金屬材料的性質

1、金屬材料的性質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和機械性能。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構， 以及金屬學方面的基本概 念。一

2、、 金屬及合金的機械性能（一）金屬及合金的基本機械性能金屬及合金的機械性能在這里是指力學性能而言，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 的標志。金屬及合金的機械性能主要有彈性、塑性、強度、 硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。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。也即金屬材料受外力作用時產生變形，當外力去掉后恢復其原來形狀 的性能。表示材料最大彈性指標稱為彈性極限，用ce表示。可理解為塑性變形剛要出現(xiàn)而尚未出現(xiàn)時的正應力值。實際 上很難測定常用比例極限 c代替。比例極限是應力與應變能保持直線關系時的最大應力值。單位為kg/mm2。所謂塑性是指金屬在外力作用下產

3、生永久變形而不致引起破壞的性能。常用的塑性指標有延伸率 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. 強度強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。按照作用力性質的不 同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎

4、強度、抗剪強度和抗 扭強度等。在工程上常用來表示金屬材料強度的指標有屈服 強度和抗拉強度。屈服強度就是金屬材料發(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力。它可按下式計算：F 0式中單位為Pa, Ps 試樣產生屈服現(xiàn)象時所承受的最大 外力，N （牛頓）。Fo試樣原來的截面積，m2?？估瓘姸染褪墙饘俨牧显诶瓟嗲八艹惺艿淖畲髴ΓＸ蝏 =畀Fo用ob來表示。它可按下式計算：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。屈服強度o和抗拉強度o在機械設計和選擇、評定金屬材 料時有重要意義，因為金屬材料不能在超過其 o的條件下工 作，否則會引起機件

5、的塑性變形；金屬材料也不能在超過其 o 的條件下工作，否則會導致機件的破壞。3. 硬度金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力，叫做硬度。 實際上，不象強度、延伸率等，它不是一個單純的物理和力 學量，它是代表著彈性、塑性、塑性變形強化率、強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。金屬材料的硬度可用專門儀器來試驗，常用的有布氏硬度 機和洛氏硬度機，用布氏硬度機測定的硬度稱為布氏硬度， 用HB表示；用洛氏硬度機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 是把帶缺口的標準試樣，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. 疲勞強度在機械中有許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等，是 在交變載荷的作用下工作的。這種受交變應力的零件，發(fā)生 斷裂時的應力，遠低于該材料的屈服強度，這種現(xiàn)象叫做疲 勞破壞。當金屬材料在無數(shù)次重復交變載荷作用下而不致引 起斷裂的最大應力，叫做疲勞強度。為了提高零件的疲勞強 度，除改善其結構形狀，避免應力集中外，還可采取表面強 化的方法，如提高零件表面的加工光潔度，對零件表面進行 噴丸處理、表面淬火等。（二）金屬材料的高溫機械性能1. 蠕變極限金屬材料在

7、高溫、一定應力作用下，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，應力提高，蠕變速度也加快。為要保證高溫機械設備在規(guī)定的使用壽命期間不產生過大的塑性變形，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10-5% （1/小時）蠕變速 度的蠕變極限用 6 （10-5%）表示；相應10-4% （1/小時）蠕變 速度的蠕變極限用 6 （10-4%） 表示。2. 持久強度蠕變極限只測定一定時間內材料的塑性變形量，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。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，達到斷裂所 需的時間就越短。所以，材料在規(guī)定的時間內達到斷裂時所 需的應力就稱為材料的持久強度6。規(guī)定的時間不同就有不 同的持久強度值。規(guī)定時間越長，持久強度越低。常用的規(guī) 定時間為105小時

9、，相應的持久強度用 OD （ 105小時）表示。3. 應力松馳常溫時上緊的法蘭連接，長期在高溫下操作，螺栓內應力 會慢慢變小。使法蘭放松而引起泄漏，這種現(xiàn)象稱為“應力 松馳”。這是因為，在常溫下上緊的螺栓，其伸長量皆為彈性 變形伸長；在高溫下操作，材料會因蠕變而產生塑性變形， 由于螺栓總伸長量不變，當部分彈性變形量轉變?yōu)樗苄宰冃?量時，螺栓內彈性變形量減少，相應的應力也就減少。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行熱 緊，可減少這種應力檢馳現(xiàn)象。（三）金屬材料的低溫機械性能低溫下，材料的工作應力雖遠小于屈服極限，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：在實際構件中總存在著缺口（如材質缺陷、制造 缺陷、幾何形狀的突變等），缺口的尖端處有很高的應力集中 現(xiàn)象，當缺口尖端處的材料由于溫度降低和缺口的剛性來而 無法進行塑性變形時，這種很高的應力集中往往會超過該處 材料的強度極限而使材料在缺口尖端處產生裂紋，裂紋不斷 擴展，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，當溫度降低到某一數(shù)值時，它就從塑性破壞轉變?yōu)榇嘈詳嗔眩@種從塑性 破壞轉變到脆裂的溫度界限，稱為材料的臨界轉變溫度Tc。二、金屬及合金的物理、化學及工藝性能（一）物理性能金屬