工程材料讲义.doc
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1、1 工程材料講義工程材料講義 緒論緒論 0.1 工程材料的發展過程 0.2 工程材料的分類 0.3 材料性能與化學成分和組織結構的關係 0.4 選擇材料須考慮的因素 0.5 壓力容器的監察機構和設計規範 0.6 學習本課程的目的和要求 0.7 參考書參考書 第一章:金屬的結晶與合金的構造第一章:金屬的結晶與合金的構造 1.1 金屬的晶體構造 1.2 金屬的結晶 1.3 金屬的同素異晶轉變 1.4 合金的晶體結構 1.5 二元合金狀態圖的構成 第二章:鐵碳合金與鐵碳合金相圖第二章:鐵碳合金與鐵碳合金相圖 2.1 碳鐵合金的基本組織 2.2 碳鐵合金狀態圖 第三章:鋼的熱處理第三章:鋼的熱處理 3
2、.1 鋼熱處理的基本原理 3.2 鋼的熱處理 第四章:金屬材料的變形與再結晶第四章:金屬材料的變形與再結晶 4.1 單晶體金屬的變形 4.2 多晶體金屬的變形 4.3 塑性變形對金屬組織和性能 2 4.4 塑性變形後的金屬在加熱時的組織和性能變化 第五章:金屬材料的脆性第五章:金屬材料的脆性 5.1 金屬材料的斷裂 5.2 脆性破壞事故分析 5.3 韌-脆性轉變溫度 5.4 無塑性溫度 5.5 金屬材料產生脆性斷裂的條件 5.6 金屬材料的脆化現象 第六章:金屬材料的高溫機械性能第六章:金屬材料的高溫機械性能 6.1 金屬材料的蠕變現象 6.2 金屬材料的高溫強度 6.3 蠕變和持久強度的推測
3、方法 6.4 鋼的持久塑性 6.5 影響材料高溫強度性能的因素 6.6 金屬材料的鬆弛 第七章:長期在高溫條件下金屬組織第七章:長期在高溫條件下金屬組織 7.1 珠光體球化 7.2 石墨化 7.3 合金元素在固溶體和碳化物之間的重新分配 第八章:鋼的過熱與過燒第八章:鋼的過熱與過燒 8.1 概述 8.2 鋼在高溫加熱中的變化 8.3 高溫加熱後的冷卻 8.4 鋼的過熱 8.5 鋼的過燒現象 第九章:金屬材料的腐蝕第九章:金屬材料的腐蝕 3 9.1 概述 9.2 金屬材料的高溫氧化 9.3 金屬材料的電化學腐蝕 9.4 金屬材料的應力腐蝕 9.5 蒸汽腐蝕 9.6 硫腐蝕 9.7 釩腐蝕 9.8
4、 氧腐蝕 9.9 防腐原理 第十章:金屬材料的疲勞第十章:金屬材料的疲勞 10.1 交變載荷的特性 10.2 高周疲勞特點 10.3 疲勞斷裂機理 10.4 影響材料疲勞抗力的因素 10.5 低周疲勞的特性 10.6 熱疲勞 10.7 腐蝕疲勞 10.8 接觸疲勞 10.9 提高材料與機件疲勞強度 第十一章:合金元素在鋼中的作用第十一章:合金元素在鋼中的作用 11.1 合金元素在鋼中的存在方式 11.2 合金元素對鋼的平衡組織的影響 11.3 合金元素對熱處理的影響 11.4 合金元素對對氧化與腐蝕的影響 11.5 合金元素對機械性能的影響 11.6 合金元素對鋼的工藝性能的影響 4 11.7
5、 幾種常用合金元素在鋼中的作用 第十二章:構件用鋼第十二章:構件用鋼 12.1 構件用鋼的力學特點 12.2 構件用鋼的工藝性能 12.3 構件用鋼耐大氣腐蝕性能 12.4 碳素構件用鋼 12.5 普通低合金結構鋼 12.6 進一步提高普低鋼力學性能途徑 第十三章:有色金屬及其合金第十三章:有色金屬及其合金 13.1 鋁及鋁合金 13.2 鎂及鎂合金 13.3 銅及銅合金 13.4 鈦及鈦合金 第十四章:金屬材料的加工工藝性能第十四章:金屬材料的加工工藝性能 14.1 金屬材料的鑄造性能 14.2 金屬材料的鍛造性能 14.3 金屬材料焊接性能 14.4 金屬材料的加工性 第十五章:鍋爐及壓力
