《锅炉与压力容器用钢》

《锅炉与压力容器用钢》 绪论 放入我的网络收藏夹 绪 论 按国际公约规定，社会经济过程中的全部产品通常分为三类，即硬件产品(hardware)，软件产品(software)，和流程性产品(processed material)。世界各发达国家和我国都把“先进制造技术”列为优先发展的战略性高技术之一。先进制造技术主要指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料-工程上使用的材料，与工程有关的材料。 0.1工程材料的发展过程 放入我的网络收藏夹 一、工程材料发展过程 材料的发展与人类社会的发展紧密联系: 人类社会历史:石器时代、铜器时代和铁器时代 在40-50年代，材料的发展主要围绕着机械制造业，因此，主要发展了以一般力学性能为主的金属材料， 50-60年代，压力容器向高强度方向发展更快，发展了高强度低合金钢。 60年代以后，由于航空、空间机械和动力机械的发展对材料提出了更苛刻的要求。如高温、高压、高的比强度和比模量等。 20世纪后期，材料作为高技术的四大支柱(能源、材料、生命和信息)之一高速发展，新材料特别是非金属人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及复合材料快速发展。分析测试手 段如:扫描电镜、电子探针、透射电镜的发展以数字化、计算机的应用加速了材料的发展。 尤其是随着材料的发展，对刀具和模具材料提出了更高的要求，只有陶瓷材料和复合材料的出现，才能更好地满足生产的需要。 工程材料主要应用于机械制造、航空、航天、化工、建筑和交通运输等部门。 石油化工中主要有压力容器，反应器，塔器，换热器，贮槽等。 0.2工程材料的分类 放入我的网络收藏夹 二、工程材料分类 0.3材料性能与化学成分和组织结构的关系 放入我的网络收藏夹 三、材料性能与化学成分和组织结构的关系。 材料的所有性能都是其化学成分和组织结构在一定外界因素(载荷性质、应力状态、工作温度和环境介质)作用下的综合反映。 材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据，而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。 钢的化学成分是组织结构的主要决定因素之一。 化学成分一定时，可以通过不同的热处理工艺改变材料的组织结构，而导致材料在力学性能上有较大的差异。 0.4选择材料须考虑的因素 放入我的网络收藏夹 四、选择材料需考虑的因素 在零构件及压力容器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中，正确地选择结构材料对于保证构件的结构合理、安全使用和降低制造成本是至关重要的。 材料的选择必须要考虑到许多因素，以压力容器为例尽管工艺系统设计人员负责推荐选用于工艺条件的、即具有良好耐腐蚀性能的材料或对介质无污染的材料。但作为设备专业的设计人员，除应了解材料的耐蚀性能外，还必须知道:材料应具有足够的强度和良好的焊接性能和其它加工性能，应选择适合于工艺和机械两方面要求的最经济的材 料(这些材料应该是在整个设备工作寿命期限里，考虑到维修、更新等因素在力学性能 力学性能是针对失效而言。失效三种形式:变形，磨损和断裂。 (1)强度指标——抗拉强度、屈服点; ,=P/F 抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。在GB228“金属拉伸试验方法”中给出了抗拉强度的定义和试验方法。 屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加(保持恒定)，而材料仍继续伸长变形时所对应的应力(对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率为0(2,时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB 228中给出了试验方法。 (2)刚度——弹性模量 刚度是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大小的因素之一，它与材料的弹性模量和结 构元件的截面形状(截面惯性矩)有关。 弹性模量是材料在弹性极限内应力与应变的比值。 GB 150附录1给出了不同类别钢材在不同温度下的弹性模量( (3)韧性——抗断裂性能;冲击韧性Ak 韧性用来衡量材料的抗裂纹扩展能力(对低碳钢、铝、铜一类塑性材料，其晶格结构能够由于裂纹尖端的局部屈服而终止裂纹的扩展;对于类似铸铁等脆性材料，其晶格结构 不会使裂纹尖端产生局部屈服现象，不能终止裂纹扩展，因此脆性材料不耐拉伸(而在压缩条件下，任何已经存在的初始裂纹都可能闭合( (4)硬度——耐磨性，洛氏硬度，维氏硬度 硬度是抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力(用标准试验方法测得的表面硬度是材料耐磨能力的重要指标(如果容器是用于处理有摩擦性的固体或含有可能引起磨蚀的悬浮固体的流体物料时，则应考虑材料的表面硬度(根据试验方法的不同，有不同的量值表示硬度(在压力容器行业中，多采用布氏硬度，其标准试验方法是GB231‘金属布氏硬度试验方皆(其它硬度表示方法及试验方法有: GB 230 “金属洛氏硬度试验方法” GB 4340“金属维氏硬度试验方法” (5)抗疲劳性能——疲劳极限 材料或元件在交变应力(随时间作周期性改变的应力)作用下，经过一段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间 歇操作的设备，应考虑其疲劳失效的可能性( 疲劳极限即材料承受近无限次应力循环(对钢材约为107次)，而不破坏的最大应力值。 