精密鋼管金屬材料的性能【技術分享精華版】

金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。

●使用性能是指金屬材料為保證機械零件或工具正常工作應具備的性能，即在使用過程中所表現出的特性。金屬材料的使用性能包括力學性能、物理性能和化學性能等；

●工藝性能是指金屬材料在制造機械零件和工具的過程中，適應各種冷加工和熱加工的性能。工藝性能也是金屬材料采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。

一、金屬材料的力學性能

●金屬材料的力學性能是指金屬材料在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應相關或涉及應力──應變關系的性能，如強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。

●物體受外力作用后導致物體內部之間相互作用的力，稱為內力。

●單位面積上的內力，稱為應力σ(N/mm²)。

●應變?是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化(%)。

金屬材料的力學性能主要有：強度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

（一）強度與塑性

●金屬材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。

●塑性是指金屬材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。金屬材料的強度和塑性指標可以通過拉伸試驗測得。

1．拉伸試驗

●拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸，測量拉伸力和相應的伸長，并測其力學性能的試驗。

（1）拉伸試樣。拉伸試樣通常采用圓柱形拉伸試樣，分為短試樣和長試樣兩種。

長試樣L₀=10d₀；短試樣L₀=5d₀。

（2）試驗方法。

2．力伸長曲線

●在進行拉伸試驗時，拉伸力F和試樣伸長量△L之間的關系曲線，稱為力伸長曲線。

試樣從開始拉伸到斷裂要經過彈性變形階段、屈服階段、變形強化階段、縮頸與斷裂四個階段。

    3．強度指標

金屬材料的強度指標主要有:屈服點σ_s、規定殘余伸長應力σ_0.2、抗拉強度σ_b等。

（1）屈服點和規定殘余延伸應力。

●屈服點是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續伸長(變形)時的應力。屈服點用符號σs表示。單位為N/mm²或MPa。

●規定殘余延伸應力是指試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長與原始標距的百分比達到規定值時的應力，用應力符號σ并加角標“r和規定殘余伸長率”表示，如σ_r0.2表示規定殘余伸長率為0.2%時的應力定為沒有明顯產生屈服現象金屬材料的屈服點。

（2）抗拉強度。

●抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。用符號σ_b表示，單位為N/mm²或MPa。

    4．塑性指標

（1）斷后伸長率。

●試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，用符號δ表示。

使用長試樣測定的斷后伸長率用符號δ₁₀表示，通常寫成δ；使用短試樣測定的斷后伸長率用符號δ₅表示。

（2）斷面收縮率。

●斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

（二）硬度

●硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。在壓入法中根據載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。

 1．布氏硬度

布氏硬度的試驗原理是用一定直徑的硬質合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定的保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據壓痕直徑d計算其硬度值的方法。

布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的，用符號HBW表示，上限為650HBW。

布氏硬度的標注方法是：測定的硬度值應標注在硬度符號“HBW”的前面。除了保持時間為10～15s的試驗條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應在硬度符號“HBW”的后面用相應的數字注明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。例如，150HBW10/1000/30。

2．洛氏硬度

洛氏硬度試驗原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或硬質合金球），壓入試樣表面，試驗時先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力時，根據試樣殘余壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。

測定的硬度數值寫在符號“HR”的前面，符號“HR”后面寫使用的標尺，如50HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬度值為50。

    3．維氏硬度

維氏硬度的測定原理與布氏硬度基本相似，是以面夾角為136°的正四棱錐體金剛石為壓頭，試驗時，在規定的試驗力F（49.03N~980.7N）作用下，壓入試樣表面，經規定保持時間后，卸除試驗力，則試樣表面上壓出一個正四棱錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線d的平均長度，可計算出其硬度值。維氏硬度用符號“HV”表示。

維氏硬度數值寫在符號“HV”的前面，試驗條件寫在符號“HV”的后面。例如，640HV30表示用30kgf(294.2N)的試驗力，保持10～15s測定的維氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的試驗力，保持20s測定的維氏硬度值是640。

（三）韌性

1．一次沖擊試驗

●韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

金屬材料的韌性大小通常采用吸收能量K（單位是焦爾）指標來衡量。

（1）夏比擺錘沖擊試樣。

夏比擺錘沖擊試樣有V型缺口試樣和U型缺口試樣兩種，如圖1-11所示。帶V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣；帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣。

（2）夏比擺錘沖擊試驗方法。

夏比擺錘沖擊試驗方法是在擺錘式沖擊試驗機上進行的。計算公式是：

V型缺口試樣：KV₂或KV₈=A_KV1-A_KV2(J)

U型缺口試樣：KU₂或KU₈=A_KU1-A_KU2(J)

