搜索
1第一章金属材料及热处理基本知识1.1材料力学基本知识1.2金属学与热处理基本知识1.3承压类特种设备常用材料第一章金属材料及热处理基本知识金属材料是现代工业,农业，国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。这不仅是由于来源丰富，生产工艺简单，成熟，而且还因为他们具有良好的性能。通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：一、使用性能即为了保证机械零部件、设备、结构件等能正常工作，材料所具备的性能。主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热传导性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。二、工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。金属材料是制造承压类特种设备最常用的材料，其性能介绍是本章的主要内容。作为承压类特种设备无损检测人员，应了解材料方面的有关知识。1.1材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用。当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。材料在外力的作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、韧性等指标。1.1.1应力和应变2所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示：在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力——内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力：（Pa或者N/m2）这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。图1应变当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形ΔL，那么圆柱体的长度则变为L+ΔL。这里，由伸长量ΔL和原长L的比值所表示的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”，记为ε。与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示：这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。应力与应变的关系3各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。图2所示为一种普通钢材（软铁）的应力与应变关系图。根据胡克定律，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系。对应的最大应力称为比例极限。图2或者应力与应变的比例常数E被称为弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。综上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。（1）应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交变应力当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚度改变时，会在不连续出及其附近产生剪切应力和弯曲应力在长期交变应力下工作的承压类特种设备有些会出现疲劳和破坏现象。（2）应力集中的概念在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生突变，往往是缺陷引起的。这些缺陷统称为缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹引起的应力集中最为严重。（3）承压类特种设备的工作压力试验表明；对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。1.1.2强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。抗拉强度δb，屈服强度δs是评价材料强度性能指标的两个最重要的指标。1、拉伸试样进行拉伸试验时，采用如图1-3所示的拉伸试样。试样可分为长短两种，长试样Lo/do=10；短试样Lo/do=5。一般工厂采用的试样直径dO=10毫米。4拉伸试样放在拉伸试验机上，按规定标准加载，随着载荷增加，试样产生伸长变形直至断裂，钢的标准拉伸试样，2、低碳钢的拉伸曲线图低碳钢的拉伸曲线图根据载荷与变形量的相应变化可绘出曲线图，称为拉伸曲线图。拉伸曲线图图1-4为低碳钢的拉伸曲线吼低碳钢拉伸时可分为三个阶段：⑴、弹性变形（弹性变形：外力卸去后能够恢复的变形）阶段。当作用在试样上的裁荷在一定限度之内时，载荷与伸长量成正比例，外力去除后，试样恢复原来的形状和尺寸。当载荷超过Pp而不大于Pe时，试样的伸长不再与外力成正比关系，但还属于弹性变形阶段，即当外力去除后变形立即消失。⑵、弹性变形－塑性变形（塑性变形外力卸去后不能恢复的变形）阶段。s点出现的水平线段表示在载荷不变的情况下试样继续伸长；即材料丧失了抵抗塑性变形的能力，称为材料的屈服，发生塑性变形后，由于内部结构变化，产生加工硬化，要使金属继续变形，必须再增加载荷，这样载荷继续增加，试样则均匀伸长。达到b点屁开始出现缩颈变形,变形集中在缩颈处。5⑶、塑性变形－断裂阶段。由于缩颈出现后截面剧烈减小；试样不足以抵抗外力的作用，因此在z点发生断裂。根据拉伸曲线上各种特殊点的外力与原截面的关系，·，可以测定材料的强度指标。