ASME標(biāo)準(zhǔn)材料與應(yīng)力培訓(xùn)教材(ppt 171)

1、ASME標(biāo)準(zhǔn)中材料一、力與平衡1AFKL力的概念 1定義：力是物體間的相互機械作用，這種作用可以改變物體的運動狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。2. 力的效應(yīng)： 運動效應(yīng)(外效應(yīng)) 變形效應(yīng)(內(nèi)效應(yīng))。3. 力的三要素：大小，方向，作用點AF力的作用線：沿力矢F的直線KL稱為力的作用線。推論：力是矢量 印刷體用黑體 字，手寫時用 或 表示。 印刷體用黑體 字，手寫時用 或 表示。 印刷體用黑體 字，手寫時用 或 表示。2靜力學(xué)根本公理公理1 二力平衡公理作用于剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要與充分條件是：這兩個力大小相等 | F1 | = | F2 | , ( F1 = F2 )指向相反 F1 = F2作

2、用線共線，只用白體字F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符號。F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符號。 公理：是人類經(jīng)過長期實踐和經(jīng)驗而得到的結(jié)論，它被反復(fù)的實踐所驗證，是無須證明而為人們所公認(rèn)的結(jié)論。作用于同一個物體上。3 在力系上加上或減去任意一個平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效應(yīng)。推論1：力的可傳性原理。 作用于剛體上的力可沿其作用線移到同一剛體內(nèi)的任一點，而不改變該力對剛體的效應(yīng)。公理2 加減平衡力系公理 對同一個剛體來說，力的該性質(zhì)稱為力的可傳性，因此，對同一個剛體，力是滑動矢量。4 剛體受三力作用而平衡，若其中兩力作用線匯交于一點，則另一力的作用線必匯交于同一點，且三力的作

3、用線共面。（不平行的三個力平衡的必要條件）公理3 力的平行四邊形法則 作用于物體上同一點的兩個力可合成一個合力，此合力也作用于該點，合力的大小和方向由以原兩力矢為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線來表示。推論2：三力平衡匯交定理 5公理4 作用力和反作用力定律等值、反向、共線、異體、且同時存在。證 為平衡力系， 也為平衡力系。 又 二力平衡必等值、反向、共線， 三力 必匯交，且共面。例 6公理5 剛化原理體（剛化為剛體），則平衡狀態(tài)保持不變。 公理5 告訴我們：處于平衡狀態(tài)的變形體，可用剛體靜力學(xué)的平衡理論去硏究。變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體變成剛7 約束反力：約束給被約束物體的力

4、叫約束反力。（約束的作用由力來表示，該力稱為約束反力。）約束與約束反力概念 自由體：位移不受限制的物體叫自由體。 非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。 約束：對非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制條件稱為約束。 （這里，約束是名詞，而不是動詞的約束） 主動力: 促使物體運動或使物體產(chǎn)生運動趨勢的力稱為主動力（如重力、風(fēng)力、切削力、物體壓力、牽引力等）。8 約束反力特點：GGN1N2大小常常是未知的；方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；作用點在物體與約束相接觸的那一點。9柔性體約束只能承受拉力，所以它們的約束反力是作用在接觸點，方向沿柔性體軸線，背離被約束物體。是離點而去的力。約束類型和確定約

5、束反力方向的方法：1.由柔軟的繩索、鏈條或皮帶構(gòu)成的柔性體約束PPTS1S1S2S2 10 約束反力作用在接觸點處，方向沿公法線，指向受力物體是向點而來的力。2.光滑接觸面的約束 (光滑指摩擦不計)PNNPNANB11FR滑槽與銷釘123.光滑圓柱鉸鏈約束圓柱鉸鏈銷 釘13AAAXAYAA14固定鉸支座15活動鉸支座（輥軸支座）N的實際方向也可以向下N1617物體的受力分析和受力圖受力分析解決力學(xué)問題時，首先要選定需要進行研究的物體，即選擇研究對象；然后根據(jù)條件，約束類型并結(jié)合根本概念和公理分析它的受力情況，這個過程稱為物體的受力分析。作用在物體上的力有：一類是:主動力,如重力,風(fēng)力,氣體二類

