与铜管生产工艺有关的材料学问题.doc

第 1 页 共 24页 与铜管生产工艺有关的材料学问题 马宗理 1 熔铸中的一些问题 1 1 凝固与结晶 凝固 液 固的过程 固 非晶体 玻璃 石蜡 无定形碳 快凝 急冷 金属 金属玻璃 晶体 所有金属 大多数矿物 其原子排列有规则 点阵 共有七大 晶系 十四种晶体点阵 金属晶体 离子化合物晶体 共价晶体 等 又发现液态晶体液晶 常见金属晶体有三种 图 1 a 体心 Fe Cr Mo W Nb Ta b 面心 Aa Ag Pt Rh Ae Cu Ni Fe 高温 c 六方 Zn Ti Mg Cr 1 2 金属的结晶 凝固 两种过程组成 1 形核 生核 晶核的生成 均质形核 液态金属中无序原子 出现一些原子规则排序的区域 相起伏 晶核 晶胞 亚晶 晶粒 异质形核 液体金属中未熔的质点 杂质 合金元素 铸型 结晶器 的内表 面作为核心 晶核 晶胞 亚晶 晶粒 形核需要有过冷度 实际凝固温度与熔点之差成为过冷度 均质形核需要的过冷度大 异质形核需要的过冷度小 铸件凝固主要以异质形核方式进行 过冷度不超过 20 2 晶粒长大 金属的液 固界面前沿液相的过冷随隔离相界面的距离的增加而 减小 亦即温度梯度为正值时 a 对液 固界面是光滑界面的晶体 生长表面是台阶状 半金属 半导体 无机 第 2 页 共 24页 材料属于此 组成台阶年面的是固态晶体的一定晶面 与熔点 Tm 等温线呈一定角度 相交 因有明显的择优取向 界面推移 是垂直于一定的晶面进行的 故表现为台阶形态 图 2 b 对液 固界面是非常光滑界面的晶体 生长表面是平面状 金属属于此 与 熔点 Tm 等温线平行 金属的液 固界面前沿液相的过冷度随离相界面的距离的增加而增加 亦即温 度梯度为负值时 相界面上产生的结晶潜热既可通过固相 也可通过液相而散失 则具有非光滑界 面的晶体的平面状的液 固界面就不再保持稳定 会转化成一系列伸 向过冷液相中的结晶轴 使晶体以树枝状方式长大 得到树枝晶 纯 金属凝固不易得到树枝晶 只有在结晶前沿的液相中具有负的温度梯 度时才会出现树枝晶 而合金则很常见树枝晶 这是由于合金存在成 分过冷的影响 所以 应知道有两种过冷 a 热过冷 如前述 Tm 不变 T实际变 出现过冷 b 成分过冷 凝固过程中 T实际一定 Tm 变 由于液相中溶质分布 发生变化 而出现过冷 树枝晶的晶轴前伸方向 a 散热方向 b 晶体的晶向 面心立方为 100 1 3 金属凝固 结晶 后的晶粒大小 晶粒大小受凝固時形核率 N 长大速度 Z 的影响 故 a 过冷度 冷却速度 上升 使 N Z 上升 核多 晶粒细 b 变质处理 加难熔的形核剂 或加可熔的促进形核物质 使晶粒细 c 振动 机械振动 超声振动 电磁震动 振动使枝晶尖端破碎 形成新核心 使晶粒细 另外 振动提供形核功 使 N 上升 1 4 铸造宏观组织 第 3 页 共 24页 通常 液体金属进入结晶器 铸型 与结晶器型壁表面接触 产生强烈过冷 在接触的薄层中 产生大量晶核 晶核迅速生成 互相接触 形成细晶区 细晶区 前沿的液体过冷度减小 形核变得困难 此时热量的散发垂直于型壁 具有明显的 方向性 晶体沿着与散发方向相反的方向择优生长 形成柱状晶 纯金属时 固 液界面前沿的液体一般具有正的温度梯度 故柱状晶前沿大致呈平面生长 若是合 金 具有较宽的凝固温度范围 结晶前沿的液相中会出现成分过冷 使过冷度变大 柱状晶将通过树枝状方式生长 但柱状晶树枝晶的一次晶轴仍垂直于型壁 随着 柱晶的不断生长 在中间的液体金属中将形成中心等轴晶区 这是由于中心的过冷 度越来越大 一因浇注的液体金属将细晶区的部分晶体冲入中心 二因已凝固的小 晶体下沉 固体比重大 三因枝晶部分熔断 成为籽晶并长大 阻止了柱晶发展 而形成中心等轴晶区 对于连铸的铸坯 棒坯 其宏观组织如图 3 所示 对 TP2 连铸管坯 其宏观组织如图 4 所示 一般 力求得到晶粒细小 致密 均匀的结晶组织 柱晶和等轴晶哪个好 对不同金属 有不同的要求 对钢铁 一般不希望有柱状晶 