電廠金屬材料課程特點學習方法①知識點既分散又連貫，第一章基礎知識是基礎；②與金屬材料“失效分析”關系密切；①預習、復習；②多動手實踐（實驗課程、金工實習）；③多看參考書(包括利用網上資料)；④其它（上課、作業、答疑）。2/5/20231第一章金屬材料的基礎知識2/5/20232

第一節金屬材料的性能

金屬材料適應冷熱加工的能力，稱為加工工藝性能，簡稱工藝性能。工藝性能好的材料易于承受加工，生產成本低；工藝性能差的材科在承受加工時工藝復雜、困難，不易達到頂期的效果，加工成本也高。一、金屬材料的工藝性能(一)鑄造性能金屬材料的生產，多數是通過冶煉、鑄造而得到的，如各種機械設備的底座，汽輪機、發電機的機殼、閥門、磨煤機的耐磨件等。液體金同澆注成型的能力，稱為金屬的鑄造性能。它包括流動性、收縮率和偏析傾向等。2/5/20233流動性是指金屬對鑄型填充的能力。金屬的流動性好，可以澆注成外觀整齊、薄而形狀復雜的零部件。在常見的金屬材料中，鑄鐵的流動性優于鋼，青銅的流動性比黃銅好，可以容易地制造各種零件。收縮率是指鑄件冷凝過程中體積的減少率，稱為體積收縮率。金屬自液態凝結成固態時體積都要減少，使鑄件形成縮孔和疏松，即形成集中或分散的孔洞，嚴重影響金屬零件的質量。鑄件冷凝時，由于種種原因會造成化學成分的不均勻，叫做偏析。偏析使整體沖擊韌性降低，質量變壞。縮孔、疏松和偏析等鑄造缺陷都是不允許產生的，在生產過程中應予以消除。2/5/20234（二）鍛造性能重要零件的毛坯往往要經過鍛造工序，如汽輪機、發電機的主軸，輪轂，葉片，大型水泵和磨煤機的主軸、齒輪等。材料承受鍛壓成型的能力，稱為可鍛性。金屬的鍛造性能可用金屬的塑性和變形抗力(強度)來衡量。金屬承受鍛壓時變形程度大而不產生裂紋，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。2/5/20235金屬的冷熱彎曲性能也取決于材料的塑性和強度。材料承受彎曲而不出現裂紋的能力，稱為彎曲性能。一般用彎曲角度或彎心直徑與材料厚度的比值來衡量彎曲性能。電廠鍋爐管道彎頭和輸粉管道彎頭是經過冷熱彎曲成型的。(三)焊接性能金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結構形式，優質焊接接頭的能力，稱為金屬的焊接性。在電廠中有大量金屬結構件是用焊接方法連接的，如鍋爐管道、支架、蒸汽導管、管道、風管、汽包、聯箱等。2/5/20236金屬的焊接性能主要取決于材料的化學成分，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、結構形式等。衡量一種材料的焊接性，需要做焊接性試驗。影響鋼的焊接性能的主要因素是鋼的含碳量，隨著含碳雖的增加，焊后產生裂紋的傾向增大。鋼中其它合金元素的影響相應小些。將合金元素對焊接性的影響都折合成碳的影響，即為碳當量。其計算公式為：2/5/20237式中：C，Mn，Cr，Mo，V，Ni，Cu為鋼中該元素的百分含量。當Ce<0.4％時，焊接性優良，可不預熱。

Ce=0.4％~0.6%時，焊接性較差，焊接時需采用適當預熱等工藝措施。

Ce>0.6%時，焊接性很差，焊接時需采用較高預熱溫度和較嚴格的工藝措施。(四)切削性能金屬材料承受切削加工的難易程度，稱為切削性能。

金屬的切削性能與材料及切削條件有關，如純鐵很容易切削，但難以獲得較高的光潔度；不銹鋼可在普通車床上加工，但在自動車床上，卻難以斷屑，屬于難加工材料。通常，材料硬度低時切削性能較好，但是對于碳鋼來說，硬度如果太低時，容易出現“粘刀”現象，光潔度也較差。一般情況下金屬承受切削加工時的硬度在HB170一230之間為宜。2/5/20238二、金屬材料的力學性能力學性能是指金屬材料在外力作用下，所表現出來的抵抗變形和破壞的能力以及接受變形的能力。（一）強度和塑性強度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。塑性是衡量材料在外力作用下接受變形的能力。拉伸試驗是測定強度和塑性的最普遍方法，該試驗依據國家標準（目前通用的標準為GB/T228－2002）進行，將材料制作成標準試樣或比例試樣，在萬能實驗機上沿試樣軸向緩慢地施加拉力，試樣隨拉力的增加而變形，直至斷裂。測得材料的彈性極限、屈服極限、強度極限及塑性等主要力學性能指標。2/5/202391．拉伸試樣2/5/2023102．拉伸曲線拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關系，可用應力－延伸率曲線表示，縱坐標為應力R，R=F/S0，橫坐標為延伸率ε，ε＝ΔL/L0。拉伸曲線的形狀與材料有關，由圖可見，在載荷小的oa階段，試樣在載荷F的作用下均勻伸長，伸長量與載荷的增加成正比。如果此時卸除載荷，試樣立即回復原狀，即試樣產生的變形為彈性變形。當載荷超過b點以后，試樣會進一步產生變形，此時若卸除載荷，試樣的彈性變形消失，而另一部分變形則保留下來，這種不能恢復的變形稱為塑性變形。2/5/202311

