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第一章金属材料及热处理第一节金属材料的力学性能使用性能⎪⎩⎪⎨⎧性）高温。氧化性（热稳定化学性能：耐蚀性、抗密度、熔点等性、导热性、热膨胀、物理性能：电学性、磁、塑性、韧性、钢度等力学性能：强度、硬度工艺性能⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧切削加工焊接性压力加工（冲压性）铸造性可锻性金属材料的力学性能：金属材料在一定的温度条件和受外力作用下，抵抗变形、断裂的能力称材料的力学性能又称为机械性能。主要有四大指标：1、强度指标：抗拉强度bσ屈服强度sσ：（疲劳强度、屈强比）2、塑性指标⎩⎨⎧断面收缩率伸长率（延伸率）δ3、硬度指标⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧DHLHVHRCHB）里氏硬度（）维氏硬度（）洛氏硬度（）布氏强度（4、韧性指标⎩⎨⎧ICkkKAa断裂韧度冲击韧性1、强度指标将规定尺寸的试棒在拉伸实验机上进行静拉伸实验，以测定该试1件对外力载荷的抗力，可求强度指标和塑性指标。（1）拉伸曲线图（2）应力应变图应力0A外力=σ（单位面积所受力）应变0LLΔ=ε（单位长度的变形量）对原材料、焊接工艺及焊接试板均有严格的标准进行规定。对圆形拉伸试样分标准试样和比例试样，每种又分为长试样和短试样⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧==⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===（短）（长）任意选用比例试样：短试样）长试样）标距标准试样：直径006000000065.53.11(5(1020ALALddLdLLd高碳钢外力σb（应中碳钢低碳钢σb力（拉伸图）变形量ΔL（应变ε）L0A0dσ）FK标距L02（3）拉伸试验分为四个阶段①弹性变形阶段：变形量LΔ与外力（或应变和应力）成正比（即虎克定律）。该阶段昀高值：：e′Pσ：称比例极限（即保持直线关系的昀大负荷）。eσ：弹性极限：我们把材料产生昀大弹性变形时的应力称由于检测精度，国标规定以残余变形量为0.01%时的应力为弹性极限。0AFee=σ应力：单位面积上材料抵抗变形的力称为应力。)(20mNPAPa=σ国际单位：米、牛、秒制②屈服阶段屈服极限；材料承受的载荷不再增加而仍继续发生塑性变形即开始产生明显塑性变形时的昀低应力值称为屈服极限。又叫屈服点，用sσ表示。0APSs=σ许多合金并没有明显的屈服现象，所以工程上规定了以试样产生的伸长量为试样长度的0.2%时的应力作为材料的条件屈服点，用2.0σ表示。（严格的也可以是1.0σ、05.0σ等）屈服阶段是由于材料内部晶格间发生滑移所至。3③强化阶段抗拉强度：材料抵抗拉力破坏作用的昀大应力称为强度极限又称抗拉强度。即产生昀大的均匀塑性变形的抗力。0APbb=σ由于塑变而产生加工硬化，载荷需增加直至昀大载荷后局部发生塑变即“颈缩”。bP强度极限bσ在工程技术上很重要，它的物理意义是表征材料昀大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能担负的昀大负荷的应力值在工程上称抗拉强度。它是工程设计和选材上的重要依据，再加上适当的安全系数。bσ的测量既方便又准确。屈强比bsσσ：屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比。比值越大越能发挥材料的潜力，减少自重，但可靠性能下降，因两值较接近，材料在断裂前的塑性“储备”较少，安全裕度较小。屈强比越小，结构的可靠性越高，为保证安全，一般比值在0.65～0.75之间，高屈强比可省材料但对应力集中较敏感，抗疲劳性能较差，所以对大于0.8要慎重处理。此问题考试可能涉及面大，焊接气瓶用钢国标限定为不得大于0.8。④颈缩阶段：bσ后试件局部开始变细，出现颈缩现象，截面急剧减小，载荷也减小，曲线下降到K点断裂，此时应力在变大（加工硬化所致）负荷变小sbσσ、是两个主要指标4sσ作强度指标时安全系数5.1=sn～2.0bσ作强度指标时安全系数0.2=bn～5.0现行锅规7.25.1==bsnn现行容规36.1==bsnn2、塑性指标塑性：是指金属材料在载荷作用下产生昀大塑性变形而不破坏的能力。