金属材料材质分析

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金属材料材质分析范文第1篇

运用ABAQUS建立激光喷丸有限元模型，模拟研究不同材料的板材在激光冲击后折弯角度的变化，并进行相关实验，将仿真结果与实验结果进行对比。结果表明:金属材料HEL跟材料凹凸变形转换范围有关。

关键词:

激光喷丸成形;ABAQUS;金属材料HEL

激光喷丸成形技术是在激光冲击强化和机械喷丸的基础上提出来的。与激光冲击强化主要是改善零件疲劳寿命和提高抗腐蚀能力不同，激光喷丸成形采用高功率、超短脉冲的激光束代替有质弹丸冲击材料表面，将诱发的等离子体爆炸产生的冲击波作为材料成形的动力来源，使得金属零件发生塑性变形［1－2］。2010年，Edwards等发现:在使用纳秒激光进行薄板喷丸成形后，金属薄板发生了弯曲，这种弯曲呈凹变形。江苏大学张永康等［3－5］最先对激光冲击处理工艺进行研究，随后又在激光喷丸弯曲成形机理、激光诱导冲击波压力模型的建立、约束层对成形特性的影响、冲击波压力的测量和模拟、激光喷丸成形的数值仿真等方面进行了一系列的探讨。胡永祥等［6］对激光喷丸弯曲变形机制进行了试验和理论分析，结果表明:在不同的工艺参数和加工条件下，金属薄板不仅能向靠近激光光束的方向，而且能向远离激光光束的方向弯曲。随着金属薄板厚度的增加或者激光强度的降低，弯曲成形能够从凹变形连续、光滑地转变成凸变形。虽然国内外对激光喷丸成形进行了大量的研究，但是在金属材料HEL与板材凹凸变形方面的研究还不多。本文运用ABAQUS建立1060Al板材和AZ31B板材在相同板厚、相同激光能量下的激光冲击仿真模型，并进行相关实验，分析不同HEL的材料所产生的折弯变形角度。

1板材折弯变形

激光喷丸成形是一个以力效应为主导的成形过程。板料弯曲变形的实质是激光脉冲诱导残余应力使得板料发生变形。因此，在分析激光喷丸板料弯曲变形时，可将激光喷丸引起的残余应力看作外力，将由残余应力产生的弯曲看作是外弯矩，分析在该弯矩下板材的弯曲变形问题。当外力作用于板材时，原为直线的轴线发生变形成为曲线，这种形式的变形又称为板的弯曲变形。而激光喷丸诱使板料产生的弯曲扰度通常小于板材的厚度，所以本文重点分析板的小揉度弯曲。板的小揉度弯曲理论是以基尔霍夫假设为基础，其中基本假设主要包括如下4点［7］:①假设板料是均匀、连续的理想弹性体;②假设板料位移和变形是微小的;③变形前与中面垂直的直线段在变形后始终保持为直线并仍与变形后的中面正交，这就是直法线假设;④假定板材在变形过程忽略垂直于中面的法向应力。这些假设在满足相对工程精度的同时大大简化了求解过程。而且，采用基尔霍夫假设可将板的三维弯曲问题近似简化为抽中面的二维弯曲问题。在进行板料弯曲的分析时可以采用与解决材料力学梁纯弯曲问题相同的方法。板材的激光喷丸成形其实质是在激光脉冲的诱导应力波的作用下，在材料内部形成不均匀的应力分布，使得板料上产生弯矩，在弯矩作用下产生弯曲变形。每一种材料的HEL不同，在材料内部形成的应力分布也不同，进而产生不同的弯曲变形。Schulz在金属薄板的短脉冲激光喷丸成形方面进行了研究，他指出板料是否呈凹变形和呈凸变形是由局部塑性变形决定的。激光喷丸处理中板料既能产生凹变形，也能产生凸变形，这是由不均匀的应力分布导致的，不同的应力分布又是由材料的HEL不同导致的。不同的材料有不同的HEL，因此在相同条件下，材料会产生不同的变形。

2仿真

2．1有限元分析过程运用ABAQUS建立在相同条件下不同材料的仿真模型，运用显示分析ABAQUS/Explicit求解模块，模拟金属板料成形的过程，得到材料的动态响应。然后将求解结果导入ABAQUS/Standard模块进行金属板料的回弹分析。

2．2激光冲击波峰值压力激光喷丸成形动力来源于激光冲击波的压力。首先计算两种材料在相同条件下的冲击波的压力。Fabbro等［8］给出约束模式下激光冲击波传播一维模型，如图1所示。Fabbro等［9］发现，冲击波持续时间可看作为激光脉宽的2～3倍，而洪听也通过仿真分析得出加载时间为脉宽的3倍甚至更多。本实验采用的激光宽度为8ns，在模拟时将压力波加载时间设为20ns。计算出相同激光能量下两种材料受到的激光冲击波压力。两种材料的冲击波分布对比如图2所示。由图2可以看出:在相同条件下，不同材料所产生的激光冲击波压力也不同。

2．3材料的屈服极限及本构模型在高应变率106s－1下，金属板料的机械性能将发生改变。特别是板料的弹性模量和屈服强度都会发生不同的变化。所以，本文根据Ballard建立的激光冲击波加载理论分析模型，定义材料的动态屈服强度。仿真时采用AZ31B和1060Al材料［12］，与实验一致，并且认为材料各向同性，塑性应变服从VonMises屈服准则。模拟中调用ABAQUS中材料本构模型和失效模型，并考虑应变率的影响。

