1.3 金属材料的力学和物理性能
金属材料的基本力学性能主要包括：
强度、塑性、韧性、硬度等
一、强度
强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。
钢的强度指标有抗拉强度和屈服强度、疲劳强度、蠕变强度等。
其中以抗拉强度和屈服强度为钢材最常用的强度指标。
强度指标的单位按国际单位制，单位为MPa（兆帕）。
材料强度指标可以通过拉伸试验测出。把一定尺寸和形状的金属试样夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量的关系，可绘出该金属的拉伸曲线。
图5 退火低碳钢的拉伸应力－应变曲线
图6 钢的标准拉伸试棒拉断前拉断后
二、塑性
材料的塑性指标表征它在外力作用下塑性变形的能力，塑性性能是保证压力管道在冷加工过程中不脆裂的极重要的保证。材料的塑性一般用断裂前塑性变形的大小来衡量。
在工程上，常用来衡量金属材料塑性高低的指标是延伸率A （伸长率）和断面收缩率Z 。
二者都可通过拉伸试验测得。延伸率A 和断面收缩率Z 的值越大，说明材料的可塑性或变形能力越大。
1）延伸率A
延伸率是指试样拉断后，单位长度伸长的百分数。常用A 表示。即： A=（L1－L0）/ L0×100%
式中L1是试样断裂后的标距长度；L0是试样原始标距长度。同一材料在用不同规格的标准试样时，所测得的延伸率是不同的。因此常在延伸率的符号上加注下标，以表示试样规格。如A5、A10则分别表示试样的标距长度为其直径的5倍或10倍时所测得的延伸率。
2）断面收缩率Z
断面收缩率是指试样拉断后，断裂处单位截面积缩小的百分数。常用Z 表示。即：
Z=（S0－ S1）/ S0
式中S0是试样的原始横截面积；S1是断裂后试样的最小截面积。显然断面收缩率能较可靠地反映金属材料的塑性，因为它与试样尺寸无关。
3）冷弯 GB/T232-2010《金属材料弯曲试验方法》
三、韧性
韧性是压力管道用钢重要的性能，是衡量钢材对缺口敏感性的力学性能指标，亦是材料的强度和塑性的综合反映。尤其能反映材料在低温下或冲击载荷作用时对缺口的敏感性。材料韧性的指标，可以采用冲击吸收功A 和断裂韧性表示。
1）冲击吸收功
冲击吸收功或冲击韧性是最常用的反映材料韧性的力学性能。冲击吸收功是金属材料抵抗冲击载荷的能力
采用带缺口的试样，在冲击试验机上测定。冲断试样 所消耗的能量（位能）即冲击载荷使试样破断所作的功，称冲击吸收功，常用AK 表示。
韧性断裂冲击韧度αk= AK/SN，
SN －试样断口处截面积
2）断裂韧度
断裂韧度是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。材料的断裂韧度参数有K IC .J IC .等，常用于在用压力管道的可靠性分析和剩余寿命评估。
当K I <K IC 时，裂纹扩展很慢或不扩展，
当 K I >K IC 时，材料发生失稳脆断。
四、硬度
硬度是衡量金属材料性能的一个重要指标。硬度是指在金属抵抗变形或破裂的能力。硬度试验的方法较多，测得的硬度值和含义也不完全一样。所以硬度值实际上不是一个单纯的物理量，而是表征材料的弹
性、塑性、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。工程上最常用的硬度试验方法是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验。其所测得的硬度值分别用HB.HR 、HV 表示。
1.4 钢铁材料的热处理
热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、保温和冷却改变其内部组织，从而获得所要性能的一种工艺过程。
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
一、退火
退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。
二、正火
正火是将工件加热到适当温度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。
正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
图7 各种退火、正火的加热温度及工艺规范
三、淬火
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使
之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。
图8 淬火温度范围及工艺规范
四、回火
为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。
五、调质
即淬火加高温回火的综合热处理工艺。
调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性。调质后一般可获得回火索氏体组织，可使钢件得到强度与韧性相配合的综合性能。
六、奥氏体不锈钢的固溶处理
由于碳在奥氏体中的溶解度因温度不同变化很大，使之在高温加热后缓冷的过程中，从奥氏体中析出碳化物，导致钢的耐腐蚀性大大下降。通常采用固溶处理来消除。将奥氏体不锈钢加热至1100℃左右，使碳化物完全溶解在奥氏体中，随后在水中快速冷却，获得单相的奥氏体组织。其强度和硬度较低而韧性
较好，具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。
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