金属材料的力学性能.doc

金属材料的力学性能金属材料在外力或能的作用下，所表现出来的一系列力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、弹性、硬度等，也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损、空蚀（氧蚀）、粒子照射等力或机械能不同程度结合作用下的性能。力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。充分了解、掌握金属材料的力学性能，对于合理地选择、使用材料，充分发挥材料的作用，制定合理的加工工艺，保证产品质量有着极其重要的意义。一、强度强度是材料受外力而不被破坏或不改变本身形状的能力。(一)屈服点金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫做“屈服”。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为“屈服点”，以s表示。有些材料没有明显的屈服点，这往往采用0.2作为屈服阶段的特征值，称为屈服强度。（二）抗拉强度拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大标称应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度，以b表示。二、塑性塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。（一）伸长率金属材料在拉伸试验时试样拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，也叫伸长率，用表示。（二）断面收缩率金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以符号表示。三、硬度硬度是金属材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量材料软硬的性能指标。硬度不是一个单纯的、确定的物理量，而是一个由材料弹性、塑性、韧性等一系列不同性能组成的综合性能指标。所以硬度不仅取决于材料本身，还取决于试验方法和条件。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）维氏硬度四、韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。衡量材料韧性的指标分为冲击韧性和断裂韧性。（一）冲击韧性冲击韧性是评定金属材料受冲击载荷作用时抵抗变形和断裂的抗力指标，以冲击韧度或冲击吸收功来度量。（二）断裂韧性断裂韧性是材料阻止或抵抗裂纹扩展的能力，确切地说是阻止裂纹产生临界扩展的能力，常用K1c或Kc表示。K1c是表示平面应变状态下的断裂韧度，Kc表示平面应力状态下的断裂韧度。第三节 钢的分类及编号一、钢的分类钢的分类方法很多，可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。（一）按化学成份分类按化学成分可分为碳素钢（简称碳钢）、合金钢两大类。碳素钢是指碳质量分数低于2.06%的铁碳合金，根据碳质量分数的不同，碳钢又可分为工业钝铁（wc0.02%）低碳钢（wc0.25%）、中碳钢（wc0.25%一0.60%）和高碳钢（wc0.6%）。合金钢是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能专门加入某些合金元素炼制而成的钢。按照合金元素总量的不同，合金钢可分为低合金钢（合金元素总量5%、中合金钢（合金元素总量为510%）和高合金钢（合金元素总量10%）。（二）按冶炼方法分类根据炼钢炉类别分类，可分为平炉钢、转炉钢（又分氧气吹炼和空气吹炼转炉钢）和电炉钢（又分为电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢和电子束炉钢等）3大类。根据冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，钢在熔炼后期，钢液仅用弱脱氧剂（锰铁）脱氧，所以钢液中有相当数量的氧化铁FeO）。