2．4仿真结果与分析对0．5mmAZ31B板材以激光能量0．1，0．2，0．3，0．4J进行仿真模拟，得到板材的折弯变形角度。试样在进行激光喷丸加载和静态平衡分析后的折弯变形结果见图3(放大10倍)。对0．5mm1060Al板材以激光能量0．1，0．2，0．3，0．4J进行仿真模拟，得到板材的折弯变形角度。试样在进行激光喷丸加载和静态平衡分析后的折弯结果见图4(放大10倍)。使用origin将AZ31B与1060Al仿真结果进行对比，结果见图5。由图5可以发现:在相同条件下AZ31B折弯变形凹凸转变机制厚度范围比1060Al要小，整体折弯变形量也小于1060Al。

3实验

实验路线见图6。采用3轴联动工作台用于精确定位试件的喷丸区域。由于采用不同的约束层(空气、水)进行实验，因此在进行水下激光喷丸实验时还需要水箱。聚焦透镜焦距为500mm。激光束经透镜后再经水箱表面方形K9窗口到达试件表面。激光能量选择0．1，0．2，0．3，0．4J。能量使用激光功率能量测试仪(见图7)标定。实验结果在小型工具显微镜(JGX－1型)上进行弯曲角度的测量(见图8)，工具显微镜精度为1’。激光喷丸折弯实验台架见图9。两种材料的折弯变形角度实验结果见表1。将实验得到的两种板材折弯变形角度进行对比后发现:在相同条件下，AZ31B变形角度范围比1060Al小，整体折弯变形量也小。

4结果分析

实验结果和仿真结果表明:材料HEL与材料凹凸变形转换范围有关。为了进一步分析这种关系，在相同条件下对ZK60镁合金和6061－T6铝合金进行有限元模拟。根据模拟结果绘制在0．2J激光能量下凹凸转变厚度与材料HEL的关系曲线，见图10。由图10可见:在一定激光能量下，材料HEL值越大，凹凸变形转变厚度值就越小;随着HEL值的继续增大，凹凸转变厚度趋于平缓。因而影响板材凹凸变形转变机制除了与金属材料厚度和激光能量有关，还与材料的HEL有关。本研究为给定金属材料选用合理工艺参数提供了参考。

参考文献:

［1］王广龙，周建忠，张兴权，等．激光冲击波技术在金属表面改性和成形中的应用［J］．农业机械学报，2005，6(12):48－152．

［2］丁华，李克勤．基于ABAQUS的激光喷丸成形有限元仿真［J］．重庆理工大学学报(自然科学)，2014(11):24－31．

［3］周建忠，张永康，周明，等．激光冲击成形技术的研究［J］．激光技术，2002，26(6):478－480．

［4］周建忠，杜建钧，黄舒，等．金属板料的激光喷丸变形理论［J］．材料研究学报，2009，21(6):622－626．

［5］周建忠，倪敏雄，张永康，等．金属板料激光喷丸成形理论研究与数值模拟［J］．中国激光，2007，34(2):288－294．

［6］胡永祥．激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究［D］．上海:上海交通大学，2008．

金属材料材质分析范文第2篇

关键词：对流过热器；金属材料状态；监督运行

中图分类号：C35文献标识码： A

Abstract: This article through uses, the material material quality analysis, the metallographic examination, mechanics performance experimental technique macroscopic, carries on the experimental analysis to the Dou River Power plant #6 stove convection superheater pipe ore sampler, unifies the boiler scene actual movement condition, after elaborated the #6 stove convection superheater moves for 200,000 hours the tubing actual condition, through to tests the result the analysis, judges this length of pipe tubing under the normal operation operating mode, may continue to supervise the movement.

Key word: Counter-flow superheater; Metal materials behavior; Surveillance movement

1 前言

任何设备或部件都具有一定的功能。衡量设备或部件的优劣是看它能否很好地实现规定的功能。设备或部件丧失其规定功能的现象称为失效。失效分析是分析设备或部件失效的原因，并提出对策，以防止失效再次发生的技术活动和管理活动。

在火力发电厂机组服役期间，金属部件由于失效造成的损失是惊人的，而导致金属失效的原因是多方面的。因此通过金属技术监督、实验的方法，对使用中的材料特性及失效分析到位，对受监督的部件进行检测与诊断，及时了解并掌握金属部件的质量状况，准确地找出失效的原因，防止机组在设计、制造、安装中出现的与金属材料相关的问题，以及运行中材料老化、性能下降等因素而引起的各类事故，从而减少非计划停运次数和时间，提高设备安全运行的可靠性，延长设备的使用寿命。因此，金属材料失效分析是火力发电厂一项重要的工作，对电厂安全生产和新技术的产生和发展起着重要作用。

陡河发电厂#6锅炉，HG-670/140-9型，过热蒸汽压力140Kg/CM2，过热蒸汽温度540℃，1984年12月24日投入运行。本次实验取样管材为对流过热器管（冷段），取样管位置为对流过热器（冷段）左数第26排，前数第一根距下弯一米处；运行温度525℃，规格Ф42×5，材质12Cr1MoVG。该管段自机组投产以来未进行过更换，累计运行时间约21万小时，在整个运行过程中，未发现因金属材料不良引起的重大事故。由于运行时间已经超过20万小时，为了确实了解与掌握该种管材（12Cr1MoVG钢）经过长时间运行后组织、性能变化情况，通过对取样管进行宏观检查、材质分析、金相组织、力学性能试验，判断该管材金属材料的组织与性能是否仍然满足使用要求，为能否继续服役，恰当掌握换管时机以防止管材失效以及旧材料的合理使用提供依据，对保证机组安全、经济运行具有十分重要指导意义。