6、是：被動力，即約束反力。壓力等。18畫物體受力圖主要步驟為：選研究對象；取別離體； 畫上主動力；畫出約束反力。受力圖例119畫受力圖應(yīng)注意的問題接觸處必有力，力的方向由約束類型而定。 不要多畫力對于受力體所受的每一個力，都應(yīng)能明確地 不要漏畫力除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，指出它是哪一個施力體施加的。要注意力是物體之間的相互機械作用。因此20不要把箭頭方向畫錯。 不要畫錯力的方向 受力圖上不能再帶約束。 即受力圖一定要畫在別離體上。約束反力的方向必須嚴(yán)格地按照約束的類型來畫，不能單憑直觀或根據(jù)主動力的方向來簡

7、單推想。在分析兩物體之間的作用力與反作用力時，要注意，作用力的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之相反，21內(nèi)力，就成為新研究對象的外力。部或單個物體的受力圖上要與之保持一致。 受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。 同一系統(tǒng)各研究對象的受力圖必須整體與局部一致，相 互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。 正確判斷二力構(gòu)件。一個力，屬于外力還是內(nèi)力，因研究對象的不同，有可能不同。當(dāng)物體系統(tǒng)拆開來分析時，原系統(tǒng)的局部對于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局22二、應(yīng)力狀態(tài)和強度理論應(yīng)力狀態(tài)23普遍狀態(tài)下的應(yīng)力表示單元體：單元體構(gòu)件內(nèi)的點的代表物，是包圍被研究點 的無限小的幾何體，常用的是正六面體。 單元體的性質(zhì)a

8、、平行面上，應(yīng)力均布； b、平行面上，應(yīng)力相等。一點的應(yīng)力狀態(tài)： 過一點有無數(shù)的截面，這一點的各個截面上應(yīng)力情況的集合，稱為這點的應(yīng)力狀態(tài)（State of Stress at a Given Point）。xyzs xsz s ytxy24xyzs xsz s ytxy剪應(yīng)力互等定理（Theorem of Conjugate Shearing Stress): 過一點的兩個正交面上,如果有與相交邊垂直的剪應(yīng)力分量,則兩個面上的這兩個剪應(yīng)力分量一定等值、方向相對或相離。25主單元體、主面、主應(yīng)力：主單元體(Principal bidy)： 各側(cè)面上剪應(yīng)力均為零的單元體。主面(Principal

9、 Plane)： 剪應(yīng)力為零的截面。主應(yīng)力(Principal Stress ）： 主面上的正應(yīng)力。主應(yīng)力排列規(guī)定：按代數(shù)值大小，s1s2s3xyzsxsysz26單向應(yīng)力狀態(tài)（Unidirectional State of Stress）： 一個主應(yīng)力不為零的應(yīng)力狀態(tài)。 二向應(yīng)力狀態(tài)（Plane State of Stress）： 一個主應(yīng)力為零的應(yīng)力狀態(tài)。三向應(yīng)力狀態(tài)（ ThreeDimensional State of Stress）： 三個主應(yīng)力都不為零的應(yīng)力狀態(tài)。AsxsxtzxsxsxBtxz27平面應(yīng)力狀態(tài)分析解析法sxtxysyxyzxysxtxysyO28規(guī)定： 截面外法線同

10、向為正； t a繞研究對象順時針轉(zhuǎn)為正； a逆時針為正。圖1設(shè)：斜截面面積為S，由別離體平衡得：任意斜截面上的應(yīng)力xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn圖229圖1xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn圖2考慮剪應(yīng)力互等和三角變換，得：同理：30極值應(yīng)力xysxtxysyO31xysxtxysyO在剪應(yīng)力相對的項限內(nèi)，且偏向于x 及y大的一側(cè)。222x yyxminmaxtsstt+-= ）（32平面應(yīng)力狀態(tài)分析圖解法對上述方程消去參數(shù)（2），得：1、應(yīng)力圓（ Stress Circle）xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn此方程曲線為圓應(yīng)力圓

11、（或莫爾圓，由德國工程師：Otto Mohr引入）33建立應(yīng)力坐標(biāo)系，如以下圖所示，（注意選好比例尺）2、應(yīng)力圓的畫法在坐標(biāo)系內(nèi)畫出點A( x，xy)和B(y，yx) AB與sa 軸的交點C便是圓心。以C為圓心，以AC為半徑畫圓應(yīng)力圓；sxtxysyxyOnsataaOsataCA(sx ,txy)B(sy ,tyx)x2anD( sa , ta)34sxtxysyxyOnsataaOsataCA(sx ,txy)B(sy ,tyx)x2anD( sa , ta)3、單元體與應(yīng)力圓的對應(yīng)關(guān)系面上的應(yīng)力( ， ) 應(yīng)力圓上一點( ， )面的法線 應(yīng)力圓的半徑兩面夾角 兩半徑夾角2 ；且轉(zhuǎn)向一致。

