電廠金屬材料(第三版)

電廠金屬材料課程特點(diǎn)學(xué)習(xí)方法①知識(shí)點(diǎn)既分散又連貫，第一章基礎(chǔ)知識(shí)是基礎(chǔ)；②與金屬材料“失效分析”關(guān)系密切；①預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)；②多動(dòng)手實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)課程、金工實(shí)習(xí)）；③多看參考書(包括利用網(wǎng)上資料)；④其它（上課、作業(yè)、答疑）。2/5/20231第一章金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)2/5/20232

第一節(jié)金屬材料的性能

金屬材料適應(yīng)冷熱加工的能力，稱為加工工藝性能，簡(jiǎn)稱工藝性能。工藝性能好的材料易于承受加工，生產(chǎn)成本低；工藝性能差的材科在承受加工時(shí)工藝復(fù)雜、困難，不易達(dá)到頂期的效果，加工成本也高。一、金屬材料的工藝性能(一)鑄造性能金屬材料的生產(chǎn)，多數(shù)是通過(guò)冶煉、鑄造而得到的，如各種機(jī)械設(shè)備的底座，汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的機(jī)殼、閥門、磨煤機(jī)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(dòng)性、收縮率和偏析傾向等。2/5/20233流動(dòng)性是指金屬對(duì)鑄型填充的能力。金屬的流動(dòng)性好，可以澆注成外觀整齊、薄而形狀復(fù)雜的零部件。在常見(jiàn)的金屬材料中，鑄鐵的流動(dòng)性優(yōu)于鋼，青銅的流動(dòng)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(guò)程中體積的減少率，稱為體積收縮率。金屬自液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)時(shí)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(yán)重影響金屬零件的質(zhì)量。鑄件冷凝時(shí)，由于種種原因會(huì)造成化學(xué)成分的不均勻，叫做偏析。偏析使整體沖擊韌性降低，質(zhì)量變壞?？s孔、疏松和偏析等鑄造缺陷都是不允許產(chǎn)生的，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)予以消除。2/5/20234（二）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。2/5/20235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。電廠鍋爐管道彎頭和輸粉管道彎頭是經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)形式，優(yōu)質(zhì)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(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。2/5/20236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。衡量一種材料的焊接性，需要做焊接性試驗(yàn)。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(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。將合金元素對(duì)焊接性的影響都折合成碳的影響，即為碳當(dāng)量。其計(jì)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(dāng)Ce<0.4％時(shí)，焊接性優(yōu)良，可不預(yù)熱。

Ce=0.4％~0.6%時(shí)，焊接性較差，焊接時(shí)需采用適當(dāng)預(yù)熱等工藝措施。

Ce>0.6%時(shí)，焊接性很差，焊接時(shí)需采用較高預(yù)熱溫度和較嚴(yán)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(guān)，如純鐵很容易切削，但難以獲得較高的光潔度；不銹鋼可在普通車床上加工，但在自動(dòng)車床上，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HB170一230之間為宜。2/5/20238二、金屬材料的力學(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。（一）強(qiáng)度和塑性強(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。塑性是衡量材料在外力作用下接受變形的能力。拉伸試驗(yàn)是測(cè)定強(qiáng)度和塑性的最普遍方法，該試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（目前通用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228－2002）進(jìn)行，將材料制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣或比例試樣，在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)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(cè)得材料的彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限及塑性等主要力學(xué)性能指標(biāo)。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(guò)程中力和變形關(guān)系，可用應(yīng)力－延伸率曲線表示，縱坐標(biāo)為應(yīng)力R，R=F/S0，橫坐標(biāo)為延伸率ε，ε＝ΔL/L0。拉伸曲線的形狀與材料有關(guān)，由圖可見(jiàn)，在載荷小的oa階段，試樣在載荷F的作用下均勻伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)量與載荷的增加成正比。如果此時(shí)卸除載荷，試樣立即回復(fù)原狀，即試樣產(chǎn)生的變形為彈性變形。當(dāng)載荷超過(guò)b點(diǎn)以后，試樣會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生變形，此時(shí)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(lái)，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。2/5/202311

強(qiáng)度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。通過(guò)拉伸試驗(yàn)所測(cè)得的常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是材料產(chǎn)生屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。用符號(hào)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(shí)的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。3.強(qiáng)度2/5/202312

