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这是金属材料学ppt，包括了金属的概述，金属的性能，电网中常见金属，常用金属检验方法，实例分析等内容，欢迎点击下载。
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金属材料学基础 国网山西省电力科学研究院 杜晓刚 2017.5.10 金属材料学基础 第一章 金属的概述 §1-2 金属的分类 §1-3 金属的基本结构 金属中常见的晶体结构 第二章 金属的性能 §2-1 金属的物理性能 金属在力、热、光、电等物理作用下所反映的特性称为金属的物理性能，其主要物理性能指标有： 密度：金属单位体积的质量，单位为克/立方厘米，用ρ表示。例如钢的密度为7.85g/cm3，铝的密度为2.7g/cm3 。 熔点：金属由固态转变为液态时的温度称为熔点，用tR表示。不同的金属有不同的熔点。易熔金属(如锂、镁、锡、铅等)具有很好的塑性、铸造性和焊接性，可用于制作熔断件和焊料。难熔金属(如钨、钼、钽、铌、钛、锆等)有很高的硬度、高温强度和耐腐蚀性，可用来制作各种耐高温器件。 比热容：c表示单位质量的物体每升高1 ℃所吸收的热量，或每降低1 ℃所放出的热量，是制定材料热加工工艺规范的重要工艺参数。 热导率：金属材料热传导速度的物理量，衡量材料导热性好坏的指标，用λ表示。 热膨胀系数：金属在加热过程中发生体积增大的性能，通常以线膨胀系数al 做指标。 电导率（电阻率）：指金属和合金传导电流的能力。用电导率γ或电阻率ρ来表示(二者互为倒数关系)。导电性高的常见金属有银(定为100%)，铜(97%)，铝(57%)等，铜和铝由于导电性高且价格便宜，在电力工业中被大量作为导电材料使用。导电性低的材料则作为电阻元件，还有导电性很微弱的锗、硅、硒等则做半导电体用。通常金属的导电性随温度的升高而下降。 磁导率：磁导率是磁感应强度和磁场强度的比值，用μ表示，用来衡量磁性材料磁化难易程度的指标，单位特斯拉/安培每米。 §2-2金属的化学性能 §2-3 金属的机械性能 金属材料的机械性能（也称力学性能）是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括：弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标 。 §2-3-1 金属材料的拉伸试验 金属材料的拉伸试验是应用最广泛的力学性能试验方法之一。它具有简单易行、试样制备方便等特点。试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制以及设备的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值。 金属材料的拉伸试验是用静拉伸力对试样轴向拉伸，测量力和相应的伸长，一般拉至断裂，测定其力学性能指标。 室温拉伸试验试件图例 典型碳钢拉伸试验曲线图 各种拉伸曲线 几种材料的强度、塑性和韧性指标 拉伸试验主要标准： GB/T 228.1-2010《金属材料 室温拉伸试验方法》 GB/T 4338-2006《金属材料 高温拉伸试验方法》 GB/T 13239-2006《金属材料 低温拉伸试验方法》 GB/T 2039-1997 《金属拉伸蠕变及持久试验方法》 金属的硬度是表示金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 常用的金属硬度试验方法有：布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验和里氏硬度试验等。 金属材料的硬度与强度有一定的对应关系，其中碳钢与合金钢的硬度与强度极限的相互换算可查阅GB/T 1172－1999《黑色金属硬度及强度换算值》。 布氏硬度试验是用一定直径的球体，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力。用测量的表面压痕直径计算硬度。数据通常用HBS（钢球）或HBW（硬质合金球表示）。 电厂锅炉管取样布氏硬度测试样品 维氏硬度试验是将相对夹角为1360的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的压痕对角线长度计算硬度。数据通常用HV表示。 