第二章金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化

金属材料力学性能基本知识

及钢材的脆化

金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。

通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：

1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、导热性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。

2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如锻造，焊接，热处理，压力加工，切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。

1．1材料力学基本知识

金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。

1．1．1 强度

金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。把一定尺寸和形状的金属试样(图1～2)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图1—3)。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。图1—3所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d)，横坐标是伸长量AL(也可换算为应变e)。所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线，分析曲线A，可以将拉伸过程分为四个阶段：

1．弹性阶段即曲线的o-e段，在此段若加载不超过e点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，故e点的应力值为材料只产生弹性变形时应力的最高限，称为弹性极限，曲线的o～e’段为直线，在此段内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，该段称为线弹性阶段。

2．屈服阶段此段又称为流动阶段，即曲线的s点及其后的一段，有微小颤动的水平线，s点称作屈服点，s点之后的一段水平线表明应力不再增加，但应变却继续增大，材料已失去抵抗继续变形的能力，这一阶段里材料的变形主要是塑性变形，此时的应力称为屈服点或屈服强度。在屈服阶段，材料内部晶格间发生滑移，滑移线大致与轴线成45度。

3．强化阶段即曲线的s～b段。当变形超过屈服阶段后，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，即欲使试件继续变形，必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象，材料因此得到强化：曲线的最高点b点所对应的拉力Pb是拉伸过程中试样承受的最大载荷值。该处的应力即为材料的抗拉强度，用σb表示，单位为MPa.

4．颈缩阶段即曲线的b～k段。应力达到抗拉强度σb后，试件的某一局部开始变细，出现所谓颈缩现象。由于颈缩部分的横截面急剧减小，因而使试件继续变形所需的载荷也减小了，曲线明显下降，到达k点时试件被拉断。

抗拉强度σb，屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。现在新的符号抗拉强度Rm，屈服强度(ReL或Rp0.2)。屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；抗拉强度：试样拉断前承受的最大标称拉应力。

一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形，所以

机械设计中应采用σs作为强度指标，并加上适当的安全系数。但由于抗拉强度σb测定较方便，数据也较准确，所以机械设计中也经常采用σb,但需使用较大的安全系数。一般机械设计中，以σs作为强度指标时，安全系数z。=1．5～2．0；采用σb作为强度指标时，安全系数z。=2．0～5．0。在我国现行锅炉规范强度设计中，ns=1．5，nb=2．7；压力容器规范强度设计中，取ns=1．6，nb=3。

图1—3中曲线B为中碳钢的拉伸曲线，曲线C为高碳钢的拉伸曲线，可以看出，随着含碳量的增加，材料抗拉强度增大。有些材料，例如高碳钢、铸铁、以及大多数合金钢，屈服现象不明显，对这些材料，工程上规定试件发生某一微量塑性变形时的应力作为该材料的屈服点，例如以材料塑性伸长0．2％作为屈服点，其屈服强度用σ0．2表示。

1．1．2塑性

塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。

伸长率δ占可用下式确定：δ=[(L1一L。)／L0]×100％

式中：L。——试件原标距长度；

L1——拉断后试件的标距长度。

在材料手册中常常看到δ5和δ10两种符号，它们分别表示用L。=5d和L。=10d(d为试件直径)两种不同长度试件测定的伸长率。同一材料的δ5和δ10是不同的，δ5值较大而δ10值较小，所以相同符号的伸长率才能互相比较。

断面收缩率妒φ可用下式求得：φ=[(A。一A1)／A。]×100％

式中：A。——试件原采的截面积；

A1——试件拉断后颈缩处的截面积‘

断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能更可靠地反映材料的塑性。

对必须承受强烈变形的材料，塑性指标具有重要意义。塑性优良的材料冷压成型的性能好。此外，重要的受力元件要求具有一定塑性，因为塑性指标较高的材料制成的元件不容易发生脆性破坏，在破坏前元件将出现较大的塑性变形，与脆性材料相比有较大的安全性。塑性良好的低碳钢和低合金钢的δ5值在25％以上，国内锅炉压力容器材料的伸长率一般至少要求达10％以上。

伸长率和断面收缩率还表明材料在静载和缓慢拉伸状态下的韧性。在很多情况下，具有高收缩率的材料往往可承受较高的冲击吸收功。

对材料塑性的要求是有一定限度的，并不是越大越好，单纯追求塑性会限制材料强度使用水平的提高，造成产品粗大笨重，浪费材料和使用寿命不长。

1．1．3硬度

硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定关系，一般情况下，硬度较两的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。此外，硬度较高的材料耐磨性较好。

工程上常用的硬度试验方法有以下几种：

1．布氏硬度HB

布氏硬度试验方法是把规定直径的淬火钢球(或硬质合金球)以一定的试验力F压入所测材料表面，保持规定时间后，测量表面压痕直径d，由d计算出压痕表面积A，布氏硬度值HB=F／A。