強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。通過拉伸試驗所測得的常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是材料產生屈服時對應的應力值。用符號Re表示，單位是N/mm2或MPa，大小為載荷與試樣原始橫截面積的比值，即：

式中：Fs－材料屈服時的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。3.強度2/5/202312

屈服強度可分為上屈服強度和下屈服強度，上屈服強度是指試樣發生屈服而外力首次下降前的最高應力，用符號ReH表示；下屈服強度是指試樣屈服期間，不計初始瞬時的最低應力值，用符號ReL表示。一般機械零件和工程構件都不允許在使用中產生塑性變形，否則會因失效而發生事故，所以ReL屈服強度是機械設計和工程設計中的重要依據。抗拉強度是材料在拉斷前所承受的最大應力值。用符號Rm表示，單位是N/mm2或MPa，其大小為材料最大載荷與試樣原始橫截面積的比值表示，即：

式中：Fb－材料屈服時的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。2/5/2023134．塑性金屬材料的塑性指金屬材料產生塑性變形而不破壞的能力。拉伸試驗所測得的塑性指標有斷后伸長率和斷面收縮率。

斷后伸長率，又稱延伸率，標準試樣的斷后伸長率用A表示，指試樣被拉斷后，其標距部分所增加的長度與原標距比值的百分率。即：式中：Lu－試樣被拉斷后標距的長度。

L0－試樣原始標距。

對于比例試樣，A應附下腳注說明所使用的比例系數，例如A11.3表示原始標距的斷后伸長率。對于非比例試樣，符號A應附以下腳標注說明所使用的原始標距，以mm表示，例如，A80mm表示原始標距L0為80mm的斷后伸長率。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，叫金屬材料的斷面收縮率，用符號Z表示。2/5/202314（二）硬度金屬材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物體壓入時所引起局部塑性變形的能力。常見的硬度指標有布氏硬度（HB）、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)和里氏硬度(HL)等。1．布氏硬度（HB）2/5/202315壓頭的材質有淬火鋼球或硬質合金兩種，當壓頭材質為淬火鋼球時，布氏硬度用HBS表示，適用于測量布氏硬度≤450的材料；當壓頭材質為硬質合金時，布氏硬度用HBW表示，適用于測量布氏硬度在450～650范圍內的材料。布氏硬度值的表示方法為：硬度值+硬度符號+球體直徑/+載荷/+載荷保持時間（10～15秒不標注）。例如，180HBS10/1000/30,表示直徑10mm的鋼球在1000kgf作用下，保持30秒測得的布氏硬度值為120。2/5/2023162．洛氏硬度(HR)用一定載荷將壓頭壓入材料表面，根據壓痕深度表示硬度值。根據壓頭和載荷的不同，洛氏硬度分HRA，HRB和HRC，試驗規范見表3-1。2/5/202317符號壓頭類型總載荷（kgf）適用范圍HRC120°金剛石圓錐150一般淬火鋼等硬度較大材料HRBΦ1.588mm鋼球100退火鋼和有色金屬等軟材料HRA120°金剛石圓錐60硬而薄的硬質合金或表面淬火鋼試驗規范2/5/2023183．維氏硬度（HV）維氏硬度是用一定的載荷將錐面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，試樣表面就留下壓痕，測量壓痕對角線的長度，計算壓痕表面積，載荷F除以壓痕面積S所得值即為維氏硬度。維氏硬度用符號HV表示，計算公式如下：2/5/202319圖1-5維氏硬度試驗示意圖維氏硬度也可按對角線的d值從表中查出，d值為兩對角線的算術平均值。維氏硬度的結果表示方法為：硬度值+HV+試驗載荷／+載荷保持時間（10~15秒不標注）。例如，640HV30／20表示在試驗力30kgf作用下保持載荷20秒測定的維氏硬度值為640。2/5/2023204．里氏硬度（HL）

