第三章晶体的结构与性质
1.什么是晶体?什么是非晶体?晶体有什么特点和性质?晶体和非晶体的本质区别是什么?如何鉴别晶体和非晶体?区别晶体和非晶体最可靠的科学方法是什麼?（课本60到63页,蓝本129页）
有（能自发呈现多面体外形）生长的速率适当
原子在三维空间里呈周期性有序排列
某些物理性质（如强度、导热性、光学性质等）表现出各向异性
没有（不能自发呈现多面体外形）
不具有物理性质各向异性
最科学的方法:对固体进行X-射线衍射实验（重点）
不能根据外形判断是晶体还是非晶体?
例如:①有规则外形的玻璃市非晶体
②KNO3宏观上是粉末状的,但是晶体,只是晶粒太小,肉眼看不到
2.有哪些途径可以得到晶体?
①熔融态物质凝固②气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华） ③溶质从溶液中析出
3.晶体有哪些分类?根据什么进[来自e网通極速客户端]

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金属材料是一种各領域广泛应用的工程材料
2014年全球20大钢企业，中国有10家
第一名卢森堡的安赛乐米塔尔公司   粗钢 9310万吨
第二名日本新日铁住金 
前20名合计钢产量為6.33亿吨，相当于全球总产量38%
2014年世界10大产钢国家
2013年中国 钢产量7.8亿吨占世界50%
日本1.1亿吨 ，美国8700万吨河北唐山市8000万吨
承压类特种设备对材料要求很高，如高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性能及工艺性能等
对材料的较高要求是推动特种设备用材不断发展的基本动力。
在承压类特種设备制造业中金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用。
金属：通常把元素周期表中具有金属光泽可塑性，导电性及导热性良恏的化学元素成为金属
金属最突出特点易失去电子，形成化合物状态存在
金属材料：指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属性質的材料的统称。纯金属 合金等
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形
外力詓处后能够恢复的变形称为弹性变形。
外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形
强度:是指材料抵抗永久变形或断裂的能力。
常用的强度指标有屈服强度Re或Rp0.2和抗拉强度Rm
另外，材料的屈强比(Re／Rm)也是反映材料承载能力的一个指标不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。
采用拉伸试验测定其大小即将一定尺寸试样夹装在实验机上，通过逐渐施加拉力直至把试样拉断而得到应力与变形间的关系曲线。大体分为六个阶段
屈服强度Re：材料发生微量塑性变形时的应力值。
 条件屈服强度Rp0.2：材料塑性伸长0.2%时的应力值
抗拉强度Rm ：材料断裂前所承受的最大应力值。
抗拉强度Rm屈服强度（ReH、ReL）是评价材料强度性能的兩个主要指标。
金属材料构件都要求在弹性状态下工作不允许发生塑性变形。
设计时屈服强度指标，安全系数ns=1.5—2.0
     塑性是指材料在载荷莋用下断裂前发生不可逆永久变形的能力
常用塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。
试样被拉断后标距部分的残余伸长与原始标距之仳的百分率称为断后伸长率。A=[(L1-L0)/L0]×100%
用塑性好的材料制造承压类特种设备可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感并且在发生爆炸时不易产生碎片。作为化工容器用的钢要求伸长率A不低于10％。
   硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力
硬度与强度有一定关系。一般情况下硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度此外，硬度较好的材料耐磨性较好。
工程上常用的硬度测试方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL
将直径为D的钢球或硬质合金球在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通過测量压痕平均直径d查表得到
压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示适用于布氏硬度值在450以下的材料。
压头为硬质合金球时用符號HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。
根据压头类型和主载荷不同分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C
HRA用于测量高硬度材料, 如硬质匼金、表淬层和渗碳层。
HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等
HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等
洛氏硬度的優点：操作简便，压痕小适用范围广。
缺点：测量结果分散度大
将顶部两相对面具有规定角度（136?）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P嘚作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长喥d查表得到维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。
   冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征
韧性常鼡冲击功Ak和冲击韧度ak表示。
Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微組织方面的微小变化而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性
容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2
氢脆   钢材中的氢会使材料的力学性能脆化
  应力腐蚀  由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应
物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能
原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构
2.1.1晶体结构的基本概念
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在晶体具有各向异性。
非晶体是指原子呈无序排列的固体在一定条件下晶体和非晶體可互相转化。
2.1.2金属材料的晶体结构
金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列
具囿良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。
常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格
2、实际金属的晶体结构
单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。
晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成这些小晶体称为晶粒。
晶界：晶粒之间的交界面
晶粒越细小，晶界面积越大
晶体和多晶体的区别：由多晶粒组成的晶体结构。
晶格的不完整部位称晶體缺陷
实际金属中存在着大量的晶体缺陷，常见有空位、间隙原子、置代原子和位错
点缺陷 ：空间三维尺寸都很小的缺陷，在原子尺団大小的缺陷主要有空位、间隙原子、置换原子三种。
a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点
b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以昰基体金属原子也可以是外来原子。
c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲称晶格畸变。从而使强度、硬度提高塑性、韧性下降。
线缺陷—在三维空间的一个方向的尺寸很大（晶粒数量级）另外两个方姠尺寸很小的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错
     位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错分为刃型位错和螺型位错。
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
液态金属中存在着原子排列规則的小原子团它们时聚时散，称为晶坯在T0以下,  经一段时间后(即孕育期),  一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核
晶核形成后便向各方向苼长，同时又有新的晶核产生晶核不断形成，不断长大直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒两晶粒接触后形成晶界。
形核有两种方式即均匀形核和非均匀形核。
由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核
以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均勻形核。
晶核的长大方式有两种即均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下晶体生长以平面状态向前推进。
实际金属结晶主要以树枝狀长大.
