材料的性能_2

1、1,第三章,材料的性能,2,材料的性能,材料的物理性能：讨论材料的密度、熔点、导热率、热膨胀等。 材料的机械（力学）性能：拉伸、冲击、疲劳、蠕变等情况下，讨论材料的硬度、强度、塑性、韧性等。 材料的腐蚀性能：讨论在反应堆条件下材料所遭受的各种腐蚀及预防措施和改进。 材料的辐照性能：讨论辐照对材料的影响及辐照引起材料降级的原因。,3,第三章 材料的性能,3.1 材料的物理性能 3.1.1 密度 材料一立方厘米体积所具有的质量称为此材料的密度。 (3.1) 实际的密度由于缺陷和气孔等的因素比理论密度小一些。密度测量一般采用排水法测定。,4,常用材料的理论密度值,5,3.1.2 导热性能,当两个不同的物体相互接触，或同一物体的两个不同区域间产生温差时，热能将从高温处向低温处传递。导热系数是测量热流通过材料速率的物理量。 若横截面为A，在时间内流过的热量为Q，则 Q=kA（T/L） （3-2） k为常数，称为该材料的导热系数，也叫热导率。它是在单位温度梯度（T/L）时在每单位时间内流过单位横截面积的热量，单位为：W/MK,图3-1,6,导热系数与材料中的气孔率有关。气孔率增加，材料的密度减小，

2、导热率下降。因此二氧化铀燃料的密度与它的导热系数呈正相关。 二氧化铀的导热系数与氧/铀比有关（参见图3-2）。与温度的关系：在低温段，随温度上升而降低。研究认为在这温度段的热传导主要是晶格振动，即声子所作的贡献。以化学计量的二氧化铀为例，到约2000K时达到最低点。高于此温度，导热系数随温度上升又呈上升趋势，研究认为这是由于高温时电子导热所占份额增大所致。,7,二氧化铀（不同氧/铀比的）导热系数随温度变化趋势,8,常用金属和合金的导热率W/mK,Na K Be Mg Al Fe Co Ni Cu Ag 140 100 160 172 226 94 70 62 392 415 Zr U UO2 碳钢 18-8S.S 23.7/473K 25/RT 8.4/RT 63.380.4 16.0 22.1,9,3.1.3 热膨胀,加热时相邻原子间的距离增大， 这种现象称为热膨胀。 设一物体在0oC时的长度为L0，则其在t oC时的长度将为 Lt = L0（1+t+t2+） (3-4) 一般及其以下各项都极小，可以忽略不计。因而上式可简化为 Lt = L0（1+t） （3-5） 微分表达式为 =

3、1/LdL/dt （mm/mm ） （3-6） 对于钢来说，一般 =（1020）X10-6 线膨胀系数不是一个恒定不变的常数， 它随温度的变化而略有不同。,10,3.2 材料的机械性能（力学性能）,在这里讨论的机械性能包括材料的硬度 拉伸性能所测定的各种强度、塑性指标、 冲击韧性、断裂韧性 疲劳和蠕变等力学性能。,11,3.2.1 硬度,硬度常被说成对压入塑性变形，划痕，磨损或切削等的抗力。实际上它不是一个单纯的物理或力学量，它代表着弹性，塑性，塑性形变强化率，强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。 对金属来说，硬度试验就是用硬的物体压入金属，看金属对它的抗力。硬度试验的种类很多，常用的有：布氏、洛氏、维氏,12,1布氏硬度（Brinell）,布氏硬度是1900年由瑞典工程师J.B.Brinell提出的，是最常用的硬度试验方法之一。 用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以一定的载荷压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除载荷，测量试样表面的压痕直径d，再经计算得到单位压痕面积所承受的平均压力。这个值定义为试样的布氏硬度,13,图 3-3 布氏硬度试验原理示意,布氏硬度,14

