金屬材料的力學性能

1、金屬材料的力學性能金屬材料在外力或能的作用下，所表現出來的一系列力學特性，如強度、剛度、塑性、韌性、彈性、硬度等，也包括在高低溫、腐蝕、表面介質吸附、沖刷、磨損、空蝕（氧蝕）、粒子照射等力或機械能不同程度結合作用下的性能。力學性能反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，是選用金屬材料的重要依據。充分了解、掌握金屬材料的力學性能，對于合理地選擇、使用材料，充分發(fā)揮材料的作用，制定合理的加工工藝，保證產品質量有著極其重要的意義。一、強度強度是材料受外力而不被破壞或不改變本身形狀的能力。(一)屈服點金屬試樣在拉伸試驗過程中，載荷不再增加而試樣仍繼續(xù)發(fā)生塑性變形而伸長，這一現象叫做

2、“屈服”。材料開始發(fā)生屈服時所對應的應力，稱為“屈服點”，以s表示。有些材料沒有明顯的屈服點，這往往采用0.2作為屈服階段的特征值，稱為屈服強度。（二）抗拉強度拉伸試驗時，材料在拉斷前所承受的最大標稱應力，即拉伸過程中最大力所對應的應力，稱為抗拉強度，以b表示。二、塑性塑性是金屬材料在外力作用下（斷裂前）發(fā)生永久變形的能力，常以金屬斷裂時的最大相對塑性變形來表示，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。（一）伸長率金屬材料在拉伸試驗時試樣拉斷后其標距部分所伸長的長度與原始標距長度的百分比，稱為斷后伸長率，也叫伸長率，用表示。（二）斷面收縮率金屬試樣在拉斷后，其縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積

3、的百分比，稱為斷面收縮率，以符號表示。三、硬度硬度是金屬材料表面抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破裂的一種抗力，是衡量材料軟硬的性能指標。硬度不是一個單純的、確定的物理量，而是一個由材料彈性、塑性、韌性等一系列不同性能組成的綜合性能指標。所以硬度不僅取決于材料本身，還取決于試驗方法和條件。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）維氏硬度四、韌性金屬在斷裂前吸收變形能量的能力，稱為韌性。衡量材料韌性的指標分為沖擊韌性和斷裂韌性。（一）沖擊韌性沖擊韌性是評定金屬材料受沖擊載荷作用時抵抗變形和斷裂的抗力指標，以沖擊韌度或沖擊吸收功來度量。（二）斷裂韌性斷裂韌性是材料阻止或抵抗裂紋擴展的能力，確切地說是阻止裂紋

4、產生臨界擴展的能力，常用K1c或Kc表示。K1c是表示平面應變狀態(tài)下的斷裂韌度，Kc表示平面應力狀態(tài)下的斷裂韌度。第三節(jié) 鋼的分類及編號一、鋼的分類鋼的分類方法很多，可以按化學成分、冶煉方法、品質、用途及金相組織等進行分類。（一）按化學成份分類按化學成分可分為碳素鋼（簡稱碳鋼）、合金鋼兩大類。碳素鋼是指碳質量分數低于2.06%的鐵碳合金，根據碳質量分數的不同，碳鋼又可分為工業(yè)鈍鐵（wc0.02%）低碳鋼（wc0.25%）、中碳鋼（wc0.25%一0.60%）和高碳鋼（wc0.6%）。合金鋼是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的性能專門加入某些合金元素煉制而成的鋼。按照合金元素總量的不同，合金鋼可分為低