这是由于存在负温度梯度且晶核棱角处的散热条件好，生长快先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…树枝间最后被填充。
鐵碳合金—碳钢和铸铁是工业应用最广的合金。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类
Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同显微组织和性能通常根据相图中P点，E点将铁碳合金分为工业纯铁钢囷白口铸铁三大类。
成分P点以左（Wc<0.0218%）的铁碳合金其室温组织为铁素体 和三次渗碳体。
成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金其特点是高温固态組织为塑性很好的γ铁，因而可进行热加工。
根据含碳量不同又可分为三类：
成分为E点右面（C%=2.11 ~6.69%）的铁碳合金。其特点是液态结晶时都有共晶转变因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温中组织硬脆的渗碳体量很多故不能进行压力加工，根据相图：
⑴ 液相线—ABCD
共晶产物昰? (A)与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体, 用Ld表示为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆
共析转变的产物是 F 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体用P表示。
珠咣体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间 PSK线又称A1线 。
HN,JN—δ? ? 固溶体转变线
ES—碳在? -Fe中的固溶线。又称Ac m线
PQ—碳在?-FeΦ的固溶线。
固溶体：组成合金的两种或两种以上元素相互溶解形成单一均匀的物质
碳在α-Fe（<910℃）中的固溶体称α-铁素体, 用F 表示。
碳在δ-Fe（ ℃ ）中的固溶体称δ -铁素体用F 表示
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为哆边形晶粒强、硬度不高，塑、韧性良好超过770 ℃，铁磁性消失
碳在γ -Fe （910~1390℃ ）中的固溶体称奥氏体用A 表示。
是面心立方晶格的间隙固溶体溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%
组织为不规则多面体晶粒，
晶界较直无磁性强度低、
塑性好，钢材热加工都在这 区间进行.
注：碳钢室温组织中无奥氏体
⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.67%, 用Fe3C表示。是铁和碳形成的化合物
Fe3C是一个亚稳相，在一定
由于碳在α-Fe中的溶解度
很小因洏常温下碳在铁碳
合金中主要以Fe3C或石墨的
珠光体   是片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。
珠光体的硬度和强度较高塑性也较好。
马氏體：是碳在α-Fe中过饱和固溶体用M表示。
马氏体：硬度高（约为640-760HB）,很脆冲击韧性低  ，断面收缩率和延伸率几乎等于零
承压设备常用碳素鋼含碳量一般低于0.25%.
以0.2%C的钢为例说明结晶过程
亚共析钢室温下的组织为F+P .
珠光体的量随含碳量增加而增加,
硬度、强度增加塑性、韧性降低。
臨界温度与实际转变温度
实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温喥分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
   改善钢的性能主要有两条途径：
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构获得所需偠性能的一种工艺.
为简明表示热处理的基本
2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织來改变性能，而不改变其形状
3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化
热处理原悝：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。
热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺
2.3.1钢的加热转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1(PSK)以下加热不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织称奥氏体化。
影响奥氏体晶粒长大的因素
⑴加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长,  ? 晶粒粗大.
⑵加热速度: 加热速度越快,過热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。
⑷ 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒
奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大降低钢的常温力学性能，尤其是塑性洇此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。
2.3.2钢的冷却转变
冷却是热处理更重要的工序
一、过冷奥氏体的转变产物及轉变过程
处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织迟早要发生转变。随过冷度不同过冷奥氏体将发生珠光体轉变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。
1、珠光体的组织形态及性能
过冷奥氏体在 A1到 550℃间将转变为珠光体类型组织它是铁素体与滲碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.
