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1、第一章 金属材料及热处理,金属材料的性能通常指两个方面：一、使用性能：决定材料的使用范围，使用安全可靠性和使用寿命。主要有：力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。二、工艺性能：即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能。如：铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。,第一章 金属材料及热处理,1-1 金属的机械性能金属材料在一定的温度条件和受外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力称材料的机械性能金属材料的常规机械性能指标包括：强度、塑性、硬度、韧性等。对锅炉压力容器压力管道的
2、用材，最关心的是材料的强度指标、塑性指标和韧性指标。强度和塑性指标，可通过拉伸试验得知。韧性指标,可通过冲击试验得知。,第一章 金属材料及热处理,（一）强度-金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 1拉伸试验,2强度指标（ b 、 s ）,=P/F （N/mm2）弹性极限 e=Pe/Fo （N/mm2）屈服极限(s) 材料承受的载荷不再增加，而仍继续发生塑性变形时的应力。 s= Ps/Fo （N/mm2）有许多金属或合金材料，并没有明显的屈服现象发生，为表明这些材料的屈服极限。规定的试样产生的伸长量为试样长度的0.2%时的应力作为材料“条件屈服极限”，用o.2表示。,强度极限（b） 材料抵
3、抗拉力破坏作用的最大能力。b= Pb/Fo （N/mm2）在锅炉压力容器选材上，不仅希望材料具有高的s，而且具有一定的屈强比（s/b），屈强比越小，结构零件的可靠性越高，由于塑性变形不致立即破坏。,（二）塑性 金属材料在外力作用下，产生最大塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。以试样断裂后残留塑性变形的大小来表示。,1、延伸率（）=（L1-L0）/ L0100%L1试样拉断后的标准长度。L0试样原始的标准长度。2、断面收缩率（）=（F0-F1）/ F0100% F1试样断后细颈处最小截面积。 F0拉伸前试样原始截面积。 例 低碳钢 =2030%，在铸铁=1%。,锅炉压力容器的主要零部件都是承压的
4、，无论从制造工艺要求，还是从安全使用的要求，都应选用塑性好的材料。一方面易于加工制造；另一方面。一旦超压爆炸时，不致产生碎片飞出，这样可降低破坏力。,（三）硬度 金属材料抵抗硬物压入其表面的能 力。,布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度。1、布氏硬度 HB=P/F （N/mm2）根据经验，布氏硬度与抗拉强度之间有一定的比例关系bK.HB对于低碳钢 b0.362HB对于高碳钢 b0.345HB对于合金钢 b0.325HB 只能测量硬度不高（HB450）材料。,2、洛氏硬度（HR）原理和布氏硬度相同,金属体压头对金属表面加压，用一定的载荷P把压头压入被测金属表面，卸载后以压痕的深度来确定金属材料的硬度。压
5、痕越深，硬度越低。 可用于测定从极软到极硬的金属或合金。 洛氏硬度与布氏硬度的关系大致如下：HRC1/10HB（HB在200600之间） HV（维氏硬度）HB（当HB400时）HL（里氏硬度） 硬度可确定焊接接头热影响组织的淬硬情况。,（四）韧性 金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力。,1、冲击韧性k 单位面积上所承受的冲击功；J/cm2材料在外加冲击负荷作用下，断裂时吸收能量大小的特性。表示材料对冲击负荷的抗力。 k =Ak/F （N.m/cm2） Ak 冲击功 ，J F 试样缺口处的截面积， cm2冲击值k与试样和缺口形式有关，与试验温度有关。材料在低温下会出现由塑性状态转变为脆性状