2 试验项目

2.1 外观检查

（1）管壁外表面氧化皮颜色呈棕褐色，未发现因管壁超温发生的氧化皮颜色变化，正常。

（2）氧化皮厚度，向火侧0.2mm，背火侧0.15mm。

（3）管壁外表面用放大镜（10x）检查，未发现表面裂纹。

2.2 蠕胀测量

取样管材规格Ф42×5，使用游标卡尺对取样管进行测量，实测直径为Ф41.9mm、壁厚5.0mm。

2.3 材质分析

取样管设计材质为12Cr1MoVG钢。经光谱材质分析确定，管材为12Cr1MoV钢。

2.4 金相组织（1）向火侧金相组织：铁素体+极少量的珠光体+沿晶分布的碳化物，珠光体球化等级3-4级；晶粒度等级：6-7级，见图1；

图1 向火侧金相组织500×

（2）背火侧金相组织：铁素体+珠光体，珠光体球化等级为2级；晶粒度等级评定：6-7级，见图2。

图2 背火侧金相组织500×

2.5 机械性能试验

对取样的管件试样背火侧及向火侧各取两个标准试样（纵向），进行机械性能试验，结果如表1 所示。

表1 机械性能试验结果

序号 试样位置 抗拉强度(Mpa) 延伸率(δ)% 备注

标准要求（GB5310-2008） 试验数据 结果 标准要求（GB5310-2008） 试验数据 结果

1 #1（向火测） 470-640 570 合格 ≥21 30 合格

2 #2（向火测） 470-640 580 合格 ≥21 30 合格

3 #1（背火测） 470-640 620 合格 ≥21 33 合格

4 #2（背火测） 470-640 605 合格 ≥21 33 合格

3 检验结果分析

3.1 从外观检查及查询运行记录得知，该管段在运行期间未发生管壁超温情况，根据中华人民共和国电力行业标准DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》9.3.12要求，当管子外表面有宏观裂纹和明显鼓包、高温过热器管和再热器管外表面氧化皮厚度超过0.6mm时；当低合金钢管外径蠕变大于公称直径的2.5%时，必须进行更换。宏观检查发现，表面氧化皮厚度未超标，未发现表面裂纹，未发现管径胀粗现象，符合规程规定的使用要求。

3.2 材质分析

锅炉受热面管设计使用的材料，是根据金属材料的特性、使用工况及经济性等多方面因素而确定。金属材料都有相应的使用温度范围，在这一温度范围内，这些钢材可以按其设计使用寿命安全运行。在安装、检修等环节中若选用了不符合设计要求的或以不合适钢材代用，将导致使用温度超出该钢材的允许工作温度，造成管子蠕变速度过快，发生爆管。为确定金属材料使用是否合理，必须进行材质分析鉴定。取样管设计材质为12Cr1MoVG。经光谱分析确定，管材为12Cr1MoV钢，材质符合设计要求。

3.3从金相显微组织观察，未发现晶间裂纹，未发现蠕变孔洞。显微组织变化表明，该管段12Cr1MoVG钢组织珠光体中碳化物已经产生球化现象，并且向火侧珠光体球化程度比背火侧材质珠光体球化程度严重。

12Cr1MoVG属于珠光体型耐热钢。珠光体的球化和碳化物的聚居，是所有珠光体耐热钢最常见的组织变化，珠光体的球化是指钢中原来的珠光体中的片壮渗碳体在高温长期应力作用下，随时间的延长逐步改变自己的形状和尺寸而成为球状的现象。球化后的碳化物继续增大自己的尺寸，使小直径的球变成大直径的球，这就是碳化物的集聚。珠光体的球化的结果使材料的常温强度及高温强度显著降低，包括材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限各指标全面下降，塑性、韧性变差，材质老化。

向火侧金相组织：大部分碳化物已经分布在铁素体晶界上，仅有极少量的珠光体（贝氏体）区域的痕迹，球化等级3-4级。

背火侧金相组织：聚集形态的珠光体（贝氏体）区域已开始分散，组织仍然较为致密，珠光体（贝氏体）保持原有的区域形态，球化等级2-3级。

该管段珠光体已经产生球化现象、向火侧较背火侧材质珠光体球化程度严重；根据中华人民共和国电力行业标准DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》9.3.12要求，金相组织检验发现晶间裂纹、珠光体球化达到5级时必须进行更换，但取样管金相组织状态未超出标准要求。

3.4 机械性能试验数据表明，向火侧材质老化程度比背火侧材质老化程度严重；向火测性能试验数据（抗拉强度(Mpa)570-580）低于背火侧（抗拉强度(Mpa)605-620），产生这种情况的原因在于在室温时，钢的组织性能是稳定的，但锅炉受热面管都是长期在高温及应力条件下运行，由于原子扩散过程的加剧，钢的组织将逐渐发生变化，从而引起钢的性能发生变化。特别是对钢的高温强度和塑性产生不利的影响，金属材料的强度随着温度的提高而呈现下降的趋势。锅炉受热面管有向火面和背火面之分，向火面壁温度比背火面壁温度高，因而向火面壁蠕变速度较大，金属强度也因温度高而低。

根据中华人民共和国电力行业标准DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》9.3.12及GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》要求，管材的拉伸性能低于相关标准要求时进行更换，试验数据表明取样管常温性能指标未超出标准要求，不需要立即更换。

4 结论

综合上述试验分析，参照相关标准、规程的要求，得到以下结论：虽然#6炉过热器管金相组织已发生明显珠光体球化现象，并且向火侧较背火侧球化更为严重；向火侧比背火侧材质老化程度严重，力学性能指标较低，但其各项性能指标仍满足标准规程规定的使用要求；根据实验结果与分析判断，该管段在正常运行工况下，可继续监督运行。

5 建议

（1）根据上面试验数据分析结果，该管材并没有达到更换条件，但由于#6炉对流过热器管（冷段）运行时间已经超过20万小时，建议加强监督检查，在今后每次检修中对过热器管取样进行管材使用寿命分析与评估，以达到预防管材失效之目的。

（2）加强锅炉运行操作管理，严格控制运行工况，杜绝超温、超压运行。

参考文献

[1]吴非文. 火力发电厂高温金属运行[M]. 北京：水利电力出版社，1979.