因为柱状晶接触面 交晶面 较脆弱 常聚集 易熔杂质和非金属夹杂 热加工时易沿这些界面开裂 相反 等轴晶无择优取向 无脆弱分界面 取向不同的晶粒互相咬合 裂纹不易扩展 对于纯度较高 不含易熔杂质和塑性较好的有色金属 因为柱状晶致密 不象 等轴晶那样容易形成显微疏松 故希望扩大柱晶区 TP2 水平连铸管就是这种情况 TP2 属于纯金属 结晶温度范围小 易形成柱状晶 1 5 铸造缺陷 1 5 1 偏析 1 定义 铸坯各部位或晶粒内部化学成分不均匀的现象称为偏析 2 分类 第 4 页 共 24页 晶内偏析 枝晶偏析 树枝偏析 一个晶粒内的成分不均匀 枝干与枝间成分不 一致 图 5 比重偏析 重力偏析 沿高度上的成分不均匀 不同相比重不同 上浮下沉 区域偏析 正偏析 铸坯中心富集易熔组分 负偏析 逆偏析 铸坯外层富集 易熔组分 1 5 2 气孔 定义及特征 金属凝固过程中 气体未能逸出而滞留在熔体内形成 一般为圆 形 椭圆形或长条形 单个或成串分布 内壁光滑 按出现的位置分为内部中心气 孔 皮下气孔和表面气孔 图 6 图 9 产生原因 a 炉衬 工模具 覆盖剂 原副材料潮湿 含气量高 电铜无铜豆 无水无锈 木炭要煅烧充分等 b 除气精炼不充分 c 铸造温度高 速度快 冷却水压大或二次冷却水射角大 d 熔体保护不良 熔体吸气 环境潮湿 e 结晶器渗水 滑油含水 紫铜熔铸中的吸气 紫铜 纯铜 包括 T1 T3 TP2 中溶入的气体 主要是 H 和 O 其中 H 原 子体积小 能溶入金属中 是铜中气体的主要成分 所以有人说 吸气主要是吸 氢 O 原子在铜中主要以 Cu2O 的形式存在 在熔化的铜液中 H 和 O 的含量如图 10 可见 O 多则 H 少 O 少则 H 多 脱氧 表面脱氧 木炭覆盖 仅是表面进行 熔体内脱氧 Cu P 中间合金 由于熔体不均匀 仍有 O 残存 第 5 页 共 24页 实际上 脱氧 氧化共存 脱 H 除 H 共存 木炭含气含水 H 在铜液中的溶 解度随温度升高而增大 随温度降低而减少 所以高温时吸的 H 多 在凝固时随温 度降低要析出 来不及上浮 在枝晶间的缩孔和缩松中或夹杂物微粒上吸附 集聚 成泡 大者为气孔 小者为针孔 还有一种气孔可能是 H2O 气孔 铜液中 Cu2O 与析出的 H 反应形成水蒸气 水 蒸气在枝晶间的缩孔内或晶界上形成气孔 TP2 水平连铸坯由于结晶器和温度 的关系 外表面附近的皮下气孔较多 中心 气孔较少 1 5 3 缩孔与缩松 定义 金属在凝固过程中发生体积收缩 金属液不能及时补充 凝固后出现收 缩孔洞 成为缩孔 铜凝固时的体积收缩率为 4 15 特征 集中缩孔 容积大而集中的缩孔叫集中缩孔 缩松 细小而分散的缩孔叫缩松 显微缩松 出现在晶界和枝晶间的缩孔叫显微缩松 缩孔表面一般参差不齐 似锯齿状或带棱角 其内往往有低熔杂质 有时 缩孔也充填有析出的气体 这时孔 较平滑 此时缩孔也是气孔 原因 浇注温度低 冷却温度大 冷速快 补缩不良 1 5 4 夹杂 渣 定义与特征 与基体有明显的分界面 性能相差悬殊的金属物或非金属物称夹 杂 金属夹杂 不熔于基体金属的各种金属化合物初晶 及未熔完的熔点纯金属颗 粒 以及外来异金属 非金属夹杂 氧化物 硫化物 碳化物 熔剂 熔渣 涂料 炉衬碎屑等夹杂 在金属基体内有一定的形状和颜色 常见的有点状 球状 不规则块状 针状 第 6 页 共 24页 片状 薄膜状 侵蚀后在金相显微镜下其颜色与基体有较大差异 原因 a 熔炼温度低 时间短 纯金属颗粒块大 搅拌不充分 b 除渣精炼不良 扒渣 捞渣 不净 c 炉料不净 混入异物或工具 1 5 5 裂纹 分类 热裂 在结晶过程 即在凝固过程 中产生的裂纹 特征是多为沿晶开裂 裂纹 曲折而不规则 有时还有分叉裂纹 裂纹多分布在铸坯最后凝固区或其附近 裂纹 内可能夹有氧化膜 或表面略带氧化色 冷裂 在凝固后的冷却过程中产生的裂纹 即多产生在温度较低的弹性状态下 常穿过晶粒内部 穿晶开裂 多呈直线扩裂 平直挺拔 裂纹较规则 有的冷裂 是以热裂为基础转变来的 对铜及铜合金而言 