电厂高温金属材料

电厂高温金属材料 电厂高温金属材料课程自学辅导资料 二??八年十月 0 电厂高温金属材料课程自学进度表 教材:电厂金属材料 教材编者:宋琳生 出版社:中国电力出版社 出版时间:2003 三、课程及时间安排表 周学学习内容 习题作业 测验作业 自学重点、难点、基本要求 次 时 第一章 1. 何谓力学性能,金属材料的力学性能1. 某金属材料的拉伸试样，10 掌握强度与塑性、硬度:(HB、HR、HV)、冲击韧性。金属材料主要包括哪些特性, 其Lo,100mm，do,疲劳强度等概念， 的基础知2. 为什么机械零件大多数以屈服强10mm。拉伸时产生0.2,了解晶界与晶粒位向的影响、冷塑性变形对组织和性能识 度为设计依据, 残余变形的外力为的影响; 3. HBS、HBR、HV、Hm各代表用什么,85000N，65000N，F重点掌握热作软化三阶段及冷热加工的区别界限 m 方法测得的硬度, 拉断后对接起来测得L第一节 u 4. K是代表何种力学性能的符号,并解,120mm，d,6.4mm，重点内容: ICu 释其意义。 试求该金属材料的R、 1、强度与塑性 p0.2 5. 解释下列名词: R、A、Z. 2、硬度:HB、HR、HV m 晶核、晶胞、晶格、晶体、晶粒、晶2. 试说明疲劳裂纹产生的3、冲击韧性:α K 界;合金;组元;相;组织;固溶体;条件、疲劳断裂过程及其4、疲劳强度:σ -1 金属化合物。 断口特性。 难点内容: 6. 金属晶格的基本类型有哪几种,试绘3. 何谓金属键,试用金属性能指标的测试过程。 图说明它们原子排列情况。 键说明金属有良好的导第二节 7. 试述液态金属的结晶过程。 电性、导热性及塑性。 重点内容: 8. 什么叫过冷度,过冷度的大小对金属4. 试计算面心立方体晶格1、晶体概念:晶体、晶格、晶胞。 结晶后的晶粒大小和力学性能有何影的致密度。 2、常见的三种晶格。 响, 5. 试比较滑移与孪生有何 3、单晶体与多晶体。 9. 何谓加工硬化现象,试述产生加工硬不同,为何产生滑移的 4、晶体缺陷:点、线、面缺陷。 化的原因。 切应力较小, 5、纯金属的结晶:结晶概念、影响晶粒大小的因素、冷却 10. 试用生产和生活中的实际例子说明 曲线。 加工硬化的利弊。 6、同素异晶转变。 11. 多晶体的屈服强度为何比单晶体的难点内容: 高,为什么常温下的金属晶粒愈细，1( 影响晶粒大小的因素。 1 其强度及塑性、韧性均愈好, 2( 同素异晶转变。 12. 何谓再结晶现象,试述产生再结晶第三节 的原因。 重点内容: 13. 固溶体和金属化合物在结构上有何1、单晶体的塑性变形:滑移、孪生。 不同,其力学性能各有什么特点, 2、多晶体的塑性变形:晶体与晶粒位向的影响。 14. 什么是固溶强化,引起固溶强化的3、塑性变形对组织和性能的影响。 原因是什么,固溶强化与加工硬化有4、热作软化三阶段:回复，再结晶，晶粒聚集长大。 何不同, 5、冷、热加工的区别界线，再结晶。 15. 什么叫弥散硬化,为什么有许多合难点内容: 金均用这种方法来进行硬化, 1、热作软化三阶段:回复，再结晶，晶粒聚集长大。 2、冷、热加工的区别界线，再结晶。 第四节 重点内容: 1、合金的概念:合金、相、组织。 2、合金的相结构及机械混合物组织。 3、平衡相图的概念，相图的建立。 4、匀晶相图与共晶相图。 难点内容: 平衡相图的概念，相图的建立 C相图，说14 熟练掌握合金的概念:合金、相、组织以及合金的相结构及 第二章铁1. 名词解释: 1(绘出Fe-Fe3 明相图中的主要点和机械混合物组织。理解平衡相图的概念、相图的建立，看懂碳合金相奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体 C相图，说明相图中的主要线的意义，并以组织组匀晶相图及共晶相图，掌握杠杆定律及应用。能够说出铁碳图及其合2. 绘出Fe-Fe3 点和线的意义，并以相组成标注 成物标注 合金的相结构及组织，理解铁碳合金相图及特性点、线、区金 3( 分析含碳量各为0.4,、1.2,、3,的2. 分析含碳量各为意义、典型合金的结晶过程、相变规律及室温组织。掌握碳 铁碳合金在缓慢冷却时组织的转变过0.4,、1.2,、3,的铁钢和铸铁分类、牌号、应用举例。 程，并画出显微组织示意图。 碳合金在缓慢冷却时第一节 4( 何谓共析反应它与共晶反应有何异组织的转变过程，画出重点内容: 同,写出Fe-FeC相图中共晶反应与显微组织示意图并计1、铁碳合金的相结构及组织。 3 共析反应的反应式及反应后所得的组算室温下组织组成物第二节 织名称, 的相对量 重点及难点内容: 5( 低碳钢、中碳钢与高碳钢是如何划分3. 分析一次渗碳体、二次1、铁碳合金相图及特性点、线、区意义。 的,这样划分有何意义,机器零件中渗碳体、三次渗碳体、2、典型合金的结晶过程、相变规律及温室组织。 2 有许多均是中碳钢的，这是为什么, 共晶渗碳体、共析渗碳第三节 6( 说明下列钢号的品种名称、大致含碳体的异同之处。 重点内容: 量及主要用途: 20A、45、60、T8、4. 石墨对铸铁的性能有碳钢分类，牌号，应用举例 T12A。 什么影响,球墨铸铁、第四节 7( 何谓铸铁,它们是如何分类,如何可锻铸铁、灰口铸铁其重点内容: 编号 石墨的形态有何不铸铁分类，牌号，应用举例 8( 白口铸铁、灰口铸铁与碳钢的主要区同,三种铸铁的机械 别在哪里, 性能又有何不同, 9( 说明下列牌号所表示的材料，绘出它 们的显微组织示意图: HT200、KT300,06、QT600,02。 第三章钢1.绘出奥氏体的等温转变曲线，试分析将1.现有两个成分相同的过10 了解热处理的意义及作用、热处理的分类。理解奥氏体 的热处理 过冷奥氏体分别置于700?、650?、共析钢试样，加热到不同的的形成与奥氏体晶粒大小分级及控制方法。掌握奥氏体的等550?及500?、300?等温转变时，所温度，一个试样得到了粗大温转变:C曲线、转变产物的组织名称、金相特点、性能特点。得到的组织在结构上和机械性能上的均匀的奥氏体晶粒，另一个掌握退火、正火的种类，淬火的目的、种类、组织及性能。不同。 试样为细小的奥氏体晶粒淬硬性与淬透性，影响因素。钢的回火脆性及克服办法钢的2.马氏体的硬度为什么很高,低碳马氏和一部分碳化物，两试样同表面热处理:表面淬火及化学热处理原理。 体和高碳马氏体性能上有什么不同,时过冷到710?进行等温转第一节 为什么, 变，试问哪个试样转变所需重点内容: 3.影响淬火钢硬度的主要因素是什么,的孕育期长,为什么, 1、奥氏体的形成:相变临界的温度。 如果其他条件都相同，试比较下述材料2. 指出下列组织的主要 2、奥氏体晶粒度长大分级及控制。 的淬火硬度: 区别: 难点内容: (1)含碳0.3%和0.6%的碳钢; 1)奥氏体与过冷奥氏体; 1、奥氏体的形成:相变临界的温度 (2)含碳0.6%和0.8%的碳钢; 2)索氏体与细珠光体; 第二节 4. 有两个含碳量为1.2%的碳钢试样，分3)屈氏体与极细珠光体; 重点内容: 别加热到780?和860?保温相同时4)马氏体与回火马氏体; 1、奥氏体的等温转变:C曲线，转变产物的组织名称，金间，使之达到平衡状态，然后很快水淬5)上贝氏体与下贝氏体; 相特点，性能特点。 至室温，试问: 3. 45号钢经调质处理硬度 2、奥氏体的连续转变:C曲线，转变产物的组织名称，金1)哪种加热温度的马氏体晶粒较粗大, 为HB240，若再进行200?相特点，性能特点，临界冷速。 2)哪种加热温度的马氏体含碳量较回火，是否可以使其硬度提难点内容: 高, 高,为什么,此钢经淬火、1、 奥氏体的等温转变:C曲线 3 3)哪种加热温度的残余奥氏体较多, 低温回火后硬度为HRC57，第三节，第四节 4)哪种加热温度的未熔碳化物较少, 若再进行560?回火，是否重点内容: 5)哪种加热温度淬火最适合,为什会降低其硬度,为什么, 1、退火、正火的种类，应用举例。 