asme標(biāo)準(zhǔn)材料及應(yīng)力培訓(xùn)教材

1、ASME標(biāo)準(zhǔn)中材料,一、力與平衡,,,,力的概念,1．定義：力是物體間的相互機(jī)械作用，這種作用可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。,2. 力的效應(yīng)： ①運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(外效應(yīng)) ②變形效應(yīng)(內(nèi)效應(yīng))。,3. 力的三要素：大小，方向，作用點(diǎn),,力的作用線：沿力矢F的,直線KL稱為力的作用線。,推論：力是矢量,,印刷體用黑體 字，手寫時(shí)用 或 表示。,印刷體用黑體

2、字，手寫時(shí)用 或 表示。,印刷體用黑體 字，手寫時(shí)用 或 表示。,,靜力學(xué)基本公理,公理1 二力平衡公理,,,,作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體平衡的必要與充分條件是：,這兩個(gè)力大小相等 | F1 | = | F2 | , ( F1 = F2 ),指向相反 F1 = –F2,作用線共線，,只用白體字F 表示力的大小，而不在其上加‘－’或‘→’矢量符號(hào)。,,F 表示力的

3、大小，而不在其上加‘－’或‘→’矢量符號(hào)。,公理：是人類經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)而得到的結(jié)論，它被反復(fù)的實(shí)踐所驗(yàn)證，是無(wú)須證明而為人們所公認(rèn)的結(jié)論。,作用于同一個(gè)物體上。,,,在已知力系上加上或減去任意一個(gè)平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效應(yīng)。,推論1：力的可傳性原理。 作用于剛體上的力可沿其作用線移到同一剛體內(nèi)的任一點(diǎn)，而不改變?cè)摿?duì)剛體的效應(yīng)。,,,公理2 加減平衡力系公理,,,剛體受三力作用而平衡，若其

4、中兩力作用線匯交于一點(diǎn)，則另一力的作用線必匯交于同一點(diǎn)，且三力的作用線共面。（不平行的三個(gè)力平衡的必要條件）,公理3 力的平行四邊形法則,作用于物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力可合成一個(gè)合力，此合力也作用于該點(diǎn)，合力的大小和方向由以原兩力矢為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線來(lái)表示。,推論2：三力平衡匯交定理,,,公理4 作用力和反作用力定律,等值、反向、共線、異體、且同時(shí)存在。,[證] ∵ 為平衡力系

5、， ∴ 也為平衡力系。 又∵ 二力平衡必等值、反向、共線， ∴ 三力 必匯交，且共面。,[例],,公理5 剛化原理,體（剛化為剛體），則平衡狀態(tài)保持不變。,公理5 告訴我們：處于平衡狀態(tài)的變形體，可用剛體靜力學(xué)的平衡理論去硏究。,變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體變成剛,,,⒌ 約束反力：約束

6、給被約束物體的力叫約束反力。（約束的作用由力來(lái)表示，該力稱為約束反力。）,約束與約束反力,概念,⒈ 自由體：位移不受限制的物體叫自由體。,⒉ 非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。,⒊ 約束：對(duì)非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制,條件稱為約束。 （這里，約束是名詞，而不是動(dòng)詞的約束）,⒋ 主動(dòng)力: 促使物體運(yùn)動(dòng)或使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力稱為主動(dòng)力（如重力、風(fēng)力、切削力、物體壓力、牽引力等）。,,⒌ 約束反力特點(diǎn)：,G,①大小常常是未

7、知的；,②方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；,③作用點(diǎn)在物體與約束相接觸的那一點(diǎn)。,,柔性體約束只能承受拉力，所以它們的約束反力是作用在接觸點(diǎn)，方向沿柔性體軸線，背離被約束物體。是離點(diǎn)而去的力。,約束類型和確定約束反力方向的方法：,1.由柔軟的繩索、鏈條或皮帶構(gòu)成的柔性體約束,,約束反力作用在接觸點(diǎn)處，方向沿公法線，指向受力物體是向點(diǎn)而來(lái)的力。,2.光滑接觸面的約束 (光滑指摩擦不計(jì)),,,,FR,滑槽與銷釘,,3.光滑圓柱鉸鏈