铸造中出现的裂纹大多是热裂 造成开裂的应力主要是内外 层温度差大而引起的收缩应力 有时也有机械应力 复杂合金可能有相变应力 图 19 22 常见热裂类型产生原因 a 表面纵向裂纹的原因 金属或合金有热脆性 如紫铜 铝青铜 铸坯从结晶器出来时 局部表面温度高 局部冷却不均 如水孔堵塞处冷却弱 结晶器内套外壁上水垢较厚 结晶器内套变形 铸造温度高 铸造速度快 b 表面横向裂纹的原因 第 7 页 共 24页 结晶器 石墨模具 内表面粗糙或有粘有金属 结晶器 石墨模具 内壁变形 结晶器内套外壁上水垢多 导热差 铸造速度快 水平牵引程序的停 拉时间不当 铸造温度低 2 变形与再结晶 材料受力会变形 了解材料的变形规律 有助于了解材料强度 塑性 刚性等机 械性能的物理本质 有助于了解材料的加工过程对组织性能的影响 2 1 弹性变形和塑性变形 材料受力发生变形 力小时 变形小 并且力去掉后变形立即消失 立即恢复 原状 这部分变形叫弹性变形 弹性变形的另一特征是力与变形 或应力与应变 之间存在虎克定律所示的线性关系 即 E G 式中 和 正应力和切应力 和 正应变和切应变 E 和 G 弹性模量 杨氏模量 和剪切模量 弹性变形量很小 最大的弹性伸长不超过材料原来长度的 0 1 1 0 材料受力大到一定程度以后 外力去除后变形不能完全消失 不能恢复原状 而留下永久变形 这部分永久变形叫塑性变形 塑性变形量比弹性变形大 可以达到原来材料长度的 1 0 60 如 TP2 的软 态的塑性变形量在拉断后其断后伸长率 50 50 标准要求 40 最简单的材料的力学试验 拉伸试验可测得 图 25 p0 01 p0 05 规定非比例伸长应力 以前叫 弹性极限 屈服点 又分为 SU 上屈服点 和 SL 下屈服点 屈服点又称屈服强度 屈服极 限 t0 5 规定总伸长率为 0 5 的应力 对没有明显 s 的材料 用 t0 5 作为规定屈 第 8 页 共 24页 服强度 以前称条件屈服强度 r0 2 规定残余伸长率为 0 2 的应力 对没有明显 s 的材料 用 r0 2 作为规定 屈服强度 以前称条件屈服强度 b 抗拉强度 又称强度极限 极限拉伸强度 弹性极限 规定非比例伸长应力 p0 01 或 p0 05 与弹性系数 E 和 G 的区 别 弹性极限 规定非比例伸长应力 p0 01 或 p0 05 是表征材料对微量塑性变形 的抗力指标 是一个对成分 组织十分敏感的性能指标 弹性系数 E 和 G 是表 征材料对弹性变形抗力的指标 是一个对成分组织加工硬化均不敏感的性能指标 工程设计上把 EF0 F0一物件截面积 称为构件刚度 故 E 也称为材料刚度 刚性 2 2 单晶体的塑性变形方式 单晶是一块只含一个晶粒的金属 研究单晶的性质 是研究金属性质的基础 一般金属都是多晶体 单晶的塑性变形方式有两种 滑移和孪生 1 滑移 是金属最基本的塑性变形方式 是晶体的一部分相对于另一部分沿一 定晶面 滑移面 和晶向 滑移方向 发生相对滑动 滑移面是晶体里面各种晶面中原子排列最密集的晶面 滑移方向是晶体里面各种晶向中原子排列最密集的晶向 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系 金属晶体中的滑移系越 多 其塑性越好 比如 面心立方 FCC 金属 Au Ag Pt Rh Al Cu Ni 属此类晶格 图 26 滑移面为 111 四个 滑移方向为 110 三个 第 9 页 共 24页 滑移系 111 110 共 4 3 12 个 体心立方 BCC 金属 Fe Cr Mo W V Nb Ta 属此类晶格 图 27 滑 移面为 110 六个 滑移方向为 111 二个 滑移系 110 111 共 6 2 12 个 密排六方 HCP 金属 Zn Ti Mg Cr 属此类晶格 其中的 Zn 滑移面只 0001 一个 滑移方向只有 1120 三个 滑移系只有 1 3 3 个 可见 密排六方金属的塑性不如面心立方和体心立方的 即锌 镁 钛的塑性 不如常见的铝 铜 铁 也不如金 