不锈钢的机械性能课件

1、不锈钢的机械性能不锈钢的机械性能技术部实验分析科 陈昌茂机械性能试验方法简介奥氏体STS的机械性能铁素体STS的机械性能马氏体STS的机械性能双相STS的机械性能沉淀硬化STS的机械性能目录STS的机械性质的机械性质机械性能试验方法简介拉伸性能试验方法拉伸性能试验方法金属材料室温拉伸试验方法金属材料室温拉伸试验方法STS的机械性质的机械性质v试验目的和意义试验目的和意义拉伸力学性能是材料的基本力学性能，是评定金属材料质量的重要依据。为金属材料质量检验、研制和开发新材料、改进材料质量、进行金属制件的失效分析、选材和质量控制等提供重要手段。v试验原理试验原理用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定一项或

2、几项力学性能。返回返回拉伸性能试验方法拉伸性能试验方法机械性能试验方法简介拉伸试验力学参量拉伸试验力学参量工程应力：用试样的原始横截面尺寸计算的应力。F / S0工程应变：瞬间长度与原始长度之差与原始长度之比，简称应变。 L / L0STS的机械性质的机械性质返回返回拉伸性能试验方法拉伸性能试验方法机械性能试验方法简介拉伸试验曲线和常用参数拉伸试验曲线和常用参数典型低碳钢拉伸图典型低碳钢拉伸图STS的机械性质的机械性质v强度指标强度指标上屈服强度 ReH下屈服强度 ReL非比例伸长应力 Rp0.2抗拉强度 Rmv塑性指标塑性指标延伸率 A断面收缩率 Z返回返回拉伸性能试验方法拉伸性能试验方法机

3、械性能试验方法简介几种典型的拉伸曲线几种典型的拉伸曲线STS的机械性质的机械性质返回返回中碳钢调质后的拉伸图中、高强度钢的拉伸图淬火钢的拉伸图铸铁的拉伸图拉伸性能试验方法拉伸性能试验方法机械性能试验方法简介拉伸试验方法标准拉伸试验方法标准ISO 6892：1998金属材料室温拉伸试验EN 10002-12001金属材料拉伸试验第1部分： 室温拉伸试验方法ASTM E8M2000b金属材料拉伸试验方法JIS Z 22411998金属材料拉伸试验方法GB/T 2282002金属材料室温拉伸试验方法STS的机械性质的机械性质返回返回拉伸应变硬化指数拉伸应变硬化指数(n值值)的测定的测定机械性能试验方

4、法简介STS的机械性质的机械性质返回返回v 定义定义在单轴拉伸力作用下，真实应力与真实应变数学方程式中的真实应变指数。此方程可以用式表示： k n此方程可以转变如下的对数方程：ln= lnk + nln在双对数坐标平面上的直线低利率即为应变硬化指数：n = tan v 适用范围适用范围厚度0.13mm的金属薄板和薄带。适用于均匀塑性变形范围内应力-应变曲线呈单调连续的部分。拉伸应变硬化指数拉伸应变硬化指数(n值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回v 测定原理测定原理试样在均匀塑性变形范围内以规定的恒定速率轴向拉伸变形。用整个均匀塑性变形范围的应力应变曲线，或用

5、均匀塑性变形范围的应力应变曲线的一部分计算拉伸应变硬化指数（n值）。拉伸应变硬化指数拉伸应变硬化指数(n值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回v 应变硬化指数应变硬化指数n值的测定值的测定根据体积不变原理真应力与真应变为：ST（1）e = ln ( 1+ )利用最小乘法求算n值。拉伸应变硬化指数拉伸应变硬化指数(n值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回v 应变硬化指数应变硬化指数n值的意义值的意义加工硬化指数n反应了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n还决定了材料能够产生的最

6、大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。 对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，否则，在偶然过载的情况下，会产生过量的塑性变形，甚至有局部的不均匀变形或断裂，因此材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。形变硬化是提高材料强度的重要手段。不锈钢有很大的加工硬化指数n=0.5，因而也有很高的均匀变形量。不锈钢的屈服强度不高，但如用冷变形可以成倍地提高。高碳钢丝经过铅浴等温处理后拉拔，可以达到2000MPa以上。但是，传统的形变强化方法只能使强度提高，而塑性损失了很多。现在研制的一些新材料中，注意到当改变了显微组织和组织的分布时，变形中既能提高强度又能提高塑性。塑性应变比