里氏硬度用規定質量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。計算公式如下：

式中：vR—沖擊體回彈速度；

vA—沖擊體沖擊速度。根據沖擊體質量和沖擊能量的不同，里氏硬度分HLD，HLDC，HLG和HLC。表示方法為：硬度值+沖擊裝置類型，例如700HLD表示用D型沖擊裝置測定的里氏硬度值為700。2/5/202321各種硬度試驗因其試驗條件的不同而不能直接換算，需要查閱專門的表格進行換算比較。硬度是材料的重要性能之一，一般情況下，材料的硬度高，其耐磨性能也較好。材料的硬度與強度之間也有一定的關系，例如，對于未淬硬鋼，布氏硬度與抗拉強度間存在如下的近似換算關系：

Rm≈0.362HBS（當HBS＜175）

Rm≈0.345HBS（當HBS＞175）布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度各有優缺點：布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內的平均硬度，所以測量結果具有較高的精度和穩定性。但操作費時，對試樣表面有一定破壞。洛氏硬度操作簡單，可以直接讀出硬度值，且壓痕小，不傷工件。缺點是所測硬度值的離散性較大。維氏硬度的載荷小、壓痕淺，廣泛用于測定薄工件表面硬化層。里氏硬度操作簡單，便攜性好，廣泛用于現場硬度測量。2/5/202322（三）沖擊韌性（αk）沖擊韌性是衡量材料抵抗沖擊載荷能力大小的指標，常用沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消耗的沖擊功。沖擊韌性用αk表示，計算公式如下：式中：αk—試樣沖斷時所消耗的沖擊功（J）；

S—試樣缺口處截面積（cm2）。2/5/202323影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學成份、冶金質量、組織狀態、表面質量和內部缺陷等。另外，金屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降。金屬材料的強度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨立的是強度和塑性，硬度與強度有極為密切的關系，韌性是受強度和塑性的綜合影響；因此，在鑒別金屬材料的力學性能時，常常是以強度和塑性為主要指標。

2/5/202324（四）疲勞強度金屬材料在遠低于其屈服極限的交變應力長期作用下發生的斷裂現象，稱為金屬的疲勞。1．疲勞失效的特點疲勞失效的斷口有明顯的特征，一般由兩個明顯的部分組成，見圖1-8所示。圖中A為疲勞源；D區為疲勞裂紋發展區；G區為瞬時斷裂區。疲勞裂紋發展區的特征表面較光滑，另外，裂紋向前擴展時，表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時脆性破斷區特征是斷口較粗糙。葉片疲勞斷口的宏觀形貌如圖1-10所示。汽輪機的軸和葉片等零部件的損壞，多以金屬疲勞損壞的方式失效。2/5/202325圖1-10材料疲勞斷口宏觀形貌2/5/2023262．疲勞失效的測定金屬材料可經無限次應力循環而不破壞的最大應力值稱為材料的疲勞極限（強度）。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一定條件下，當應力的最大值低于某一定值時，材料可能經受無限次循環仍然不會發生疲勞斷裂。這個最大應力值，就叫金屬材料的疲勞強度。當交變應力循環對稱時，疲勞強度用符號σ-1表示。通常規定，鋼經過107次應力循環仍不破壞，就認為它可以經受無限次循環，此時的最大應力值就定為其疲勞極限；有色金屬則規定應力循環數為108次或更多次才能確定其疲勞強度。2/5/2023273．影響金屬材料疲勞強度的因素材料本身的強度、塑性、組織和材質等影響材料的疲勞強度，另外，疲勞強度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環境等有關。由于疲勞失效的微裂紋絕大多數是先從表面產生和發展的，因而采用表面強化的處理，可以提高疲勞強度。2/5/202328（五）斷裂韌性關于斷裂力學在工程上選擇金屬材料的傳統方法，是根據零部件的工作條件，對塑性和韌性提出一定的要求，并根據該材料的屈服程度Rel或抗拉強度Rm來計算許用應力值：