5、合金鋼（合金元素總量5%、中合金鋼（合金元素總量為510%）和高合金鋼（合金元素總量10%）。（二）按冶煉方法分類根據煉鋼爐類別分類，可分為平爐鋼、轉爐鋼（又分氧氣吹煉和空氣吹煉轉爐鋼）和電爐鋼（又分為電弧爐鋼、電渣爐鋼、感應爐鋼和電子束爐鋼等）3大類。根據冶煉時脫氧程度的不同，可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼及半鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鋼在熔煉后期，鋼液僅用弱脫氧劑（錳鐵）脫氧，所以鋼液中有相當數量的氧化鐵FeO）。在澆注和凝固時，由于碳與氧化鐵反應，鋼液不斷析出一氧化碳，產生沸騰現象，故稱為沸騰鋼，以符號,“F”表示。沸騰鋼耐蝕性和力學性能差，不宜用于重要結構使用。鎮(zhèn)靜鋼為完全脫氧鋼，澆注和凝

6、固時鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰，故稱為鎮(zhèn)靜鋼。這種鋼冷凝后有集中縮孔，所以成材率低，成本高。但氣體含量低，偏析少，時效傾向低，質量較高，因此得到廣泛應用。鎮(zhèn)靜鋼以符號,“Z”表示，但一般省略。半鎮(zhèn)靜鋼為半脫氧鋼，脫氧程度介于上述兩者之間，用符號“b表示。（三）按品質分類根據鋼中有害雜質硫、磷的含量，可分為普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼和高級優(yōu)質碳素鋼。（1）普通碳素鋼p0.045%，S0.05%； （2）優(yōu)質碳素鋼p、S均0.035%，其他非有意加入而是從原材料帶入的殘余雜質如Cr、Ni、Cu等的含量也有一定的限制；（3）高級優(yōu)質碳素鋼p0.035%、S0.03%，混入的其他雜質含量限制得更加嚴格。普通碳素鋼一般

7、采用轉爐和大型平爐冶煉，產量大、成本低；優(yōu)質碳素鋼一般用電爐或平爐冶煉，雜質少；高級優(yōu)質碳素鋼主要是電爐鋼或采用精煉的方法，質量最好、成本也高，它主要用來制造工具和要求很高的機器零件及焊接材料用鋼。（四）按金相組織分類鋼按金相組織可分為鐵素體一珠光體型鋼、貝氏體型鋼、馬氏體型調質高強度鋼、鐵素體型鋼和奧氏體型鋼等。（五）按用途分類鋼按用途可分為結構鋼、工具鋼和特殊用途鋼3大類。結構鋼還分為建筑及工程機械用鋼、機械制造用鋼、超高強度鋼、軸承鋼和彈簧鋼等。建筑及工程機械用鋼還包括碳素結構鋼、低合金高強鋼、鋼筋用鋼等；機械制造用鋼包括調質鋼、表面硬化鋼、易切鋼、冷加工成形用鋼等。工具鋼分為碳素工具鋼

8、、合金工具鋼和高速工具鋼，包括量具、刃具、模具鋼等。特殊用途鋼分為不銹耐酸鋼、耐熱鋼、電工用鋼、耐磨鋼、低溫用鋼、各種專業(yè)用鋼等。專業(yè)用鋼主要有鍋爐鋼、壓力容器用鋼、船舶、橋梁、鋼軌用鋼等。二、鋼的編號及特性我國的鋼材牌號表示方法，是采用國際化學元素符號、漢語拼音字母和阿拉伯數字并用的原則，即鋼號中化學元素用國際化學符號表示；鋼材名稱、用途、冶煉和澆注方法等一般以漢語拼音的縮寫字母來表示；鋼中主要化學元素含量（百分率）采用阿拉伯數字表示。（一）碳素結構鋼的牌號、性能及用途1普通碳素結構鋼根據GB/T700-1988碳素結構鋼標準，鋼的牌號由代表屈服點的字母、數值、質量等級符號、脫氧方法符號等4

