承壓類特種設備無損檢測相關知識力學性能資料

承壓類特種設備無損檢測相關知識力學性能資料第1章金屬材料與熱處理基礎知識金屬材料是制造承壓類特種設備最常用的材料，因為它們具有優(yōu)良的性能。作為類特種設備元損檢測人員，應了解材料方雨的有關知識。通常所指的金屬材料的性能包括以下兩個方面:1.使用性能：即為了保證機械零件、設備、結構件等能正常工作，材料所應具備的性主要有力學性能(強度、硬度、剛度\塑性、韌性等)，物理性能(密度、熔點、性、熱膨脹性等)，化學性能(耐蝕性、熱穩(wěn)定性等)。使用性能決定了材料的應用范圍，用安全可靠性和l使用壽命。2.工藝性能：即材料在被制成機械零件、設備、結構件的過程中適應各種冷、熱加性能，例如鑄造、焊接、熱處理、壓力加工、切削加工等方面的性能。工藝性能對制造成本、生產效率、產品質量有重要影響。一、材料力學基本知識金屬材料在加工和使用過程中都要承受不同形式外力的作用。當外力達到或超過某一限度時，材料就會發(fā)生變形甚至斷裂。材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能稱為材料的力學性能。承壓類特種設備材料的力學性能指標主要有強度、硬度、塑性、韌性等。這些性能指標可以通過力學性能試驗測定。研究力學性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)一、基本概念1、彈性：指物體在外力作用下改變基本形狀和尺寸，當外力卸除后物體又恢復到其原始形狀和尺寸的特性。2、內力：金屬受到外力時為保其不變形，在材料內部作用者與外力相對抗的力稱為內力。3、應力：單位面積上的內力。4、應變：指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化；通常以百分比（%）表示5、載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。按作用性質分：

靜載荷：指大小不變或變化過程緩慢的載荷。沖擊載荷：在短時間內以較高速度作用于零件上的載荷。循環(huán)載荷：指大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷按作用形式不同分：6、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。分為彈性變形與塑性變形外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。拉伸實驗

（金屬的抗拉強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）（GB/T228-2010）1.拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線1.拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0萬能材料試驗機a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式2.力－伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。強化階段

(a)試樣(b)伸長(c)產生縮頸(d)斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

4、應力與應變曲線應力σ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:F σ=——(Mpa) S0應變ε：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標距表示:

Δl

ε=——

l0應力－應變曲線（σ-ε曲線）形狀和拉伸曲線相同，單位不同思考怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大??？4、應力與應變曲線比例極限（σp）例:彈簧秤彈性極限（σe）如:彈簧屈服極限（σs）抗拉極限(σb)三、強度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強度指標：屈服點（σs

）或規(guī)定殘余伸長應力（σr）抗拉強度(σb)屈服點（σs

）:指材料產生屈服時的應力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力材料屈服時的拉力（N）屈服點（屈服極限）原標準（GB228-76）：屈服強度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長應力:對有明顯屈服現(xiàn)象的材料對無明顯屈服現(xiàn)象的材料抗拉強度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時不允許產生過量塑性變形，應以材料的σs或σ進行設計計算。若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設計計算。因此σs和σb是機械零件設計計算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應力值強度的意義強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。二、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標距（mm）試樣原始標距（mm）2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產生的最大塑性變形量大小。一般認為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

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塑性對材料的意義:1.是金屬材料進行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因為零件在工作時萬一超載，也會由于塑性變形使材料強化而避免突然斷裂超塑性通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領域被中應用。GB/T228-2002新標準GB/T228-1987舊標準名稱符號名稱符號屈服強度①－屈服點σs上屈服強度ReH上屈服點σsU下屈服強度ReL下屈服點σsL規(guī)定殘余延伸強度Rr規(guī)定殘余延伸應力σr抗拉強度Rm抗拉強度σb斷后伸長率A或A11.3斷后伸長率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ三、硬度硬度：硬度試驗方法:壓入法

它是材料性能的一個綜合的物理量。(表示金屬材料在一個小的體積范圍內金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）硬度是各種零件和工具必須具備的力學性能指標。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）材料抵抗表面局部塑性變形的能力。一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計

布氏硬度試驗原理圖2、計算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質合金作壓頭；適用于＜650HBW試驗時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗力及試驗力保持時間按表1-1選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗力F/KN（kgf)試驗力保持時間/s鋼、鑄鐵140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度試驗規(guī)范3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗力保持時間（s）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質合金球在7355N試驗力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習慣上布氏硬度值不標出試驗規(guī)范，如170HBS。4、適用范圍

常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點：測值重復性強、測量結果準確缺點：壓痕大，不適合成品檢驗二、洛氏硬度測定原理硬度符號壓頭類型總實驗力F/N硬度值有效范圍應用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測量硬質合金、表面淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調質鋼、淬火鋼等上述公式中，k為常數(shù)，金剛石壓頭時k=0.2MM，淬火鋼球壓頭時k=0.26MM；h為主載荷解除后試件的壓痕深度；試驗時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按表1-2選擇，對應的洛氏硬度標尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍2、符號3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質量檢查中應用最多。4、適用范圍優(yōu)點：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。三、維氏硬度1、測定原理用一定的試驗力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時間后卸去試驗力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2（mm），并求出壓痕對角線的平均值d。

2、計算公式3、表示方法硬度值+HV+試驗力/保持時間如：640HV30/204、適用范圍適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。四、沖擊韌性

強度、硬度、塑性等力學性能指標都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。

材料在工作時還經常受到動載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。在設計和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學性能指標外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時間短、加載速率高、應力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。1、沖擊試驗沖擊試樣沖擊試驗原理一次擺錘沖擊試驗沖擊韌性的表示方法如不能制備標準試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應缺口的標準試樣相同，缺口應開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應的標準試樣相同，但其缺口軸線應當垂直焊縫表面。原理沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗來測定，試驗時將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗機架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。國標GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗機的刻度盤上讀出。國標GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是沖擊吸收能量;K＝mg（H1-H2）按照國標GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2，其單位是焦耳（J）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出。沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料?！拘≠Y料】GB/T229－2007與GB/T229－1994相比，在金屬沖擊韌性的名稱和符號等方面有較大變化，為方便讀者學習，將關于金屬材料沖擊韌性的新、舊標準名稱和符號對照列于下表中。新標準GB/T229－2007舊標準GB/T229－1994名稱符號名稱符號沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV8轉變溫度Tt韌脆轉變溫度TC缺口沖