8、約束,①圓柱鉸鏈,,,,A,A,,②固定鉸支座,,③活動(dòng)鉸支座（輥軸支座）,N的實(shí)際方向也可以向下,N,,物體的受力分析和受力圖,受力分析,解決力學(xué)問(wèn)題時(shí)，首先要選定需要進(jìn)行研究的物體，即選擇,研究對(duì)象；然后根據(jù)已知條件，約束類型并結(jié)合基本概念和公理,分析它的受力情況，這個(gè)過(guò)程稱為物體的受力分析。,作用在物體上的力有：一類是:主動(dòng)力,如重力,風(fēng)力,氣體,二類是：被動(dòng)力，即約束反力。,壓力等。,,畫物體受力圖主要步驟為：①選研究對(duì)象；②取

9、分離體； ③畫上主動(dòng)力；④畫出約束反力。,受力圖,[例1],,畫受力圖應(yīng)注意的問(wèn)題,接觸處必有力，力的方向由約束類型而定。,,⒉ 不要多畫力,對(duì)于受力體所受的每一個(gè)力，都應(yīng)能明確地,⒈ 不要漏畫力,,除重力、電磁力外，物體之間只有通過(guò)接觸,才有相互機(jī)械作用力，要分清研究對(duì)象（受,力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，,指出它是哪一個(gè)施力體施加的。,要注意力是物體之間的相互機(jī)械作用。因

10、此,,,不要把箭頭方向畫錯(cuò)。,⒊ 不要畫錯(cuò)力的方向,⒋ 受力圖上不能再帶約束。,即受力圖一定要畫在分離體上。,約束反力的方向必須嚴(yán)格地按照約束的類型來(lái)畫，不,能單憑直觀或根據(jù)主動(dòng)力的方向來(lái)簡(jiǎn)單推想。在分析,兩物體之間的作用力與反作用力時(shí)，要注意，作用力,的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之相反，,,內(nèi)力，就成為新研究對(duì)象的外力。,,,部或單個(gè)物體的受力圖上要與之保持一致。,⒌ 受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。,⒍ 同一系統(tǒng)各研究

11、對(duì)象的受力圖必須整體與局部一致，相 互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。,⒎ 正確判斷二力構(gòu)件。,一個(gè)力，屬于外力還是內(nèi)力，因研究對(duì)象的不同，有,可能不同。當(dāng)物體系統(tǒng)拆開來(lái)分析時(shí)，原系統(tǒng)的部分,對(duì)于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局,二、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論,應(yīng)力狀態(tài),,普遍狀態(tài)下的應(yīng)力表示,單元體：?單元體——構(gòu)件內(nèi)的點(diǎn)的代表物，是包圍被研究點(diǎn) 的無(wú)限小的幾何體，常用的是正六面體。

12、?單元體的性質(zhì)——a、平行面上，應(yīng)力均布； b、平行面上，應(yīng)力相等。,一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)： 過(guò)一點(diǎn)有無(wú)數(shù)的截面，這一點(diǎn)的各個(gè)截面上應(yīng)力情況的集合，稱為這點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（State of Stress at a Given Point）。,,x,,y,,z,,s,,x,,sz,,,s,,y,,,,,x,,y,,z,,s,,x,,sz,,,s,,y,,,剪應(yīng)力互等定理（Theorem o

13、f Conjugate Shearing Stress): 過(guò)一點(diǎn)的兩個(gè)正交面上,如果有與相交邊垂直的剪應(yīng)力分量,則兩個(gè)面上的這兩個(gè)剪應(yīng)力分量一定等值、方向相對(duì)或相離。,主單元體、主面、主應(yīng)力：,?主單元體(Principal bidy)： 各側(cè)面上剪應(yīng)力均為零的單元體。,?主面(Principal Plane)： 剪應(yīng)力為零的截面。,?主應(yīng)力(Principal Stress ）： 主面上的正應(yīng)力

14、。,?主應(yīng)力排列規(guī)定：按代數(shù)值大小，,,s1,s2,s3,x,y,z,sx,sy,sz,?單向應(yīng)力狀態(tài)（Unidirectional State of Stress）： 一個(gè)主應(yīng)力不為零的應(yīng)力狀態(tài)。,?二向應(yīng)力狀態(tài)（Plane State of Stress）： 一個(gè)主應(yīng)力為零的應(yīng)力狀態(tài)。,,?三向應(yīng)力狀態(tài)（ Three—Dimensional State of Stress）： 三個(gè)主應(yīng)力都不為零的應(yīng)力狀態(tài)。,