①伸长率：δ试样受拉力断裂后，总伸长量与原始长度的比值的百分率称为伸长率（延伸率）δ=%100001×−LLLL0：试件原始标距长度L1：试件拉断后标距长度长试样10δ或δ表示，=10d0L短试样5δ表示，=5d0L相同符号才能进行比较，同一钢材的5δ与10δ值不同，5δ大约为10δ的1.2倍。为了防止采用屈强比高的钢材，对锅炉钢板的伸长率规定5δ不得小于18%，以此来限定屈强比。②断面收缩率Ψ（%）试样受拉力断裂后，试样截面的缩减量与原截面之比的百分率称为断面收缩率。A0：拉伸前原始截面A1：拉断后细颈处，昀小截面积ψ=010AAA−×100%5断面收缩率不受试件标距长度的影响（无长短之分），对于锅炉压力容器材料的伸长率一般要求10%以上。伸长率和断面收缩率表明材料在静态或缓慢拉伸应力作用下的韧性，良好的塑性即可使材料冷压成型性好，重要的受压零件可防止超载时发生脆性断裂，但对塑性的要求有一定限度并非越大越好。3、硬度指标：硬度：指金属材料抵抗硬物压入表面的能力。常用的硬度测定方法都是用一定载荷（压力）把一定的压头压在金属材料表面，然后测定压痕面积或深度来确定硬度值，压痕愈大愈深则硬度愈低。它是表征材料的弹性、塑性、形变强化率，强度、韧性等一系列不同物理量的组合的一种综合性能指标。由于简单易行，不必破坏所以是重要的检验手段之一。①布氏硬度HB在直径为D的淬火钢球上施加压力P，使钢球压入被测金属表面，并留下压痕，载荷P与压痕表面积之比称为布氏硬度。HB=APP：压力载荷（N）A：压痕表面积（㎜）)2102.022dDDDPAPHB−−==（πD：钢球直径d：压痕直径为了避免压痕面积计算的麻烦，专门制定了压痕直径与HB值的对照表。在布氏硬度实验时，钢球直径D，压力P和力保持时间应根据6不同的金属材料和厚度选定。2DP的比值不同，不能直接进行比较。2DP分为30、10、25三种；压痕直径d应在0.25D＜d＜0.6D范围内。HB＞450不能用淬火钢球测量布氏硬度。硬度与强度的关系：经验公式：HBb36.0=σ低碳钢HBb34.0=σ高碳钢布氏硬度一般不标出单位，硬度值越高表示材料越硬。表示方法：HBS淬火钢球≤450HB，HBW合金钢球≤650HB②洛氏硬度HR洛氏硬度时采用测量压痕深度来确定硬度值的实验方法。实验：锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588㎜（161英时）的淬火钢球负载先后两次施加，先加100N初载再加主载荷，按照压头种类和总实验力的大小组成三种洛氏值。洛氏硬度及应用范围标度压头总负荷（N）测量范围HRA120°圆锥60075～85HRB1.588㎜钢球100025～100HRC120°全钢圆锥150020～67洛氏硬度实验适用范围广，操作简便迅速，压痕较小故在热处理质量检验中应用昀广。（无名数）HR=002.0hK−每0.002为一个洛氏单位。h：为深度金刚石压头K=0.2㎜黑色表盘刻度7136°淬火钢球K=0.26㎜红色表盘刻度HRC≈HB101③维氏硬度HV：使用金刚石正四棱锥体为了满足从软到硬有一个连续一致的硬度标度，需要采用维氏硬度HV：是以负荷除以压痕表面积所得的商。测出两对角线平均长度（d）㎜。然后查表或代入公式确定硬度值。)(1891.08544.122MPadPdPAPHVV===（㎡）（N）它采用正棱角锥体金刚石压头，实验压力从10～1000N选用。还有显微硬度选更小的压力测出金相组织中不同相的硬度。焊缝热影响区硬度等。④里氏硬度HL装有一碳化钨冲击测头在一定高度下冲击试件表面测出冲击测头距试样表面1㎜处的冲击速度和回跳速度，是利用电磁感应原理中速度与电压成正比的关系。则VB：测头回跳速度HL=1000×ABVVVA：冲击速度里氏硬度仪体积小、重量轻、操作简便，任何方向均可测试，所以适合现场使用，由于是电压值，电脑处理十分方便。里氏硬度实验结果表示方法：在HL里氏硬度符号前给出硬度数值，在HL后给出冲击装置类型。例：700HLD表示D型冲击装置测定的对于换算成其他硬度则在8HL前，相应的硬度符号例如：HB120HLD；400HVHLD；冲击装置类型D、DC、G、C型。主要是冲击体质量不同，冲击能量不同，测试范围不同。4、韧性指标韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。⎩⎨⎧断裂韧性冲击韧性①冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。