金屬材料力學性能基本知識及鋼材的脆化

1、金屬材料力學性能基本知識及鋼材的脆化金屬材料是現代工業(yè)、農業(yè)、國防以及科學技術各個領域應用最廣泛的工程材料，這不僅是由于其來源豐富，生產工藝簡單、成熟，而且還因為它具有優(yōu)良的性能。 通常所指的金屬材料性能包括以下兩個方面： 1使用性能 即為了保證機械零件、設備、結構件等能正常工作，材料所應具備的性能，主要有力學性能(強度、硬度、剛度、塑性、韌性等)，物理性能(密度、熔點、導熱性、熱膨脹性等)，化學性能(耐蝕性、熱穩(wěn)定性等)。使用性能決定了材料的應用范圍，使用安全可靠性和使用壽命。 2 工藝性能 即材料在被制成機械零件、設備、結構件的過程中適應各種冷、熱加工的性能，例如鍛造，焊接，熱處理，壓力加

2、工，切削加工等方面的性能。工藝性能對制造成本 、生成效率、產品質量有重要影響。 11材料力學基本知識 金屬材料在加工和使用過程中都要承受不同形式外力的作用，當外力達到或超過某一限度時，材料就會發(fā)生變形以至斷裂。材料在外力作用下所表現的一些性能稱為材料的力學性能。鍋爐壓力容器材料的力學性能指標主要有強度、硬度、塑性、韌性等這些性能指標可以通過力學性能試驗測定。111 強度 金屬的強度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。材料強度指標可以通過拉伸試驗測出。把一定尺寸和形狀的金屬試樣(圖12)裝夾在試驗機上，然后對試樣逐漸施加拉伸載荷，直至把試樣拉斷為止。根據試樣在拉伸過程中承受的載荷和產生的變形量之間

3、的關系，可繪出該金屬的拉伸曲線(圖13)。在拉伸曲線上可以得到該材料強度性能的一些數據。圖13所示的曲線，其縱坐標是載荷P(也可換算為應力d)，橫坐標是伸長量AL(也可換算為應變e)。所以曲線稱為PAL曲線或一一s曲線。圖中曲線A是低碳鋼的拉伸曲線，分析曲線A，可以將拉伸過程分為四個階段：1彈性階段 即曲線的o-e段，在此段若加載不超過e點的應力值，卸載后試件的變形可全部消失，故e點的應力值為材料只產生彈性變形時應力的最高限，稱為彈性極限，曲線的oe段為直線，在此段內應力與應變成正比，即材料符合虎克定律，該段稱為線彈性階段。 2屈服階段 此段又稱為流動階段，即曲線的s點及其后的一段，有微小顫動

4、的水平線，s點稱作屈服點，s點之后的一段水平線表明應力不再增加，但應變卻繼續(xù)增大，材料已失去抵抗繼續(xù)變形的能力，這一階段里材料的變形主要是塑性變形，此時的應力稱為屈服點或屈服強度。在屈服階段，材料內部晶格間發(fā)生滑移，滑移線大致與軸線成45度。 3強化階段 即曲線的sb段。當變形超過屈服階段后，材料又恢復了對繼續(xù)變形的抵抗能力，即欲使試件繼續(xù)變形，必須增加應力值，這種現象稱為加工硬化現象，材料因此得到強化：曲線的最高點b點所對應的拉力Pb是拉伸過程中試樣承受的最大載荷值。該處的應力即為材料的抗拉強度，用b表示，單位為MPa.4頸縮階段 即曲線的bk段。應力達到抗拉強度b后，試件的某一局部開始變細

5、，出現所謂頸縮現象。由于頸縮部分的橫截面急劇減小，因而使試件繼續(xù)變形所需的載荷也減小了，曲線明顯下降，到達k點時試件被拉斷?？估瓘姸萣，屈服強度s是評價材料強度性能的兩個主要指標?，F在新的符號抗拉強度Rm，屈服強度(ReL或Rp0.2)。屈服強度就是屈服點的應力（屈服值）；抗拉強度：試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。 一般金屬材料構件都是在彈性狀態(tài)下工作的，不允許發(fā)生塑性變形，所以機械設計中應采用s作為強度指標，并加上適當的安全系數。但由于抗拉強度b測定較方便，數據也較準確，所以機械設計中也經常采用b,但需使用較大的安全系數。一般機械設計中，以s作為強度指標時，安全系數z。=1520；采用b作為

