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北京時(shí)代新天測控技術(shù)有限公司
中級會(huì)員 | 第18年

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無損檢測人員應(yīng)掌握的材料與冶金工藝基礎(chǔ)知識

時(shí)間:2014-2-27閱讀:1565
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5.2 金屬材料性能的基礎(chǔ)知識 
金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個(gè)方面,即:機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。 
一.機(jī)械性能 
(一)應(yīng)力的概念 
物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力,在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力(例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力…等等)。 
(二)機(jī)械性能 
金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時(shí),抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能(也稱為力學(xué)性能)。金屬材料承受的載荷有多種形式,它可以是靜態(tài)載荷,也可以是動(dòng)態(tài)載荷,包括單獨(dú)或同時(shí)承受的拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,以及摩擦、振動(dòng)、沖擊等等,因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng): 
1.強(qiáng)度 
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的大能力,可分為抗拉強(qiáng)度極限(σb)、抗彎強(qiáng)度極限(σbb)、抗壓強(qiáng)度極限(σbc)等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循,因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定,即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣,在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸,直至試樣斷裂,測定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有: 
(1)強(qiáng)度極限:材料在外力作用下能抵抗斷裂的大應(yīng)力,一般指拉力作用下的抗拉強(qiáng)度極限,以σb表示,如拉伸試驗(yàn)曲線圖中高點(diǎn)b對應(yīng)的強(qiáng)度極限,常用單位為兆帕(MPa),換算關(guān)系有:1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa   σb=Pb/Fo 
式中:Pb–至材料斷裂時(shí)的大應(yīng)力(或者說是試樣能承受的大載荷);Fo–拉伸試樣原來的橫截面積。
σs=Ps/Fo  單位:兆帕(MPa) 式中:Ps –達(dá)到屈服點(diǎn)S處的外力(或者說材料發(fā)生屈服時(shí)的載荷)。
 
對于塑性高的材料,在拉伸曲線上會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn),而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點(diǎn),從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服極限。因此,在拉伸試驗(yàn)方法中,通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限,用σ0.2表示。 
屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比(即σs /σb)要小,以提高其安全可靠性,不過此時(shí)材料的利用率也較低了。 
 
(3)彈性極限:材料在外力作用下將產(chǎn)生變形,但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的大應(yīng)力即為彈性極限,相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn),以σe表示,單位為兆帕(MPa):σe=Pe/Fo  式中Pe為保持彈性時(shí)的大外力(或者說材料大彈性變形時(shí)的載荷)。 
(4)彈性模數(shù):這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變δ(與應(yīng)力相對應(yīng)的單位變形量)之比,用E表示,單位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα 式中α為拉伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。
 
彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標(biāo)(金屬材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛性)。 
2.塑性 
金屬材料在外力作用下產(chǎn)生*變形而不破壞的大能力稱為塑性,通常以拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣標(biāo)距長度延伸率δ(%)和試樣斷面收縮率ψ(%)表示: 
延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%,這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標(biāo)距長度L1與試樣原始標(biāo)距長度L0之差(增長量)與L0之比。 
在實(shí)際試驗(yàn)時(shí),同一材料但是不同規(guī)格(直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長度)的拉伸試樣測得的延伸率會(huì)有不同,因此一般需要特別加注,例如常用的圓截面試樣,其初始標(biāo)距長度為試樣直徑5倍時(shí)測得的延伸率表示為δ5,而初始標(biāo)距長度為試樣直徑10倍時(shí)測得的延伸率則表示為δ10。 
斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口*處小截面積F1之差(斷面縮減量)與F0之比。實(shí)用中對于常用的圓截面試樣通??赏ㄟ^直徑測量進(jìn)行計(jì)算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-試樣原直徑;D1-試樣拉斷后斷口*處小直徑。 
δ與ψ值越大,表明材料的塑性越好。 
3.硬度 
金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度,或者說是材料對局部塑性變形的抵抗能力。因此,硬度與強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。根據(jù)硬度的測定方法,主要可以分為: 
(1)布氏硬度(代號HB) 
用一定直徑D的淬硬鋼球在規(guī)定負(fù)荷P的作用下壓入試件表面,保持一段時(shí)間后卸去載荷,在試件表面將會(huì)留下表面積為F的壓痕,以試件的單位表面積上能承受負(fù)荷的大小表示該試件的硬度:HB=P/F。在實(shí)際應(yīng)用中,通常直接測量壓坑的直徑,并根據(jù)負(fù)荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數(shù)值表上查出布氏硬度值(顯然,壓坑直徑越大,硬度越低,表示的布氏硬度值越?。?。 
布氏硬度與材料的抗拉強(qiáng)度之間存在一定關(guān)系:σb≈KHB,K為系數(shù),例如對于低碳鋼有K≈0.36,對于高碳鋼有K≈0.34,對于調(diào)質(zhì)合金鋼有K≈0.325,…等等。  
(2)洛氏硬度(HR) 
用有一定頂角(例如120°)的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球,在一定負(fù)荷P作用下壓入試件表面,保持一段時(shí)間后卸去載荷,在試件表面將會(huì)留下某個(gè)深度的壓痕。由 洛氏硬度機(jī)自動(dòng)測量壓坑深度并以硬度值讀數(shù)顯示(顯然,壓坑越深,硬度越低,表示的洛氏硬度值越?。?。根據(jù)壓頭與負(fù)荷的不同,洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種,其中以HRC為常用。 
洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下?lián)Q算關(guān)系:HRC≈0.1HB。 
除了常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外,還有維氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)、顯微硬度以及里氏硬度(HL)。

這里特別要說明一下關(guān)于里氏硬度,這是目前穎的硬度表征方法,利用里氏硬度計(jì)進(jìn)行測量,其檢測原理是:
里氏硬度計(jì)的沖擊裝置將沖頭從固定位置釋放,沖頭快速?zèng)_擊在試件表面上,通過線圈的電磁感應(yīng)測量沖頭距離試件表面1毫米處的沖擊速度與反彈速度(感應(yīng)為沖擊電壓和反彈電壓),里氏硬度值即以沖頭反彈速度和沖擊速度之比來表示:HL=(Vr/Vi)·1000
式中:HL-里氏硬度值;Vr-沖頭反彈速度;Vi-沖頭沖擊速度(注:實(shí)際應(yīng)用裝置中是以沖擊裝置中的閉合線圈感應(yīng)的沖擊電壓和反彈電壓代表沖擊速度和反彈速度)。
 

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