9、個部分按順序組成。主要鋼種：Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q255D、Q255B、Q275。其中：Q一表示鋼的屈服點，為“屈”字拼音字母；235數字表示鋼的屈服點數值，單位為MPa;A、B、C、D一分別為質量的4個等級，其中A級質量最低，D級質量最高；F表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼；Z表示鎮(zhèn)靜鋼；TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。2優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼主要用于制造重要的機器零件、結構，其鋼號用兩位數字表示。兩位數字表示該鋼種平均碳質量分數的萬分率，如20、45鋼，分別表示鋼中平均碳質量分數為0.20%、0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼。常用的鋼號有：10、

10、15、20、30、35、40、45等。高級優(yōu)質碳素結構鋼在鋼號后附加“高”或“A”字。含錳量較高（Mn為0.70%1.00%）的優(yōu)質碳素鋼，應將錳元素標出，如15Mn、60Mn等。10、20鋼具有良好的沖擊韌度，良好的焊接性能，常用于各種結構件；35、40、45、55鋼屬于調質鋼，調質處理后可獲得良好的綜合力學性能，多用于制造機器零件等。3碳素工具鋼碳素工具鋼用鋼的平均碳質量分數的千分率數字表示。為了與合金工具鋼相區(qū)別，在數字前冠以“T字，讀成“碳”。如碳質量分數為0.70%的碳素工具鋼，其鋼號寫成T7，讀成“碳7。常用的鋼號有T7、T8、T9、T10、T12等。高級優(yōu)質碳素工具鋼含磷、硫較低

11、，表示為Tl0A、T12A等。碳素工具鋼一般要經熱處理后使用。4其他專業(yè)用鋼在一般碳素結構鋼基礎上為滿足某些專業(yè)用途的特殊需要，發(fā)展了一些專業(yè)用鋼，如鍋爐鋼、容器鋼、焊接氣瓶用鋼、船用鋼、橋梁用鋼、鐵道用鋼等。鍋爐用鋼板在鋼號后加“g”字；壓力容器用鋼板加“R”字；焊接氣瓶用鋼板加“HP”字母；多層壓力容器用鋼板加“RC”，字母，如20g、20R、20HP、15MnHP、16MnRC、15MnVRC等。（二）合金鋼的牌號、性能及用途1低合金高強度結構鋼的編號根據GB/T 1591-1994低合金高強度結構鋼標準，低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音字母（Q）、屈服點數值、質量等級符號

12、(A、B、C、D、E)3個部分組成并按順序排列。如：Q390A其中：Q一一一鋼屈服點“屈”字拼音首位字母；390一屈服點數值，單位MPa:A、B、C、D、E分別為質量等級符號：低合金高強度結構鋼共有Q295A（B）、Q345A（B、C、D、E）、Q390A（B、C、D、E）、Q420（A、B、C、D、E）和Q460C(D、E)5個牌號。一般以熱軋、控軋、正火及正火加回火狀態(tài)交貨。Q420、Q460的C、D、E級鋼也可按淬火加回火狀態(tài)交貨。GB/T1591-1994與GB1591-1988標準中對應的鋼牌號如表3-1所示。表3-1 新舊低合金結構鋼標準牌號對照GB/T1591-1994GB159

13、1-1988Q29509MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ34512MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ39015MnV、15MnTi、16MnNbQ42015MnVN、14MnVTiREQ4602.合金鋼的編號我國合金鋼是按鋼材的含碳量及所含合金元素的種類及其數量進行編號的，因此可以從鋼號上直接看出鋼材的大致化學成分及質量等級。其編號原則是：（1）合金結構鋼1)首部數字表示平均碳質量分數（萬分率），如20Mn2、20表示平均碳質量分數c=0.20%。2)在表示含碳量的數字后面，用元素的化學符號或漢字表示所含有的主要合金元素，并用符號后面的數字表示該合金元素平均質