么, 4(分析以下几种说法是否2、淬火的目的、种类、组织及性能。 5. T12钢加热到770?后用下图所示的正确,为什么, 3、淬硬性与淬透性，影响的因素。 各种方式冷却，分析其所得到组织, 1)过冷奥氏体的冷却速4、钢的回火:目的、种类、组织及性能。回火脆性及克服 度愈快，钢冷却后的硬办法。 6.现有一共析钢试样，其显微组织为粗片度值愈高; 5、钢的表面热处理:表面淬火及化学热处理原理，应用举状珠光体，通过何种热处理可得到下述组2)钢经淬火后处于硬脆例。 织, 状态; 难点内容: 1)细片状珠光体; 3)本质细晶粒钢加热后1、淬硬性与淬透性，影响的因素。 2)索氏体(粒状珠光体)。 的实际晶粒比本质粗晶第五节 7.试分析表面淬火、渗碳、渗氮热处理工粒钢细; 重点内容: 艺在用钢、性能、应用范围等方面的差别。 4)同一钢材在相同加热1、渗碳、渗氮、碳氮共渗 8.一根ф6mm的45号钢圆棒材，先经保温条件下，水淬比油 840?加热淬火，硬度为HRC55(未回火)，淬的淬透性好，小件比 然后从一端加热，依靠热传导使圆棒材上大件的淬透性好。 各点达到如下图所示的温度。试问: 5(现有低碳钢齿轮和中碳 钢齿轮各一只，为了使齿轮 表面具有高的硬度和耐磨 性，各应怎样进行热处理, 并分析比较热处理后它们1)各点所在部位的组织是什么, 在组织与性能上的差别, 2)整个如图示的圆棒缓冷至室温后，各 点所在部位的组织又是什么, 3)若将圆棒从图示温度快冷淬火至室 温后，各点所在部位的组织会是什么, 第四章合1. 何谓合金钢?合金钢有哪些特同习题作业2，4，5，6，8，10 理解合金钢与合金元素、合金元素在钢中存在形式及强 金钢 点? 9 化途径;掌握合金元素对钢性能的影响;能够说出合金钢的 2. 合金钢中经常加入的合金元素分类与牌号;了解和掌握普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、 是哪些?各主要起什么作用? 弹簧钢和轴承钢。 3. 合金元素加入后对组织和性能第一节 主要起什么作用? 重点内容: 4 C1、合金钢与合金元素。 4. 合金元素的加入,会对Fe-Fe3 相图产生什么影响?这些影响2、合金元素在钢中存在的形式及强化途径。 有何实际意义? 3、对铁碳合金相图的影响。 5. 合金元素的加入,对奥氏体等温4、对热处理C曲线的影响。 转变曲线会产生什么影响?这难点内容: 些影响有何实际意义? 1、对热处理C曲线的影响 6. 合金元素的加入,对马氏体在回第二节 火时的转变有何影响? 重点内容: 7. 合金元素在结构钢中的主要作1、分类。 用是什么?与碳元素的作用有2、牌号。 什么区别? 难点内容: 8. 渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动 1、合金钢的牌号 轴承钢是如何进行划分的,它第三节 们各自最主要的特点在哪里, 重点内容: 9. 低合金工具钢、高速钢、模具钢1、普通低合金钢。 是如何划分的,它们各自的最2、渗碳钢。 主要的特点在哪里, 3、调质钢。 10. 何谓不锈钢,上常用的不4、弹簧钢。 锈钢有哪几种, 5、轴承钢。 11. 腐蚀分哪两类,其损坏的特征难点内容: 有什么不同,工程上是通过哪合金结构钢的使用范围及特点。 些途径来提高钢材的耐腐蚀性第四节 能的, 重点内容: 12. 耐磨钢要具备哪些主要的特刃具刚、量具钢、模具钢 性,工程上常用的耐磨材料有第五节 哪几种, 重点内容: 13. 在低合金耐磨钢中通常加入哪不锈钢、耐磨钢 些合金元素,它们分别主要起 什么作用, 14. 高锰钢为什么能够承受较大冲 击载荷工况条件下的磨损,常 用的高锰耐磨钢是什么牌号, 5 15. 为什么说高铬白口铸铁在抵御 磨料磨损是具有较高的能力, 耐磨高铬白口铸铁中主要加入 哪些合金元素,它们分别起什 么作用, 第五章耐1(何谓耐热钢?火电厂热力设备中的某些同习题作业3，5，6，9，10 10 了解热力用钢的工作条件，能够说出高温力学性能:蠕 热钢 零件为什么必须用耐热钢来制造? 变强度、持久强度、应力松弛、热疲劳。 2(什么叫等强度温度?绘图分析它与晶界了解并掌握高温用钢的组织稳定性:碳化物球化、石墨强度及晶内强度的关系。 化、合金元素再分配。高温用钢的化学稳定性。 3(何调蠕变?绘图说明蠕变不同阶段的特熟练掌握强化原理及合金元素在耐热钢中的作用。 点。温度或压力增大后，对蠕变曲线有掌握珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢、奥影响? 氏体耐热钢的分类、牌号及特点。 4(什么叫持久强度?一船情况下是如何测熟悉锅炉受热面管子及通道用钢包括:锅炉管道的工作定持久强度的?待久强度如何表示法? 条件及对材料的要求、管道材料及热处理。 5(何谓应力松弛?热力设备中哪些零件易第一节 产生应力松弛现象,通常用什么数据重点内容: 来表示材料的抗应力松弛性能, 1、热力设备用钢的工作条件。 6(钢材在高温状态下长期工作组织上会2、高温机械性能:蠕变强度、持久强度、应力松弛、热疲产生那些变化?这些变化对性能有什么劳。 影响? 第二节 7(火电厂锅炉设备中会产生哪些腐蚀损重点内容: 坏现象?这些腐蚀损坏有什么危害? 1、高温用钢的化学稳定性:氧化与腐蚀及腐蚀类型。 8(钢的耐热性能是用何种方法来提高的?第三节 耐热钢中常加入哪些合金元素? 重点内容: 9(试分析铬、钼、钒在耐热钢中各主要1、高温用钢的组织稳定性:碳化物球化、石墨化，合金元起什么作用? 素再分配。 l0(工程上是按什么原则对耐热钢进行分第四节 类的?耐热钢通常分为几类? 重点内容: 1、 强化原理。 2、 合金元素在耐热钢中的作用。 第五节 重点内容: 6 1、珠光体耐热钢 2、马氏体耐热钢 3、铁素体耐热钢 4、奥氏体耐热钢 第六章有1. 铝及其合金有何特点,工程上哪些零同习题作业2，3，7 8 能够说出纯铜牌号、性能以及铜合金:黄铜、青铜、白色金属及部件需要用铝合金来制造, 铜的性能。 其合金 2. 铝合金分成几类,试用合金相图来解了解纯铝牌号、性能及铸造铝合金、压力加工铝合金的 释分类的原则。 性能及使用。 3. 何谓黄铜,分几类,怎样编号,试举掌握轴承合金的性能要求及巴氏合金的种类。 一些常用的黄铜的牌号，并说明含义、第一节 性能特点及用途。 重点内容: 4. 何谓青铜,分几类,怎样编号,试举铝及其合金的牌号、性能、用途 一些常用的青铜的牌号，并说明含义、第二节 性能特点及用途。 重点内容: 5. 钛合金有何特点,工程上应用的钛合铜及其合金的牌号、性能、用途 金有哪几种,各有何特点, 第三节 6. 何谓轴承合金,其组织结构有何特重点内容: 点, 钛及其合金的牌号、性能、用途 7(汽轮发电机的轴承合金是何牌号,解第四节 释牌号中符号及数字的意义，画出显微组重点内容: 织示意图 轴承合金的牌号、性能、用途 第七章锅1. 对锅炉管子用钢的基本要求有哪1.试述在不同的工作温度8 掌握锅炉主要设备选材及事故分析方法、汽轮机主要设备炉与汽轮些,怎样来满足这些要求的, 下最常用的锅炉受热面选材及事故分析方法和螺栓主要设备选材及事故分析方机用钢及2. 何谓锅炉受热面管子的长时超温爆管子用钢的成分、热处理法。 事故分析 管,爆破口宏观上有何特点,爆管工艺及特点。 第一节 前后的显微组织有何差异，为什么, 2. 何谓锅炉受热面管子的重点内容: 3. 错用钢材有什么危害,如何避免错短时超温爆管,爆破口1、锅炉管道用钢及事故分析 用钢材, 宏观上有何特点,爆管2、锅炉汽包几其他部件用钢 4. 为什么常用1Cr13、2Cr13钢作汽轮前后的显微组织有何差难点内容: 机的叶片材料,参数较高的大型汽异，为什么, 受热面管道常见的事故 轮机叶片常用哪些钢种制造,为什3. 