6、态，使材料的冲击韧性值急剧下降的温度叫做“脆性转变温度”,2、冲击功,工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口
7、处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。,冲击试样实验位置,冲击实验示意图,标准试样 101055（）,夏比V型缺口试样 (Charpy V-notch),（五）疲劳 材料在无数次重复和交变载荷下发生损坏的现象,大多数锅炉压力容器都是在交变载荷（大小、方向周期性变化）作用下工作，其断裂时的应力远低于该材料的抗拉强度，且低于其屈服强度，这种现象称为金属的“疲劳”破坏。GB4337金属旋转弯曲疲劳实验方法规定，低碳钢在5106交变载荷作用，低合金钢在107交变载荷作
8、用下不会断裂时最大应力值称为疲劳强度，用-1表示。-1 (0.40.6)b提高钢材的疲劳强度可采取改善结构、避免应力集中、提高表面光洁度、进行表面热处理等措施。,（六）断裂韧度 用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。,他是强度和韧性的综合体现，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分，内部组织的结构。常规设计中，都假设材料是均匀的、连续的、各向同性的。实际上材料远非是均匀的、连续的、各向同性的，其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等各种缺陷。,1-2 金属的结构及铁碳合金 一、铁碳合金的基本组织 钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且还与钢材的组织有关。钢材组织无法用
9、肉眼直接观察，只有经过取样打磨、抛光、腐蚀显示后在金相显微镜下才能观察到钢材的组织。 钢材是铁碳合金，在固态下都是晶体，流态纯铁在1538开始结晶，得到体心立方晶格的Fe，继续冷却到1394转变为面心立方晶格的Fe，继续冷却到910时又转变为体心立方晶格的Fe，如再继续冷却晶格类型不再变化。以上这些变化称铁的同素异构转变。,第一章 金属材料及热处理,体心立方晶胞 面心立方晶胞 密排六方晶胞,二、铁碳合金中的基本组织 1铁素体（F） 是碳溶解于Fe中形成的间隙固溶体。室温时铁内含碳量为0.006%。特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度低。2渗碳体（Fe3C） 是铁和碳的化合物。其含碳量为6.6
10、7%.特点：熔点高、硬度高、脆性大、塑性和韧性几乎为零。3奥氏体（A） 是碳在Fe中形成的间隙固溶体。其溶碳能力较大，在727时溶碳量为0.77%，在1148为2.11%。碳钢只有加热到727以上（称为临界点）组织发生转变时才有奥氏体组织产生。特点：塑性很高，硬度和屈服点较低。是钢中质量体积最小的组织。,第一章 金属材料及热处理,4珠光体（P） 是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物。主要是奥氏体在冷却过程中在727的恒温下共析转变的产物，因此只存在于727以下。珠光体的平均含碳量为0.77%（Fe3C的数量仅为F的1/8）。特点：机械性能介于F和Fe3C之间。 5、马氏体（M）是碳在Fe中的过
11、饱和固溶体。是钢在A化后快速冷却到M点之下发生的无扩散性相变的产物。特点：硬度很高，很脆。塑性和韧性几乎为零。（加入Mn、Cr、Ni、Mo等可提高塑性和韧性）,第一章 金属材料及热处理,三、铁碳合金状态图 用来表示在平衡状态下不同含碳量的铁碳合金在不同温度下的状态、晶体结构和显微组织特征。,1状态图的主要特性线ACD 液相线 AECF 固相线PSK 又叫A1线表示钢在缓慢冷却时，A开始转变为P的温度线（共析线）GS线又叫A3线，表示钢在缓慢冷却时，A开始析出F的温度线。C点 共晶点ES线又叫AC线，表示钢在缓慢冷却时由A开始析出Fe3C的温度线（表示碳在奥氏体中的溶解度曲线）S点为共析点对应该
