金屬材料的性質(zhì)

1、金屬材料的性質(zhì)金屬材料是煉油化工行業(yè)中最常見的材料，同時也是其他各行各業(yè)中用途最為廣泛的材料。金屬材料種類繁多。在煉油工業(yè)中常用金屬材料有鋼鐵、合金等，各種材料成分不同，性能各異，而且通過加工，特別是熱 處理以后，性能變化很大。金屬材料的性能主要指使用性能和加 工工藝性能。金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)的性能稱為使用性 能，它包括材料的物理化學(xué)和機(jī)械性能。金屬材料在冷熱加工的過程中所表現(xiàn)的性能稱為加工工藝性能，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等等。在這一節(jié)中，我們主要是了解各種金屬材料的性能，熱處理 的方法，并了解金屬材料的組織結(jié)構(gòu)， 以及金屬學(xué)方面的基本概 念。一

2、、 金屬及合金的機(jī)械性能（一）金屬及合金的基本機(jī)械性能金屬及合金的機(jī)械性能在這里是指力學(xué)性能而言，即受外 力作用時所反映出來的性能。它是衡量金屬材料的極其重要 的標(biāo)志。金屬及合金的機(jī)械性能主要有彈性、塑性、強(qiáng)度、 硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。1. 彈性和塑性所謂彈性是指材料所具有的彈性變形的性質(zhì)。也即金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后恢復(fù)其原來形狀 的性能。表示材料最大彈性指標(biāo)稱為彈性極限，用ce表示?？衫斫鉃樗苄宰冃蝿傄霈F(xiàn)而尚未出現(xiàn)時的正應(yīng)力值。實(shí)際 上很難測定常用比例極限 c代替。比例極限是應(yīng)力與應(yīng)變能保持直線關(guān)系時的最大應(yīng)力值。單位為kg/mm2。所謂塑性是指金屬在外力作用下產(chǎn)

3、生永久變形而不致引起破壞的性能。常用的塑性指標(biāo)有延伸率 S和斷面收縮率©。延伸率是用試樣拉斷后的總伸長同原始長度之比值的百分-=- A 10 0%L 0率來度量塑性的大小。其公式表示為：L 試樣受拉伸斷裂后的長度；Lo試樣原長度。 斷面收縮率中，是用試樣拉斷后，斷口面積的縮減同原截F 0 - F=F o100%面面積之比值的百分率來度量塑性的大小。用公式表示如下：F。和F分別表示試樣原來的和斷裂后的截面積。S和©愈大，則塑性愈好。2. 強(qiáng)度強(qiáng)度是金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的一種性能，也是抵抗外力而不致失效的能力。按照作用力性質(zhì)的不 同，可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎

4、強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗 扭強(qiáng)度等。在工程上常用來表示金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有屈服 強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度就是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，亦稱 抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。它可按下式計(jì)算：F 0式中單位為Pa, Ps 試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時所承受的最大 外力，N （牛頓）。Fo試樣原來的截面積，m2?？估瓘?qiáng)度就是金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，常匚b =畀Fo用ob來表示。它可按下式計(jì)算：式中單位為Pa, Po試樣在斷裂前的最大拉力，N （牛頓）Fo 試樣原來的截面積，m2。屈服強(qiáng)度o和抗拉強(qiáng)度o在機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇、評定金屬材 料時有重要意義，因?yàn)榻饘俨牧喜荒茉诔^其 o的條件下工 作，否則會引起機(jī)件

5、的塑性變形；金屬材料也不能在超過其 o 的條件下工作，否則會導(dǎo)致機(jī)件的破壞。3. 硬度金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力，叫做硬度。 實(shí)際上，不象強(qiáng)度、延伸率等，它不是一個單純的物理和力 學(xué)量，它是代表著彈性、塑性、塑性變形強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列不同的物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)。金屬材料的硬度可用專門儀器來試驗(yàn)，常用的有布氏硬度 機(jī)和洛氏硬度機(jī)，用布氏硬度機(jī)測定的硬度稱為布氏硬度， 用HB表示；用洛氏硬度機(jī)測定的硬度稱為洛氏硬度，用HRC表示。4. 沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷的能力，叫做沖擊韌性。它的測定 是把帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用擺錘沖擊的方法使之迅速斷裂， 測出斷裂時所需的功，再除