3、强度指标：试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力，称为内力。单位截面积上的内力称为应力，拉伸时的应力用符号σ表示。应力的计算为：σ＝p/F(公斤力／毫米2)式中;σ—应力(公斤力／毫米2)；p—外力(公斤力)；F—横截面面积(毫米2)。拉伸曲线上各特殊点出强度计算如下：⑴，抗拉强度σb＝pb/F0（公斤力／毫米2)式中;σb—应力(公斤力／毫米2)；pb—外力(公斤力)；F0—横截面面积(毫米2)。+承压设备在选用金属材料时不允许超过它的抗拉强度/3。材料的强度极限越高，能承受的应力越大。⑵．比例极限：材料承受外力的作用，载荷与变形成正比时的最大应力，称为比例极限；计算公式如下σp＝Pp/F0(公斤力／毫米2)式中;σp—比例极限(公斤力／毫米2)；Pp—试样受载与变形成正比时能承受的最大载荷(公斤力)外力；F0—横截面面积(毫米2)⑶、屈服强度：在载荷不增加的情况下仍能发生明显塑性变形时的应力计算公式如下σs＝Ps/F0（公斤力／毫米2）6σs—屈服强度公斤力／毫米2Ps—试样受载与变形发生明显塑性变形时的载荷(公斤力)外力；F0—横截面面积(毫米2)有许多金属或合金材料，并没有明显的屈服现象发生，为表明这些材料的屈服极限，规定以试样产生伸长量为试样长度的0．2%时的应力作为材料的“条件屈服强度’，用来σ0.2表示。屈服极限是选用金属材料时非常重要的机械性能。承压设备材料所受的应力，一般都应小于屈服强度否则就会产生明显的塑性变形。⑷、许用应力：材料允许使用的最大应力。用[σ]表示。⑸、屈服比：是屈服点与抗拉极限强度的之比。1.1.3塑性塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。伸长率和断面收缩率是评价材料塑性性能指标的两个重要的指标。1.延伸率延伸率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度之比值的百分率，即δ=(L1-L0)/L0X100%L0—试样的原始标距长度(毫米)；L1—试样拉断后标距长度(毫米)；2.断面收缩率：是试样断口面积的缩减量与原截面面积之比值的百分率。即Ψ＝（Fo－F1）FoX100%式中Fo——拉伸前试样的截面积《毫米2)F1—试样断后细颈处最小截面积(毫米2)Ψ—断面收缩率。延伸率和断面收缩率用以衡量材料的塑性，数值越大，表示塑性越好。良好的塑性材料，有利于进行焊接、锻压、冷冲和冷拔等成型工艺。3、延伸率和断面收缩率是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。如果材料具有良好的塑性，则可避免材料在压力加工过程中发生开裂而破坏；而普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时,由于材料具有一定的塑性，故能保证材料不致因稍有超载而突然断裂，增加了材料使7用的安全可靠性。4．冷弯试验：（1）弯曲试验弯曲试验是焊接接头力学性能试验的主要项目弯曲试验可以考核焊接接头的主要项目包括：焊缝和热影响区的塑性、内部缺陷、焊缝的致密性、焊接接头不同区域协调变形能力。用冷弯试验衡量材料在室温时的塑性。试验时，试样在规定的冷弯条件下弯到规定的角度，一般根据试样弯曲表面有无裂纹或折断等破坏情况来评定材料的质量。冷弯条件依材料及试样的厚度不同而异，在材料的有关技术标准中加以规定。因此，冷弯试验的目的仅为在一定的弯曲条件下比较材料的塑性。图5为钢板的冷弯性能试验。图1-5180·冷弯试验弯心直径越大，冷塑性变形的能力愈差；弯心直径越小塑性越好。下面举例说明强度、塑性的计算方法。’例题：有一根钢试棒，原始长度100毫米，直径10毫米。作拉伸试验时，载荷增加至2669公斤力时开始出现屈服现象；载荷达4710公斤力时，试样被拉断。结果测得在变形后长度是116毫米，细颈处直径是7.75毫米。试求钢试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。解：(1)求试样的截面积（2）求屈服强度8(3)求抗拉强度(4)求延伸率(5)求断面收缩率先求收缩细颈面积‘1.1.4硬度:金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。1、布氏硬度：图1—6布氏硬度测定过程示意图9式中P——压力载荷(公斤力)，F—压痕面积(毫米’)；HB—布氏硬度值。压痕面积的计算如下：图1-8是布氏硬度试验机的结构原理示意图。图1--8布氏硬度试验机结构原理图布氏硬度与强度也有着如下的近似关系：σb=0．36HB(低碳钢)它随着不同金属材料以及．热处理情况而有所不同。低碳钢0．36，高碳钢0．34，调质合金钢o．325.布氏硬度试验的优缺点：优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。2、洛氏硬度：（HR）测试当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示：HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。HRB是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、铸铁等。HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为：10式中：C-常数一般取0.2h-压痕深度洛氏硬度试验的优缺点：优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。1.1.5冲击韧性冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标。冲击韧性指标用AK表示，试样缺口的形式有U型和V型两种。11冲击试验示意图1一摆锤2一试样3一机架L指针：5；—刻度盘试验时把标准试样安放在试验机的两支点中间，使试样的缺口背向的