面積之比的百分率。

3.2.4硬度

金屬材料的硬度通常是指材料表面抵抗較硬物體壓入時(shí)所引起局部塑性變形的能

力。

常見(jiàn)的硬度指標(biāo)有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)和里氏硬度(HL)等。

例如：布氏硬度(HB)

布氏硬度計(jì)

壓頭的材質(zhì)有淬火鋼球或硬質(zhì)合金兩種，當(dāng)壓頭材質(zhì)為淬火鋼球時(shí)，布氏硬度用HBS

表示，適用于測(cè)量布氏硬度W450的材料；當(dāng)壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金時(shí)，布氏硬度用HBW表示，

適用于測(cè)量布氏硬度在450~650范圍內(nèi)的材料。

布氏硬度值的表示方法為：硬度值+硬度符號(hào)+球體直徑/+載荷/+載荷保持時(shí)間(10?15

秒不標(biāo)注)。

例如，180HBS10/1000/30,表示直徑10mm的鋼球在lOOOkgf作用下，保持30秒測(cè)得的

布氏硬度值為180o

3.2.5沖擊韌性

沖擊韌性是衡量材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。

影響沖擊韌性值大小的因素有：材料的化學(xué)成份、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、表面質(zhì)量、內(nèi)

部缺陷和溫度(冷脆性)等。

3.2.6疲勞強(qiáng)度

金屬材料在遠(yuǎn)低于其屈服極限的交變應(yīng)力長(zhǎng)期作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，稱(chēng)為金屬的疲勞。

(1)疲勞失效的特點(diǎn)

疲勞失效的斷口有明顯的特征，一般由兩個(gè)明顯的部分組成:疲勞源和疲勞裂紋發(fā)展區(qū)，

疲勞裂紋發(fā)展區(qū)的特征表面較光滑，另外，裂紋向前擴(kuò)展時(shí)，表面形成類(lèi)似年輪的貝殼紋,

最后形成瞬時(shí)斷裂區(qū)，瞬時(shí)脆性破斷區(qū)特征是斷口較粗糙。

（2）疲勞極限（強(qiáng)度）

疲勞極限（強(qiáng)度）：金屬材料經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值。它反映材料抗

疲勞斷裂的能力在一定條件下，當(dāng)應(yīng)力的最大值低于某一定值時(shí)，材料可能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)

仍然不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。這個(gè)最大應(yīng)力值，就叫金屬材料的疲勞強(qiáng)度。

通常規(guī)定，鋼經(jīng)過(guò)107次應(yīng)力循環(huán)仍不破壞，就認(rèn)為它可以經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)，此時(shí)的最

大應(yīng)力值就定為其疲勞極限；有色金屬則規(guī)定應(yīng)力循環(huán)數(shù)為108次或更多次才能確定其疲勞

強(qiáng)度?

（3）影響金屬材料疲勞強(qiáng)度的因素

材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強(qiáng)度，另外，疲勞強(qiáng)度還與零部

件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境等有關(guān)。

由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)是先從表面產(chǎn)生和發(fā)展的，因而采用表面強(qiáng)化的處理,

可以提高疲勞強(qiáng)度。

3.3高溫性能

3.3.1高溫機(jī)械性能

溫度對(duì)金屬材料的機(jī)械性能影響很大。一般隨溫度升高，強(qiáng)度降低而塑性增加。

對(duì)于高溫材料的機(jī)械性能，不能只簡(jiǎn)單地用常溫下短的拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)來(lái)評(píng)定，

還需加入溫度與時(shí)間兩個(gè)因素，研究溫度、應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，建立評(píng)定材料高溫機(jī)

械性能的指標(biāo)。

蠕變：金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生

塑性變形的現(xiàn)象。蠕變分為減速蠕變、恒速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段。

蠕變斷裂：由蠕變變形而最后導(dǎo)致材料斷裂的形式。

蠕變極限：金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的抵抗塑性變形能力。

持久強(qiáng)度：金屬材料在高溫長(zhǎng)期載荷作用下抵抗斷裂的能力。

持久強(qiáng)度極限：金屬材料在規(guī)定溫度（t）下，達(dá)到規(guī)定持續(xù)時(shí)間（T）而不發(fā)生斷裂

（yr

的最大應(yīng)力，以r表示。

b黑=30.MPa,表示該合金在7。。。。、1000h條件下的持久強(qiáng)度極限為30MPa。

3.3.2應(yīng)力松弛：一些高溫下工作的緊固零件如汽輪機(jī)缸蓋或法蘭盤(pán)上的緊固螺栓，經(jīng)過(guò)一

段時(shí)間后緊固應(yīng)力不斷下降。這種緊固應(yīng)力隨時(shí)間增加而不斷下降的現(xiàn)象叫做應(yīng)力松弛。

應(yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果。蠕變現(xiàn)象是在溫度和應(yīng)力恒定的情況下，塑性變形隨時(shí)間的增