银 铂 铑 将单晶加上拉力 用肉眼观察其外观 看到单晶表面出现了滑移形成的滑移带 图 28 用光学显微镜能看到多晶体金属中的大晶粒内有滑移带 图 29 用电 子显微镜可看出每个滑移带是由许多平行的滑移线组成的 图 30 单晶受外力大作用 只有当外力 F 在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到临界 分切应力 k 时才能发生滑移 如图 31 所示 截面积为 A 的单晶受外力 F 的拉伸 外力 F 与滑移面与滑移方向的夹角分别是 和 外力产生的应力 在滑移面 上产生的剪应力 Cos Cos 如图 31 当外应力 达到单晶的屈服强度 S 时 晶体开始塑性变形 此时在滑移面上 产生的分切应力 达到临界分切应力 K 即 S 由此式分析 对于一定的晶体 当试验条件一定 K 为定植 则单晶的 S 随晶体位向而变 当 和 之中有一个等于 900 则 S 均为 此时晶体不 可能滑移 当 和 都是 450时 S 最小 最容易滑移 试验测得一些金属晶体在一定温度 一定纯度 一定热处理状态和一定变形速 度的 K 值如下 单位 kgf mm2 金 属 Ag 银 Cd 镉 Mg 镁 Au 金 Zn 锌 Cu 铜 Sn 锡 Al 铝 Ni 镍 Fe 铁 第 10 页 共 24页 K 0 060 060 080 090 090 100 1130 12 0 240 582 90 晶体中有偏离理想结构的区域 成为晶体缺陷 晶体缺陷分为四类 点缺陷 空位 填隙原子 杂质原子 线缺陷 位错 又分为刃型位错 钿型位错 面缺陷 堆 垛层错 孪晶界 晶界 外表面 体缺陷 如气孔 夹杂 这些晶体缺陷对金属 的性能都有很大影响 在这里 讨论塑性变形中的滑移时 我们主要关心位错 不含位错的完整晶体 滑移只能通过晶体一部分对另一部分作整体刚性滑移来 进行 由于整体刚性滑移困难 使完整晶体具有很高的强度 含有位错的非完整晶体中 滑移是通过位错在切应力的作用下沿滑移面移动而 逐步进行的 如图 32 当一个位错线移至表面时 就产生一个原子间距的外移量 而在位错移动时 只要求位错中心附近少数原子移动很小的距离 小于一个原子间 距 使非完整晶体的滑移较完整晶体容易的多 故强度也低的多 在滑移面上的某些位错线 在滑移面上受到足够的切应力时 这些位错线产生 运动 并增殖出新的位错 从而构成位错源 所谓的滑移的临界分切应力 就是 使位错源动作起来 并使位错克服各种阻力而移至晶体表面所需的切应力 所以 纯金属晶体通过滑移产生塑变的阻力很大程度上决定于位错密度及分布特征 2 孪生 滑移是金属变形的最主要方式 但有些晶体除了滑移外还通过孪生变形 孪生 是晶体的一部分对应于一定晶面 孪晶面 沿一定晶面 孪生位向 进行相对移 动 孪生后 变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面 构成晶面对称的位向关系 对称的两部分晶体称为 孪晶 或 双晶 孪晶面两边的晶体位向不同 故在侵 蚀后的显微组织中能见到孪晶带 金属晶体发生孪生变形的临界分切应力远较滑移临界分切应力为大 因此孪生 只在滑移难以进行时发生 密排六方金属滑移系少 特别当滑移面 0001 于外力 第 11 页 共 24页 接近垂直时 滑移面上的分切应力很小 孪晶面 10TZ 上的分切应力则较大 因此 这类金属常以孪生方式变形 体心立方金属的滑移系较多 只在低温或受到冲击时 才发生孪生变形 面心立方金属一般不发生孪生变形 但铜 黄铜 等在冷变形后 退火时 能通过堆垛层错的生长形成退火孪晶 图 34 2 3 多晶体金属的塑性变形 金属材料通常为多晶体 各晶粒的塑性变形方式主要为位滑移及孪生 由于各 晶粒位向不同 对一定方向的外力来说 各晶粒抵抗塑变的能力也不同 那些位向 有利或塑变抗力最小的晶粒首先发生滑移 但当错位移到晶界附近就受到阻碍而塞 积起来 不能穿过晶界 只有外力增大 使位错塞积产生的应力集中足以使相邻晶 粒内的位错源动作起来时 才能使形变传递到相邻晶粒 