金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)論述(編輯修改稿)
2024-07-24 22:29 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分工程構(gòu)件和機(jī)械零件，在其服役過(guò)程中都處于彈性變形階段，不允許有微量塑性變形產(chǎn)生，像高壓容器，如其緊固螺栓發(fā)生塑性變形，即無(wú)法正常工作，屈服強(qiáng)度標(biāo)志著金屬對(duì)起始塑性變形的抗加，對(duì)于實(shí)際金屬（多晶體）來(lái)說(shuō)，由于起始塑性變形的非同時(shí)性特點(diǎn)，無(wú)法測(cè)定這一抗力指標(biāo)，因而不得不用條件規(guī)定的辦法。對(duì)于退火，正火，調(diào)質(zhì)狀態(tài)的碳素鋼和低合金鋼存在物理屈服現(xiàn)象，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)上、下屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，這類材料取其下屈服點(diǎn)的強(qiáng)度為該材料的屈服強(qiáng)度。B、 抗拉強(qiáng)度（δb）抗拉強(qiáng)度是代表最大均勻塑性變形抗力的指標(biāo)抗拉強(qiáng)度是靜拉伸試驗(yàn)中最容易測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)，而且是重現(xiàn)性好的性能指標(biāo)，所以適合于做為產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明或質(zhì)量控制的標(biāo)志。C、 伸長(zhǎng)率（δ）和斷面收縮率（ψ）伸長(zhǎng)率和斷面收縮率是靜拉伸下衡量金屬塑性變形能力的指標(biāo)。沖擊韌性和低溫脆性（1）沖擊韌性 沖擊韌性值的大小代表金屬材料抗沖擊載荷能力的大小，沖擊載荷就是作用力在極短時(shí)間內(nèi)有著很大變化幅度的載荷大小用AKV來(lái)表示，單位為焦耳。（2）低溫脆性除面心立方金屬外，其他金屬隨溫度下降都可能發(fā)生曲韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，其標(biāo)志是在一定溫度下沖擊值或斷面收縮率急劇下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆。能明顯改變晶粒大小的各種合金化，熱處理手段，均能顯著的改變金屬材料的脆化趨勢(shì)，晶粒越細(xì)，冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，沖擊韌性值也越大。斷裂韌性斷裂是工程構(gòu)件最危險(xiǎn)的一種失效方式，工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如何防止斷裂事故，斷裂有兩種類型，即韌性斷裂和脆性斷裂，發(fā)生韌性斷裂時(shí)，斷裂前有明顯的宏觀塑性變形，容易被檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)。而脆性斷裂往往是突發(fā)的，事先很難發(fā)現(xiàn)斷裂的征兆，因此脆性斷裂比韌性斷裂具有更大的危險(xiǎn)性。金屬的疲勞零件在交變應(yīng)力作用下的損壞稱為疲勞損壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞，例如大多數(shù)軸類零件通常受到的交變應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，這種應(yīng)力可以是彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，或者是兩者的復(fù)合。如火車的車軸，是彎曲疲勞的典型！汽車的傳動(dòng)軸后橋半軸主要是承受扭轉(zhuǎn)疲勞，柴油機(jī)曲軸和汽輪機(jī)主軸則是彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞的復(fù)合。又如，齒輪在嚙合過(guò)程中所受的載荷在零到某一極大值之間變化，而缸蓋螺栓則處于大拉小的狀態(tài)中，這類情況為拉拉疲勞，連桿不同于螺栓，始終處于小拉大壓的負(fù)荷中，這類情況稱為拉壓疲勞。 環(huán)境介質(zhì)作用下力學(xué)行為(1) 應(yīng)力腐蝕：材料或零件在應(yīng)力和腐蝕材料的作用下引起的破壞稱為應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)：第一， 造成應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力必須是拉應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可以是焊接，冷加工或處理產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，但必須是拉應(yīng)力。 （2）氫脆 氫脆就是金屬材料因吸收氫而引起的脆化現(xiàn)象，引起金屬脆化 的氫有各種不同的來(lái)源。（3）腐蝕疲勞 金屬材料在腐蝕介質(zhì)與交變應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的失效現(xiàn)象稱為金屬材料腐蝕疲勞。金屬材料在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力聯(lián)合作用下，那些單純受腐蝕時(shí)表面形成的蝕坑或裂紋，本可有一層保護(hù)膜覆蓋。