搜索
材料与焊接船舶材料与焊接第一节金属材料的力学性能一、强度和塑性金属的强度、刚度、弹性及塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。它是按GB228－87规定，把一定尺寸和形状的金属试样（如图所示）装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可测出该金属的拉伸曲线，并由此测定该金属的强度、刚度、弹性及塑性。（一）强度强度是指金属村料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。按GB228－87规定，可用屈服强度σ0.2来表示该材料开始产生明显塑性变形时的昀低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2％残余伸长时的应力值，即σ0.2=F0.2/A0(kgf/mm2)式中：F0.2———试样标距产生0.2％残余伸长时的载荷；A0———试样的原始横截面积。达到F0.2拉力后试棒伸长率不再按先前比例，而是大幅度增加。同时，在这里介绍一下弹性变形概念，即指应力撤消后立即消失的变形。抗拉强度σb是表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。脆性材料在拉伸过程中，一般不产生缩颈现象，因此，抗拉强度σb就是材料的断裂强度，它是表示材料抵抗断裂的能力。抗拉强度是零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料的强度重要指标之一。σb=Fb/A0(kgf/mm2)——————————————————————————————————————————————35－1材料与焊接式中：Fb———试样被拉断时的断裂载荷；A———试样的原始横截面积。0一般船用材料当加热温度达到600℃以上时，它的屈服强度接近常温下的1/10；当加热温度达到800℃以上时，它的屈服强度接近于零；（二）塑性塑性是指金属材料在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。伸长率δ和断面收缩率φ是表示材料塑性好坏的指标。1．伸长率伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距之比，即2．断面收缩率断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，即虽然塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但任何零件都要求材料具有一定塑性。因为零件使用过程中，偶然过载时，由于能发生一定的塑性变形而不致于突然脆断。二、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中，测定硬度方法昀常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头，在一定载荷下，压入金属材料表面时，压入程度愈大，则材料的硬度值愈低；反之，硬度值就愈高。因此，压入法所表示的硬度是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力。测定硬度的方法很多，生产中应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等实验方法。（一）布氏硬度布氏硬度试验法是用规定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷的作用下压入被测试金——————————————————————————————————————————————35－2材料与焊接属的表面，停留一定时间后卸除载荷，测量被测试金属表面上所形成的压痕直径，由此计算压痕的球缺面积，然后求出压痕的单位面积所承受的平均压力，由此作为被测试金属的布氏硬度值。布氏硬度的单位为：N/mm2，但习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。一般硬度符号HBS或HBW前面的数值为硬度值，符号后面的数值依次表示球体直径、载荷大小及载荷保持时间（保持时间为10～15s时不标注）。例如，120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球，在9806.65N载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为120。(二）洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前工厂中应用昀广泛的试验法。它是用一个锥顶角120o的金刚石圆锥体或一定直径的钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。洛氏硬度值为一无名数，它置于符号HR的前面表示，HR后面为使用的标尺。例如，50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。在试验时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。——————————————————————————————————————————————35－3材料与焊接(三)维氏硬度为了能在同一种硬度标尺上，测定由极软到极硬金属材料的硬度值，特制定了维氏硬度试验法。试验原理基本上和布氏硬度试验相同，它是用一个相对面夹角为136o的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面，保持一段时间后卸除载荷测量数据并计算得出的金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。在硬度符号HV之前的数值为硬度值，HV后面的数值依次表示载荷（单位为N,）和载荷保持时间（保持时间为10～15s时不标注）。例如，640HV30表示在30kgf载荷作用下，保持10～15s测得的维氏硬度为640。由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系。但根据试验结果，可获得粗略换算公式如下：三、冲击韧性以很大速度作用于工件上的载荷为冲击载荷。金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需进行一次冲击试验。一次冲击试验是一种动载荷试验，它包括冲击弯曲、冲击拉伸、冲击扭转等几种试验方法。本节将介绍其中应用昀普遍的一次冲击弯曲试验。（一）冲击试验方法一次冲击弯曲试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，通过冲击试验得出材料断裂前吸收的能量，用此来衡量材料的韧性水平，以公斤*米或焦耳表示。为了使试验结果能相互比较，所用试样必须标准化。