按照压头种类，布氏硬度值有两种不同表示符号。淬火钢球作压头测得的硬度值用HBS表示，硬质合金作压头测得的硬度值用HBW表示。

布氏硬度试验方法主要用于硬度较低的一些材料，例如经退火，正火，调质处理的钢材，以及铸铁，非铁金属等。

2．洛氏硬度HR

洛氏硬度是采用测量压痕深度来确定硬度值的试验方法。

为了满足从软到硬各种材料的硬度测定，按照压头种类和总试验力的大小组成三种洛氏硬度标度，分别用HRA，HRB，HRC表示。其中HRR使用的是钢球压斗，

金钢石圆锥体压头，用用于测量非铁金属，退火或正火钢等；HRA和HRC使用120

。

于测量淬火钢，硬质合金，渗碳层等。

洛氏硬度试验适用范围广，操作简便迅速，而且压痕较小，故在钢铁热处理质量检查中应用最多。

3．维氏硬度HV

维氏硬度主要用于测量金属的表面硬度。它采用正棱角锥体金刚石压头，在一定试验力下在试件表面压出正方形压痕，测量压痕两对角线平均长度来确定硬度值。

采用较低的试验力可以使维氏硬度试验的压痕非常小，这样就可以测出很小一点区域的硬度值，甚至可以测出金相组织中不同相的硬度。焊接性能试验中的最高硬度试验就是用维氏硬度来测定焊缝，熔合线和热影响区硬度的。

4．里氏硬度HL

里氏硬度的测量原理是：当材料被一个小冲击体撞击时，较硬的材料使冲击体产生的反、弹速度大于较软者。里氏硬度计采用一个装有碳化钨球的冲击侧头，在一定的试验力作用下冲击试样表面，利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系，测量出冲击测头试祥表面1mm处的冲击速度和回跳速度。

里氏稀奇计体积小，重量轻．操作简便。在任何方向上均可测试，所以特别适合现场使用；由于测量获得的信号是电压值，电脑处理十分方便，测量后可立即读出硬度值，并能即时换算为布、洛、维等各种硬度值。

1．1．4冲击韧性

冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机上测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲表示。试样的缺口型式有夏比U型和夏比V型两种,V型缺口根部半击吸收功，以A

k

径小，对冲击更敏感，在锅炉压力容器材料的冲击试验中应用较多。

试样受到摆锤的突然打击而断裂时，其断裂过程是一个裂纹发生和发展过程，在裂纹发展过程中，如果塑性变形能够产生在断裂的前面，就将能阻止裂纹的扩展，而裂纹的继续发展就需消耗更多的能量。因此，冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力。冲击韧性高的材料一般都有较高的塑性，但塑性指标较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性，这是因为在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，往冲击载荷下不一定能迅速发生塑性变形。在材料的各项机械性能指标中，冲击韧性是对材料的化学成分，冶金质量，组织状态，内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。

1．1．6有关材料方面的进一步知识

1．锅炉压力容器壳体的工作应力

绝大多数锅炉压力容器都承受内压，内部压强会使壳体内产生拉应力，这一应力称为工作应力。一般情况下采用薄壁回转壳体的简化模型来计算锅炉压力容器壳体的工作应力。在薄壁回转壳体中，只存在两向应力，即经向应力d。和切向应力σ，在内压作用下的应力大小可用截面法求得，见图1—8，对圆筒形容器，经向应力σ等于轴向应力σ。近似以平均直径D代替内径研，当外径和内力平衡时有:

轴向：σ=PD/4δ

切向：σ=PD/2δ

由公式可知，应力的大小与压力声和容器直径D成正比，与容器壁厚δ成反比；轴向应力σ，是切向应力d。的一半，即对圆筒形容器来说，环焊缝受力只是纵焊缝的一半；而对球形容器来说，不存在切向应力，只是经向应力σ。因此在相同的压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器大约可减少一半。

实际工作状态下的容器，其壳体中的应力是比较复杂的，除了由内压引起的总体薄膜应力外，还存在其它应力，例如由于形状变化，壁厚改变，结构不连续，或存在缺陷等原因引起的局部拉应力，压应力，弯曲应力，峰值应力等。这些应力可通过一些分析计算方法求得。

2.钢材的脆化

用于制作锅炉压力容器受压元件所用的钢材在常温静载条件下一般都有较好的塑性和韧性，工程上习惯称之为塑性材料。人们在使用这些材料时，对可能会发生的脆性破坏往往不够注意，实际上，在一些不利的条件或环境下使用的塑性材料会发生脆化，即塑性和韧性降低的现象，这一现象对锅炉压力容器的使用安全是不利的。因此有必要介绍有关知识。常见的材料脆化现象有以下几种：a．冷脆性

