【】金屬材料力學(xué)性能基本知識及鋼材的脆化

1、金屬材料力學(xué)性能基本知識及鋼材的脆化金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的工程 材料，這不僅是由于其來源豐富，生產(chǎn)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(shè)備、結(jié)構(gòu)件等能正常工作，材料所應(yīng) 具備的性能，主要有力學(xué)性能（強度、硬度、剛度、塑性、韌性等），物理性能（密 度、熔點、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等），化學(xué)性能（耐蝕性、熱穩(wěn)定性等）。使用性能 決定了材料的應(yīng)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(shè)備、結(jié)構(gòu)件的過程中適應(yīng)各種冷、 熱加工的性能，例如鍛造，焊接，熱處理，壓力

2、加工，切削加工等方面的性能。 工藝性能對制造成本、生成效率、產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。材料力學(xué)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(xiàn)的一些 性能稱為材料的力學(xué)性能。鍋爐壓力容器材料的力學(xué)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(xué)性能試驗測定。1. 1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(jù)試樣在拉伸過程中承受的載荷和產(chǎn)生的變形量之

3、間的關(guān)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(shù)據(jù)。圖13 所示的曲線，其縱坐標是載荷P（也可換算為應(yīng)力d）,橫坐標是伸長量AL（也可換算為應(yīng)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：.彈性階段即曲線的o-e段，在此段若加載不超過e點的應(yīng)力值，卸載后 試件的變形可全部消失，故e點的應(yīng)力值為材料只產(chǎn)生彈性變形時應(yīng)力的最高限， 稱為彈性極限，曲線的。e段為直線，在此段內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即材料符 合虎克定律，該段稱為線彈性階段.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，

4、有微小顫 動的水平線，s點稱作屈服點，s點之后的一段水平線表明應(yīng)力不再增加，但應(yīng)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(yīng)力稱為屈服點或屈服強度。在屈服階段，材料內(nèi)部晶格間發(fā)生 滑移，滑移線大致與軸線成45度。.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(fù)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(yīng)力值，這種現(xiàn)象稱為加 工硬化現(xiàn)象，材料因此得到強化：曲線的最高點b點所對應(yīng)的拉力Pb是拉伸過程 中試樣承受的最大載荷值。該處的應(yīng)力即為材料的抗拉強度，用。b表示，單位 為MPa.頸縮階段即曲線的bk段。應(yīng)力達到抗拉強度ob后

5、，試件的某一局部 開始變細，出現(xiàn)所謂頸縮現(xiàn)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?。b,屈服強度。s是評價材料強度性能的兩個主要指標。現(xiàn)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(yīng)力(屈服值)； 抗拉強度：試樣拉斷前承受的最大標稱拉應(yīng)力。一般金屬材料構(gòu)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(shè)計中應(yīng)采用。s作為強度指標，并加上適當?shù)陌踩禂?shù)。但由于抗拉強度 0 b測定較方便，數(shù)據(jù)也較準確，所以機械設(shè)計中也經(jīng)常采用。b,但需使用較大 的安全系數(shù)。一般機械設(shè)計中，以。s作

6、為強度指標時，安全系數(shù)z0=1. 52. 0； 采用。b作為強度指標時，安全系數(shù)z。=2.05.0。在我國現(xiàn)行鍋爐規(guī)范強度 設(shè)計中，ns=1. 5, nb=2. 7；壓力容器規(guī)范強度設(shè)計中，取ns=1. 6, 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(shù)合金鋼，屈服現(xiàn)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(yīng)力作為該材料的屈服點，例如以材料塑性伸長0. 2%作為屈服點，其 屈服強度用。0. 2表示。1. 1. 2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

7、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6占可用下式確定：6=（LLL。）/L0X100% 式中：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? 5和6 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6 5和6 10是不 同的，6 5值較大而6 10值較小，所以相同符號的伸長率才能互相比較。斷面收縮率妒中可用下式求得： = （A。-A1）/A。X100% 式中：A。一一試件原采的截面積；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

8、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)生脆性破壞，在破壞前元件將出現(xiàn)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6 5值在25%以 上，國內(nèi)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(chǎn)品粗大笨重，浪費材料和使用壽命不長。硬度硬度

9、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(guān)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，硬度較高的材料耐磨性較好。工程上常用的硬度試驗方法有以下幾種：.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(zhì)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=F/A。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(zhì)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(jīng)退火，正火，調(diào)質(zhì) 處理的

10、鋼材，以及鑄鐵，非鐵金屬等。.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 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0于測量淬火鋼，硬質(zhì)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(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。.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

11、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氏硬度來測定焊縫，熔合線和熱影響區(qū)硬度的。.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(chǎn)生的反、彈速度大于較軟者。里氏硬度計采用一個裝有碳化鴇球的沖擊側(cè)頭， 在一定的試驗力作用下沖擊試樣表面，利用電磁感應(yīng)原理中速度與電壓成正比的 關(guān)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(xiàn)場使用；由于測量獲得的信號是

12、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。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 的沖擊韌性通常是在擺錘式?jīng)_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，以八苒示。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(yīng)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(chǎn)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。在材料的各項機械 性能指標中，沖擊韌性是對材料的化學(xué)成分，冶金質(zhì)量，組織狀態(tài)，內(nèi)部缺陷以 及試驗溫度等比較敏感的一個質(zhì)量指標，同時也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性 的重要指標。1.1.6有關(guān)材料方面的進一