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金属材料性能的基础知识


金属材料性能的基础知识
cf8 是 304 0Cr18Ni9 cf8m 是 316 0Cr17Ni12Mo2 0 代表炭含量小于万分之八 相应的还有 cf3 304L 00Cr19Ni10 cf3m 316L 00Cr17Ni14Mo2
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都是不锈钢
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面,即: 机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。 一.机械性能 (一)应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力,在无 外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力(例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的 残余应力…等等)。 (二)机械性能,金属在一定温度条件下承受外力(载荷)作用时,抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的 机械性能(也称为力学性能)。金属材料承受的载荷有多种形式,它可以是静态载荷,也可以是动态载荷, 包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力,以及摩擦、振动、冲击等等, 因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项:1.强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的 最大能力,可分为抗拉强度极限(σb)、抗弯强度极限(σbb)、抗压强度极限(σbc)等。由于金属材料 在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循,因而通常采用拉伸试验进行测定,即把金属材料制成一定 规格的试样,在拉伸试验机上进行拉伸,直至试样断裂,测定的强度指标主要有: (1)强度极限:材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力,一般指拉力作用下的抗拉强度极限,以 σb 表 示,如拉伸试验曲线图中最高点 b 对应的强度极限,常用单位为兆帕(MPa),换算关系有: 1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2 或 1Kgf/mm2=9.8MPa σb=Pb/Fo 式中:Pb?C 至材料断裂时的最大应力(或者说是试样能承受的最大载荷);Fo?C 拉伸试样原来的横截面 积。 (2)屈服强度极限:金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时,虽然应力不再增加,但是试样仍发 生明显的塑性变形,这种现象称为屈服,即材料承受外力到一定程度时,其变形不再与外力成正比而产生 明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限,用 σs 表示,相应于拉伸试验曲线图中的 S 点称 为屈服点。对于塑性高的材料,在拉伸曲线上会出现明显的屈服点,而对于低塑性材料则没有明显的屈服 点,从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此,在拉伸试验方法中,通常规定试样上的标距长度产 生 0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限,用 σ0.2 表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产 生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比(即 σs /σb)要小,以提高其安全 可靠性,不过此时材料的利用率也较低了。 (3)弹性极限:材料在外力作用下将产生变形,但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料 能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限, 相应于拉伸试验曲线图中的 e 点, σe 表示, 以 单位为兆帕 (MPa) : σe=Pe/Fo 式中 Pe 为保持弹性时的最大外力(或者说材料最大弹性变形时的载荷)。 (4)弹性模数:这是材料在弹性极限范围内的应力 σ 与应变 δ(与应力相对应的单位变形量)之比,用 E 表示,单位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα 式中 α 为拉伸试验曲线上 o-e 线与水平轴 o-x 的夹角。弹性模数是 反映金属材料刚性的指标(金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。 2.塑性,金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性,通常以拉伸试验时的试样标距

长度延伸率 δ(%)和试样断面收缩率 ψ(%)延伸率 δ=[(L1-L0)/L0]x100%,这是拉伸试验时试样拉断后 将试样断口对合起来后的标距长度 L1 与试样原始标距长度 L0 之差 (增长量) L0 之比。 与 在实际试验时, 同一材料但是不同规格(直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度)的拉伸试样测得的延伸率 会有不同,因此一般需要特别加注,例如最常用的圆截面试样,其初始标距长度为试样直径 5 倍时测得的 延伸率表示为 δ5,而初始标距长度为试样直径 10 倍时测得的延伸率则表示为 δ10。断面收缩率 ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积 F0 与断口细颈处最小截面积 F1 之差(断 面缩减量)与 F0 之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算: ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-试样原直径;D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ 与 ψ 值越大,表 明材料的塑性越好。 3.硬度,金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度,或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。 因此,硬度与强度有着一定的关系。根据硬度的测定方法,主要可以分为: (1)布氏硬度(代号 HB),用一定直径 D 的淬硬钢球在规定负荷 P 的作用下压入试件表面,保持一段时 间后卸去载荷,在试件表面将会留下表面积为 F 的压痕,以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该 试件的硬度:HB=P/F。在实际应用中,通常直接测量压坑的直径,并根据负荷 P 和钢球直径 D 从布氏硬 度数值表上查出布氏硬度值(显然,压坑直径越大,硬度越低,表示的布氏硬度值越小)。布氏硬度与材 料的抗拉强度之间存在一定关系: σb≈KHB, 为系数, K 例如对于低碳钢有 K≈0.36, 对于高碳钢有 K≈0.34, 对于调质合金钢有 K≈0.325,…等等。 (2)洛氏硬度(HR) 用有一定顶角(例如 120°)的金刚石圆锥体压头或一定直径 D 的淬硬钢球,在一定负荷 P 作用下压入试 件表面,保持一段时间后卸去载荷,在试件表面将会留下某个深度的压痕。由洛氏硬度机自动测量压坑深 度并以硬度值读数显示(显然,压坑越深,硬度越低,表示的洛氏硬度值越小)。根据压头与负荷的不同, 洛氏硬度还分为 HRA、HRB、HRC 三种,其中以 HRC 为最常用。 洛氏硬度 HRC 与布氏硬度 HB 之间有如下换算关系:HRC≈0.1HB。 除了最常用的洛氏硬度 HRC 与布氏硬度 HB 之外,还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)、显微硬度以 及里氏硬度(HL)。 这里特别要说明一下关于里氏硬度,这是目前最新颖的硬度表征方法,利用里氏洛氏硬度进行测量,其检 测原理是:里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放,冲头快速冲击在试件表面上,通过线圈的电磁 感应测量冲头距离试件表面 1 毫米处的冲击速度与反弹速度(感应为冲击电压和反弹电压),里氏硬度值 即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示:HL=(Vr/Vi)?1000 式中:HL-里氏硬度值;Vr-冲头反弹速度;Vi-冲头冲击速度(注:实际应用装置中是以冲击装置中的闭合 线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度)。 冲击装置的构造主要有内置弹簧(加载套管,不同型号的冲击装置有不同的冲击能量)、导管、释放按钮、 内置线圈与骨架、支撑环以及冲头,冲头主要采用金刚石、碳化钨两种极高硬度的球形(不同型号的冲击 装置其冲头直径有不同)。优点:里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算,然后在 屏幕上直接显示出里氏硬度值,便携式里氏硬度计用里氏(HL)测量后可以转化为:布氏(HB)、洛氏 (HRC)、维氏(HV)、肖氏(HS)硬度。或用里氏原理直接用布氏(HB)、洛氏(HRC)、维氏(HV)、 里氏(HL)、肖氏(HS)测量硬度值,同时可折算出材料的抗拉强度 σb,还可以将测量结果储存、直接打 印输出或传送给计算机作进一步的数据处理。应用范围:里氏硬度计是一种便携袖珍装置,可应用于各种 金属材料、工件的表面硬度测量,特别是大型锻铸件的测量,其最大的特点是可以任意方向检测,免去了 普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。 4.韧性,金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验,即用一定尺寸和形状的 金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时,断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征 材料的韧性: αk=Ak/F 单位 J/cm2 或 Kg?m/cm2, Kg?m/cm2=9.8 J/cm2 αk 称作金属材料的冲击韧性, 为冲击功, 1 Ak