屈服強(qiáng)度可分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度，上屈服強(qiáng)度是指試樣發(fā)生屈服而外力首次下降前的最高應(yīng)力，用符號(hào)ReH表示；下屈服強(qiáng)度是指試樣屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)的最低應(yīng)力值，用符號(hào)ReL表示。一般機(jī)械零件和工程構(gòu)件都不允許在使用中產(chǎn)生塑性變形，否則會(huì)因失效而發(fā)生事故，所以ReL屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)?？估瓘?qiáng)度是材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。用符號(hào)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(shí)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(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。拉伸試驗(yàn)所測(cè)得的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

斷后伸長(zhǎng)率，又稱延伸率，標(biāo)準(zhǔn)試樣的斷后伸長(zhǎng)率用A表示，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。即：式中：Lu－試樣被拉斷后標(biāo)距的長(zhǎng)度。

L0－試樣原始標(biāo)距。

對(duì)于比例試樣，A應(yīng)附下腳注說(shuō)明所使用的比例系數(shù)，例如A11.3表示原始標(biāo)距的斷后伸長(zhǎng)率。對(duì)于非比例試樣，符號(hào)A應(yīng)附以下腳標(biāo)注說(shuō)明所使用的原始標(biāo)距，以mm表示，例如，A80mm表示原始標(biāo)距L0為80mm的斷后伸長(zhǎng)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(hào)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(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。1．布氏硬度（HB）2/5/202315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≤450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1000kgf作用下，保持30秒測(cè)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(jù)壓痕深度表示硬度值。根據(jù)壓頭和載荷的不同，洛氏硬度分HRA，HRB和HRC，試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表3-1。2/5/202317符號(hào)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(zhì)合金或表面淬火鋼試驗(yàn)規(guī)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(shí)間后卸除載荷，試樣表面就留下壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度，計(jì)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(hào)HV表示，計(jì)算公式如下：2/5/202319圖1-5維氏硬度試驗(yàn)示意圖維氏硬度也可按對(duì)角線的d值從表中查出，d值為兩對(duì)角線的算術(shù)平均值。維氏硬度的結(jié)果表示方法為：硬度值+HV+試驗(yàn)載荷／+載荷保持時(shí)間（10~15秒不標(biāo)注）。例如，640HV30／20表示在試驗(yàn)力30kgf作用下保持載荷20秒測(cè)定的維氏硬度值為640。2/5/2023204．里氏硬度（HL）

里氏硬度用規(guī)定質(zhì)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(jì)算硬度值。計(jì)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(jù)沖擊體質(zhì)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(cè)定的里氏硬度值為700。2/5/202321各種硬度試驗(yàn)因其試驗(yàn)條件的不同而不能直接換算，需要查閱專門的表格進(jìn)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(qiáng)度之間也有一定的關(guān)系，例如，對(duì)于未淬硬鋼，布氏硬度與抗拉強(qiáng)度間存在如下的近似換算關(guān)系：

Rm≈0.362HBS（當(dāng)HBS＜175）

Rm≈0.345HBS（當(dāng)HBS＞175）布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度各有優(yōu)缺點(diǎn)：布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度，所以測(cè)量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費(fèi)時(shí)，對(duì)試樣表面有一定破壞。洛氏硬度操作簡(jiǎn)單，可以直接讀出硬度值，且壓痕小，不傷工件。缺點(diǎn)是所測(cè)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(cè)定薄工件表面硬化層。里氏硬度操作簡(jiǎn)單，便攜性好，廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)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(biāo)，常用沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)算公式如下：式中：αk—試樣沖斷時(shí)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(xué)成份、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、表面質(zhì)量和內(nèi)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(qiáng)度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨(dú)立的是強(qiáng)度和塑性，硬度與強(qiáng)度有極為密切的關(guān)系，韌性是受強(qiáng)度和塑性的綜合影響；因此，在鑒別金屬材料的力學(xué)性能時(shí)，常常是以強(qiáng)度和塑性為主要指標(biāo)。

2/5/202324（四）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，見(jiàn)圖1-8所示。圖中A為疲勞源；D區(qū)為疲勞裂紋發(fā)展區(qū)；G區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(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)，表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時(shí)脆性破斷區(qū)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(jī)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(cè)定金屬材料可經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限（強(qiáng)度）。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。當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱時(shí)，疲勞強(qiáng)度用符號(hào)σ-1表示。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。2/5/2023273．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。2/5/202328（五）斷裂韌性關(guān)于斷裂力學(xué)在工程上選擇金屬材料的傳統(tǒng)方法，是根據(jù)零部件的工作條件，對(duì)塑性和韌性提出一定的要求，并根據(jù)該材料的屈服程度Rel或抗拉強(qiáng)度Rm來(lái)計(jì)算許用應(yīng)力值：