目前最常用的磨球材料第二节 么, 为何种牌号,该材质有重点内容: 7 5. 汽轮机叶片事故以何种形式的损坏什么特点, 1、汽轮机叶片用钢及事故分析 为主,为什么,怎样才能减少和避4. 高温螺栓易产生何种形2、汽轮机转子及其它部件用钢 免叶片断裂事故, 式的破坏,工程上采用难点内容: 6. 对转子用钢有何特殊要求,为什么? 哪些防范措施, 汽轮机叶片常见的事故分析 7. 何谓耐磨材料,粉煤灰中引起磨损 第三节 的主要是哪两种硬颗粒, 重点内容: 8. 管道弯头什么部位最容易磨损,复 1、螺栓的工作条件及对材料性能的要求 合材质的耐磨管道弯头有何特性, 2、螺栓用钢介绍 3、螺栓的断裂分析 难点内容: 螺栓的断裂分析 8 电厂高温金属材料课程自学指导书 本课程在专业培养目标中的定位: 《电厂金属材料》课程是高等工程院校热能动力工程类、电厂金属材料类等专业教学中必不可少的一门重要主干专业基础课程，也是机械类、电厂化学类专业的技术基础课。在整个专业人才培养中起着承上启下，为后续课程的开设打基础的作用。 该课程的任务为讲授电厂常用金属材料的成分、组织、相结构、性能间的关系和变化规律;依据工作状况的应用要求，培养学生具有正确选取材料、正确选择一般零件热处理方法的能力。 电厂金属材料课程的主要特色 课程内容特色鲜明。将金属材料的基础理论知识、金属材料加工与工业上常用金属材料及材料选用与电厂用材结合，既讲解了金属材料的共性，又突出了特性。 本课程的知识模块 本课程由金属材料学基本理论、金属材料加工学、工程材料和材料选用四个知识模块组成。 1(在金属材料学基本理论方面:介绍材料的组织结构、结晶和制备过程、二元相图的基本理论。 2(在金属材料加工学方面:介绍材料的变形、强化、热加工和冷加工成形，以及金属材料的热处理原理和工艺。 3(在工程材料方面:介绍常见的工业常用钢、铸铁、有色金属及其合金的成分、组织、性能和用途的基本知识，突出介绍耐热钢。 4(在材料选用方面:介绍汽轮机和锅炉用材的选用方法。 一、每章的重点和难点 第一章 金属材料的基础知识 第一节 金属材料的性能 重点内容: 9 1、强度与塑性 2、硬度:HB、HR、HV 3、冲击韧性:α K 4、疲劳强度:σ -1 难点内容: 性能指标的测试过程。 第二节 金属的晶体结构与晶体 重点内容: 1、晶体概念:晶体、晶格、晶胞。 2、常见的三种晶格。 3、单晶体与多晶体。 4、晶体缺陷:点、线、面缺陷。 5、纯金属的结晶:结晶概念、影响晶粒大小的因素、冷却曲线。 6、同素异晶转变。 难点内容: 1.影响晶粒大小的因素。 2.同素异晶转变。 第三节 金属的塑性变形与再结晶 重点内容: 1、单晶体的塑性变形:滑移、孪生。 2、多晶体的塑性变形:晶体与晶粒位向的影响。 3、塑性变形对组织和性能的影响。 4、热作软化三阶段:回复，再结晶，晶粒聚集长大。 5、冷、热加工的区别界线，再结晶。 难点内容: 1、热作软化三阶段:回复，再结晶，晶粒聚集长大。 2、冷、热加工的区别界线，再结晶。 第四节 合金的相结构及二元合金相图 重点内容: 1、合金的概念:合金、相、组织。 10 2、合金的相结构及机械混合物组织。 3、平衡相图的概念，相图的建立。 4、匀晶相图与共晶相图。 难点内容: 平衡相图的概念，相图的建立 第二章 铁碳合金相图及其合金 第一节 铁碳合金的相结构 重点内容: 1、铁碳合金的相结构及组织。 第二节 铁碳合金的相图 重点及难点内容: 1、铁碳合金相图及特性点、线、区意义。 2、典型合金的结晶过程、相变规律及温室组织。 第三节 碳钢 重点内容: 碳钢分类，牌号，应用举例 第四节 铸铁 重点内容: 铸铁分类，牌号，应用举例 第三章 钢的热处理 第一节 钢在加热时的转变 重点内容: 1、奥氏体的形成:相变临界的温度。 2、奥氏体晶粒度长大分级及控制。 难点内容: 1、奥氏体的形成:相变临界的温度 第二节 钢在冷却时的转变 重点内容: 1、奥氏体的等温转变:C曲线，转变产物的组织名称，金相特点，性能特点。 2、奥氏体的连续转变:C曲线，转变产物的组织名称，金相特点，性能特点，临界 11 冷速。 难点内容: 1、奥氏体的等温转变:C曲线 第三、四节 钢的淬火、回火、退火、正火 重点内容: 1、退火、正火的种类，应用举例。 2、淬火的目的、种类、组织及性能。 3、淬硬性与淬透性，影响的因素。 4、钢的回火:目的、种类、组织及性能。回火脆性及克服办法。 5、钢的表面热处理:表面淬火及化学热处理原理，应用举例。 难点内容: 1、淬硬性与淬透性，影响的因素。 第五节 钢的化学热处理 重点内容: 1、渗碳、渗氮、碳氮共渗 第四章 合金钢 第一节 合金元素对钢性能的影响 重点内容: 1、合金钢与合金元素。 2、合金元素在钢中存在的形式及强化途径。 3、对铁碳合金相图的影响。 4、对热处理C曲线的影响。 难点内容: 1、对热处理C曲线的影响 第二节 合金钢的分类及编号方法 重点内容: 1、分类。 2、牌号。 难点内容: 1、合金钢的牌号 12 第三节 合金结构钢 重点内容: 1、普通低合金钢。 2、渗碳钢。 3、调质钢。 4、弹簧钢。 5、轴承钢。 难点内容: 合金结构钢的使用范围及特点。 第四节 合金工具钢 重点内容: 刃具刚、量具钢、模具钢 第五节 特殊性能钢 重点内容: 不锈钢、耐磨钢 第五章 耐热钢 第一节 耐热钢的高温性能 重点内容: 1、热力设备用钢的工作条件。 2、高温机械性能:蠕变强度、持久强度、应力松弛、热疲劳。 第二节 耐热钢的化学稳定性 重点内容: 1、高温用钢的化学稳定性:氧化与腐蚀及腐蚀类型。 第三节 耐热钢的组织稳定性 重点内容: 1、高温用钢的组织稳定性:碳化物球化、石墨化，合金元素再分配。 第四节 耐热钢中的合金元素及其作用 重点内容: 1、强化原理。 2、合金元素在耐热钢中的作用。 13 第五节 耐热钢的分类 重点内容: 1、珠光体耐热钢 2、马氏体耐热钢 3、铁素体耐热钢 4、奥氏体耐热钢 第六章 有色金属及其合金 第一节 铝及其合金 重点内容: 铝及其合金的牌号、性能、用途 第二节 铜及其合金 重点内容: 铜及其合金的牌号、性能、用途 第三节 钛及其合金 重点内容: 钛及其合金的牌号、性能、用途 第四节 轴承合金 重点内容: 轴承合金的牌号、性能、用途 第七章 锅炉与汽轮机用钢及事故分析 第一节 锅炉主要设备用钢及事故分析 重点内容: 1、锅炉管道用钢及事故分析 2、锅炉汽包几其他部件用钢 难点内容: 受热面管道常见的事故 第二节 汽轮机主要设备用钢及事故分析 重点内容: 1、汽轮机叶片用钢及事故分析 2、汽轮机转子及其它部件用钢 14 难点内容: 汽轮机叶片常见的事故分析 第三节 螺栓用钢及断裂事故分析 重点内容: 1、螺栓的工作条件及对材料性能的要求 2、螺栓用钢介绍 3、螺栓的断裂分析 难点内容: 螺栓的断裂分析 二、思考题及习题解答 第一套 一、名词解释(每题2分) 1.加工硬化 2.热处理 3.固溶强化 4.奥氏体 5.冲击韧性 二、单项选择题(每题1分) 1.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫( )。 A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 2(金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种，它们的晶胞中原 子数分别为: A(4;2;6 B(6;2;4 C(4;4;6 D(2;4;6 3(按用途分，GCr15钢属于( ) A、调质钢 B、滚动轴承钢 C、刃具钢 15 4(含碳量小于( )的铁碳合金称为钢。 A(0.77% B(2.1% C(4.3% 5、下列金属中( )属于黑色金属。 A.铬 B.铜 C.铅 6、合金钢按合金元素的总量不同分为低合金钢、中合金钢和高合金钢三种,其中合 金元素含量( )的钢称为高合金钢。 