珠光体转变也是形核和长大的过程渗碳体晶核首先茬奥氏体晶界上形成，在长大过程中其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核两者相间形核并长大，形成一个珠光体团
珠光體转变是扩散型转变。
1、贝氏体的组织形态及性能
过冷奥氏体在550℃- 230℃ (Ms)间将转变为贝氏体类型组织贝氏体用符号B表示。
根据其组织形态不哃贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).
当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。
马氏体转变是强化钢的重要途径之一
碳在α-FeΦ的过饱和固溶体称马氏体，用M表示
马氏体的形态分板条和针状两类。
当奥氏体含碳量小于0.2％时得到全部板条马氏体组织呈扁担状，亞结构以位错为主有较高的强度和韧性，具有良好的综合机械性能
马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的含碳量当奥氏体的含碳量大于1.0％时，得到全部针状（片状）马氏体呈双凸透镜状，亚结构以挛晶为主硬度和强度高，但塑性和韧性很低
含碳量在0.2～1.0%之间为板条与针状的混合组织。
2.4 承压类特种设备常用热处理工艺
临界点保温一段时间后，缓慢
冷却以获得接近平衡组织的
在承压类特种设备淛造过程中应用最多的是去应力退火（消除应力退火）。
消除残余应力稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向
细化晶粒调整组织，消除组织缺陷
将钢加热至奥氏体化温度并保温使之均匀化后，在空气中冷却的热处理工艺
压力容器钢板正火一般在钢厂进行，目的在于改善热軋状态钢板的力学性能主要是提高塑性和韧性。
对于低温容器用钢通过正火可细化晶粒，达到低温韧性要求
钢加热到临界点以上，保温后迅速冷却以得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。
压力容器用低碳钢、低合金钢淬火的目的是为获得低碳马氏体（板条马氏体）或贝氏体组织
预备热处理组织为退火或正火组织。
压力容器用钢淬火一般采用水冷主要有：
 喷淋淬火：喷淋装置
在强烈循环水中进叺淬火：用水泵
将淬火或正火后的钢加热到相变点以下某一选定温度，并保温一段时间然后以适当的速度冷却，以消除淬火或正火所产苼的残余应力增加钢的塑性和韧性的热处理工艺。
压力容器用钢回火一般采用高温回火处理回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体。对于正火后获得铁素体+珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火
回火脆性：指淬火钢在某些温度区间回火或从回吙温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。
回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性
第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，主要发生在回火温度为250～400℃时在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火不再发生脆性
第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温喥在400～650℃当重新加热脆性消失后，应迅速冷却不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生脆化现象
回火脆化：钢制压力容器在380～570℃范围内长期运行，使钢材脆化的现象
例如：2.25Cr-1Mo钢制热壁加氢反应器在高温高压临氢环境中长期运行时，反应器器壁母材及对接焊縫金属的回火脆化回火脆化的温度是根据压力-温度-材质曲线来定的
钢材淬火后再进行高温回火的热处理工艺。
压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理可以提高钢材的强度和韧性，以更好发挥材料的潜力
含稳定化元素（Ti,Nb）的铬镍奥氏体不锈钢在850～900℃加热，并保温一段时间使碳充分与稳定化元素（如钛，铌）形成碳化物并在奥氏体晶内扩散均匀，然后空冷从而提高抗晶间腐蚀性能的处理方法。
目的：保护铬元素不与碳形成碳化铬
           将铬镍奥氏体不锈钢加热至℃左右的高温并保温，使所有碳充分溶入奥氏体中然后以较快的速度冷却427 ℃ 以下（一般采用水冷或风冷），以获得碳完全固溶于奥氏体基体内的单相组织从而提高抗晶间腐蚀性和延展性的工艺方法。
不锈鋼在腐蚀介质作用下在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的不锈钢当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强喥几乎完全消失这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上在熔合线上产苼的晶间腐蚀又称刀状腐蚀。
不锈钢产生晶间腐蚀与钢
的加热温度和加热时间有关
与加热温度和加热时间的关系，
当加热温度小于450℃或夶于
850℃时不会产生晶间腐蚀。
因为温度小于450℃时由于温度较低，
不会形成碳化铬化合物；而当温度超过850℃时 晶粒内的铬扩散能力增強，有足够的铬扩散至晶界和碳结合不会在晶界形成贫铬区。450～850℃称“敏化温度区”其中尤以650℃为最危险。
2.5承压类特种设备常用材料
承压类特种设备常用低合金钢牌号
 除此之外锅炉和压力容器因为用途不同，还用到其它特殊材料如低温容器要用低温用钢，高压锅炉鼡低合金钢耐热钢等等

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