式中——許用應(yīng)力，即該材料的最大工作應(yīng)力；——工作溫度T時(shí)材料的屈服強(qiáng)度；n——安全系數(shù)。

2/5/202329裂紋在外力作用下擴(kuò)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(kuò)展斷裂較為常見(jiàn)，且在外力作用下也較為危險(xiǎn)，故近期大量研究的是I型這種裂紋的擴(kuò)展及破壞。2/5/2023302.斷裂韌性的評(píng)定金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能，也是通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定出來(lái)的。由于驗(yàn)的方法不同，裂紋在外力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展、脆性斷裂的形式也不同，目前常用的斷裂韌性計(jì)算公式為：2/5/202331脆斷應(yīng)力也和裂紋形狀及加力方式有關(guān)，即：構(gòu)件中的裂紋越長(zhǎng)（a越大），則裂紋前端應(yīng)力集中越大，使裂紋擴(kuò)展的外加應(yīng)力，即脆斷應(yīng)力越小，即：當(dāng)a和Y已知時(shí)，可根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出脆斷應(yīng)力代入上式，即可計(jì)算出k1C值顯然，材料的k1C值越高，則材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力越強(qiáng)。因此，k1C是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的指標(biāo)，是材料抵抗低應(yīng)力脆斷的韌性參數(shù)。斷裂韌性在電廠金屬材料中有相當(dāng)重要的作用。由于電廠的大型、重要構(gòu)件，如鍋爐汽包，氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸、葉片等，是在高溫及復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下運(yùn)行的，對(duì)于這些在特殊狀態(tài)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(jié)構(gòu)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：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，如圖1-13所示。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。金屬原子間這種正離子與自由電子的電性引力結(jié)合，稱為金屬鍵。第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2/5/202333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；金屬離子周圍的鍵是等價(jià)的、對(duì)稱的，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。2/5/202334

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稱為“晶格常數(shù)”，其大小是以?為單位來(lái)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(guī)律，通常用假想的線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，稱作“晶格”.2/5/202335常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)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(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。圖1-18是體心立方晶格中的原子半徑與晶格常數(shù)的關(guān)系圖。2/5/202338三、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(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。圖1-21為多晶體示意圖。在自然界中，常?？梢钥吹绞雏}，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(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。（一）點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是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。圖1-23為空位和間隙原子，空位指晶格中某些結(jié)點(diǎn)處沒(méi)有原子，而間隙原子指晶格間隙中出現(xiàn)多余原子。產(chǎn)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(zhì)原子缺陷均會(huì)引起晶格局部變形，即晶格畸變?cè)蚴怯捎谠訜徇\(yùn)動(dòng)使其逃離晶體結(jié)點(diǎn)位置或轉(zhuǎn)移到晶格間隙中。圖1-24為異質(zhì)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(qiáng)度、硬度和電阻升高。2/5/2023412/5/202342（二）線缺陷線缺陷又稱位錯(cuò)，是指晶體中一列或若干列原子發(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。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(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。在晶界上原子的無(wú)規(guī)則排列，使得晶界的性能與晶內(nèi)差別很大：晶界原子比晶內(nèi)原子易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而容易被腐蝕；晶界原子近于液態(tài)結(jié)構(gòu)，致使晶界熔點(diǎn)低于晶內(nèi)；異類原子和雜質(zhì)在晶界上存在時(shí)能量低，所以晶界是雜質(zhì)原子易于聚集的地方；由于晶界處原子排列無(wú)規(guī)則，金屬的塑性變形（滑移）受到阻礙，致使晶界的強(qiáng)度比晶內(nèi)高。因此，金屬晶粒的大小對(duì)金屬的性能有很大影響。2/5/202344五、純金屬的結(jié)晶金屬材料自液態(tài)凝固的過(guò)程稱為結(jié)晶。（一）結(jié)晶的條件