14、量分數（）。凡合金元素含量上限不超過1.5%時，編號中只寫元素符號，不標明含量。如果平均含量超過1.5%，在該元素后注出近似百分率，如含量為1.8%時則用“2”表示。如09Mn2表示平均碳質量分數0.09%，平均錳質量分數約2%的合金結構鋼。（2）合金工具鋼 編號原則與合金結構鋼大致相同，但含碳量的表示方法不同；當碳質量分數不超過1.0%時，以千分率的數字表示如9SiCr，9表示平均碳質量分數為0.9%；含碳量超過1.0%時，為避免與結構鋼相混淆，在鋼號中不表示出含碳量。如CrWMn，表示碳質量分數超過1.0%，并含有Cr、w、Mn3種合金元素的合金工具鋼。（3）特殊高合金鋼編號方法與合金工具

15、鋼基本相同。如2Cr13,表示平均碳質量分數為0.20%，鉻質量分數為13%的不銹鋼。但有些特殊高合金鋼鋼號不表示含碳量。如Cr17，表示鉻質量分數約17%的不銹鋼，其碳質量分數0.12%，但未表示出。鋼中碳質量分數.03%或.08%時，鋼號前分別以“00”或“0”表示，如00Cr18Ni10、0Cr13等。（4）鋼中的V、Ti、Al、B、RE等，均屬微量合金化元素。雖含量很低，但仍在鋼號中標出。如將C0.20%，Mn1.0%1.3%,Wv0.07%0.12%,WB0.001%0.005%的鋼，鋼號表示為20MnVB。3.合金結構鋼的分類及特性合金結構鋼是在碳素鋼的基礎上添加一定量的合金元素的

16、鋼，從而提高了鋼的強度，并具有良好的塑性和韌性，也可獲得一些特殊的使用性能，如高溫、低溫及耐蝕性等。應用較廣的普通低合金結構鋼（普通低合金鋼），加人的合金元素總量在3%以下，但足以使鋼的組織和性能發(fā)生明顯變化，從而獲得較碳素鋼優(yōu)越得多的特殊性能，如強度高、塑性好、耐磨、耐蝕、耐高溫、低溫等。因此在各個工業(yè)部門得到了廣泛的應用。合金結構鋼的類型很多，合金系統(tǒng)也不相同。一般從焊接用鋼來說，大致可分為兩大類：一是強度用鋼，二是特殊用鋼。（1）強度用鋼這類鋼應用很廣，凡在一般溫度下的受力結構，如壓力容器、發(fā)電設備、車輛、船舶、起重機械、橋梁等都可使用。根據其強度級別（內）及熱處理狀態(tài)又分以下3種：1)

17、熱軋及正火鋼強度級別為294490MPa的普通低合金鋼，在熱軋或正火條件下供貨使用，一般稱為熱軋或正火鋼，屬非熱處理強化鋼。牌號09MnV、16Mn、15MnTi、15MnV、14MnMoV、19Mn2等熱軋鋼的強度級別為294392MPa,是在含碳C0.2%的基礎上加入少量合金元素。這類鋼主要是靠錳的固溶強化作用來保證強度的，其加入量不超過1.8%時仍可保持高的塑性和韌性。固溶強化是在鋼中加人Mn、Si、Mo、V、Cu等合金元素，這些元素的原子溶解于a-鐵（鐵素體）的晶格中，形成固溶體使鐵素體晶格歪扭、產生畸變，從而使鐵素體強化。溶入的溶質原子越多，強化作用越大，強度提高越多，同時將引起塑性

18、、韌性下降。碳的固溶強化效果也較顯著，但其含量超過0.6%對沖擊韌度不利，使脆性轉變溫度提高。在各國的普通低合金鋼中，錳用得最普遍。如我國的16Mn(Q345)鋼，德國的St52鋼，日本的SM50鋼均屬此類。熱軋鋼通常為鋁鎮(zhèn)靜的細晶粒鐵素體加珠光體組織鋼。正火鋼，強度級別（s）大于392MPa,在固溶強化的同時必須加強合金元素的沉淀強化作用。除主加合金元素錳外，還需加人一些碳化物、氮化物形成元素，如V、Ti、Nb、Mo等，通過正火處理后生成的化合物以細小質點從固溶體中沉淀析出，彌散分布在晶內和晶界，以提高強度并同時細化晶粒。因此提高強度的同時，也適當地改善了鋼材的塑性和韌性。這類鋼有15MnT