[2]胡光立，谢希文. 钢的热处理[M]. 西安：西北工业大学出版社，2010.

[3]DL/T 438-2009. 火力发电厂金属技术监督规程[S]．

[4]DL/T 939-2005. 火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术标准[S]．

金属材料材质分析范文第3篇

“电厂金属材料学”与火力发电厂生产实际紧密结合的专业课程，是热能与动力工程专业的一门必修专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握金属材料学的基础理论和锅炉、汽轮机以及相关辅机，比如泵、风机、加热器、除氧器、凝汽器等设备常用的金属材料及热处理方法等方面的知识；掌握解决工程实际问题的技能；为学生从事电力行业相关的设计、安装、检修工作奠定基础[1]。

根据我国“十五”规划教材对工程类应用型本科院校教材的要求，该课程针对热能与动力工程专业学生的教学课时已经缩短到32学时。鉴于本课程授课内容多、学时少、学生学习难度大、综合性强的特点，本文分析该课程的教学难点，希望对提高该课程的授课效果有所裨益。

一、教学体系构建与难点分析

首先精选教学内容，这就要求授课教师结合教学大纲要求，一方面照顾知识面的广度，另一方面要注重基本概念和基本原理的深度。该课程内容以大容量、高参数机组，主要以600MW及以上的火力发电厂主力机组主要设备的金属材料为主，兼顾300MW的火力发电厂主力机组主要设备的金属材料。授课时尽可能反映国内外电厂金属材料的先进的科学技术、新成果。

该课程涉及以前所学的各门专业课程较多，如“工程制图”、“机械设计基础”、“工程力学”、“工程热力学”、“金属工艺学”等。在讲授时帮助学生复习和回忆已学专业知识，比如“碳钢拉伸试验”这部分内容时，与“工程力学”课程内容基本相同，不必再次讲授，可以减少相关课时。在讲授“金属的晶体结构与结晶” 内容时，有的部分内容在高中曾经学习过，也不必再次讲授，可以减少相关课时。还比如教师在讲解“模具钢、切屑用钢”的教学内容时，由于热能动力专业的学生将来不可能从事金属切削加工、模具制造方面的工作，教师可以酌情相应缩减教学时间。

二、知识点的联系与巩固

对于热能动力专业学生学习“金属材料学”来讲，既不是材料专业学生学习“金属材料学”，也不是机械专业学生学习“金属材料学”，那么，摸索出一套培养适合热能动力专业学生学习“金属材料学”的方法，那就更为重要的。对于热能动力专业学生学习“金属材料学”来讲，不能过于专业学习金属材料理论，热能动力专业学生更多关注热力系统的热力计算，对于热力系统管道的金属材料的选定不熟悉。针对这种情况，在学习“金属材料学”时，哪些内容，热能动力专业学生可以作为一般了解，哪些内容，热能动力专业学生作为重点掌握，必须给学生明确交代。

“电厂金属材料”课程并不难学，没有多少计算题，计算题也没有积分和求导。“电厂金属材料”课程只有一个定律，即杠杆定律。但是“电厂金属材料”课程理论性强，规定条文多，需要记忆的概念多，有时一个概念套着另一个概念。相当于英语语法中的一个从句套着另一个从句。比如奥氏体的定义：碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。什么是固溶体，什么是间隙固溶体，什么是γ-Fe，在多少度形成γ-Fe，各个知识点串联起来，从而达到融会贯通，使学生加深理解和记忆。

教师在讲授“电厂金属材料学”开始时，为了提高学生的学习兴趣和爱好，搜集一些古代铸造金属的精美照片，比如司母戊鼎、四羊方尊、马踏飞燕、长信宫灯等国家级青铜器出土文物，从一方面反映，我国的冶炼技术历史久远，冶炼技术水平精湛，从另一个方面反映我国悠久历史和灿烂的文化。

为了提高学生的学习兴趣和爱好，教师可以提出与金属相关的中国成语，学生加以补充。比如：金戈铁马、枕戈待旦、刀枪入库，马放南山、趁热打铁、点石成金、打铁还需自身硬、百炼成钢、铁打的营盘流水的兵，浪子回头金不换等成语。

为了提高学生的学习兴趣和爱好，教师可以向学生提出一些问题，比如：我们在日常生活和学习中，哪些用到铸铁材料、哪些材料是碳钢制造的。

“电厂金属材料学”课程有头重脚轻的感觉。比如“铁碳合金相图”内容非常重要，是金属材料学的重要基础理论，由于理论理解难度大，学生学习感觉有些吃力，教师需要增加课时。本课程围绕“铁碳合金相图”进行，所以要求学生必须掌握铁碳合金相图，必须徒手绘画，掌握各点、线和相区的物理意义。

教师讲解“电厂金属材料学”课程时，为了达到学生容易理解的目的，多媒体要配以火电厂锅炉本体及辅机、汽轮机本体及辅机、泵与风机等图片，便于学生理解和掌握[2]。如图1华能上海石洞口第二电厂的超临界压力600MW汽轮机组图片，图2超临界压力600MW汽轮机叶轮图片，图3超临界压力600MW锅炉屏式过热器图片。学生在学习过程中为“锅炉原理”、“汽轮机原理”奠定基础。

教师在讲授“铸铁”内容时，介绍制作阀门的材料不仅有钢制阀件、还有灰口铸铁阀件、可锻铸铁阀件、球墨铸铁阀件、铜合金等阀件。“铸铁锅炉”，额定出口热水温度低于120℃，且额定出水压力不超过0.7MPa，锅炉可以用不低于HT150灰口铸铁制造。“铸铁式省煤器”用于非沸腾式锅炉，适合中小型锅炉。

