金属材料学基础理论.docx

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金属材料学基础理论

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　　　　　　　　　　京能集团运行人员培训教程　　BEIHPlantCourse　　　　金属材料学基础理论　　　　1/104　　目录　　123　　金属的基础知识......................................................................................................................3钢铁的基础知识......................................................................................................................3金属材料的性能......................................................................................................................5工艺性能.......................................................................................................................5力学性能.......................................................................................................................8高温性能.....................................................................................................................114金属材料的微观理论知识.....................................................................................................14　　金属键及其性质.........................................................................................................14晶体结构.....................................................................................................................14晶面、晶向与晶格致密度.........................................................................................15单晶体与多晶体.........................................................................................................15晶体的缺陷.................................................................................................................16纯金属的结晶.............................................................................................................17固态金属的同素异晶转变.........................................................................................18金属的塑性变形与再结晶.........................................................................................19冷加工与热加工的区别.............................................................................................215相图........................................................................................................................................21　　合金相图.....................................................................................................................21铁碳合金相图.............................................................................................................22相变过程及概念.........................................................................................................23典型铁碳合金结晶过程分析.....................................................................................24铁碳合金分类.........................................................................................................24典型铁碳合金结晶过程分析.................................................................................24铁碳合金相图的应用.................................................................................................26含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律.................................................26铁碳相图的应用.....................................................................................................276钢的热处理............................................................................................................................287元素对钢的性能影响.............................................................................................................378金属材料牌号的表示方法及电站常见钢号.........................................................................409电站锅炉钢材选用原则.........................................................................................................46　　耐热钢的分类与设计.................................................................................................46常用耐热钢选用原则.................................................................................................47电站锅炉常见钢种.....................................................................................................4710无损检测................................................................................................................................5011金属焊接................................................................................................................................5512金属喷涂技术........................................................................................................................75　　2/104　　　　1金属的基础知识　　化学周期表中现有108种元素，按照元素的原子结构和性质，大体可分为金属、非金属和准金属三大类。

　　金属的种类繁多，已经发现的金属有86种。

按照冶金工业方法分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、锰、铬三种金属及它们的合金，其他金属统称为有色金属。

按照密度大小分为轻金属和重金属，密度小于4500千克/立方米的为轻金属，如铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等，密度大于4500千克/立方米，如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。

按照价格成本可分为一般金属和贵金属。

按照地壳丰度大小可分为常见金属和稀有金属。

　　金属是一种具有光泽、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。

在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。

　　金属之最：

地壳中含量最高的金属元素——铝；目前世界年产量最高的金属——铁；人体中含量最高的金属元素——钙；导电、导热性最好的金属——银；硬度最大的金属——铬；硬度最小（最软）的金属——铯；熔点最高的金属——钨；熔点最低的金属——汞；密度最大的金属——锇；密度最小的金属——锂；延展性最好的金属——金、铂；海水中储量最大的放射性元素——铀。

　　2钢铁的基础知识　　钢铁的优点　　进入青铜时代以来，人类与金属材料及其制品的关系日益密切，可以说没有金属材料就没有人类的物质文明。

在人类使用的所有金属材料中，铁是使用量最大、使用范围最广泛的基础材料。

其主要原因是：

　　1．铁是一种化学元素，它是地球中较多的元素之一，约占35%，且大多以巨大的铁矿床存在于自然界中；　　2．铁矿石的冶炼和加工与其他金属的生产相比，具有生产规模大、效率高、质量好、成本低等显著的优势；　　3．钢铁具有良好的物理、机械和工艺性能；　　3/104　　4．将镍、铬、钒、锰等金属作为合金元素加入铁中，可获得具有各种性能的金属材料；5．钢铁通过热处理能调整其机械性能，可以满足国民经济各方面的需要；6．钢铁具有良好的可回收性。

钢铁的基本概念　　合金：

两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

钢铁产品：

以铁元素为基础组成成分的金属产品的统称，日常形态包括铁、粗钢、钢材、铁合金等。

　　生铁：

一般指含碳量在大于2%的铁碳合金，按用途分为炼钢生铁和铸造生铁，按化学成分分为普通生铁和特种生铁。

含碳量在%-%之间的称为铸铁，按断口颜色分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。

　　熟铁：

一般指含碳量小于%的铁碳合金，含碳量小于%的铁碳合金叫工业纯铁。

熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低。

　　钢：

以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的合金材料。

钢铁的分类　　按冶炼方法分为：

手炉钢、电炉钢和转炉钢。

电炉钢又分为电弧炉、感应炉、真空感应炉、电渣炉。

　　按脱氧程度分为：

沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。

按用途分为：

结构钢、工具钢、特殊性能钢和专业用钢。

　　按金相组织分为：

按平衡状态和退火组织区分，亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。

按正火组织区分，珠光体刚、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。

按加热时有无相变和室温时的金相组织区分，铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢、双相钢。

按化学成分分为：

碳素钢。

简称碳钢，除铁、碳外主要含有少量Si、Mn、S、P杂质，总含量不超过2%，含碳量小于%为低碳钢，含碳量在%-%为中碳钢，含碳量大于%为高碳钢。

包括普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢。

合金钢。

除碳钢所含元素外还含有其他一些合金元素如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，包括低合金钢、中合金钢和高合金钢。