加而不斷增加，而應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和總應(yīng)變量不變的情況下，由于彈性變形不斷地轉(zhuǎn)

化為塑性變形，即逐漸發(fā)生蠕變，從而使初始應(yīng)力不斷下降。

3.3.3熱疲勞：金屬材料經(jīng)受多次周期性熱應(yīng)力作用而破壞的現(xiàn)象。因?yàn)樵诶錈嶙兓^(guò)程中，

零件表面和內(nèi)部存在溫度差，使表面和內(nèi)部的脹縮在時(shí)間上不同步，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。熱疲

勞裂紋常出現(xiàn)在零件的表面，成龜裂狀。

3.3.4熱脆性：指鋼在某一溫度區(qū)間長(zhǎng)期加熱會(huì)導(dǎo)致其沖擊韌性顯著降低的現(xiàn)象。如熱處理

時(shí)可能發(fā)生的第一類(lèi)回火脆和第二類(lèi)回火脆性，其可能的原因是在高溫下沿原奧氏體晶界析

出了一層碳化物或氮化物脆性網(wǎng)。

3.3.5高溫氧化性能

（1）高溫氧化定義

高溫氧化是指在高溫下金屬與氧氣反應(yīng)生成金屬氧化物的過(guò)程。

高溫氧化的基本過(guò)程可分為五個(gè)階段。1）氣-固反應(yīng)階段：氣相氧分子碰撞金屬材料表

面。2）氧分子以范德華力與金屬形成物理吸附。3）氧分子分解為氧原子并與基體金屬的自

山電子相互作用形成化學(xué)吸附。4）第四階段為氧化物膜形成初始階段。5）氧化物薄膜形成

之后，將金屬基體與氣相氧隔離開(kāi)。

金屬氧化過(guò)程的示意圖

（2）影響材料抗高溫氧化性能的主要因素

1）材料性質(zhì)

a材料的化學(xué)成分。包括化學(xué)成分的均勻性、微量元素的分布情況、雜質(zhì)與其偏聚程

度。

b相組成。包括是單相還是多相，相的熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)活性，以及在高溫氧化期

是否相變。

c組織結(jié)構(gòu)。指材料是單晶還是多晶，還有晶體晶格缺陷包括點(diǎn)缺陷（間隙與空位）、

線(xiàn)缺陷（位錯(cuò)與晶界）和面缺陷（層錯(cuò)，相界），以及宏微觀組織和晶粒尺寸、微觀疏松

程度。

d其他性能。包括擴(kuò)散系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等物理性質(zhì)。

e晶粒尺寸。晶粒尺寸愈小，氧化速度常數(shù)愈小，稱(chēng)為晶粒尺寸正效應(yīng)，即晶粒細(xì)化

可改善抗氧化性能。

2）氧化膜性質(zhì)

a氧化膜的完整性、致密度以及氧化膜的生長(zhǎng)應(yīng)力。

b氧化物熱力學(xué)穩(wěn)定性。

C氧化膜相組成、相的穩(wěn)定性，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，缺陷類(lèi)型與密度，是單層還是多層等。

d氧化膜的力學(xué)性質(zhì)，如生長(zhǎng)應(yīng)力、熱應(yīng)力分布，膜的塑性與強(qiáng)度等.

e膜的物理性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、彈性模量等。

3）工作環(huán)境

a環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)成分。

b環(huán)境壓力及變化。

c環(huán)境介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)、流速等。

d環(huán)境溫度及其變化。

e受外力的狀態(tài)。

4金屬材料的微觀理論知識(shí)

4.1金屬鍵及其性質(zhì)