在浇注和凝固时，由于碳与氧化铁反应，钢液不断析出一氧化碳，产生沸腾现象，故称为沸腾钢，以符号,“F”表示。沸腾钢耐蚀性和力学性能差，不宜用于重要结构使用。镇静钢为完全脱氧钢，浇注和凝固时钢液镇静不沸腾，故称为镇静钢。这种钢冷凝后有集中缩孔，所以成材率低，成本高。但气体含量低，偏析少，时效倾向低，质量较高，因此得到广泛应用。镇静钢以符号,“Z”表示，但一般省略。半镇静钢为半脱氧钢，脱氧程度介于上述两者之间，用符号“b表示。（三）按品质分类根据钢中有害杂质硫、磷的含量，可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。（1）普通碳素钢p0.045%，S0.05%； （2）优质碳素钢p、S均0.035%，其他非有意加入而是从原材料带入的残余杂质如Cr、Ni、Cu等的含量也有一定的限制；（3）高级优质碳素钢p0.035%、S0.03%，混入的其他杂质含量限制得更加严格。普通碳素钢一般采用转炉和大型平炉冶炼，产量大、成本低；优质碳素钢一般用电炉或平炉冶炼，杂质少；高级优质碳素钢主要是电炉钢或采用精炼的方法，质量最好、成本也高，它主要用来制造工具和要求很高的机器零件及焊接材料用钢。（四）按金相组织分类钢按金相组织可分为铁素体一珠光体型钢、贝氏体型钢、马氏体型调质高强度钢、铁素体型钢和奥氏体型钢等。（五）按用途分类钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢3大类。结构钢还分为建筑及工程机械用钢、机械制造用钢、超高强度钢、轴承钢和弹簧钢等。建筑及工程机械用钢还包括碳素结构钢、低合金高强钢、钢筋用钢等；机械制造用钢包括调质钢、表面硬化钢、易切钢、冷加工成形用钢等。工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，包括量具、刃具、模具钢等。特殊用途钢分为不锈耐酸钢、耐热钢、电工用钢、耐磨钢、低温用钢、各种专业用钢等。专业用钢主要有锅炉钢、压力容器用钢、船舶、桥梁、钢轨用钢等。二、钢的编号及特性我国的钢材牌号表示方法，是采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原则，即钢号中化学元素用国际化学符号表示；钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等一般以汉语拼音的缩写字母来表示；钢中主要化学元素含量（百分率）采用阿拉伯数字表示。（一）碳素结构钢的牌号、性能及用途1普通碳素结构钢根据GB/T700-1988碳素结构钢标准，钢的牌号由代表屈服点的字母、数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。主要钢种：Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q255D、Q255B、Q275。其中：Q一表示钢的屈服点，为“屈”字拼音字母；235数字表示钢的屈服点数值，单位为MPa;A、B、C、D一分别为质量的4个等级，其中A级质量最低，D级质量最高；F表示沸腾钢；b表示半镇静钢；Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢。2优质碳素结构钢优质碳素结构钢主要用于制造重要的机器零件、结构，其钢号用两位数字表示。两位数字表示该钢种平均碳质量分数的万分率，如20、45钢，分别表示钢中平均碳质量分数为0.20%、0.45%的优质碳素结构钢。常用的钢号有：10、15、20、30、35、40、45等。高级优质碳素结构钢在钢号后附加“高”或“A”字。含锰量较高（Mn为0.70%1.00%）的优质碳素钢，应将锰元素标出，如15Mn、60Mn等。10、20钢具有良好的冲击韧度，良好的焊接性能，常用于各种结构件；35、40、45、55钢属于调质钢，调质处理后可获得良好的综合力学性能，多用于制造机器零件等。3碳素工具钢碳素工具钢用钢的平均碳质量分数的千分率数字表示。为了与合金工具钢相区别，在数字前冠以“T字，读成“碳”。如碳质量分数为0.70%的碳素工具钢，其钢号写成T7，读成“碳7。常用的钢号有T7、T8、T9、T10、T12等。高级优质碳素工具钢含磷、硫较低，表示为Tl0A、T12A等。