合金含量小于5%为低合金钢，合金含量在5%-10%之间为中合金钢，合金含量大于10%为高合金钢。

　　按品质分为：

普通钢、优质钢、高优质钢A和特殊优质钢E。

　　按形状分为：

板材。

厚度为薄钢板，4-20mm为中厚钢板，大于20mm　　4/104　　为厚钢板。

管材。

无缝，有缝。

型材。

角钢、槽钢、工字钢、圆钢、方钢、扁钢和六角钢。

线材。

钢筋、钢丝和铁丝。

　　3金属材料的性能　　工艺性能　　金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称工艺性能。

工艺性能好的材料易于进行加工，生产成本低；工艺性能差的材科在进行加工时工艺复杂、困难，不易达到顶期的效果，加工成本高。

铸造性能　　金属材料的生产，大多是通过冶炼、铸造而得到的，如各种机械设备的底座基础，汽轮机的机壳、阀门，磨煤机的耐磨件等。

液体金属浇注成型的能力，称为金属的铸造性能。

它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。

　　流动性：

指金属对铸模流动填充继而固化成型的能力。

金属的流动性好，可以浇注成外观整齐、尺寸准确、轮廓清晰、壁薄而形状复杂的零部件，有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除，易于补缩和热裂纹的弥合。

比如，铸铁的流动性优于钢，青铜的流动性好于黄铜。

　　影响流动性的因素有：

合金种类、成分、结晶特征、粘度、结晶潜热、热导率和其他物理性能。

　　收缩率：

指铸件冷凝过程中体积和尺寸的减少率。

收缩是合金本身的物理性质，是铸件产生内部缺陷的基本原因。

整个收缩过程包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的阶段。

　　偏析：

铸件冷凝时，于种种原因而造成化学成分出现不均匀的现象。

偏析使整体冲击韧性降低，质量变差。

　　常见的铸造缺陷可分为表面类、裂纹类、孔眼类、形状不合格、尺寸不合格、重量不合格、成分不合格、组织不合格、性能不合格。

比如：

缩孔、缩松、变形、开裂、冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。

序号缺陷名称缺陷类别形成原因防控措施图示2缩松缩孔孔洞类?

改进铸件结构，尽可铸件内部厚截面处能减少热节数。

形成不规则的孔洞，?

合理设计浇冒口系统微小密集，表面粗和浇道位置，形成顺序糙。

凝固。

5/104

　　　　　　?

选择适当的浇铸温度。

?

改进熔练工艺和排气孔，减少含气量与氧化物。

?

保证浇铸量，合理补缩?

结构保证：

壁厚均匀，铸件内部存在应力，圆角连接，结构对称。

包括热应力与机械?

工艺保证：

同时凝固，应力去应力退火。

铸件内部或表面有大小不等的孔眼，孔的内壁光滑，多呈圆形。

铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒在铸件表面形成的沟槽和疤痕在铸件内部或表面充塞着型砂?

降低金属液中的含气量。

?

增大砂型的透气性。

?

在型腔的最高处增设出气冒口等。

?

在型砂中加入煤粉。

?

在铸型表面涂刷防粘砂涂料等?

3裂纹裂纹类4气孔孔洞类5粘砂表面类6夹砂表面类7砂眼孔洞类?

?

提高砂型强度、砂箱刚度、加大合箱时的压箱力或紧固力，并适当降低浇注温度，使金属液的表面提早结壳，以降低金属液对铸型的压力　　8胀砂形状、尺寸及重量不合格浇注时在金属液的压力作用下，铸型型壁移动，铸件局部胀大9变形冷隔浇不足形状尺寸及重量不合格液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，铸件不能获得完整的形状，存有未完全融合的接缝?

