金属材料的力学性能与试验方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，称为屈服强度。抗拉强度是金属材料重要的力学性能指标之一，由于抗拉强度易于确定且可重复测定，因此经常用于检测材料和产品的质量，也是鉴别材料的有效方法之一。因此冲击韧度试验是检验材料冶金质量和脆化倾向的有效方法之一，也是检验焊接接头性能的试验方法之一。

通常所指的金属材料的性能包括以下两个方面：

1）使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等）、物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）、化学性能（耐蚀性、热稳定性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。

2）工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。

（一）金属材料力学性能基本知识

金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些性能指标可以通过力学性能试验测定。

1.强度

金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力材料强度指标可以通过拉伸试验测出。

可以将拉伸过程分为四个阶段，如图2-6所示。

图2-6 金属材料的拉伸试验图

（1）弹性阶段即曲线0～a段。在此段若加载不超过a点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，因此a点的应力值为材料只产生弹性变形时的最高值，称为弹性极限。

（2）屈服阶段即b～c点的一段曲线。当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，称为屈服强度。应区分上屈服强度和下屈服强度，如图2-7所示。上屈服强度（R_eH）是指试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度（R_eL）是指在屈服期间不计初始瞬时效应时的最低应力。

有些材料没有明显的屈服点，这些材料通常采用规定非此例延伸强度Rp0.2作为屈服阶段的特征值。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。

（3）强化阶段即曲线c～d段，曲线d点所对应的力是拉伸过程中试样承受的最大载荷值，相应的应力即为材料的抗拉强度，用Rm表示。抗拉强度是金属材料重要的力学性能指标之一，由于抗拉强度易于确定且可重复测定，因此经常用于检测材料和产品的质量，也是鉴别材料的有效方法之一。

图2-7 上屈服强度和下屈服强度的定义

在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。重新加载后材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一，工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔喷丸等。

（4）颈缩阶段即曲线d～e段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是无效变形转化为集中变形，导致颈缩。颈缩阶段，承载面积急剧减小，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。

2.塑性

塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。

持久塑性则是表征材料在一定温度和长时间应力作用下的塑性能力，它是材料高温力学性能的重要指标之一，也是衡量材料蠕变脆性的指标。通常要求持久伸长率不小于3％。

3.硬度

硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。

由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。

强度与硬度之间存在一定的对应关系，其经验式为：

对碳钢：ReL＝（3.3～3.6）HBW

对铸铁：ReL＝（HBW－80）／0.3504 （ReL≥196N／mm2时）

ReL＝（HBW－35.2）／0.57924（ReL＜196N／mm2时）

硬度试验是力学性能试验中最简单易行的一种试验方法。一般硬度越高，耐磨性越好。

硬度按其测定范围分为：布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等标尺）、维氏硬度（HV）等。

（1）布氏硬度（HBW）压头为硬质合金球。布氏硬度试验的优点是测定数据准确、稳定通常用于测定铸铁、有色金属、低合金钢等材料以及退火、正火和调质工件的硬度。缺点是不宜测定高硬度或厚度很薄的材料。

（2）洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等标尺）洛氏硬度B标尺，一般用于测定较软的金属和未经淬火的钢件的硬度；C标尺一般用于测定经热处理淬硬的钢试件的硬度；A标尺一般用于测定硬度极高而不宜采用C标尺的场合，如测定硬质合金及表面硬化钢件的硬度。由于A标尺灵敏度较差，因而在其他场合下很少使用。

洛氏硬度试验的优点是操作简便、迅速，可直接从硬度计表盘读出硬度值，不必计算或查表；压痕小，可测量较薄工件。缺点是准确度差。

（3）维氏硬度（HV）维氏硬度试验法广泛用于精密元件和材料的研究领域，特别适用于细小、极薄的材料以及氮化、渗碳等表面处理的试件和各种镀层试样的表层硬度测定。

维氏硬度试验的优点是：不受试验力的影响，对任一均质材料用不同试验力所得到的压痕几乎相似，其硬度值是相同的；有统一的标尺，可适用于较大范围的硬度测试。

4.冲击韧度

冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下，断裂时消耗能量大小的特性。反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般用冲击韧度（aK）和冲击吸收能量（KU或KV）表示，其单位分别为J／cm2和J（焦耳）。

