第二节 化工用金属材料的性能
金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能及化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成型的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能及切削加工性等。
一、金属材料的力学性能
金属材料在加工和使用过程中都要受到外力的作用，这种外力称为载荷。当载荷在某一极限范围内时，材料本身一般不发生明显的变形或断裂，说明金属材料对外力具有一定的抵抗能力。但是，当外力超过某一极限时，金属材料就会发生变形，甚至断裂。人们把金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗能力称为金属的“力学性能”。常用的力学性能指标有强度、弹性、塑性及疲劳强度等。
1.强度、弹性、塑性及其测定
强度是材料在静载荷作用下抵抗破坏的能力。根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。其中以拉伸试验所得的强度指标应用最为广泛。
弹性是指材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后材料恢复原状的这种性能称为弹性。外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。反映材料弹性的指标有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量及泊松比等。
金属材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力称为“塑性”。常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
抗拉强度、弹性、塑性和刚度是通过静拉伸实验测定的。实验时在拉伸机上对圆柱试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，直至把试样拉断为止。这种外部施加的载荷称为外力；由于外力作用，物体内部产生某种抵抗外力的力称为内力。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生变形的大小，可以测定该材料的强度和塑性。
（1）拉伸曲线。静拉伸实验一般是指在常温、单向静拉伸载荷作用下，采用图1-1拉伸试样在拉伸机上进行。拉伸试验机上带有自动记录装置，可以自动记录作用在试样上的力和由受力而引起的试样伸长，绘出载荷（P）与伸长量（Δl）的关系曲线，这种曲线叫做拉伸曲线或拉伸图。图1-2是低碳钢的拉伸曲线，纵坐标表示载荷（P），横坐标表示试样在载荷（P）的作用下的绝对伸长量（Δl）。连接各点所得到的曲线即为拉伸曲线。
由图1-2可知，低碳钢式样在拉伸过程中其载荷与伸长量关系有以下三个阶段。
①弹性变形阶段。在拉伸曲线图上，oe为弹性变形阶段，在此阶段，材料受外力作用而变形，若外力卸掉，变形全部消失，即试样恢复原来尺寸。当载荷不超过Pp时，拉伸曲线op为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比例增加；当载荷超过Pp后，拉伸曲线开始偏离直线，即试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，Pe是试样发生完全弹性变形的最大载荷。
②塑性变形阶段。当载荷超过Pp后，试样将进一步伸长，但此时若去除载荷，弹性变形消失。而另一部分变形被保留，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种不能恢复的变形称为塑性变形或永久变形。当载荷达到Ps时，拉伸曲线出现水平或锯齿形的线段，这表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服”。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。
图1-1 拉伸试样
图1-2 低碳钢的拉伸曲线
③断裂阶段。当载荷超过Ps后，试样的伸长量与载荷将呈曲线关系上升，但曲线的斜率比op段的小，即载荷的增加量不大，而试样的伸长量却很大。这表明在载荷超过Ps后，试样已开始产生大量均匀的塑性变形。当载荷继续增大越过最大值（Pb）时，试样的局部横截面积缩小，产生所谓“颈缩”现象。由于试样局部横截面的逐渐减小，承载能力也逐渐降低，当达到拉伸曲线k点时，试样断裂。Pk为试样断裂时的载荷。
应该指出，某些脆性金属材料（如铸铁等）在进行静拉伸实验时，在尚未产生明显塑性变形时已经断裂，故不仅没有屈服现象，而且也不产生“颈缩”变形。
（2）应力—应变曲线。以材料的拉伸图为基础，以应力作纵坐标，以应变作横坐标绘制的曲线，称为应力—应变（σ—ε）曲线，如图1-3所示。
图1-3 低碳钢的应力—应变曲线
①应力。物体由于外力作用而变形时，在物体内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，即各部分之间产生相互作用的内力，力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置，材料内部的这个集中在某一点上的反作用力就称为应力，其大小等于单位面积上所承受的内力，该内力近似等于外加的载荷，则物体所承受的应力等于物体承受的载荷除以物体的原始横截面积，单位为MPa。