碳素工具钢一般要经热处理后使用。4其他专业用钢在一般碳素结构钢基础上为满足某些专业用途的特殊需要，发展了一些专业用钢，如锅炉钢、容器钢、焊接气瓶用钢、船用钢、桥梁用钢、铁道用钢等。锅炉用钢板在钢号后加“g”字；压力容器用钢板加“R”字；焊接气瓶用钢板加“HP”字母；多层压力容器用钢板加“RC”，字母，如20g、20R、20HP、15MnHP、16MnRC、15MnVRC等。（二）合金钢的牌号、性能及用途1低合金高强度结构钢的编号根据GB/T 1591-1994低合金高强度结构钢标准，低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)3个部分组成并按顺序排列。如：Q390A其中：Q一一一钢屈服点“屈”字拼音首位字母；390一屈服点数值，单位MPa:A、B、C、D、E分别为质量等级符号：低合金高强度结构钢共有Q295A（B）、Q345A（B、C、D、E）、Q390A（B、C、D、E）、Q420（A、B、C、D、E）和Q460C(D、E)5个牌号。一般以热轧、控轧、正火及正火加回火状态交货。Q420、Q460的C、D、E级钢也可按淬火加回火状态交货。GB/T1591-1994与GB1591-1988标准中对应的钢牌号如表3-1所示。表3-1 新旧低合金结构钢标准牌号对照GB/T1591-1994GB1591-1988Q29509MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ34512MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ39015MnV、15MnTi、16MnNbQ42015MnVN、14MnVTiREQ4602.合金钢的编号我国合金钢是按钢材的含碳量及所含合金元素的种类及其数量进行编号的，因此可以从钢号上直接看出钢材的大致化学成分及质量等级。其编号原则是：（1）合金结构钢1)首部数字表示平均碳质量分数（万分率），如20Mn2、20表示平均碳质量分数c=0.20%。2)在表示含碳量的数字后面，用元素的化学符号或汉字表示所含有的主要合金元素，并用符号后面的数字表示该合金元素平均质量分数（）。凡合金元素含量上限不超过1.5%时，编号中只写元素符号，不标明含量。如果平均含量超过1.5%，在该元素后注出近似百分率，如含量为1.8%时则用“2”表示。如09Mn2表示平均碳质量分数0.09%，平均锰质量分数约2%的合金结构钢。（2）合金工具钢 编号原则与合金结构钢大致相同，但含碳量的表示方法不同；当碳质量分数不超过1.0%时，以千分率的数字表示如9SiCr，9表示平均碳质量分数为0.9%；含碳量超过1.0%时，为避免与结构钢相混淆，在钢号中不表示出含碳量。如CrWMn，表示碳质量分数超过1.0%，并含有Cr、w、Mn3种合金元素的合金工具钢。（3）特殊高合金钢编号方法与合金工具钢基本相同。如2Cr13,表示平均碳质量分数为0.20%，铬质量分数为13%的不锈钢。但有些特殊高合金钢钢号不表示含碳量。如Cr17，表示铬质量分数约17%的不锈钢，其碳质量分数0.12%，但未表示出。钢中碳质量分数.03%或.08%时，钢号前分别以“00”或“0”表示，如00Cr18Ni10、0Cr13等。（4）钢中的V、Ti、Al、B、RE等，均属微量合金化元素。虽含量很低，但仍在钢号中标出。如将C0.20%，Mn1.0%1.3%,Wv0.07%0.12%,WB0.001%0.005%的钢，钢号表示为20MnVB。3.合金结构钢的分类及特性合金结构钢是在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素的钢，从而提高了钢的强度，并具有良好的塑性和韧性，也可获得一些特殊的使用性能，如高温、低温及耐蚀性等。应用较广的普通低合金结构钢（普通低合金钢），加人的合金元素总量在3%以下，但足以使钢的组织和性能发生明显变化，从而获得较碳素钢优越得多的特殊性能，如强度高、塑性好、耐磨、耐蚀、耐高温、低温等。因此在各个工业部门得到了广泛的应用。合金结构钢的类型很多，合金系统也不相同。一般从焊接用钢来说，大致可分为两大类：一是强度用钢，二是特殊用钢。（1）强度用钢这类钢应用很广，凡在一般温度下的受力结构，如压力容器、发电设备、车辆、船舶、起重机械、桥梁等都可使用。