对于承受周期性循环载荷的容器分析设计，在即将发布实施以应力分析为基础压力容器设计方法“钢制压力容器 另一标准”中另有专章规定。 (6)抗蠕变性能 蠕变是在一个长时间内，在稳定的拉伸应力作用下材料出现逐渐伸长的现象(对于钢材，通常只有在较高温度下才会发生蠕变;对于少数材料，在中等温度下就有显著的蠕变速度，如铅，甚至在常温下就会在本身重量下产生蠕变。所以用铅作村里时，必须以较小的间隔予以支承固定。GB 150中是以设计温度下经过10万小时蠕变率为1,的蠕变极限作为设计基础的。 (7) 温和低温对力学性能的影响 材料的抗拉强度、屈服点和弹性模量随温度的升高而降低(如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。显然，不锈钢比普通碳钢要优越得多。如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的(必要时采用特殊合金，如因康镍。 对于0?以下的低温设备，通常的塑性金属材料可能以脆性方式破坏。脆性失效的现象与金属的晶体结构有关。体心立方(bcc)晶格的金属要比面心立方晶格(fcc)的金属更容易发生脆性失效。对于低温容器，如深冷装置和某些液化气体的贮存，有时要规定使用奥氏体不锈钢和铝合金。 引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因索非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度、加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度( 目前各国标准规范均以夏比V型缺口冲击试验来检验材料对施性破坏的敏感性，其指标为冲击(吸收)功Akv，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击负荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳(J)(标准试验方法有: GB 2106 “金属夏比(V型缺口)冲击试验方法” GB 4159 “金属低温夏比冲击试验方法” 所谓材料的使用温度是指容器在正常操作过程中，元件材料可能达到的温度，GB 150规定，该温度不得超过各许用应力表中各钢号所对应的上限温度;对于0?以下的使用温度，要求材料仍能符合对其低温冲击功指标的要求( 2(化学性能 耐腐蚀性能; 3(物理性能 特殊性能:如导热性，硬化性能; (二)工艺性能 机械加工性能一成型、焊接、锻造、机加工、热处理; (三)其他 标准系列尺寸一常用板材、管材与型材的规格; 材料价格( 0.5压力容器的监察机构和设计规范 放入我的网络收藏夹 五、压力容器监察机构和设计规范 监察机构:技术监督局 管理规范:锅炉压力容器安全监察条例 设计规范:GB150《钢制压力容器》GB151《钢制管壳式换热器》 0.6学习本课程的目的和要求 放入我的网络收藏夹 六、学习本课程的目的和要求 目的和要求:根据各种实际工作条件选择适当的材料。 0.7参考书 放入我的网络收藏夹 七、参考书 1(《锅炉与压力容器用钢》章燕谋著，西安交通大学出版社1996 2(《金属材料及热处理》，史美堂主编，上海科学技术出版社，1980年。 3(《高性能压力容器和压力钢管用钢》陈晓，秦晓钟主编，机械工业出版社，1998年。 4(《金属工艺学》沈锦鳌等主编，航空工业出版社，1991年。 第一章:金属的结晶与合金的构造 放入我的网络收藏夹 第一章:金属的结晶与合金的构造 1.1 金属的晶体构造 1.2 金属的结晶 1.3 金属的同素异晶转变 1.4 合金的晶体结构 1.5 二元合金状态图的构成 1.1 金属的晶体构造 放入我的网络收藏夹 1.1 金属的晶体构造 1.1.1 晶体概念 指原子(离子)呈规则排列的物体。 晶体特点: (1)有固定熔点， (2)原子呈规则排列，宏观断口有一定形态且不光滑 (3)各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在不同方向上的性能也不一样。 晶体:绝大多数的固态物质，固态的金属和合金。 非晶体:玻璃，沥青。 1.1.2 金属的晶体结构 晶体有规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡。 为了便于说明和分析各种晶体的原子排列规律，把原子看成一个点，并用假想的直线将各点连接起来，这样就构成了一个假想的空间格子。这种用以描述原子在晶体中排列的空间格子叫晶格。组成晶格的最基本几何单 元叫晶胞。晶胞各边尺寸及夹角称为“晶格常数”。 1.1.3 三种常见的晶格及分析 (1)体心立方晶格:铬，钒，钨，钼，α-Fe。1/8*8+1=2个原子 (2)面心立方晶格:铝，铜，铅，银，γ-Fe。1/8*8+1/2*6=4个原子 (3)密排六方晶格:镁，锌。6个原子 1.1.3.1 反映金属晶体排列紧密的参数 晶格的致密度:晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 配位数:晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。 1.1.3.2 晶面与晶向指数: 晶面:晶体中各种方向上的原子面。 晶向:晶体中各种方向上的原子列。 在研究金属晶体结构的细节及其性能时，需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向，便于分析。晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。 确定晶面指数的步骤: (1)设晶格中某一原子为原点，通过该点平等于晶胞的三棱边作OX，OY，OZ三坐标轴，以晶格常数a,b,c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距; (2)将所得三截距之值变为倒数; (3)再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用(hkl)表示。 立方晶格中三个重要晶面100,110,111 晶向指数的确定方法: (1)通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向; (2)求出该直线上任意一点的三个坐标值; (3)将三个坐标值按比例化为最小整数，一般用[uvw]表示。 晶面与晶向的原子密度: 晶面原子密度:单位面积中的原子数 晶向原子密度:单位长度上的原子数。 例:体心立方晶格 单晶体应用例子: 变压器中的硅钢片晶向指数为<100>，利用了它的磁导率 多晶体结构 如果一个晶体 金属的结晶 1.2.1 结晶 液态金属冷却至凝固温度时，金属原子例由无规则运动状态转变为按一定几何形状作有序 排列的状态，这种由液态金属转变为晶体的过程称为金属的结晶。 冷却曲线: 过冷现象:实际上有较快的冷却速度。 过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差，过冷度。 1.2.2 结晶过程 不断产生晶核和晶核长大的过程 1.2.3 金属结晶后晶粒大小 一般来说，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越好。 细化晶粒的方法: (1) 增大过冷度，增加晶核数量 (2) 加入不熔物质作为人工晶核 (3) 机械振动、超声波振动和电磁振动 1.3 金属的同素异晶转变 放入我的网络收藏夹 1.3 金属的同互异晶转变 大多数金属在结晶完成后的继续冷却中，其晶体结构不再发生变化，如铝、铜等。也有少数金属如铁、钛等。这种金属在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。 1538? δ-Fe 1394? γ-Fe 912? α-Fe 因为铁能发生同素异晶转变，在生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，改变它的组织与性能，以发挥材料的潜力。 1.4 合金的晶体结构 放入我的网络收藏夹 1.4 合金的晶体结构 纯金属一般强度低，工业生产中大量使用的金属材料都是合金，碳钢，合金钢，铸铁，铝镁合金。 1.4.1 合金概念 由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。 1.4.2 合金结构 (1) 固溶体 指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了栽些溶剂原子的位置，而仍保持溶剂原子晶格类型的一种成分和性能均匀的固态合金。 如铁素体是碳在固溶体中的混合物。 (2) 金属化合物 合金组元间按一定的原子数量之比，相互化合而成的一种具有金属特性的新相，称为金属化合物。如Fe3C(渗碳体) (3) 机械混合物 由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织。 如珠光体是渗碳物与铁素体的混合物。 1.5 二元合金状态图的构成 放入我的网络收藏夹 1.5 二元合金状态图的构成 合金状态图即合金结晶过程的简明图解，反映在平衡条件下不同成分合金在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，以了解合金在温度变化时的相变过程及组织形成的规律。是分析合金组织、确定热加工工艺、预测材料性能的依据。 1.5.1 二元合金状态图的建立 通过实验建立的 以Pb-Sb合金为例 (1)首先配制几组成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它们的冷却曲线 (2)作出每个合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点(即停歇点和转折点) (3)作一个以温度为纵坐标(单位为?)，以合金成分为横坐标(单位为重量或原子百分数)的直角坐标系统，并自横坐标上各成分点作垂直线——成分垂线，然后把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各合金的成分垂线上。(4) 将各成分垂线上具有相同意义的点连接成线，并根据已知条件分析结果作标记。 相律:合金系在平衡状态下，系统的自由度(f)与组元数(C)和平衡相数(P)之间关系的定律。 f=C-P+2 自由度:保持合金系相的数目不变条件下，可独立改变的影响合金状态的=C-P+1，对二元系，C=2,则f =3-P，可知: f =0，P=3,平衡相最大为 3;P=3，f=0,温度、相成分一定;P=2，f=1,温度或相的成分可变，但只有一个独立变量;P=1;f=2，温度和相成分均可独立改变。 1.5.2 匀晶相图 当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图，称为二元匀晶相图。具有这类相图的合金系主要有:Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni及W-Mo 二元相图的杠杆定律:杠杆定律:用来确定二相平衡时，两平衡相的成分和相对量。 (1)确定两平衡相成分的方法 (2)确定两平衡相相对量的方法: WL• a r = Wa • r b 或 WL/ Wa= r b/ a r 注意:杠杆定律只适用于两相区。 合金的结晶过程: 匀晶转变:由液相结晶出均一固相过程。 一、相图分析 以Cu-Ni合金相图为例: 相线:液相线、固相线 相区:单相区、两相区 结晶过程:0-1, 1，L相, 降温过程; 1-2，L->α 相变过程; 2，α相，成分为合金成分; 2-3，α相，降温过程; 3，α相，室温组织 相变过程: t1: 液相开始析出α，α成分由固相线确定,为α1，液相成分L1; t2: L+α, 成分分别由液相线和固相线确定，为 L2、α2，α1 -> α2， L1 -> L2,两相的相对量用杠杆定律确定; 继续降温，成分分别沿固、液相线变化，W?α ， WL?; t3:结晶结束，固溶体成分α3=合金成分 总之，结晶过程是一动态过程。 选份结晶(选择结晶):从液相结晶出的固溶体成分与液相成分不同，含有较多的高熔 点组元。 固溶体结晶与纯金属结晶的异同: 相同点:一定过冷度，形核与长大过程; 不同点: 纯金属:恒温结晶;结构起伏与能量起伏;结晶时无成分变化; 固溶体:变温结晶;结构起伏、能量起伏和成分起伏;结晶过程总存在原子扩散，以进行溶质在液固两相中的再分配。 1.5.3 二元共晶相图 共晶体:共晶转变所得的两相机械混合物。 当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的相图称为二元共晶相图。如Pb-Sn,Pb-Sb等。 一、相图分析 相区:3个单相区，3个双相区 相线:液相线，固相线。 共晶反应线，在共晶线上，f=C-P+1=2-3+1=0，在恒温进行，三相的成分恒定。固溶线: MF和NG 点:E点共晶点，共晶反应时液相的成分。 二、典型合金的平衡结晶及其组织 分析要点:临界点、冷却曲线、相状态、成分变化、室温组织与相对量 1.含Sn<19%的合金 2.共晶成分合金(61.9%Sn) 3.亚共晶合金(50%Sn) 4.过共晶合金(80%Sn) 组织与相:不同成分Pb-Sn合金室温下相均为a+b，但组织则因成分而异。Pb-Sn合金组织分区图。 三、初生相和共晶体的组织特征 1. 初生相的组织特征 纯金属或固溶体，一般呈树枝状，平面磨面可呈树枝状、卵形或颗粒状。 亚金属、非金属或金属化合物，一般具有规则外形。 2. 共晶体的组织特征 共晶团:由一个晶核形成的共晶体。 共晶体形态多样:层片状、棒状、球状、针片状、螺旋状等。 3.离异共晶:发生共晶转变时，共晶组织中与先共晶相相同的一相会依附于先共晶相生长， 而将另一相推向最后凝固的晶界处，从而失去了共晶组织特征，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 四、共晶合金的不平衡结晶及其组织 1.伪共晶 伪共晶:非共晶成分的合金在快冷条件下得到100%的共晶组织。 伪共晶产生条件:合金过冷至伪共晶区。 2.离异共晶(非平衡条件) 3.其他变化: 组织形态:细小 相对量:初生相减少、共晶组织增多 1.5.4 包晶相图 包晶转变:一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的转变，即L+β->α 包晶相图:具有包晶转变的相图。Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Sn-Sb等具有包晶相图。 1.5.5 相图分析方法与应用 一、分析相图的基本方法 • 分析相图中的相和相区 • 分析相图中有无水平直线，并判断其转变类型是共晶型还是包晶型。 • 根据相区接触法则确定图形结构是否合理。相区接触法则即“相邻相区相数差一” • 分析任一合金的结晶过程。 二、利用相图判断合金的性能 (1)利用相图判断合金力学性能 利用相图可确定合金在某一温度下的相平衡关系，计算各相相对量，再根据各相的性质，大致判断合金性能。 (2)利用相图判断合金工艺性能 第二章:铁碳合金与铁碳合金相图 放入我的网络收藏夹 第二章:铁碳合金与铁碳合金相图 2.1 碳铁合金的基本组织 2.2 碳铁合金状态图 2.1 碳铁合金的基本组织 放入我的网络收藏夹 2.1 铁碳合金的基本组织 1.1. 铁素体 碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。 1.2. 奥氏体 碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。高温组织，在大于727?时存在。 塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。 1.3. 渗碳体 铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C 1.4. 珠光体 F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。 1.5. 莱氏体 A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。 2.2 碳铁合金状态图 放入我的网络收藏夹 2.2 铁碳合金状态图 2.2.1 状态图主要点线 主要点 主要线: ABCD线 液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线 固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 GS线 A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线 ECF线 共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。 