②应变。当材料在外力作用下产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变。例如，当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形（ΔL），那么圆柱体的长度则变为（L+ΔL）。这里，由伸长量（ΔL）和原长（L）的比值所表示的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”。分为“轴向应变”和“横向应变”，没有单位，值很小（约1×10-6）。
③应力与应变的关系。在实际生产中，无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。应力与应变的关系通过应力—应变曲线反应出来。
比较低碳钢的拉伸曲线（图1-2）和其应力—应变曲线（图1-3），可以看出，两者具有相同的形状，但其横、纵坐标不同，两曲线的意义也不同。应力—应变曲线的纵坐标表示应力，单位是MPa。横坐标表示相对伸长量。在应力—应变曲线上可以直接读出材料的力学性能指标。如屈服强度（σs），强度极限（σb），伸长率（σk）等，由图1-3应力—应变曲线可以反应出不同曲线段的强度指标。
（3）强度、弹性指标及其测定方法。反应强度、弹性的指标有比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限和断裂强度。
①比例极限（σp）。当应力比较小时，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系，满足胡克定律，即在应力低于比例极限的情况下，固体中的应力（σ）与应变（ε）成正比，即σ=Εε，式中E为常数，称为弹性模量，因英国的托马斯·杨首先给出弹性模量的定义，所以弹性模量又称杨氏模量，对应的最大应力称为比例极限，即图1-3中的σp。当应力超过σp时，曲线开始偏离直线，因此称σp为比例极限，是应力与应变直线关系的最大应力值，且：
式中：Pp ——比例极限的载荷，N；
A0 ——试样的原截面积，mm2。
②弹性极限（σe）。在应力—应变曲线中，应力在σe时称为弹性强度极限，该阶段为弹性变形阶段。当应力继续增加，超过σe以后，试样在继续产生弹性变形的同时，也伴随有微量的塑性变形，因此σe是材料由弹性变形过渡到塑性变形的应力。应力超过弹性极限以后，便开始发生塑性变形。
式中：Pe ——弹性极限的载荷，N。
为了便于比较，根据材料构件服役条件的要求，规定产生一定残余变形的应力作为“规定弹性极限”。国家标准中规定以残余伸长为0.01%的应力作为规定残余伸长应力，用σ0.01表示。弹性极限并不是材料对最大弹性变形的抵抗力，因为应力超过弹性极限之后，材料在发生塑性变形的同时，还要继续产生弹性变形。所以，弹性极限是表征开始塑性变形的抵抗力。严格来说，是表征微量塑性变形的抵抗力对应的应力值。
材料在剪切弹性变形阶段中剪应力（τ）与剪应变（γ）的比值称为剪切弹性模量，简称剪切模量。以G表示剪切弹性模量，则G=τ/γ或τ= Gγ。
泊松比是指材料沿载荷方向产生伸长（或缩短）变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短（或伸长）变形。垂直方向上的应变（ε1）与载荷方向上的应变（ε）之比的负值称为材料的泊松比，以v表示泊松比，则v=-ε1/ε。在材料弹性变形阶段内，v是一个常数。理论上，材料的三个弹性常数E、G、v中，只有两个是独立的，因为它们之间存在如下关系：
③屈服极限（σs）。屈服极限是材料开始明显塑性变形的最低应力值，在拉伸过程中，当应力达到一定值时拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变（图1-2），在应力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段恒定载荷（Ps）所对应的应力为材料的屈服点。
式中：Ps —— 载荷在不增加或开始下降时，试样还继续伸长的恒定载荷或首次下降的最小载
荷，N。
屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标，屈服点（σs）的载荷可借助拉伸曲线的纵坐标来确定。
除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服现象外，大多数金属合金都没有屈服点，因此，规定产生0.2%残余应变的应力作为屈服强度，以σ0.2表示，有：
式中：P0.2 ——产生0.2%残余应变的载荷，N。
屈服强度（σ0.2）和屈服点一样，表征材料发生明显塑性变形的抵抗力。弹性极限和屈服强度（屈服点）都表征材料开始塑性变形的抵抗力。但是从变形程度来看，弹性极限（σs）规定的残余变形小（0.005%～0.05%），表示开始产生塑性变形的抵抗力，屈服强度σ0.2规定的残余变形大一点，表征开始产生明显塑性变形的抵抗力；比例极限（σp）规定的残余伸长更小，在0.001%～0.01%之间。这三个强度指标都是材料的微量塑性变形抗力指标。从工程技术上和标准中的定义来看，它们之间并无原则差别，只是规定的塑性变形大小不同而已。因此，可以用规定残余伸长应力把比例极限、弹性极限及屈服强度的定义统一起来。对于结构件，常因过量的塑性变形而失效，一般不允许发生塑性变形。对于要求特别严格的构件，应该根据材料的弹性权限或比例极限设计，而要求不十分严格的构件则，要以材料的屈服强度作为设计和选材的主要依据，所以屈服强度被公认为是评定材料的重要的力学性能指标。
④强度极限（抗拉强度，σb）。强度极限是材料在断裂前所承受的最大应力值，也就是材料的断裂强度，在工程上也称为抗拉强度，是评定材料强度的重要力学性能指标之一。屈服阶段以后，材料开始产生明显的塑性变形，进入弹—塑性变形阶段，有时伴有形变强化现象，要继续变形，必须不断增加应力。随着塑性变形的增大，变形抵抗力不断增加，当应力达到最大值（σb）以后，材料的形变强化效应已经不能补偿由于横截面积的减小而引起的承载能力的降低，此时试样的某一部位截面开始急剧缩小，因而在工程应力—应变曲线（图1-3）上，出现了应力随应变的增大而降低的现象，曲线上的最大应力（σb）为抗拉强度极限，它是由试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积，有：