因此 由于晶界阻碍位错 运动 多晶体的晶粒越细 单位体积内的晶界越多 其塑变抗力即强度越高 细晶粒不但强度高 塑性和韧性也较好 例如冷冲压用的钢板 为保证冲压时 不开裂 应有较好的塑性 一般要求晶粒细 细晶粒钢板冲压时变形较均匀 不会 产生桔皮状的粗糙表面 但在高温下 大量晶界的存在会降低材料塑变抗力 高温下受力时 相邻晶粒 沿晶界产生相对滑动 所以对于耐热合金的抗 变能力 希望材料有粗大的晶粒 2 4 塑变对材料组织和性能的影响 对组织的影响 多晶体金属塑变后 晶粒内出现滑移带和孪晶 各晶粒还沿变形方向伸长和扭 曲 当变形量很大时 各晶粒都被显著拉长而形成纤维组织 如图 35 同时 塑 变使位错增多 退火时 106 8个 cm2 塑变后 1011 12个 cm2 对性能的影响 由于塑变引起位错密度增加 使金属材料产生加工硬化 即 随着变形程度增 加 强度和硬度升高 塑性和韧性下降 利用加工硬化可以提高材料强度 反过来 加工硬化也给随后的冷加工带来困难 这时需用退火消除加工硬化 第 12 页 共 24页 塑变使材料电阻增大 磁矫顽力升高 导磁率下降 抗蚀性下降 内应力 材料在外力作用下产生塑变时 各宏观区和微观区所受的应力状态和 变形情况不可能完全相同 外力去除后各相邻宏观区域和微观区域的弹性恢复也不 完全一样 使材料内产生了残余应力 内应力 它降低零件的尺寸稳定性并增大 腐蚀倾向 因此 必要时须进行去应力退火 2 5 回复 再结晶和晶粒长大 经过塑变的金属加热时 随加热温度升高 会发生回复 再结晶和晶粒长大等 过程 如图 36 1 回复 回复是指经冷塑变的金属材料加热时 在再结晶之前发生的组织和性能 的变化过程 在此过程中 材料的光学显微组织无明显变化 但电阻率和内 应力显著降低 强度 低度稍有下降 塑性稍有上升 如图 36 中 回复 段 电子显微分析表明 回复已导致形成清晰的亚晶界和较完整的亚晶 回复过程中 加热使原子活动性提高 原子扩散 晶体中的位错会组列 成位错壁 构成小角度亚晶界 使冷变形时造成的晶体点阵畸变 能量降低 内应力减小 热处理工艺中 有一种退火叫 去应力退火 就是利用回复过程降低内 应力 稳定工件尺寸 并减少应力腐蚀倾向 但仍保持加工硬化效果 即基 本保持原来的强度和硬度 2 再结晶 再结晶通常指经冷变形的金属材料在足够高的温度加热时 通过新晶核的 形成及长大 最终形成无应变的新晶粒 在这种情况下 成分和晶体结构不发生变 化 通常 以经一小时保温能完成再结晶的最低退火温度定为材料的再结晶温度 再结晶温度的定义 再结晶温度的定义有几种 第 13 页 共 24页 定义为 在指定的时间内 冷加工的金属完全再结晶所需的最低温度 定义为 再结晶刚刚开始的温度 定义为 再结晶完成一半的温度 定义为 硬度 退火温度 曲线上拐点的温度 按第 种定义纯铜 的大致再结晶温度为 220 493 K 相当于 0 36Tm 如图 37 杂质对铜的再结晶温度影响很大 轧制压下量为 60 的铜在各种温度退 火显示的再结晶温度如图 38 O Pb S Sb As 对再结晶温度的提高 依次增大 As 的提高作用最大 而在这些杂质基础上再加 N I 提高作 用要大 影响再结晶温度的主要因素有 1 材料的冷变形程度越大 再结晶温度 越低 如图 39 2 材料纯度越高 再结晶温度越低 杂质和合金元素 不同程度提高再结晶温度 3 退火温度下的保持时间 4 硬而不能塑 变的第二相粒子 对基体的再结晶影响很大 相互间距 尺寸大的第二 相粒子 降低基体的再结晶温度 促进基体的再结晶 间距小 1um 尺寸小 0 3um 的第二相粒子 阻碍基体的再结晶温度 比如 基体中的细小弥散的 AL2O3 粒子 可使烧结铝的再结晶温度超过 500 一些金属材料的最低再结晶温度见下表 材 料 铝70 30 黄铜 金铁20 钢 铅 镁镍铂银铜锡 钨锌 最 低 150 375200 450 460 0150 620 450 200 220 0121015 材料最低再结晶温度 T再 k 0 4 0 5 Tm k 第 