承压类特种设备无损检测相关知识--力学性能

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：是选择和使用金属材料的重要依据一、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 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 者与外力相对抗的力称为内力。3、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 化；通常以百分比（%）表示5、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：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。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：6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。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。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。拉伸实验（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2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例）3. 脆性材料的拉伸曲线1. 拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0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. 力伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂拉伸试样的颈缩现象LF03. 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。4、应力与应变曲线应力 ：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：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（ - 曲线）形状和拉伸曲线相同，单位不 同思考 怎样比较不同材料抵 抗外力能力的大小？4、应力与应变曲线 比例极限（ p ） 例:弹簧秤 弹性极限（ e） 如:弹簧 屈服极限（ s ） 抗拉极限(b)三、强度金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和 破坏的能力 工程上常用的金属材料的强度指标： 屈服点（ s ）或规定残余伸长应力（ r）抗拉强度(b)屈服点（ s ）: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 零件不允许有塑 性变形规定残余伸长应力:对有明显屈服现 象的材料对无明显屈服现 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ss或或 0.20.2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 b b来设计计来设计计算。算。 因此因此ss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。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 最大应力值最大应力值 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 常用的塑性判据： 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率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数值不 同，因此应注明试样尺寸比例。如:10试样 L0=10d05 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 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。 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； 5 5的为的为脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁 . 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; 2.提高安全性: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 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 度硬度：硬度试验方法:压入法 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。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV） 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 验力保持时间按表1-1选择材料 种类布氏硬度范 围HBS（HBW ）试样厚 度/mm0.102球的直 径/mm试验力F/KN（k g f)试验力 保持时 间/s 钢、 铸铁140-45063 42 6 631010.0 5.09.807(1000) 2.452(250)12非铁 金属>13063 42 62.510.02.452(250)60表1-1 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 性强、测量结果 准确缺点：压痕大，不 适合成品检验二、洛氏硬度测 定 原 理硬度 符号压头压头 类类型总实总实 验验力 F/N 硬度值值有效范围围应应用范围围HRA金刚刚石 圆锥圆锥 体5887085适用于测测量硬质质合金、表面淬硬 层层或渗碳层层 HRB直径为为 1.588 mm钢钢 球98025100适用于测测量非铁铁金属,退火、正 火钢钢等HRC金刚刚石 圆锥圆锥 体14702067适用于调质钢调质钢 、淬火钢钢等上述公式中，k为常数，金刚石压头时k=0.2MM，淬火钢球压头 时k=0.26MM；h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1-2 选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种 表1-2 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：洛氏硬度HRC可以 用于硬度很高的材料 ，在钢件热处理质量 检查中应用最多。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 5mm×10mm×55mm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（