12、354、在應(yīng)力圓上標(biāo)出極值應(yīng)力OCsataA(sx ,txy)B(sy ,tyx)x2a12a0s1s2s336三向應(yīng)力狀態(tài)研究應(yīng)力圓法s2s1xyzs31、空間應(yīng)力狀態(tài)372、三向應(yīng)力分析彈性理論證明，圖a單元體內(nèi)任意一點任意截面上的應(yīng)力都對應(yīng)著圖b的應(yīng)力圓上或陰影區(qū)內(nèi)的一點。圖a圖b整個單元體內(nèi)的最大剪應(yīng)力為：tmaxs2s1xyzs338復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系 （廣義虎克定律）1、單拉下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2、純剪的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系xyzsxxyz x y393、復(fù)雜狀態(tài)下的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系依疊加原理,得: xyzszsytxysx40主應(yīng)力 - 主應(yīng)變關(guān)系4、平面狀態(tài)下的應(yīng)力-

13、應(yīng)變關(guān)系:方向一致s1s3s241強度理論4個涉及破壞的強度理論42（一）最大拉應(yīng)力（第一強度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。當(dāng)最大拉應(yīng)力到達(dá)單向拉伸時的強度極限時 ，構(gòu)件就斷了。1、破壞判據(jù)：2、強度準(zhǔn)則：3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。 43（二）最大伸長線應(yīng)變（第二強度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)變引起的。當(dāng)最大伸長線應(yīng)變到達(dá)單向拉伸試驗下的 極限應(yīng)變時，構(gòu)件就斷了。1、破壞判據(jù)：2、強度準(zhǔn)則：3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。 44（三）最大剪應(yīng)力（第三強度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的屈服是由最大剪應(yīng)力引起的。當(dāng)最大剪應(yīng)力到達(dá)單向拉伸試驗的極限剪應(yīng)力時，構(gòu)件就

14、破壞了。1、破壞判據(jù)：3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。 2、強度準(zhǔn)則：45（四）形狀改變比能（第四強度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的屈服是由形狀改變比能引起的。當(dāng)形狀改變比能到達(dá)單向拉伸試驗屈服時形狀改變比能時，構(gòu)件就破壞了。1、破壞判據(jù)：2、強度準(zhǔn)則3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。 46強度理論的選用原則：依破壞形式而定。1、脆性材料：一般使用第一或第二強度理論；4、簡單變形時：一律用與其對應(yīng)的強度準(zhǔn)則。如扭轉(zhuǎn)，都用：2、塑性材料：一般使用第三或第四理論。5、破壞形式還與溫度、變形速度等有關(guān)！3、特殊：三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，用第一強度理論； 三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，用第三或第四強度理論；47三

15、、材料的力學(xué)性能和試驗材料的力學(xué)性能（機械性能）48ASME SA370-2001 鋼制品力學(xué)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義（與ASTM標(biāo)準(zhǔn)A370-96完全等同）1. 材料的強度取樣方向495051各種類型鍛件的取樣部位5253抗拉強度54拉伸試驗ASTM E855（）屈服點：當(dāng)試件拉力在 范圍內(nèi)時，如卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，因此，該階段被稱為彈性階段。當(dāng)對試件的拉伸進入塑性變形的屈服階段時，稱屈服下限下所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度或屈服點，記做s。設(shè)計時一般以s作為強度取值的依據(jù)。對屈服現(xiàn)象不明顯的鋼材，規(guī)定以0.2剩余變形時的應(yīng)力0.2作為屈服強度。56（）抗拉強度：從