A.,5% B.,10% C.,17% 7(在晶体缺陷中，属于点缺陷的有( )。 A.间隙原子 B.位错 C.晶界 D.缩孔 8(铁素体是碳溶解在( )中所形成的间隙固溶体。 A(α-Fe B(γ-Fe C(δ-Fe D(β-Fe 9(加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得()。 A(基体组织 B(A体组织 C(P体组织 D(M体组织 C相图中的组成相是: 10.下列不属于Fe-Fe3 A.铁素体 B.奥氏体 C.渗碳体 16 D.石墨 11.Fe-FeC相图的组元是: 3 A.Fe和FeC 3 B.Fe和C C.铁素体和FeC 3 D.奥氏体和FeC 3 12.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却 方式是( )。 A(随炉冷却 B(在风中冷却 C(在空气中冷却 D(在水中冷却 13.完全退火主要用于( )。 A(亚共析钢 B(共析钢 C(过共析钢 D(所有钢种 14.金属在一定温度和应力作用下,随着时间的增长,慢慢地发生塑性变形的现象, 称为( )。 A.疲劳 B.热脆性 C.蠕变 15.比较下列三种不同的碳当量,其中与( )对应的钢材的可焊性最好。 A.Ce=1, B.Ce=0.6% C.Ce=0.2% 16.下贝氏体与上贝氏体比较，下贝氏体的( ) A、硬度高，强度高，韧性好; B、硬度高，强度高，韧性差; C、硬度低，强度低，韧性好; 17.优质碳素钢中,硫、磷的含量分别为( )。 A.S?0.045% P?0.045% B.S?0.05% P?0.05% C.S?0.035% P?0.035% 18.12Cr1MoV钢属于( )。 17 A.普通低合金钢 B.珠光体耐热钢 C.马氏体耐热钢 19(用于降低冷变形金属中的内应力的方法是:( ) A(低温回火 B(回复退火 C(再结晶退火 D(高温回火 20(在热加工过程中，一般不发生:( ) A(动态回复 B(动态再结晶 C(静态再结晶 D(加工硬化 21(用于调整低碳钢的硬度和改善其切削加工性能的热处理工艺是:( ) A(完全退火 B(球化退火 C(正火 D(回火 22(除( )元素外，其它合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳 定性。 A(Co B(Cr C(Mn D(Ti 23(在Fe-FeC相图中，钢与铁的分界点的含碳量为( )。 3 A(2, B(2.06, C(2.11, D(2.2, 24(珠光体是一种( )。 18 A(固溶体 B(金属化合物 C(机械混合物 D(单相组织金属 25(共晶成分的铁碳合金发生共晶反应时，其反应式为( ): A.L+F,A B.A,F+FeC 3 C.L,A+FeC 3 D.A,P 26.金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将( ). A.越高 B.越低 C.越接近理论结晶温度 D.不变 27.在金属结晶时，向液体金属中加入某种难熔杂质来有效细化金属的晶粒，以达 到改善其机械性能的目的，这种细化晶粒的方法叫做( ). A.时效处理 B.变质处理 C.加工硬化 D.调质 28(金属铸造时，为细化晶粒，可采用( ): A(快速浇注 B(时效处理 C(以砂型代替金属型 D(以金属型代替砂型 29.钢在淬火后获得的马氏体组织的粗细主要取决于( ): A.奥氏体的本质晶粒度 B.奥氏体的实际晶粒度 C.奥氏体的起始晶粒度。 30.马氏体的硬度取决于: 19 A.冷却速度 B.转变温度 C.碳含量。 三、判断对错题(每题1分，错误的填“×”。正确的填“?”) 1、钢中的基本相包括铁素体、马氏体、渗碳体、奥氏体和珠光体。( ) 2、金属材料的断裂韧性与裂纹尖端所处的应力状态有关。( ) 3、奥氏体不锈钢进行淬火处理后,也会使硬度提高,塑性和韧性下降。( ) 4、钢中的基本相包括铁素体、马氏体、渗碳体、奥氏体和珠光体。( ) 5、金属材料的断裂韧性与裂纹尖端所处的应力状态有关。( ) 6、奥氏体不锈钢进行淬火处理后,也会使硬度提高,塑性和韧性下降。( ) 7、低碳马氏体比高碳马氏体的综合性能好,主要原因是因为它的含碳量少。( ) 8、具有相同的显微组织的合金将具有相同的性能。( ) 9、碳钢中必须保证一定的锰含量,锰对钢的性能有良好的影响,是一个有益的元素,所以在碳钢中锰并不是杂质元素。( ) 10、长期过热引起的爆管由于蠕胀原因,一般爆口变形较大,破口边缘锐利。( ) 11、各种硬度之间存在着一定的关系,因此各种硬度值之间是可以换算。( ) 12.凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。( ) 13.在实际金属的结晶过程中，自发形核比非自发形核更重要，往往起优先的主导的作用。( ) 14.一般情况下，晶粒愈大，金属的强度、塑性愈好。( ) 15.碳钢在室温下的相组成物是铁素体和渗碳体。( ) 16(珠光体是单相组织。( ) 17(亚共析钢的基本相是铁素体和珠光体。( ) 18(扩散是原子的定向移动。( ) 19(金属铸件可通过再结晶退火细化晶粒。( ) 20(再结晶虽包含形核和长大过程，但它不是一个相变过程。( ) 四、综合分析题 1(淬火钢为什么要进行回火处理, 2(比较珠光体、贝氏体、马氏体的硬度(按照硬度由高到低依次写出三种组织的名称)。 20 3(为何晶粒越细、材料的强度越高，其塑韧性也越好, 4(电厂常见的腐蚀损坏类型包括哪些, 5(识别下列各钢的种类,并指明有下划线的数字和符号的含义:?20G ?1Cr18Ni9Ti ?GCr15 ?T8 ?20CrMnTi?2Cr13 ?W18Cr4V ?ZG15 6(汽轮机叶片事故以何种形式的损坏为主,怎样才能减少和避免叶片断裂事故, 第二套 综合题分析题 1(简述金属结晶的过程。 2(绘出Fe-FeC相图，说明相图中的主要点和线的意义，在空白图上填出各相区和3 组织。 3(选材设计一个车床主轴。要求:该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，请选材(45钢、T8、20CrMnTi)并设计热处理工序。 4(锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温下长期运行中发生的组织性质变化主要有哪5种, 5.T12钢加热到770?后用图3-42所示的各种方式冷却，分析其所得到组织, 6(将Φ5mm的T8钢加热至760?并保温，后经不同冷却方式得到:P、S、B、B下下，M，少量残余A、M，少量残余A。在C曲线上描写工艺曲线示意图。 7(分析上贝氏体与下贝氏体组织与性能的主要区别。 8(工程上是按什么原则对耐热钢进行分类的?耐热钢通常分为几类? 9(何谓锅炉受热面管子的长时超温爆管,爆破口宏观上有何特点,爆管前后的显微组织有何差异，为什么, 10(退火亚共析钢室温金相组织中珠光体量为60%,试估算该钢的含碳量,并指出其大致钢号。 参考答案 第一套 一、名词解释(每题2分) 1.加工硬化:金属发生塑性变形，随着变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象叫加工硬化。 21 2.热处理:通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢的机械性能的工艺，称为热处理。 3.固溶强化:由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点,使晶格发生畸变,使固溶体硬度和强度升高,这种现象叫固溶强化现象。 4.奥氏体:碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体。 