金属构造、机械性能及受力影响分析

金属构造、机械性能及受力影响分析

杨永平

中国石油大学（华东）石油工业训练中心，山东 东营 257000

摘要：本文简要论述了金属的构造、机械性能和金属在受力时结构和性能的变化，以为研制金属材料及正确地选用金属材料和金属工艺提供基本理论指导。

关键词：金属学；构造；机械性能；受力

金属学是研究金属及合金的成分、组织和性能，以及它们三者之间关系的一门科学。金属及合金的性能不仅取决于它们的化学成分，而且也取决于它们的内部组织。而金属或合金的组织的形成和变化是与外界条件及其变化有着密切联系的。所以，金属学还研究金属或合金的组织及性能与外界条件及其变化之间的关系。所谓外界条件是指温度、加热及冷却速度、冷加工塑性变形、浇注及结晶条件等。如熔化焊的过程就是靠近焊缝的母材被加热、冷却和焊缝金属结晶并随后冷却的过程，与此同时，焊接接头的某些部位还发生一定的塑性变形。由此可见，金属学能够为研制金属材料及正确地选用金属材料和金属工艺提供理论上的指导。

一、金属的构造

金属和其它物质一样，是由原子构成的。由于原子在金属内的排列是有规则、有次序的，因此，金属的构造属于晶体。与非晶体不同，金属具有固定的熔点，例如纯铁的熔点是1535℃;铜的熔点是1083℃。由于晶格中的原子在不同方向上的距离和结合能力不同，所以晶体的性能随着方向的不同也是不同的。金属的原子有一定的排列规则，形成了所谓“空间晶格”。金属晶格常见的有体心立方晶格与面心立方晶.它的三个相互垂直的边长彼此相等。除立方体的八个角上各有一个原子外，立方体的中心还有一个原子。从面心立方晶格中取出来的一个单位立方晶格，与体心立方晶格不同的是：立方体的中心没有原子，而在立方体的六个面的中心各有一个原子。

二、金属的机械性能

金属的机械性能是金属受力时所反映出来的性能。金属的机械性能主要有：强度、弹性、塑性、硬度和冲击韧性等。

轧制金属沿轧制方向和垂直轧制方向的机械性能(特别是塑性和韧性)是不同的。焊接接头及焊缝金属的机械性能也随着取试样方向的不同，而往往有某些差异。因此，从钢板和焊接试板上截取机械性能试样时，应注意按有关规定所要求的取样方向进行取样。

材料在缓慢加载的静力作用下抵抗断裂的能力叫做强度。按照作用力的性质不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。在工程上常用的是抗拉强度。

材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后，仍能恢复其原来形状的变形叫做弹性变形。弹性就是具有这种弹性变形能力的特性。

材料在外力作用下产生了大于弹性变形极限能力的变形量，同时没有引起金属的断裂，在去掉外力后不能完全恢复原来的形状，而出现残余变形，这部分残余变形叫做塑性变形。塑性就是具有这种塑性变形能力的特性。金属塑性的好坏可用拉伸试棒的延伸率(或叫做相对伸长率，用符号8表示和相对面积收缩率(或叫做断面收缩率，用符号表示)来衡量。

金属在破断前吸收能量的大小称为材料的韧性，它是材料的破断强度与塑性等机械性能的综合体现。

金属抵抗另一种更硬的物体压入自己体内的能力叫做硬度。硬度可以用不同的方法在不同的仪器上测定。

测定上述性能的试验，叫做金属的机械性能试验。机械性能试验的种类主要有：拉伸试验、冲击韧性试验和硬度试验等。此外，还常采用冷弯试验来检验金属原材料或焊接接头的塑性。

四、金属在受力时结构和性能的变化

1.金属的弹性变形和塑性变形

金属在外力作用下，产生一定的变形。变形将引起金属晶格结构的变化，从而导致机械性能的变化。例如钢板经过卷筒加工后，塑性和韧性将有一定程度的下降；同时强度和硬度将有一定程度的上升。又如铁丝在反复弯折时可以感到它逐渐变硬。这些都是晶格结构发生变化的结果。