式中——許用應力，即該材料的最大工作應力；——工作溫度T時材料的屈服強度；n——安全系數。

2/5/202329裂紋在外力作用下擴展的形式可分為三類，如圖1-12所示。這三種類型的脆性破壞，以張開型又稱為I型的擴展斷裂較為常見，且在外力作用下也較為危險，故近期大量研究的是I型這種裂紋的擴展及破壞。2/5/2023302.斷裂韌性的評定金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能，也是通過一定的實驗方法測定出來的。由于驗的方法不同，裂紋在外力作用下失穩擴展、脆性斷裂的形式也不同，目前常用的斷裂韌性計算公式為：2/5/202331脆斷應力也和裂紋形狀及加力方式有關，即：構件中的裂紋越長（a越大），則裂紋前端應力集中越大，使裂紋擴展的外加應力，即脆斷應力越小，即：當a和Y已知時，可根據一定的實驗方法測出脆斷應力代入上式，即可計算出k1C值顯然，材料的k1C值越高，則材料阻止裂紋擴展的能力越強。因此，k1C是材料抵抗裂紋失穩擴展能力的指標，是材料抵抗低應力脆斷的韌性參數。斷裂韌性在電廠金屬材料中有相當重要的作用。由于電廠的大型、重要構件，如鍋爐汽包，氣輪機轉子、主軸、葉片等，是在高溫及復雜的應力狀態下運行的，對于這些在特殊狀態下工作的金屬材料斷裂韌性的研究，就顯的更加必要。2/5/202332一、金屬鍵與晶體結構金屬原子的結構特點是：價電子數目較少（1~3個），電子層數較多，原子核對價電子的引力較弱，價電子極易脫離原子核形成自由電子，金屬原子成為正離子，如圖1-13所示。自由電子在正離子之間做高速運動，形成帶負電的電子氣。金屬原子間這種正離子與自由電子的電性引力結合，稱為金屬鍵。第二節金屬的晶體結構與結晶2/5/202333金屬鍵與非金屬原子間的結合鍵（離子鍵和共價鍵）不同。金屬離子間的鍵合力很大，且由大量原子結合成整體金屬，故金屬的強度高：自由電子在電場力作用下作定向運動，使金屬具有導電性；金屬離子周圍的鍵是等價的、對稱的，因而金屬原子在空間的位置必須有規則地排列且勢能最低，即呈晶體結構。金屬離子在平衡位置上作高速振動，溫度越高，振幅越大。金屬的這種結構決定了其具有優良的導熱性。2/5/202334

取晶格中一個最基本的幾何單元來表明原子排列的規律性，這個最小的幾何單元，稱為“晶胞”。顯然，金屬的結構是由大量晶胞在空間堆垛形成。晶胞各邊的長度a，b，c稱為“晶格常數”，其大小是以?為單位來度量。

金屬材料通常都是晶體，為了便于分析晶體中原子的排列規律，通常用假想的線條將各原子中心連接起來，使之構成一個空間格架，這種三維的空間格架，稱作“晶格”.2/5/202335常見的晶體結構有三種，即體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。2/5/202336（一）體心立方晶格（二）面心立方晶格（三）密排六方晶格2/5/202337二、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，并且人為規定與鄰近的原子是相切的，并將球的半徑規定為原子半徑。圖1-18是體心立方晶格中的原子半徑與晶格常數的關系圖。2/5/202338三、單晶體與多晶體如果依晶格中晶胞的長、寬、高取坐標系X、Y、Z，將坐標原點選在一個頂角原子上，晶格就有了方位和方向，稱為位向。在單晶體中晶格的位向是一致的。金屬的單晶體很小，約在10-1-10-3cm數量級。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。圖1-21為多晶體示意圖。在自然界中，常常可以看到食鹽，方解石的單晶體。2/5/202339

2/5/202340四、晶體的缺陷金屬晶體的缺陷依照其幾何形狀，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。（一）點缺陷

點缺陷是指晶格中三維尺寸都較小的點狀缺陷，主要包括晶格空位、間隙原子和異質原子。圖1-23為空位和間隙原子，空位指晶格中某些結點處沒有原子，而間隙原子指晶格間隙中出現多余原子。產生空位和間隙原子的主要晶格間隙中。空位、間隙原子和異質原子缺陷均會引起晶格局部變形，即晶格畸變原因是由于原子熱運動使其逃離晶體結點位置或轉移到晶格間隙中。圖1-24為異質原子，一般是其他金屬或非金屬原子置換原晶格中原子或存在原。晶格畸變引起能量升高，使金屬的強度、硬度和電阻升高。2/5/2023412/5/202342（二）線缺陷線缺陷又稱位錯，是指晶體中一列或若干列原子發生有規律的錯排現象。位錯有兩種類型，最簡單的是刃形位錯.位錯的存在對金屬的性能有很大影響，隨著位錯數目的增加，金屬強度先降低后增加，所以金屬晶體中不含位錯或含有大量位錯均能使強度提高。2/5/202343（三）面缺陷