F 为断口的原始截面积。 5.疲劳强度极限 金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下 (应力一般均小于屈服极限强度 σs) , 未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂,这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大 于 σs 甚至大于 σb 的应力(应力集中),使该局部发生塑性变形或微裂纹,随着反复交变应力作用次数的 增加,使裂纹逐渐扩展加深(裂纹尖端处应力集中)导致该局部处承受应力的实际截面积减小,直至局部 应力大于 σb 而产生断裂。在实际应用中,一般把试样在重复或交变应力(拉应力、压应力、弯曲或扭转 应力等)作用下,在规定的周期数内(一般对钢取 106~107 次,对有色金属取 108 次)不发生断裂所能承 受的最大应力作为疲劳强度极限,用 σ-1 表示,单位 MPa。 除了上述五种最常用的力学性能指标外,对 一些要求特别严格的材料,例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料,还会要求下述一些力学性 能指标:蠕变极限:在一定温度和恒定拉伸载荷下,材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常 采用高温拉伸蠕变试验,即在恒定温度和恒定拉伸载荷下,试样在规定时间内的蠕变伸长率(总伸长或残 余伸长)或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段,蠕变速度不超过某规定值时的最大应力,作为蠕变极限, 以表示,单位 MPa,式中 τ 为试验持续时间,t 为温度,δ 为伸长率,σ 为应力;或者以表示,V 为蠕变速 度。高温拉伸持久强度极限:试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下,达到规定的持续时间而不断裂的最 大应力,以 表示,单位 MPa,式中 τ 为持续时间,t 为温度,σ 为应力。金属缺口敏感性系数:以 K τ 表 示在持续时间相同(高温拉伸持久试验)时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比: 式中 τ 为试 验持续时间,为缺口试样的应力,为光滑试样的应力。或者用:表示,即在相同的应力 σ 作用下,缺口试 样持续时间与光滑试样持续时间之比。抗热性:在高温下材料对机械载荷的抗力。 二.化学性能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗 蚀性、抗氧化性(又称作氧化抗力,这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性),以 及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中,特别是 抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。 三.物理性能 金属的物理性能主要考虑: (1)密度(比重):ρ=P/V 单位克/立方厘米或吨/立方米,式中 P 为重量,V 为体积。在实际应用中,除 了根据密度计算金属零件的重量外,很重要的一点是考虑金属的比强度(强度 σb 与密度 ρ 之比)来帮助 选材,以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗(密度 ρ 与声速 C 的乘积)和射线检测中密度不同的物 质对射线能量有不同的吸收能力等等。 (2)熔点:金属由固态转变成液态时的温度,对金属材料的熔炼、热加工有直接影响,并与材料的高温性 能有很大关系。 (3)热膨胀性 随着温度变化,材料的体积也发生变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀,多用线膨胀系 数衡量,亦即温度变化 1℃时,材料长度的增减量与其 0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热有关。在 实际应用中还要考虑比容 (材料受温度等外界影响时, 单位重量的材料其容积的增减, 即容积与质量之比) , 特别是对于在高温环境下工作,或者在冷、热交替环境中工作的金属零件,必须考虑其膨胀性能的影响。 (4)磁性 能吸引铁磁性物体的性质即为磁性,它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力 等参数上,从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。 (5)电学性能 主要考虑其电导率,在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。 四.工艺性能 金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能,主要有以下四个方面: (1)切削加工性能:反映用切削工具(例如车削、铣削、刨削、磨削等)对金属材料进行切削加工的难易 程度。 (2)可锻性:反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度,例如将材料加热到一定温度时其塑性的高 低(表现为塑性变形抗力的大小),允许热压力加工的温度范围大小,热胀冷缩特性以及与显微组织、机 械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。 (3) 可铸性: 反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度, 表现为熔化状态时的流动性、 吸气性、 氧化性、 熔点,铸件显微组织的均匀性、致密性,以及冷缩率等。

(4)可焊性:反映金属材料在局部快速加热,使结合部位迅速熔化或半熔化(需加压),从而使结合部位 牢固地结合在一起而成为整体的难易程度,表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特 性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。


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