14 页 共 24页 热加工 热变形 在材料再结晶温度以上进行的压力加工不发生应变 硬化 加工硬化 的程度称为热加工 冷加工 冷变形 在材料再结晶温度以下进行的压力加工发生应变硬 化 加工硬化 的塑变称为冷加工 钢铁在 400 进行的压力加工仍属于冷加工 钨 铅在室温进行的压力加 工已属于热加工 热加工不引起加工硬化 在塑变时 位错生殖运动 晶粒变长 再结晶 也开始 图 40 但能消除材料中的某些缺陷 如 将气孔和疏松焊合 改善夹杂物的分布 将粗大的柱状晶和树枝晶变为细小均匀的晶粒等 结果提高材料的致密性和机械性能 我公司的行星轧制介于冷热加工之 间 再结晶和塑变交叉发生 再结晶是属于再动态结晶 3 晶粒长大 冷变形过的金属完成再结晶后 继续升高温度或延长保温时间 会发生晶粒 长大 晶粒长大会使机械性能降低 因此要避免加热温度过高和加热时间过 长 即使这是正常的晶粒长大 即同时长大的晶粒很多 长大过程中晶粒尺 寸较均匀 相反 还有一种异常的晶粒长大 即基体中少数晶粒急剧长大 将周围的小晶粒全部吞并 这种异常晶粒长大称为 二次结晶 一般二次结 晶使材料机械性能下降使冷变形后工件桔皮 应防止 但对软磁料如硅钢片 却可利用二次再结晶获得晶粒的择优取向 提高磁性 再结晶图 表示再结晶退火后的晶粒尺寸与冷变形程度的关系和退火温度的 空间图形 可供制订冷变形金属再结晶退火工艺时参考 临界变形度 冷变形度很小时 进行再结晶时形成的晶核数很少 再结 晶退火后的晶粒特别粗大 这样的变形度称临界变形度 对一般金属来 说 其数值约在 2 10 之间 应预防之 为此用大变形度 30 以上 当冷变形度很大 材料在较高温度退火时由于二次再结晶也会形成特别 第 15 页 共 24页 粗大的晶粒 2 常用金属机械性能指标 3 1 静拉伸机械性能 拉伸曲线 把试样装在拉伸试验机上 开动机器缓慢加载 力 随着载荷 力 的增大 式样的变形量 L 也增大 此时 试验机的记录器上可以自动记录 载荷 F 与变形 量 L 的关系曲线 这个曲线称为拉伸曲线 典型的拉伸曲线如图 3 1 OP 段是直线 代表弹性变形 即 这一阶段里 力与变形成正比 P 对应的力 FP是弹性极限载荷 PSUSL是一段有起伏的曲线 代表开始发生塑性变形 这时 在力达到 FSU时 试 样可在力不增加或者下降 SL对应的力 FSL 的情况下发生明显塑性变形 这种现 象称为屈服 FSU称为上屈服力 FS FSL称为下屈服力 有的材料 FSU FSL 则称为屈服力 FS SLb 是一段上升的曲线 过了 SL点以后 力不增加变形也不增加了 这说明发生 了加工硬化 力再增大 变形才又增大 而且试样是发生均匀塑性变形和加工硬化 bk 是一端下降的曲线 由于前一段的均匀塑变和加工硬化 一定程度后即到 b 点以 后 加工硬化跟不上形变的发展 变形开始集中在局部发生 试样开始出现 缩颈 缩颈处横截面积减小 从此试样承载能力下降 所以 fb 是试样拉断前所能承受的 最大载荷 fb 是表征材料由均匀塑变过度到集中塑变的临界载荷 出现缩颈处的单 位面积上的承受的载荷迅速增加 同时在该处造成三向拉应力 使试样内部出现裂 纹 裂纹数量和尺寸不断增大 最后裂纹连接在一起 试样在瞬间断裂 这时刻的 载荷 FK为断裂载荷 它表征裂纹由缓慢扩展转向快速扩展时的临界载荷 综上所述 材料在外力作用下发生一系列的物理过程 弹性变形 屈服 均匀弹塑 第 16 页 共 24页 性变形 缩颈 集中塑变 裂纹形成并扩展 裂纹快速发展而断裂 材料不同 拉伸曲线的形状既有相似之处又有不同之处 上面介绍的是一种比 较典型的拉伸曲线 实际上只有退火中低钢 黄铜 退火锰青铜是这种曲线 他的 特点是 有明显的屈服平台或屈服点 其他材料 如果是塑性较好的材料 则是如 图 3 2 所示的拉伸曲线 它没有明显的屈服点 如果是脆性材料则拉伸曲线如图 3 3 所示他不但没有明显的屈服点 也没有缩颈 发生 曲线上最大载荷即断裂载荷 3 应力 应变曲线 将拉伸曲线的纵坐标换成应力 即单位面积受的力 s p 