还可以介绍“城镇供热管网设计规范”CJJ34的相关内容。比如“室外采暖计算温度低于-10℃地区露天敷设的热水管道设备附件均不得采用灰铸铁制品；室外采暖计算温度低于-30℃地区露天敷设的热水管道，应采用钢制阀门及附件，蒸汽管道在任何条件下均应采用钢制阀门及附件。”

在讲授“不锈钢”的章节内容时，介绍高纯气体管道选材的有关规定，比如：“气体纯度大于或等于99.999%，露点低于-70℃，应采用内壁电抛光低碳不锈钢管EP。阀门应选用同等级的隔膜阀或波纹管阀。”“气体纯度大于99.99%、小于99.999%，露点低于-60℃，应采用BA管或EP管。阀门宜采用波纹管阀。”还可以介绍医用气体管道选材的有关规定，“医用气体的管材均应采用无缝铜管或无缝不锈钢管。其中无缝不锈钢管的材质性能不应低于0Cr18Ni9奥氏体。”“医用气体阀门应使用铜或不锈钢材质的等径阀门。”“无缝不锈钢管、管材和医用气体低压软管洁净度应达到内表面碳的残留量不超过20mg/m2。”

“金属材料学”与“金属工艺学”密不可分。一般地，热能动力工程专业没有设置“金属工艺学”课程，那么需要补充一些“金属工艺学”课程相关的知识，比如什么叫拉制管和挤制管，管材、线材、棒料等金属形式等。还比如：纯铜及黄铜管材按照制造方法分拉制管、挤制管，纯铜管常用材料：T2、T3、T4、TUP，黄铜管常用材料：H62、H68、HPbs9-1。比如：无缝钢管、电焊钢管，常用的直缝电焊钢管：一般用Q215、Q235、Q255普通碳素钢和08、10、15、20优质碳素钢制造，通常用于工作压力不超过1.6 MPa，介质最高温度不超过200℃凝结水管道中。

在讲授“轴承合金”内容时，联系相关汽轮机运行常见故障，比如：若汽轮机转子轴向推力过大或供油中断，有可能造成推力轴承巴氏和金熔化，使转子产生较大轴向位移，造成汽轮机的严重事故。比如，讲到“锡基轴承合金”时，锡基轴承合金含锡量为83%，锡材料比较软，适合于做轴承合金的材料，同时介绍云南个旧是中国最大锡矿产地等。

在讲授“汽轮机用钢”内容时，提高汽轮机单机最大功率的措施之一是采用高强度、低密度的材料，比如，钛基合金的密度只有不锈钢的57%，超硬铅合金材料LC4，其密度仅为一般不锈钢材料的35%，而其屈服强度σ0.2=550MPa，使用这些材料均可使汽轮机末级叶片高度增加，从而增大极限功率。

在讲授“有色金属及其合金”内容时，铜合金可以作为阀门使用，但是输送氢气的管道选用不带铜和铜合金阀门，防止碱对管道的腐蚀。由于电阻率低的特点，铜及铜合金作为导体使用。管壁导热率λ[w/m℃]，钢管λ=45-50 w/m℃，黄铜管λ=81-116w/m℃，铝λ=236 w/m℃，纯铜λ=349-465w/m℃。一般采用铜管作为导热管，采用铝材作为翅片。

在讲解电厂金属材料后，教师有时间情况下，可以介绍电厂非金属材料，比如，避免金属管道的腐蚀和磨损，可以采用陶瓷材料。扩大热能动力学生知识面，以适应将来工作需要。

三、授课的几点体会

根据培养方案的要求，“电厂金属材料学”教学课时已经缩短到32学时，在这么短的时间内，学生不可能成为金属材料学方面专家，也不可能办到。那么，学习这门课程的最终目的就是，要求热能动力的学生达到自己学会“查工程师手册”，教会学生使用选择需要的金属材料的牌号的方法。受人之鱼不如受之以渔，适应将来的工作需要。

选用金属材料总原则，在满足工程实际使用要求的前提下，尽可能选择价格低的金属材料，尽可能选择常用的金属材料，性价比高的金属材料，哪些材料是常用的金属材料，便于采购的金属材料。比如火力发电厂冷却水水质是选择表面式双流程凝汽器管材的主要依据，可以供选用的管材主要有：普通黄铜管、锡黄铜管、白铜管、钛管、不锈钢管等。钛管虽然对氯化物、硫化物和氨具有较好的耐腐蚀性，抗冲击腐蚀的性能也较强，可以在受污染的海水中使用，但价格较贵。不锈钢管耐腐蚀性，抗冲击腐蚀的性能优于黄铜管，但价格较高，随着需求和产量的提高，价格可以降下来。由于表面式双流程凝汽器用量非常大，数量达到Ф18内径4500根，考虑满足使用要求的前提下，尽量选用价格较低，使用较广的金属材料，表面式双流程凝汽器选择4500根黄铜管。授课过程中，如何选用金属材料的牌号总原则这条主线，理论和实际相结合，理论应用到实践中去，贯穿课程的始终。

按照金属材料的使用范围和用途，确定钢件的类型和牌号，与选取传感器型号类似[3]。要求学会金属材料应用就可以，金属材料牌号多。根据工程上的需要选择金属材料和金属材料热处理方法。

近年来，我国新建、改建、扩建机组向大机组、大容量方向发展，这些机组均是超临界、超超临界的高参数。大量新技术、新材料、新工艺被广泛应用，由于我国的冶炼技术和工艺制造技术还比较落后，需要引进大量国外材料和工艺技术。教师在讲授“合金钢的分类”内容时，讲解我国合金钢的分类方法以外，还介绍国外的合金钢的牌号，比如美国、日本、德国、俄罗斯、法国常用的合金钢的牌号，与我国合金钢相应钢号对比。