16、圖2中曲線逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，稱為強化階段。對應(yīng)于最高點的應(yīng)力稱為抗拉強度，用b表示。 設(shè)計中抗拉強度雖然不能利用，但屈強比sb有一定意義。屈強比愈小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性愈大，因而結(jié)構(gòu)的平安性愈高。但屈強比太小，則反映鋼材不能有效地被利用。57(3) 伸長率：圖2中當(dāng)曲線到達(dá)點后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象而斷裂。量出拉斷后標(biāo)距局部的長度Ll，標(biāo)距的伸長值與原始標(biāo)距L0的百分率稱為伸長率。即： （L1-LO） =100% L058持久強度和蠕變強度59拉伸試驗拉伸試驗機60液壓式萬能電子材料試驗機61

17、* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0 短試樣：L0=5d0ASME：L0=4d0 d0L062力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形63彈性( elasticity ):金屬材料受外力作 用時產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。 彈性極限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積( mm2)64拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象65力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂

18、塑性變形66強度(strength): 材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。種類: 抗拉強度、 抗壓強度、 抗彎強 度 、 抗剪強度 、 抗扭強度等。 (2)屈服強度( yield strength): 屈服點 S Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)67規(guī)定剩余伸長應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o68(3)抗拉強度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積( mm2)69 力 學(xué) 性

19、 能強度硬度韌性斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：塑性70塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積S0之比。 S0 - S 1 = 100% S0 71(2)斷后伸長率(延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量L 1與原始標(biāo)距L 0之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料72長試樣：10 簡寫為短試樣：5 同一種材料的5 1073硬度( hardness )1.定義： 是指

20、材料抵抗其它更硬物體壓入其外表的能力。 ASME SA370-2001給出各種不同試驗結(jié)果的對照表以及相應(yīng)的大致抗拉強度。742.硬度試驗方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）回跳法75 布氏硬度HB：ASTM E10 洛氏硬度HR：ASTM E18 維氏硬度HV：ASTM E壓入法76(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計 77觀看布氏硬度781.壓頭：淬火鋼球 HBS硬質(zhì)合金鋼球 HBW792.試驗原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗力壓入待測外表，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料外表壓痕直徑，以此計算出硬度值。8081 F F HB= = S Dh D h =

21、 2 D d 2 2 2282布氏硬度值450的材料 選用淬火鋼球壓頭例如：200HBS 350HBS83布氏硬度值450650的材料 選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：550HBW 600HBW843.標(biāo)注： 符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。854. 特點：優(yōu)點：測量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅瑪?shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。

22、不適于測量成品零件或薄件的硬度。86(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )871.壓頭：120金剛石圓錐體鋼球鋼球 HRAHRCHRB882.試驗原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測外表，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的剩余壓痕深度增量來計算出硬度值。8900112332h1h2h3h1-1 初載10kg h12-2 總載150kg h23-3 卸載140kg h3最后測得：剩余壓痕深度增量 hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.00290洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070

23、HRC91HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如： 50HRC40HRC 923.特點：優(yōu)點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕?。粶y量范圍大，能測較薄工件。缺點：測量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。93是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度 試驗方法?？捎糜诔善窓z驗和薄件外表硬度檢驗。不適于測量組織不均勻材料。應(yīng)用：94(三)維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )維氏硬度計951.壓頭： 錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體962.試驗原理： 與布氏硬度試驗原理根本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。97 以一定的試驗力將壓頭壓入試樣外

24、表，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣外表留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2.試驗原理：98用壓痕兩對角線的平均長度來計算。H V=F/Saad993.標(biāo)注： 與布氏硬度根本相同，在后面要標(biāo)注試驗條件試驗力和保持時間（1015S不標(biāo)）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗力保持1015S測定的維氏硬度值為580。1004.特點：優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件外表硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。101韌性(tough

25、ness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗ASTM E231.定義：102沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖2.金屬的夏比沖擊試驗:103試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為: A k = m g H m g h (J)g104 沖擊韌度ak 就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S01053.韌脆轉(zhuǎn)變溫度:-40-20020204060akT(c)T，ak急劇韌性脆性106脆性轉(zhuǎn)變溫度 FATT50 107金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材料的低溫沖擊韌性愈好。108沖擊試驗中的側(cè)向膨脹量“側(cè)向膨脹值按照ASTM A370的技術(shù)要求。測微儀的讀