6、容器常用鋼材第十五章:鍋爐及壓力容器常用鋼材 15.1 鍋爐及壓力容器對鋼材性能要求 15.2 鍋爐及壓力容器用鋼的分類 15.3 碳素鋼 15.4 普通低合金結構鋼 15.5 低合金熱強鋼 15.6 不鏽耐酸鋼 15.7 低溫用鋼 5 第十六章:工具鋼第十六章:工具鋼 16.1 概述 16.2 刃具用鋼 16.3 模具用鋼 16.4 量具用鋼 第十七章:不銹鋼第十七章:不銹鋼 17.1 概述 17.2 金屬腐蝕 17.3 不銹鋼的合金化原理 17.4 不銹鋼的種類和特點 第十八章:耐熱鋼及高溫合金第十八章:耐熱鋼及高溫合金 18.1 鋼的穩定性和熱穩定性 18.2 金屬的熱強性 18.3 -
7、Fe 基熱強鋼 18.4 -Fe 基熱強鋼 第十九章:鑄鐵第十九章:鑄鐵 19.1 鑄鐵的特點和分類 19.2 鑄鐵的結晶 19.3 鑄鐵的石墨化 19.4 灰鑄鐵 19.5 提高鑄鐵性能的途徑 19.6 可鍛鑄鐵 19.7 特殊性能的鑄鐵 19.8 鑄鐵的熱處理 6 緒緒 論論 按國際公約規定,社會經濟過程中的全部產品通常分為三類,即 硬體產品(hardware),軟體產品(software),和流程性產品(processed material)。世界各發達國家和我國都把“先進製造技術”列為優先發展 的戰略性高技術之一。先進製造技術主要指硬體產品的先進製造技術 和流程性材料產品的先進製造技術
8、。 工程材料-工程上使用的材料,與工程有關的材料。 一、工程材料發展過程一、工程材料發展過程 材料的發展與人類社會的發展緊密聯繫: 人類社會歷史:石器時代、銅器時代和鐵器時代 在 40-50 年代,材料的發展主要圍繞著機械製造業,因此,主要發展 了以一般力學性能為主的金屬材料, 50-60 年代,壓力容器向高強度方向發展更快,發展了高強度低合金 鋼。 60 年代以後,由於航空、空間機械和動力機械的發展對材料提出了更 苛刻的要求。如高溫、高壓、高的比強度和比模量等。 20 世紀後期,材料作為高技術的四大支柱(能源、材料、生命和資訊) 之一高速發展,新材料特別是非金屬人工合成材料如陶瓷材料、高分
9、子材料及複合材料快速發展。分析測試手段如:掃描電鏡、電子探針、 透射電鏡的發展以數位化、電腦的應用加速了材料的發展。 尤其是隨著材料的發展,對刀具和模具材料提出了更高的要求,只有 陶瓷材料和複合材料的出現,才能更好地滿足生產的需要。 7 工程材料主要應用於機械製造、航空、航太、化工、建築和交通運輸等 部門。 石油化工中主要有壓力容器,反應器,塔器,換熱器,貯槽等。 二、工程材料分類二、工程材料分類 8 三、材料性能與化學成分和組織結構的關係。三、材料性能與化學成分和組織結構的關係。 材料的所有性能都是其化學成分和組織結構在一定外界因素(載荷性 質、應力狀態、工作溫度和環境介質)作用下的綜合反映
10、。 材料的化學成分和組織結構是其力學性能的內部依據,而力學性能則 是具有一定化學成分和組織結構的外部表現。 鋼的化學成分是組織結構的主要決定因素之一。 化學成分一定時,可以通過不同的熱處理工藝改變材料的組織結構, 而導致材料在力學性能上有較大的差異。 四、選擇材料需考慮的因素四、選擇材料需考慮的因素 在零構件及壓力容器設計中,正確地選擇結構材料對於保證構件的結 構合理、安全使用和降低製造成本是至關重要的。 材料的選擇必須要考慮到許多因素,以壓力容器為例儘管工藝系統設 計人員負責推薦選用於工藝條件的、即具有良好耐腐蝕性能的材料或 對介質無污染的材料。但作為設備專業的設計人員,除應瞭解材料的 耐蝕
