李建

通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（天津）有限公司，中國(guó)·天津 300000

1 引言

機(jī)械零件所處的環(huán)境具有復(fù)雜性特點(diǎn)，包括高溫環(huán)境、強(qiáng)腐蝕環(huán)境和高壓環(huán)境等，此外也會(huì)受到外界荷載的影響，因此對(duì)于金屬材料機(jī)械性能的要求較高，只有在保障各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，才能夠保障機(jī)械零件的可靠性，為生產(chǎn)作業(yè)創(chuàng)造安全的條件。機(jī)械性能主要是指金屬材料的抗破壞能力，在多種破壞條件下呈現(xiàn)出的硬度、強(qiáng)度等。機(jī)械性能不僅與材料自身的特性相關(guān)，也會(huì)受到外界因素的影響，在了解其具體影響原因的基礎(chǔ)上采取有效的優(yōu)化措施，可以確保在機(jī)械零件加工中保持良好的品質(zhì)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的故障問(wèn)題。

2 金屬材料機(jī)械性能概述

金屬材料的類型較多，包括特種金屬材料、純金屬和合金等，又可以分為有色金屬和黑色金屬等。其中，鑄鐵、工業(yè)純鐵和碳鋼等屬于黑色金屬，也包括不銹鋼、精密合金和耐熱鋼等；有色金屬可以分為稀有金屬、貴金屬、輕金屬等。相較純金屬而言，有色合金的強(qiáng)度較高。機(jī)械性能是在多種外界荷載作用下金屬材料呈現(xiàn)出的抗破壞性能，荷載形式有所差異，包括沖擊荷載、拉伸荷載和循環(huán)荷載、壓縮荷載等，因此呈現(xiàn)出的機(jī)械性能也會(huì)不同。強(qiáng)度性能是金屬材料最基本的機(jī)械性能，可以分為抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等，抗拉強(qiáng)度是金屬材料應(yīng)用中需要注重關(guān)注的指標(biāo)[1]。金屬材料的軟硬程度即為硬度性能，采用壓入法能夠有效檢測(cè)金屬材料的硬度值，包括洛氏硬度和布氏硬度兩類。隨著外界荷載的增大，金屬材料會(huì)出現(xiàn)形變而不發(fā)生破壞，這是金屬材料的塑性性能，隨著其塑性的提升，金屬材料構(gòu)件的品質(zhì)也會(huì)相應(yīng)改善。循環(huán)荷載是影響金屬材料疲勞性的主要原因，此外金屬材料基本機(jī)械性能還包括沖擊韌性等。

3 影響金屬材料機(jī)械性能的相關(guān)因素及措施

3.1 蠕變極限

3.1.1 基本原理

很多金屬機(jī)械配件的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，會(huì)受到高溫的影響，需要金屬材料具備良好的耐高溫特性，這是保障其機(jī)械性能的關(guān)鍵，包括連接性、堅(jiān)韌性和沖鋒強(qiáng)度等。金屬材料的耐高溫特性，也會(huì)受到其自身強(qiáng)熱性的影響，相較室溫環(huán)境而言，在高溫環(huán)境下金屬材料的機(jī)械性能會(huì)出現(xiàn)較大的改變，包括疲勞強(qiáng)度、順從強(qiáng)度和硬度等，而且呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢(shì)。蠕變能力是衡量金屬材料強(qiáng)韌性的主要指標(biāo)，在高溫環(huán)境下金屬材料發(fā)生形變的極限應(yīng)力即為蠕變極限。高溫處理金屬材料并實(shí)施加載處理后，能夠獲得蠕變伸長(zhǎng)率-時(shí)間曲線，由于應(yīng)力和溫度的差異，也會(huì)導(dǎo)致蠕變曲線有所不同[2]。當(dāng)溫度超過(guò)400℃后，碳鋼就會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，而很多金屬構(gòu)件在出現(xiàn)蠕變后如果沒(méi)有及時(shí)得到控制，則會(huì)引發(fā)一定的安全問(wèn)題。例如，鍋爐爐管長(zhǎng)期受到高溫的影響，其蠕變現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管壁厚度降低，這是引發(fā)爆炸事故的關(guān)鍵原因。在應(yīng)用耐高溫金屬材料時(shí)，需要全面提高其強(qiáng)熱性，改善抗蠕變性能。金屬材料的蠕變特性如圖1所示。

圖1 金屬材料的蠕變特性

3.1.2 處理方式

在高溫環(huán)境下為了確保金屬材料制品能夠保持良好的工作狀態(tài)，必須不斷提高其強(qiáng)度和抗蠕變能力。很多金屬材料中的鉻和鎳元素含量較大，增強(qiáng)了自身的耐高溫性能和耐侵蝕性能，在高溫環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問(wèn)題?？梢詫⑩?、鎢、鉬、鈦等金屬元素加入金屬材料當(dāng)中，促進(jìn)其抗蠕變能力的提高，充分發(fā)揮其面心立方結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[3]。