26、數(shù)也應(yīng)得到認(rèn)可，并應(yīng)該預(yù)先注意以下事項： eL=（ee1）mm 其中eL=側(cè)向膨脹值；試樣兩個平分段的A和B面，必須處于精確的同一平面（P）中。側(cè)向膨脹值應(yīng)取3次不同測量結(jié)果的平均值。 109Pellini 落錘試驗（TNDT溫度確實定）試樣制備及試驗條件應(yīng)符合ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在進行每組試驗前應(yīng)確保重錘是從正確的高度（在+10%到0%的誤差范圍內(nèi)）自由墜落的。所用重錘的重量也是的。采用P3型試樣，其尺寸如圖MC1230.1所示。如果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的RTNDT0，則按表MC1230.1所列溫度進行試驗；如果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的RTNDT16，則按表MC1230.2所列溫度進行試驗。

27、110圖437 落錘試驗裝置1底座；2限位塊，3缺口；4落錘；6脆性焊道，6試樣111ASTM E208 規(guī)定的一些技術(shù)條件1.試樣形狀（其中一種見下頁）2.打擊能量（按照材料屈服強度決定）3.彎曲限度（由試樣形狀確定）4.判斷標(biāo)準(zhǔn)（一邊或雙邊裂紋到邊）112落錘試驗試樣113114115基準(zhǔn)無延性轉(zhuǎn)變溫度確實定RTNDT的溫度應(yīng)通過Pellini落錘試驗和KV沖擊試驗兩者確定。試驗溫度應(yīng)根據(jù)TNDT溫度確定。試驗應(yīng)按以下方法進行（關(guān)于KV試樣）：a） 以3個試樣為1組，其中每一個試樣在給定的溫度下同時滿足以下要求， 則認(rèn)為試驗有效：斷裂吸收能量68J；側(cè)向膨脹值0.9mm。b） 第一組試樣沖

28、擊的溫度為： TCV1=TNDT+33如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TNDT如果結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則第二組試驗按照以下c）的規(guī)定進行試驗。c） 如果進行第二組試驗，第二組試樣的試驗溫度規(guī)定如下： TCV2= TCV1+5如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TCV33d） 如果c）條規(guī)定溫度下的試驗，結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則另外一些試驗應(yīng)在5的間隔溫度下進行試驗。直到求得滿足上述a）的條件的溫度TCV。則認(rèn)為： RTNDT=TCV33116斷裂韌度1、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。117式中：Y_裂紋的幾

29、何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長（mm）； K1_ 強度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當(dāng)K1到達(dá)臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件平安可靠。K1=Ya2、應(yīng)力場強度因子118當(dāng)K1到達(dá)臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件平安可靠。3、斷裂韌度K1C材料抵抗裂紋擴展的能力斷裂韌度表示。反應(yīng)材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。K1c可通過試驗來測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。為平安設(shè)計提供了一個重要的力學(xué)性能指標(biāo)119常見工程材料的斷裂韌度K

30、1C值（MNm-3/2） 120 根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計者可以控制三個參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計計算，可以解決以下三方面的工程實際問題： 1211）根據(jù)零件的實際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計提供依據(jù)；3）根據(jù)材料的斷裂韌度K1C和零件的實際工作應(yīng)力，估算斷裂時的臨界裂紋長度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。 122

31、1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定剩余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（ fatigue ）1232、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。124迴轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機的構(gòu)造原理圖 125疲勞試驗的應(yīng)力分析126127疲勞曲線128鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低外表粗糙度值采取外表強化1291943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂130四、ASME具體材料ASME材料所用的標(biāo)準(zhǔn)131核電建設(shè)所用的ASME

32、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容(1)Section III, Nuclear Power Plant components, Division 1Subsection NB Class 1 Components(2)Section II, Material Specifications Part A - Ferrous Materials Part B - Nonferrous Materials Part C - Welding Rods, Electrodes and Filler Metals Part D - Properties(3)Section V, Nondestructive Examinatio

33、n(4)Section IX, Welding and Brazing Qualifications(5)Section XI, Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components, Division 1132承壓設(shè)備材料Pressure retaining material and material welded thereto, except as permitted in NB-4435, and except for welding material, shall conform to the requir

34、ements of one of the specifications for material given in Tables 2A and 2B of ASME Code Section II, Part D, Subpart I and to all of the special requirements of Article NB-2000 which apply to the product form in which the material is used, except as they may be modified by the requirements of this Sp

35、ecification. 133其它材料Non-structural attachments, such as insulation supports, name-plates, and temporary attachments, if required, may be noncertified material. Non-pressure retaining material, such as cooling shroud support, alignment pin, stud bolt elongation measuring rods and tools, if any, may b

