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一文讀懂金屬材料的使用性能

更新時(shí)間:2022-06-07      點(diǎn)擊次數(shù):2026

金屬材料的性能是選擇材料的主要依據(jù)。金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能。使用性能是指金屬零件在使用條件下金屬材料表現(xiàn)出來(lái)的性能。金屬材料的使用性能決定了它的使用范圍。使用性能包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能。

物理性能


金屬在力、熱、光、電等物理作用下所反映的特性為金屬的物理性能,其主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表 1。


表1 金屬的物理性能

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02
化學(xué)性能


金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料在室溫或高溫條件下,抵抗各種腐蝕性介質(zhì)對(duì)它進(jìn)行化學(xué)侵蝕的一種能力。金屬材料的化學(xué)性能,主要在于耐腐蝕性。金屬材料抵抗周?chē)橘|(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱(chēng)為耐腐蝕性。


化學(xué)腐蝕


化學(xué)腐蝕是金屬與周?chē)橘|(zhì)直接起化學(xué)作用的結(jié)果,它包括氣體腐蝕和金屬在非電解質(zhì)中腐蝕兩種腐蝕形式。其特點(diǎn)是腐蝕過(guò)程不產(chǎn)生電流,并且腐蝕產(chǎn)物沉積在金屬表面上。如純鐵在水中或在高溫下受蒸汽和氣體的作用而引起的生銹現(xiàn)象,就是化學(xué)腐蝕的典型例子。




電化學(xué)腐蝕


金屬與酸、堿、鹽等電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生作用而引起的腐蝕,稱(chēng)為電化學(xué)腐蝕。它的特點(diǎn)是腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生(即所謂微電池作用),其腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)不覆蓋在作為陽(yáng)極的金屬表面上,而是在距離陽(yáng)極金屬的一定距離處。引起電化學(xué)腐蝕的原因,一般認(rèn)為與金屬的電極電位有關(guān)。電化學(xué)腐蝕的過(guò)程比化學(xué)腐蝕要復(fù)雜得多,其危害性也比較大。金屬材料遭受到腐蝕破壞,大多屬于這一類(lèi)型的腐蝕。



表2 常見(jiàn)金屬腐蝕類(lèi)型

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腐蝕率


腐蝕率是指將試樣置于試驗(yàn)介質(zhì)中,經(jīng)一定時(shí)間后測(cè)量其重量變化所求得的材料的全面腐蝕 (即均勻腐蝕)速度。腐蝕率可用單位時(shí)間、單位面積上的質(zhì)量損失來(lái)表示,計(jì)算公式如下:

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表3 金屬材料耐腐蝕性能的分類(lèi)及級(jí)別

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03
力學(xué)性能


材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境(如溫度、介質(zhì)、濕度)下,承受各種外加載荷(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等)時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。由于載荷施加的方式多種多樣,而環(huán)境、介質(zhì)的變化又十分復(fù)雜,所以金屬在這些條件下所表現(xiàn)的行為就會(huì)大不相同,致使金屬材料力學(xué)性能所研究的內(nèi)容非常廣泛,它已發(fā)展成為介于金屬學(xué)和材料力學(xué)之間的一門(mén)邊緣學(xué)科。因?yàn)榻饘贅?gòu)件的承載條件一般用各種力學(xué)參量 (如應(yīng)力、應(yīng)變和沖擊能量等)來(lái)表示,因此,人們便將表征金屬材料力學(xué)行為的力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱(chēng)為金屬材料力學(xué)性能指標(biāo),如強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)等。金屬的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表4 金屬的力學(xué)性能

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04
焊接性能


金屬焊接性是金屬材料本身對(duì)焊接加工的適應(yīng)性,主要指在一定的焊接工藝條件下(包括焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式等),能否獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易 程度以及該接頭能否在規(guī)定的使用條件下可靠運(yùn)行。它包括兩方面內(nèi)容:一是焊接接頭的接合性能,即在一定焊接工藝條件下,能否得到優(yōu)質(zhì)而無(wú)缺陷焊接接頭的能力;一是使用性能,即焊接接頭或焊后的整體構(gòu)件能否滿(mǎn)足技術(shù)要求所規(guī)定的各種使用條件。影響焊接性的因素很多,對(duì)鋼鐵材料而言,有選用的材料、結(jié)構(gòu)及其接頭的設(shè)計(jì)、工藝方法及其規(guī)范,接頭服役的環(huán)境條件等因素。


焊接接頭熱影響區(qū)的基本組織


焊接接頭一般包括焊縫金屬區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)幾部分。熱影響區(qū)系指焊縫兩側(cè)金屬因焊接加熱致使組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。熱影響區(qū)組織性能的變化不僅取決于所受的熱循環(huán),而且還取決于母材的成分和原始狀態(tài),如圖2所示。