横作标换成应变即相对伸 长 L L0 100 则拉伸曲线就变成了应力 应变曲线 曲线如图 3 4 与拉伸曲线相比 意义不同 FP P 弹性极限载荷 弹性极限应力 FS S 屈服力 屈服应力 屈服点 Fb b 由均匀塑变过度到集中缩颈的临界载荷 强度极限 被拉断前 的最大应力 应力应变曲线上纵坐标表示的 P S b是材料的强度指标 强度 材料抵抗变形和断裂的能力 横坐标表示的应变是伸长率如 是断 后伸长率 4 静拉伸实验测得的材料机械性能指标 强度指标 P 规定非比例伸长应力 P是英语PROPRTIONAL的缩写 低于此应力时 应力和应变是成线性比例的 是 弹性变形 超过此应力 则超出弹性范围 应变和应力是非比例关系了 以前用弹 性极限 e表示这个特性 但测定 e 非常困难 故在后来的标准中取消了 第 17 页 共 24页 e 而以 P代之 P 表征试样标距部分的非比例生长达到规定的原始标距百 分比时的应力 所以 P还应附加角注说明其规定非比例伸长量是多少 即 p0 01 规定非比例伸长为 0 01 时的应力 p0 05 规定非比例伸长为 0 05 时的应力 P 具体的 p0 01或 p0 05 是材料的弹性极限 是表征材料对微量塑性变形的抗 力的一个指标 在弹性变形阶段 应力与应变成正比 E 这里 E 是弹性模量 杨氏模量 其数值等于应力应变曲线上的直线段的斜率 或 直线段斜角 的正切值 E E是表征材料发生弹性变形的难易程度的 是材料的弹性变形抗力指标 机械设计中 说的构件 刚度 是 EA A 是构件截面积 所以也可说E代表了材料的刚度特 性 由上述可知 弹性极限即 P 0 01 或 P 0 05 是表征材料对微量塑变的抗力指 标 是个对成分 组织都十分敏感的性能指标 而弹性模量E是表征材料对弹性变 形的抗力 是个对成分 组织都不敏感的性能指标 SV上屈服点 submit up S屈服关 SL下屈服点 submit lower r 规定残余伸长应力 residual 当试样卸除拉伸力后 共标距部分的残余伸长达到规定的原始标聚百分比时的应力 残余伸长要把这个百分比写在角注中 即 r 0 2 表示规定残余伸长 共顶参与深 长为 0 2 时的应力 以前写作 0 2 称作条件屈服强度 或 条件屈服极限 t 规定总深长应力 TOTAL 表示式样标距部分的总深长 弹性伸长加塑性伸长 达到规定的原始标距百分比时 的应力 总伸长量要在角注中说明 即 第 18 页 共 24页 t0 5 规定总伸长为 0 5 时的应力 现在用它代替 r0 2 因为 r0 2 测定很麻 烦 b 抗拉强度 强度极限 是试样拉断过程中的承受最大的力所对应的应力 塑性指标 材料的塑性 指材料断裂前承受塑性变形的能力 或者说塑性是指材料能经受多 大塑性变形而不破坏的能力 何为 塑性变形 前已讲过 按照 国内外的有关标准规定 金属拉伸实验时能测定的塑性标准有 s 屈服点伸长 gt 最大力下的总深长率 g 最大力下的非比例深长率 断后深长率 断后截面收缩率 最常用的是 和 在不发生缩颈的情况下 与 之间的关系为 但当发生缩颈时 塑性变形集中在局部 这种关系就不存在了 上述关系式就 不能用了 在这种情况下 明显小于 所以 是更可信的塑性指标 还要注意 一个影响因素较多的塑性指标 首先受试样尺寸的影响 所以在提 到 大小时 必须附带说明试样的标距 标注距离 的大小 否者会发生岐义 应为 短 长 即同一种材料 试样长度不同 用短试样测出的 短要大于 第 19 页 共 24页 用长试样测出的 长 这样就无法比较 高低 一般 试样长径比L0 D0 5 或 10 测出的分别是 5 或 10 通常 5 1 2 1 5 10 对铜管来说 标距长度为LO 50MM 就标以 50mm XX 影响 值的还有试 样断裂的位置不能太偏离中央 否则测量时采取适当的办法 如移位法 其他影 响因素还有拉伸实验的速度 等等 美国ASTM中对此有较详细说明 3 2 硬度 表示材料软硬的一个物理量 是材料机械性能中的重要指标 测定方法不同 所得的 硬度值也有不同的物理意义 