7、塑性应变比(r值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回v 定义定义将金属薄板试样沿轴向拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距内宽度方向的真实应变与方向的真实应变之比。（厚向异性系数）r = b/ab =ln(b/b0) a =ln(a/a0)v 适用范围适用范围厚度0.13mm的金属薄板和薄带。由于测量长度的变化比测量厚度的变化容易和精确，所以根据塑性应变前后体积不变原理导出下面的关系式来计算塑性应变比r。r = ln(b0/b)/ ln(Lb/L0b0)塑性应变比塑性应变比(r值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回在单轴拉伸力作用

8、下，将试样拉伸到均匀塑性变形阶段，当达到规定的工程应变水平时，测量试样标距长度和宽度的变化，并利用塑性变形前后体积不变原理导出的公式计算塑性应变化(r值)。v 测定原理测定原理v 计算方法计算方法取样方向一般为0、45、90，每个方向至少取3片试样。在其他方向显示r特征值的材料，经双方协商，也可在那些方向上取样。用于下式分别计算不同取向试样的r、r、r值。r = （r0+r90+2r45 ） /4r = (r0+r90 )/2 r45r 加权平均塑性应变比r塑性应变比平面各向异性度塑性应变比塑性应变比(r值值)的测定的测定机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回板料r值的大小，反

9、映板平面方向与厚度方向应变能力的差异。r=1时，为各向同性；r1时，为各向异性。当r1，说明板平面方向较厚度方向更容易变形，或者说板料不易变薄。r值与板料中晶粒的择优取向有关，本质上是属于板料各向异性的一个量度。 r值与冲压成形性能有密切的关系，尤其是与拉深成形性能直接相关。板料的r值大，拉深成形时，有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载能力。用圆形坯料拉深筒形件，当r0时，凸耳出现在0和90方向；当r0时，凸耳出现在45方向；r=0时，不产生凸耳。由于凸耳的位置与大小和r有关，所以r也叫凸耳参数。 v 塑性应变比（塑性应变比（r值）的意义值）的意义冷弯性能试验方法冷弯性能试验方法机械

10、性能试验方法简介常用弯曲试验装置常用弯曲试验装置STS的机械性质的机械性质弯曲试验结果评定弯曲试验结果评定应按照相关产品标准的要求评定试验结果。如未规定具体要求，弯曲试验后试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹应评定为合格。返回返回硬度性能试验方法硬度性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质常用硬度试验方法常用硬度试验方法布氏硬度试验方法布氏硬度试验方法洛氏硬度试验方法洛氏硬度试验方法维氏硬度试验方法维氏硬度试验方法肖氏硬度试验方法肖氏硬度试验方法返回返回硬度性能试验方法硬度性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质布氏硬度试验方法布氏硬度试验方法(Brinell)返回

11、返回硬度性能试验方法硬度性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质洛氏硬度试验方法洛氏硬度试验方法(Rockwell)洛氏硬度值=100-e洛氏硬度值=130-eve : 去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量，用0.002mm为单位表示。返回返回硬度性能试验方法硬度性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质维氏硬度试验方法维氏硬度试验方法(Vickers)v维氏硬度值是试验力除于压痕表面积的商。返回返回冲击性能试验方法冲击性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性打击，测量试样折断时

12、的冲击吸收功。v试验目的和意义试验目的和意义v试验原理试验原理评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。返回返回冲击性能试验方法冲击性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质返回返回夏比冲击试验方法夏比冲击试验方法(Charpy)冲击性能试验方法冲击性能试验方法机械性能试验方法简介STS的机械性质的机械性质冷脆转化温度的评定冷脆转化温度的评定返回返回工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度冷脆转化温度，在此温度以上只要名义应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。在冷脆转化温度的确定标准一旦建立之

13、后，实际上是按照冷脆转化温度的高低来选择材料。(1)冲击吸收功温度曲线上平台与下平台区间规定百分数（n）所对应的温度，用ETTn表示。 (2)脆性断面率温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度，用FATTn表示。 (3)侧膨胀值温度曲线上平台与下平台区间某规定侧膨胀值所对应的温度，用LETT表示。奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能STS的拉伸曲线的拉伸曲线STS拉伸试验曲线拉伸试验曲线STS的机械性质的机械性质返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能室温下奥氏体室温下奥氏体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质v 与普通