5.冲击韧性:冲击韧性是材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。 二、单项选择题(30个，1分) 选择题答案 题号 解答 题号 解答 题号 解答 题号 解答 题号 解答 题号 解答 1 A 6 B 11 A 16 A 21 A 26 B 2 A 7 A 12 D 17 A 22 A 27 B 3 B 8 A 13 A 18 B 23 C 28 D 4 B 9 B 14 C 19 B 24 C 29 C 5 A 10 D 15 C 20 D 25 C 30 C 三、判断对错题(每题1分，错误的填“×”。正确的填“?”) 1、钢中的基本相包括铁素体、马氏体、渗碳体、奥氏体和珠光体。(×) 2、金属材料的断裂韧性与裂纹尖端所处的应力状态有关。(?) 3、奥氏体不锈钢进行淬火处理后,也会使硬度提高,塑性和韧性下降。(×) 4、Q235-A•F是球墨铸铁的牌号，“235”表示抗拉强度。(×) 5、45钢常用最终热处理是调质处理。(×) 6、ZGMn13通常在铸态下使用，不再进行其它热处理。(×) 7、低碳马氏体比高碳马氏体的综合性能好,主要原因是因为它的含碳量少。(×) 8、具有相同的显微组织的合金将具有相同的性能。(×) 9、碳钢中必须保证一定的锰含量,锰对钢的性能有良好的影响,是一个有益的元素,所以在碳钢中锰并不是杂质元素。(×) 10、长期过热引起的爆管由于蠕胀原因,一般爆口变形较大,破口边缘锐利。(×) 11、各种硬度之间存在着一定的关系,因此各种硬度值之间是可以换算。(×) 12、凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。(×) 13、在实际金属的结晶过程中，自发形核比非自发形核更重要，往往起优先的主导的作用。(?) 22 14、一般情况下，晶粒愈大，金属的强度、塑性愈好。(×) 15、碳钢在室温下的相组成物是铁素体和渗碳体。(?) 16、珠光体是单相组织。(×) 17、亚共析钢的基本相是铁素体和珠光体。(×) 18、扩散是原子的定向移动。(×) 19、金属铸件可通过再结晶退火细化晶粒。(×) 20、再结晶虽包含形核和长大过程，但它不是一个相变过程。(?) 四、综合分析题 1(淬火钢为什么要进行回火处理, 答:淬火钢不经回火一般不能直接使用。回火是为了降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂;获得工艺所要求的力学性能;稳定工件尺寸;对某些高淬透性的合金钢，高温回火可降低硬度，以利切削加工。 2(比较珠光体、贝氏体、马氏体的硬度(按照硬度由高到低依次写出三种组织的名称)。 答:马氏体、贝氏体、珠光体。 3(为何晶粒越细、材料的强度越高，其塑韧性也越好, 答:晶粒越细、材料的强度越高这是因为: (1)晶界的作用，金属的晶粒越细小(单位体积内晶粒数越多)时，晶界数量越多，晶界能够阻止位错的移动，该晶体的塑变抗力越大，即强度越高。 (2)位向差的作用 外力的切应力分量在外力呈45?角度时最大。因此，晶体中与外力方向接近45?的滑移系最容易发生滑移，而接近0?与90?时，切应力分量最小，晶体不易发生滑移。由于多晶体金属中相邻晶粒位向不同，当一个晶粒的位向接近45?发生滑移时，必然受到相邻晶粒的牵制作用，相邻晶粒间的位向差越大时，牵制作用越大，从而增加了塑变抗力，使强度提高。 晶粒越细、塑性韧性好，这是因为多晶体在应力作用下，塑性变形分散在更多的晶粒之中，晶粒越细时，多晶体各处的塑性变形越均匀。相反，多晶体的晶粒很措大时，某些大晶粒的位向不利于滑移变形，则在较大的体积内牵制塑性变形，使塑性变形不均匀。 4(电厂常见的腐蚀损坏类型包括哪些, 23 答:电厂常见的腐蚀损坏有蒸汽腐蚀、烟气腐蚀、垢下腐蚀、应力腐蚀、苛性脆化、腐蚀疲劳。 5(识别下列各钢的种类,并指明有下划线的数字和符号的含义:?20G ?1Cr18Ni9Ti ?GCr15 ?T8 ?20CrMnTi?2Cr13 ?W18Cr4V ?ZG15 答: a)碳素结构钢，G,锅(拼音首字母) b)1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 碳含量<0.1%，,9%的镍， c)GCr15 滚动轴承钢 ,1.5%铬 d)T8 碳素工具钢 ，T——工具(英文) e)20CrMnTi 合金渗碳钢 ,0.2%的碳, f)2Cr13 特殊性能钢 13,的铬， g)W18Cr4V 高速钢 ,18%钨 h)ZG15 铸钢 ZG——铸钢(拼音) 6(汽轮机叶片事故以何种形式的损坏为主,怎样才能减少和避免叶片断裂事故, 答:按照叶片断裂的性质，叶片断裂可分为长期疲劳损坏、短期疲劳损坏、接触疲劳损坏、应力腐蚀和腐蚀废劳损坏等。 防止长期疲劳损坏的主要措施是:消除共振、提高叶片制造质量和安装质量、运行条件。 防止短期疲劳损坏的主要方法是设法消除低频共振和防止水击的发生。 防止接触疲劳损坏的措施是:消除共振(特别是切向振型)，提高气轮机的安装质量，设法增大叶根的接触面积，改善叶轮与叶根接触面的接触状况使叶根齿部在工作状态下尽量保持均匀的接触，避免局部点或区接触应力的集中。防止应力腐蚀损坏的措施主要是改善叶片材料的质量,消除叶片材质的内应力,改善蒸汽的品质;同时要避免叶片产生共振。 防止腐蚀疲劳损坏的措施主要是提高叶片材料的耐腐蚀性能，尽量减小交变应力水乎;同时改善蒸汽的品质。 第二套 1(简述金属结晶的过程。 答:金属的结晶过程一般包括两个过程，即形核过程和晶核长大过程。形核过程是 24 当温度降到结晶温度时，熔液中开始出现时聚时散的类似晶体结构的小集团，当小集团达到一定临界值时，逐渐稳定，这种最初形成的小晶体被称为晶核。熔液中晶核数目的多少与过冷度、熔液中含高熔点杂质数目等因素有关，把单位时间内单位体积中所产生晶核数用形核速率(简称形核率)来表示。长大过程是晶核逐渐长大的过程，晶核的长大过程具有方向性，一般沿过冷度大的方向生长，这种生长方式类似树枝的生长，被称为树枝状长大，直到液相消耗完毕。 2(绘出Fe-FeC相图，说明相图中的主要点和线的意义，在空白图上填出各相区。 3 ALL+D温度(?)ACL+Fe3FCEA GA+FeC3F+AFKPSF+FeC3 QFeC(%)FeC3 图2,2 简化的铁碳相图 铁碳合金下图中各主要线的意义是: 1(ACD为液相线。当温度高于ACD线时，铁碳合金呈液态状态。 2(AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 3(ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围(2.11%~6.69%)内，铁碳合金在1148?时必然发生共晶反映，形成莱氏体。 4(ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中的最大溶解度是在1148?时，可溶解碳2.11%，布在727?时，由于碳在奥氏体中的溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(FeC),以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(FeC)。 3II3I 5(GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A线. 3 6(GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线. 7(PSK为共析线,简称A线.合金含碳量在PSK线投影范围(0.02%~6.。69%)内时，1 奥氏体在727?