冲击试验因试验温度不同而分为常温、低温等；按试样缺口形状分为“V”形缺口和“U”形缺口冲击试验两种。

实验证明，冲击韧度对材料组织缺陷非常敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，如白点、夹杂及过热、过烧、回火脆性等。因此冲击韧度试验是检验材料冶金质量和脆化倾向的有效方法之一，也是检验焊接接头性能的试验方法之一。

（二）金属材料的脆性

用于制作特种设备受压元件所用的钢材在常温静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。人们在使用这些材料时，对可能会发生的脆性破坏往往不够注意，实际上，在一些不利的条件或环境下使用的塑性材料会发生脆化，即塑性和韧性降低的现象，这一现象对特种设备的使用安全是不利的。常见的钢材脆化现象有以下几种：

1.冷脆性

随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。

2.热脆性

钢材长时间停留在400～500℃后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。具有热脆性的钢材，金相组织没有明显的变化。无损检测不能检测和判定热脆性，材料是否产生热脆一般采用冲击试验方法判断。

3.氢脆

钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。氢脆主要发生在碳钢和低合金钢，钢中氢的来源主要为下列四个方面：冶炼过程中溶解在钢液中的氢，在结晶冷凝时没有能及时逸出而存留在钢材中；焊接过程中由于水分或油污在电弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中；此外，钢试件酸洗不当也可能导致氢脆。

4.应力腐蚀脆性断裂

由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是塑性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀。它与单纯的由应力造成的破坏或由腐蚀引起的破坏不同，在一定的条件下在很低的应力水平或腐蚀性很弱的介质中，也能引起应力腐蚀。应力腐蚀所引起的破坏在事先往往没有明显的变形预兆，突然发生脆性断裂，故它的危害性很大。

应力腐蚀只有在特定条件下才会发生：

1）元件承受拉应力的作用。

2）具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境。

3）材料的应力腐蚀敏感性。

（三）钢的焊接性

钢的焊接性是指钢材在给定的焊接工艺和焊接结构条件下，获得预期焊接接头质量要求的性能。由于焊缝主要经历的是冶金、结晶过程，而焊缝的热影响区主要经历的是焊接热循环过程所以钢的焊接性要从钢的冶金焊接性和热循环焊接性两方面来分析。

1.碳钢的焊接性

碳钢以铁为基础，以碳为合金元素，碳含量一般不超过1％。碳钢的焊接性主要取决于碳的含量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。另外，碳钢中的锰和硅对焊接性也有一定的影响，随着锰和硅含量的增加，其焊接性也随之变差。可用碳当量（Ceq，％）经验公式来表示，即

Ceq增加，则产生冷裂纹的可能性增加，焊接性变差。通常Ceq值大于0.4％时，冷裂纹的敏感性将增大。

焊接性的好坏不只取决于碳、锰、硅的含量，还取决于焊接接头的冷却速度。不同碳钢在不同的冷却速度下，可能会在焊缝和热影响区中形成硬化组织甚至马氏体，且马氏体越多，硬度愈高，焊接性也越差。焊后的大量马氏体或它表现的高硬度，在焊接应力下还可能引起热影响区和焊缝的裂纹，从而表现出焊接性较差。因此，测定焊接接头的硬度，可以粗略地判断裂纹倾向或焊接性的优劣。

焊接时，母材已确定，即Ceq值已确定，若改善焊接性，即改善组织、避免裂纹控制冷却速度是关键途径。冷却速度主要取决于：钢材厚度和接头的几何形状；焊接时母材的原始温度；焊接热输入的大小。

2.合金钢的焊接性

通常把金属材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头性能变坏的倾向作为评价焊接性的重要指标。合金钢的焊接性主要取决于其化学成分，同时也与结构的复杂程度、刚性、焊接方法、焊接材料和焊接工艺有关。钢中的碳是对焊接性影响最大的元素，其他合金元素对焊接性的影响为碳的几分之一至十几分之一。按合金成分对钢焊接性进行估算，即把合金元素对焊接性的影响的大小折算成相当碳元素的含量，即碳当量Ceq。其经验公式为

当Ceq＜0.4％时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热。

当Ceq＝0.4％～0.6％时，钢的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热，控制线能量等工艺措施。

当Ceq＞0.6％时，钢的淬硬倾向更强，属于难以焊接的材料，需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

金属材料的力学性能与试验方法

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