随着全球科技的迅猛的发展，授课的内容也要与时俱进，如果还沿袭教材的内容按部就班的授课，那就落后与时代的发展了。在各个章节中尽量多地介绍前沿性研究方向，开阔学生眼界、拓展思路。比如向学生们介绍“金属学报”、“新金属材料”等杂志，国内外的前沿技术，新技术、新工艺等。

金属材料材质分析范文第4篇

【关键词】 稀土元素金属材料作用机理

稀土元素在当前新能源技术的发展中有着重要的作用,尤其是在金属材料的运用中能有效降低硫含量,并且能彻底改变杂物形态。在稀土元素的整体作用分析中,通过技术的改进措施,充分发挥稀土元素在金属材料中的净化作用、吸收作用等,形成整体的机理及功能运用模式。因此,要整体分析稀土元素与金属材料的融合性,在整个技术运用的过程中,通过对稀土元素在金属材料中的机理的全面分析,尤其是突出在化学效应、作用发挥等多方面的整体机能,更好的推动稀土元素的作用。在实际的操作过程中突出稀土元素的化学原理,构建更为有效的稀土元素运用机制,形成高标准的机理效能,充分发挥在金属材料中的作用。

1 简述稀土材料的整体概念

1.1 概念分析

稀土是历史遗留下来的名称。稀土元素(Rare Earth Element)是从18世纪末叶开始陆续发现,当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的,很稀少,因而得名为稀土(Rare Earth,简称RE或R)。稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与镧系的15个元素密切相关的元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素,称为稀土元素。稀土元素的共性是:①它们的原子结构相似;②离子半径相近(REE3+离子半径1.06×10^-10m～0.84×10^-10m,Y3+为0.89×10^-10m);③它们在自然界密切共生。

1.2 特性分析

稀土元素是周期表中IIIB族钇、钪和镧系元素之总称。其中钷是人造放射性元素。他们都是很活泼的金属,性质极为相似,常见化合价+3,其水合离子大多有颜色,易形成稳定的配化合物。溶剂萃取和离子交换是目前分离稀土的较好方法。镧、铈、镨、钕等轻稀土金属,由于熔点较低,在电解过程可呈熔融状态在阴极上析出,故一般均采用电解法制取。可用氯化物和氟化物两种盐系,前者以稀土氯化物为原料加入电解槽,后者则以氧化物的形式加入。

2 分析稀土元素在金属材料中的作用

2.1 微合金化作用

在稀土元素的整体作用下,微合金化的作用是一项主要的功能运用,作为稀土原子的整体效能是一个不容忽视的问题,在晶界上的偏聚形成于其他元素相融合的方式,这样就会产生晶界的结构以及化学成分等多方面的改变,形成不同元素的扩散效果,最终导致钢组织发生性能的变化。在这些稀土元素与钢结构的整体融合中,形成不同的钢结构模式,在冶炼方法上也会有不同稀土加入的方法,形成很大的差异,这些稀土强化的作用,阻碍整个晶间裂缝的形成,并出现相应扩展现象,可以有效的改善塑性以及高温塑性,通过稀土能有效抑制动态结晶,对于其中的微量元素具有很大的促进效果,并在溶解的稀土作用下,从而有效改变渗碳体组成以及结构的物理球化、细化等效果。

2.2 与其它有害元素的作用

在整体的分析上,稀土元素在金属材料中可以与其他元素进行有效的综合作用,尤其是在与钢结构中的磷、砷、锡、锑、铋等一些低熔点、有害的元素形成相互融合的效果,这些稀土元素可以与这些元素在杂志的参合下形成较高熔点的化合物,并且还能抑制这些有害物质在晶界的偏离效果。比如,在钢存在有热脆性的情况下,主要是由于钢中具有低熔点的金属元素,因此,在加入稀土元素的钢液中,可以生成高熔点的金属化合物,这些稀土元素就会不溶于钢中,并产生在炉渣之中,从而起到净化的作用。有效减少在钢结构中的杂质,有效避免热脆性现象的发生。其中,对于稀土元素的脱硫、脱氧效果,可以从大量的研究数据中得到证实:钢中氧、硫含量在一定范围内,钢液中加入稀土时,极易生成稀土的氧硫化物。尤其是钢结构中在一定范围内加入稀土,就会容易生成稀土的氧化物质,譬如钢中的氧、硫等含量在一定范围内上升的情况下,尤其是在钢中含氧量逐渐下降到201ppm以下时,就会形成RE203S型夹杂物,而后形成RE3S4或RES型的硫化物。这些物质就可以有效的包裹在氧硫化物的表层,在经过组成复合夹杂物或稀土硅酸盐化合物的情况下,就会产生熔点高、性能稳定、球状物质较多的钢化液体,稀土元素在钢中的作用通过硫化物的形态进行全面控制,从而达到最佳的效果。其次,还可以发挥出稀土元素在金属材料中的捕氢作用,这种整体效能是通过稀土元素在吸收大量氢元素的基础上,形成一些储氢材料,将稀土元素融入这些钢结构之中,从而有效的移植钢中氢引起的脆性以及相应的白点,从当前的相关研究表明来看,稀土元素可以有效降低氢的扩散效果,能有效抑制钢的氢脆作用。同时,稀土元素在金属材料中还可以有效起到控制整个效果的运用,在钢结构的设计中,降低脆性,形成弥散硬化的作用。这种效果主要是通过向钢中喷吹稀土氧化物构成的粉剂,在此基础上提高钢的强度与韧性,有效降低脆性在温度中的转变,从而更好的提升金属材料的持久性。并可以提高结晶界对位错运动的相应阻力,提高刚性的疲劳性能,可以有效提升氧化铝夹杂转为球状机能的技术水平,全面发挥铝酸稀土的整体效果,从而构建良好的运行模式。