但同時(shí)還存在交變應(yīng)力的作用，使這層保護(hù)膜不斷受到破壞，以致暴露在腐蝕環(huán)境中的一直是新鮮的金屬表面，這樣腐蝕疲勞強(qiáng)度就大大下降。 工藝性能（1） 焊接性金屬材料焊接性是指被焊接金屬在一般焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力。在焊接過(guò)程中有些材料容易產(chǎn)生某些焊接缺陷，如氣孔，夾渣，裂紋等，并使焊縫和近縫區(qū)性能變化，所以往往需要特殊的工藝措施，應(yīng)用特定的焊接方法，才能保證焊接質(zhì)量。（2） 可鍛性金屬可鍛性是衡量其經(jīng)受鍛壓難易程度的工藝性能?？慑懶缘膬?yōu)劣以金屬的塑性和變形抗力來(lái)綜合評(píng)定。塑性高則金屬變形不易開(kāi)裂，變形抗力小則鍛壓省力，而且不易磨損工具和模具，這樣的金屬具有良好的可鍛性。金屬元素含量越多，金屬的可鍛性就越差，金屬的結(jié)晶組織與可鍛性有很大關(guān)系。由單一固溶體組成的合金，都有較好的可鍛性。如果合金中含有多種性能不同的組織，則鍛壓時(shí)由于各組織變形不均就容易開(kāi)裂，因此鍛造大都是在高級(jí)單一奧氏體區(qū)進(jìn)行。七、 金屬材料的熱處理 鐵碳合金相圖（1） 鐵碳合金的基本相及其性能鐵碳合金固態(tài)下的基本相分為兩大類，即固容體和金屬化合物。固態(tài)鐵碳合金的基本相為鐵素體、奧氏體和滲碳體。A、 鐵素體有很好的塑性和韌性，但強(qiáng)度、硬度較低，在鐵碳合金中是軟韌相，鐵素體是912℃以下的平衡相，也稱為常溫相，在鐵碳合金相圖中用符號(hào)F表示。B、 奧氏體是727℃以上的平衡相，也稱高溫相，在高溫下，面心立方晶格的奧氏體具有極好的塑性，所以碳鋼具有很好的軋、鍛等熱加工工藝性能，在鐵碳合金相圖中奧氏體用A表示。C、 滲碳體的硬度高達(dá)800HV，大約是鐵素體硬度的10倍，但極脆，塑性幾乎為零。在鐵碳合金中它是硬脆相，是碳鋼鐵主要強(qiáng)化相，在鐵碳合金相圖中滲碳體用Fe3C表示。 鐵碳合金相圖圖形以溫度和鐵碳合金元素濃度為坐標(biāo)，來(lái)表示不同濃度的鐵碳合金在不同溫度下的組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明圖解稱為鐵碳合金平衡狀態(tài)圖。 奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其影響 （1）奧氏體晶粒長(zhǎng)大 奧氏體形成后，繼續(xù)加熱或保溫，晶粒將會(huì)長(zhǎng)大，其長(zhǎng)大過(guò)程是晶粒相互吞并的過(guò)程，奧氏體晶粒長(zhǎng)大會(huì)減少晶?？偯娣e，降低系統(tǒng)自由能，所以?shī)W氏體晶粒長(zhǎng)大是一自發(fā)過(guò)程。晶粒細(xì)小，冷卻轉(zhuǎn)變后組織也細(xì)小，其強(qiáng)度和韌性都較高，反之，塑性、韌性下降，脆性提高，淬火時(shí)容易開(kāi)裂。（2） 奧氏體晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的尺度，有以下三種不同的概念。A：起始晶粒度：指鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛完成時(shí)的奧氏體晶粒度的大小 。實(shí)際應(yīng)用很少。B：實(shí)際晶粒度：指某一熱處理后或熱加工條件下，所得到的奧氏體晶粒大小可以測(cè)定。它直接影響處理后的性能，實(shí)際晶粒度一般分為8級(jí)，數(shù)字越大，晶粒越細(xì)，14級(jí)為粗晶粒，58級(jí)為細(xì)晶粒。C：本質(zhì)晶粒度：將鋼加熱到（930℃177。10℃），并保溫8h后，測(cè)定奧氏體晶粒大小，若得到的奧氏體實(shí)際晶粒度為14級(jí)，屬于本質(zhì)粗晶粒度鋼，若測(cè)得58級(jí)晶粒度，測(cè)屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，多數(shù)選用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。八、 壓力容器和鋼的處理壓力容器用鋼熱處理類別是不多的。常見(jiàn)類型有正火，淬火回火溫消除熱應(yīng)力退火等。奧氏體不銹鋼有固溶化和穩(wěn)定化處理。 退火將鋼加熱到高于或低于奧氏體化臨界點(diǎn)，保溫一段時(shí)間 ，然后緩慢冷卻（一般隨即冷卻）以獲得接近平衡組織的熱處理工藝稱退火。在壓力容器制造過(guò)程中，應(yīng)用最多的是去應(yīng)力退火。(1) 去應(yīng)力退火的目的和作用為了消除由于焊接、塑性變形加工及切削加工造成的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火稱為去應(yīng)力退火，去應(yīng)力退火的加熱保溫溫度在相變點(diǎn)以下。在壓力容器制造中，去應(yīng)力退火主要用于消除復(fù)合鋼板復(fù)層貼金后的殘余應(yīng)力，消除產(chǎn)品封頭，簡(jiǎn)體等零件冷成形及中溫成形后的殘余應(yīng)力，消除焊接接頭中的內(nèi)應(yīng)力和冷作硬化，提高抗頭抗脆斷能力，穩(wěn)定焊接構(gòu)件的形狀，消除焊件在焊后機(jī)加工和使用過(guò)程中的變形，促使焊縫金屬中的氫完全向外擴(kuò)散，從而提高焊縫的抗塑性和韌性。去應(yīng)力退火在壓力容器行業(yè)中常習(xí)慣稱之為高溫回火或焊后熱處理，但廣義焊后熱處理還應(yīng)包括正火、固溶化處理等熱處理。（2）
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