純金屬在結(jié)晶時(shí)都有一固定的轉(zhuǎn)變溫度，稱為熔點(diǎn)，或平衡結(jié)晶溫度。金屬的溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，金屬應(yīng)以液體狀態(tài)存在；低于熔點(diǎn)時(shí)，金屬則以固體狀態(tài)存在。在平衡結(jié)晶溫度時(shí)，液體與固體同時(shí)存在，這時(shí)液體的結(jié)晶速度與固體的熔化速度相同，是動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。液態(tài)金屬冷卻到镕點(diǎn)時(shí)是不能結(jié)晶成晶體的，只有冷到低于熔點(diǎn)的溫度時(shí)，即有一定的“過(guò)冷度”時(shí)才能結(jié)晶。過(guò)冷度按下式計(jì)算：△t＝tR－t

式中：△t—過(guò)冷度tR——理論熔點(diǎn)t—實(shí)際結(jié)晶溫度2/5/202345金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度可以用熱分析法測(cè)得。冷卻曲線有一水平線段，說(shuō)明金屬在結(jié)晶過(guò)程中溫度是恒定的．這是由于金屬在由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，要放出“結(jié)晶浴熱”。這種潛熱的釋放恰恰補(bǔ)償了金屬向周圍散逸的熱量，而使結(jié)晶過(guò)程處于恒溫狀態(tài)。當(dāng)結(jié)晶過(guò)程結(jié)束時(shí)，即液態(tài)金屬都已轉(zhuǎn)變?yōu)榫w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(zhǎng)度代表結(jié)晶過(guò)程的時(shí)間。2/5/202346（二）結(jié)晶的過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程一般包括兩個(gè)過(guò)程，即形核過(guò)程和晶核長(zhǎng)大過(guò)程。形核過(guò)程是當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時(shí)，熔液中開始出現(xiàn)時(shí)聚時(shí)散的類似晶體結(jié)構(gòu)的小集團(tuán)，當(dāng)小集團(tuán)達(dá)到一定臨界值時(shí)，逐漸穩(wěn)定，這種最初形成的小晶體被稱為晶核。熔液中晶核數(shù)目的多少與過(guò)冷度、熔液中含高熔點(diǎn)雜質(zhì)數(shù)目等因素有關(guān)，把單位時(shí)間內(nèi)單位體積中所產(chǎn)生晶核數(shù)用形核速率（簡(jiǎn)稱形核率）來(lái)表示。2/5/202347長(zhǎng)大過(guò)程是晶核逐漸長(zhǎng)大的過(guò)程，晶核的長(zhǎng)大過(guò)程具有方向性，一般沿過(guò)冷度大的方向生長(zhǎng)，這種生長(zhǎng)方式類似樹枝的生長(zhǎng)，被稱為樹枝狀長(zhǎng)大，直到液相消耗完畢。晶核長(zhǎng)大的速率稱為長(zhǎng)大率，用單位時(shí)間內(nèi)晶體表面向前推進(jìn)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(xué)性能的關(guān)系為：晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性越高。反之晶粒越粗大，金屬的力學(xué)性能越差。制備細(xì)晶粒材料的措施一般為在結(jié)晶過(guò)程提高形核率和抑制長(zhǎng)大率。形核率和長(zhǎng)大率的影響因素主要有以下三個(gè)方面：2/5/2023491．過(guò)冷度影響形核率N和長(zhǎng)大率G與過(guò)冷度Δt關(guān)系，一般隨著過(guò)冷度的增加，形核率和長(zhǎng)大率先增加后下降。3．金屬流動(dòng)與振動(dòng)在金屬結(jié)晶時(shí)如果增加液體流速或給以機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)，都將達(dá)到增加形核率或抑制長(zhǎng)大率的效果。2．難熔雜質(zhì)的影響高熔點(diǎn)雜質(zhì)的加入對(duì)細(xì)化晶粒的作用也非常明顯，由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)可以附著在未全部熔解的高熔點(diǎn)雜質(zhì)的顆粒表面，所以加入高熔點(diǎn)雜質(zhì)能提高形核率。2/5/202350四、固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變多數(shù)金屬結(jié)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(tài)下晶格類型會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變，由一種晶格向另一種晶格轉(zhuǎn)變，金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格變化的過(guò)程稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。2/5/202351純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中有重要意義，正是由于純鐵能夠發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)中才有可能用熱處理的方法來(lái)改變鋼的組織和性能。2/5/202352第三節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)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(duì)單晶體鋅做拉伸試驗(yàn)，但單晶鋅被拉長(zhǎng)后，發(fā)現(xiàn)鋅的表面出現(xiàn)傾斜的近乎平行的細(xì)線，稱為滑移線。在鋅晶體的內(nèi)部，發(fā)生了一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體的相對(duì)滑動(dòng)，即滑移。對(duì)滑移后的晶體進(jìn)行x射線分析表明，晶體發(fā)生相對(duì)浴動(dòng)后仍然是完整的晶體，且晶格位向不變，滑動(dòng)的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍。這種由整個(gè)晶體沿著一個(gè)滑移的平面發(fā)生的整體滑動(dòng)，稱為“剛性滑移”。發(fā)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(yīng)力分量σ，和平行沿移面的切應(yīng)力分量τ。由圖中分析可知，作用在滑移面上的正應(yīng)力，只能引起晶格的彈性伸長(zhǎng)，即彈性交形，應(yīng)力取消時(shí)，彈性使變形恢復(fù)原狀。只有在σ很大很大(超過(guò)原子間的結(jié)合力)時(shí)，才能將晶體拉斷。晶體在切應(yīng)力作用下，發(fā)生剪切彈性變形。這時(shí)，如果取消外力，晶體則恢復(fù)原狀。但當(dāng)切應(yīng)力分量大到一定值時(shí)，品格發(fā)生剛性滑移。能使晶體滑移的最小分切應(yīng)力，稱為“臨界切應(yīng)力”。從金屬晶體受力分析可知，作用在滑移面上的正應(yīng)力分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到晶體結(jié)合力時(shí)，切應(yīng)力分量已經(jīng)達(dá)到臨界切應(yīng)力值。因此，金屬受力后總是先發(fā)生塑性交形，在大量塑性變形后才發(fā)生斷裂現(xiàn)象。2/5/202354晶體在產(chǎn)生滑移變形時(shí)，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(fā)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(dāng)晶體沿著密徘面滑移時(shí)，滑移的方向一定是沿著面內(nèi)最密排的方向。這是因?yàn)槊芘欧较蛏显又g的距離小，滑動(dòng)一個(gè)原子間距所需的能量小的緣故。一個(gè)密排面及面上一個(gè)密排的晶向，組成一個(gè)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?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)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(jī)理