15、,平面應(yīng)力狀態(tài)分析——解析法,,,,,規(guī)定：??? 截面外法線同向?yàn)檎??t a繞研究對(duì)象順時(shí)針轉(zhuǎn)為正； ?a逆時(shí)針為正。,圖1,設(shè)：斜截面面積為S，由分離體平衡得：,任意斜截面上的應(yīng)力,,,圖1,,,考慮剪應(yīng)力互等和三角變換，得：,同理：,極值應(yīng)力,,???在剪應(yīng)力相對(duì)的項(xiàng)限內(nèi)，且偏向于?x 及?y大的一側(cè)。,,平面應(yīng)力狀態(tài)分析——圖解法,對(duì)上述方程消去參數(shù)（2?），得：,1、應(yīng)力圓（ Stre

16、ss Circle）,,,此方程曲線為圓—應(yīng)力圓（或莫爾圓，由德國(guó)工程師：Otto Mohr引入）,?建立應(yīng)力坐標(biāo)系，如下圖所示，（注意選好比例尺）,2、應(yīng)力圓的畫法,?在坐標(biāo)系內(nèi)畫出點(diǎn)A(? x，?xy)和B(?y，?yx),?AB與sa 軸的交點(diǎn)C便是圓心。,?以C為圓心，以AC為半徑畫圓——應(yīng)力圓；,,,,,,,3、單元體與應(yīng)力圓的對(duì)應(yīng)關(guān)系,4、在應(yīng)力圓上標(biāo)出極值應(yīng)力,,,三向應(yīng)力狀態(tài)研究——應(yīng)力圓法,,,,,,,1、空間應(yīng)力狀

17、態(tài),2、三向應(yīng)力分析,?彈性理論證明，圖a單元體內(nèi)任意一點(diǎn)任意截面上的應(yīng)力都對(duì)應(yīng)著圖b的應(yīng)力圓上或陰影區(qū)內(nèi)的一點(diǎn)。,圖a,圖b,?整個(gè)單元體內(nèi)的最大剪應(yīng)力為：,,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力 -- 應(yīng)變關(guān)系 ——（廣義虎克定律）,1、單拉下的應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系,2、純剪的應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系,,3、復(fù)雜狀態(tài)下的應(yīng)力 --- 應(yīng)變關(guān)系,依疊加原理,得:,,,,,sz,sy,sx,主應(yīng)力 --- 主應(yīng)變

18、關(guān)系,4、平面狀態(tài)下的應(yīng)力---應(yīng)變關(guān)系:,方向一致,,,,強(qiáng)度理論,4個(gè)涉及破壞的強(qiáng)度理論,（一）最大拉應(yīng)力（第一強(qiáng)度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到單向拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限時(shí) ，構(gòu)件就斷了。,1、破壞判據(jù)：,2、強(qiáng)度準(zhǔn)則：,3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。,,,（二）最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變（第二強(qiáng)度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)變引起的。當(dāng)最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變達(dá)到單向拉伸試驗(yàn)下的 極限應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件就斷

19、了。,1、破壞判據(jù)：,2、強(qiáng)度準(zhǔn)則：,3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。,,（三）最大剪應(yīng)力（第三強(qiáng)度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的屈服是由最大剪應(yīng)力引起的。當(dāng)最大剪應(yīng)力達(dá)到單向拉伸試驗(yàn)的極限剪應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件就破壞了。,1、破壞判據(jù)：,3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。,2、強(qiáng)度準(zhǔn)則：,,（四）形狀改變比能（第四強(qiáng)度）理論：認(rèn)為構(gòu)件的屈服是由形狀改變比能引起的。當(dāng)形狀改變比能達(dá)到單向拉伸試驗(yàn)屈服時(shí)形狀改變比能時(shí)，構(gòu)件就破壞了。,1、破