36、e of ASME or other Standards . The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification.a.NB-2210Heat treatment requirementsb.NB-2220Procedure for obtaining test coupons and specimens for quenched and tempered material. 134Fracture tough

37、ness requirements for material The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification.a.NB-2310Material to be impact testedb.NB-2320Impact test proceduresc.NB-2330Test requirements and acceptance standardsd.NB-2340Number of impact test

38、s requirede.NB-2350Retestsf.NB-2360Calibration of instruments and equipment 135Acceptable Material Designation Pressure Retaining Material 136Non-pressure Retaining Material 137ASME第二卷材料A篇鐵基材料標(biāo)準(zhǔn)ASME材料種類太多，這里僅僅結(jié)合壓水堆反應(yīng)堆主要設(shè)備常用材料進行分析和比較。1. SA-508標(biāo)準(zhǔn)“壓力容器用經(jīng)真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼鍛件 使用上述標(biāo)準(zhǔn)材料的有反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等，選用其中3

39、級1類鋼種。材料屬于錳鎳鉬合金鋼。1382.材料的化學(xué)成分元素 3級 C 0.25 Mn 1.201.50 P 0.025 S 0.025 Si 0.150.40 Ni 0.401.00 Cr 0.25 Mo 0.450.60 V 0.05 ASME標(biāo)準(zhǔn)屬于通用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中列舉了很多材料，運用于各個領(lǐng)域。因此是一個比較一般的標(biāo)準(zhǔn)要求。使用于核電材料顯然是不能滿足使用上的平安要求，以下進行分析和比較。比較的對象一是RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，另一是三菱重工公司實際控制的標(biāo)準(zhǔn)。139RCC-M M2111 承受強輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件140三菱建議書中所列實際控制范圍T

40、able 4.1.3.1 Chemical Composition Requirements for SA-508M Gr.3 CL.1Specified value (wt.%)ElementsHeat Product(1)C 0.16 - 0.20 0.16 - 0.22Si 0.10 - 0.30 0.10 - 0.30Mn 1.20 - 1.55 1.20 - 1.60P 0.008 Max. 0.008 Max.S 0.006 Max. 0.006 Max.Ni 0.50 0.80 0.50 0.80Cr 0.15 Max. 0.15 Max.Mo 0.45 - 0.55 0.43

41、- 0.57Cu 0.08 (0.05 Max.) (3) 0.08 (0.05 Max.) (3)Sb 0.002 Max. 0.002 Max.Sn 0.010 Max. 0.010 Max.As 0.01 Max. 0.01 Max.V 0.01 Max. 0.01 Max.Al 0.04 Max. 0.04 Max.B 5 ppm Max.(3ppm Max.)(3) 5 ppm Max. (3ppm Max.) (3)Co 0.02 Max. 0.02 Max.141（1）C的含量 壓力容器，穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的制造中均需要多段鍛件加工后組焊，需要焊接的鋼的含碳量不應(yīng)超過0.23%，

42、這是一般規(guī)定，考慮到其合金元素含量較高，還應(yīng)進一步降低碳的最高含量。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中此類鍛件的碳含量均不超過0.20%。 142（2）P、S含量 ASME標(biāo)準(zhǔn)屬于通用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，0.025%以下已經(jīng)是比較高的要求了，但是仍然不能滿足核電大鍛件的質(zhì)量要求。RCC-M M2111適用于承受強輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)的可焊Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求是0.008%以下。RCC-M M2112適用于不承受強輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)的可焊Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2113適用于壓水堆壓力容器過渡段和法蘭用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛

43、件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2114適用于壓水堆壓力容器管嘴用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2115適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器管板用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2116適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器支撐環(huán)用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2119適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對P、S含量的要求也是0.012%以下。P偏高

44、會使材料的低溫性能變得很差，會大幅度提高材料的FATT50溫度和RTNDT溫度，影響系統(tǒng)的水壓試驗的平安。S含量偏高會破壞材料的高溫特性，使熱加工困難，同時也影響材料的力學(xué)性能指標(biāo)。但是S含量太低會增加焊接的難度（理論上還沒有統(tǒng)一），極低的硫和氫含量母材有可能在焊接中因吸氫而造成局部脆性。現(xiàn)在已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了含硫量的下限，我的看法是硫控制在0.0020.008%之間比較適宜。 143（3）其它剩余元素的含量 其它對反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等材料在運行中有影響的剩余元素有Al、Cu、Co、As、Sn、Sb、Bi、Pb等，均應(yīng)該有量的限制。這是制造商控制廢鋼質(zhì)量的關(guān)鍵所在，具體數(shù)據(jù)應(yīng)在規(guī)格書