PSK线 共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体 2.2.2 铁碳合金分类 2.2.2.1 钢 含C量0.0218,2.11% 共析钢 含C量0.77% 亚共析钢0.0218-0.77% 过共析钢0.77-2.11% 2.2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69% 共晶白口铸铁 4.3% 亚共晶白口铸铁 2.11-4.3% 过共晶白口铸铁 4.3-6.69% 2.2.3 铁碳合金相图的作用 在铸造方面 选择合适的浇铸温度，流动性好 在煅造方面 选择合适的温度区，奥氏体区 在热处理方面 退火，正火，淬火等 2.2.4 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一、含碳量对平衡组织的影响 室温下，铁碳合金均由两相组成 随含碳量不同，可分为七个典型组织区 二、含碳量对机械性能的影响 • 珠光体P:为F + Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好; • 亚共析钢:由F + P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高;过共析钢:P+ Fe3C(II)组成，当含碳量， Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高;当含碳量>1%， Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。莱氏体:硬而脆 第三章:钢的热处理 放入我的网络收藏夹 改善钢的性能，主要有两个途径 (1) 调整钢的化学成分，加入合金元素 (2) 钢的热处理，改变组织结构 热处理:通过加热，保温，冷却等操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。 分类: 普通热处理:退火，正火，淬火，回火 表面热处理:表面淬火(火焰加热，感应加热)，化学热处理(渗碳，氮化，碳氮共渗) 3.1 钢热处理的基本原理 放入我的网络收藏夹 3.1 钢热处理的基本原理 加热或冷却时钢组织结构发生变化。 3.1.1 钢在加热时的组织转变 A1，A3，Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度(平衡临界点)。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度;用Ar1，Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度。 大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体， 即“奥氏体化”。 以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变。 3.1.1.1 形成过程 共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。 P=F(体心立方)+Fe3C(复杂晶格)——>A(面心立方) 奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段: * 奥氏体晶核形成 晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。 * 奥氏体晶核的长大 含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F->A及Fe3C溶解。 * 残余奥氏体的溶解 F先转变完，Fe3C完全溶解 * 奥氏体成分均匀化 碳扩散使A含C量趋于均匀。 3.1.1.2 影响珠光体向奥氏体转变的因素 * 形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度 形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了A中C浓度梯度，加速成A形成。 * 含C量越高，F和Fe3C相界面增多，有得于A形成。 * P越细，A形成速度越快。 * 连续加热时，随着加热速度增大，A形成温度提高，所需时间缩短。 3.1.1.3 奥氏体晶粒的长大及其影响因素 晶粒度分为起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度。 起始晶粒度:指珠光体刚刚全部转变为A时的A晶粒度。 实际晶粒度:指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。直接影响钢件性能。 本质晶粒:指A晶粒长大的倾向性(本质细晶粒钢，本质粗晶粒钢) A晶粒长大及其影响因素: * 奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。 * 加入合金元素影响奥氏体晶粒长大。 能形成稳定碳化物元素Ti，Cr，抑制A长大。 Mn，P等则加速A长大 3.1.2 钢在冷却时的组织转变 冷却方式有两种: (1)等温冷却 就是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等。 (2)连续冷却、 将加热后组织为全部奥氏体的钢，以某一速度冷却，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变。如退火(炉冷)，正火(空冷)，普通淬火(油、水泠)。 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能 珠光体，索氏体，屈氏体:晶粒粗细之分。 马氏体:C在α-Fe中的过饱和固溶体，高强度，高硬度和耐磨性 贝氏体:由含碳过饱和F和碳化物组成的两相混合物。上贝氏体，下贝氏体(高强，韧) 3.1.2.1 过冷A等温冷却 将A过冷到Ar1以下的某一温度，并在此温度等温停留过程中完成其组织转变过程，称为过冷A的等温转变。 (1) 高温转变区Ar1-550 (2) 中温转变区550-230 (3) 低温转变区 3.1.2.2. 过冷A连续冷却转变 在实际热处理生产中，A的转变大多是在连续冷却过程中进行的，常在炉内、空气中，油中或水中冷却。与等温转变一样也能发生珠光体、贝氏体、马氏体等转变，但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区，会发生几种转变，得到几种转变产物的复合组织。 3.2 钢的热处理 放入我的网络收藏夹 3.2 钢的热处理 3.2.1 退火与正火 钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。 退火:把钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋 入炉中或导热性较差的介质中，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。 目的: (1)降低钢的硬度，改善切削加工性; (2)提高钢的塑韧性，便于成形加工; (3)细化晶粒 (4)消除工件 消除 淬火与回火 淬火:将钢加热到Ac3或Ac1线以上30-50?，保温一定时间后，在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织。 目的:主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。 两个概念:淬透性，淬硬性 淬火后强度和硬度有了较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较 大内应力，如不及时处理， 会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。 回火:将淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间(2-4小时)，然后取出在空气或油中冷却。 回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。 目的: (1)降低脆性，减少内应力，防止变形开裂 (2)调整钢件的机械性能 (3)稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。 低温回火:加热到150-250?，保温1-3小时后空冷，得到回火马氏体。(保证高硬度，如刃具、量具) 中温回火:加热到350-450?，保温后空冷，得到回火屈氏体。(高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧) 高温回火:加热到500-650?，保温后空冷，得到回火索氏体。(有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮) 淬火+高温回火=调质处理 3.2.3 表面热处理 机器零件如齿轮，曲轴工件条件不同，有时受冲击，表面受摩擦，要求芯部有足够强度，韧性，表面有高的硬度和耐磨性。 3.2.3.1. 表面淬火 火焰加热表面淬火;感应加热表面淬火 3.2.3.2. 表面化学热处理 渗碳:向钢的表面渗入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性。 渗氮:在工件表面渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。提高材料表面硬度、抗疲 劳性和耐磨性，且渗氮性能优于渗碳。 碳氮共渗:碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。 渗铬:有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。 渗硼:十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。 第四章:金属材料的变形与再结晶 放入我的网络收藏夹 金属材料在承受外力时，会产生一定的变形，随着外力的增加，其变形将由弹性变形转变为塑性变形，直至断裂。金属材料的变形特性在工程技术上十分重要， (1)由于铸态金属中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密及杂质偏析等缺陷，故工业上的金属材料大多要在浇注后经过压力加工再予使用。 (2)把材料制作成所要求的形状。 因为通过压力加工时的塑性变形，金属的组织也会发生很大的变化，可使某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给金属的组织和性能带来某些不利的影响，因此在压力加工之后或在其加工的过程中，还应经常对金属进行加热，使其发生回复与再结晶，以消除不利的影响。 工程上实际材料均为多晶体组织，为了更好地了解多晶体材料的变形，首先了解单晶体的变形特性。