金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：價(jià)電子數(shù)目■?■■

較少（1?3個(gè)），電子層數(shù)較多，原子核...■■.■

對(duì)價(jià)電子的引力較弱，價(jià)電子極易脫離■■■■

原子核形成自由電子，金屬原子成為正■■■■

離子。自由電子在正離子之間做高速運(yùn)動(dòng)，形成帶負(fù)電的電子氣。

金屬鍵：金屬原子間這種正離子與自由電子的電性引力結(jié)合。

金屬鍵與非金屬原子間的結(jié)合鍵（離子鍵和共價(jià)鍵）不同。金屬離子間的鍵合力很大,

且由大量原子結(jié)合成整體金屬，故金屬的強(qiáng)度高。

自由電子在電場(chǎng)力作用下作定向運(yùn)動(dòng)，使金屬具有導(dǎo)電性；

金屬離子周?chē)逆I是等價(jià)的、對(duì)稱(chēng)的，因而金屬原子在空間的位置必須有規(guī)則地排列且

勢(shì)能最低，即呈晶體結(jié)構(gòu)。

金屬離子在平衡位置上作高速振動(dòng)，溫度越高，振幅越大。金屬的這種結(jié)構(gòu)決定了其具

有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。

4.2晶體結(jié)構(gòu)

金屬材料通常都是晶體，為r便于分析晶體中原子的排列規(guī)律，通常用假想的線(xiàn)條將各

原子中心連接起來(lái)，使之構(gòu)成一個(gè)空間格架，這種三維的空間格架，稱(chēng)作“晶格”。

Aris(4-?I?J-rrj-JB*>J<b><teWn<JA.'.??

斌MSfj格

取晶格中一個(gè)最基本的幾何單元來(lái)表明原子排列的規(guī)律性，這個(gè)最小的幾何單元，稱(chēng)為

“晶胞”。顯然，金屬的結(jié)構(gòu)是由大量晶胞在空間堆垛形成。晶胞各邊的長(zhǎng)度a,b,C稱(chēng)為“晶

格常數(shù)”，其大小是以A為單位來(lái)度量。

即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

外心立方晶格示盤(pán)洌

4.3晶面、晶向與晶格致密度

為了研究方便，可以把金屬原子看成球形，并且人為規(guī)定與鄰近的原子是相切的，并將

球的半徑規(guī)定為原子半徑。體心立方晶格中的原子半徑與晶格常數(shù)的關(guān)系圖如卜。

<“>JX方AA格，“MJ=二?■<RVI.V,ifnit-/iM.Ift?I'M幾個(gè)我?MG

立方乘.W,14.解J",面刊".向

4.4單晶體與多晶體

如果依晶格中晶胞的長(zhǎng)、寬、高取坐標(biāo)系X、Y、Z,將坐標(biāo)原點(diǎn)選在一個(gè)頂角原子上,

晶格就有了方位和方向，稱(chēng)為位向。

在單晶體中晶格的位向是一致的。金屬的單晶體很小，約在10-lT0-3cm數(shù)量級(jí)。金屬

總是以多晶體的形式存在，所以往往看不到金屬的單晶體，金屬單晶體的各向異性也被抵消

了。

在自然界中，常?？梢钥吹绞雏}，方解石的單晶體。

4.5晶體的缺陷

金屬晶體的缺陷依照其幾何形狀，分為點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和面缺陷。

4.5.1點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷：指晶格中三維尺寸都較小的點(diǎn)狀缺陷，主要包括晶格空位、間隙原子和異質(zhì)原

子。

晶體中的空位和。麻原f船體中片質(zhì)憔廣

4.5.2線(xiàn)缺陷

線(xiàn)缺陷：又稱(chēng)位錯(cuò)，是指晶體中?列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)有兩種

類(lèi)型，最簡(jiǎn)單的是刃形位錯(cuò)。

位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的性能有很大影響，隨著位錯(cuò)數(shù)目的增加，金屬?gòu)?qiáng)度先降低后增加,

所以金屬晶體中不含位錯(cuò)或含有大量位錯(cuò)均能使強(qiáng)度提高。

力修位然，卡套圖

4.5.3面缺陷

面缺陷：晶體中二維尺寸較大、?維尺寸較小的呈面狀分布的缺陷，如晶界、亞晶界等。

在多晶體中相臨晶粒的位向不同，在交界的地方原子排列不可能很規(guī)則，于是產(chǎn)生一層“過(guò)

渡層”。相鄰晶粒的位向差如果小于15度，稱(chēng)作“小角度晶界”，可以看作由許多縱向排列

的同號(hào)刃型位錯(cuò)組成；當(dāng)位向差大于15度時(shí)，稱(chēng)作大角度晶界，隨著位向差的增加，晶界

的厚度也增加。在實(shí)際金屬中多數(shù)晶界是大角度晶界。

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