对塑性材料来说，在σb以前，试样为均匀变形，试样各部分的伸长基本上是一样的；在σb以后，变形将集中于试样的某一部分，发生集中变形，试样上出现颈缩，由于颈缩处截面积急剧减小，试样能承受的载荷降低，所以按试样原始截面积A0计算出来的条件应力也随之降低。
⑤断裂强度（σk）。断裂强度是试样拉断时的真实应力，它等于拉断时的载荷（Pk）除以断裂后颈缩处截面积（Ak）。
断裂强度表征材料断裂时的抗力，但是，对塑性材料来说，它在工程上意义不大，因为产生颈缩后，试样所能承受的外力减小，所以国家标准中没有规定断裂强度。
脆性材料一般不产生颈缩，拉断前的最大载荷（Pb）就是断裂时的载荷（Pk），并且由于塑性变形小，试样截面积变化不大，Ak≈A0，所以抗拉强度（σb）就是断裂强度（σk），此时的抗拉强度（σb）就表征材料的断裂抵抗力。
（4）塑性指标及其测定方法。在试样拉伸过程中，除能测定上述强度指标外还可测得塑性指标。材料断裂前发生永久塑性变形的能力叫做塑性，塑性指标常用材料断裂时的最大相对塑性变形来表示。
①伸长率σ（或σk）。伸长率是断裂后试样标距长度的相对伸长值。它等于标距的绝对伸长量Δlk=lk-l0除以试样的原始标距长度（l0），用百分数表示。
式中：l0 ——试样的原始标距长度，mm；lk ——试样断裂后的标距长度，mm；Δlk ——断裂后试样的绝对伸长量，mm。通常，σk用σ来表示。
由拉伸曲线可以看出，在颈缩开始前，试样发生的是均匀变形，伸长量为Δlb，颈缩开始后，塑性变形集中在颈缩区，由颈缩区的不均匀塑性变形而引起的伸长量为Δlu；则总的伸长量Δlk=Δlb＋Δlu。
②断面收缩率（φ）。断面收缩率是断裂后试样截面的相对收缩值，它等于截面的绝对收缩量（ΔAk= A0-Ak）除以试样的原始截面积（A0），也是用百分数表示的。
式中：Ak ——试样断裂后的最小横截面积。
对于圆柱形试样，φ的测定比较简单，将断裂后的试样对接起来，测出它的直径（dk，从相互垂直方向测2～3次，取平均值）后，即可求出φ值。
2.材料刚度及其测定
材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。材料刚度的大小，通常用弹性模量（E）来评定。
材料在弹性范围内，应力（σ）与应变（ε）的关系符合虎克定律，即σ=Eε。由公式中可以看出，材料的弹性模量越大，材料的刚度越大，则弹性变形越难进行。因此在设计机械零件时，要求刚度大的零件，应选用具有高弹性模量的材料。而钢铁材料的弹性模量较大，所以在机械工程等领域通常选择钢铁材料。
生产中一般不检验材料弹性模量的大小，金属一经确定，其弹性模量值就基本上定了。
3.材料硬度及其测定
材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，称为硬度。硬度是表征材料性能的一个综合物理量，反映材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。通常，硬度越高，材料的耐磨性越好，故常将材料的硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。
硬度的测试方法很多，一般分为三类：压痕法，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、超声波硬度等；划痕法，如莫氏硬度等；回跳法，如肖氏硬度等。目前机械制造中金属材料常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
（1）布氏硬度。布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力（P），把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面（图1-4），保持规定的时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径（d），然后按公式求出布氏硬度（HB）值。
图1-4 布氏硬度试验原理示意图
在布氏硬度试验中载荷（P）的单位为N、压头直径（D）与压痕直径（d）的单位为mm，所以布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。
布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试材料的平均硬度，故试验结果较精确，特别是对于组织比较粗大且不均匀的材料（如铸铁、轴承合金等），更是其他硬度试验方法所不能代替的。
（2）洛氏硬度。洛氏硬度试验是目前工厂中广泛应用的试验方法。它是用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。
图1-5表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。图中曲线0 — 0为圆锥体压头的初始位置；曲线1—1为初载荷作用下的压头压入深度为h1时的位置；曲线2—2为总载荷（初载荷+主载荷）作用下压头压入深度为h2时的位置；h3为卸除主载荷后，由于弹性变形恢复，压头提高时的位置。这时，压头实际压入试样的深度为h3。故由于主载荷所引起的塑性变形而使压头压入深度为h=h3-h1，并以此来衡量被测试材料的硬度。显然，h越大时，被测试材料的硬度越低；反之，则越高。为了符合习惯上数值越大，硬度越高的概念，故采用一个常数（K）减去h来表示硬度大小，并规定每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR来表示。