计算公式：a=KFAKAK：冲击功（冲断试样所消耗的功）F：试样缺口处的截面积单位2cmJ（1J=1N.m）目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J试样：U型缺口—时效冲击时用V型缺口AKV表示，V型缺口在锅炉压力容器的检验中应用较多。时效冲击将试件拉伸残余变形10%（低碳钢），5%（低合金钢）后加热250°±10℃保温一小时后再作冲击，试验采用U型缺口，得出aKUS时效冲击值。（1）脆性转变温度：TK我们把使材料的冲击韧性显著降低的温度叫做脆性转变温度。因为冲击韧性与试验温度有关，材料在低温下会出现由塑料状态转变为脆性状态，冷脆性转变温度的高低是金属材料质量指标之一。9冷脆转变温度越低的材料其材料的低温冲击性能越好，北方寒冷地区必须具有更低的冷脆转变温度才能保证安全，所以在-20℃以下的地区所有焊件都要求低温冲击韧性。冷脆温度的测定目前可使用三种方法：①能量准则法②断口形貌准则法③落锤试验法所测试样发生脆性断裂的昀高温度称为无塑性转变温度NDT。钢材的昀低允许工作温度应高于无塑性转变温度。（注意与NDT无损探伤试验相区别）试样在冲击断裂过程中是一个裂纹发生和发展的过程，如果塑变能够发生在断裂的前面，阻止裂纹的扩展而裂纹的继续发展就需要消耗更多的能量。因此冲击韧性的高低取决于材料有无迅速塑性变形的能力。a值对材料内部组织及缺陷较其他方法更为敏感，能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的变化。此外冲击实验迅速、方便，所以是质量检验的有效方法。例如：对白点、温度敏感（时效冲击）。K②断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂。实际上材料远非是均匀的、连续的各向同性的其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等缺陷可看作是裂纹，在外力作用下，在裂纹尖端附近便出现应力集中，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，应力场的强弱主要取决与一个力学参数——应力强度因子KI10K=YIaπσY—无量钢系数与裂纹形状、加载方式试样尺寸有关σ：外加拉应力（MPa）a：裂纹长度的一半（m）当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时，K也随之增大，当K增大到某一临界值时，试样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。这个临界值称为该材料的断裂韧度用K表示。IIIC断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的指标。当K1＜K时，裂纹扩展很慢或不扩展；IC当K1≥K时，则材料发生失稳脆断。IC断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现，主要取决于材料的成分，内部组织和结构，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，通过实验测定的。5、弯曲实验：是焊接接头力学性能实验的主要项目，焊接工艺评定和产品焊接试板都要进行弯曲实验方法：将试样放在支座上，用直径为D（一般D=α为试样厚度）的压头压下，使试样弯曲至一定角度与焊接方法、材料不同而取180°（100°）90°（50°）评定是以不出现长度大于一定尺寸的裂纹或缺陷为合格。分面、背、侧弯。3α4α《容规》按GB150附录E《产品焊接试板焊接接头的力学性能检验》的规定执行，而在JB4744-2000标准中规定自2000年10月1日起实施之日起代替GB150-98的附录E其中取消了原标准中弯轴直径和弯曲随钢种试样种类，以及焊接采用单面或双面焊而异的规定。而《锅规》仍延用老标准GB232《金11属弯曲实验方法》。一律采用弯轴直径D=4a弯曲角为180°的规定。支座间距离6a+3（面背）63㎜（侧）2000年1月1日正式实施的《压力容器安全技术监督规程》中已对弯曲试验作了明确规定，而《锅规》仍执行D=3a支点5.2a双面焊⎪⎩⎪⎨⎧（其它合金钢）（碳素钢、奥氏体钢）弯曲角度oo180180单面焊则为90°、50°6、有关材料力学方面的进一步