GB/T229-1994规定，冲击试验标准试样有夏比U型缺口试样和夏比——————————————————————————————————————————————35－4材料与焊接V型缺口试样两种。两种试样的尺寸及加工要求如图所示。根据两种试样缺口形状不同，冲击吸收功分别用Aku和Akv表示，单位为焦耳（J)。冲击吸收功的值可从试验机的刻度盘上直接读得。一般把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷状，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。试验表明：钢材的力学性能会随温度的变化而变化。温度降低，屈服强度/抗拉强度会升高；而塑性、韧性会降低，其中冲击韧性的变化昀早、昀明显。当温度降低到Tc附近时，材料的冲击韧性值从原来的较高、较稳定徒然下降到很低水平。这一温度叫做脆性转变温度，此温度越低表明韧性越好。Tc＜－195℃材料叫低温用钢。（二）冲击试验的应用冲击弯曲试验主要用途是揭示材料的变脆倾向，其具体用途有：1.评定材料的低温变脆倾向——————————————————————————————————————————————35－5材料与焊接有些材料在室温20℃左右试验时并不显示脆性，而在低温下则可能发生脆断，这一现象称为冷脆现象。为了测定金属材料开始发生这种冷脆现象的温度，应在不同温度下进行系列冲击试验，测出该材料的冲击吸收与温度间关系.试验表明：冲击吸收功随温度的降低而减小，当试验温度降低到某一温度范围时，其冲击吸收功急剧降低，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。在这温度范围内，通常可根据有关标准或双方协议，确定某一温度为该材料的韧脆转变温度。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。这对在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构（如运输机械、地面建筑、输送管道等）尤为重要，由于它们的工作环境温度可能在－50～＋50℃之间变化，所以必须具有更低的韧脆转变温度，才能保证工作的正常进行。四、疲劳（一）疲劳现象根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力两种，承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先觉察到，也属低应力脆断，故具有很大的危险性。产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于在零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位。例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷处，在交变或重复应力的反复作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，昀后当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。因此，零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。（二）疲劳曲线与疲劳极限大量试验证明，金属材料所受的昀大交变应力愈大，则断裂前所经受的循环周次（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力与疲劳寿命的关系曲线称为疲劳曲线。一般钢铁材料特征是当循环应力小于某一数值时，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂，这就是试样不发生断裂的昀大循环应力，该应力值称为疲劳极限。——————————————————————————————————————————————35－6材料与焊接按GB4337－84规定，一般钢铁材料取循环周次为107次时，能承受的昀大循环应力为疲劳极限。（三）提高疲劳极限的途径由于金属疲劳极限与抗拉强度的测定方法不同，故它们之间没有确定的定量关系。但经验证明，在其它条件相同情况下，材料抗拉强度高时，其疲劳极限也愈高。疲劳极限除与选用材料的本性有关外，还可通过以下途径来提高零件的疲劳极限。（1）在零件结构设计方面尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹。（2）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量，以及尽量减少能成为疲劳源的表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面损伤（刀痕、擦伤、生锈等）。（3）采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火和喷丸、滚压等表面冷塑性变形加工，不仅可提高零件表层的疲劳极限，还可获得有益的表层残余压应力，以抵消或降低产生疲劳裂纹的拉应力。五钢的热处理性能通常HB、Hv用来表示钢的硬度，钢在加热后以不同的冷却速度冷却会使硬度以及其他力学性能发生变化，冷却速度加快硬度、强度会同时升高，而塑性则会成倍降低。这种通过控制加热温度和冷却速度来改变钢材性能的方法叫钢的热处理常用的有退火：加热至850℃后随炉冷却；正火：加热至850℃后炉外空冷；淬火：加热至850℃后水中淬冷；回火：加热到不超过723℃（通常600℃）后冷却下来的方法；经过淬火变硬而脆的钢，再经回火处理它的硬度降低、塑性韧性提高，这种淬火后又回火的方法叫调质处理。回火能够降低甚至消除钢中的残存内应力。第二节钢材钢在冶炼过程中不可避免的含有一些其它元素。各种元素对钢材性能的影响是不同的。为了提高钢材的机械、物理、化学性能，有意向钢中加入一些其它元素，这样的钢称作合金钢。在一些恶劣条件下（受复杂应力、冲击载荷、摩擦等作用）工作的设备往往离不开合金钢。碳素钢冶炼、加工比较方便，价格低廉，机械性能可满足多方面要求，尤其是经过热处理后性能有很大改善。因此，碳素钢在工业中应用广泛。它的产量占钢材总产量的90％。——————————————————————————————————————————————35－7材料与焊接目前，合金钢中常加的合金钢元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Zr、Al、Cu、Co、N、B、Xt。一．钢材的分类与编号我国现行的钢材表示法是根据（GB211－63）规定，采用汉字牌号，汉语拼音字母并用，并与国际化学元素符号及阿拉伯数字相结合的编号方法。下表表示钢铁材料的用途、冶炼、浇铸方法、汉字和汉语拼音字母代号。（一）普通碳素钢普通碳素钢分为三类，以上表中的汉字用甲、乙、特或字母A、B、C表示。钢号的书写方法是：钢类，炉种的汉字或字母，顺序号，沸腾钢或半镇静钢的汉字或字母。平炉钢和镇静钢在钢号中不注出。（二）优质碳素结构钢含碳量以万分之一为单位表示。45号钢表示平均含碳量为0.45%。沸腾钢及半镇静钢应特别标明，如10沸。锰含量较高的优质碳素钢将锰