时必然发生共析反应，形成珠光体。 8(PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。 9(简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区， 25 即L，A，F及FeC;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因3 此在相图上它的相区仅是一条竖直线。 相图中有五个相区，即L+A、L+FeC、A+F及F+FeC它们都被两个单相区从左右两33 个方向夹在中间,两相区的两平衡相即左右两个单相区的相.相图中的两条水平线是三相平衡线上有三个点,分别与三个单相区以点相连接,当发生三相平衡反应时,三个平衡相的成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的.从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+FeC相区内，即合金3 的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化 3(选材设计一个车床主轴。要求:该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，请选材(45钢、T8、20CrMnTi)并设计热处理工序。 答:可选择45号钢，调质处理。加工路线为: 正火——调质。 4(锅炉、汽轮机高温部件所用钢材在高温下长期运行中发生的组织性质变化主要有哪5种, 答:(1)珠光体球化和碳化物聚集。(2)石墨化(仅限于不含铬的珠光体耐热钢)。(3)时效和新相的形成(如不锈钢中σ相的形成等)。(4)热脆性。(5)合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配 5.T12钢加热到770?后用图3-42所示的各种方式冷却，分析其所得到组织, A1 温度(?) Ms ???Mf Lgτ 3-42 习题5图 (1)M+少量残余A，(2)M+B+少量残余A，(3)B 下下 6(将Φ5mm的T8钢加热至760?并保温，后经不同冷却方式得到:P、S、B、B下下，M，少量残余A、M，少量残余A。在C曲线上描写工艺曲线示意图。 答:退火(或随炉冷)时获得P，正火(或空冷)时获得S，等温淬火获得B;等温淬下火B转变未完成，随后淬入水中获得B，M，少量残余A，淬火(水冷)获得M，少量下下 残余A。 26 图(略) 7(分析上贝氏体与下贝氏体组织与性能的主要区别。 答:上贝氏体组织呈羽毛状，电子显微镜下可以看出上贝氏体是有许多密排在一起的条状铁素体束与沉淀出来的碳化物间隔而成的机械混合物。上贝氏体有一定的硬度，但塑性和韧性很差，这样的组织在生产中应用较少。下贝氏体为黑色针叶状组织，是由针叶状的铁素体和在其片间呈有规律分布的碳化物粒子组成的机械混合物，下贝氏体具有良好的综合机械性能，强度和硬度较高(HRC约45,55)，塑性和韧性较好。 8(工程上是按什么原则对耐热钢进行分类的?耐热钢通常分为几类? 答:根据小截面正火后的金相组织，耐热钢可以分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢四大类。 (1)珠光体耐热钢:珠光体耐热钢中所加入的合金元素主要为铬、钼、钒，而且其总含量一般在5,以下，因此，有时也称为低合金耐热钢，这类钢的组织为铁素体和珠光体;若正火时冷却速度较快，或合金元素含量较高，元素的种类较多，其组织则为铁素体和贝氏体 (2)马氏体耐热钢 钢中如加入含量较多的能使等温转变曲线右移的合金元素，钢在空冷时就可转变为马氏体组织，这类钢就称为马氏体钢。 (3)铁素体耐热钢 钢中加入相当多的铬、铝、硅等缩小奥氏体区域的合金元素，使钢具有单相的铁素体组织，就称为铁素体耐热钢。 (4)奥氏体耐热钢:钢中加入的合金元素，如不仅使等温转变曲线右移，而且使Ms线降低至室温以下，钢在空冷后的组织则仍然是奥氏体，这种钢称为奥氏体钢。 9(何谓锅炉受热面管子的长时超温爆管,爆破口宏观上有何特点,爆管前后的显微组织有何差异，为什么, 答:如果锅炉受热面管子在运行过程中，因某些原因使管壁温度超过设计温度，在高温长时间作用下，导致钢材组织结构的变化，蠕动速度加快，持久强度下降，使用寿命达不到设计要求而提早爆破损坏，称为长时超温爆管 爆破口宏观特点:破口并不太大,破口断裂面粗糙而不平整,破口边缘是钝边,并不锋利破口附近还有众多平行于破口的管子轴向裂纹。通常，有一层较厚的氧化皮,这些氧化皮很脆,容易剥落。 27 爆管前后的显微组织差异:长时超温爆管的显微组织虽无相变但却有炭化物析出并聚集长大甚至有些还会出现石墨化等组织变化。 10(退火亚共析钢室温金相组织中珠光体量为60%,试估算该钢的含碳量,并指出其大致钢号。 答:由于铁素体中含碳量极少,可忽略不计,则珠光体的含碳量可近似为钢的含碳量C%=0.77%×60%×0.462% ，所以该钢的含碳量为0.462%,大致钢号为45。 28 实验指导书 实验一 金相试样制备及铁碳合金平衡组织观察和分析 一、实验目的 1.通过观察和分析,熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 2.观察和分析成分(含碳量)对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。 3.了解金相试样的制备过程及金相显微镜的使用方法。 二、实验概述 利用金相显微镜观察金属的组织和缺陷的方法，称为显微分析。其所看到的组织称为显微组织。 碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系，因此熟悉并掌握它们的组织是钢铁材料的使用者最基本的要求 1(碳钢和白口铸铁的平衡组织 平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(退火状态)所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可根据 Fe —FeC 相图来分析 3 从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(Cm)所组成。但是，由于含碳量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1,1。 表1,1 各种铁碳合金在室温下的显微组织 合金分类 含碳量 显 微 组 织 工业纯铁 ,0.0218 铁素体 亚共析钢 0.0218,0.77 铁素体，珠光体 碳 共 析 钢 0.77 珠光体 钢 过共析钢 0.77 , 2.11 珠光体+二次渗碳体 亚共晶白口铸铁 2.11 , 4.3 珠光体 + 二次渗碳体 + 莱氏体 白口 共晶白口铸铁 4.3 莱氏体 铸铁 过共晶白口铸铁 4.3 , 6.69 一次渗碳体+ 莱氏体 2(各种组成相或组织组成物的特征。 29 (1)铁素体(F)是碳溶于α—Fe 中的固溶体，有良好的塑性，硬度较低(HB30—120)，经3—5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下呈白色大粒或块状随着钢种含碳量的增加，铁素体量减小。铁素体量较多时呈块状;当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续的网状，分布在珠光体的周围。 (2)渗碳体是铁与碳的化合物。含碳量为6.69% 。 抗浸蚀能力强。经3—5%硝酸精溶液浸蚀后呈白亮色，若用苦味酸钠盐溶液浸蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达HB 800以上;脆性很大，强度和塑性很差。 