20、壞判據(jù)：,2、強(qiáng)度準(zhǔn)則,3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。,,強(qiáng)度理論的選用原則：依破壞形式而定。,1、脆性材料：一般使用第一或第二強(qiáng)度理論；,4、簡(jiǎn)單變形時(shí)：一律用與其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則。如扭轉(zhuǎn)，都用：,2、塑性材料：一般使用第三或第四理論。,5、破壞形式還與溫度、變形速度等有關(guān)！,,3、特殊：三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，用第一強(qiáng)度理論； 三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，用第三或第四強(qiáng)度理論；,三、材料的力學(xué)性能和試驗(yàn),材料的力學(xué)性能

21、（機(jī)械性能）,ASME SA370-2001,鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義（與ASTM標(biāo)準(zhǔn)A370-96完全等同）1. 材料的強(qiáng)度取樣方向,各種類型鍛件的取樣部位,抗拉強(qiáng)度,拉伸試驗(yàn)ASTM E8,,（１）屈服點(diǎn)：當(dāng)試件拉力在 ＯＢ范圍內(nèi)時(shí)，如卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，因此，該階段被稱為彈性階段。當(dāng)對(duì)試件的拉伸進(jìn)入塑性變形的屈服階段ＢＣ時(shí)，稱屈服下限Ｃ下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度或屈服點(diǎn)，記做σs

22、。設(shè)計(jì)時(shí)一般以σs作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。對(duì)屈服現(xiàn)象不明顯的鋼材，規(guī)定以0.2％殘余變形時(shí)的應(yīng)力σ0.2作為屈服強(qiáng)度。,,（２）抗拉強(qiáng)度：從圖2－１中ＣＤ曲線逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，稱為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)Ｄ的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示。 設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度雖然不能利用，但屈強(qiáng)比σs／σb有一定意義。屈強(qiáng)比愈小，反映鋼材受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性愈大，因而結(jié)構(gòu)的安全性愈高。但屈強(qiáng)比太小

23、，則反映鋼材不能有效地被利用。,,(3) 伸長(zhǎng)率：圖2－１中當(dāng)曲線到達(dá)Ｄ點(diǎn)后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”而斷裂。量出拉斷后標(biāo)距部分的長(zhǎng)度Ll，標(biāo)距的伸長(zhǎng)值與原始標(biāo)距L0的百分率稱為伸長(zhǎng)率。即： （L1-LO） δ=—————×100% L0,持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度,拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn)機(jī),,,液壓式萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī),,,* 拉伸試樣：,長(zhǎng)試樣：L0=10d0

24、 短試樣：L0=5d0ASME：L0=4d0,力—伸長(zhǎng)曲線,,,O,屈服,彈性變形,縮頸,斷裂,塑性變形,,塑性變形:外力去除后不能消失的變形,彈性( elasticity ):金屬材料受外力作 用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來(lái)形狀及尺寸的性能。,彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。,,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,,,力—伸長(zhǎng)曲線,,,O,屈服,彈性變形,縮頸,斷

25、裂,塑性變形,,強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。,種類: 抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng) 度 、 抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。,,(2)屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn) S,,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力： ?r0.2 =Fr0.2/S 0,,,(3)抗拉強(qiáng)度( tensile strength ):

26、 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。,,,力 學(xué) 性 能,,強(qiáng)度,硬度,韌性,斷裂韌度,疲勞,主要指標(biāo)：,塑性,塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,(1)斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積S0之比。,,,,,(2)斷后伸長(zhǎng)率(延伸率) sp

27、ecific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L 1與原始標(biāo)距L 0之比。,δ 10% 屬塑性材料,長(zhǎng)試樣：δ10 簡(jiǎn)寫為δ短試樣：δ5,同一種材料的δ5 >δ10,,硬度( hardness ),1.定義： 是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。 ASME SA370-2001給出各種不同試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照表以及相應(yīng)的大致抗拉強(qiáng)度。

28、,,2.硬度試驗(yàn)方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）回跳法,,布氏硬度HB：ASTM E10 洛氏硬度HR：ASTM E18 維氏硬度HV：ASTM E,壓入法,,(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness),觀看布氏硬度,1.壓頭：,淬火鋼球 HBS

29、硬質(zhì)合金鋼球 HBW,,2.試驗(yàn)原理：,用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。,,,,F F HB= —— = ———— S ?Dh,D h = —— — 2,D d —— – —— 2