根据其强度级别（内）及热处理状态又分以下3种：1)热轧及正火钢强度级别为294490MPa的普通低合金钢，在热轧或正火条件下供货使用，一般称为热轧或正火钢，属非热处理强化钢。牌号09MnV、16Mn、15MnTi、15MnV、14MnMoV、19Mn2等热轧钢的强度级别为294392MPa,是在含碳C0.2%的基础上加入少量合金元素。这类钢主要是靠锰的固溶强化作用来保证强度的，其加入量不超过1.8%时仍可保持高的塑性和韧性。固溶强化是在钢中加人Mn、Si、Mo、V、Cu等合金元素，这些元素的原子溶解于a-铁（铁素体）的晶格中，形成固溶体使铁素体晶格歪扭、产生畸变，从而使铁素体强化。溶入的溶质原子越多，强化作用越大，强度提高越多，同时将引起塑性、韧性下降。碳的固溶强化效果也较显著，但其含量超过0.6%对冲击韧度不利，使脆性转变温度提高。在各国的普通低合金钢中，锰用得最普遍。如我国的16Mn(Q345)钢，德国的St52钢，日本的SM50钢均属此类。热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体加珠光体组织钢。正火钢，强度级别（s）大于392MPa,在固溶强化的同时必须加强合金元素的沉淀强化作用。除主加合金元素锰外，还需加人一些碳化物、氮化物形成元素，如V、Ti、Nb、Mo等，通过正火处理后生成的化合物以细小质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，以提高强度并同时细化晶粒。因此提高强度的同时，也适当地改善了钢材的塑性和韧性。这类钢有15MnTi（Q390）、15MnVN（Q420）、14MnMoV和18MnMoNb等。对一些含钼钢，正火后还需进行回火处理，如14MnMoV和18MnMoNb钢。2)低碳调质钢强度级别一般为490980MPa,是一种热处理强化钢，在调质状态下供货使用。含碳量较低（一般C0.25%），不仅具有高强度兼有良好的塑性和韧性。可直接在调质状态下焊接，焊后不必调质处理，必要时进行消除应力处理。调质钢的合金化原则与铁素体一珠光体型的热轧和正火钢不同，它的强度不直接取决于合金元素含量，而是取决于含碳量。合金元素的主要作用是保证淬透性，还可提高钢的抗回火性，使在较高的温度下不会降低钢的强度。低碳调质钢同时加入多种合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Cu等。这类钢经调质后的组织是回火低碳马氏体或贝氏体。我国根据资源条件主要发展无铬镍低碳调质钢，如14MnMoVN和14MnMoNbB等，主要用于中温高压锅炉和石油、化工中温高压容器。3)中碳调质钢强度级别为8801176MPa以上，这类钢需提高含碳量才能达到上述强度，通常碳质量分数为0.25%0.45%，因此淬透性很大，焊接性较差，焊接工艺非常复杂。焊后必须作调质处理才能保证焊接接头性能。常用于制造一些承受高负荷、截面较大的重要部件，如汽轮机叶轮、发电机主轴等，也用于制造同时承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮的机轴、喷气式客机起落架和火箭发动机外壳等，其主要钢号有30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、35CrMoA、35CrMoVA等。（2）特殊用途钢 这类钢是具有特殊用途和特殊性能的钢，如不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢及电工用钢、焊接材料用钢等。1)耐热钢 耐热钢一般指具有热强性及热稳性的钢。钢材抵抗蠕变变形的能力称为“热强性”，抵抗氧化的能力称为“热稳性”。耐热钢材料主要有珠光体耐热钢、低碳贝氏体耐热钢和奥氏体、铁素体、马氏体不锈耐热钢。珠光体耐热钢是以铬、钼为主的低合金钢，基体组织为珠光体和少量铁素体。这类钢有12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、12Cr1MoV等。贝氏体耐热钢有12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB、12MoVWBSiRE。12Cr2MoWVB等是我国自行研制的贝氏体低合金热强钢，不含镍、含铬少，用以代替镍铬奥氏体钢，可用于600以下工作的构件。