4、,D 为碳化钨球的直径,d 为压痕直径,单位: kg/mm2,布氏硬度值计算,15,2洛氏硬度（Rockwell）,洛氏硬度是美国人S.P.Rockwell和H.M. Rockwell于1919年提出的，也是最常用的硬度试验方法之一。 和布氏硬度试验一样，它也是压痕试验方法。但它不是测定压痕的大小，而是测量压入的深度。它使用的是120的金刚石圆锥压头或直径D=1.588mm的淬火钢球。测量方法如下图所示。,16,洛氏硬度,图 3-4 洛氏硬度试验过程中，金刚石圆锥压头在各阶段的位置,17,洛氏硬度计算,K为常数，洛氏硬度值无量纲,18,3维氏硬度（Vickers）,维氏硬度试验法是由英国人R.L.Smith和G.E.Sandland在1925年提出的。按照此法试制的第一台硬度计是英国维克斯公司制作的，因此称为维氏硬度法。 它采用了布氏硬度试验的原理，但换用一个金刚石正四棱锥体作压头，锥面夹角为，试验时在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度d，算出压痕的面积。,19,图3.4 维氏硬度试验压头及压痕示意,维氏硬度,20,维氏硬度值计算,单位:（k

5、g/mm2）,21,4. 显微硬度,显微硬度采用维氏硬度法，载荷降低1-2个量级，所得的压痕面可以局限在很小的范围里，如在晶粒里或某一组织里，因此可以测定某一个组成相的硬度值。这就是显微硬度试验。 显微硬度试验的载荷一般为0.0981（0.01）、0.1962（0.02）、0.4903(0.03)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)N(kgf)，对角线长度以微米计，测定值用HV表示。如400HV0.1/30，就表示载荷为0.9807N(0.1kgf)，载荷保持30秒，测得的硬度值为400；当载荷保持时间为10-15秒时，可以不标注时间；如400HV0.03，就表示载荷0.4903N(0.03 kgf)，载荷保持10-15秒，测得的硬度值为400。,22,应用注意事项,值得关注的是，由于各种硬度的试验方法和它们所根据的原理不同，各组成的物理量在不同方法中所起的作用也不一样，所得的结果不可参比。现有的一些换算公式和对照表只是根据对同类金属材料在相同状态下和一定硬度范围内进行比较试验得出的经验关系。它们有一定的实用价值，但在要求准确的数据时不宜采用。,23,3.2.2 拉伸性能,测

6、定金属材料在受单向静拉力作用下的正弹性模量（E），比例极限（e），屈服点（s ），屈服强度（0.2 ）， 抗拉强度（b ），延伸率（）及断面收缩率（）。,24,强度是材料抵抗外力作用下发生变形和断裂的能力。用单位面积所受的力，即应力（MPa）来表示。 塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力，可以用材料断裂时的最大塑性变形（%）来表示。 应力是物体受外加载荷作用时，单位截面上所受的力，应力的单位是帕斯卡，即： （3-12） Pa（帕斯卡），F牛顿，Am2。 应变是个无量纲的比值，是在应力作用下发生变形的量与原始长度的比值。 （3-13）,25,a）拉伸试样,拉伸试验标准样品 标准试样一般受试部分直径为10毫米，标距50毫米。 在稳定的变形速率下进行单一应力拉伸，得到负荷变形曲线或应力应变曲线。,26,b) 应力应变曲线,拉伸试验曲线,27,当一个固体材料受到一个负荷（或应力）作用时会产生变形. 如果这个应力比较小，此时材料会呈现弹性变形特征。即：一旦应力去除，变形就会消失； 当应力足够大时， 材料就会以塑性变形的方式发生永久变形。即：即使应力去除，材料也不能回复到原来的形态，它只能部分地恢

7、复。 材料从弹性变形转变为塑性变形时的应力称为屈服强度。,28,一些材料当应力增加到一定值时试样急剧伸长，以致出现应力松弛现象，应力下降至一较低的衡定值。这就是上下屈服点。一般下屈服点用s来表示。另一些材料有明显的屈服现象，曲线上出现平台时的应力值即为屈服点。 大多数的有色金属没有明显的屈服点，因而取永久变形0.2%时的应力作为屈服强度。一般称为0.2。 工程构件服役时不允许产生塑性变形，设计金属结构件时以屈服强度除以安全系数确定许用应力。,29,过了屈服点，材料就有明显的加工硬化。只有增加外力，变形才能继续。到最大负荷以后，应力开始下降。这时可在试样上观察到颈缩现象。 在弹性范围内应力与应变成正比(虎克定律)： E 为杨氏模量。 大多数钢的弹性模量为1011Pa。,30,泊松比，泊松比是垂直方向的弹性变形与水平方向的弹性变形的比值。对理想材料来说是0.5 ，而对真实材料一般为0.3。 比例极限（弹性极限）：表示金属材料按虎克定律变形的最大应力。 屈服强度：是金属材料抵抗微量塑性变形（0.2%）时的应力。,31,抗拉强度：金属材料能承受最大均匀塑性变形时的应力。 延伸率: 材料的延性指