30、 2,,,2,2,,,,布氏硬度值?450的材料,選用淬火鋼球壓頭,例如：200HBS 350HBS,布氏硬度值450~650的材料,選用硬質(zhì)合金球壓頭,例如：550HBW 600HBW,3.標(biāo)注：,符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷

31、作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,4. 特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,測(cè)量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。,缺點(diǎn)：,,壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。,應(yīng)用：,,常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。,不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),1.壓頭：,120º金剛石圓錐體鋼球鋼球,,HRAHRC,,HRB,2.試驗(yàn)原理：,用錐頂角為120

32、6;的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算出硬度值。,h1,h2,,,,h3,h,1-1 初載10kg h1,2-2 總載150kg h2,3-3 卸載140kg h3,最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量 h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,70~85HRA25~100HRB20~70H

33、RC,HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小,,例如： 50HRC40HRC 〤,3.特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,,測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。,,是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度 試驗(yàn)方法。可用于成品檢驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測(cè)量組織不均勻材料。,應(yīng)用：,(三)維氏硬度 HV ( diamond penetrator ha

34、rdness ),維氏硬度計(jì),1.壓頭：,錐面夾角為136º的金剛石正四棱錐體,2.試驗(yàn)原理：,與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。,以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。,2.試驗(yàn)原理：,,用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。,H V=F/S,3.標(biāo)注：,與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件—試驗(yàn)

35、力和保持時(shí)間（10~15S不標(biāo)）。,例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持10~15S測(cè)定的維氏硬度值為580。,4.特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,,測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。,應(yīng)用：,,廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。,不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。,,韌性(toughness ):,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力

36、。沖擊試驗(yàn)ASTM E23,1.定義：,,沖擊試驗(yàn)機(jī),沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖,2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn):,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,A k = m g H – m g h (J),,g,沖擊韌度ak 就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。,3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度:,,,,,,,,,,,,,,-40,-20,0,20,20,40,60,ak,T(ºc),,,T↓，ak急劇

37、↓韌性→脆性,脆性轉(zhuǎn)變溫度 FATT50,金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度↓，材料的低溫沖擊韌性愈好。,,沖擊試驗(yàn)中的側(cè)向膨脹量,“側(cè)向膨脹值——按照ASTM A370的技術(shù)要求”。測(cè)微儀的讀數(shù)也應(yīng)得到認(rèn)可，并應(yīng)該預(yù)先注意以下事項(xiàng)：—— eL=（e—e1）mm 其中eL=側(cè)向膨脹值；——試樣兩個(gè)平分段的A和B面，必須處于精確的同一平面（P）中?！獋?cè)向膨脹值應(yīng)取3次不同測(cè)量結(jié)果的平均值。,Pellini 落錘試驗(yàn)（

38、TNDT溫度的確定）試樣制備及試驗(yàn)條件應(yīng)符合ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在進(jìn)行每組試驗(yàn)前應(yīng)確保重錘是從正確的高度（在+10%到—0%的誤差范圍內(nèi)）自由墜落的。所用重錘的重量也是已知的。采用P3型試樣，其尺寸如圖MC1230.1所示。如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT≤0℃，則按表MC1230.1所列溫度進(jìn)行試驗(yàn)；如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT≤16℃，則按表MC1230.2所列溫度進(jìn)行試驗(yàn)。,圖4—37 落錘試驗(yàn)裝置

39、1—底座；2—限位塊，3—缺口；4—落錘；6—脆性焊道，6—試樣,ASTM E208 規(guī)定的一些技術(shù)條件,1.試樣形狀（其中一種見下頁(yè)）2.打擊能量（按照材料屈服強(qiáng)度決定）3.彎曲限度（由試樣形狀確定）4.判斷標(biāo)準(zhǔn)（一邊或雙邊裂紋到邊）,落錘試驗(yàn)試樣,基準(zhǔn)無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度的確定RTNDT的溫度應(yīng)通過(guò)Pellini落錘試驗(yàn)和KV沖擊試驗(yàn)兩者確定。試驗(yàn)溫度應(yīng)根據(jù)TNDT溫度確定。試驗(yàn)應(yīng)按下列方法進(jìn)行（關(guān)于KV試樣）：a） 以3

