金屬材料力學(xué)性能基本知識(shí)及鋼材的脆化

1、金屬材料力學(xué)性能基本知識(shí)及鋼材的脆化金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防以及科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的工程材料，這不僅是由于其來(lái)源豐富，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成熟，而且還因?yàn)樗哂袃?yōu)良的性能。 通常所指的金屬材料性能包括以下兩個(gè)方面： 1使用性能 即為了保證機(jī)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(qiáng)度、硬度、剛度、塑性、韌性等)，物理性能(密度、熔點(diǎn)、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(jī)械零件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)件的過(guò)程中適應(yīng)各種冷、熱加工的性能，例如鍛造，焊接，熱處理，壓力加

2、工，切削加工等方面的性能。工藝性能對(duì)制造成本 、生成效率、產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。 11材料力學(xué)基本知識(shí) 金屬材料在加工和使用過(guò)程中都要承受不同形式外力的作用，當(dāng)外力達(dá)到或超過(guò)某一限度時(shí)，材料就會(huì)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(biāo)主要有強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等這些性能指標(biāo)可以通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定。111 強(qiáng)度 金屬的強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。材料強(qiáng)度指標(biāo)可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)出。把一定尺寸和形狀的金屬試樣(圖12)裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)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(guò)程中承受的載荷和產(chǎn)生的變形量之間

3、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(qiáng)度性能的一些數(shù)據(jù)。圖13所示的曲線，其縱坐標(biāo)是載荷P(也可換算為應(yīng)力d)，橫坐標(biāo)是伸長(zhǎng)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(guò)程分為四個(gè)階段：1彈性階段 即曲線的o-e段，在此段若加載不超過(guò)e點(diǎn)的應(yīng)力值，卸載后試件的變形可全部消失，故e點(diǎn)的應(yīng)力值為材料只產(chǎn)生彈性變形時(shí)應(yīng)力的最高限，稱為彈性極限，曲線的oe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。 2屈服階段 此段又稱為流動(dòng)階段，即曲線的s點(diǎn)及其后的一段，有微小顫動(dòng)

4、的水平線，s點(diǎn)稱作屈服點(diǎn)，s點(diǎn)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(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)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。 3強(qiáng)化階段 即曲線的sb段。當(dāng)變形超過(guò)屈服階段后，材料又恢復(fù)了對(duì)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(qiáng)化：曲線的最高點(diǎn)b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的拉力Pb是拉伸過(guò)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(qiáng)度，用b表示，單位為MPa.4頸縮階段 即曲線的bk段。應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度b后，試件的某一局部開(kāi)始變細(xì)

5、，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(dá)k點(diǎn)時(shí)試件被拉斷?？估瓘?qiáng)度b，屈服強(qiáng)度s是評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度性能的兩個(gè)主要指標(biāo)?，F(xiàn)在新的符號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm，屈服強(qiáng)度(ReL或Rp0.2)。屈服強(qiáng)度就是屈服點(diǎn)的應(yīng)力（屈服值）；抗拉強(qiáng)度：試樣拉斷前承受的最大標(biāo)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(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)采用s作為強(qiáng)度指標(biāo)，并加上適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。但由于抗拉強(qiáng)度b測(cè)定較方便，數(shù)據(jù)也較準(zhǔn)確，所以機(jī)械設(shè)計(jì)中也經(jīng)常采用b,但需使用較大的安全系數(shù)。一般機(jī)械設(shè)計(jì)中，以s作為強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，安全系數(shù)z。=1520；采用b作為

6、強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，安全系數(shù)z。=2050。在我國(guó)現(xiàn)行鍋爐規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，ns=15，nb=27；壓力容器規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)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(duì)這些材料，工程上規(guī)定試件發(fā)生某一微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為該材料的屈服點(diǎn)，例如以材料塑性伸長(zhǎng)02作為屈服點(diǎn)，其屈服強(qiáng)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(píng)定材料塑性的指標(biāo)通常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。伸長(zhǎng)率占可用下式確定：=(L1一L。)L0100式