常用的有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 又分为多种 下 面将提到 维氏 HV 又分为一般 小负荷维氏 显微维氏 详见下述 肖氏 HS 等 1 布氏硬度 HB BRINEL 布氏硬度计的压头是一定直径的钢球 标为HBS 或硬质合金 标为HBW 以相应 的实验力F压入试样表面 经规定的保压时间后 卸除试验力 测量试样表面留下 的压痕的直径d 如图 3 5 则HB 力 球形压痕的表面积 0 204F D D SQR D2 d2 Mpa 实际测量时 结果应标明压头材料 压头直径 实验力 如 120HBS10 1000 30 表示用 10MM直径钢球在 1000 千克力作用下保持 30 秒 测得的 布氏硬度值为 120 实际使用时 不用计算 根据K F D2和D值 及压痕直径d查表 布氏硬度只一般大我公式没有 2 洛氏硬度 ROCKWELL 洛氏硬度计的压头 直径 1 588 的淬火钢球 锥角为 1200的金刚石圆锥体 试验原理如图 3 6 所示 压头在初载荷F0和总载荷F分别作用下压入式样表 面 保持一定时间 卸去主载荷F1 在初载荷F0作用下 保留的作用下 用测量 第 20 页 共 24页 的E值计算洛氏硬度 E值是只的当初载荷F0的情况下痕深度掺与增量 但着个残 余增量是的 0 002MM为单位表示的 即E 0 002 H 0 002 H1 H2 H3 式中 HO 初载有F0作用下 压头与式样良好接触是的压入深 H1 施主载荷F1 使压头进入式样表里的压入深度 H2 卸去主载荷F 在初载荷F0继续当作用下 式样弹性恢复 回升高度H2 但如果只用E值表示硬度 结果是材料越软 E值越高 与人门习惯不符 所以因 入一个常量K减去E值表示洛氏硬度即 HR 0 002 K H 式中 100K值对不同标度 100 洛氏强度 K值不同 压头用 1 588 钢球时K 130 压头用 120 金刚石圆锥时K 100 共有 15 种洛氏硬度标度如下表 载荷 标度符号压头种类 初载荷总载荷 K A60 B 金钢石圆锥10 100 C 150 100 F60 B100 G 1 588 16 1 钢 球 10 150 130 H60 E100 K 3 175 8 1 钢球10 150 130 L60 M 6 350 4 1 钢球10 100 130 第 21 页 共 24页 P150 R60 S100 V 12 70 2 1 钢球10 150 130 最常用的洛氏标度是A B C 对铜管的常用F0 HRA HRB HRC 和 HRF 的应用 范围如下 HRA 测量最硬的试样 其测量范围为HRA60 HRA85 如硬质合金 HRB 测量最软的试样 如有色金属 铝 铜及其合金 范围为HRB25 HRB100 HRC 测量较硬的试样 如退火的和调质钢件 范围为HRC20 HRC67 HRF 铜管若是厚壁 3MM以上 可用HRB 但空调制冷铜管大都壁薄 不能测HRB 因 为压痕深度大 测不准 故将 HRB 的载荷由 100kgf换为 60kgf即不必换压头这就是 HRF 国外许多铜管用此种硬度 我公司测试宝有洛氏硬度计 可测上述四种洛氏标度的硬度 洛氏硬度计应用广 泛 因为它操作方便 可以直接从实验机表盘上读出结果 且压痕小 对工件损伤轻 微 软硬材料都可测 3 表面洛氏硬度 又称小负荷洛氏硬度计 其实验原理与洛氏硬度计完全相同 只不过施加的力小 故适用于测定表面层的硬 度 或者厚壁的试样的硬度 有五种标度 压头 标度 初载荷 总载荷 写法常用范围 应用举例 1200金刚 石圆锥 N 3 15 30 45 HR15NXX HR30NXX HR45NXX 70 94 42 86 20 78 硬质合多表面硬化钢 表面硬化钢 钢板 淬火钢 调质钢 硬铸 铁 1 588 1 16 T 3 15HR15TXX62 94退火铜合金 薄板 第 22 页 共 24页 钢球压头 30 45 HR30TXX HR45TXX 15 82 8 76