19、i（Q390）、15MnVN（Q420）、14MnMoV和18MnMoNb等。對一些含鉬鋼，正火后還需進行回火處理，如14MnMoV和18MnMoNb鋼。2)低碳調質鋼強度級別一般為490980MPa,是一種熱處理強化鋼，在調質狀態(tài)下供貨使用。含碳量較低（一般C0.25%），不僅具有高強度兼有良好的塑性和韌性?？芍苯釉谡{質狀態(tài)下焊接，焊后不必調質處理，必要時進行消除應力處理。調質鋼的合金化原則與鐵素體一珠光體型的熱軋和正火鋼不同，它的強度不直接取決于合金元素含量，而是取決于含碳量。合金元素的主要作用是保證淬透性，還可提高鋼的抗回火性，使在較高的溫度下不會降低鋼的強度。低碳調質鋼同時加入多種合金

20、元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Cu等。這類鋼經調質后的組織是回火低碳馬氏體或貝氏體。我國根據資源條件主要發(fā)展無鉻鎳低碳調質鋼，如14MnMoVN和14MnMoNbB等，主要用于中溫高壓鍋爐和石油、化工中溫高壓容器。3)中碳調質鋼強度級別為8801176MPa以上，這類鋼需提高含碳量才能達到上述強度，通常碳質量分數為0.25%0.45%，因此淬透性很大，焊接性較差，焊接工藝非常復雜。焊后必須作調質處理才能保證焊接接頭性能。常用于制造一些承受高負荷、截面較大的重要部件，如汽輪機葉輪、發(fā)電機主軸等，也用于制造同時承受沖擊載荷的構件，如噴氣渦輪的機軸、噴氣式客機起落架和火箭發(fā)動機

21、外殼等，其主要鋼號有30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、35CrMoA、35CrMoVA等。（2）特殊用途鋼 這類鋼是具有特殊用途和特殊性能的鋼，如不銹耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、低溫用鋼及電工用鋼、焊接材料用鋼等。1)耐熱鋼 耐熱鋼一般指具有熱強性及熱穩(wěn)性的鋼。鋼材抵抗蠕變變形的能力稱為“熱強性”，抵抗氧化的能力稱為“熱穩(wěn)性”。耐熱鋼材料主要有珠光體耐熱鋼、低碳貝氏體耐熱鋼和奧氏體、鐵素體、馬氏體不銹耐熱鋼。珠光體耐熱鋼是以鉻、鉬為主的低合金鋼，基體組織為珠光體和少量鐵素體。這類鋼有12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、12Cr1MoV等。貝氏體耐熱鋼有12Cr2MoWVB、12

22、Cr3MoVSiTiB、12MoVWBSiRE。12Cr2MoWVB等是我國自行研制的貝氏體低合金熱強鋼，不含鎳、含鉻少，用以代替鎳鉻奧氏體鋼，可用于600以下工作的構件。馬氏體耐熱鋼有1Cr12、1Crl3、2Cr13、3Cr13、1Cr1MoV、1Cr12WMoV、4Cr9Si2、1Cr5Mo及德國的X20CrMoWV121（Fll）、XZOCrbloV121（F12）等。4Ci9Si2鋼在900T以下不起皮，用于800以下的受熱面緊固定件。1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Crl1MoV、1Cr12VVMoV可用于制造汽輪機及燃氣輪機葉片。Fll、F12鋼可用于電站鍋爐過熱器，主蒸汽