11、性能外,還必須知道:材料應具有足夠的強度和良好的焊接性能 和其它加工性能,應選擇適合於工藝和機械兩方面要求的最經濟的材 料這些材料應該是在整個設備工作壽命期限裡,考慮到維修、更新 等因素在內的成本最低的材料。 選擇結構材料時,需考慮的主要因素包括: (一)使用性能 9 1 力學性能 力學性能是針對失效而言。失效三種形式:變形,磨損和斷裂。 (1)強度指標抗拉強度、屈服點; =P/F 抗拉強度是材料的主要強度指標之一,它是材料在拉伸受力過程中, 從開始載入至斷裂所能承受的最大應力,是決定材料許用應力的主要 依據之一。在 GB228“金屬拉伸試驗方法”中給出了抗拉強度的定義 和試驗方法。 屈服點是
12、指呈現屈服現象的金屬材料,在所加外載荷不再增加(保持 恒定),而材料仍繼續伸長變形時所對應的應力對於在壓力容器行 業中通常使用的材料,規定以殘餘伸長率為 02時的應力作為決定 材料許用應力時的屈服點。GB 228 中給出了試驗方法。 (2)剛度彈性模量 剛度是結構抗彎曲和翹曲的能力,是度量構件在彈性範圍內受力時變 形大小的因素之一,它與材料的彈性模量和結 構元件的截面形狀(截 面慣性矩)有關。 彈性模量是材料在彈性極限內應力與應變的比值。 GB 150 附錄 1 給出了不同類別鋼材在不同溫度下的彈性模量 (3)韌性抗斷裂性能;衝擊韌性 Ak 韌性用來衡量材料的抗裂紋擴展能力對低碳鋼、鋁、銅一類
13、塑性材 料,其晶格結構能夠由於裂紋尖端的局部屈服而終止裂紋的擴展;對 於類似鑄鐵等脆性材料,其晶格結構不會使裂紋尖端產生局部屈服現 象,不能終止裂紋擴展,因此脆性材料不耐拉伸而在壓縮條件下,任 何已經存在的初始裂紋都可能閉合 10 (4)硬度耐磨性,洛氏硬度,維氏硬度 硬度是抵抗其它物體刻劃或壓入其表面的能力用標準試驗方法測得 的表面硬度是材料耐磨能力的重要指標如果容器是用於處理有摩擦 性的固體或含有可能引起磨蝕的懸浮固體的流體物料時,則應考慮材 料的表面硬度根據試驗方法的不同,有不同的量值表示硬度在壓 力容器行業中,多採用布氏硬度,其標準試驗方法是 GB231金屬布 氏硬度試驗方皆其它硬度表
14、示方法及試驗方法有: GB 230 “金屬洛氏硬度試驗方法” GB 4340“金屬維氏硬度試驗方法” (5)抗疲勞性能疲勞極限 材料或元件在交變應力(隨時間作週期性改變的應力)作用下,經過一 段時期後,在內部缺陷或應力集中的部位,局部產生細微的裂紋,裂 紋逐漸擴展以致在應力遠小於屈服點或強度極限的情況下,突然發生 脆性斷裂,這種現象稱為疲勞,例如頻繁進料、出料的週期性間歇操 作的設備,應考慮其疲勞失效的可能性 疲勞極限即材料承受近無限次應力迴圈(對鋼材約為 107 次),而不破 壞的最大應力值。 對於承受週期性迴圈載荷的容器分析設計,在即將發佈實施以應力分 析為基礎壓力容器設計方法“鋼制壓力容
15、器 另一標準”中另有專章規 定。 (6)抗蠕變性能 蠕變是在一個長時間內,在穩定的拉伸應力作用下材料出現逐漸伸長 的現象對於鋼材,通常只有在較高溫度下才會發生蠕變;對於少數 材料,在中等溫度下就有顯著的蠕變速度,如鉛,甚至在常溫下就會 在本身重量下產生蠕變。所以用鉛作村裡時,必須以較小的間隔予以 11 支承固定。GB 150 中是以設計溫度下經過 10 萬小時蠕變率為 1的 蠕變極限作為設計基礎的。 (7) 溫和低溫對力學性能的影響 材料的抗拉強度、屈服點和彈性模量隨溫度的升高而降低如果設備 的操作溫度較高,則必須選用在相應溫度下能保持其強度指標的材料。 顯然,不銹鋼比普通碳鋼要優越得多。如果
