【】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(duì)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(shí)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(dāng)外力達(dá)到或 超過某一限度時(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)可以通過力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定。1. 1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(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(gè)階段：.彈性階段即曲線的o-e段，在此段若加載不超過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。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(dòng)階段，即曲線的s點(diǎn)及其后的一段，

4、有微小顫 動(dòng)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。.強(qiáng)化階段 即曲線的sb段。當(dāng)變形超過屈服階段后，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.頸縮階段即曲線的bk段。應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度ob后

5、，試件的某一局部 開始變細(xì)，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 0 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

6、為強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，安全系數(shù)z0=1. 52. 0； 采用。b作為強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，安全系數(shù)z。=2.05.0。在我國現(xiàn)行鍋爐規(guī)范強(qiáng)度 設(shè)計(jì)中，ns=1. 5, nb=2. 7；壓力容器規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(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0. 2%作為屈服點(diǎn)，其 屈服強(qiáng)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(píng)定材料塑 性的指標(biāo)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(biāo)距長度；L1拉斷后試件的標(biāo)距長度。在材料手冊(cè)中常?？吹? 5和6 10兩種符號(hào)，它們分別表示用L。=5d和L。 =10d（d為試件直徑）兩種不同長度試件測(cè)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(hào)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(biāo)距長度的影響，因此能更可靠地反映材料的塑性。對(duì)必須承

8、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(dá)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(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。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(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，所以可以通過測(cè)試硬度來估算材料 強(qiáng)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(yàn)方法有以下幾種：.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=F/A。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

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(cè)量壓痕深度來確定硬度值的試驗(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 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0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。.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)角線平均長度來確定

11、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)就是用維氏硬度來測(cè)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(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)裝有碳化鴇球的沖擊側(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

12、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。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(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)，其斷裂過程是一個(gè)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(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。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)。1.1.6有關(guān)材料方面的進(jìn)一