3.1　金属材料性能

金属材料的性能决定其适用范围，金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、加工工艺性能四个方面。

3.1.1　力学性能

金属材料在一定温度条件下承受载荷时会发生变形。当载荷超过某一限度时，材料会发生破坏。材料在外力（载荷）作用下表现出的抵抗变形和断裂的能力，称为金属材料的力学性能（也称机械性能）。通常用弹性、塑性、强度、硬度和冲击韧性等特征指标来衡量金属材料的力学性能。

3.1.1.1　强度

金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力称为强度。常用的强度指标为屈服强度和抗拉强度。

由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的标准试样或比例试样，试样的初始标距长度为l0、初始横截面积为A0，试样在拉伸试验机上进行拉伸，直到试样断裂。当拉伸载荷为F时，对应的试样标距长度伸长Δl，如图3-1（a）、（b）所示。载荷F与伸长量Δl的曲线关系，称为拉伸曲线，如图3-1（c）所示。

对相同材料但不同尺寸的试件，其拉伸曲线不同。为了消除这种尺寸效应，可采用名义线应变ε=Δl/l作为横坐标，名义正应力σ=F/A作为纵坐标。坐标变换后的曲线称为应力-应变曲线（σ-ε曲线），如图3-1（d）所示。这样，基于试样拉伸的实验结果即能够反映材料的性能。

对压力容器常用的低碳钢材料，其拉伸过程可明显分为四个阶段：

（1）弹性阶段

试样在OA段的变形为弹性变形，称为弹性阶段，其最高点A对应的应力称为材料的弹性极限σe。在弹性范围内，直线段OA1称为比例阶段，其最高点A1对应的应力称为材料的比例极限，用σp表示。通常σe与σp数值上很接近。在比例阶段，材料服从胡克定律：

σ=Eε　　（3-1）

式中，E为弹性模量，是反映材料抵抗弹性变形能力的常数。对碳钢材料，E约为200GPa。

（2）屈服阶段

材料的应力超过弹性极限后，σ-ε曲线接近为一水平直线，正应力σ变化很小而线应变ε急剧增加，说明材料此时失去了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。这一阶段称为屈服阶段。其最低点B对应的应力称为材料的屈服强度，用σs或ReL表示。

　　（3-2）

式中　PeL——载荷不再增加，试件仍能继续伸长的最小载荷，N；

　　A0——试件的原始横截面积，mm2。

屈服强度代表金属材料抵抗发生塑性变形的能力。在屈服阶段，磨光的试样表面会呈现与轴线成约45°角的条纹，称为滑移线，如图3-2所示，表明材料内部晶格之间出现了相对滑移。滑移线恰好出现在最大切应力所在面的方位，表明它是由最大切应力引起的。材料屈服时出现的显著的塑性变形，这是工程结构一般所不允许的，因此屈服极限是低碳钢材料的一个重要强度指标。

然而，除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有明显的屈服点外，大多数金属合金没有明显的屈服极限。因此，工程上规定用发生0.2%残余伸长时的应力表征材料的屈服强度，称为“0.2%非比例延伸强度”，以σ0.2或Rp0.2表示。

（3）强化阶段

过了C点以后，试样恢复了抵抗变形的能力，要使试件继续变形，必须增大应力，这种现象称为强化，CD段称为强化阶段。强化阶段试样明显变细，变形主要是塑性变形。强化阶段的最高点D对应的应力称为材料的抗拉强度，用σb或Rm表示。

　　（3-3）

式中　Pm——拉断前试件所承受的最大载荷，N。

抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，是试件拉断前最大载荷下的应力，是评定工程材料的重要力学性能指标。

工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的屈服强度ReL值，还希望具有一定的屈强比（ReL/Rm）。屈强比越小，材料的塑性储备就越大，越不容易发生危险的脆性破坏。但是，屈强比太小，材料的强度无法完全发挥。因此，要针对具体情况，设定合理的屈强比数值。

（4）局部变形（颈缩）阶段

如图3-1（d）所示，当材料承载超过D点后，试样某一局部范围急剧变细，这种现象称为颈缩。DE段称为局部变形阶段或颈缩阶段。由于颈缩部分横截面面积急剧减小，试样对变形的抗力也就随之不断减小，名义应力降低，σ-ε曲线呈下降趋势，到E点时试样在横截面最小处拉断。