2.3 稀土在对钢材性能的影响

从目前稀土元素发展来看,目前主要开采的稀土品种在钢中的运用相对较多,尤其是出现了稀土泥重轨、高韧性压力容器用钢等,还有稀土船板钢、稀土车轴钢等一些不同的技术要素。在当前的技术运用下,稀土元素可以有效提高这些钢结构的耐钢性能,增强不锈钢的抗腐蚀效果,并且可以增强钢结构的抗氧化性能,提升整体的高温强度。在具体的运用中,可以结合弹簧钢、齿轮钢等一些抗疲劳性能的稀土元素,形成难以变形的高合金钢的热塑性能,增强金属材质的耐磨性。在无缝管金属材质中融入一定的稀土元素,可以增强无缝管的横向冲击韧性,实现这种韧性的整体功能,并促进其他性能的整体提升,从整体作用来看,这些性能的出现,有利于提高整个管材的使用效果,增强抗腐蚀性的整体功能。

3 探讨稀土元素在金属材料中的机理

金属材料材质分析范文第5篇

【关键词】金属材料；焊接缺陷；防止方法；机械制造；缺陷修正

Research on Welding Technology of Metal Materials

Guo Hong-wei

（China Energy Construction Group Shanxi Electric Power Construction Co.， LtdTaiyuanShanxi030012）

【Abstract】Welding metal materials are often subject to multiple interference， welding will be flawed. Welding defects contain hot and cold cracks， missing each other's fusion， undercut and slag， metal with stomata， highlighting the welding tumor and other ills. To prevent the defects within the welding process， to consider the material characteristics and the existing real state， set the most appropriate prevention and control ideas. In this paper， the welding defects and prevention methods of metal materials are discussed.

【Key words】Metal materials；Welding defects；Prevention methods；Mechanical manufacturing；Defect correction

B接金属材质不可缺失焊接，它是必备的流程。机械制造中常用焊接，焊接得到可用的金属。然而检测获取的数值表明：超出40%现有的配件缺陷都被归结为焊接缺陷。焊接配件附带的接头很难规避细微的裂痕、小孔以及夹带的焊渣。查验焊接的缺陷，便于及时着手去调控。确保配件彼此的整合，清除附带的冗余焊渣、其余的杂物等。要调控适宜的电流速率，注重密闭配件衔接之处。唯有注重细节，才能全方位规避缺陷。

1. 解析焊接缺陷

1.1未能完全焊接。

有些情形下，没能焊接透彻将造成原材不被熔化。针对于母材类，若起初焊接并不透彻，材质将不会熔化，金属没能延展至根基的接头。焊接不够透彻根源于如下：坡口拟定了不适宜的初期尺寸，没能慎重地调控它的间隔；偏心度缺失了精准性，布设焊条有着偏差；电流强度偏低，没能吻合设定好的熔深；母材根部夹带着细微的杂物。焊接若没能透彻，将缩减焊缝占到的总面积，接头缺失了稳固性，焊缝很难长时段承载负荷。此外，熔合也可能不够充分，金属彼此没能紧密熔合成整体，由此带来缺陷。这类成因包括：偏离了起初的焊接角、电流不够大、焊接速率偏快、母材附着了杂物。这样的状态下，金属彼此缺失了契合性，承载面积过小。熔合不够的这种原材聚集了偏多的应力，很难提升本体的荷载。

1.2含有细微的裂痕。

（1）焊接得出的金属常常存有细微裂痕，是常见的缺陷。结晶金属经由焊接而被变更为后续的固态，转化流程增添了裂痕。焊接终结之后，短时段内将会凸显裂纹。裂纹被布设于熔合线条之内，母材边界也会包含，冷热双重的焊接之下将会带来裂痕。

（2）详细来看，结晶带来偏热态势下的裂痕，它起始于偏析的位置。熔池留存了晶体杂物，它们有着熔点偏低的特点，凝结点也很高。遇有外来的应力，晶体将会被拉伸，内部附带了裂纹。与之相应，焊接流程终结以后才会增添冷裂痕。配件被焊接完毕，内部后期将延展纹路。焊接后几分钟，甚至一天以内都被归入产生裂纹的时段。冷裂纹毁损了本体的构架，伤害到配件本身。

1.3夹带焊渣。

焊缝残存下来的熔化焊渣没能被除掉，就会带来夹渣。夹渣毁损了原本致密的焊缝，缩减它的强度。夹渣成因含有：焊缝被切割后，有氧切割增添了残存着的熔渣；坡口被设定得过小，经由的电流偏小，设定了起初的过快焊接；焊条表现出偏酸性，偏小电流之下这类焊条会附带着糊渣，干扰着后续的焊接。然而，即便选取的焊条倾向于碱性，若设定了偏差的电弧及极性，也将带来夹渣状态。此外，焊条如果偏芯，夹渣很易形成。

1.4咬边及内在气孔。

在边缘之处焊缝残存了凹凸，它们被看成咬边。这是由于经由的总电流是偏大的，焊条提快了移动速率。此外，设定了偏长的电弧，焊丝布设了不适宜的方位角，都会添加焊缝内的不平。在埋弧焊中，配件若熔化得偏深、焊接速率太快、焊接依循的轨道不够平顺都将引发这样的咬边。后续添加进来的额外金属没能填充凹陷，咬边缩减了截面之处的有效接头，聚集了凸显的过大应力。为此，受力类的配件不准凸显咬边。焊接气孔含有内外在的双重气孔，接头及表层都会附带气孔。气孔的成因可分成：坡口夹带了水分，表层不够洁净；附有锈蚀痕迹或偏重的油污；没能依循规程来烘焙焊条，选取的焊剂不适宜；焊芯被缓慢腐蚀，外皮滑脱或变质。若选取了低氢类的焊条，气孔产生于偏快的速率、过长电弧总量、偏高的自动电压。氩弧焊更易附带潜在的气孔，若没能及时排掉它们，这类气孔将埋设于配件内。气孔缩减了本体强度，金属不再十分致密。

