承压类特种设备无损检测相关知识--力学性能课件.ppt

承压类特种设备无损检测相关知识焦作市锅炉压力容器检验所毛晓刚第1章金属材料与热处理基础知识金属材料是制造承压类特种设备最常用的材料，因为它们具有优良的性能。作为类特种设备元损检测人员，应了解材料方雨的有关知识。通常所指的金属材料的性能包括以下两个方面:1.使用性能：即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性主要有力学性能(强度、硬度、刚度塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围，用安全可靠性和l 使用寿命。2.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。一、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有强度、硬度、塑性、韧性等。这些性能指标可以通过力学性能试验测定。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据一、基本概念一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（化；通常以百分比（%）表示）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷按作用形式不同分：按作用形式不同分：6、变形：、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。称为变形。分为弹性变形与塑性变形分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。拉伸实验拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228-2010）1.拉伸试样拉伸试样2.力力伸长曲线伸长曲线（以低碳钢试样为例）（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线1.拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0 万能材料试验机 a)WE系列液压式 b)WDW系列电子式2.力伸长曲线力伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段 (a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象LF0 03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。4、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示:F =(M pa)S 0应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:l =l 0应力应变曲线应力应变曲线（-曲线曲线）形状和拉伸曲线相同，单位不同思考思考怎样比较不同材料抵怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？抗外力能力的大小？4、应力与应变曲线、应力与应变曲线比例极限（比例极限（p）例例:弹簧秤弹簧秤弹性极限（弹性极限（e）如如:弹簧弹簧屈服极限（屈服极限（s）抗拉极限抗拉极限(b)三、强度三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力破坏的能力 工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度强度指标指标：屈服点（屈服点（s）或规定残余）或规定残余伸长应力（伸长应力（r）抗拉强度抗拉强度(b)屈服点（s）:指材料产生屈服时的应力指材料产生屈服时的应力规定残余伸长率为0.2%时的应力材料屈服时的拉力（N）屈服点（屈服极限）原标准（GB228-76）：屈服强度很重要，大多数很重要，大多数零件不允许有塑零件不允许有塑性变形性变形规定残余伸长应力:对有明显屈服现对有明显屈服现象的材料象的材料对无明显屈服现对无明显屈服现象的材料象的材料抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值拉伸过程中最大的拉力（N）若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的ss或或或或 0.20.2进行设计计算。进行设计计算。进行设计计算。进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的 b b来设计计来设计计来设计计来设计计算。算。算。算。因此因此因此因此ss和和和和 b b是机械零件设计计算的主要依据。是机械零件设计计算的主要依据。是机械零件设计计算的主要依据。是机械零件设计计算的主要依据。很重要，表示零很重要，表示零很重要，表示零很重要，表示零件破坏前能抗的件破坏前能抗的件破坏前能抗的件破坏前能抗的最大应力值最大应力值最大应力值最大应力值强度的意义强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。二、塑性二、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力可逆永久变形的能力 常用的塑性判据常用的塑性判据：拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如:10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d0试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（mm）2、断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）试样原始截面积（mm2）和和和和 是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。小。小。小。一般认为一般认为一般认为一般认为 5 5的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；5 5的为的为的为的为脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁.塑性对材料的意义塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性提高安全性:因为零件在工作时万一超因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂免突然断裂 通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。GB/T 228-2002新标准 GB/T 228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度屈服点s上屈服强度ReH上屈服点sU下屈服强度ReL下屈服点sL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力r抗拉强度Rm抗拉强度b断后伸长率A或A11.3断后伸长率5或10断面收缩率Z断面收缩率三、硬三、硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法:压入法压入法 它是材料性能的一个综合的物理量。它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV）材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度试验原理图2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于650HBW试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表验力保持时间按表1-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范布氏硬度范围围HBSHBS（HBWHBW）试样厚试样厚度度/mmmm0.1020.102球的直球的直径径/mmmm试验力试验力F/F/KNKN（k k g f)g f)试验力试验力保持时保持时间间/s s钢、钢、铸铁铸铁140-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.355(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非铁非铁金属金属1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范3、表示方法XXX HBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持 时间（s）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如 170HBS。4、适用范围常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复优点：测值重复性强、测量结果性强、测量结果准确准确缺点：压痕大，不缺点：压痕大，不适合成品检验适合成品检验二、洛氏硬度测定原理硬度硬度符号符号压头类压头类型型总实总实验验力力F/N 硬度硬度值值有效范有效范围围应应用范用范围围HRA金金刚刚石石圆锥圆锥体体58870 08585适用于适用于测测量硬量硬质质合金、表面淬硬合金、表面淬硬层层或渗碳或渗碳层层HRB直径直径为为1.588mm钢钢球球98025100100适用于适用于测测量非量非铁铁金属金属,退火、退火、正正火火钢钢等等HRC金金刚刚石石圆锥圆锥体体1470206767适用于适用于调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等等上述公式中，上述公式中，k为常数，金刚石压头时为常数，金刚石压头时k=0.2MM，淬火钢球压头，淬火钢球压头时时k=0.26MM；h为主载荷解除后试件的压痕深度；为主载荷解除后试件的压痕深度；试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛洛氏氏硬硬度度HRC可可以以用用于于硬硬度度很很高高的的材材料料，在在钢钢件件热热处处理理质质量量检检查中应用最多。查中应用最多。4、适用范围优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。2、计算公式3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。四、冲击韧性 强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。1、冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。2.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T2291994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。2.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T2292007冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量;Kmg（H1-H2）2.材料冲击韧性的表示方法按照国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳（J）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。【小小资资料料】GB/T 2292007与GB/T 2291994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T2292007旧标准GB/T2291994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU 2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU 8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 8转变温度Tt韧脆转变温度TC缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。3.冲击试验的应用3.冲击试验的应用缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。低温脆性低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt）。转变温度（Tt）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（Tt）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（Tt）可达-40以下。