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1、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
2、、生产效率、产品质量有重要影响。第1页/共69页一、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。第2页/共69页研究力学性能意义：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
3、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：第3页/共69页静载荷：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第4页/共69页按作用形式不同分：第5页/共69页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。第6页/共69页拉伸实验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228-
4、2010）第7页/共69页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第8页/共69页1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0第9页/共69页第10页/共69页 万能材料试验机 a)WE系列液压式 b)WDW系列电子式第11页/共69页第12页/共69页第13页/共69页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 第14页/共69页 (a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂第15页/共69页拉伸试样的颈缩现象第16页/共69页LF0 03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆
5、性材料在断裂前没有明显的屈服现象。第17页/共69页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？第18页/共69页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)第19页/共69页三、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）
6、抗拉强度(b)第20页/共69页屈服点（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第21页/共69页抗拉强度: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
7、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第22页/共69页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。第23页/共69页二、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
8、长率和断面收缩率第24页/共69页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=10d0 5 试样 L0=5d0试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（mm）第25页/共69页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.第26页/共69页塑性对材料的意义:1.
9、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 第27页/共69页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。第28页/共69页 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
10、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断面收缩率第29页/共69页三、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）第30页/共69页材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。第31页/共69页一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 第32页/共69页第33页/共69页布氏硬度试验原理图第34页
11、/共69页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第35页/共69页试验时，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选择材料材料种类种类布氏硬度范布氏硬度范围围HBSHBS（HBWHBW）试样厚试样厚度度/mm/mm0.1020.102球的直球的直径径/mm/mm试验力试验力F/KNF/KN（k k g f)g f)试验力试验力保持时保持时间间/s/s钢、钢、铸铁铸铁140-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.3
12、55(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非铁非铁金属金属1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060表1-1 布氏硬度试验规范第36页/共69页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1015
13、s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。第37页/共69页4、适用范围常用于测小于450HBS450HBS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，不适合成品检验第38页/共69页二、洛氏硬度测定原理第39页/共69页第40页/共69页第41页/共69页硬度硬度符号符号压头类压头类型型总实总实验力验力F/N 硬度值有效范围硬度值有效范围应用范围应用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体58870
14、08585适用于测量硬质合金、表面淬硬适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢钢球球98025100100适用于测量非铁金属适用于测量非铁金属,退火、退火、正正火钢等火钢等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体1470206767适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等上述公式中，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、符号第42页/共
15、69页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。第43页/共69页三、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。第44页/共69页第45页/共69页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。第46页/共69页四、冲击韧性 强度、硬度、塑性等力学
16、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。第47页/共69页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。第48页/共69页1、冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试
17、验冲击韧性的表示方法第49页/共69页第50页/共69页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5mm10mm55mm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。第51页/共69页 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
18、 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。第52页/共69页第53页/共69页第54页/共69页 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。第55页/共69页 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（H1-H2）第56页/共69页2.材料冲击韧性的表示方法按照国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样
19、的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳（J）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。第57页/共69页冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。第58页/共69页【小资料】GB/T 2292007与GB/T 2291994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。第59页/共69
20、页新标准GB/T2292007旧标准GB/T2291994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU 2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU 8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 8转变温度Tt韧脆转变温度TC第60页/共69页缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的
21、韧脆转变温度。3.冲击试验的应用第61页/共69页3.冲击试验的应用缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。第62页/共69页 低温脆性第63页/共69页低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导
22、致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。第64页/共69页第65页/共69页体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。第66页/共69页冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt）。转变温度（Tt）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。第67页/共69页金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（Tt）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（Tt）可达-40以下。第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页