1.5其余常见缺陷。

金属焊接若没能达到预设的化学成分，将干扰焊接总的进程，也会造成缺陷。焊缝内在组织没能吻合要求，减小了应有的力学特性，接头可以耐住的腐蚀会缩减。氢气小孔根源于不洁净的坡口。如果残存油污、残存水分也将带来气孔。焊条起初的角度要合适，即便凸显了咬边，金属也可填满它。咬边聚集了偏多的反作用力，裂缝没能承受住添加的上侧压力，配件将会碎裂。

2. 防控各类的缺陷

伴随技术进展，焊接被用于多重的现有领域，拓展了它的运用范畴。平日生产不可脱离金属类的材质，搭配的焊接类手段也被更新。焊接中的弊病增添了后续危害，甚至威胁安全。为了规避复杂流程中的焊接弊病，要拟定更为科学的焊接步骤。采纳焊接类的新颖技术，提升焊接得出的配件质量，这样做不仅防控了焊接隐患，也协助把控了多重的产出流程。

2.1针对于配件的裂痕。

依循焊接拟定的流程慎重操控，把控关联着的多重环节。焊接流程应被设定得更适当，选购最优的焊条。要辨识焊条本体的酸碱性，选购进来的焊条应被安放于预备好的保温箱，随时予以调取，这样做规避了缓慢的焊条受潮。真正去焊接前，彻底除掉配件附带的接口杂质，去除残存于此的油渍、水渍以及锈蚀。可选取小电流，细分多重的焊接层次。设定更多现有的焊道，规避彼此衔接的微小裂纹。妥善调控焊缝的形态，缩减额外的总体应力。

2.2针对熔合不透彻。

焊接先要设定最佳的尺寸、坡口的角度等，依照设定出来的直径来筛选焊条，选出来的焊条要确认是适当的。焊接进行中，随时查验经由的电流、各时点的焊接速率。轻微摆动焊条，熔合步骤之内要查验双侧变更的焊条状态。依循精准的技术规程予以操控，执行焊接规程。

2.3针对于夹渣。

若选取的焊条偏重酸性，要提升电流；若偏重于碱性，则要调控现有的电弧总长，电弧不可过长。这是因为，偏长电弧将引发凸显的夹渣状态。此外，确认坡口应有的角度，在可调控范畴之内调节速率，不要过快去焊接。杜绝夹渣的弊病要强化日常流程的焊接培训。把控焊接的分支流程，自觉去查验拟定好的焊接步骤。经由培训流程后，焊工才可进到接续的焊接步骤。

2.4其他防控的路径。

随时辨识周边潜在的环境偏差，调控温湿度等。例如：若测得了现有温度在0℃以下，则要填补必备的热能，确保配件最适宜的温度。要专设清洁区，定时去填补配件的凹凸，严格各时段内的查验。打磨钨丝灯时，应当把控角度，确认最佳的停留时段。管路之内不可透过气流，应当阻塞这样的管路顶部。施工场地增设定时通风，维持最优的湿润。此外，妥善填充氩气，增添焊接中的安全保障。

3. 修正细微的缺陷

3.1对于焊瘤予以修正。

焊接某一配件会凸显焊瘤或外形存有细微的尺度差值，这是由于运条缺失了匀称性，熔池测得了偏高的总体温度。在熔池的内部，液体金属慢慢就被凝固，而后慢慢坠落下来。这样一来，焊缝表层将表现出金属焊瘤。若拟定了偏大的弧长或经由的电流太大，也会突发焊瘤状态。弧坑根源于偏短的熄灭时间，焊接很易被阻断。初期设定了较大的经由电流，表层就不会维持着平整。如果存在焊瘤，缩减了配件应有的美感，表面将带来夹渣。弧坑伴随着更多的气孔、配件的裂痕等，削减了缝隙强度。为此，仰焊要侧重去调控电流，电流要被缩减成90%，至少不应超出平焊流程内的电流。调控熔池本体的温度，焊条若呈现出碱性，还要选取短弧来衔接它们。运条应能确保匀称，在某一时段内，焊条可以适当予以停留。

3.2阻止裂纹的延展。

裂痕是很危险的，如果裂痕被延展，将阻碍长久的焊接进展。若查出了延展的裂痕，先要辨识它的两端深度，在这样的基础上再去清除表层杂物，可选取风铲以便清除潜藏的裂痕。具体操作中，先要打出双侧的止裂孔，阻止裂痕接着延展。可设定10毫米特有的钻头直径，钻孔得出的深度应能超出2毫米这样的裂痕本体。若选取了气刨的途径，刨削要沿着两侧，直到消除了现有的裂痕。两侧被整平后，再除掉完整的裂痕。消除缺陷以后，要填补必备的坡口，妥善进行补焊。有些情形下，很难发觉内在的微小气孔。一旦确认存有气孔，则要立即去清除。先要形成坡口，而后依循设定的规程来焊补。

3.3补焊时的侧重点。

补焊可选较小的、平稳状态下的电流，补焊要设定很多道。不可选取偏大的这种电流来补焊。补焊若针对刚性配件，那么补焊得出的这类配件还要经由锤击，确保它的稳固。起初及终结时的弧形应被彼此错开。若测得了偏低的现场温度，则增设预热以便防控配件的裂开。针对查验得出的某一缺陷应确保一次补焊，不可以突发中断。

4. 结语

焊接金属依循了多步骤，复杂流程之内也暗藏多样的缺陷。金属被焊接时，焊缝常常没能被衔接牢固。此外，缺失了查验及管控，也将添加材质的缺陷。受到时间约束，缺失了细微的查验，才会增添潜在漏洞。消除焊接的缺陷，要提早去识别它们，辨识多重的细节隐患。依循拟定的规程慎重查验金属配件，提升焊接的总质量。

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