随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降，金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。图1—9为用低碳钢材料制作的有缺口的试样，进行冲击试验，得到的冲击韧度口k随温度变化的典型曲线。可以看出随着温度降低，ak值不断减小，即材料的韧性降低，脆性增加。材料由延性破坏转变到脆性破坏的上限温度称为韧脆转变温度。采用另一种试验方法，即落锤试验可较精确地测定钢材的韧脆转变温度。在不同温度下进行试验，所测试样发生脆性断裂的最高温度称为无塑性转变温度NDT。一般说来，钢材的最低允许工作温度应高于无塑性转变温度，以防发生脆性破坏。

b．热脆性

钢材长时间停留在400～500℃后再冷却至室温时，冲击韧度值会有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。值得注意的是具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化，仍具有较高的冲击韧度，只有当冷却至室温时，才显示出脆化现象。

钢材的热脆性只有通过冲击试验才会明显地显示出来，一般比正常冲击韧度下降50％～60％，甚至下降80％～90％。具有热脆性的钢材，金相组织没有明显的变化。对于工作温度在400～500℃内的受压元件，必须重视热脆性问题。（特别是锅炉用的高温无缝钢管）

c．氢脆

钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。图1—10表示随着钢中含氢量的增加，材料断面收缩率下降的情况。

钢中氢的来源主要为下列三个方面：（1）冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能即时逸出而存留在钢材中；（2）焊接过程中由于水分或油污在高弧高温下分解出的氢溶解入钢材中，（3）设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中。

当钢材中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展过程。脆断应力可低达屈服极限的20％。钢材的强度愈高(所承受的应力愈大)，对氢脆愈敏感。容器中的应力水平，包括工作应力及残余应力是导致氢脆很重要的因素。氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可能几天。

氢致断裂只发生在一100～150℃的温度范围内，很低的温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。焊后保温及热处理就是利用高温下氢能从钢中扩散逸出的原理，用来降低焊缝中氢含量，它是改善焊接接头力学性能的有效措施。

氢对钢铁材料的危害性较大，由于氢而导致材质劣化的现象统称为氢损伤，氢损伤的形式有很多种，除了氢脆以外，还有因氢在钢板分层处聚集引起的氢鼓泡；氢在钢材中心部位聚集造成的细微裂纹群，称为白点；以及钢在高温高压氢作用下，(对碳钢，温度大于250℃，氢分压大于2MPa)，其组织发生脱碳，渗碳体分解，沿晶界出现大量微裂纹，钢的强度、韧性丧失殆尽的氢腐蚀现象等。d．苛性脆化

苛性脆化是由于介质内具有含量很高的苛性钠(NaOH)促使钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象。其破坏形式是在肉眼看到的主裂纹上有大量肉眼看不到的分枝细裂纹。元件发生苛性脆化时，裂纹附近的钢材仍具有良好的塑性及脆性性能。

苛性脆化一般都发生在受压元件的铆接及胀接处。

e．应力腐蚀脆性断裂

由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是塑性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀。它与单纯的由应力造成的破坏或由腐蚀引起的破坏不同，在一定的条件下在很低的应力水平或腐蚀性很弱的介质中，也能引起应力腐蚀。应力腐蚀所引起-的破坏在事先往往没有明显的变形预兆，突然发生脆性断裂，故它的危害性很大。应力腐蚀的速度一般在10-3 mm/h 至1mm/h的数量级范围内，大于通常的腐蚀速度（10-4mm/h）,比单纯由应力产生的断裂速度小些。

应力腐蚀只有在特定条件下才会发生：．

(a)元件承受拉应力的作用。拉应力可由外界因素产生，也可由加工过程中产生。一般来说，只需具有很小的拉应力即可能引起应力腐蚀。

(b)具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境。每种材料只在某些介质中才会发生应力腐蚀，而在另一些介质中不发生应力腐蚀。例如普通钢材会发生应力腐蚀的介质为：氢氢化物溶液、含有硝酸盐、碳酸盐、氰酸盐或硫化氢的水溶液、海水、硫酸一硝酸混合液、液氨等。奥氏体不锈钢会发生应力腐蚀的介质为：酸性及中性的氯化物溶液、海水、热的氟化一物溶液及氢氧化物溶液等。碳钢和低合金钢焊制的压力容器最常见的应力腐蚀环境色．括：湿H2s环境，液氨环境以及NaoH溶液。而奥氏体不锈钢压力容器最常见的应力腐蚀是氯离子引起的。

(c)材料，应力腐蚀的敏感性对钢材来说，应力腐蚀的敏感性与钢材成分、组织及热处理等情况有关。