14、碳钢(YS：270MPa，TS：465MPa)相比，奥氏体不锈钢具有更好的强度性能。室温下退火奥氏体室温下退火奥氏体STS的屈服强度和抗拉强度的屈服强度和抗拉强度返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能冷变形情况下奥氏体冷变形情况下奥氏体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质v 冷变形显著提高奥氏体STS的屈服强度和抗拉强度。v 硬化程度由其化学成分决定。尤其是奥氏体稳定化元素的含量。301没有足够的Ni，其硬化能力较304和310要强(不稳定的奥氏体组织变相为马氏体 )。v 对退火STS Coil 进行冷轧而不进行最终热处理可生产高强度的STS She

15、et & Strip 。返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能冷变形情况下奥氏体冷变形情况下奥氏体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质冷拉拔冷拉拔STS钢丝的抗拉强度钢丝的抗拉强度(304)返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能高温下奥氏体高温下奥氏体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质短时间高温情况下的强度性能短时间高温情况下的强度性能v “L” grades 随温度的升高，强度下降得更快。尤其是抗拉强度值。返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能高温下奥氏体高温下奥氏体

16、STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质长时间高温情况下的强度性能长时间高温情况下的强度性能(Creep)v 蠕变即高温情况下，金属在恒定应力下持续发生变形的现象。蠕变分为三阶段。 v 一般所指的金属蠕变速率，都是指的是第二阶段的速度。返回返回奥氏体奥氏体STSSTS的强度性能的强度性能奥氏体STS的机械性能低温下奥氏体低温下奥氏体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质不同奥氏体不同奥氏体STS在低温下的强度性能在低温下的强度性能v 奥氏体STS随温度的下降强度值不断上升。即使在200 深冷液态气体中也是如此。v 高Ni、N的奥氏体STS抗拉强度随温度下降上升幅度不大，但其屈服强度上

17、升较为明显。返回返回v 低Ni、N的亚稳态奥氏体STS屈服强度随温度下降上升幅度不大，但其抗拉强度上升较为明显。奥氏体奥氏体STSSTS的塑性性能的塑性性能奥氏体STS的机械性能断后伸长率断后伸长率(EL)和断面收缩率和断面收缩率(RA)STS的机械性质的机械性质v 退火奥氏体STS具有优秀的断后伸长率(5060% and higher)。故其具有很强的冷成型、冲压及拉拔等性能。v 冷加工可造成塑性下降。30%的冷变形可使EL值下降至20%，但对于一般工程设计而言仍是可以接受的。返回返回v 在低温情况下，EL值下降不大。零摄氏度以下EL值一般为4050% 。奥氏体奥氏体STSSTS的硬度性能的

18、硬度性能奥氏体STS的机械性能不同状态下的硬度不同状态下的硬度STS的机械性质的机械性质v 退火奥氏体STS典型硬度值为150 160HB。v 小变形会使硬度迅速提高至大约250HB。但继续变形硬度增加的幅度将有所下降。返回返回v 弹簧回火（spring temper）奥氏体STS和冷轧至full hard temper ，其硬度可达340 380HB 。奥氏体奥氏体STSSTS的冲击韧性的冲击韧性奥氏体STS的机械性能夏比冲击功夏比冲击功(Akv,J)STS的机械性质的机械性质v 退火奥氏体STS具有优秀的冲击韧性。室温下冲击功165J以上。 0以下其冲击功有所下降。但即使在100以下，仍能

19、达到90 120J。v 冷加工使冲击功降低，降低的值视加工量而定。但即使冷加工量很大，材料仍然不会变脆。可见奥氏体STS具有优秀的低温机械性能，因此被广泛用于液化气储气罐(304N)。返回返回v 奥氏体STS在以下两种情况下其冲击韧性会比较低： 在600-850长时间停留，导致生成脆性相。 经过一定程度冷加工以后加温至550-850停留一段时间会产生碳化物析出，在-100 以下其冲击韧性值会很低。奥氏体奥氏体STSSTS的抗疲劳性能的抗疲劳性能奥氏体STS的机械性能疲劳极限疲劳极限STS的机械性质的机械性质返回返回v 材料在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80以上属于

20、疲劳破坏。 v 尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点：断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。奥氏体奥氏体STSSTS的抗疲劳性能的抗疲劳性能奥氏体STS的机械性能疲劳极限疲劳极限STS的机械性质的机械性质返回返回v 大多数钢在疲劳极限以下服役不会产生疲劳失效。而奥氏体STS则相反。增加循环次数在低应力条件下仍会产生疲劳失效，但疲劳极限下降很小。故一般取在足够多的循环次数下的极限为该钢种的疲劳极限。v 冷加工和低温环境可提高疲劳强度。v 表面缺