45、制訂時協(xié)商決定。 144（4）鋼中氣體的含量 鋼中氣體即氮、氫、氧的含量應(yīng)該有明確的限制。推薦使用氫1.5ppm，氮60ppm，氧40ppm。 145機械性能要求ASME SA-508 對3級1類材料的要求：抗拉強度：550725MPa屈服強度345 MPa標(biāo)距為50mm的延伸率18%斷面收縮率38%在4.4（+40F）夏比沖擊的三個試樣的最低平均值：20J，一個試樣的最低值：14J，一組三個試樣中只允許一個試樣的數(shù)值低于平均值。 146相應(yīng)RCC標(biāo)準(zhǔn)對機械性能的要求147三菱的企業(yè)要求Requirement for Impact Tests ：150J for core shell, 104

46、J for the parts other than core shell 148無損檢驗要求ASME SA-508在磁粉檢驗中要求按照A275標(biāo)準(zhǔn)方法進行。符合以下條件應(yīng)于拒收或予以剔除 ：1.最大尺寸的顯示超過4.8mm 2. 4個或更多較大尺寸顯示超過1.6mm，且各分割的顯示排成一線，兩顯示的凈間隔距離等于或小于1.6mm 3.在任何外表為39mm2內(nèi)有10個或更多的較大尺寸顯示超過1.6mm，并且此區(qū)域的較大尺寸不超過150mm。該面積應(yīng)取在相對于需評定的顯示蹤跡最不利的部位 149超聲波檢驗要求超聲波檢驗方法：ASTM A388分縱波檢驗和橫波檢驗其中橫波檢驗用的標(biāo)定缺口應(yīng)開入到內(nèi)

47、徑和外徑外表，其深度等于截面公稱厚度的3%或最大為9.5mm，長度約為25mm，寬度不大于兩倍的深度。ASME標(biāo)定的缺口明顯偏大。因為核島大鍛件的壁厚很厚，AP1000的壓力容器壁厚估計在200mm左右，3%的標(biāo)定缺口深度就有些嚇人。RCC-M規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)缺口最深不得超過1.5mm 中國的國標(biāo)GB5310和GB5777均規(guī)定最深不得超過1mm 150晶粒度和非金屬夾雜物的檢驗ASME和RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中均沒有對材料的晶粒度和非金屬夾雜物提出要求。三菱重工建議：Metallographic examination(1)Metallographic examination shall be made

48、of each forging. The specimen for metallographic examination may be taken from at the end of a broken tension test specimen or impact test specimen.(2)Grain size shall be estimated in accordance with ASTM E112-88. Grain size number shall be five (5) or finer.(3)Non-metallic inclusionsNon-metallic in

49、clusion examination shall be performed in accordance with ASTM E45-87.Type A inclusion Grade 1.5Type B inclusion Grade 1.5Type C inclusion Grade 1.5Type D inclusion Grade 1.5 151ASTM SA-540特殊用途合金鋼螺栓連接材料壓力容器與頂蓋之間的連接螺栓制造中遵循ASTM SA-540標(biāo)準(zhǔn)中B24V 3級類別，現(xiàn)在已經(jīng)更新到2004版，并與2001版有較多的差異。相同材料若遵循法國標(biāo)準(zhǔn)制造是使用標(biāo)準(zhǔn)：RCC-MM231

50、1 制造壓水堆壓力容器螺栓用的Ni-Cr-Mo-V合金鋼鍛造棒材152Chemical Composition Requirements for SA-540M Gr.B24 Cl 3 and SA540M Gr.B24V Cl.3 Elements MITHIBISHI RCC-M ASME C 0.370.44 0.370.45 0.370.44 Si 0.150.35 0.035 0.150.35 Mn 0.600.95 0.600.95 0.600.95 P 0.010 0.020 0.025 S 0.010 0.010 0.025 Ni 1.552.00 1.552.00 Cr 0.