图1-5 洛氏硬度试验原理示意图
式中：K——常数，用金刚石圆锥体作压头时K=0.2mm；用钢球作压头时K=0.26mm。
为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，采用了由不同的压头和载荷组合成15种不同的洛氏硬度标尺。其中常用HRA、HRB、HRC三种标尺，如：62HRC、70HRA等。表1-2为这三种常用标尺的试验条件和应用举例。
表1-2 常用的三种洛氏硬度试验规范
洛氏硬度试验法的优点是操作迅速简便，由于压痕较小，故可在工件表面或较薄的材料上进行试验。同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的结果不够准确。
（3）维氏硬度。维氏硬度的试验原理基本上与布氏硬度试验法相同。它是用一个相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷（P）作用下压入被测试材料表面，保持一定时间后卸除载荷。然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度（d），进而计算出压痕的表面积（F），以压痕表面积上平均压力（P/F）作为被测材料的硬度值，称为维氏硬度，记作HV，单位为N/mm2，但通常不标，如800HV。
维氏硬度试验法的优点：因试验时所加载荷小，压入深度浅，故适用于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层（如渗碳层、渗氮层等）；同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可以任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度值。
上述硬度试验方法中，布氏硬度试验力与压头直径受制约关系的约束，并存在钢球压头的变形问题；洛氏硬度各标度之间没有直接的对应关系；维氏硬度克服了上述两种硬度试验的缺点，其优点是试验力可以任意选择，特别适用于表面强化处理（如化学热处理）的零件和很薄的试样，但维氏硬度试验的效率不如洛氏硬度试验高，不宜用于成批生产的常规检验。
4.冲击韧度及其测试
材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。冲击韧度用摆锤式一次冲击试验法来测定，即把标准试样一次击断。用试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示冲击韧度。
冲击韧度值与试验的温度有关，有些材料在室温时并不显示脆性，而在低温下可能发生脆断，这种现象称为冷脆现象。一般将冲击韧度值低的材料称为脆性材料，冲击韧度值高的材料称为韧性材料。
5.疲劳强度
许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等工程结构都是在交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳断裂。
疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，无论是脆性材料还是韧性构料，疲劳断裂都是突然发生的，事先没有明显的塑性变形，很难事先观察到，因此具有很大的危险性。
疲劳断裂是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中约有80%以上属于疲劳破坏。
由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或外部缺陷所造成的应力集中处发生，因此疲劳断裂对许多因素很敏感，例如，循环应力特性、环境介质、温度、机件表面状态、内部组织缺陷等，这些因素导致疲劳裂纹的产生或裂纹扩展而降低疲劳寿命。
为了提高机件的疲劳抗力，防止疲劳断裂事故的发生，在进行机械零件设计和加工时，应选择合理的结构形状，防止表面损伤，避免应力集中。由于金属表面是疲劳裂纹易于产生的地方，而实际零件大部分都承受交变弯曲或交变扭转载荷，表面处应力最大。因此，表面强化处理就成为提高疲劳极限的有效途径。
另外，由于工程实际的要求，对疲劳的研究工作已逐渐从正常条件下的疲劳问题扩展到特殊条件下的疲劳问题，如腐蚀疲劳、接触疲劳、高温疲劳、热疲劳、微动磨损疲劳等。对这些疲劳及其测试技术还在广泛进行研究，并已逐步标准化。
二、材料的物理性能
金属材料的物理性能有热膨胀性、导电性、导热性、熔点、相对密度等。化工生产中使用异种钢焊接的设备，要考虑到它们的热膨胀性能要接近，否则会因膨胀量不同而使构件变形或损坏。有些加衬里的设备也应注意衬里材料的热膨胀性能要与基体材料相同或相近，以免受热后因膨胀量不同而松动或破坏。
三、化学性能
金属材料的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。
1.耐腐蚀性
材料抵抗周围介质，如大气、水、各种电解质溶液等对其腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性，简称耐蚀性。金属材料的耐蚀性常用腐蚀速度来表示，一般认为介质对材料的腐蚀速度在0.1mm /a以下时，在这种介质中材料是耐腐蚀的。
2.抗氧化性
在高温下使用的化工设备的材料会与氧气或其他气体介质，（如水蒸气、CO2、SO2等）产生化学反应而使材料氧化。因此，在高温下使用的设备其材料要具有抗氧化性。
四、加工工艺性能
化工设备制造过程中，其材料要具有适应各种制造方法的性能，即具有工艺性，它标志着制成成品的难易程度。主要加工工艺性能有可焊性、可铸性、可锻性、热处理性、切削加工性和冷变形性等。一般塑性好的材料，焊接性能和冷冲压性能都好。