金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)(二)
金屬材料的性能
金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個(gè)方面,即:機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。
1.機(jī)械性能
?。ㄒ唬?yīng)力的概念,物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力,在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力(例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力)。
?。ǘC(jī)械性能,金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時(shí),抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能(也稱為力學(xué)性能)。金屬材料承受的載荷有多種形式,它可以是靜態(tài)載荷,也可以是動(dòng)態(tài)載荷,包括單獨(dú)或同時(shí)承受的拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,以及摩擦、振動(dòng)、沖擊等等,因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng):
1.1.強(qiáng)度
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力,可分為抗拉強(qiáng)度極限(σb)、抗彎強(qiáng)度極限(σbb)、抗壓強(qiáng)度極限(σbc)等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循,因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定,即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣,在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸,直至試樣斷裂,測定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有:
?。?)強(qiáng)度極限:材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應(yīng)力,一般指拉力作用下的抗拉強(qiáng)度極限,以σb表示,如拉伸試驗(yàn)曲線圖中最高點(diǎn)b對應(yīng)的強(qiáng)度極限,常用單位為兆帕(MPa),換算關(guān)系有:1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2或1kgf/mm2=9.8MPa。
?。?)屈服強(qiáng)度極限:金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時(shí),雖然應(yīng)力不再增加,但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形,這種現(xiàn)象稱為屈服,即材料承受外力到一定程度時(shí),其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形。產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限,用σs表示,相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。對于塑性高的材料,在拉伸曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn),而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點(diǎn),從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服極限。因此,在拉伸試驗(yàn)方法中,通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限,用σ0.2表示。屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比(即σs/σb)要小,以提高其安全可靠性,不過此時(shí)材料的利用率也較低了。
?。?)彈性極限:材料在外力作用下將產(chǎn)生變形,但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力即為彈性極限,相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn),以σe表示,單位為兆帕(MPa):σe=Pe/Fo式中Pe為保持彈性時(shí)的最大外力(或者說材料最大彈性變形時(shí)的載荷)。
?。?)彈性模數(shù):這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變δ(與應(yīng)力相對應(yīng)的單位變形量)之比,用E表示,單位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα式中α為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標(biāo)(金屬材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛性)。
1.2.塑性
金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性,通常以拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣標(biāo)距長度延伸率δ(%)和試樣斷面收縮率ψ(%)延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%,這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標(biāo)距長度L1與試樣原始標(biāo)距長度L0之差(增長量)與L0之比。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí),同一材料但是不同規(guī)格(直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長度)的拉伸試樣測得的延伸率會(huì)有不同,因此一般需要特別加注,例如最常用的圓截面試樣,其初始標(biāo)距長度為試樣直徑5倍時(shí)測得的延伸率表示為δ5,而初始標(biāo)距長度為試樣直徑10倍時(shí)測得的延伸率則表示為δ10。斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差(斷面縮減量)與F0之比。實(shí)用中對于最常用的圓截面試樣通??赏ㄟ^直徑測量進(jìn)行計(jì)算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-試樣原直徑;D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑。δ與ψ值越大,表明材料的塑性越好。
1.3.韌性