51、600.95 0.600.95 Mo 0.400.60 0.400.60 Cu 0.20 V(*) 0.040.10 0.040.10 153機械性能和其它B24V3級直徑在101.6到203.2之間的力學(xué)性能規(guī)定值如下：抗拉強度1000PMa，屈服強度895PMa，伸長率12%，斷面收縮率40%，布氏外表硬度范圍302375，12.2下夏比V型缺口沖擊最低平均值47J，一組3個試樣中可以有一個試樣小于47J，但不得小于34J。以上力學(xué)性能與RCC-M標(biāo)準(zhǔn)相近，但是ASME沒有規(guī)定設(shè)計溫度左右的高溫力學(xué)性能試驗。在標(biāo)準(zhǔn)的附加要求中，有S1：成品分析；S2：宏觀浸蝕試驗；S3：超聲波試驗；S5：

52、斷裂轉(zhuǎn)變溫度；S6：磁粉檢查，但是沒有提出具體要求。 154不銹鋼和非鐵基材料核級設(shè)備使用的不銹鋼材料較多：反應(yīng)堆冷卻劑使用的主管道使用不銹鋼材料，壓力容器內(nèi)部堆焊不銹鋼材料。蒸汽發(fā)生器的傳熱管使用鎳基690合金，蒸汽發(fā)生器管板和下封頭內(nèi)部也堆焊鎳基690合金。具體細(xì)節(jié)從略。155五、焊接基礎(chǔ)焊接性試驗材料的焊接性是一個專門名詞，與通常的材料焊接性能有一定的區(qū)別。在GB/T3375-1994焊接術(shù)語中下的定義是： 金屬焊接性是指金屬材料在限定的焊接施工條件下，焊接成規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。內(nèi)涵：1 結(jié)合性能 ：金屬焊接時對缺陷的敏感性。 2 使用性能 ：焊成的接頭在指定的

53、使用條件下可靠運行的能力。156電力行業(yè)常用焊接性試驗1、 冷裂紋的測試方法簡介 焊接冷裂紋傾向的測定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜y坡口對接裂紋試驗法（“小鐵研式抗裂實驗）、剛性拘束裂紋試驗（RRC試驗）、拉伸拘束試驗(TRC)、插銷試驗等。按照接頭拘束類型可把抗裂試驗分為自拘束抗裂試驗和外拘束性抗裂試驗兩大類。自拘束抗裂試驗主要評價材料（焊材）抗熱、冷裂紋性能，確定焊接標(biāo)準(zhǔn)(不開裂時)及熱處理情況（包括預(yù)熱、后熱）。這種試驗只是定性地進行。象小鐵研試驗、窗口試驗等。外拘束性試驗適用于定量評定材料的裂紋傾向，以及可以比較深入地進行有關(guān)理論研究工作，像插銷試驗法等。1572、 焊接冷裂紋的

54、產(chǎn)生及危害冷裂紋是焊后冷卻較低溫度下產(chǎn)生的。對于低合金鋼、中碳鋼而言，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS附近。它是由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和擴散氫的共同作用下產(chǎn)生的。 冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的熱影響區(qū)，個別情況下，如焊接超高強度鋼或某些鈦合金時，冷裂紋也出現(xiàn)在焊縫上。危害：接頭性能變壞，產(chǎn)生脆性斷裂。 1583、 冷裂紋的種類延遲裂紋主要特點是：不在焊后立即出現(xiàn)，具有延遲現(xiàn)象。主要取決于鋼中的淬硬傾向，焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)合熔敷金屬中的擴散氫含量。淬硬脆化裂紋主要特點:焊后立即開裂，不受擴散氫的影響，只在拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生。產(chǎn)生原因：由于冷卻時馬氏體相變而產(chǎn)生的脆性造成的。主要取決于鋼的淬硬性和拘束條件。一般采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性的焊條根本上可以防止這種裂溫。 低塑性脆化裂紋由于某些塑性較低材料，焊后冷至低溫時，由于收縮力引起的應(yīng)變超過了材料本身所具有的塑性儲藏或材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋，成為低塑性脆化裂紋。如：球墨鑄鐵補焊時，不采取措施而產(chǎn)生白口開裂的現(xiàn)象 1594、 延遲冷裂紋的產(chǎn)生機理分析在三種冷裂紋中，延遲裂紋的危害性最大，最具有普遍性。因此