金属在外力的作用下产生的变形分弹性变形和塑性变形两种。金属在弹性变形时只发生原子之间距离的暂时性变化。当引起变形的外力去除后，晶格恢复原来的形状，金属的外形也就完全恢复为原来的外形。当作用在晶体上的外力继续增加时，晶体就继续变形。当变形量超过金属弹性变形能力的极限后，便开始产生塑性变形。这部分塑性变形在外力去除后，不能恢复原状。

经过塑性变形的金属，晶粒沿着外力的方向被拉长了。在每个伸长的晶粒里，晶格受严重的歪扭，其结果是金属的硬度和强度提高，塑性和韧性降低。变形金属产生所谓加工硬化的现象。焊接件在生产过程中的卷筒、压弯、冷校直等均属于冷加工，也都发生不同程度的加工硬化现象。

然而，硬化现象不仅发生在冷塑性变形的瞬间，而且在变形以后，金属的硬度继续在缓慢地升高，只不过是在冷塑性变形的瞬间硬度上升较快，而在这以后，硬度的上升逐渐缓慢下来。这种随着时间的延长，硬度逐渐升高的现象，叫做金属在冷塑性变形后的“自然时效”。工业上为了检验时效以后的金属韧性，常常采用在冷塑性变形后再加热的办法加速时效的过程。这种办法叫做“人工时效处理”。焊接试板的人工时效处理方法是：将焊接试板初步加工后，放在拉力试验机上，顺着焊缝方向将焊缝金属及其两侧的热影响区及母材一起拉长10%(或5%)。然后放入炉中加热到250,保温1小时，空气中冷却。从这种处理过的试板上截取的焊缝冲击试样所获得的冲击值，叫做该焊缝的时效冲击值。对某一焊接结构的焊接接头或焊缝金属，是否需要进行时效冲击韧性试验，由设计部门规定。

2.金属的再结晶

经过塑性变形的金属还可以恢复其塑性和韧性，其办法是，通过热处理消除晶格的歪扭现象，使原子重新回到稳定位置。这时金属的硬度和强度回降，塑性和韧性回升。这种热处理叫做再结晶热处理。

每一种金属都有一定的再结晶温度。这个温度一般与金属的熔点高低有关。例如铁为450℃左右，铜为300℃左右，铅和锡的再结晶温度甚至低于室温。当采用的热处理温度高于该金属的再结晶温度时，再结晶的过程可以加速完成。例如工业上，钢在600~680℃进行低温退火可以用于经过冷加工变形后的冷拔钢丝、冷轧钢板或冷加工变形后的焊接件，使它们通过再结晶，降低钢的硬度、强度和脆性，提高韧性和塑性，并消除内应力。在焊接件的生产中，钢材及随之一起冷变形的焊缝(如带有焊缝钢板的卷筒、冷校或冷冲压),并不是在所有情况下都必须经过再结晶热处理后才能保证焊接件的安全使用。对于不同的材料及不同的冷变形量，一般要由设计者规定是否进行热处理。

3.晶粒度对金属塑性变形能力的影响

不同金属及其所具有的不同组织结构有着不同的塑性变形能力或者叫塑性变形的极限值。这一极限值一般用延伸率或断面收缩率来表示。在化学成分及组织结构相同的情况下，细晶粒比粗大晶粒金属的塑性和韧性高。在焊接时，一般都要注意避免在焊接接头中出现晶粒粗大的过热组织。这种严重过热的组织，多半是由于焊接速度过慢、焊嘴或电弧能率过大、工件散热条件不利或预热温度过高等工艺上的原因所造成。焊接时的过热组织主要发生在热影响区的过热区，有时也发生在焊缝金属，因为这些部位有可能由于上述的工艺上的原因在过热温度下停留的时间过长，使晶粒过分长大。

参考文献：

[1]马艳秀，杨小勇，叶萍，等。材料化学成分对耐热金属材料的影响初探[J].原子能科学技术，2009,(12)

[2]贺晓燕，周世平，王健，等Mn对耐热金属材料机械性能的影响[J].贵金属，2011,(05).

[3]任乃飞，杨继昌，蔡兰，等焊接对耐热金属材料机械性能的影响[J].机械制造，2010,(03)