金屬晶體如果按照上述剛性滑移的機(jī)理發(fā)生滑移變形，即部分晶體發(fā)生整體滑動(dòng)時(shí)，所需的切應(yīng)力比實(shí)際晶體滑移時(shí)所需的臨界切應(yīng)力大二至三個(gè)數(shù)量組。如鐵在剛性滑移時(shí)所需切應(yīng)力為2300MPa，而實(shí)際測(cè)得的臨界切應(yīng)力為29MPa；銅在剛性滑移時(shí)所需切應(yīng)力為1540MPa，而實(shí)際測(cè)得的臨界切應(yīng)力為1MPa。這說(shuō)明實(shí)際晶體滑移時(shí)，并不是剛性滑移。實(shí)驗(yàn)證明，滑移變形的真正機(jī)理是由位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)完成的。2/5/202356其微觀過(guò)程，是由位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)完成的。金屬中存在著大量位錯(cuò)，位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，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(zhì)強(qiáng)度很高，但在外力作用下，金屬中所存在的大量位所在切應(yīng)力很小時(shí)即可運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致滑移變形。金屬經(jīng)一定量的塑性變形后，內(nèi)部缺陷增加，以致斷裂。因此，金屬中位錯(cuò)的數(shù)量、分布對(duì)金屬的性能影響很大。假如金屬中沒(méi)有位錯(cuò)，金屬的塑性變形只有依剛性滑移來(lái)進(jìn)行，金屬的強(qiáng)度就很高。隨著位錯(cuò)數(shù)量的增加，金屬的強(qiáng)度下降，但當(dāng)位錯(cuò)數(shù)量增至很大時(shí)，位錯(cuò)線之間發(fā)生的交互作用，反而阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，金屬?gòu)?qiáng)度又有上升的趨勢(shì)。金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)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(yīng)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(duì)于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。與滑移變形相比，孿生變形很少發(fā)生。因?yàn)閷\生所需要的剪切應(yīng)力很大，孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發(fā)生，或在滑核系很少的密排六方晶格金屬中發(fā)生，或受到?jīng)_擊變形的金屬中發(fā)生。二、多晶體的塑性變形

