金屬材料的使用性能

導(dǎo)語

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。

01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見表 1。

表1 金屬的物理性能

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)對它進行化學(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。金屬材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱為耐腐蝕性。

化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是金屬與周圍介質(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。其特點是腐蝕過程不產(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)溶液接觸時發(fā)生作用而引起的腐蝕，稱為電化學(xué)腐蝕。它的特點是腐蝕過程中有電流產(chǎn)生（即所謂微電池作用），其腐蝕產(chǎn)物（鐵銹）不覆蓋在作為陽極的金屬表面上，而是在距離陽極金屬的一定距離處。引起電化學(xué)腐蝕的原因，一般認為與金屬的電極電位有關(guān)。電化學(xué)腐蝕的過程比化學(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，大多屬于這一類型的腐蝕。

表2 常見金屬腐蝕類型

腐蝕率

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

表3金屬材料耐腐蝕性能的分類及級別

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)之間的一門邊緣學(xué)科。因為金屬構(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)定值稱為金屬材料力學(xué)性能指標，如強度指標、塑性指標和韌性指標等。金屬的力學(xué)性能見表4。

表4金屬的力學(xué)性能

04焊接性能

金屬焊接性是金屬材料本身對焊接加工的適應(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，對鋼鐵材料而言，有選用的材料、結(jié)構(gòu)及其接頭的設(shè)計、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。

圖2 焊接熱影響區(qū)的分布特征 1一熔合區(qū)；2一過熱區(qū)；3一正火區(qū)；4一不完全重結(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)、過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全結(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，其強度、韌性較差，應(yīng)引起注意。

(2）過熱區(qū)。受熱溫度一般在1100℃左右，該區(qū)晶粒開始急劇長大，冷卻后會得到粗大的過熱組織，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以上到晶粒開始急劇長大的溫度范圍內(nèi)，此區(qū)晶粒未顯著長大，冷卻后得到均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當于正火熱處理組織，具有好的綜合性能。

(4）不完全重結(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)過冷軋或冷加工變形后，則會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)晶過程，使加工硬化作用消失，強度下降，塑性、韌性提高。但對于有時效敏感性的鋼，在 Ac1-300℃溫度范圍內(nèi)，如時間稍長、極易發(fā)生應(yīng)變時效，使此區(qū)脆化，因此，此區(qū)又叫時效脆化區(qū)，雖其金屬組織無明顯變化，但具有缺口敏感性，焊接時應(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)完全淬火區(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）不完全淬火區(qū)。受熱溫度處于 Ac1-Ac3之間，相當于不完全重結(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)過調(diào)質(zhì)處理的鋼材，還會存在一個回火軟化區(qū)。如母材焊前調(diào)質(zhì)回火溫度為t1時，焊接過程中，當受熱溫度超過此回火溫度t1（且小于Ac1時），則發(fā)生過回火軟化現(xiàn)象。如低于t1，其組織性能不變。

焊接裂紋

焊接裂紋可以通過肉眼或探傷手段發(fā)現(xiàn)。焊接裂紋的分類：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各種焊接裂紋分類表

審核編輯 ：李倩