KV₂或KU₂表示用刀刃半徑是2mm的擺錘測定的吸收能量；KV₈或KU₈表示用刀刃半徑是8mm的擺錘測定的吸收能量。

吸收能量大，表示金屬材料抵抗沖擊試驗力而不破壞的能力愈強。

吸收能量K對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質量、宏觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質量。

（3）吸收能量與溫度的關系。

金屬材料的吸收能量與溫度之間的關系曲線一般包括高吸收能量區、過渡區和低吸收能量區三部分。

●當溫度降至某一數值時，吸收能量急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為冷脆轉變。

●金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗中，吸收能量急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。

韌脆轉變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標。金屬材料的韌脆轉變溫度愈低，說明金屬材料的低溫抗沖擊性愈好。

  2．多次沖擊試驗

金屬材料在多次沖擊下的破壞過程是由裂紋產生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段組成。其破壞是每次沖擊損傷積累發展的結果，不同于一次沖擊的破壞過程。

多次沖擊彎曲試驗在一定程度上可以模擬零件的實際服役過程，為零件設計和選材提供了理論依據，也為估計零件的使用壽命提供了依據。

在小能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料強度的高低；在大能量多次沖擊條件下，金屬材料的多次沖擊抗力大小，主要取決于金屬材料塑性的高低。

（四）疲勞

    1．疲勞現象

●循環應力和應變是指應力或應變的大小、方向，都隨時間發生周期性變化的一類應力和應變。

●零件工作時在承受低于制作金屬材料的屈服點或規定殘余伸長應力的循環應力作用下，經過一定時間的工作后會發生突然斷裂，這種現象稱為金屬的疲勞。

疲勞斷裂首先是在零件的應力集中局部區域產生，先形成微小的裂紋核心，即微裂源。隨后在循環應力作用下，微小裂紋繼續擴展長大。由于微小裂紋不斷擴展，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件所受應力不斷增加，當應力超過金屬材料的斷裂強度時，則突然發生疲勞斷裂，形成最后斷裂區。金屬疲勞斷裂的斷口由微裂源、擴展區和瞬斷區組成。

2．疲勞強度

●金屬在循環應力作用下能經受無限多次循環，而不斷裂的最大應力值稱為金屬的疲勞強度。即循環次數值N無窮大時所對應的最大應力值，稱為疲勞強度。

在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應于指定的循環基數下的中值疲勞強度。對于鋼鐵材料其循環基數為10⁷，對于非鐵金屬其循環基數為10⁸。對于對稱循環應力，其疲勞強度用符號σ_-1表示。

●金屬材料在承受一定循環應力σ條件下，其斷裂時相應的循環次數N可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-N曲線。

二、金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能

1．金屬材料的物理性能

●金屬材料的物理性能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現出的性能或固有的屬性。它包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。

（1）密度。

●金屬的密度是指單位體積金屬的質量。

●一般將密度小于5×10³kg/m³的金屬稱為輕金屬，密度大于5×10³kg/m³的金屬稱為重金屬。

（2）熔點。

●金屬和合金從固態向液態轉變時的溫度稱為熔點。

●熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件。

●熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造保險絲和防火安全閥等零件。

（3）導熱性。

●金屬傳導熱量的能力稱為導熱性。

金屬導熱能力的大小常用熱導率(亦稱導熱系數)λ表示。金屬材料的熱導率越大，說明其導熱性越好。一般來說，純金屬的導熱能力比合金好。

（4）導電性。

●金屬能夠傳導電流的性能，稱為導電性。

金屬導電性的好壞，常用電阻率ρ表示，單位是Ω·m。金屬的電阻率越小，其導電性越好。

（5）熱膨脹性。

●金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。

一般來說，金屬受熱時膨脹而且體積增大，冷卻時收縮而且體積縮小。金屬熱膨脹性的大小用線脹系數α_l和體脹系數α_v來表示。

（6）磁性。

●金屬材料在磁場中被磁化而呈現磁性強弱的性能稱為磁性。

根據金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，金屬材料可分為鐵磁性材料和非鐵磁性材料。

2．金屬材料的化學性能

●金屬的化學性能是指金屬在室溫或高溫時抵抗各種化學介質作用所表現出來的性能，它包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學穩定性等。

●金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其它化學介質腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。

●金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。

●化學穩定性是金屬材料的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。

3．金屬材料的工藝性能

●金屬在鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。

鑄造性能包括流動性、充型能力、吸氣性、收縮性和偏析等。

●金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。

鍛造性能的好壞主要與金屬的塑性和變形抗力有關。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。

●焊接性能是指材料在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。

焊接性能好的金屬材料可以獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有良好的力學性能。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。

●切削加工性能是指金屬在切削加工時的難易程度。

切削加工性能好的金屬對刀具的磨損小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。