12、点钢含碳量为0.8%，共析钢E点，碳在Fe中的最大溶解度点。其含碳量为2.11%，也是钢和铸铁（白口铁）的分界点P点，碳在Fe中的最大溶解度，其含碳量为0.02%。还是纯铁与钢的分界点。,第一章 金属材料及热处理,钢和铁的区别在于含碳量的多少：含碳量0.02%为工业纯铁；含碳量在 0.022.11%为钢（共析钢0.77%）；含碳量2.06%为生铁（铸铁）钢加热到高于727 时出现A组织，则塑性好的抗变形能力强。,第一章 金属材料及热处理,1-3 钢的热处理 一、概述1热处理的基本概念：1）改善钢的性质，通常可以通过两种途径来实现：调整钢的化学成分；对钢进行热处理。2）钢的热处理是指对钢在固态下
13、加热，保温和冷却，以改变其内部组织结构，从而改变钢的性能的一种工艺法；3）目的在于充分发挥材料潜力、节约钢材、提高产品质量、延长使用寿命；,第一章 金属材料及热处理,4）根据加热、冷却和处理方式的不同，热处理可分为以下几种： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理。热处理中的加热温度、保温时间、冷却速度为三大工艺参数。,第一章 金属材料及热处理,2热处理与状态图,图中是在极其缓慢的加热和冷却条件下建立的，故相变点称为理论临界点。在实际生产中钢的加热和冷却总有一定的过热和过冷度，实际发生组织转变的温度和状态图上所示的理论临界点之间有一定的偏离。为区别，故加热时的临界点
14、加注“C”，冷却时的临界点加注“”,第一章 金属材料及热处理,二、钢在加热及冷却时的组织转变,1钢在加热时的转变例，对共析钢，加热到AC1以上时P转变为A，具体转变过程通过以下四个步骤 奥氏体晶粒的产生； 奥氏体晶粒的长大； 剩余Fe3C体中的继续溶解； A的成分均匀化 在加热过程中，P开始全部转变为A时晶粒比较细小，再继续加热、保温，晶粒就可长大，结果使钢在常温下机械性能（特别是k值）变坏。,2钢冷却时的转变,钢在热处理时，加热和保温的主要目的是为了使钢获得细而均匀的A晶粒。试验说明，钢的机械性能，不仅与高温加热状态获得奥氏体晶粒的大小，化学成分的均匀程度有关，而且与奥氏体在冷却时的转变有直
15、接的关系（冷却方式和冷却速度等），冷却速度不同，组织结构也不同，钢的性能也不同。,例: 共析钢在冷却时的转变,A等温转变的组织和性能,上图中有两条“C”字行曲线，左边曲线是A转变开始线，曲线以左的区域为过冷A区，即过冷到A1（727）以下未发生转变的区域，此区域A过冷不稳定。右边曲线是A转变终了线，曲线以右的区域为转变产物区，不同温度区域组织转变的产物及其特性为： a在A1（727550）为P转变即高温转变区，按转变温度的高低产物可分为粗P、 索氏体（即细P，等温转变在650 ）和 屈氏体（极细P，等温转变在540 ）；,b在550 240 之间为贝氏体转变，中温转变区。在500350 转变为
16、白光条状组织，形若羽毛为上B（其塑性差）；在350320 区间转变为呈黑色个体状的下B（硬度高韧性较好） c在Ms（240 ）Ms之间为马氏体转变，称为低温转变，产物为马氏体（碳在Fe中的过饱和固溶体）。它具有很高的硬度，但冲击韧性低、脆性大、延伸率很低。 在实际生产中，A的转变是在连续冷却的过程中进行的，它与等温转变有区别。但为了方便在生产实践中，把代表连续冷却的冷却速度线（V1、V2、V3等）点在等温转变曲线上。根据与c曲线的相交位置，可得出组织及性质,图中： 相当于缓冷（退火）与“C”相交位置可以判断转变为P； 相当于空冷（正火）可判断转变为索氏体（细P） 相当于风冷、油冷（油淬）与“C”开始相交故一部分转变为T；另一部分来不及转变，为过冷A最后转为Ms； 临界速度。 相当于水冷（水淬）不与“C”线相交，冷却时A来不及发生分解，象马氏体转变。,