里氏硬度计的检测原理：里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放，冲头快速冲击在试件表面上，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的冲击速度与反弹速度（感应为冲击电压和反弹电压），里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示：HL=(Vr/Vi)式中：HL-里氏硬度值；Vr-冲头反弹速度；Vi-冲头冲击速度（注：实际应用装置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。常用HL表示。 优点：里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算，然后在屏幕上直接显示出里氏硬度值，便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值，同时可折算出材料的抗拉强度σb，还可以将测量结果储存、直接打印输出或传送给计算机作进一步的数据处理。应用范围：里氏硬度计是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。 缺点：受现场工件表面状况影响较大，准确性相对较低，尤其是与其它硬度换算。 洛氏硬度试验是在初始试验力及主试验力先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。根据标尺不同表征的洛氏硬度有HRA、HRB和HRC。 金属的韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，一般是通过冲击试验进行测定的。 金属夏比缺口冲击试验是用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次击打，测量试样折断时冲击吸收能量的试验。 试验方法：用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性。 冲击试验可用于检测电网金属部件抵抗冲击破坏的能力。 在检验材料内部结构变化、脆性破坏缺口及热加工质量方面，冲击试验具有比其它方法更为敏感的优点，并且方法比较简单，所以广泛应用于生产中。 当温度降低时，金属材料由韧性状态变化为脆性状态的温度区域，称为脆性转变温度或称为韧性－脆性转变温度。因测定方法不同有多种表示方法。 在脆性转变温度区域以上，金属材料处于韧性状态，发生断裂的形式主要是韧性断裂；在此温度区域以下，材料处于脆性状态，断裂主要为脆性状态。 在工程应用中，为防止构件脆断，应选用脆性转变温度低于构件下限工作温度的材料。 紧固件（含螺栓、螺母、螺钉和螺柱）作为电网企业广泛应用的设备构件之一，其性能优劣对保障设备安全、正常运行具有极其重要的作用。企业生产的各类紧固件必须符合国家相关标准的要求。 国家标准紧固件机械性能标准GB系列 GB/T 3098.1－2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱 GB/T 3098.2－2000 紧固件机械性能 螺母 粗牙螺纹 GB/T 3098.3－2000 紧固件机械性能 紧定螺钉 GB/T 3098.4－2000 紧固件机械性能 螺母 细牙螺纹 GB/T 3098.5－2010 紧固件机械性能 自攻螺钉 GB/T 3098.6－2010 紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱 … … … … GB/T 3098.20－2004 紧固件机械性能 蝶形螺母 保证扭矩 GB/T 3098.21－2008 紧固件机械性能 不锈钢自攻螺钉 GB/T 3098.22－2009 紧固件机械性能 细晶非调质钢螺栓、螺钉和螺柱 第三章 电网中常见金属 概述 电网中金属技术监督主要受监设备有：杆塔、架构等重要金属构件，电力金具，高压绝缘开关，绝缘子及套管，压力容器等。这些设备中所用到的材料主要是金属，金属材料的材质和性能必须符合国家标准和行业标准。 尤其是受监督的金属材料必须经质量验收合格，应有合格证或质量保证书。金属材料应标明牌号、化学成分、机械性能及必要的金相、热处理工艺等。电瓷材料瓷件规定部位的制造厂商标及制造年份应清晰、牢固，并应具有永久性。 受监督的金属材料若系有色金属、合金钢时，在使用前应进行光谱分析，检测结果与设计要求相符才能使用。重要部件除进行光谱分析外，必要时还应进行金相及硬度抽查，符合要求才能使用。 目前在电网中常见的金属材料主要有：碳素结构钢，低合金高强钢，不锈钢，铸造铝合金和铜合金等。 §3-1 碳素结构钢 碳素结构钢是一类含碳量约0.05％～0.70％的碳素钢，个别高达0.90％。电网中主要用于铁塔承重部件，金具紧固用螺栓和螺母等机械零件。 