40、個(gè)試樣為1組，其中每一個(gè)試樣在給定的溫度下同時(shí)滿足下列要求， 則認(rèn)為試驗(yàn)有效：——斷裂吸收能量≥68J；——側(cè)向膨脹值≥0.9mm。b） 第一組試樣沖擊的溫度為： TCV1=TNDT+33℃如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TNDT如果結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則第二組試驗(yàn)按照下列c）的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。c） 如果進(jìn)行第二組試驗(yàn)，第二組試樣的試驗(yàn)溫度規(guī)定如下： TCV2= TCV1+5℃

41、如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TCV—33℃d） 如果c）條規(guī)定溫度下的試驗(yàn)，結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則另外一些試驗(yàn)應(yīng)在5℃的間隔溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。直到求得滿足上述a）的條件的溫度TCV。則認(rèn)為： RTNDT=TCV—33℃,斷裂韌度,1、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。,,式中：Y__裂紋的幾何形狀因子; σ__外加應(yīng)力（N/

42、mm2）； a__裂紋的半長(zhǎng)（mm）； K1__ 強(qiáng)度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。,,2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子,當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。,3、斷裂韌度K1C,材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌度表示。,反應(yīng)材料有

43、裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。K1c可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo),常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MN·m-3/2）,根據(jù)K1=Yσa ≥K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計(jì)者可以控制三個(gè)參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力σ和零件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以解決以下三方面的工程實(shí)際問(wèn)題：

44、,,,,1）根據(jù)零件的實(shí)際工作應(yīng)力σ和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力σC，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實(shí)際工作應(yīng)力σ，估算斷裂時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。,,1、疲勞現(xiàn)象,零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)

45、定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,,疲勞（ fatigue ）,2、疲勞極限σ-1: 表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。,,迴轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理圖,疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力分析,,疲勞曲線,鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108,,3、提高疲勞極限途徑,改善零件的結(jié)構(gòu)形狀,降低表面粗糙度值,采取表面強(qiáng)

46、化,1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂,,,四、ASME具體材料,ASME材料所用的標(biāo)準(zhǔn),核電建設(shè)所用的ASME標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容,(1)Section III, Nuclear Power Plant components, Division 1?Subsection NB Class 1 Components(2)Section II, Material Specifications ?Part A - Ferrous M

47、aterials ?Part B - Nonferrous Materials ?Part C - Welding Rods, Electrodes and Filler Metals ?Part D - Properties(3)Section V, Nondestructive Examination(4)Section IX, Welding and Brazing Qualificat

48、ions(5)Section XI, Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components, Division 1,承壓設(shè)備材料,Pressure retaining material and material welded thereto, except as permitted in NB-4435, and except for w

49、elding material, shall conform to the requirements of one of the specifications for material given in Tables 2A and 2B of ASME Code Section II, Part D, Subpart I and to all of the special requirements of Article NB-2000

50、which apply to the product form in which the material is used, except as they may be modified by the requirements of this Specification.,其它材料,Non-structural attachments, such as insulation supports, name-plates, and temp

51、orary attachments, if required, may be noncertified material. Non-pressure retaining material, such as cooling shroud support, alignment pin, stud bolt elongation measuring rods and tools, if any, may be of ASME or othe

52、r Standards . The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification.a.NB-2210Heat treatment requirementsb.NB-2220Procedure for obtaining test coupo

53、ns and specimens for quenched and tempered material.,Fracture toughness requirements for material,The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification.a

54、.NB-2310Material to be impact testedb.NB-2320Impact test proceduresc.NB-2330Test requirements and acceptance standardsd.NB-2340Number of impact tests requirede.NB-2350Retestsf.NB-2360Calibration of i

55、nstruments and equipment,Acceptable Material Designation,Pressure Retaining Material,Non-pressure Retaining Material,ASME第Ⅱ卷材料,A篇鐵基材料標(biāo)準(zhǔn)ASME材料種類太多，這里僅僅結(jié)合壓水堆反應(yīng)堆主要設(shè)備常用材料進(jìn)行分析和比較。1. SA-508標(biāo)準(zhǔn)“壓力容器用經(jīng)真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼鍛件” 使用上述標(biāo)

56、準(zhǔn)材料的有反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等，選用其中3級(jí)1類鋼種。材料屬于錳鎳鉬合金鋼。,2.材料的化學(xué)成分,元素 3級(jí) C ≤0.25 Mn 1.20～1.50 P ≤0.025 S ≤0.025 Si 0.15～0.40 Ni 0.40～1.00 Cr ≤0.25