提高浇注温度与浇注速度锻造性能　　重要零件的毛坯往往要经过锻造工序，如汽轮机、发电机的主轴、轮毂、叶片，大型水泵和磨煤机的主轴、齿轮等。

材料承受锻压成型的能力，称为可锻性。

　　金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力（强度）来衡量。

金属承受锻压时变形程度大　　6/104　　而不产生裂纹，其锻造性能就好。

　　金属的锻造性能取决于材料的成分、组织及加工条件。

　　通常低碳钢具有较好的可锻性，低碳钢的可锻性最好。

随着含碳量的增加，钢的可锻性降低。

合金钢的可锻性略逊于碳钢。

一般情况下，合金钢中合金元素含量越多，其可锻性越差。

铸铁则不能承受锻造加工。

　　常用的锻造方法有：

自锻造、模锻、冲压、轧制、挤压和拉拔。

　　金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。

材料承受弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。

一般用弯曲角度或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。

焊接性能　　金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊接接头的能力，称为金属的焊接性。

　　在电厂中有大量金属结构件是用焊接方法连接的，如锅炉管道、支架、蒸汽导管、管道、风管、汽包、联箱等。

　　金属的焊接性能主要取决于材料的化学成分，也取决于所采用的焊接方法、焊接材料（焊条、焊丝、焊药）、工艺参数、结构形式等。

　　影响钢的焊接性能的主要因素是钢的含碳量，随着含碳量的增加，焊后产生裂纹的倾向增大。

钢中其它合金元素的影响相应小些。

　　焊接工艺的特点：

能减轻结构重量，节省大量金属材料。

能保证容器件有较好的密封性。

便于小拼大，化大为小。

可制造双金属结构。

焊件和焊接接头易产生应力和变形等缺陷。

　　焊接缺陷：

指焊接过程中在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象。

分为内部缺陷和外部缺陷两部分。

　　常见缺陷及产生原因　　缺陷名称焊缝外形尺寸不符合要求图示特征产生原因1.工作坡口角度不当或装配间隙不均匀。

2.焊接电流过大或过小。

3.焊条的角度选择不合适或运动速度不均匀。

焊缝表面高低不平；焊缝宽度不均匀；7/104　　咬边气孔沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。

焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来形成空穴。

1.焊接的电流太大，电弧过长或运条速度不合适。

2.焊条角度或电弧长度不合适。

1.熔化金属凝固太快。

2.电弧太长或太短。

3.焊接材料化学成分不当。

4.焊接材料不干净。

1.工件边缘与焊层之间清理不干净。

2.焊接电流太小，熔化金属凝固太快。

3.焊条角度和运条方法不当。

4.焊接材料成分不当。

1.焊接电流太小，焊接速度太快。

2.焊条角度不当。

3.坡口角度太小，钝边太厚，间隙太小等。

1.焊接材料化学成分不当。

2.熔化金属冷却太快。

3.焊接顺序和措施不当。

4.工件设计不合理。

5.焊接应力过大。

1.焊接电流太大。

2.电弧过长。

3.焊接速度太慢。

4.工作装配间隙太大。

5.操作不熟练，运条不当。

1.熄弧过快。

2.焊接电流过大。

夹渣焊后残留在焊缝中的残渣。

未焊透焊接时焊头根部未完全熔透的现象。

对接焊缝的焊缝深度未达到设计要求。

焊缝、热影响区内部或表面因开裂而形成缝隙。

裂纹焊瘤熔化金属流到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。

焊后在焊缝表面或背面形成的低于母材表面的局部低洼部分。

凹坑切削性能　　金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。

　　金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很容易切削，但难以获得较高的光洁度；不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。

通常，材料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象，光洁度也较差。

一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。

力学性能　　力学性能是指金属材料在外力作用下，所表现出来的抵抗变形和破坏的能力以及接受变　　8/104　　形的能力。

包括强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳抗力等指标。

力学性能指标是选材、材料检验、零件设计计算、评定工艺质量或生产操作质量的重要依据。

力学性能与受力状态，材料成分，组织及加工过程有关。

金属拉伸试验　　金属拉伸试样在逐渐增大的外力作用下，一般依次产生弹性变形、塑性变形和断裂。

　　　　过程特点：

弹性、屈服、塑变、颈缩、断裂弹性变形：

外力卸除后能完全消失的变形。

　　塑性变形：

永久变形，是外力卸除后仍然保留的变形。

断裂：

试样整体性被永久性地破坏的呈现形式。

强度　　强度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。

强度指标主要有弹性极限、屈服点和抗拉强度。

　　屈服点：

是试样屈服时承受的拉应力，用符号σs表示，单位为MPa。

国家标准规定，以产生%残留应变时的拉应力作为条件屈服点（屈服强度），用符号σ表示。

　　屈服点σs或条件屈服点σ是表征在拉伸力作用下，金属抵抗明显塑性变形的能力。

强度按照荷载作用方式的不同可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。

塑性　　塑性是衡量材料在外力作用下接受并发生不可逆永久变形而不破坏断裂的能力。

塑性指标主要有断后伸长率、断面收缩率和冷弯角。

　　断后伸长率：

又称延伸率，指试样被拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距比值的　　9/104　　百分率。

　　断面收缩率：

指试样拉断后截面积的收缩量与原截面积之比的百分率。

硬度　　金属材料的硬度通常是指材料表面抵抗较硬物体压入时所引起局部塑性变形的能　　力。

　　常见的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）和里氏硬度（HL）等。

　　例如：

布氏硬度　　　　压头的材质有淬火钢球或硬质合金两种，当压头材质为淬火钢球时，布氏硬度用HBS表示，适用于测量布氏硬度≤450的材料；当压头材质为硬质合金时，布氏硬度用HBW表示，适用于测量布氏硬度在450～650范围内的材料。

　　布氏硬度值的表示方法为：

硬度值+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷保持时间。

　　例如，180HBS10/1000/30，表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，保持30秒测得的布氏硬度值为180。

冲击韧性　　冲击韧性是衡量材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

　　影响冲击韧性值大小的因素有：

材料的化学成份、冶金质量、组织状态、表面质量、内部缺陷和温度等。

疲劳强度　　金属材料在远低于其屈服极限