6、強度指標時，安全系數z。=2050。在我國現行鍋爐規(guī)范強度設計中，ns=15，nb=27；壓力容器規(guī)范強度設計中，取ns=16，nb=3。 圖13中曲線B為中碳鋼的拉伸曲線，曲線C為高碳鋼的拉伸曲線，可以看出，隨著含碳量的增加，材料抗拉強度增大。有些材料，例如高碳鋼、鑄鐵、以及大多數合金鋼，屈服現象不明顯，對這些材料，工程上規(guī)定試件發(fā)生某一微量塑性變形時的應力作為該材料的屈服點，例如以材料塑性伸長02作為屈服點，其屈服強度用02表示。112塑性 塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。評定材料塑性的指標通常用伸長率和斷面收縮率。伸長率占可用下式確定：=(L1一L。)L0100式

7、中：L。試件原標距長度； L1拉斷后試件的標距長度。 在材料手冊中常?？吹?和10兩種符號，它們分別表示用L。=5d和L。=10d(d為試件直徑)兩種不同長度試件測定的伸長率。同一材料的5和10是不同的，5值較大而10值較小，所以相同符號的伸長率才能互相比較。 斷面收縮率妒可用下式求得：=(A。一A1)A。100式中：A。試件原采的截面積； A1試件拉斷后頸縮處的截面積 斷面收縮率不受試件標距長度的影響，因此能更可靠地反映材料的塑性。 對必須承受強烈變形的材料，塑性指標具有重要意義。塑性優(yōu)良的材料冷壓成型的性能好。此外，重要的受力元件要求具有一定塑性，因為塑性指標較高的材料制成的元件不容易發(fā)生

8、脆性破壞，在破壞前元件將出現較大的塑性變形，與脆性材料相比有較大的安全性。塑性良好的低碳鋼和低合金鋼的5值在25以上，國內鍋爐壓力容器材料的伸長率一般至少要求達10以上。 伸長率和斷面收縮率還表明材料在靜載和緩慢拉伸狀態(tài)下的韌性。在很多情況下，具有高收縮率的材料往往可承受較高的沖擊吸收功。 對材料塑性的要求是有一定限度的，并不是越大越好，單純追求塑性會限制材料強度使用水平的提高，造成產品粗大笨重，浪費材料和使用壽命不長。113硬度 硬度是材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。硬度與強度有一定關系，一般情況下，硬度較兩的材料其強度也較高，所以可以通過測試硬度來估算材料強度。此外，硬度較高的材料耐

9、磨性較好。 工程上常用的硬度試驗方法有以下幾種： 1布氏硬度HB 布氏硬度試驗方法是把規(guī)定直徑的淬火鋼球(或硬質合金球)以一定的試驗力F壓入所測材料表面，保持規(guī)定時間后，測量表面壓痕直徑d，由d計算出壓痕表面積A，布氏硬度值HB=FA。 按照壓頭種類，布氏硬度值有兩種不同表示符號。淬火鋼球作壓頭測得的硬度值用HBS表示，硬質合金作壓頭測得的硬度值用HBW表示。 布氏硬度試驗方法主要用于硬度較低的一些材料，例如經退火，正火，調質處理的鋼材，以及鑄鐵，非鐵金屬等。 2洛氏硬度HR 洛氏硬度是采用測量壓痕深度來確定硬度值的試驗方法。 為了滿足從軟到硬各種材料的硬度測定，按照壓頭種類和總試驗力的大小組

10、成三種洛氏硬度標度，分別用HRA，HRB，HRC表示。其中HRR使用的是鋼球壓斗，用于測量非鐵金屬，退火或正火鋼等；HRA和HRC使用120。金鋼石圓錐體壓頭，用于測量淬火鋼，硬質合金，滲碳層等。 洛氏硬度試驗適用范圍廣，操作簡便迅速，而且壓痕較小，故在鋼鐵熱處理質量檢查中應用最多。3維氏硬度HV 維氏硬度主要用于測量金屬的表面硬度。它采用正棱角錐體金剛石壓頭，在一定試驗力下在試件表面壓出正方形壓痕，測量壓痕兩對角線平均長度來確定硬度值。 采用較低的試驗力可以使維氏硬度試驗的壓痕非常小，這樣就可以測出很小一點區(qū)域的硬度值，甚至可以測出金相組織中不同相的硬度。焊接性能試驗中的最高硬度試驗就是用維