3.2 化學(xué)元素

金屬成分的含量也是決定金屬材料機(jī)械性能的主要因素，特別是當(dāng)金屬材料長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境時(shí)，需要運(yùn)用其他元素來(lái)改善金屬材料的機(jī)械性能，使其耐高溫性能得到強(qiáng)化，防止在使用中出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。金屬材料當(dāng)中含有大量的晶粒，為了通過(guò)細(xì)化處理改善金屬材料性能，可以加入適量的鉬元素，能夠改善強(qiáng)熱性，而且淬透性也會(huì)更好，能夠防止金屬材料受到高溫作用的影響而出現(xiàn)快速蠕變，能夠長(zhǎng)期保持較高的強(qiáng)度[4]。隨著溫度的逐步升高，金屬材料的脆性也會(huì)更大，這是影響其使用性能的關(guān)鍵點(diǎn)，鉬的加入也能夠改善其脆性特點(diǎn)。金屬材料晶粒的細(xì)化程度會(huì)由于鋁的加入而得到提高，這是改善沖擊韌性的有效措施。很多金屬材料由于受到高溫環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)起皮和腐蝕的狀況，而鋁的抗氧化性能較強(qiáng)，有效解決了上述問(wèn)題，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫腐蝕問(wèn)題。鋁的應(yīng)用量不是越多越好，如果加入量較大則會(huì)影響其他的機(jī)械性能，不利于切削加工，同時(shí)也會(huì)對(duì)熱加工和焊接處理產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，也有很多化學(xué)成分會(huì)降低金屬材料的機(jī)械性能，在實(shí)踐中需要加強(qiáng)關(guān)注。金屬材料中通常會(huì)含有一定的錳元素，能夠發(fā)揮脫氧劑的效果，改善了金屬材料的整體強(qiáng)度及硬度。此外，金屬材料的脆性也會(huì)由于錳元素的存在而得到優(yōu)化，在熱加工處理中的效果較好。但是，當(dāng)錳元素的含量超過(guò)一定值后，則會(huì)導(dǎo)致金屬材料的抗腐蝕性能下降，而且不利于材料的焊接處理。磷元素和硫元素是金屬材料中的雜質(zhì)元素，其含量的增加會(huì)增加金屬材料的脆性，塑性也會(huì)受到影響，無(wú)法達(dá)到加工處理要求。

3.3 焊條

金屬材料的性能也會(huì)受到焊條的影響，如果金屬構(gòu)件需要在高溫環(huán)境下工作，則必須確保其耐高溫性能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)其他元素的添加來(lái)改善金屬材料的整體性能。由于焊縫材料可能和母材化學(xué)成分不一致，因此元素?cái)U(kuò)展問(wèn)題會(huì)對(duì)接頭位置的性能造成影響，這也是降低金屬材料機(jī)械性能的主要原因。在焊接金屬材料時(shí)，應(yīng)該做好焊縫位置的處理，確保其能夠滿足構(gòu)件在耐高溫環(huán)境下的使用要求，需要根據(jù)母材的金屬成分特點(diǎn)來(lái)對(duì)焊縫實(shí)施優(yōu)化。金屬材料在焊接后的機(jī)械性能也會(huì)受到焊接工藝的影響，焊條中元素的含量也會(huì)改變金屬材料的性能，應(yīng)該對(duì)其抗熱烈性能實(shí)施檢測(cè)，明確碳元素的含量，一般不能超過(guò)母材中碳元素的含量，能夠防止在使用中造成焊縫位置的損壞[5]。

3.4 提高機(jī)械性能的措施

在常溫環(huán)境下，金屬材料的機(jī)械性能會(huì)由于晶粒的不斷細(xì)化而得到增強(qiáng)，然而在高溫環(huán)境下采用該方法則會(huì)遇到一定的限制。原子之間的結(jié)合力是影響耐高溫金屬材料機(jī)械性能的主要因素，而且隨著緊密程度的提高，其性能也會(huì)逐步增強(qiáng)。相較粗晶粒金屬材料而言，細(xì)晶粒金屬材料的蠕變發(fā)展速度較快，而金屬材料的強(qiáng)熱性與其中混含的雜質(zhì)相關(guān)，如S 和P 等，為了降低雜質(zhì)的影響可以運(yùn)用堿土金屬和Re、B 元素實(shí)施優(yōu)化，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成的化合物具有良好的穩(wěn)定性，起到凈化晶界的作用[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬材料機(jī)械性能的改善，可以確保工件質(zhì)量達(dá)到生產(chǎn)及使用標(biāo)準(zhǔn)，避免在生產(chǎn)作業(yè)中造成嚴(yán)重的故障和風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械性能指標(biāo)較多，而且不同指標(biāo)也會(huì)受到復(fù)雜因素的影響。其中，蠕變極限、化學(xué)元素和焊條等，是影響金屬材料機(jī)械性能的主要因素，應(yīng)該根據(jù)其具體影響原理采取針對(duì)性的控制措施。