马氏体耐热钢有1Cr12、1Crl3、2Cr13、3Cr13、1Cr1MoV、1Cr12WMoV、4Cr9Si2、1Cr5Mo及德国的X20CrMoWV121（Fll）、XZOCrbloV121（F12）等。4Ci9Si2钢在900T以下不起皮，用于800以下的受热面紧固定件。1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Crl1MoV、1Cr12VVMoV可用于制造汽轮机及燃气轮机叶片。Fll、F12钢可用于电站锅炉过热器，主蒸汽管道、联箱、热交换器等。奥氏体耐热钢的合金系统主要是Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、Cr-Mn-N型。钢号主要有：0Cr19Ni9、0Cr18Ni11Nb、0Cr23Ni13、2Cr23Ni13、0Cr18Ni13Si4等。镍铬奥氏体是不锈耐酸、耐热钢中最好的钢种，它兼有良好的耐酸性、耐热及热强性，其钢种也较多。铁素体耐热钢主要有0Cr11Ti、2Cr25N、0Cr13Al、1Cr17等2）低温钢 低温钢可用于空气分离器、石油尾气分离及低温液体贮罐等。我国低温钢分为40、70、90、120、196、2736个等级。低温钢最重要的性能是韧性，脆性转变温度等。影响低温钢性能最主要的因素是化学成分、组织及晶粒度、热处理状态等。我国的压力容器用低温低合金钢号有16MnDR（用于-40以上）、15MnNiDR（用于-45）、09Mn2VDR（用于-50）、09MnNiDR（用于-70）和07MnNiCrMoVD（用于-40），这些钢都属于铁素体型低温钢。此外，奥氏体钢如1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等不锈钢，具有优良的低温韧性，可用于196以下。9Ni钢为含Ni9的低温钢，使用温度最低可达到196。供货状态为二次正火回火和淬火回火2种。选用适当的焊接材料，焊后可不必进行消除应力热处理也能安全使用。3）不锈耐酸钢 通常所说的“不锈钢”实际上是耐酸钢、不锈钢和耐热钢的总称。不锈是指在空气中具有耐蚀的性能；耐酸是指在某些化学介质中能抵抗腐蚀的特性；耐热是指在高温下抗氧化、抗蠕变，具有高温持久强度的性能。不锈耐酸钢按照其组织类型可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、奥氏体一铁素体型和沉淀硬化型。压力容器上使用较多的是奥氏体型、奥氏体一铁素体型及铁素体型不锈耐酸钢；锅炉上使用较多的是马氏体型、奥氏体型不锈钢。铁素体不锈钢主要特点是加热时不发生相变，因此不能进行热处理强化。铁素体不锈钢有3种脆化倾向：475脆性、a相析出脆化和粗晶脆化，主要钢号有0Cr13Al、00Cr17Mo、0Cr18Mo2等。奥氏体不锈钢亦不能热处理强化，其屈服点较低，塑性、韧性及工艺性能都很好。具有优良的耐蚀性，无磁性、应用广泛。压力容器常应用含稳定化元素钛的钢种，以防止晶间腐，如0Crl8Ni11Ti、1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb、1Cr18Ni12Mo2Ti等。奥氏体一铁素体型不锈耐酸钢，其特点是在室温下具有奥氏体和铁素体的双相组织，因此可提高其抗晶间腐蚀能力和防止应力腐蚀开裂，其屈服点比奥氏体钢高，有磁性，主要钢号有：0Cr26Ni5Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2、1Cr18Ni 11S74AIT1、1Cr21Ni5Ti等。4.合金元素对钢组织和性能的影响钢中的化学元素及其含量决定了钢的化学成分，由于化学成分不同使钢的组织和性能也不同。（1）碳 碳是钢中两个基本组元之一，是决定钢强度的主要元素，随着钢中碳质量分数的增加，强度、硬度升高，塑性下降。（2）锰 锰可固溶于铁素体（溶解度约3%以下）和奥氏体中，使之固溶强化，提高硬度和强度。含锰量在1%以下，强化的同时几乎不影响塑性和韧性。锰是弱碳化物形成元素，是良好的脱氧剂、脱硫剂。锰可降低下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化晶粒、改善力学性能。