一文讀懂金屬材料的使用性能

導(dǎo)語(yǔ)

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。

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(biāo)見(jiàn)表 1。

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(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，大多屬于這一類型的腐蝕。

腐蝕率

腐蝕率是指將試樣置于試驗(yàn)介質(zhì)中，經(jīng)時(shí)間后測(cè)量其重量變化所求得的材料的腐蝕 （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：

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)之間的一門邊緣學(xué)科。因?yàn)?a href="/Article-detail-id-3620459.html" title="金屬構(gòu)件">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(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。

04焊接功能

金屬焊接性是金屬資料自身對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，首要指在焊接工藝條件下（包含焊接資料、焊接辦法、焊接工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式等），能否取得焊接接頭的難易 程度以及該接頭能否在規(guī)則的運(yùn)用條件下牢靠運(yùn)轉(zhuǎn)。它包含兩方面內(nèi)容：一是焊接接頭的接合功能，即在焊接工藝條件下，能否得到而無(wú)缺點(diǎn)焊接接頭的能力；一是運(yùn)用功能，即焊接接頭或焊后的全體構(gòu)件能否滿意技術(shù)要求所規(guī)則的各種運(yùn)用條件。影響焊接性的因素很多，對(duì)鋼鐵資料而言，有選用的資料、結(jié)構(gòu)及其接頭的設(shè)計(jì)、工藝辦法及其規(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(guò)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(guò)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(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(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)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(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）不完全淬火區(qū)。受熱溫度處于 Ac1-Ac3之間，相當(dāng)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(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：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嚴(yán)重的缺陷，在結(jié)構(gòu)和設(shè)備部件中，都不允許存在。

參考文獻(xiàn)：[1］阮於珍 ．核電廠材料 ［M]．北京：原子能出版社，2010.