21、陷影响其疲劳极限。可使其下降到一半到1/3。铁素体铁素体STSSTS的强度性能的强度性能铁素体STS的机械性能室温下铁素体室温下铁素体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质v 铁素体STS的强度随冷加工略有增加，但幅度很小。室温下退火铁素体室温下退火铁素体STS的屈服强度和抗拉强度的屈服强度和抗拉强度返回返回铁素体铁素体STSSTS的强度性能的强度性能室温下铁素体室温下铁素体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质v 冷加工使其强度增加而延展性降低。但410L钢的加工硬化速度与碳钢和低合金钢相近，而304钢的加工硬化速度大得多。冷加工对全退火冷加工对全退火304和和410L机械性能的

22、影响机械性能的影响返回返回铁素体STS的机械性能铁素体铁素体STSSTS的强度性能的强度性能高温下铁素体高温下铁素体STS的强度的强度STS的机械性质的机械性质v 温度升高强度有所下降。但达到一定温度时，其机械性能将会急剧下降。返回返回高温下退火铁素体高温下退火铁素体STS的屈服强度和抗拉强度的屈服强度和抗拉强度v 通常不推荐在高温下作承受负荷的部件。但在高温下其抗氧化性能较好(尤其是446钢种)。铁素体STS的机械性能铁素体铁素体STSSTS的塑性和硬度性能的塑性和硬度性能STS的机械性质的机械性质v 塑性近似于普通碳钢，因此可进行适度的冷变形。返回返回v 已开发的DDQ(Deep Draw

23、ing Quality)430其拉拔性能优于430，但仍比奥氏体STS要差。 430=25% 446=20% 18-2 super ferritic = 30% 26-1 super ferritic = 28% 3CR12 = 22%常见铁素体常见铁素体STS的断后伸长率的断后伸长率(L0=50mm)塑性塑性硬度硬度v 退火状态下通常硬度为165HB。v 不能通过热处理使其变硬。冷加工下硬度增加很小。铁素体STS的机械性能铁素体铁素体STSSTS的抗疲劳和冲击性能的抗疲劳和冲击性能STS的机械性质的机械性质返回返回v 通常铁素体STS的疲劳极限为310-330MPa。疲劳极限疲劳极限韧性韧性

24、v 冲击性能尤其是DBTT与化学成分关系密切。v 通常铁素体STS的DBTT在20-0之间。也可能在0以下，因此被认为韧性比较低。v Super铁素体STS和3CR12(低C、N)的DBTT在0-20 之间。v 焊接时因热影响区的晶体结构发生了变化，使其韧性也显著地减小。铁素体STS的机械性能马氏体马氏体STSSTS的机械性能的机械性能马氏体STS的机械性能马氏体马氏体STS的热处理的热处理STS的机械性质的机械性质v 加热至某一特定温度范围长时间保温使温度均匀，此时晶体结构为奥氏体。此温度也被称为奥氏体化温度或硬化温度。供货时通常为退火状态以便机加工。返回返回热处理热处理v 快速冷却(淬火)

25、，通常以油为淬火介质。形成硬而脆的马氏体组织。v 加热至适当温度进行回火。马氏体马氏体STSSTS的机械性能的机械性能马氏体STS的机械性能不同回火不同回火 温度下的机械性能温度下的机械性能STS的机械性质的机械性质返回返回马氏体马氏体STSSTS的机械性能的机械性能马氏体STS的机械性能STS的机械性质的机械性质v 260-300下回火通常可得到最好的韧性。v 机械性能取决于成分、截面积、淬火介质和奥氏体化温度。返回返回v 375-600回火会使韧性明显降低。v 600以上回火可改善韧性，但强硬度损失较大。v 高碳马氏体STS具有高的强度和硬度，用于耐磨材料如轴、外科手术设备、刀具、硬质球、针阀、套筒等。但其塑韧性较低，应用于结构件中需避免承受冲击载荷。马氏体马氏体STSSTS的机械性能的机械性能马氏体STS的机械性能STS的机械性质的机械性质v 使用温度需比其回火温度低25-30。如果使用中超出回火温度将会影响其机械性能。v 疲