11、氏硬度來測定焊縫，熔合線和熱影響區(qū)硬度的。4里氏硬度HL 里氏硬度的測量原理是：當材料被一個小沖擊體撞擊時，較硬的材料使沖擊體產生的反、彈速度大于較軟者。里氏硬度計采用一個裝有碳化鎢球的沖擊側頭，在一定的試驗力作用下沖擊試樣表面，利用電磁感應原理中速度與電壓成正比的關系，測量出沖擊測頭試祥表面1mm處的沖擊速度和回跳速度。 里氏稀奇計體積小，重量輕操作簡便。在任何方向上均可測試，所以特別適合現場使用；由于測量獲得的信號是電壓值，電腦處理十分方便，測量后可立即讀出硬度值，并能即時換算為布、洛、維等各種硬度值。114沖擊韌性 沖擊韌性是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特性。材料的沖擊

12、韌性通常是在擺錘式沖擊試驗機上測定的，擺錘沖斷試樣所作的功稱為沖擊吸收功，以Ak表示。試樣的缺口型式有夏比U型和夏比V型兩種,V型缺口根部半徑小，對沖擊更敏感，在鍋爐壓力容器材料的沖擊試驗中應用較多。 試樣受到擺錘的突然打擊而斷裂時，其斷裂過程是一個裂紋發(fā)生和發(fā)展過程，在裂紋發(fā)展過程中，如果塑性變形能夠產生在斷裂的前面，就將能阻止裂紋的擴展，而裂紋的繼續(xù)發(fā)展就需消耗更多的能量。因此，沖擊韌性的高低，取決于材料有無迅速塑性變形的能力。沖擊韌性高的材料一般都有較高的塑性，但塑性指標較高的材料卻不一定都有較高的沖擊韌性，這是因為在靜載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，往沖擊載荷下不一定能迅速發(fā)生塑性變形。

13、在材料的各項機械性能指標中，沖擊韌性是對材料的化學成分，冶金質量，組織狀態(tài)，內部缺陷以及試驗溫度等比較敏感的一個質量指標，同時也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標。116有關材料方面的進一步知識1鍋爐壓力容器殼體的工作應力 絕大多數鍋爐壓力容器都承受內壓，內部壓強會使殼體內產生拉應力，這一應力稱為工作應力。一般情況下采用薄壁回轉殼體的簡化模型來計算鍋爐壓力容器殼體的工作應力。在薄壁回轉殼體中，只存在兩向應力，即經向應力d。和切向應力，在內壓作用下的應力大小可用截面法求得，見圖18，對圓筒形容器，經向應力等于軸向應力。近似以平均直徑D代替內徑研，當外徑和內力平衡時有: 軸向：=PD/4 切向

14、：=PD/2 由公式可知，應力的大小與壓力聲和容器直徑D成正比，與容器壁厚成反比；軸向應力，是切向應力d。的一半，即對圓筒形容器來說，環(huán)焊縫受力只是縱焊縫的一半；而對球形容器來說，不存在切向應力，只是經向應力。因此在相同的壓力和直徑下，球形容器的壁厚比圓筒形容器大約可減少一半。實際工作狀態(tài)下的容器，其殼體中的應力是比較復雜的，除了由內壓引起的總體薄膜應力外，還存在其它應力，例如由于形狀變化，壁厚改變，結構不連續(xù)，或存在缺陷等原因引起的局部拉應力，壓應力，彎曲應力，峰值應力等。這些應力可通過一些分析計算方法求得。2.鋼材的脆化用于制作鍋爐壓力容器受壓元件所用的鋼材在常溫靜載條件下一般都有較好的塑