面缺陷是晶體中二維尺寸較大，一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則，于是產生一層“過渡層”。相鄰晶粒的位向差如果小于15度，稱作“小角度晶界”，可以看作由許多縱向排列的同號刃型位錯組成；當位向差大于15度時，稱作大角度晶界，隨著位向差的增加，晶界的厚度也增加。在實際金屬中多數晶界是大角度晶界。在晶界上原子的無規則排列，使得晶界的性能與晶內差別很大：晶界原子比晶內原子易于發生化學反應，因而容易被腐蝕；晶界原子近于液態結構，致使晶界熔點低于晶內；異類原子和雜質在晶界上存在時能量低，所以晶界是雜質原子易于聚集的地方；由于晶界處原子排列無規則，金屬的塑性變形（滑移）受到阻礙，致使晶界的強度比晶內高。因此，金屬晶粒的大小對金屬的性能有很大影響。2/5/202344五、純金屬的結晶金屬材料自液態凝固的過程稱為結晶。（一）結晶的條件

純金屬在結晶時都有一固定的轉變溫度，稱為熔點，或平衡結晶溫度。金屬的溫度高于熔點時，金屬應以液體狀態存在；低于熔點時，金屬則以固體狀態存在。在平衡結晶溫度時，液體與固體同時存在，這時液體的結晶速度與固體的熔化速度相同，是動態平衡狀態。液態金屬冷卻到镕點時是不能結晶成晶體的，只有冷到低于熔點的溫度時，即有一定的“過冷度”時才能結晶。過冷度按下式計算：△t＝tR－t

式中：△t—過冷度tR——理論熔點t—實際結晶溫度2/5/202345金屬的實際結晶溫度可以用熱分析法測得。冷卻曲線有一水平線段，說明金屬在結晶過程中溫度是恒定的．這是由于金屬在由液態轉變為固態時，要放出“結晶浴熱”。這種潛熱的釋放恰恰補償了金屬向周圍散逸的熱量，而使結晶過程處于恒溫狀態。當結晶過程結束時，即液態金屬都已轉變為晶體后，金屬的溫度又隨著散熱而降低，直至室溫。曲線上水平線段的長度代表結晶過程的時間。2/5/202346（二）結晶的過程金屬的結晶過程一般包括兩個過程，即形核過程和晶核長大過程。形核過程是當溫度降到結晶溫度時，熔液中開始出現時聚時散的類似晶體結構的小集團，當小集團達到一定臨界值時，逐漸穩定，這種最初形成的小晶體被稱為晶核。熔液中晶核數目的多少與過冷度、熔液中含高熔點雜質數目等因素有關，把單位時間內單位體積中所產生晶核數用形核速率（簡稱形核率）來表示。2/5/202347長大過程是晶核逐漸長大的過程，晶核的長大過程具有方向性，一般沿過冷度大的方向生長，這種生長方式類似樹枝的生長，被稱為樹枝狀長大，直到液相消耗完畢。晶核長大的速率稱為長大率，用單位時間內晶體表面向前推進的線速度表示。2/5/202348（三）影響晶粒大小的因素金屬晶粒的大小是影響金屬性能的重要因素。晶粒大小與常溫力學性能的關系為：晶粒越細小，金屬的強度、塑性、韌性越高。反之晶粒越粗大，金屬的力學性能越差。制備細晶粒材料的措施一般為在結晶過程提高形核率和抑制長大率。形核率和長大率的影響因素主要有以下三個方面：2/5/2023491．過冷度影響形核率N和長大率G與過冷度Δt關系，一般隨著過冷度的增加，形核率和長大率先增加后下降。3．金屬流動與振動在金屬結晶時如果增加液體流速或給以機械振動、超聲波振動，都將達到增加形核率或抑制長大率的效果。2．難熔雜質的影響高熔點雜質的加入對細化晶粒的作用也非常明顯，由于液態金屬結晶時可以附著在未全部熔解的高熔點雜質的顆粒表面，所以加入高熔點雜質能提高形核率。2/5/202350四、固態金屬的同素異晶轉變多數金屬結晶后晶格類型保持不變，但有些金屬如鐵、錳、鈷、鈦、錫等在固態下晶格類型會隨溫度的變化而發生改變，由一種晶格向另一種晶格轉變，金屬在固態下發生晶格變化的過程稱為同素異晶轉變。2/5/202351純鐵的同素異晶轉變在實際生產中有重要意義，正是由于純鐵能夠發生同素異晶轉變，生產中才有可能用熱處理的方法來改變鋼的組織和性能。2/5/202352第三節金屬的塑性變形與再結晶一、單晶體的塑性變形晶體塑性變形的主要形式是滑移和孿生。（一）滑移如果對單晶體鋅做拉伸試驗，但單晶鋅被拉長后，發現鋅的表面出現傾斜的近乎平行的細線，稱為滑移線。在鋅晶體的內部，發生了一部分晶體相對于另一部分晶體的相對滑動，即滑移。對滑移后的晶體進行x射線分析表明，晶體發生相對浴動后仍然是完整的晶體，且晶格位向不變，滑動的距離是晶格常數的整數倍。這種由整個晶體沿著一個滑移的平面發生的整體滑動，稱為“剛性滑移”。發生滑移的晶面，叫做滑移面。2/5/202353