6、以試樣缺口處的橫截面積，便得 材料的沖擊韌性 a （單位為kgm/cm2）。這個數(shù)值越小，說明 材料越脆。在低溫時尤其需考慮其沖擊韌性。5. 疲勞強(qiáng)度在機(jī)械中有許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等，是 在交變載荷的作用下工作的。這種受交變應(yīng)力的零件，發(fā)生 斷裂時的應(yīng)力，遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度，這種現(xiàn)象叫做疲 勞破壞。當(dāng)金屬材料在無數(shù)次重復(fù)交變載荷作用下而不致引 起斷裂的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度。為了提高零件的疲勞強(qiáng) 度，除改善其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中外，還可采取表面強(qiáng) 化的方法，如提高零件表面的加工光潔度，對零件表面進(jìn)行 噴丸處理、表面淬火等。（二）金屬材料的高溫機(jī)械性能1. 蠕變極限金屬材料在

7、高溫、一定應(yīng)力作用下，隨著時間的增加，會 緩慢地發(fā)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為“蠕變”。溫度升高，蠕變速度顯著加快，一般碳鋼在300 350 C以上，合金鋼在350400 C以上才有明顯的蠕變現(xiàn)象。在一定溫度下，應(yīng)力提高，蠕變速度也加快。為要保證高溫機(jī)械設(shè)備在規(guī)定的使用壽命期間不產(chǎn)生過大的塑性變形，就要限制材料的平均蠕變速度。對于使用壽命至少在十五年 以上的設(shè)備，許可平均蠕變速度常取。10-7 （1/小時）或10-5 %（1/小時）；對于可經(jīng)常更換的零件，如加熱爐爐管，則常取10-8 （1/小時）或 10-4 % （1/小時）在一定溫度下，為保證規(guī)定的許可平均蠕變速度而必須控制的應(yīng)力值，就稱為材料

8、的蠕變極限6。常用的蠕變極限 6有兩種：相應(yīng)10-5% （1/小時）蠕變速 度的蠕變極限用 6 （10-5%）表示；相應(yīng)10-4% （1/小時）蠕變 速度的蠕變極限用 6 （10-4%） 表示。2. 持久強(qiáng)度蠕變極限只測定一定時間內(nèi)材料的塑性變形量，不能反映材料斷裂時的特性。因此還要做高溫長期加載下的材料斷裂 試驗(yàn)。在一定溫度下，在試棒上加恒定的載荷，經(jīng)過很長一 段時間后，試樣便斷裂。試棒上所加載荷越大，達(dá)到斷裂所 需的時間就越短。所以，材料在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到斷裂時所 需的應(yīng)力就稱為材料的持久強(qiáng)度6。規(guī)定的時間不同就有不 同的持久強(qiáng)度值。規(guī)定時間越長，持久強(qiáng)度越低。常用的規(guī) 定時間為105小時

9、，相應(yīng)的持久強(qiáng)度用 OD （ 105小時）表示。3. 應(yīng)力松馳常溫時上緊的法蘭連接，長期在高溫下操作，螺栓內(nèi)應(yīng)力 會慢慢變小。使法蘭放松而引起泄漏，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)力 松馳”。這是因?yàn)椋诔叵律暇o的螺栓，其伸長量皆為彈性 變形伸長；在高溫下操作，材料會因蠕變而產(chǎn)生塑性變形， 由于螺栓總伸長量不變，當(dāng)部分彈性變形量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?量時，螺栓內(nèi)彈性變形量減少，相應(yīng)的應(yīng)力也就減少。對法 蘭的壓緊力就會放松。所以在高溫管線上的法蘭連接進(jìn)行熱 緊，可減少這種應(yīng)力檢馳現(xiàn)象。（三）金屬材料的低溫機(jī)械性能低溫下，材料的工作應(yīng)力雖遠(yuǎn)小于屈服極限，但卻會突然 脆裂破壞，破壞前沒有明顯的塑性變形，來得突然，很危險， 脆裂斷口平直而光亮，且有人字形紋路，其尖端指向裂源。 其原因是：在實(shí)際構(gòu)件中總存在著缺口（如材質(zhì)缺陷、制造 缺陷、幾何形狀的突變等），缺口的尖端處有很高的應(yīng)力集中 現(xiàn)象，當(dāng)缺口尖端處的材料由于溫度降低和缺口的剛性來而 無法進(jìn)行塑性變形時，這種很高的應(yīng)力集中往往會超過該處 材料的強(qiáng)度極限而使材料在缺口尖端處產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷 擴(kuò)展，這就是脆裂現(xiàn)象。同一種鋼材，在常溫下的破壞是塑性破壞，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時，它就從塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種從塑性 破壞轉(zhuǎn)變到脆裂的溫度界限，稱為材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc。二、金屬及合金的物理、化學(xué)及工藝性能（一）物理性能金屬