多晶體塑性變形時(shí)，每個(gè)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(shí)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(gè)晶粒的邊界，晶界上的原子排列是無(wú)規(guī)則的，金屬中的雜質(zhì)原于往往存在其間，這對(duì)于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形成很大阻力。用只有兩個(gè)晶粒的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，變形后試樣出現(xiàn)了所謂“竹節(jié)現(xiàn)象”，如圖1—39所示。這說(shuō)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(xì)?。▎挝惑w積內(nèi)晶粒數(shù)越多）時(shí)，該晶體的塑變抗力越大，即強(qiáng)度越高。2/5/202360（二）位向差的作用外力的切應(yīng)力分量在外力呈45°角度時(shí)最大。因此，晶體中與外力方向接近45°的滑移系最容易發(fā)生滑移，而接近0°與90°時(shí)，切應(yīng)力分量最小，晶體不易發(fā)生滑移。由于多晶體金屬中相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒的位向接近45°發(fā)生滑移時(shí)，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(shí)，牽制作用越大，從而增加了塑變抗力，使強(qiáng)度提高。金屬的晶粒越細(xì)時(shí)，其強(qiáng)度越高。細(xì)晶粒的金屬不僅強(qiáng)度高，塑性也好，這是應(yīng)為多晶體在應(yīng)力作用下，塑性變形分散在更多的晶粒之中，晶粒越細(xì)時(shí)，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(shí)，某些大晶粒的位向不利于滑移變形，則在較大的體積內(nèi)牽制塑性變形，使塑性交形不均勻。在實(shí)際生產(chǎn)中，希望金屬零件的晶粒越細(xì)越好。在電力設(shè)備中，有些重要零件的晶粒度，被限定在一定級(jí)別之內(nèi)，尤其是承受沖擊的構(gòu)件，如碎煤機(jī)的錘頭和錘扦，細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度高、塑性好，則沖擊韌性也高，能夠承受反復(fù)的沖擊而不易產(chǎn)生疲勞損壞。2/5/202361三、冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能影響金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時(shí)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力。在電力工業(yè)中，碎煤機(jī)錘頭、磨煤機(jī)襯板、斗輪機(jī)斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進(jìn)一步提高強(qiáng)度的。(一)加工硬化金屬在受外力作用屈服后，如繼續(xù)變形則需要增加應(yīng)力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強(qiáng)化、硬化，直至達(dá)到強(qiáng)度極限。低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象見(jiàn)圖1—41所示，出現(xiàn)了加工硬化后強(qiáng)度可提高80％以上。建筑用鋼筋須先經(jīng)過(guò)冷拔強(qiáng)化。但加工硬化會(huì)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(huì)發(fā)現(xiàn)金屬的晶粒逐漸被拉長(zhǎng)，甚至?xí)兂杉?xì)條狀、纖維狀，這說(shuō)明晶粒發(fā)生碎化，亞晶的數(shù)量增加。晶界和亞晶界數(shù)量的增加，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，形變抗力加大，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度增加，性能：隨著塑性變形量的增加，位錯(cuò)密度增加，使運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)發(fā)生復(fù)雜的交互作用，位錯(cuò)線相互纏結(jié)、堆積，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。2/5/202362(二)形變內(nèi)應(yīng)力金屬經(jīng)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(xié)調(diào)整體的變形，又由于塑性變形產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力。形變內(nèi)應(yīng)力按照其存在的范圍不同，可分為三種：第一類內(nèi)應(yīng)力，亦稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。第二類內(nèi)應(yīng)力，亦稱為顯微應(yīng)力。

第三類內(nèi)應(yīng)力，亦稱為晶格畸變應(yīng)力。2/5/202363四、回復(fù)與再結(jié)晶

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

經(jīng)過(guò)塑性變形的金屬在加熱溫度較低時(shí)，金屬組織基本不變，硬化現(xiàn)象仍然保留，但內(nèi)應(yīng)力大大消除，這種現(xiàn)象稱為回復(fù)。2/5/202364（二）再結(jié)晶塑性變形后的金屬在較低溫度下加熱時(shí)，雖經(jīng)回復(fù)使內(nèi)應(yīng)力大部分消除，但顯微組織和結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的改變，形變儲(chǔ)存能未能完全釋放，金屬組織仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如繼續(xù)提高加熱溫度，使金屬原子的擴(kuò)散能力增加，這種高能不穩(wěn)定狀態(tài)將消除，晶粒拉長(zhǎng)和碎化趨于消失，金屬的組織、性能完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。這種變化實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重新形核、長(zhǎng)大的過(guò)程，稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后的金屬組織與形變前的退火組織相同，加工硬化現(xiàn)象完全消失，位錯(cuò)密度也降至變形前的狀態(tài)，如圖l—43所示。2/5/202365