15、性和韌性，工程上習慣稱之為塑性材料。人們在使用這些材料時，對可能會發(fā)生的脆性破壞往往不夠注意，實際上，在一些不利的條件或環(huán)境下使用的塑性材料會發(fā)生脆化，即塑性和韌性降低的現象，這一現象對鍋爐壓力容器的使用安全是不利的。因此有必要介紹有關知識。常見的材料脆化現象有以下幾種：a冷脆性 隨著溫度的降低，大多數鋼材的強度有所增加，而韌性下降，金屬材料在低溫下呈現的脆性稱為冷脆性。圖19為用低碳鋼材料制作的有缺口的試樣，進行沖擊試驗，得到的沖擊韌度口k隨溫度變化的典型曲線。可以看出隨著溫度降低，ak值不斷減小，即材料的韌性降低，脆性增加。材料由延性破壞轉變到脆性破壞的上限溫度稱為韌脆轉變溫度。采用另一種

16、試驗方法，即落錘試驗可較精確地測定鋼材的韌脆轉變溫度。在不同溫度下進行試驗，所測試樣發(fā)生脆性斷裂的最高溫度稱為無塑性轉變溫度NDT。一般說來，鋼材的最低允許工作溫度應高于無塑性轉變溫度，以防發(fā)生脆性破壞。b熱脆性 鋼材長時間停留在400500后再冷卻至室溫時，沖擊韌度值會有明顯的下降，這種現象稱為鋼材的熱脆性。值得注意的是具有熱脆性的鋼材在高溫下并不呈現脆化，仍具有較高的沖擊韌度，只有當冷卻至室溫時，才顯示出脆化現象。鋼材的熱脆性只有通過沖擊試驗才會明顯地顯示出來，一般比正常沖擊韌度下降5060，甚至下降8090。具有熱脆性的鋼材，金相組織沒有明顯的變化。對于工作溫度在400500內的受壓元件

17、，必須重視熱脆性問題。（特別是鍋爐用的高溫無縫鋼管）c氫脆 鋼材中的氫會使材料的力學性能脆化，這種現象稱為氫脆。圖110表示隨著鋼中含氫量的增加，材料斷面收縮率下降的情況。 鋼中氫的來源主要為下列三個方面：（1）冶煉過程中溶解在鋼水中的氫，在結晶冷凝時沒有能即時逸出而存留在鋼材中；（2）焊接過程中由于水分或油污在高弧高溫下分解出的氫溶解入鋼材中，（3）設備運行過程中，工作介質中的氫進入鋼材中。 當鋼材中存在氫，而應力大于某一臨界值時，就會發(fā)生氫脆斷裂。氫對鋼材的脆化過程是一個微觀裂紋在高應力作用下的擴展過程。脆斷應力可低達屈服極限的20。鋼材的強度愈高(所承受的應力愈大)，對氫脆愈敏感。容器中

18、的應力水平，包括工作應力及殘余應力是導致氫脆很重要的因素。氫脆是一種延遲斷裂，斷裂遲延的時間可以僅幾分鐘，也可能幾天。氫致斷裂只發(fā)生在一100150的溫度范圍內，很低的溫度不利于氫的移動和聚集，不易發(fā)生氫脆，而較高的溫度可以使氫從鋼中逸出，減少鋼中的氫濃度，從而避免脆化。焊后保溫及熱處理就是利用高溫下氫能從鋼中擴散逸出的原理，用來降低焊縫中氫含量，它是改善焊接接頭力學性能的有效措施。氫對鋼鐵材料的危害性較大，由于氫而導致材質劣化的現象統(tǒng)稱為氫損傷，氫損傷的形式有很多種，除了氫脆以外，還有因氫在鋼板分層處聚集引起的氫鼓泡；氫在鋼材中心部位聚集造成的細微裂紋群，稱為白點；以及鋼在高溫高壓氫作用下，(對碳鋼，溫度大于250，氫分壓大于2MPa)，其組織發(fā)生脫碳，滲碳體分解，沿晶界出現大量微裂紋，鋼的強度、韌性喪失殆盡的氫腐蝕現象等。d苛性脆化 苛性脆化是由于介質內具有含量很高的苛性鈉(NaOH)促使鋼材腐蝕加劇而引起的脆化現象。其破壞形式是在肉眼看到的主裂紋上有大量肉眼看不到的分枝細裂紋。元件發(fā)生苛性脆化時，裂紋附近的鋼材仍具有良好的塑性及脆性性能?？列源嗷话愣及l(fā)生在受壓元