1．滑移的受力分析作用在滑移面上的拉力P可以分解為垂直滑移面的正應力分量σ，和平行沿移面的切應力分量τ。由圖中分析可知，作用在滑移面上的正應力，只能引起晶格的彈性伸長，即彈性交形，應力取消時，彈性使變形恢復原狀。只有在σ很大很大(超過原子間的結合力)時，才能將晶體拉斷。晶體在切應力作用下，發生剪切彈性變形。這時，如果取消外力，晶體則恢復原狀。但當切應力分量大到一定值時，品格發生剛性滑移。能使晶體滑移的最小分切應力，稱為“臨界切應力”。從金屬晶體受力分析可知，作用在滑移面上的正應力分量遠遠沒有達到晶體結合力時，切應力分量已經達到臨界切應力值。因此，金屬受力后總是先發生塑性交形，在大量塑性變形后才發生斷裂現象。2/5/202354晶體在產生滑移變形時，不是沿著任何晶面都能滑移的，只有在原子最密排的晶面上才能發生滑移。晶體中原子排列最密的品面，稱為密排面。這些密排面往往就是滑移變形的滑移面，如圖1－34所示。2/5/202355當晶體沿著密徘面滑移時，滑移的方向一定是沿著面內最密排的方向。這是因為密排方向上原子之間的距離小，滑動一個原子間距所需的能量小的緣故。一個密排面及面上一個密排的晶向，組成一個可能滑移的通道，稱為滑移系。晶體中滑移系越多，其塑性越好。面心立方晶格與體心立方晶格金屬的滑移系比密排六方晶格金屬的滑移系多，因此密排六方晶格的金屬鎂、鋅等塑性較差。面心立方晶格與體心立方晶格的滑移系雖然形同，但滑移方向對塑性的貢獻更大些，因此具有面心立方晶格的銅、鋁、鎳等比具有體心立方晶格的鉻、鉬、鎢、釩等塑性好。2．滑移的機理

金屬晶體如果按照上述剛性滑移的機理發生滑移變形，即部分晶體發生整體滑動時，所需的切應力比實際晶體滑移時所需的臨界切應力大二至三個數量組。如鐵在剛性滑移時所需切應力為2300MPa，而實際測得的臨界切應力為29MPa；銅在剛性滑移時所需切應力為1540MPa，而實際測得的臨界切應力為1MPa。這說明實際晶體滑移時，并不是剛性滑移。實驗證明，滑移變形的真正機理是由位錯的移動來完成的。2/5/202356其微觀過程，是由位錯的移動來完成的。金屬中存在著大量位錯，位錯沿著滑移面運動，在宏觀上引起金屬的塑性變形。2/5/202357金屬的健合力是很高的，即其本質強度很高，但在外力作用下，金屬中所存在的大量位所在切應力很小時即可運動，導致滑移變形。金屬經一定量的塑性變形后，內部缺陷增加，以致斷裂。因此，金屬中位錯的數量、分布對金屬的性能影響很大。假如金屬中沒有位錯，金屬的塑性變形只有依剛性滑移來進行，金屬的強度就很高。隨著位錯數量的增加，金屬的強度下降，但當位錯數量增至很大時，位錯線之間發生的交互作用，反而阻礙位錯的移動，金屬強度又有上升的趨勢。金屬強度與位錯密度的關系如圖l—37所示。2/5/202358（二）孿生孿生是晶體的另一種塑性變形方式。在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和晶向（攣晶方向）相對于另一部分所發生的切變稱為孿生。與滑移變形相比，孿生變形很少發生。因為孿生所需要的剪切應力很大，孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發生，或在滑核系很少的密排六方晶格金屬中發生，或受到沖擊變形的金屬中發生。二、多晶體的塑性變形