这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，用Q＋数字表示 ，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。 碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的含量较低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。 具体化学成分和力学性能可参考标准GB/T 700-2006《碳素结构钢》和DL/T 764.4-2002《输电线路铁塔及电力金具紧固用冷镦热浸镀锌螺栓与螺母》。 §3-2 低合金高强钢 不锈钢一般是不锈钢和耐酸钢的统称。它们化学成分上的共同特点一般是含有12％以上的Cr的以铁为基的合金。不锈钢的研究开发近年来取得了重大进展，出现了化学成分和性能上有独特之处且工业上已获得应用的一些钢种。 电网金具，拉杆，夹具很多采用的都是不锈钢。 不锈钢按照基体金相组织基本分5类： a) 马氏体不锈钢：含Cr量12～18％，高温得到单相γ，。如1Cr13、2Cr13、 1Cr17Ni2等； b) 铁素体不锈钢：加热、冷却时没有αγ转变，有Cr13型、 Cr16-19型和Cr25-28型三类。如0Cr13、Cr17Ti， Cr25Ti等； c) 奥氏体不锈钢：应用最为广泛，约占不锈钢总产量的2/3，典型成分为18％-Cr8%Ni，其特点是利用铬、镍的配合来获得单相奥氏体并提高耐蚀性。如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等； d) 铁素体-奥氏体不锈钢（双相不锈钢）：目前精选成分为18～26 ％Cr、4～7%Ni。如AISI329、3RE60等 e)奥氏体-马氏体型沉淀硬化不锈钢：属超高强度不锈钢。如17－7PH、AM350等。 §3-3-2 几种常见不锈钢 0Cr18Ni9钢是一种含碳量超低的奥氏体不锈钢，不但具有良好的耐蚀性还具有一定的抗晶间腐蚀能力。该钢的焊接性能也较好，焊后不需要热处理。塑性和低温韧性也很好，并能抛光。 1.用途：用于制造要求耐腐蚀的设备零部件，并可用作耐酸容器及设备衬里，输送管道等设备和零件。这类材料即使在苛刻条件下焊接和使用，也没有产生晶间腐蚀的危险。可应用于石油、化工、纺织、轻工、核能等工业中要求焊接的容器、塔、槽、管道等。 2.化学成分（％）：C：≤0.06；Si：≤1.00；Mn：≤2.00；S：≤0.030；P：≤0.035；Cr：17.00～19.00；Ni：8.00～11.00。 3.化学性能：这类钢中含C量降到0.10％以下，即使较长时间敏化处理（或焊接），由于没有或仅有少量铬碳化物的沉淀，在腐蚀介质作用下，也不会再出现晶间腐蚀。在不同浓度和不同温度的一些有机酸和无机酸中，尤其在氧化性介质中都有良好的耐蚀性能。 1Cr17Ni2钢属于马氏体型钢，经淬火至低温回火后，具有高的强度、韧性和耐腐蚀性能，可以用各种方法进行焊接。另外还具有良好的切削性能、冷冲压性能及品抛光性能。为控制钢中a－铁素体含量，以免引起力学性能降低，应控制钢的铬、镍含量，即铬控制在10％～17％，镍控制在2％～2.5％。该钢经淬火－回火后在400℃以下使用。 1. 用途：用于高强度和高耐腐蚀性的零部件，如要求耐蚀的叶片、叶轮、主轴、高中压阀杆及紧固件。 2. 化学成分（％）：C：0.11～0.17；Si：≤0.80；Mn：≤0.80；S： ≤0.030；P：≤0.035；Cr：16.00～18.00；Ni：1.50～2.50。 3. 力学性能：950～1050℃油冷，275～350 ℃空冷回火； Rm≥1100MPa；A≥10％；ak ≥ 50J/cm2；HB(退火)≤285。 4. 化学性能：在800℃以下空气介质中，具有稳定的抗氧化性能。不同介质条件下（酸性、碱性）的耐腐蚀性能高。 §3-4 铸造铝合金 2）Al-Cu合金 Al-Cu系合金具有高的强度和耐热性，Cu4%，加入过渡族元素可进一步提高耐热性。可以进行固溶、时效强化，但抗蚀性、铸造性能不如Al-Si合金。 可用于制备叶轮、静叶片。例如用于柴油机活塞和飞机发动机气冷汽缸头的242合金（Al-4Cu-2Ni-1.5Mg）。加入Re元素能使耐热性有进一步提高。 3）Al-Mg合金 Al-Mg系铸造铝合金具有高的拉伸性能、抗蚀性和良好的切削加工性，但其铸造性能、热强度较差。 铸造铝合金的发展向着高强、耐高温以及耐磨等方向发展。提高原材料纯度，复杂合金化，改进热处理工艺，采用优质熔铸技术均为提高铸造铝合金性能的重要手段。 具体牌号和技术要求参见GB/T 1173-1995《铸造铝合金》。 §3-5 铜合金 铜是人类最早使用的金属。纯铜的导电、导热性能仅次于Ag（Ag、Cu、Al、Mg、Zn、Ni）；密度8.94g/cm3， 熔点1083℃;为fcc结构，无同素异构转变。 纯铜通常呈紫红色，故称紫铜。紫铜具有好的导电、导热、耐蚀和可焊等性能，并可冷、热压力加工成各种半成品，工业上制备导电、导热和耐蚀等器材。只能冷加工硬化，σbmax：400～450 MPa。为改善铜的性能，有时须添加某些其它微量元素。 无氧铜及脱氧铜所有杂质及微量元素均不同程度地降低铜的导电性和导热性。 固溶于铜对于铜的导电性和导热性降低较多，而呈第二相析出则对铜的导电性和导热性降低较少。 铜合金分类： 黄铜：Cu-Zn为基的铜合金； 白铜：Cu-Ni为基的铜合金; 青铜：除黄铜、白铜以外的铜合金。 具体牌号和技术要求参见 GB/T 20078-2006《铜和铜合金锻件》。 §3-5-1 黄铜 白铜 Cu-Zn为基的合金为黄铜。 低Zn黄铜有H96、H90、H85，具备良好的导电、导热、耐蚀，易冷热加工，可做冷凝管、散热片、导电部件。 三七黄铜有H70、H68，特点是高塑、较高抗拉强度，冷成形好，适用于冷冲压、深拉法制造形状复杂零件，可做 弹壳、炮弹筒。 普通白铜是Cu-Ni合金 结构白铜 该类白铜焊接性能好，可用做冷凝管、蒸发器。主要有以下几类： 1）铁白铜中的微量Fe用于细化晶粒，可耐海水腐蚀。 2）锌白铜俗称“德银”，Zn大量固溶于 Cu-Ni合金中，抗大气腐蚀。 3）BZn15-20呈银白色，机械性能好，可用于生产精密仪器、电工和医疗器材、艺术制品。 §3-5-2 青铜 锡青铜 有三千多年的历史，青铜器、铜镜、武器、鼎。主要特点是耐磨、耐蚀、弹性好、铸件收缩小。主要用途有三：1）弹性材料：弹性元件；2）耐磨材料：轴承轴套、轴瓦、齿轮；3）艺术铸件：铜像。 Cu-Sn合金结晶T间隔大，流动性差，枝晶偏析严重，可以通过均匀化退火消除，但分散缩孔多，不形成集中缩孔，体积收缩小，目前用做工艺品较多。 铜铝线夹断裂 第四章 常用的金属理化检验方法 §4-1 宏观检验 宏观检验也叫低倍检验，指金属结晶组织；金属凝固时形成的气孔、缩孔、疏松等缺陷；某些元素的宏观偏析，如硫、磷；压力加工形成的流线、纤维组织；热处理件的淬硬层、渗碳层等；各种焊接缺陷以及夹杂物、白点、发纹、断口等。 检验方法有：酸蚀试验、断口检查、塔形车削发纹检验、硫印检验等几种。 断口可以记录金属断裂时的全过程，即裂纹的产生、扩展直至开裂。不同的材料和受力状态，不同的作用时间和温度以及不同的环境条件下产生的断裂，可表现为断口形貌特征的具体差异，具体分析各种断口形貌与各种因素的内在关系可揭示金属断裂机理，进行事故分析及采取预防措施非常重要。 §4-2 元素分析 材料的性能首先决定于其化学成分。 化学成分分析 按其任务可分为：定性分析和定量分析。 按其测试范围可分为：平均成分和微区化学成分分析。 §4-2-1 光谱分析 光谱化学分析是根据物质的光谱测定物质组分的仪器分析方法，通常简称光谱分析。其优点是分析速度快，灵敏度高，即使含量在0.01%以下的微量元素也可分析，还可同时分析多个元素。 隔离开关触头 EDS对裂纹尖端面扫描 §4-2-2能谱分析EDS EDS微区成分分析 §4-3 金相分析 金相分析是在光学显微镜下观察、辨认和分析金属的微观金相组织、分布情况及缺陷的一种微观分析。可用于电网金具镀层测厚（准确度较高），金相组织的判断等。 §4-4 电子显微镜技术 §4-4-1 扫描电镜成像原理 电子枪发射出高速运动的电子束，通过由电场或磁场组成的电子透镜使之聚焦，聚焦后的电子束射到试样表面，然后通过物镜、中间镜和投影镜等电子透镜进一步放大，最后在荧光屏上得到具有一定衬度的电子图像。下图为原理图。 §4-4-2 扫描电镜的应用 扫描电镜在失效分析工作中具有特殊重要的作用，它的出现对断口分析和断口学形成起了重要的推动作用。目前显微断口的分析工作大都是用扫描电镜来完成的。 主要特点： 分辨率高，可达3－4nm 放大倍数范围广，从几倍到几十万倍，且可连续调整 景深大，适用观察粗糙的表面，有很强的立体感，能做表面形貌分析 可对样品直接观察而无需特殊制样 可以加配电子探针（能谱仪或波谱仪）附件，将形貌观察和微区成分分析结合起来。 扫描电镜样品制备一般原则： 显露出所欲分析的位置 表面导电性良好，需能排除电荷 不得有松动的粉末或碎屑（以避免抽真空时粉末飞扬污染镜柱体） 需耐热，不得有熔融蒸发的现象 不能含液状或胶状物质，以免挥发 非导体表面需镀金或镀碳 扫描电镜照片示例 光学显微镜与扫描电镜比较
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