第三章 金属学、热处理与压力容器材料3.1 金属学基本知识3.1.1 金属材料力学性能概述金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力的大小。
它是判定金属力学性能的依据，评定金属材料质量的判据，同时也是设计选材和进行强度计算的主要依据。
金属材料的力学性能包括常温下的强度、塑性、韧性，例如屈服点或屈服强度σS （σ0.2）、抗拉强度σb 、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性A k 等；以及特定条件下的力学性能，例如高温强度、低温冲击韧性、疲劳极限、断裂力学性能等。
金属力学性能试验是测定金属力学性能指标所进行的试验。
包括拉伸试验、弯曲试验、剪切试验、冲击试验、硬度试验、蠕变试验、应力松驰试验、疲劳试验、断裂韧性试验、磨损试验等。
1. 金属材料强度指标（1）屈服强度材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象，称为屈服。
材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用s σ表示。
我国标准规定s σ取钢材的下屈服点值。
除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等有屈服现象外，多数工程材料的屈服点不明显或没有屈服点，此时规定以产生0.2%残余伸长的应力作为屈服强度，用2.0σ表示。
（2）抗拉强度试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用b σ表示。
零件设计选材时，一般应以s σ或2.0σ为主要依据。
但b σ的测定比较方便精确，因此也有直接用b σ作为设计依据的，从安全方面考虑，用b σ作为设计依据采用较大的安全系数。
由于脆性材料无屈服现象，则必须以b σ作为设计依据。
（3）持久极限持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下，达到规定时间而不断裂的最大应力。
常用符号为b σ带有一个或两个指数来表示。
例如7001000/b σ，表示在试验温度为700℃时，持久时间为1000h 的应力，即所谓高温持久极限。
（4）蠕变极限蠕变极限又称蠕变强度，是在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕变总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。
蠕变极限一般有两种表示方法。
一种是在给定温度T 下，使试样承受规定蠕变速度的应力值，以符号T εσ表示，其中ε为蠕变速度，%/h 。
例如6001015−×σ，即表示在试验温度为600℃时，蠕变速度为1×10-5%/h 的蠕变极限。
另一种是在给定温度（T ，℃）下和规定试验时间（t ，h ）内，使试样产生一定蠕变变形量（δ，%）的应力值，以符号T t /δσ表示。
2. 金属材料塑性指标（1）延伸率5δ金属材料在拉抻试验时，试样拉断后，其标距部分的总伸长L Δ与原标距长度o L 之比的百分比，称为伸长率，也称延伸率，用δ表示。
%100%1001×−=×Δ=o o o L L L L L δ （3.1.1）按试样长度的不同，有长试样与短试样之分。
其对应的断后伸长率分别以10δ和5δ表示。
在容器用钢中，通常以5δ来表示材料的伸长率。
（2）断面收缩率ψ金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面面积的百分比，称为断面收缩率，用ψ表示。
塑性材料的断面收缩率较大，脆性材料的断面收缩率较小。
%100×Δ=o A A ψ （3.1.2） 式中 A Δ——缩颈处横截面积的最大缩减量；o A ——原来的横截面面积。
（3）冷弯性能金属材料在常温下承受弯曲而不破裂的能力，称为冷弯性能。
冷弯试验用以考核材料弯曲变形的能力并且能使存在的缺陷显示出来，在一定程度上模拟了压力容器制造时卷板机的工艺情况，是容器用钢材与焊接接头力学性能考核的重要指标。
出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。
弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d 对材料厚度a 的比值来表示。
3. 金属材料韧性指标（1）冲击韧度金属材料在使用过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。
材料的韧性与加载速率、应力状态及温度等有很大关系。
试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功称为冲击吸收功。
冲击试样缺口底部单位横截面上的冲击吸收功称为冲击韧度。
冲击韧度是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗力的机械性能指标，用k a 表示，单位为J/cm 2。
我国压力容器材料及焊接接头冲击试样规定采用夏比V 型缺口，冲击试验有许多种，例如常温冲击试验、低温冲击试验、高温冲击试验、应变时效冲击试验等。
采用标准试样进行试验得到的冲击吸收功来检验材料化学成分、金相组织、和加工工艺对其韧性的影响，冲击值单位为A KV /J 。
K a 是早先工程技术上习惯用来作为材料韧脆程度度量及材料承受冲击载荷的抗力指标，后来发现这是不适宜的。
因为K a 是单位面积的冲击吸收功，与试样形状、截面尺寸、缺口形状和尺寸无关。
而实际上由试样截面尺寸和缺口形状及其尺寸的改变所引起的冲击吸收功K A 的变化，与缺口处净截面积并不成线性关系。
所以截面尺寸不同，所得的K a 也不同。