一次渗碳体是从溶液中析出的，呈长条状;二次渗碳体是由奥氏体(A)中析出的，在奥氏体转变成珠光体后 ，呈网状分布在珠光体的边界上。另外，由不同的热处理，渗碳体可以呈片状、网状或断续网状。 (3)珠光体(P)是铁素体和渗碳体的共析混合物。有片状和球状两种。 1)片状珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3—5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液侵蚀后，铁素体和渗碳体皆成白亮色，但其边界被侵蚀成黑色线条。在不同放大倍下观察时，组织具有不太一样的特征。 在高倍(600倍以上)下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而其边界呈黑色 中倍(400倍左右)观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食“，而成为细黑条。这时看到的珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物。 低倍(200倍以下)观察时，连宽白条的铁素体和黑条的渗碳体也很难分辨，这时珠光体为黑块组织。 2)球状珠光体 共析钢或过共析钢经球化退火后，得到球状渗碳体。经3—5%硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体为白亮色铁素体基本均匀分布着白色渗碳体小颗粒，其边界为黑圈。 根据钢的组织，估计出个组织组成物的相对量，然后利用杠杆定律可计算出含碳量。 (4)莱氏体(Ld’)在室温时是珠光体和渗碳体的混合物.此时渗碳体包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种,但它们相连在一起而分辨不开.经3—5%硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是:在白亮色的渗碳体基本上均匀分布着许多黑点(块)状或条状珠光体。 莱氏体组织硬度很高，达HB 700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到。 30 亚共晶白口铸铁的组织包括:莱氏体、呈黑色树枝分布的珠光体、和其周围白亮圈的二次渗碳体。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连，无界线，无法区别。 过共晶白口铸铁的组织是:莱氏体和长白条一次渗碳体。 3(如何区别金属的组织 纯金属和单相固溶体: 经侵蚀后在显微镜下可以看到一粒粒的晶粒和明显的晶粒边界。因为晶粒边界比较容易被腐蚀，而形成凹沟，光线射到这里发生混乱的反射，在显微镜下看到晶界呈黑色条纹。 晶粒:各个晶粒都有一定的晶界方向，在试件的磨光面上个晶粒显露出不同的结晶面、不同的结晶面被腐蚀的速度也不同，所以我们就能在显微镜下看到一个个的晶粒。它们的明暗程度和颜色的深浅不同。 两相及多相组织: 两相和多相组织浸蚀时除有化学腐蚀外还有电化学腐蚀。所以它们被腐蚀的速度比单相组织要快，这样在显微镜下，我们就可以把单相组织和多相组织区别开来，在亚共析钢中，铁素体是单相组织为白色的晶粒，珠光体是两相组织呈黑色。 珠光体是片状渗碳体和铁素体的机械混合物，用3—5%的硝酸酒精侵蚀后在高倍显微镜下可以观察到黑白相间的平行条纹。 铁素体 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体，二次渗碳体 31 亚共晶白口铸铁室温平衡组织 共晶白口铸铁室温平衡组织 过共晶白口铸铁室温平衡组织 三、实验设备及试样 1(金相显微镜 2(铁碳合金的平衡状态金相试样 四、实验内容 观察表中所列金相样品的显微组织，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳相图分析其组织形成过程。 表1,2 编 号 材 料 工 艺 浸 蚀 剂 1 工业纯铁 退 火 4,硝酸酒精溶液 2 亚共析钢(45钢) 退 火 4,硝酸酒精溶液 3 共析钢(T8钢) 退 火 4,硝酸酒精溶液 4 过共析钢(T12钢) 退 火 4,硝酸酒精溶液 5 亚共晶白口铸铁 铸 造 4,硝酸酒精溶液 6 共晶白口铸铁 铸 造 4,硝酸酒精溶液 7 过共晶白口铸铁 铸 造 4,硝酸酒精溶液 五、实验方法与步骤 1(认真观察表1—2所列的各种材料的显微组织，识别各显微组织的特征(各相2.或组织组成物的数量、形态与分布)。 32 2(在显微镜下选择显微组织的典型区域，并根据组织特征，绘出其显微组织示意图。 3(记录所观察的各种材料的牌号或名称、显微组织、放大倍数及浸蚀剂。并用箭头在示意图中标出组织组成物的名称。 4(估算所观察的各亚共析碳钢显微组织中各组织组成物的相对量。 33 实验二 碳钢的热处理及显微组织观察 一、实验目的 1(了解碳钢的几种基本热处理(退火、正火、淬火及回火)操作方法。 2(了解含碳量、加热温度、冷却温度、回火温度等主要因素对其热处理后组织与硬度的影响。 3(观察碳钢在普通热处理后的组织，并区别其组织特性。 二、实验概述 (一)碳钢热处理工艺 钢的热处理是指将钢在固态下通过不同的加热、保温与冷却改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作方法。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。 热处理操作中，加热温度，保温时间和冷却方式是最主要的三种基本因素。正确选择它们的规范，是热处理成功的保证。 1、加热温度的选择 (1)退火加热温度 一般亚共析钢加热至A+(20,50?)(完全退火);共析钢和过共析钢加热至A c3 c1+(20,30?)(球化退火)，目前是得到球状渗碳体，降底硬度，改善高碳钢的切削性能。 (2)正火加热温度 一般亚共析钢加热至A +(30,50?);过共析钢加热至A +(30,50?)，即加热c3ccm 到奥氏体单相区。 (1)淬火加热温度 一般亚共析钢加热至;共析钢和过共析钢加热温度见表2—1。 钢的成分，原始组织及速度等皆影响临界点及的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化，脱碳和变形等都会变的比较严重。 碳钢普通热处理的加热温度，原则上也可按表2—1选定。但生产中，应提高工件实际情况作适当调整。 回火温度 钢淬火后要及时回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能(工厂中常根据硬度的要求)。按加热温度，回火分为低温、中温、高温回火三类。 34 2、保温时间的确定 为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物和奥氏体 成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温规定的时间。通常将工件升温和保温所需时间 算在一起，统称为加热时间。 表2,1 碳钢普通热处理的加热温度 方法 加热温度，? 应用范围 Ac3+(20,50) 亚共析钢完全退火 退火 Ac1+(20,30) 过共析钢球化退火 Ac3+(30,50) 亚共析钢 正火 Accm+(30,50) 过共析钢 Ac3+(30,50) 亚共析钢 淬火 Ac1+(30,50) 过共析钢 切削刃具、量具、冲压模具、高硬度零 低温 150,250 件等 回 中温 350,500 弹簧、中等硬度零件等 火 齿轮、轴、连杆等要求综合机械性能的 高温 500,650 零件 表2—2 常用碳钢的临界点 临界点，? 