57、 Mo 0.45～0.60 V ≤0.05,ASME標(biāo)準(zhǔn)屬于通用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中列舉了很多材料，運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此是一個(gè)比較一般的標(biāo)準(zhǔn)要求。使用于核電材料顯然是不能滿足使用上的安全要求，以下進(jìn)行分析和比較。比較的對(duì)象一是RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，另一是三菱重工公司實(shí)際控制的標(biāo)準(zhǔn)。,RCC-M M2111 承受強(qiáng)輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件,三菱建議書中所列實(shí)際控制范圍,Ta

58、ble 4.1.3.1 Chemical Composition Requirements for SA-508M Gr.3 CL.1Specified value (wt.%)ElementsHeat Product(1)C 0.16 - 0.20

59、 0.16 - 0.22Si 0.10 - 0.30 0.10 - 0.30Mn 1.20 - 1.55 1.20 - 1.60P 0.008 Max.

60、 0.008 Max.S 0.006 Max. 0.006 Max.Ni 0.50 – 0.80 0.50 – 0.80Cr 0.15 Max.

61、 0.15 Max.Mo 0.45 - 0.55 0.43 - 0.57Cu 0.08 (0.05 Max.) (3) 0.08 (0.05 Max.) (3)Sb 0.002 Max.

62、 0.002 Max.Sn 0.010 Max. 0.010 Max.As 0.01 Max. 0.01 Max.V 0.01 Max.

63、 0.01 Max.Al 0.04 Max. 0.04 Max.B 5 ppm Max.(3ppm Max.)(3) 5 ppm Max. (3ppm Max.) (3)Co 0.02 Max.

64、 0.02 Max.,（1）C的含量,壓力容器，穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的制造中均需要多段鍛件加工后組焊，需要焊接的鋼的含碳量不應(yīng)超過(guò)0.23%，這是一般規(guī)定，考慮到其合金元素含量較高，還應(yīng)進(jìn)一步降低碳的最高含量。RCC-M規(guī)范中此類鍛件的碳含量均不超過(guò)0.20%。,（2）P、S含量,ASME標(biāo)準(zhǔn)屬于通用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，0.025%以下已經(jīng)是比較高的要求了，但是仍然不能滿足核電大鍛件的質(zhì)量要求。RCC-M M21

65、11適用于承受強(qiáng)輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)的可焊Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求是0.008%以下。RCC-M M2112適用于不承受強(qiáng)輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)的可焊Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2113適用于壓水堆壓力容器過(guò)渡段和法蘭用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2114適用于壓水堆壓力容器管嘴用的Mn-Ni-Mo

66、合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2115適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器管板用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2116適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器支撐環(huán)用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2119適用于制造壓水堆蒸汽發(fā)生器用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件

67、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S含量的要求也是0.012%以下。P偏高會(huì)使材料的低溫性能變得很差，會(huì)大幅度提高材料的FATT50溫度和RTNDT溫度，影響系統(tǒng)的水壓試驗(yàn)的安全。S含量偏高會(huì)破壞材料的高溫特性，使熱加工困難，同時(shí)也影響材料的力學(xué)性能指標(biāo)。但是S含量太低會(huì)增加焊接的難度（理論上還沒(méi)有統(tǒng)一），極低的硫和氫含量母材有可能在焊接中因吸氫而造成局部脆性?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了含硫量的下限，我的看法是硫控制在0.002~0.008%之間比較合適。,（3

68、）其它殘余元素的含量,其它對(duì)反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等材料在運(yùn)行中有影響的殘余元素有Al、Cu、Co、As、Sn、Sb、Bi、Pb等，均應(yīng)該有量的限制。這是制造商控制廢鋼質(zhì)量的關(guān)鍵所在，具體數(shù)據(jù)應(yīng)在規(guī)格書制訂時(shí)協(xié)商決定。,（4）鋼中氣體的含量,鋼中氣體即氮、氫、氧的含量應(yīng)該有明確的限制。推薦使用氫≤1.5ppm，氮≤60ppm，氧≤40ppm。,機(jī)械性能要求,ASME SA-508 對(duì)3級(jí)1類材料的要求：抗拉強(qiáng)度：550~725