7、中：L。試件原標(biāo)距長(zhǎng)度； L1拉斷后試件的標(biāo)距長(zhǎng)度。 在材料手冊(cè)中常?？吹?和10兩種符號(hào)，它們分別表示用L。=5d和L。=10d(d為試件直徑)兩種不同長(zhǎng)度試件測(cè)定的伸長(zhǎng)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(hào)的伸長(zhǎng)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(biāo)距長(zhǎng)度的影響，因此能更可靠地反映材料的塑性。 對(duì)必須承受強(qiáng)烈變形的材料，塑性指標(biāo)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?yàn)樗苄灾笜?biāo)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(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5值在25以上，國(guó)內(nèi)鍋爐壓力容器材料的伸長(zhǎng)率一般至少要求達(dá)10以上。 伸長(zhǎng)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(duì)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(huì)限制材料強(qiáng)度使用水平的提高，造成產(chǎn)品粗大笨重，浪費(fèi)材料和使用壽命不長(zhǎng)。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(qiáng)度有一定關(guān)系，一般情況下，硬度較兩的材料其強(qiáng)度也較高，所以可以通過(guò)測(cè)試硬度來(lái)估算材料強(qiáng)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(yàn)方法有以下幾種： 1布氏硬度HB 布氏硬度試驗(yàn)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(yàn)力F壓入所測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量表面壓痕直徑d，由d計(jì)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(hào)。淬火鋼球作壓頭測(cè)得的硬度值用HBS表示，硬質(zhì)合金作壓頭測(cè)得的硬度值用HBW表示。 布氏硬度試驗(yàn)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(cè)量壓痕深度來(lái)確定硬度值的試驗(yàn)方法。 為了滿足從軟到硬各種材料的硬度測(cè)定，按照壓頭種類和總試驗(yàn)力的大小組

10、成三種洛氏硬度標(biāo)度，分別用HRA，HRB，HRC表示。其中HRR使用的是鋼球壓斗，用于測(cè)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(cè)量淬火鋼，硬質(zhì)合金，滲碳層等。 洛氏硬度試驗(yàn)適用范圍廣，操作簡(jiǎn)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。3維氏硬度HV 維氏硬度主要用于測(cè)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(yàn)力下在試件表面壓出正方形壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線平均長(zhǎng)度來(lái)確定硬度值。 采用較低的試驗(yàn)力可以使維氏硬度試驗(yàn)的壓痕非常小，這樣就可以測(cè)出很小一點(diǎn)區(qū)域的硬度值，甚至可以測(cè)出金相組織中不同相的硬度。焊接性能試驗(yàn)中的最高硬度試驗(yàn)就是用維

11、氏硬度來(lái)測(cè)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(cè)量原理是：當(dāng)材料被一個(gè)小沖擊體撞擊時(shí)，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(jì)采用一個(gè)裝有碳化鎢球的沖擊側(cè)頭，在一定的試驗(yàn)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(cè)量出沖擊測(cè)頭試祥表面1mm處的沖擊速度和回跳速度。 里氏稀奇計(jì)體積小，重量輕操作簡(jiǎn)便。在任何方向上均可測(cè)試，所以特別適合現(xiàn)場(chǎng)使用；由于測(cè)量獲得的信號(hào)是電壓值，電腦處理十分方便，測(cè)量后可立即讀出硬度值，并能即時(shí)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(shí)消耗能量大小的特性。材料的沖擊

12、韌性通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)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(duì)沖擊更敏感，在鍋爐壓力容器材料的沖擊試驗(yàn)中應(yīng)用較多。 試樣受到擺錘的突然打擊而斷裂時(shí)，其斷裂過(guò)程是一個(gè)裂紋發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，在裂紋發(fā)展過(guò)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(kuò)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(wú)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(biāo)較高的材料卻不一定都有較高的沖擊韌性，這是因?yàn)樵陟o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(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)中，沖擊韌性是對(duì)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(yàn)溫度等比較敏感的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標(biāo)。116有關(guān)材料方面的進(jìn)一步知識(shí)1鍋爐壓力容器殼體的工作應(yīng)力 絕大多數(shù)鍋爐壓力容器都承受內(nèi)壓，內(nèi)部壓強(qiáng)會(huì)使殼體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，這一應(yīng)力稱為工作應(yīng)力。一般情況下采用薄壁回轉(zhuǎn)殼體的簡(jiǎn)化模型來(lái)計(jì)算鍋爐壓力容器殼體的工作應(yīng)力。在薄壁回轉(zhuǎn)殼體中，只存在兩向應(yīng)力，即經(jīng)向應(yīng)力d。和切向應(yīng)力，在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力大小可用截面法求得，見(jiàn)圖18，對(duì)圓筒形容器，經(jīng)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力。近似以平均直徑D代替內(nèi)徑研，當(dāng)外徑和內(nèi)力平衡時(shí)有: 軸向：=PD/4 切向