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圖2 焊接熱影響區(qū)的分布特征 1一熔合區(qū);2一過(guò)熱區(qū);3一正火區(qū);4一不*重結(jié)晶區(qū);5一母材;6-淬火區(qū);7一部分淬火區(qū);8一回火區(qū)



不易淬火鋼熱影響區(qū)的組織分布及性能

不易淬火鋼是指在焊后自然冷卻條件下不易形成馬氏體的鋼種,如普通低碳鋼等。如圖2所示,不易淬火鋼的熱影響區(qū)由熔合區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和不*結(jié)晶區(qū)四部分組成。 

(1)熔合區(qū)。熔合區(qū)包括填充金屬熔化區(qū)和半熔化區(qū)(即加熱溫度在液相線和固相線之間),半熔化區(qū)由于化學(xué)成分和組織性能有較大的不均勻性,其強(qiáng)度、韌性較差,應(yīng)引起注意。

(2)過(guò)熱區(qū)。受熱溫度一般在1100℃左右,該區(qū)晶粒開(kāi)始急劇長(zhǎng)大,冷卻后會(huì)得到粗大的過(guò)熱組織,也叫粗晶區(qū)。此區(qū)容易產(chǎn)生脆化和 引起裂紋。

 (3)正火區(qū)(相變重結(jié)晶區(qū))。受熱溫度在 Ac3以上到晶粒開(kāi)始急劇長(zhǎng)大的溫度范圍內(nèi),此區(qū)晶粒未顯著長(zhǎng)大,冷卻后得到均勻而細(xì)小的珠光體和鐵素體,相當(dāng)于正火熱處理組織,具有好的綜合性能。 

(4)不*重結(jié)晶區(qū)。受熱溫度處于Ac1~Ac3之間,此區(qū)組織不均勻,晶粒大小不一,其力學(xué)性能不均勻。 

以上四區(qū)是低碳鋼、低合金鋼熱影響區(qū)的基本組織特征。但有些母材在焊前,經(jīng)過(guò)冷軋或冷加工變形后,則會(huì)在處于受熱溫度接近 500℃-Ac1之間的范圍內(nèi),金屬發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程,使加工硬化作用消失,強(qiáng)度下降,塑性、韌性提高。但對(duì)于有時(shí)效敏感性的鋼,在 Ac1-300℃溫度范圍內(nèi),如時(shí)間稍長(zhǎng)、極易發(fā)生應(yīng)變時(shí)效,使此區(qū)脆化,因此,此區(qū)又叫時(shí)效脆化區(qū),雖其金屬組織無(wú)明顯變化,但具有缺口敏感性,焊接時(shí)應(yīng)注意。



易淬火鋼熱影響區(qū)的組織分布及性能

易淬火鋼是指在焊后空冷條件下容易淬火形成馬氏 體等淬硬組織的鋼種、如調(diào)質(zhì)鋼和 中碳鋼等。


 (1)*淬火區(qū)。受熱溫度處于固相線到A,之間,此區(qū)由于晶粒長(zhǎng)大,得到粗大的馬氏體,如冷卻速度不同,還可能出現(xiàn)馬氏體和貝氏體混合組織。淬火組織容易產(chǎn)生脆性和裂紋。


(2)不*淬火區(qū)。受熱溫度處于 Ac1-Ac3之間,相當(dāng)于不*重結(jié)晶區(qū)。隨母材元素含量或冷卻速度的不同,也可能出現(xiàn)貝氏體、索氏體、珠光體等混合組織。 


(3)回火區(qū)。如母材在焊前是經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的鋼材,還會(huì)存在一個(gè)回火軟化區(qū)。如母材焊前調(diào)質(zhì)回火溫度為t1時(shí),焊接過(guò)程中,當(dāng)受熱溫度超過(guò)此回火溫度 t1(且小于Ac1時(shí)),則發(fā)生過(guò)回火軟化現(xiàn)象。如低于t1,其組織性能不變。




焊接裂紋


焊接裂紋可以通過(guò)肉眼或探傷手段發(fā)現(xiàn)。焊接裂紋的分類(lèi):如按裂紋產(chǎn)生的部位可分焊縫裂紋、熔合區(qū)裂紋、根部裂紋、焊趾裂紋、弧坑裂紋等;如按裂紋產(chǎn)生的機(jī)理可分熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等。焊接裂紋是焊接接頭中最嚴(yán)重的缺陷,在結(jié)構(gòu)和設(shè)備部件中,都不允許存在。



表5 各種焊接裂紋分類(lèi)表

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