16、材料在高溫下承受高的應 力,則材料的抗蠕變性能是關鍵性的必要時採用特殊合金,如因康 鎳。 對於 0以下的低溫設備,通常的塑性金屬材料可能以脆性方式破 壞。脆性失效的現象與金屬的晶體結構有關。體心立方(bcc)晶格的 金屬要比面心立方晶格(fcc)的金屬更容易發生脆性失效。對於低溫 容器,如深冷裝置和某些液化氣體的貯存,有時要規定使用奧氏體不 銹鋼和鋁合金。 引起鋼制焊接壓力容器脆性破壞的因索非常複雜。它取決於材料的 晶格結構,板材的厚度、加工後的殘餘應力、結構缺陷以及材料的使 用溫度 目前各國標準規範均以夏比 V 型缺口衝擊試驗來檢驗材料對施性破 壞的敏感性,其指標為衝擊(吸收)功 Akv,即
17、具有一定形狀尺寸的金 屬試樣在衝擊負荷下折斷時所吸收的功,單位為焦耳(J)標準試驗 方法有: GB 2106 “金屬夏比(V 型缺口)衝擊試驗方法” GB 4159 “金屬低溫夏比衝擊試驗方法” 所謂材料的使用溫度是指容器在正常操作過程中,元件材料可能達 到的溫度,GB 150 規定,該溫度不得超過各許用應力表中各鋼號所 對應的上限溫度;對於 0以下的使用溫度,要求材料仍能符合對其 低溫衝擊功指標的要求 12 2化學性能 耐腐蝕性能; 3物理性能 特殊性能:如導熱性,硬化性能; (二)工藝性能 機械加工性能一成型、焊接、鍛造、機加工、熱處理; (三)其他 標準系列尺寸一常用板材、管材與型材的規
18、格; 材料價格 六、學習本課程的目的和要求六、學習本課程的目的和要求 目的和要求:根據各種實際工作條件選擇適當的材料。 第一章:金屬的結晶與合金的構造第一章:金屬的結晶與合金的構造 1.1 金屬的晶體構造金屬的晶體構造 1.1.1 晶體概念 指原子(離子)呈規則排列的物體。 晶體特點: (1)有固定熔點, (2)原子呈規則排列,宏觀斷口有一定形態且不光滑 (3)各向異性,由於晶體在不同方向上原子排列的密度不同,所以晶 體在不同方向上的性能也不一樣。 晶體:絕大多數的固態物質,固態的金屬和合金。 13 非晶體:玻璃,瀝青。 1.1.2 金屬的晶體結構 晶體有規則的原子排列,主要是由於各原子之間的
19、相互吸引力與排 斥力相平衡。 為了便於說明和分析各種晶體的原子排列規律,把原子看成一個點, 並用假想的直線將各點連接起來,這樣就構成了一個假想的空間格子。 這種用以描述原子在晶體中排列的空間格子叫晶格。組成晶格的最基 本幾何單 元叫晶胞。晶胞各邊尺寸及夾角稱為“晶格常數”。 1.1.3 三種常見的晶格及分析 (1)體心立方晶格:鉻,釩,鎢,鉬,-Fe。1/8*8+1=2 個原子 (2)面心立方晶格:鋁,銅,鉛,銀,-Fe。1/8*8+1/2*6=4 個原子 (3)密排六方晶格:鎂,鋅。6 個原子 1.1.3.1 反映金屬晶體排列緊密的參數 晶格的緻密度:晶胞中所包含的原子所佔有的體積與該晶胞體
20、積之比。 配位數:晶格中任一原子周圍所緊鄰的最近且等距離的原子數。 晶格類型配位數緻密度 體心立方80.68 面心立方120.74 密排六方120.74 1.1.3.2 晶面與晶向指數: 晶面:晶體中各種方向上的原子面。 晶向:晶體中各種方向上的原子列。 在研究金屬晶體結構的細節及其性能時,需要分析它們的各種晶面和 晶向中原子分佈的特點,因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符 號,以表示出它們在晶體中的方位或方向,便於分析。晶面和晶向的 14 這種符號分別叫“晶面指數”和“晶向指數”。 確定晶面指數的步驟: (1)設晶格中某一原子為原點,通過該點平等於晶胞的三棱邊作 OX,OY,OZ 三坐標軸