8、标，表示断裂前后试样标距长度的相对伸长值。 断面收缩率: 材料的延性指标，是断裂前后试样截面的相对收缩值。,32,3.2.3 冲击性能 韧性和脆性: 在断裂前能经受塑性变形的金属，我们称它为延性的。它们呈现延性断裂。当应变足够大，裂纹产生在金属内部并且得以长大，以剪切的机制断裂。它们的断口呈现韧窝特征，我们称它们为韧性金属； 而脆性金属断裂前只有极小的塑性变形。裂纹扩展很快，并沿解理面断开，断口呈现解理特征，我们称它为脆性金属。,33,韧 性,韧性（也称韧度）是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或是材料抵抗裂纹扩展的能力。 冲击韧性是应用冲击试验把规定形状的试样用弯曲的方法，使之迅速断裂, 测定使之断裂所需要的功。称其为冲击韧性试验，所测得的值称为冲击韧性值。,34,a） 韧窝特征显示韧性断口 图3-6,韧性断口（韧窝花样）,35,b） 解理特征显示脆性断口 图3-6,脆性断口（解理花样）,36,韧性和脆性是能转换的,很多金属在一定条件下呈现韧性，而在另外条件下呈现脆性。韧性和脆性是能转换的。如果塑性流变被抑制，韧性就会变成脆性。 比如：温度降低，增加应变速率， 降低塑性范围，提

9、高屈强比（通过辐照，冷加工）会减少韧性； 相反，减小晶粒会增加韧性和强度。 加入一些杂质，不论有意无意，都会很大程度地改变金属的韧脆性能。,37,冲击试验：冲击试验是一种动态力学试验，它是把一定形状的试样用拉、扭、或弯曲的方法，使之迅速断裂而测定使之断裂所需要的功。一般认为它是试验材料韧性的，所以也称其为冲击韧性试验。 冲击试验有几种类型，我们常用的是夏氏弯曲冲击试验（Charpy Test）。试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。 缺口冲击韧性试验能综合反映缺口、低温和高应变速率这三个因素对材料脆化的影响。,38,a） 冲击试验样品 图3-7,冲击试验标准样品,39,b） 摆锤式冲击试验机 图3-8,冲击试验设备,40,韧脆转变：温度对断裂的作用十分明显，很多材料在高温下能保持很好的延性，但在低温下就只有脆性了。低温脆性是体心立方结构钢难以避免的特性。其表现为温度降低到某一值时，钢的冲断功显著下降。该现象称为韧脆转变。该温度定义为韧脆转变温度（DBTT）（Ductile-Brittle Transition Temperature） 。 一般用冲击试验的冲断功和韧脆转变温度来表征材料的低温脆化的倾向和评定材料的冶金、热处理、焊接的质量。,41,图3-9 韧脆转变曲线,韧脆转变曲线,42,压水堆的压力壳是用低合金碳钢建造的，它是体心立方结构的材料，存在韧脆转变温度，而且由于压力壳暴露在快中子场中，在高能中子辐照下，材料中会产生缺陷，使材料强化和脆化，韧脆转变温度升高。压力壳是压水堆的重要部件，我们希望压力壳在反应堆寿期内安全，不发生突然的破损。即要求压力壳钢的DBTT在它所会经受的温度以下，因此在反应堆堆芯部分要悬挂监督管，监督管内装有与压力壳同批材料加工成的试验样品，定期取出，测定其DBTT，以监督压力壳材料整个寿期内的DBTT变化，防止发生任何意外。,43,3.2.4 断裂韧性（FractueToughness）,断裂韧性：在断裂力学基础上建立起

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