船舶材料基础

课题二船舶材料基础材料是造船工业的基础。在造船生产中使用的材料特别是金属材料主要具有满足船舶结构所需的力学性能与工艺性能要求；而这些性能与金属内部原子结构及合金化有着密切的关系，还可以通过热处理强化和改善它们的性能。教学目标:１．重点理解与掌握船用金属材料的主要力学性能指标：２．一般理解与掌握金属的晶体结构、合金的相结构、实际金属的晶体结构；3．熟练掌握铁碳合金相图及其应用；4．熟练掌握钢的热处理基本原理与工艺。第一节金属的力学性能内容:金属材料的主要力学性能指标：强度(屈服强度、抗拉强度)、塑性(伸长率、断面收缩率)、硬度、冲击韧性、疲劳强度等力学性能及其测试原理。目的：强调各种力学性能指标的生产实际意义。南山学院引言：1．金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。2．金属材料力学性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。一、强度和塑性（一）拉伸实验与拉伸曲线1．拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0拉伸试样•2．拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机op段：比例弹性变形阶段。pe段：非比例弹性变形阶段。平台或锯齿（s段）：屈服阶段，明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp3.材料的拉伸曲线断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。低碳钢的拉伸曲线通常以材料拉伸曲线上的特殊点和线作为强度和塑性的性能指标退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢•不同材料的拉伸曲线（二）常用强度性能指标强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程上常用的强度指标有σ0.2（σs），σb表示。(1)屈服点与屈服强度:屈服点：产生明显塑性变形的最低应力值.σs=Fs/S0符号：σs：材料产生屈服现象时的最小应力Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）σs屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)F0.2σ0.2=(MPa)S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形屈服强度σ0.2（σs）是金属工程结构设计和选材的主要依据。也是评定金属强度的重要指标之一。屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标，大多数合金都没有屈服现象，屈服强度以σ0.2表示。它表示材料抵抗断裂的能力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(MPa)S0试样原始横截面积(mm2)σbσsσe(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。也是评定金属强度的重要指标之一。（三）塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，如ψ，δ表示。•(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量ΔS与原始横截面•积S0之比。•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L0之比。S0-S1ψ=——-—×100%S0l1-l0δ=——-—×100%l0δ或ψ数值越大，则材料的塑性越好。任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。除常温试验之外，还有金属材料高温拉伸试验方法（GB/T4338—95）和低温拉伸试验方法（GB/T13239—91）供选用。练习题一拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%练习题二某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPaбb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPaδ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。二、硬度1．定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料表面软硬程度的指标，因此硬度不是一个单纯的确定的物理量，不是基本的力学性能指标，而是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，所以硬度所表示的量不仅决定于材料本身，而且还取决于试验方法试验条件。2．硬度的测试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度引言：（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度试验（布氏硬度计）1．原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。布氏硬度计2．布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000k（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。3．优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低4．测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.（二）洛氏硬度HR(Rockwllhardness)1．原理:用顶角为120º金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计2．洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出，如：50HRC。3．优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。4．测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.（三）维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)1．原理:用夹角为136º的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2．维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。3．优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。4．测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。HV≈HBS三、冲击吸收功材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。目前最常见的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验，其试验原理如图所示。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功AK越大，材料的韧性越好。实验表明，AK随温度的降低而减小；在某一温度范围，材料的AK值急剧下降，表明材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。AKak=(J/cm²)S0四、疲劳极限(fatiguestrength)许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等许多工程结构都是交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力或交变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳破坏。疲劳破坏与静载荷下的破坏不同，断裂前没有明显的塑性变化，发生断裂也较突然。这种断裂具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。因此，工程上十分重视对疲劳规律的研究。四、疲劳极限(fatiguestrength)表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值（或当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力值）称为材料的疲劳极限。通常在对称应力循环条件下的纯弯曲疲劳极限用σ-1表示。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb1943年美国T-2油轮发生断裂第二节金属的晶体结构与结晶内容:金属的晶体结构合金的相结构实际金属的晶体结构目的:掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备。一、晶体的基本知识（一）晶体与非晶体固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类。晶体的特点是：1．原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。2．具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。3．晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。一般情况下固态金属都是晶体。最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施，也可使固态金属呈非晶态。本教材中主要研究金属的晶体性质与结构。非晶体的特点是：1．原子在三维空间呈不规则的排列。2．没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。3．各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。（二）晶体结构的基本概念晶格与晶胞（三）常见金属的晶格类型1．体心立方晶格每个晶胞原子数n=8×1/8+1=2(个)属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等2．面心立方晶格每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个)属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的铁）、铝、铜、银等。体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。3．密排六方晶格密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个)属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Cd、α-Ti等。（四）晶体结构的致密度晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径。故体心立方晶格的致密度为：2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。二、金属的实际晶体结构（一）单晶体和多晶体晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得（单晶硅、单晶锗等）。实际使用的金属材料都是由许多晶格位向不同的微小