21、,以晶格常數 a,b,c 分別作為相應的三個坐標 軸上的量度單位,求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距; (2)將所得三截距之值變為倒數; (3)再將這三個倒數按比例化為最小整數,並加上一圓括號,即為晶 面指數。晶面指數的一般形式用(hkl)表示。 立方晶格中三個重要晶面 100,110,111 晶向指數的確定方法: (1)通過座標原點引一直線,使其平行於所求的晶向; (2)求出該直線上任意一點的三個座標值; (3)將三個座標值按比例化為最小整數,一般用uvw表示。 晶面與晶向的原子密度: 晶面原子密度:單位面積中的原子數 晶向原子密度:單位長度上的原子數。 例:體心立方晶格 晶面指 數 晶面
22、密度晶向指 數 晶向密 度 1001/a21/a 1101.4/a20.7/a 1110.58/a21.16/a 單晶體應用例子: 變壓器中的矽鋼片晶向指數為,利用了它的磁導率 15 多晶體結構 如果一個晶體內部的晶格方位完全一致,稱為單晶體。工業中實際使 用的金屬材料,包含了許多小晶體,內部晶格方位一致,但彼此方位 不同,多晶體。晶粒與晶粒之間的介面稱為晶界。 單晶體各向異性,多晶體一般不顯示各向異性。 1.2金屬的結晶金屬的結晶 1.2.1 結晶 液態金屬冷卻至凝固溫度時,金屬原子例由無規則運動狀態轉變為按 一定幾何形狀作有序排列的狀態,這種由液態金屬轉變為晶體的過程 稱為金屬的結晶。 冷
23、卻曲線: 過冷現象:實際上有較快的冷卻速度。 過冷度:理論結晶溫度與實際結晶溫度之差,過冷度。 1.2.2 結晶過程 不斷產生晶核和晶核長大的過程 1.2.3 金屬結晶後晶粒大小 一般來說,晶粒越細小,材料的強度和硬 度越高,塑性韌性越好。 細化晶粒的方法: (1) 增大過冷度,增加晶核數量 (2) 加入不熔物質作為人工晶核 (3) 機械振動、超聲波振動和電磁振 動 16 1.3 金屬的同互異晶轉變金屬的同互異晶轉變 大多數金屬在結晶完成後的繼續冷卻中,其晶體結構不再發生變化, 如鋁、銅等。也有少數金屬如鐵、鈦等。這種金屬在固態下晶體結構隨 溫度發生變化的現象稱為同素異晶轉變。 1538 -F
24、e 1394 -Fe 912 -Fe 因為鐵能發生同素異晶轉變,在生產中才有可能對鋼和鑄鐵進行各種 熱處理,改變它的組織與性能,以發揮材料的潛力。 1.4 合金的晶體結構合金的晶體結構 純金屬一般強度低,工業生產中大量使用的金屬材料都是合金,碳鋼, 合金鋼,鑄鐵,鋁鎂合金。 1.4.1 合金概念 由兩種或兩種以上的金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的 物質稱為合金。 1.4.2 合金結構 (1) 固溶體 指溶質的原子溶入溶劑原子的晶格中或取代了栽些溶劑原子的位置, 而仍保持溶劑原子晶格類型的一種成分和性能均勻的固態合金。 如鐵素體是碳在固溶體中的混合物。 (2) 金屬化合物 合金組元間按一
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