23、管道、聯箱、熱交換器等。奧氏體耐熱鋼的合金系統(tǒng)主要是Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、Cr-Mn-N型。鋼號主要有：0Cr19Ni9、0Cr18Ni11Nb、0Cr23Ni13、2Cr23Ni13、0Cr18Ni13Si4等。鎳鉻奧氏體是不銹耐酸、耐熱鋼中最好的鋼種，它兼有良好的耐酸性、耐熱及熱強性，其鋼種也較多。鐵素體耐熱鋼主要有0Cr11Ti、2Cr25N、0Cr13Al、1Cr17等2）低溫鋼 低溫鋼可用于空氣分離器、石油尾氣分離及低溫液體貯罐等。我國低溫鋼分為40、70、90、120、196、2736個等級。低溫鋼最重要的性能是韌性，脆性轉變溫度等。影響低溫鋼性能最主要的因素是化學成分、組

24、織及晶粒度、熱處理狀態(tài)等。我國的壓力容器用低溫低合金鋼號有16MnDR（用于-40以上）、15MnNiDR（用于-45）、09Mn2VDR（用于-50）、09MnNiDR（用于-70）和07MnNiCrMoVD（用于-40），這些鋼都屬于鐵素體型低溫鋼。此外，奧氏體鋼如1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等不銹鋼，具有優(yōu)良的低溫韌性，可用于196以下。9Ni鋼為含Ni9的低溫鋼，使用溫度最低可達到196。供貨狀態(tài)為二次正火回火和淬火回火2種。選用適當的焊接材料，焊后可不必進行消除應力熱處理也能安全使用。3）不銹耐酸鋼 通常所說的“不銹鋼”實際上是耐酸鋼、不銹鋼和耐熱鋼的總稱。不銹是指在空氣中具有

25、耐蝕的性能；耐酸是指在某些化學介質中能抵抗腐蝕的特性；耐熱是指在高溫下抗氧化、抗蠕變，具有高溫持久強度的性能。不銹耐酸鋼按照其組織類型可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型、奧氏體一鐵素體型和沉淀硬化型。壓力容器上使用較多的是奧氏體型、奧氏體一鐵素體型及鐵素體型不銹耐酸鋼；鍋爐上使用較多的是馬氏體型、奧氏體型不銹鋼。鐵素體不銹鋼主要特點是加熱時不發(fā)生相變，因此不能進行熱處理強化。鐵素體不銹鋼有3種脆化傾向：475脆性、a相析出脆化和粗晶脆化，主要鋼號有0Cr13Al、00Cr17Mo、0Cr18Mo2等。奧氏體不銹鋼亦不能熱處理強化，其屈服點較低，塑性、韌性及工藝性能都很好。具有優(yōu)良的耐蝕性，無磁

26、性、應用廣泛。壓力容器常應用含穩(wěn)定化元素鈦的鋼種，以防止晶間腐，如0Crl8Ni11Ti、1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb、1Cr18Ni12Mo2Ti等。奧氏體一鐵素體型不銹耐酸鋼，其特點是在室溫下具有奧氏體和鐵素體的雙相組織，因此可提高其抗晶間腐蝕能力和防止應力腐蝕開裂，其屈服點比奧氏體鋼高，有磁性，主要鋼號有：0Cr26Ni5Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2、1Cr18Ni 11S74AIT1、1Cr21Ni5Ti等。4.合金元素對鋼組織和性能的影響鋼中的化學元素及其含量決定了鋼的化學成分，由于化學成分不同使鋼的組織和性能也不同。（1）碳 碳是鋼中兩個基本組元之一，是決定鋼強度的主要元素，隨著鋼中碳質量分數的增加，強度、硬度升高，塑性下降。（2）錳 錳可固溶于鐵素體（溶解度約3%以下）和奧氏體中，使之固溶強化，提高硬度和強度。含錳量在1%以下，強化的同時幾乎不影響塑性和韌性。錳是弱碳化物形成元素，是良好的脫氧劑、脫硫劑。錳可降低下臨界點，增加奧氏體冷卻時的過冷度，細化晶粒、改善力學性能。