多晶體塑性變形時，每個晶粒的塑性變形與單晶體塑性變形基本相同，但由于晶界的作用及相鄰晶粒之間位向不同，多晶體的塑性變形與單晶體相比又有所不同。實際使用的金屬材料幾乎都是多晶體。2/5/202359（一）晶界的影響晶界是相鄰兩個晶粒的邊界，晶界上的原子排列是無規則的，金屬中的雜質原于往往存在其間，這對于位錯的運動形成很大阻力。用只有兩個晶粒的試樣進行拉伸試驗，變形后試樣出現了所謂“竹節現象”，如圖1—39所示。這說明晶界附近晶體的塑變抗力很大。由此可以推斷，多晶體金屬的晶粒越細小（單位體積內晶粒數越多）時，該晶體的塑變抗力越大，即強度越高。2/5/202360（二）位向差的作用外力的切應力分量在外力呈45°角度時最大。因此，晶體中與外力方向接近45°的滑移系最容易發生滑移，而接近0°與90°時，切應力分量最小，晶體不易發生滑移。由于多晶體金屬中相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒的位向接近45°發生滑移時，必然受到相鄰晶粒的牽制作用，相鄰晶粒間的位向差越大時，牽制作用越大，從而增加了塑變抗力，使強度提高。金屬的晶粒越細時，其強度越高。細晶粒的金屬不僅強度高，塑性也好，這是應為多晶體在應力作用下，塑性變形分散在更多的晶粒之中，晶粒越細時，多晶體各處的塑性變形越均勻。相反，多晶體的晶粒很措大時，某些大晶粒的位向不利于滑移變形，則在較大的體積內牽制塑性變形，使塑性交形不均勻。在實際生產中，希望金屬零件的晶粒越細越好。在電力設備中，有些重要零件的晶粒度，被限定在一定級別之內，尤其是承受沖擊的構件，如碎煤機的錘頭和錘扦，細晶粒金屬的強度高、塑性好，則沖擊韌性也高，能夠承受反復的沖擊而不易產生疲勞損壞。2/5/202361三、冷塑性變形對金屬組織和性能影響金屬材料在外力作用下產生塑性變形，其內部的組織和力學性能、物理、化學性能也發生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時在金屬內部產生形變內應力。在電力工業中，碎煤機錘頭、磨煤機襯板、斗輪機斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進一步提高強度的。(一)加工硬化金屬在受外力作用屈服后，如繼續變形則需要增加應力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強化、硬化，直至達到強度極限。低碳鋼的加工硬化現象見圖1—41所示，出現了加工硬化后強度可提高80％以上。建筑用鋼筋須先經過冷拔強化。但加工硬化會使金屬的電阻增加，耐腐蝕性下降，特別是金屬的塑性．韌性下降，甚至趨于零。金屬的顯微組織：會發現金屬的晶粒逐漸被拉長，甚至會變成細條狀、纖維狀，這說明晶粒發生碎化，亞晶的數量增加。晶界和亞晶界數量的增加，使位錯運動受阻，形變抗力加大，導致強度和硬度增加，性能：隨著塑性變形量的增加，位錯密度增加，使運動中的位錯發生復雜的交互作用，位錯線相互纏結、堆積，阻礙了位錯的運動，也會使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。2/5/202362(二)形變內應力金屬經塑性變形后，由于多晶體的變形不均勻，有的晶粒須以彈性變形協調整體的變形，又由于塑性變形產生了大量的缺陷，因此，外力所做的功有一小部分以彈性能的形式殘存于晶體中，稱為形變內應力。形變內應力按照其存在的范圍不同，可分為三種：第一類內應力，亦稱為宏觀內應力。第二類內應力，亦稱為顯微應力。

第三類內應力，亦稱為晶格畸變應力。2/5/202363四、回復與再結晶

形變后的金屬加熱時，將發生一系列的組織和性能的變化，變化的主要形式是回復與再結晶。(一)回復

經過塑性變形的金屬在加熱溫度較低時，金屬組織基本不變，硬化現象仍然保留，但內應力大大消除，這種現象稱為回復。2/5/202364（二）再結晶塑性變形后的金屬在較低溫度下加熱時，雖經回復使內應力大部分消除，但顯微組織和結構沒有明顯的改變，形變儲存能未能完全釋放，金屬組織仍處于不穩定狀態。如繼續提高加熱溫度，使金屬原子的擴散能力增加，這種高能不穩定狀態將消除，晶粒拉長和碎化趨于消失，金屬的組織、性能完全恢復到變形前的狀態。這種變化實質上是一個重新形核、長大的過程，稱為再結晶。再結晶后的金屬組織與形變前的退火組織相同，加工硬化現象完全消失，位錯密度也降至變形前的狀態，如圖l—43所示。2/5/202365

(三)再結品溫度與晶粒長大再結晶過程不是相變。再結晶溫度主要取決于金屬的預變形程度。沒有產生塑性變形的金屬加熱時不會出現再結晶的現象。金屬的預變形度越大，其形變儲存能越多，加熱時再結晶的傾向越大，所需的再結晶溫度越低。當形變量大到一定程度后，再結晶溫度趨于某一固定值，這一溫度值稱作Ta，即最低再結晶溫度。金屬的最低再結晶溫度與金屬的熔點有關，高熔點的金屬Ta較高，反之則低。與金屬熔點Tr的關系約為：