另一方面，试样断裂时伴随着试样部分体积的严重的塑性变形，也就是说，冲击吸收功消耗于产生两个新的自由表面和一部分体积的塑性变形上，因此，定义K a 为单位面积的冲击吸收功，并没有反映出冲击吸收功的实质。
目前，国际上通用以冲击功吸收K A 为冲断试样消耗的总功，只要试样符合标准，就不会出错，应用也简便。
但是进一步研究发现用K A 表示也存在问题，因为K A 值也不能完全代表试样断裂前所吸收的总功。
冲断试样消耗的总功可分为两部分，其一消耗于试样的变形和断裂；其二消耗于试样掷出及机座本身振动。
因此，所吸收的总功K A 为：K A ＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动+…。
由于一般情况下，后几项功很小，因此以K A 作为试样断裂所吸收的能量误差很小，有足够精度。
但对很脆的材料必须注意，不能用大能量摆锤进行实验，因为此时第一项较小，而后几项相对增大。
因此会引起较大测量误差。
（2） 断裂韧度断裂韧性是反映材料抵抗裂纹临界扩展的一种能力，它是材料固有的力学性能参数。
大量的试验表明，它一方面取决于材料的成分、组织和结构等内在因素，另一方面又受到加载速率、温度和试样厚度（即应力状态）等外在条件的影响。
相对材料的其他力学性能来说，材料的断裂韧度是一个比较敏感的力学性能指标，它对于材料研究、应用、制造工艺的选择以及零部件的失效分析有重要的意义。
评价材料断裂韧度最常用的指标是临界应力强度因子K IC 和和裂纹张开位移COD 。
①临界应力强度因子K IC按照应力强度因子的一般表达式，应力强度因子K I 与裂纹尺寸的平方根及垂直于裂纹的应力成正比。
当裂纹尺寸或应力增加时，K I 随之增加。
当K I 达到某一临界值K IC 时，裂纹处于临界状态，若K I 再增加，裂纹将会失稳扩展。
因此，裂纹失稳扩展的临界条件为：K I =K IC （3.1.3） 式中K IC 表示材料对裂纹扩展的抵抗能力，称为I 型受力时的临界应力强度因子，又称为平面应变断裂韧度（plane —strain fracture toughness ）。
K IC 是在裂纹尖端平面应变条件下的裂纹扩展阻力。
在传统的强度计算中，强度指标s σ和b σ与塑性指标δ和ψ之间是相互分割的，且塑性指标在强度计算中并不定量反映。
而K IC 既反映了材料的强度性能，又反映了材料的塑性性能。
断裂韧度K IC 的测试方法可按照《ASTM E399金属材料平面应变断裂韧性标准试验方法》、《GB4161-84金属材料平面应变断裂韧度K IC 试验方法》方法和《GB7732-87金属板材表面裂纹断裂韧度试验方法》进行。
②裂纹张开位移COD （crack opening displacement ）当裂纹尖端超过小范围屈服而进入大范围屈服时，以应力场的强弱来描述受力的大小已没有实际意义，因此断裂失稳扩展临界条件K I =K IC 也失效了。
在弹性断裂力学中，以裂纹张开位移法即COD 法应用最广。
研究表明，不同厚度试样在破坏时的临界张开位移基本相同。
因此可用裂纹张开位移作为断裂判断依据参量。
采用裂纹张开位移法即COD 法的断裂判据为：δ≤c δ （3.1.4） 式中 δ——外力所产生的裂纹张开位移；c δ——裂纹张开位移临界值，与线弹性断裂力学中的断裂韧性K IC 相似，它反映材料对裂纹开裂的抗力。
材料的c δ和K IC 之间存在下列近似的关系：2IC C s K E δσ= （3.1.5）式中 E ——弹性模量；s σ——屈服强度。
3.1.2 金属学基本知识概述1. 金属的晶体结构物质是由原子构成的。
根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。
由基本单元按一定间隔重复，按规则的排列方式构成的材料称为晶体。
而内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。
在固态金属中，晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。
常见的晶体结构有：1. 体心立方晶格，如图3.1-1a 。
属于此类的金属有α—铁，δ—铁，Cr ，V ，β—Ti 等。
2. 面心立方晶格，如图3.1-1b 。
属于此类的金属有γ—铁，Al ，Cu，Ni 等。
3. 密排六方晶格，如图3.1-1C 。
属于此类的金属有Mg ，Zn ，α—Ti 等。
不同晶体结构的材料具有不同特性。
体心立方晶格的金属均具有较高强度、硬度、熔点，而塑性、韧性较差，且具有冷脆性；面心立方晶格的金属具有较好的塑性、韧性，没有冷脆性。
密排六方晶格强度低且塑性韧性差，一般不用作结构材料。
实际使用的金属是由许多晶粒组成的，叫做多晶体。
每一晶料相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的，如图3.1-2所示。
晶粒之间的界面称为晶界。
晶界是一种晶格缺陷，具有以下特点：晶界处的原子能量高，相对不稳定，易被腐蚀；晶界杂质多，发生相变时先形成晶核，或先熔化；晶界能阻碍晶体滑移变形，具有强化作用。
此外，晶体内部还存在着不同位向差的小尺寸晶块组成的亚结构，其交界面称亚晶界。
亚晶界对材料的强度和硬度也有影响。
实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，金属主体原子中存在的另类原子称为杂质，杂质和晶体中的原子排列错误统称为“缺陷”，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四类。
常见的晶格缺陷有空位，间隙原子，置代原子，位错等。
由空位，间隙原子，置代原子产生的缺陷属点缺陷。
基体原子称溶剂原子，杂质称溶质原子。
杂质处于溶剂原子之间的空间所构成的混合形式称间隙固溶体；杂质取代溶剂原子所构成的混合形式称置代固溶体。
线缺陷最主要的形式是位错，主要包括四种类型：刃型位错、螺型位错、混型位错以及位错环。
面缺陷包括自由表面、晶界、小角度倾斜或扭转晶界、孪晶界，以及亚晶界等。
