影响金属材料机械性能的相关因素及措施探讨

2022-07-11李建

工程技术与管理 2022年12期

李建

通标标准技术服务（天津）有限公司，中国·天津 300000

1 引言

机械零件所处的环境具有复杂性特点，包括高温环境、强腐蚀环境和高压环境等，此外也会受到外界荷载的影响，因此对于金属材料机械性能的要求较高，只有在保障各项性能指标达到国家标准的基础上，才能够保障机械零件的可靠性，为生产作业创造安全的条件。机械性能主要是指金属材料的抗破坏能力，在多种破坏条件下呈现出的硬度、强度等。机械性能不仅与材料自身的特性相关，也会受到外界因素的影响，在了解其具体影响原因的基础上采取有效的优化措施，可以确保在机械零件加工中保持良好的品质，避免出现严重的故障问题。

2 金属材料机械性能概述

金属材料的类型较多，包括特种金属材料、纯金属和合金等，又可以分为有色金属和黑色金属等。其中，铸铁、工业纯铁和碳钢等属于黑色金属，也包括不锈钢、精密合金和耐热钢等；有色金属可以分为稀有金属、贵金属、轻金属等。相较纯金属而言，有色合金的强度较高。机械性能是在多种外界荷载作用下金属材料呈现出的抗破坏性能，荷载形式有所差异，包括冲击荷载、拉伸荷载和循环荷载、压缩荷载等，因此呈现出的机械性能也会不同。强度性能是金属材料最基本的机械性能，可以分为抗剪强度、抗压强度、抗弯强度等，抗拉强度是金属材料应用中需要注重关注的指标[1]。金属材料的软硬程度即为硬度性能，采用压入法能够有效检测金属材料的硬度值，包括洛氏硬度和布氏硬度两类。随着外界荷载的增大，金属材料会出现形变而不发生破坏，这是金属材料的塑性性能，随着其塑性的提升，金属材料构件的品质也会相应改善。循环荷载是影响金属材料疲劳性的主要原因，此外金属材料基本机械性能还包括冲击韧性等。

3 影响金属材料机械性能的相关因素及措施

3.1 蠕变极限

3.1.1 基本原理

很多金属机械配件的运行环境较为恶劣，会受到高温的影响，需要金属材料具备良好的耐高温特性，这是保障其机械性能的关键，包括连接性、坚韧性和冲锋强度等。金属材料的耐高温特性，也会受到其自身强热性的影响，相较室温环境而言，在高温环境下金属材料的机械性能会出现较大的改变，包括疲劳强度、顺从强度和硬度等，而且呈现出逐渐减弱的趋势。蠕变能力是衡量金属材料强韧性的主要指标，在高温环境下金属材料发生形变的极限应力即为蠕变极限。高温处理金属材料并实施加载处理后，能够获得蠕变伸长率-时间曲线，由于应力和温度的差异，也会导致蠕变曲线有所不同[2]。当温度超过400℃后，碳钢就会出现蠕变现象，而很多金属构件在出现蠕变后如果没有及时得到控制，则会引发一定的安全问题。例如，锅炉炉管长期受到高温的影响，其蠕变现象会导致管壁厚度降低，这是引发爆炸事故的关键原因。在应用耐高温金属材料时，需要全面提高其强热性，改善抗蠕变性能。金属材料的蠕变特性如图1所示。

图1 金属材料的蠕变特性

3.1.2 处理方式

在高温环境下为了确保金属材料制品能够保持良好的工作状态，必须不断提高其强度和抗蠕变能力。很多金属材料中的铬和镍元素含量较大，增强了自身的耐高温性能和耐侵蚀性能，在高温环境中不会出现严重的氧化问题。可以将铌、钨、钼、钛等金属元素加入金属材料当中，促进其抗蠕变能力的提高，充分发挥其面心立方结构的特点[3]。

3.2 化学元素

金属成分的含量也是决定金属材料机械性能的主要因素，特别是当金属材料长期处于高温环境时，需要运用其他元素来改善金属材料的机械性能，使其耐高温性能得到强化，防止在使用中出现严重破坏。金属材料当中含有大量的晶粒，为了通过细化处理改善金属材料性能，可以加入适量的钼元素，能够改善强热性，而且淬透性也会更好，能够防止金属材料受到高温作用的影响而出现快速蠕变，能够长期保持较高的强度[4]。随着温度的逐步升高，金属材料的脆性也会更大，这是影响其使用性能的关键点，钼的加入也能够改善其脆性特点。金属材料晶粒的细化程度会由于铝的加入而得到提高，这是改善冲击韧性的有效措施。很多金属材料由于受到高温环境的影响，容易出现起皮和腐蚀的状况，而铝的抗氧化性能较强，有效解决了上述问题，不会出现严重的高温腐蚀问题。铝的应用量不是越多越好，如果加入量较大则会影响其他的机械性能，不利于切削加工，同时也会对热加工和焊接处理产生负面影响。然而，也有很多化学成分会降低金属材料的机械性能，在实践中需要加强关注。金属材料中通常会含有一定的锰元素，能够发挥脱氧剂的效果，改善了金属材料的整体强度及硬度。此外，金属材料的脆性也会由于锰元素的存在而得到优化，在热加工处理中的效果较好。但是，当锰元素的含量超过一定值后，则会导致金属材料的抗腐蚀性能下降，而且不利于材料的焊接处理。磷元素和硫元素是金属材料中的杂质元素，其含量的增加会增加金属材料的脆性，塑性也会受到影响，无法达到加工处理要求。

3.3 焊条

金属材料的性能也会受到焊条的影响，如果金属构件需要在高温环境下工作，则必须确保其耐高温性能达到使用标准，通过其他元素的添加来改善金属材料的整体性能。由于焊缝材料可能和母材化学成分不一致，因此元素扩展问题会对接头位置的性能造成影响，这也是降低金属材料机械性能的主要原因。在焊接金属材料时，应该做好焊缝位置的处理，确保其能够满足构件在耐高温环境下的使用要求，需要根据母材的金属成分特点来对焊缝实施优化。金属材料在焊接后的机械性能也会受到焊接工艺的影响，焊条中元素的含量也会改变金属材料的性能，应该对其抗热烈性能实施检测，明确碳元素的含量，一般不能超过母材中碳元素的含量，能够防止在使用中造成焊缝位置的损坏[5]。

3.4 提高机械性能的措施

在常温环境下，金属材料的机械性能会由于晶粒的不断细化而得到增强，然而在高温环境下采用该方法则会遇到一定的限制。原子之间的结合力是影响耐高温金属材料机械性能的主要因素，而且随着紧密程度的提高，其性能也会逐步增强。相较粗晶粒金属材料而言，细晶粒金属材料的蠕变发展速度较快，而金属材料的强热性与其中混含的杂质相关，如S 和P 等，为了降低杂质的影响可以运用碱土金属和Re、B 元素实施优化，通过化学反应生成的化合物具有良好的稳定性，起到净化晶界的作用[6]。