(三)再結(jié)品溫度與晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶過(guò)程不是相變。再結(jié)晶溫度主要取決于金屬的預(yù)變形程度。沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形的金屬加熱時(shí)不會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶的現(xiàn)象。金屬的預(yù)變形度越大，其形變儲(chǔ)存能越多，加熱時(shí)再結(jié)晶的傾向越大，所需的再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)形變量大到一定程度后，再結(jié)晶溫度趨于某一固定值，這一溫度值稱作Ta，即最低再結(jié)晶溫度。金屬的最低再結(jié)晶溫度與金屬的熔點(diǎn)有關(guān)，高熔點(diǎn)的金屬Ta較高，反之則低。與金屬熔點(diǎn)Tr的關(guān)系約為：

Ta≈0.35~0.4Tr2/5/202366加熱溫度過(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都能使已形成的細(xì)晶粒組織繼續(xù)長(zhǎng)大，而成為粗大晶粒的組織，使金屬的性能變壞，這是應(yīng)該力求避免的。回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)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(jié)晶退火在工業(yè)生產(chǎn)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(shù)道再結(jié)晶退火工藝，使變形后的金屬恢復(fù)到變形前，再繼續(xù)變形，如冷拔無(wú)縫鋼管，冷拉鋼絲、銅絲等。2/5/202367五、熱加工與冷加工的區(qū)別許多重要工件在機(jī)加工前，往往安排一道鍛造工序，如汽輪機(jī)的主袖、葉輪葉片，發(fā)電機(jī)．風(fēng)機(jī)、水泵的主軸、齒輪等。用金屬學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，凡在金屬的再結(jié)晶溫度以下的加工變形稱作冷加工，而在再結(jié)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(huì)出現(xiàn)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(xì)密質(zhì)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(guān)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(tài)圖。它以合金成分為橫坐標(biāo)，以溫度為縱坐標(biāo)，表示同一合金系在平衡狀態(tài)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(guān)系的圖形。平衡是指熱力學(xué)平衡，即一定成分的合金在一定溫度下各相的量不再發(fā)生變化，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)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(biāo)及其上幾個(gè)臨界點(diǎn)表示。圖1—51為工業(yè)純鐵的冷卻曲線及相圖。圖中左邊是工業(yè)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(guān)，且與合金的成分有關(guān)。如用一核坐標(biāo)表示合金的成分，用縱坐標(biāo)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(guān)系表示出來(lái)。圖1—52為銅—鎳合金相圖，Cu—Ni橫坐標(biāo)表示從0％Ni至100％Ni的合金系的所有成分。這樣二維坐標(biāo)平面上任一點(diǎn)(稱作表象點(diǎn))，即表示一個(gè)成分的合金在某一溫度時(shí)的狀態(tài)（相）。2/5/2023702/5/202371

2．相圖的測(cè)定二元合金相圖可以用多種方法則定，其中最簡(jiǎn)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(cè)定相圖的步驟：（1）配制不同成分的Cu—Ni合金，測(cè)出結(jié)晶開始溫度(上轉(zhuǎn)變點(diǎn))及結(jié)晶終了溫度(下轉(zhuǎn)變點(diǎn))：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(diǎn)平移至相圖上，如圖1-53(b)所示，并將同類的點(diǎn)描成線，稱為相界線，即的到一個(gè)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(qū)內(nèi)兩個(gè)平衡相的相對(duì)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(qū)L，固相線以下是固相區(qū)α，兩相線之間是二相平衡共存的區(qū)域L+α。若有任何一個(gè)成分的合金CX，在溫度t℃時(shí)處在兩相區(qū)L+α,這時(shí)的表相點(diǎn)為b。若通過(guò)該點(diǎn)作一水平與液相線及固相線交于a、c兩點(diǎn)，則a、c點(diǎn)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(duì)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(shè)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?yàn)楹辖鹬泻琋i量為Cx，t℃時(shí)，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(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)能夠形成無(wú)限固溶體