3.1.1.2　塑性

金属材料在载荷作用下，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。

（1）断后伸长率

断后伸长率是材料的塑性指标之一，如图3-1（d）所示，材料在E点断裂后，总伸长长度与原始试样长度之比的百分数，称为断后伸长率，以δ或A表示，单位为%。

　　（3-4）

式中　 lk——试样断裂后的标距长度，mm；

　 l0——原始试样标距长度，mm；

　Δlk——断裂后原始试样标距长度的绝对伸长，mm，它是在试样整个拉伸至断裂时所产生的塑性变形量。

δ的数值与试样尺寸有关。为了便于对比，试样必须标准化。常用的试样计算长度规定为试样直径的5倍或10倍，其伸长率分别用δ5、δ10表示。一般情况下，δ5≈1.2δ10。工程中应用的主要塑性指标是δ5。

（2）断面收缩率

断面收缩率是材料的收塑性指标之一，如图3-1（d）所示，试样在E点断裂后，缩颈处横截面积的最大缩减面积与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以ψ或Z表示，单位为%。

　　（3-5）

式中　A0——试样原始横截面积，mm2；

　A1——试样拉断后颈缩处最小横截面积，mm2。

断面收缩率与试样尺寸无关，因此能更可靠地反映材料塑性的变化。

断后伸长率和断面收缩率均可用来衡量材料塑性大小。断后伸长率和断面收缩率越大，表示金属材料的塑性越好。例如，纯铁的断后伸长率接近50%，而普通铸铁的断后伸长率不到1%，因此，纯铁的塑性远好于普通铸铁。塑性好的材料，成型加工（如锻压、轧制）较容易，不容易出现脆性断裂。

3.1.1.3　硬度

外力作用下金属材料抵抗局部塑性变形的能力叫做硬度。硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，是反映材料的弹性、强度、塑性、塑性变形强化率、韧性和抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。

硬度试验方法分类较多，按负荷施加速度分为静力（压入）硬度和动力（回弹）硬度试验法，常用的静力法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，常用的动力法，加载特点具有冲击性，包括肖氏硬度、里氏硬度等；按负荷大小分为宏观、轻负荷、显微和超显微硬度试验法；按试验温度分为常温、低温和高温硬度试验；按试验原理分为洛氏、维氏、肖氏、划痕硬度试验等。

硬度静压测量方法是用一定的载荷将一定形状的压头压入金属表面，测定压痕的面积和深度。当压头形状和载荷一定时，压痕越深或面积越大，硬度就越低。根据压头形状和载荷的不同，硬度指标可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

布氏硬度的测定原理是用载荷F将直径D的淬火钢球压入被测金属的表面，如图3-3所示，保持规定时间后卸除载荷，用读数显微镜测出压痕平均直径d，然后按公式（3-6）求出布氏硬度HB值。试验中，如果材料布氏硬度不超过450，则采用淬火钢球压头，用HBS表示布氏硬度；若材料布氏硬度超过450且不超过650，则采用硬质合金球压头，布氏硬度则用HBW表示。如果硬度超过650，则测量结果不准确，须改用洛氏硬度测量方法。

　　（3-6）

式中　F——载荷，N；

　D——压头直径，mm；

　A——压痕表面积，mm2；

　d——压痕直径，mm。

硬度试验属于非破坏性试验，试验结果能敏感地反映出材料在化学成分、组织结构和热处理工艺上的差异，所以常用硬度综合评价金属材料的好坏。不同的硬度试验方法所测的硬度值不同，这是由于各种硬度试验方法之间不存在明确的物理关系。布氏硬度比较准确，生产中常用布氏硬度法测定经退火、回火和调质的金属材料的硬度，因此用途较广。但对于硬度很高或较薄的金属，则采用压痕较小的洛氏法测量硬度或维氏法测量极薄金属式样的硬度。

3.1.1.4　冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值ak和冲击吸收能量表示，其单位分别为J/cm2和J。

冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为“V”形缺口和“U”形缺口冲击试验两种。工程上常以落锤冲击“V”形缺口试样试验测量金属的冲击韧性，其试验方法和原理如图3-4所示。

先将测定的材料加工成标准试样，如图3-5（a）或（b）所示，然后将试样按图3-4（a）放在试验机［图3-4（c）］机座上。按图3-4（b）将具有一定重量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得位能GH1，再将摆锤释放，冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2。摆锤冲断试样所失去的位能，即冲击负荷使试样断裂所做的功，称为冲击吸收功Ak（J）。即：

Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）　　（3-7）

冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧性ak（J/cm2）：

ak=Ak/F　　（3-8）

冲击试样在受到摆锤突然冲击发生断裂的过程，是一个裂纹萌生和扩展的过程。在裂纹向前扩展的过程中，如果塑性变形能发生在裂纹扩展之前，就可以阻止裂纹扩展。若要继续扩展，就需要更多的能量。因此，冲击吸收功的大小，取决于材料有无迅速塑性变形的能力，即韧性——是材料在受到突然外加动载荷时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般具有较高的塑性指标；但塑性高的材料，却不一定都有高的韧性。这是因为，有些材料在静载荷下能够缓慢塑性变形，但在动载荷下却不一定能够快速塑性变形。影响钢材冲击韧性的因素除与所受的载荷有关，还与材料的化学成分、热处理状态、冶炼方法、内部缺陷、加工工艺和环境温度等因素有关。

3.1.2　物理性能

在重力、电磁力、热力等物理因素作用下，材料所表现的固有属性称为材料的物理性能，主要包括密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、电阻率、磁导率、弹性模量、泊松比等。本节重点介绍弹性模量、泊松比和线膨胀系数。

3.1.2.1　弹性模量E和泊松比μ

材料在弹性阶段时，应力与应变成正比，即σ=Eε。比例系数E（Pa）称为弹性模量，表示材料在弹性阶段的应力和应变关系。弹性模量是材料对弹性变形抗力的指标，用以衡量材料产生弹性变形难易程度。

金属的弹性模量数值主要取决于金属原子结构、结晶点阵和温度等因素，而热处理、冷热加工及合金化对其影响很小。因此，弹性模量是金属材料最稳定的性能之一。对同一种材料，弹性模量随着温度的升高而降低。

泊松比是拉伸试验中试件单位横向收缩变形与单位纵向伸长变形之比，以μ表示。对钢材，μ=0.3。

3.1.2.2　线膨胀系数αl

金属材料受热时容积膨胀，定义单位温差下试件伸长量与试件原始长度之比，为材料的线膨胀系数αl。

　　（3-9）

式中　 l——试样原始长度，mm；

　Δl——试样伸长量，mm；

　Δt——温度差， ℃。

几种常用压力容器材料的物理性能见表3-1。

3.1.3　化学性能

金属材料在所处介质中的化学稳定性叫做金属材料的化学性能，在实际应用中主要考虑金属的耐腐蚀性和抗氧化性。

3.1.3.1　耐腐蚀性

金属材料抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐腐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。化学腐蚀一般在干燥气体及非电解质溶液中进行，腐蚀时没有电流产生；电化学腐蚀是在电解液中进行，腐蚀时有微电流产生。

根据介质侵蚀能力的强弱，对于不同介质中工作的金属材料的耐蚀性要求也不相同。如海洋设备及船舶用钢，须耐海水及海洋大气腐蚀；而贮存和运输酸类的容器、管道等，则应具有较高的耐酸性能。一种金属材料在某种介质、某种条件下是耐蚀的，而在另一种介质或条件下就可以不耐蚀。如镍铬不锈钢在稀酸中耐蚀，而在盐酸中则不耐蚀；铜及其合金在一般大气中耐蚀，但在氨水中却不耐蚀。常用压力容器材料在不同温度和浓度的酸碱盐类介质中的耐腐蚀性如表3-2所示。

注：表中“沸”表示沸点；“饱”表示饱和浓度。带有“（）”表示尚耐腐蚀，腐蚀速率为0.1～1mm/a；不带“（）”表示耐腐蚀，腐蚀速率为0.1mm/a以下；“×”表示不耐腐蚀或不宜用；空白为无数据。

3.1.3.2　抗氧化性

金属材料在高温下抵抗氧化的能力称为金属材料的抗氧化性。现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温化工设备等，在高温环境下工作时，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他介质如水蒸气、CO2、SO2的氧化腐蚀作用，因此，要求其材料均需要具有良好的抗氧化性能。

3.1.4　加工工艺性能

金属材料的加工工艺性能是指材料在加工过程中应具有的适用加工的性能，主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。这些性能直接影响压力容器的制造工艺，是选择材料时必须考虑的因素。

金属材料的加工分为冷加工和热加工。冷加工工艺有冷卷、冷冲压、冷锻、冷挤压及机械切削加工等；热加工有热卷、热冲压、热锻、焊接及热处理等。