一文讀懂金屬材料的使用性能

導語

金屬材料的性能是選擇材料的主要依據。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出來的性能。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、化學性能和力學性能。

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見表 1。

02化學性能

金屬材料的化學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對它進行化學侵蝕的一種能力。金屬材料的化學性能，主要在于耐腐蝕性。金屬材料抵抗周圍介質腐蝕破壞作用的能力稱為耐腐蝕性。

化學腐蝕

化學腐蝕是金屬與周圍介質直接起化學作用的結果，它包括氣體腐蝕和金屬在非電解質中腐蝕兩種腐蝕形式。其特點是腐蝕過程不產生電流，并且腐蝕產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象，就是化學腐蝕的典型例子。

電化學腐蝕

金屬與酸、堿、鹽等電解質溶液接觸時發生作用而引起的腐蝕，稱為電化學腐蝕。它的特點是腐蝕過程中有電流產生（即所謂微電池作用），其腐蝕產物（鐵銹）不覆蓋在作為陽極的金屬表面上，而是在距離陽極金屬的距離處。引起電化學腐蝕的原因，一般認為與金屬的電極電位有關。電化學腐蝕的過程比化學腐蝕要復雜得多，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介質中，經時間后測量其重量變化所求得的材料的腐蝕 （即均勻腐蝕）速度。腐蝕率可用單位時間、單位面積上的質量損失來表示，計算公式如下：

03力學性能

材料的力學性能是指材料在不同環境（如溫度、介質、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現出的力學特征。由于載荷施加的方式多種多樣，而環境、介質的變化又十分復雜，所以金屬在這些條件下所表現的行為就會大不相同，致使金屬材料力學性能所研究的內容非常廣泛，它已發展成為介于金屬學和材料力學之間的一門邊緣學科。因為金屬構件的承載條件一般用各種力學參量 （如應力、應變和沖擊能量等）來表示，因此，人們便將表征金屬材料力學行為的力學參量的臨界值或規定值稱為金屬材料力學性能指標，如強度指標、塑性指標和韌性指標等。金屬的力學性能見表4。

04焊接功能

金屬焊接性是金屬資料自身對焊接加工的適應性，首要指在焊接工藝條件下（包含焊接資料、焊接辦法、焊接工藝參數和結構形式等），能否取得焊接接頭的難易 程度以及該接頭能否在規則的運用條件下牢靠運轉。它包含兩方面內容：一是焊接接頭的接合功能，即在焊接工藝條件下，能否得到而無缺點焊接接頭的能力；一是運用功能，即焊接接頭或焊后的全體構件能否滿意技術要求所規則的各種運用條件。影響焊接性的因素很多，對鋼鐵資料而言，有選用的資料、結構及其接頭的設計、工藝辦法及其規范，接頭服役的環境條件等因素。

焊接接頭熱影響區的基本組織

焊接接頭一般包括焊縫金屬區、熔合線、熱影響區幾部分。熱影響區系指焊縫兩側金屬因焊接加熱致使組織和性能發生變化的區域。熱影響區組織性能的變化不僅取決于所受的熱循環，而且還取決于母材的成分和原始狀態，如圖2所示。

圖2 焊接熱影響區的分布特征 1一熔合區；2一過熱區；3一正火區；4一不完全重結晶區；5一母材；6-淬火區；7一部分淬火區；8一回火區

不易淬火鋼熱影響區的組織分布及性能

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由熔合區、過熱區、正火區和不完全結晶區四部分組成。 

(1)熔合區。熔合區包括填充金屬熔化區和半熔化區（即加熱溫度在液相線和固相線之間），半熔化區由于化學成分和組織性能有較大的不均勻性，其強度、韌性較差，應引起注意。

(2）過熱區。受熱溫度一般在1100℃左右，該區晶粒開始急劇長大，冷卻后會得到粗大的過熱組織，也叫粗晶區。此區容易產生脆化和 引起裂紋。

 (3)正火區（相變重結晶區）。受熱溫度在 Ac3以上到晶粒開始急劇長大的溫度范圍內，此區晶粒未顯著長大，冷卻后得到均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當于正火熱處理組織，具有好的綜合性能。 

(4）不完全重結晶區。受熱溫度處于Ac1~Ac3之間，此區組織不均勻，晶粒大小不一，其力學性能不均勻。 

以上四區是低碳鋼、低合金鋼熱影響區的基本組織特征。但有些母材在焊前，經過冷軋或冷加工變形后，則會在處于受熱溫度接近 500℃-Ac1之間的范圍內，金屬發生再結晶過程，使加工硬化作用消失，強度下降，塑性、韌性提高。但對于有時效敏感性的鋼，在 Ac1-300℃溫度范圍內，如時間稍長、極易發生應變時效，使此區脆化，因此，此區又叫時效脆化區，雖其金屬組織無明顯變化，但具有缺口敏感性，焊接時應注意。

易淬火鋼熱影響區的組織分布及性能

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、如調質鋼和 中碳鋼等。

 (1)完全淬火區。受熱溫度處于固相線到A,之間，此區由于晶粒長大，得到粗大的馬氏體，如冷卻速度不同，還可能出現馬氏體和貝氏體混合組織。淬火組織容易產生脆性和裂紋。

(2）不完全淬火區。受熱溫度處于 Ac1-Ac3之間，相當于不完全重結晶區。隨母材元素含量或冷卻速度的不同，也可能出現貝氏體、索氏體、珠光體等混合組織。 

(3)回火區。如母材在焊前是經過調質處理的鋼材，還會存在一個回火軟化區。如母材焊前調質回火溫度為t1時，焊接過程中，當受熱溫度超過此回火溫度 t1（且小于Ac1時），則發生過回火軟化現象。如低于t1，其組織性能不變。

焊接裂紋

焊接裂紋可以通過肉眼或探傷手段發現。焊接裂紋的分類：如按裂紋產生的部位可分焊縫裂紋、熔合區裂紋、根部裂紋、焊趾裂紋、弧坑裂紋等；如按裂紋產生的機理可分熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、應力腐蝕裂紋等。焊接裂紋是焊接接頭中嚴重的缺陷，在結構和設備部件中，都不允許存在。

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