金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用沖擊試驗(yàn),即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規(guī)定類型的沖擊試驗(yàn)機(jī)上承受沖擊載荷而折斷時(shí),斷口上單位橫截面積上所消耗的沖擊功表征材料的韌性:αk=Ak/F單位J/cm2或Kg·m/cm2,1Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk稱作金屬材料的沖擊韌性,Ak為沖擊功,F(xiàn)為斷口的原始截面積。5.疲勞強(qiáng)度極限金屬材料在長期的反復(fù)應(yīng)力作用或交變應(yīng)力作用下(應(yīng)力一般均小于屈服極限強(qiáng)度σs),未經(jīng)顯著變形就發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂,這是由于多種原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的應(yīng)力(應(yīng)力集中),使該局部發(fā)生塑性變形或微裂紋,隨著反復(fù)交變應(yīng)力作用次數(shù)的增加,使裂紋逐漸擴(kuò)展加深(裂紋尖端處應(yīng)力集中)導(dǎo)致該局部處承受應(yīng)力的實(shí)際截面積減小,直至局部應(yīng)力大于σb而產(chǎn)生斷裂。在實(shí)際應(yīng)用中,一般把試樣在重復(fù)或交變應(yīng)力(拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等)作用下,在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)(一般對鋼取106~107次,對有色金屬取108次)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度極限,用σ-1表示,單位MPa。除了上述五種最常用的力學(xué)性能指標(biāo)外,對一些要求特別嚴(yán)格的材料,例如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用的金屬材料,還會(huì)要求下述一些力學(xué)性能指標(biāo):蠕變極限:在一定溫度和恒定拉伸載荷下,材料隨時(shí)間緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變試驗(yàn),即在恒定溫度和恒定拉伸載荷下,試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的蠕變伸長率(總伸長或殘余伸長)或者在蠕變伸長速度相對恒定的階段,蠕變速度不超過某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力,作為蠕變極限,以表示,單位MPa,式中τ為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,t為溫度,δ為伸長率,σ為應(yīng)力;或者以表示,V為蠕變速度。高溫拉伸持久強(qiáng)度極限:試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷作用下,達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間而不斷裂的最大應(yīng)力,以表示,單位MPa,式中τ為持續(xù)時(shí)間,t為溫度,σ為應(yīng)力。金屬缺口敏感性系數(shù):以Kτ表示在持續(xù)時(shí)間相同(高溫拉伸持久試驗(yàn))時(shí),有缺口的試樣與無缺口的光滑試樣的應(yīng)力之比:式中τ為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,為缺口試樣的應(yīng)力,為光滑試樣的應(yīng)力?;蛘哂茫罕硎?,即在相同的應(yīng)力σ作用下,缺口試樣持續(xù)時(shí)間與光滑試樣持續(xù)時(shí)間之比??篃嵝裕涸诟邷叵虏牧蠈C(jī)械載荷的抗力。
2.化學(xué)性能
金屬與其他物質(zhì)引起化學(xué)反應(yīng)的特性稱為金屬的化學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性(又稱作氧化抗力,這是特別指金屬在高溫時(shí)對氧化作用的抵抗能力或者說穩(wěn)定性),以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機(jī)械性能的影響等等。在金屬的化學(xué)性能中,特別是抗蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。
3.物理性能
金屬的物理性能主要考慮:
?。?)密度(比重):ρ=P/V單位克/立方厘米或噸/立方米,式中P為重量,V為體積。在實(shí)際應(yīng)用中,除了根據(jù)密度計(jì)算金屬零件的重量外,很重要的一點(diǎn)是考慮金屬的比強(qiáng)度(強(qiáng)度σb與密度ρ之比)來幫助選材,以及與無損檢測相關(guān)的聲學(xué)檢測中的聲阻抗(密度ρ與聲速C的乘積)和射線檢測中密度不同的物質(zhì)對射線能量有不同的吸收能力等等。
?。?)熔點(diǎn):金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時(shí)的溫度,對金屬材料的熔煉、熱加工有直接影響,并與材料的高溫性能有很大關(guān)系。
?。?)熱膨脹性。隨著溫度變化,材料的體積也發(fā)生變化(膨脹或收縮)的現(xiàn)象稱為熱膨脹,多用線膨脹系數(shù)衡量,亦即溫度變化1℃時(shí),材料長度的增減量與其0℃時(shí)的長度之比。熱膨脹性與材料的比熱有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮比容(材料受溫度等外界影響時(shí),單位重量的材料其容積的增減,即容積與質(zhì)量之比),特別是對于在高溫環(huán)境下工作,或者在冷、熱交替環(huán)境中工作的金屬零件,必須考慮其膨脹性能的影響。
?。?)磁性。能吸引鐵磁性物體的性質(zhì)即為磁性,它反映在導(dǎo)磁率、磁滯損耗、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑磁力等參數(shù)上,從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。
(5)電學(xué)性能。主要考慮其電導(dǎo)率,在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響。
4.工藝性能
金屬對各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性能,主要有以下四個(gè)方面:
?。?)切削加工性能:反映用切削工具(例如車削、銑削、刨削、磨削等)對金屬材料進(jìn)行切削加工的難易程度。
?。?)可鍛性:反映金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度,例如將材料加熱到一定溫度時(shí)其塑性的高低(表現(xiàn)為塑性變形抗力的大?。试S熱壓力加工的溫度范圍大小,熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機(jī)械性能有關(guān)的臨界變形的界限、熱變形時(shí)金屬的流動(dòng)性、導(dǎo)熱性能等。
(3)可鑄性:反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度,表現(xiàn)為熔化狀態(tài)時(shí)的流動(dòng)性、吸氣性、氧化性、熔點(diǎn),鑄件顯微組織的均勻性、致密性,以及冷縮率等。
?。?)可焊性:反映金屬材料在局部快速加熱,使結(jié)合部位迅速熔化或半熔化(需加壓),從而使結(jié)合部位牢固地結(jié)合在一起而成為整體的難易程度,表現(xiàn)為熔點(diǎn)、熔化時(shí)的吸氣性、氧化性、導(dǎo)熱性、熱脹冷縮特性、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關(guān)性、對機(jī)械性能的影響等。
金屬材料、金屬制品行業(yè)發(fā)展前景
金屬制品行業(yè)包括結(jié)構(gòu)性金屬制品制造、金屬工具制造、集裝箱及金屬包裝容器制造、集裝箱、不銹鋼及類似日用金屬制品制造,船舶及海洋工程制造等。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的生活各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛,也給社會(huì)創(chuàng)造越來越大的價(jià)值。
金屬制品行業(yè)在發(fā)展過程中也遇到一些困難,例如技術(shù)單一,技術(shù)水平偏低,缺乏先進(jìn)的設(shè)備,人才短缺等,制約了金屬制品行業(yè)的發(fā)展。為此,可以采取提高企業(yè)技術(shù)水平,引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備,培養(yǎng)適用人才等提高中國金屬制品業(yè)的發(fā)展。
2009年金屬制品行業(yè)的產(chǎn)品將越來越趨向于多元化,業(yè)界的技術(shù)水平越來越高,產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)穩(wěn)步提高,競爭與市場將進(jìn)一步合理化。加上國家對行業(yè)的進(jìn)一步規(guī)范,以及相關(guān)行業(yè)優(yōu)惠政策的實(shí)施,2009-2012年,金屬制品行業(yè)將有巨大的發(fā)展空間。
來源:熱處理生態(tài)圈公眾號