金属材料及热处理基本知识1.ppt

金属材料及热处理基本知识 概 述 金属材料是制造特种设备最常用的材料，因此了解和掌握金属材料性能是十分必要的，所谓金属材料的性能：是指金属材料对产品设计、制造使用等性能的满足程度，也就是金属材料本身所具有的性质和能力。 通常所指的金属材料性能是指金属材料的使用性能和工艺性能。如力学性能、物理性能、化学性能等使用性能和冷、热加工的工艺性能。 材料力学的基本知识 金属材料在加工和使用过程中的基本特征 都要承受不同形式外力的作用 都会产生抵抗这些外力作用的能力（这种能力称为材料的力学性能如Rm、HB、Ak、A等）直至能力消失而发生变形以至断裂破坏 应力与应变 内力：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用下产生的附加内力的结果，通常简称它为内力。 应变与应力：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变称为应变；物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力称为正应力。 应力的种类：拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力、交变应力等。 应力集中的概念：由于截面的尺寸突然变化而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。 应力集中系数a=σmax/σ σmax-最大局部应力； σ-名义应力 应力集中的严重程度与缺口大小有关，同时与缺口的尖锐程度有关，缺口越尖锐，即缺口根部曲率半径越小，应力集中系数就越大。 承压类特种设备壳体的工作应力 绝大多数承压类特种设备都承受内压，内部压强会使壳体产生拉应力，这一应力称为工作应力。 按照薄壁回转理论，对于圆筒形容器来说，轴向应力是切向应力的一半，环焊缝受力仅是纵焊缝的一半。在相同的压力和直径下，球形容器的壁厚可比圆筒形容器减少大约一半。 实际工作状态下的容器，其壳体中的应力比较复杂，除了内压引起的总体薄膜应力外，还存在由于形状变化、壁厚改变、结构不连续等引起的附加拉应力、压应力、弯曲应力；由于缺口引起的峰值应力；由于冷热加工留下的残余应力；温度变化产生的热应力等等。 强度 　　　金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，材料强度可以通过拉伸试验测出。 金属材料拉伸试验 弹性变形 滞弹性变形 屈服前微塑性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形 应用： 抗拉强度Rm、屈服强度(ReH、ReL）是评价材料性能的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形，所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。一般机械设计若以ReH、ReL作为指标时，ns＝1.5-2.0，若采用屈服强度Rm作为指标时，安全系数nb＝1.5-3.0，我国锅炉压力容器规范规定的安全系数一般为ns ＝1.5， nb =2.7。 塑性 塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。 评定与计算：材料塑性的指标通常用伸长率A和断面收缩率Z。 伸长率可用下式确定： 　　　　　A＝［（L1－L0）/L0］×100％； 　L0—试件原标距长度， L1—拉断后试件标距长度。 断面收缩率可用下式确定： 　　　　　Z＝［（S0－S1）/S0］×100％ 式中：S0－试件原来截面积，S1－拉断后试件颈缩处的截面积 应用：锅炉压力容器对材料塑性要求是有一定限度的，并不是越大越好，应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力，造成材料的极大浪费。 硬度 定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。 应用： 布氏硬度试验是指用一定直径的（球体钢球或硬质合金球）以相应的试验压力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 洛氏硬度试验是在初始试验压力及总试验压力的先后作用下，将顶角为1200金刚石圆锥体压入试验表面，经规定保持时间后，卸除试验力。通过测量残余压痕深度，确定材料的硬度值。 维氏硬度试验是将相对面夹角为1360的正四棱锥体金刚石压头，已选定的试验力压入被测材料或零件的表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用测量压痕对角线长度计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 里氏硬度试验是用规定重量的冲击体在弹力作用下，以一定的速度冲击被测材料或零件表面，采用冲头在被测材料或零件表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值，计算硬度值。 里氏硬度可方便实现多种硬度之间的相互转换以及与强度之间的相互转换。 冲击韧性 定义：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。 试验：通常是在摆式冲击试