Ta≈0.35~0.4Tr2/5/202366加熱溫度過高，保溫時間過長，都能使已形成的細晶粒組織繼續長大，而成為粗大晶粒的組織，使金屬的性能變壞，這是應該力求避免的。回復、再結晶和晶粒長大過程中，隨加熱溫度的增加，組織和性能變化如圖1－45所示。再結晶退火在工業生產中適于冷拔、冷拉的金屬材料。往往在冷拔或冷拉后，安排一道或數道再結晶退火工藝，使變形后的金屬恢復到變形前，再繼續變形，如冷拔無縫鋼管，冷拉鋼絲、銅絲等。2/5/202367五、熱加工與冷加工的區別許多重要工件在機加工前，往往安排一道鍛造工序，如汽輪機的主袖、葉輪葉片，發電機．風機、水泵的主軸、齒輪等。用金屬學的觀點來看，凡在金屬的再結晶溫度以下的加工變形稱作冷加工，而在再結晶溫度以上的加工變形稱為熱加工。金屬熱加工的塑性變形量大，不會出現加工硬化，可以很快加工成型。在熱加工中，金屬的某些缺陷(如氣孔、裂紋等)可以在高溫下焊合，因而熱加工后金屬的組織細密質量好。2/5/202368二、二元合金相圖合金的性能是由合金的成分、組織決定的，研究合金成分、組織、性能之間關系最重要的工具是合金相圖。相圖的概念合金相圖又稱平衡圖或平衡狀態圖。它以合金成分為橫坐標，以溫度為縱坐標，表示同一合金系在平衡狀態下不同成分的合金在不同溫度下由哪些相組成，以及相間平衡關系的圖形。平衡是指熱力學平衡，即一定成分的合金在一定溫度下各相的量不再發生變化，處于動態平衡狀態。處在動態平衡狀態下的相稱為平衡相。2/5/2023691.相圖的表示純金屬的相圖可以用表示溫度的縱坐標及其上幾個臨界點表示。圖1—51為工業純鐵的冷卻曲線及相圖。圖中左邊是工業純鐵的冷卻曲線，二元合金的組織組成的相不僅與溫度有關，且與合金的成分有關。如用一核坐標表示合金的成分，用縱坐標表示溫度，即可將不同成分的合金在不同溫度下的平衡相及相間的平衡關系表示出來。圖1—52為銅—鎳合金相圖，Cu—Ni橫坐標表示從0％Ni至100％Ni的合金系的所有成分。這樣二維坐標平面上任一點(稱作表象點)，即表示一個成分的合金在某一溫度時的狀態（相）。2/5/2023702/5/202371

2．相圖的測定二元合金相圖可以用多種方法則定，其中最簡單、最常用的方法是采用熱分析法。以Cu—Ni合金為例，用熱分析法測定相圖的步驟：（1）配制不同成分的Cu—Ni合金，測出結晶開始溫度(上轉變點)及結晶終了溫度(下轉變點)：繪制合金的冷卻曲線，如圖1-53(a)所示。（2）將各冷卻曲線的臨界點平移至相圖上，如圖1-53(b)所示，并將同類的點描成線，稱為相界線，即的到一個完整的Cu-Ni合金相圖。2/5/2023722/5/202373（二）杠桿定律由二元合金相圖不僅可以確定任何成分的合金在任何溫度下有那些相，還可以借助杠桿定律確定兩相區內兩個平衡相的相對重量如圖1－54所示。因此，杠桿定律是分析合金相圖的重要工具。2/5/2023741．確定二平衡相的成分在圖1-54給出的銅鎳合金相圖中，液相以上是液相區L，固相線以下是固相區α，兩相線之間是二相平衡共存的區域L+α。若有任何一個成分的合金CX，在溫度t℃時處在兩相區L+α,這時的表相點為b。若通過該點作一水平與液相線及固相線交于a、c兩點，則a、c點的成分是兩平衡相L,α的成分，其原因可做如下分析。2/5/2023752．確定兩平衡相的相對重量圖1－54所示的Cu－Ni合金相圖中，仍以Cx成分的合金為例，設Cx成分的合金重量為1，t℃液相L的重量為QL，固相的重量為Qα，則QL＝1－Qα因為合金中含Ni量為Cx，t℃時，固相中含Ni量為C2，液相中含Ni量為C1，則Qα·C2＋QL·C1＝1·CxQα·C2＋（1－Qα）·C1＝Cx整理得

所以：或2/5/202376（三）相圖的基本類型勻晶相圖前面討論的Cu－Ni相圖，稱為勻晶相圖。形成勻晶相圖的二組元在液態和固態都能無限互溶，在固態時能夠形成無限固溶體