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金属材料的性能

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

3.1机械性能

（一）应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。

（二）机械性能,金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：

3.1.1.强度

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的 能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。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试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：

（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的 应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中 点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa。

（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用σ0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即σs/σb）要小，以提高其可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。

（3）弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的 应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的 外力（或者说材料 弹性变形时的载荷）。

（4）弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

3.1.2.塑性,

金属材料在外力作用下产生 变形而不破坏的 能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ（%）和试样断面收缩率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x，这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0之比。在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5，而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x，这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处小截面积F1之差（断面缩减量）与F0之比。实用中对于常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：ψ=[1-(D1/D0)2]x，式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处小直径。δ与ψ值越大，表明材料的塑性越好。

随着我国经济建设的快速发展，不锈钢钢管的消费量不断增加，不锈钢无缝钢管的需求量日趋扩大，市场前景看好。不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中得到广泛应用。Φ89mm以下300系列奥氏体不锈钢无缝钢管因其具有良好的综合性能，在锅炉、石化行业中得到大量使用。特别是在锅炉行业中作为热交换器的重要母材来使用。 

  自Φ89mm以下300系列不锈钢无缝钢管国产化以来，涌现出大量的生产加工企业，主要包括江苏武进不锈钢股份有限公司、浙江久立特材科技股份有限公司以及攀钢集团江油长城特殊钢有限公司等；主要的生产工艺路线有：“穿孔+多道次冷轧（拔）”或“挤压+多道次冷轧（拔）”。因每道次变形量有限，要制成成品常需要多道次的冷轧或冷拔。由于不锈钢的冷加工硬化和表面质量等原因，在进行每道次的冷轧或冷拔前，需进行退火热处理、酸洗、润滑等一系列处理。繁杂的工序带来生产流程长、生产周期长、产量低、成材率低、成本高以及酸洗污染环境等问题。 

  在生产奥氏体不锈钢无缝钢管时存在以下技术难点： 

  （1）确定不锈钢钢管坯料加热工艺制定有一定难度。不锈钢加热温度范围窄，其导热率与碳钢差别也较大。在加热制度设计上，为保证加热质量，必须将加热速度控制在合理的范围之内。而在高温时，过长的高温保温时间和过高的保温温度易导致坯料晶粒组织产生δ铁素体以及出现晶粒长大严重现象，从而造成钢管内表面缺陷。 

  （2）变形工艺参数设定需重新选择，明显不同于碳钢钢管。与碳钢钢管相比，不锈钢钢管具有变形抗力大、热膨胀系数大、低温段热导率低、宽展大、易黏钢的特点，在穿孔、定（减）径工艺参数的设定上与碳钢钢管有明显差异。 

  （3）不锈钢钢管在线水冷热处理技术需要确立。在线水冷不同于离线固溶，在线水冷不需再次对钢管进行加热，如何利用变形余热进行在线处理，保证钢管的力学性能可满足后续加工要求。 

  攀钢集团成都钢钒有限公司为达到局部以热代冷、简化工序、降低成本、缩短生产周期的目的，通过生产工艺优化、创新，开发出一种在热轧机组进行轧制和在线水冷的工艺，直接生产出接近终冷轧成品尺寸的不锈钢无缝钢管坯料。 

  设计开发的“热轧（穿孔+定径）+在线水冷”生产Φ89mm以下不锈钢无缝钢管坯料生产工艺，可减少中间冷轧（拔）道次，极大地简化工艺流程。 

  采用在线水冷热处理，将不锈钢无缝钢管坯料的入水温度控制在920～950℃，可有效保证各方面性能满足后续冷加工要求，能够实现代替离线固溶的目的。