14、：=PD/2 由公式可知，應(yīng)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(yīng)力，是切向應(yīng)力d。的一半，即對(duì)圓筒形容器來(lái)說(shuō)，環(huán)焊縫受力只是縱焊縫的一半；而對(duì)球形容器來(lái)說(shuō)，不存在切向應(yīng)力，只是經(jīng)向應(yīng)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(shí)際工作狀態(tài)下的容器，其殼體中的應(yīng)力是比較復(fù)雜的，除了由內(nèi)壓引起的總體薄膜應(yīng)力外，還存在其它應(yīng)力，例如由于形狀變化，壁厚改變，結(jié)構(gòu)不連續(xù)，或存在缺陷等原因引起的局部拉應(yīng)力，壓應(yīng)力，彎曲應(yīng)力，峰值應(yīng)力等。這些應(yīng)力可通過(guò)一些分析計(jì)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(xí)慣稱之為塑性材料。人們?cè)谑褂眠@些材料時(shí)，對(duì)可能會(huì)發(fā)生的脆性破壞往往不夠注意，實(shí)際上，在一些不利的條件或環(huán)境下使用的塑性材料會(huì)發(fā)生脆化，即塑性和韌性降低的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對(duì)鍋爐壓力容器的使用安全是不利的。因此有必要介紹有關(guān)知識(shí)。常見(jiàn)的材料脆化現(xiàn)象有以下幾種：a冷脆性 隨著溫度的降低，大多數(shù)鋼材的強(qiáng)度有所增加，而韌性下降，金屬材料在低溫下呈現(xiàn)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(jìn)行沖擊試驗(yàn)，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(zhuǎn)變到脆性破壞的上限溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。采用另一種

16、試驗(yàn)方法，即落錘試驗(yàn)可較精確地測(cè)定鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)試樣發(fā)生脆性斷裂的最高溫度稱為無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT。一般說(shuō)來(lái)，鋼材的最低允許工作溫度應(yīng)高于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，以防發(fā)生脆性破壞。b熱脆性 鋼材長(zhǎng)時(shí)間停留在400500后再冷卻至室溫時(shí)，沖擊韌度值會(huì)有明顯的下降，這種現(xiàn)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(xiàn)脆化，仍具有較高的沖擊韌度，只有當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，才顯示出脆化現(xiàn)象。鋼材的熱脆性只有通過(guò)沖擊試驗(yàn)才會(huì)明顯地顯示出來(lái)，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(méi)有明顯的變化。對(duì)于工作溫度在400500內(nèi)的受壓元件

17、，必須重視熱脆性問(wèn)題。（特別是鍋爐用的高溫?zé)o縫鋼管）c氫脆 鋼材中的氫會(huì)使材料的力學(xué)性能脆化，這種現(xiàn)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(lái)源主要為下列三個(gè)方面：（1）冶煉過(guò)程中溶解在鋼水中的氫，在結(jié)晶冷凝時(shí)沒(méi)有能即時(shí)逸出而存留在鋼材中；（2）焊接過(guò)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(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，工作介質(zhì)中的氫進(jìn)入鋼材中。 當(dāng)鋼材中存在氫，而應(yīng)力大于某一臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生氫脆斷裂。氫對(duì)鋼材的脆化過(guò)程是一個(gè)微觀裂紋在高應(yīng)力作用下的擴(kuò)展過(guò)程。脆斷應(yīng)力可低達(dá)屈服極限的20。鋼材的強(qiáng)度愈高(所承受的應(yīng)力愈大)，對(duì)氫脆愈敏感。容器中

18、的應(yīng)力水平，包括工作應(yīng)力及殘余應(yīng)力是導(dǎo)致氫脆很重要的因素。氫脆是一種延遲斷裂，斷裂遲延的時(shí)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(nèi)，很低的溫度不利于氫的移動(dòng)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(kuò)散逸出的原理，用來(lái)降低焊縫中氫含量，它是改善焊接接頭力學(xué)性能的有效措施。氫對(duì)鋼鐵材料的危害性較大，由于氫而導(dǎo)致材質(zhì)劣化的現(xiàn)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(xì)微裂紋群，稱為白點(diǎn)；以及鋼在高溫高壓氫作用下，(對(duì)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(xiàn)大量微裂紋，鋼的強(qiáng)度、韌性喪失殆盡的氫腐蝕現(xiàn)象等。d苛性脆化 苛性脆化是由于介質(zhì)內(nèi)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(xiàn)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(xì)裂紋。元件發(fā)生苛性脆化時(shí)，裂紋附近的鋼材仍具有良好的塑性及脆性性能。苛性脆化一般都發(fā)生在受壓元