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1、,第一章金屬材料與熱處理,材料力學(xué)基本知識應(yīng)力與應(yīng)變強度塑性硬度沖擊韌度金屬學(xué)與熱處理基本知識承壓類特種設(shè)備常用材料,1.1概述承壓類特種設(shè)備對材料要求很高，如高強度、高韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性能及工藝性能等。對材料的較高要求是推動特種設(shè)備用材不斷發(fā)展的基本動力。在承壓類特種設(shè)備制造業(yè)中，金屬材料具有其他材料無法替代的地位和作用。,1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,年產(chǎn)1000萬噸煉油廠,TITANIC:沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,總重量為46,328噸 泰坦尼克號于1912年4月15日被冰川撞沉。其遺骸于1985年9月1日被發(fā)現(xiàn)。船只已經(jīng)首尾分離，裂成了兩半。船頭仍然保持相對完整，而船尾

2、則位于2000英尺之外，已經(jīng)嚴重受損變形。,在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國制造的4694艘船只中，發(fā)現(xiàn)在970艘船上有1442處裂紋。其中24艘甲板全部橫斷，一艘船底發(fā)生完全斷裂，八艘從中腰斷為兩半，其中四艘沉沒。,1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,2007年8月2日，美國明尼蘇達州一座跨越密西西比河的大橋坍塌,1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,金屬：通常把元素周期表中具有金屬光澤，可塑性，導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性良好的化學(xué)元素成為金屬。金屬最突出特點易失去電子，形成化合物狀態(tài)存在。金屬材料：指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬性質(zhì)的材料的統(tǒng)稱。純金屬 ，合金等使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性

3、能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。,1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,力學(xué)性能：材料在一定溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學(xué)性能。承壓類特種設(shè)備材料的常規(guī)力學(xué)性能指標主要包括強度、硬度、塑性和韌性等。,1材料力學(xué)基礎(chǔ)知識,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,1.1 應(yīng)力與應(yīng)變,應(yīng)力 ：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 = S0 應(yīng)變：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:

4、l = l0應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - 曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同,1.1 應(yīng)力與應(yīng)變,強度:是指材料抵抗永久變形或斷裂的能力。常用的強度指標有屈服強度s或0.2和抗拉強度b 。另外，材料的屈強比(sb)也是反映材料承載能力的一個指標，不同材料具有不同的屈強比，即使是同一種材料，其屈強比也隨著材料熱處理情況及工作溫度的不同而有所變化。采用拉伸試驗測定其大小，即將一定尺寸試樣夾裝在實驗機上，通過逐漸施加拉力，直至把試樣拉斷而得到應(yīng)力與變形間的關(guān)系曲線。大體分為四個階段。,1.2 強度,Q235拉伸試樣,符合國標(GB/T228-2002),1.2 強度,線彈性變形階段（OA）（塑性）屈服階段（

5、BC）強化階段（CD）（局部）頸縮階段（DE） 其中OA部分為一斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，A點所對應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限。由于大多數(shù)材料的A點和A點幾乎重合在一起，一般不作區(qū)分。,屈服強度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。 條件屈服強度0.2：材料塑性伸長0.2%時的應(yīng)力值?？估瓘姸萣 ：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。,1.2 強度,塑性是指材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用塑性指標為斷后伸長率和斷面收縮率。試樣被拉斷后，標距部分的殘余伸長與原始標距之比的百分率稱為斷后伸長率。,1.3 塑性,試樣斷裂后，斷口處橫截面積的減少值與原始橫截面積的

6、比值稱為斷面收縮率。,用塑性好的材料制造承壓類特種設(shè)備，可以緩和局部應(yīng)力的不良影響，有利于壓力加工，不易產(chǎn)生脆性斷裂，對缺口、傷痕不敏感，并且在發(fā)生爆炸時不易產(chǎn)生碎片。作為化工容器用的鋼，要求伸長率不低于10。,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,1.3 塑性,硬度是指材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。硬度與強度有一定關(guān)系。一般情況下，硬度較高的材料其強度也較高，所以可以通過測試硬度來估算材料強度。此外，硬度較好的材料，耐磨性較好。工程上常用的硬度測試方法有：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV、里氏硬度HL,1.4 硬度,注：材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于

7、高碳鋼：b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵： b(MPa)1HB 或 b(MPa) 0.6(HB-40）,布氏硬度HB將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。布氏硬度值可通過測量壓痕平均直徑d查表得到。,1.4 硬度,壓頭為淬火鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及 比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬

8、的硬度。,1.4 硬度,1.4 硬度,洛氏硬度HR洛氏硬度用符號表示，HR=k-(h1-h0)/0.002在初載荷和總載荷（初載荷與主載荷之和）的先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保持一定時間后卸除主載荷，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度值。根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。,HRA用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。,1.4 硬度,維氏硬度HV將頂部兩相對面

9、具有規(guī)定角度（136）的正四棱錐體金剛石壓頭在載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過測量壓痕對角線長度d查表得到。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。,1.4 硬度,采用較低的試驗力可使維氏試驗的壓痕非常小，這樣就可測出很小區(qū)域甚至是金相中不同相的硬度。焊接性能試驗中的最高硬度試驗，就是用維氏硬度來測量焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的硬度。,1.4 硬度,里氏硬度HL用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計測定的是沖擊體在試樣表面經(jīng)

10、試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。 里氏硬度的計算公式如下： HL=1000R/A 式中：HL里氏硬度符號 R球頭的沖擊速度，m/s； A球頭的反彈速度，m/s。,1.4 硬度,里氏硬度計體積小，重量輕，操作簡便，在任何方向上均可測試，所以特別適合現(xiàn)場使用。里氏硬度可及時換算成布氏、洛氏、維氏等各種硬度。目前里氏硬度計裝有鋼和鑄鋼，合金工具鋼，灰鑄鐵，球墨鑄鐵，鑄鋁合金，銅鋅合金，銅錫合金，純銅，不銹銅等9種材料的換算表。,1.4 硬度,沖擊韌度是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特征。韌性常用沖擊功Ak和沖擊韌度ak表示。 ak= Ak/SN (SN：斷口處截面積)Ak值或ak值

11、除反映材料的抗沖擊性能外，還對材料的一些缺陷很敏感，能靈敏地反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化。而且Ak對材料的脆性轉(zhuǎn)化情況十分敏感，低溫沖擊試驗?zāi)軝z驗鋼的冷脆性。容器用的鋼沖擊韌性ak在使用溫度下不低于35Jcm2,1.5 沖擊韌度,GB/T 229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗方法,1.5 沖擊韌度,夏比沖擊試驗的缺口形式有U型和V型兩種。V型缺口根部半徑小，對沖擊更敏感。承壓類特種設(shè)備材料的沖擊試驗規(guī)定試樣必須用V形缺口。,1.5 沖擊韌度,材料力學(xué)基本知識金屬學(xué)與熱處理基本知識金屬的晶體結(jié)構(gòu)鐵碳合金相圖熱處理的一般過程承壓類特種設(shè)備常用熱處理工藝承壓類特種設(shè)備常用材料,物

12、質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),C60,2.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念(1)晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。,根本區(qū)別：晶體中原子（或分子）在三維空間有規(guī)律地周期性重復(fù)排列，而非晶體不具備這一特點。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。具有

13、良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu), 體心立方晶格常見金屬：-Fe、 -Fe、 Cr、W、Mo、V、Nb等,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu), 面心立方晶格常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu), 密排六方晶格常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不

14、同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),3、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，常見有空位、間隙原子、置代原子和位錯。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),點缺陷 ：空間三維尺寸都很小的缺陷，在原子尺寸大小的缺陷。主要有空位、間隙原子、置換原子三種。a. 空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。b. 間隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),c. 置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。

15、點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),不論哪種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)合點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。,線缺陷在三維空間的一個方向的尺寸很大（晶粒數(shù)量級），另外兩個方向尺寸很小的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯。 位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。分為刃型位錯和螺型位錯。,2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1金屬的晶體結(jié)構(gòu),刃位錯 螺位錯,2.1.3金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的一般過程1、結(jié)晶的基本過程

16、結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下, 經(jīng)一段時間后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。,2.1.3 金屬的結(jié)晶,晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。,2.1.3 金屬的結(jié)晶,2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。3、晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。,2.1.3 金屬的結(jié)晶,在正溫度梯度下，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。,正溫度梯度,2.1.3 金屬的結(jié)晶,實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于存在負溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸，樹枝間最后被填充。,負溫度梯度,2.1.3 金屬的結(jié)晶,樹枝狀長大,2.1.3 金屬的結(jié)晶,鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量0.02% 2.11 %的稱鋼;2.1