钢号 A A A c1c3ccm 20 735 855 —— 45 724 780 —— T8A 730 —— —— T12A 730 —— 820 热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装 炉量，装炉时炉子温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。具体时间可 参考热处理手册中的有关数据。 实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温 度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需一分钟到一分半钟估算;合金钢按 35 每毫米二分钟估算。在盐熔炉中，保温时间则可缩短1,2倍。 3、冷却方法 热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。 退火一般采用随炉冷却。 正火(常化)采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。 淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织;另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650,550?)快冷。超过临界冷却速度，而在M(300,100?)点以下温度时冷却较慢，常用淬火方法有单液淬火、双液淬火(先水冷后油冷)分级淬火、等温淬火等。 对形状简单的工作，常采用单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液做冷却介质，合金钢常用20?机油作冷却介质。 (二)碳钢热处理后的组织与性能 碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡的组织;经淬火得到的是不平衡组织，因此，研究热处理的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更重要的是参考C曲线(钢的等温转变曲线)。 ? 共析钢连续冷却时的显微组织 为了简便起见，不用CCT曲线(连续冷却曲线)而用C曲线来分析。共析钢奥氏体慢冷时(例如炉冷),与铁碳相图的分析一样，应得到100%的珠光体。冷速增大到时(相当于空冷)，得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体。当冷速再增大时(相当于油冷)，得到的是屈氏体和马氏体。水冷时，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点(M)瞬时转变成马氏体。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度成为淬火的冷却速度。 ? 亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织 亚共析钢的C曲线与共析钢相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线。 当钢缓慢冷却时(相当于炉冷)，得到的组织为接近平衡状态的铁素体加珠光体。随冷速的逐渐增加，奥氏体的过冷程度增大，生成的先共析铁素体量减少，并主要沿晶界分布;同时珠光体量增多，含碳量下降，组织变的更细。因此，对应的组织将为:铁素体+珠光体、铁素体+索氏体、铁素体+屈氏体。 当冷却速度再增大，只析出很少量的网状铁素体和屈氏体(有时可见到少量的贝氏体)，奥氏体则主要转变为马氏体。当冷速超过临界冷速时，钢全部转变为马氏体组织。 36 过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是亚共析钢先析出的是铁素体，而过共析钢先析出的是渗碳体。 碳钢热处理后的组织与性能，参看教材中的有关章节。 (三)碳钢含碳量对淬火后硬度的影响 在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。但含碳量大于0.8% 的钢，淬火后硬度增加不明显。 一般低碳钢淬火后，硬度在HRC40左右;中碳钢淬火后，硬度可达HRC50~62;高碳钢淬火后，硬度高达HRC62~65。 本实验所用45钢在正常热处理后的组织与性能如表2-3所示 表2-3 45钢正常热处理后的组织与机械性能特点 热处理方法 冷却速度 组织 机械性能特点 退火 炉冷 铁素体及珠光体 冷 强度、硬度随正火 空冷 铁素体及细珠光体 速 冷却速度增大 递淬火 油冷 屈氏体、马氏体及残余奥氏体 而递增 增 淬火 水冷 马氏体及残余奥氏体 保持高强度， 低温 回火马氏体及残余奥氏体 脆性比淬火时 稳定 回火 具有高弹性及 中温 回火屈氏体 较好的韧性 具有较好的机 高温 回火索氏体 械性能 回火前的组织为淬火马氏体及少量残余奥氏体。 三、实验设备及试样 1(实验设备及用品 2(实验用箱式电阻加热炉(附测温控温装置) 3(洛氏硬度计 4(金相显微镜 5(淬火水槽(3~10%NaCI水溶液) 6(淬火油槽(20,机油) 37 7(夹钳、砂纸、铁丝及劳保用品。 表2-4 热处理用碳钢试样(,10，10mm) 试样材料 数量(每组) 用途 分析热处理(淬火)时，加热温45钢、T12(T10) 各4块 度对钢组织、性能影响 分析热处理(淬火)时，冷却速45钢、T12(T10) 各4块 度对钢组织、性能影响 分析回火温度对钢组织、性能的 淬火状态的45钢 各3块 影响 20、45钢、T12(T10) 各1块 分析含碳量对淬火硬度的影响 如实验的时间不够，退火处理可由实验室事先进行。 表2—5 不同热处理工艺所对应的组织 序号 材料 状态 浸蚀剂 显微组织(参照金相图谱) 1 T10 球化退火 4%硝酸酒精 P(粒状)+Cm?(粒状) 2 45钢 淬火 4%硝酸酒精 M 3 45钢 调质 4%硝酸酒精 S回 T12 4 淬火 4%硝酸酒精 M+Ar (T10) T12淬火后低温回 5 4%硝酸酒精 M回 + Cm?+Ar (T10) 头 6 20钢 淬火 4%硝酸酒精 M板条 7 20钢 正火 4%硝酸酒精 F+P 四、实验内容 1(按表2—6所列工艺条件进行热处理操作。 2(测定热处理后的试样的硬度(炉冷、空冷试样测HRB，水冷和回火试样HRC)并 将数据填入表内。 3(观察表2,5试样的显微组织。 38 表2—6 实验任务表 热处理工艺 硬度指HBC或HRB 预计组织 钢号 加热温度 冷却方式 回火温度? 测三次(平均值) 840 空冷 油冷 水冷 200 45 水冷 400 水冷 600 760 水冷 760 水冷 水冷 200 T10 水冷 400 水冷 600 860 水冷 20 920 水冷 五、实验步骤 1(学生按组领取试样(12人一组) 2(将同一加热温度的45钢和T10钢试样，分别放入840?和760?的炉内加热(炉温预先由实验室升好)。保温15—20分钟后，分头进行水冷、油冷或空气冷的热处理操作。以及回火处理，回火保温时间为30分钟。回火后的冷却，一般可用空冷，最后，测定它们的硬度，并做好记录。 3(20钢试样加热温度920?，保温后水冷，测硬度。 4(观察表2—5所列样品的显微组织。 六、注意事项 1(学生在实验中要有所分工。 2(淬火时，试样用夹钳夹紧，出炉，入水迅速，并不断在水中搅动，以保证热处理质量。 3(取、放试样时炉子要先断电。夹钳应擦干，操作者应带上手套，以防烧伤。 4(热处理后的试样用砂纸磨去两端氧化皮在不同部位测定三次硬度，取平均值，并将数据填于表内。 5(各个同学必须抄下全组数据，以便独立进行分析。 39 40