《金属力学性能》PPT课件.ppt

金相、力学取证培训讲义,宋士伟,目 录,1.金属材料的力学性能2.力学性能指标3.与力学性能有关的金属监督概念4.与力学有关的失效实例,一、金属材料的力学性能,强度：Rm、Rel塑性：A、Z韧性：KU2、KV2、K1c、c、FATT硬度：HB、HRA、HRB、HRC、HV、HL疲劳：-1高温性能：蠕变极限、持久强度,二、力学性能指标,1.强度 金属在外力（静载荷）作用下，抵抗永久变形或破坏的能力。现行有效标准：GB/T228.1-2010主要强度指标：抗拉强度Rm 屈服强度Rel 旧标准中Rm 用b表示，Rel 用s表示,非标试样矩形试样,屈服强度：,金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是开始产生宏观塑性变形的一种标志。由于部件在实际使用过程中大都处于弹性变形状态，不容许产生微量塑性变形，因此出现屈服现象就标志着产生了过量塑性变形失效。,强度计算公式：,拉伸试样原始截面积：拉伸试样断后截面积：屈服强度：单位：MPa抗拉强度：单位：MPa,合金钢的屈服点：,条件屈服强度：规定的塑性变形量一般为0.2，即规定的引伸计标距0.2时相对应的应力，相应的屈服强度为Rr0.2 产生0.2残余伸长时的载荷。,2.塑 性,金属在外力作用下，抵抗永久变形而不会被破坏的能力。现行有效标准：GB/T228.1-2010主要指标有：延伸率（断后伸长率）：A 断面收缩率：Z 旧标准中：A用表示，Z用表示。,2.1延伸率,2.2断面收缩率,当断裂处不在标距中心时：,断裂位置对延伸率的大小是有影响的；断在标距正中的试样所得的延伸率最大；断在标距中间1/3段试样可直接测量L1；断在标距两端1/3段时，要求用位移法换算成相当于断在正中时的延伸率。,3.硬 度,金属抵抗比他更硬的物体压入的能力。布氏硬度：HB 洛氏硬度：HRA、HRB、HRC 维氏硬度：HV 里氏硬度：HL,布氏硬度HB,GB/T231.1-2009新规定：取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使用硬质合金球压头，试验范围上限为650HBW,布氏硬度HB,GB/T231.1-2002新规定：,1.取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使用硬质合金球压头，试验范围上限为650HBW。2.对试样最小厚度规定作了调整，将试样厚度至少应为压痕深度的10倍改为8倍。3.对压痕间距的规定作了调整，将两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍改为3倍。,布氏硬度值标记,布氏硬度值与试验条件有关，硬度值标记由4种符号组成：1.球体材料：硬质合金球2.球体直径：10mm（标准压头）、5mm、2.5mm、1mm3.试验力：其大小与压头直径有关。一般F/D2=30 倍、15倍、10倍、5倍、2.5倍、1倍。4.试验力的保持时间：黑色金属为10s、有色金属 为30s、对HBS35的材料为60s、1015s 时不 标注,例：120HBS10/1000/30例：500HBW5/750,应特别注意的是：对于不同的试验材料，当使用不同的试验力时，标准规定压痕直径d应当在0.250.60D范围内，所测硬度才有效。因此在试验中，对于给定试验材料，当确定了使用哪种直径的球后，还要考虑F/D2值，以便使压痕直径在0.25D至0.6D之间。,GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算值,布什氏度与强度b之间有一定的近似关系：不淬火钢材：低碳钢b 3.6HB 中碳钢b 3.5HB 高碳钢b 3.4HB 不锈钢：b 4.05.0HB根据布氏硬度值可近似确定金属的抗拉强度。如果考虑到旋转弯曲的疲劳极限-1大致是b的一半，则布氏硬度值可以进一步与-1联系起来。,优点：精确度高，对试样制备要求不高，一般用在仲裁试验。缺点：不适合测定HB 650的材料，因为材料的硬度太高容易引起钢球变形，使测定结果不准确。测量方法繁琐，效率低。,洛氏硬度HR,原理：测量压痕深度。条件：尽可能保证试验面是平面。执行标准：GB/T230.1-2009洛氏硬度试验方法试样厚度：用金刚石圆锥压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的10倍。用钢球压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的15倍。两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。,不同标尺的测量范围：GB230.1-2009HRA：20 88 圆锥形金刚石压头，60kg负荷HRC：20 70 圆锥形金刚石压头，150kg负荷HRB：20 100 淬硬钢球压头，100kg负荷各标尺均有一定的测量范围，应根据标准规定正确使用。如：硬度高于HRB100，应采用C标尺的试验条件进行试验。同样，硬度低于HRC20，应换用B标尺试验。硬度高于HRC70，应换用A标尺试验。,HRA：用来测定HB 700的高硬材料。HRB：用来测定HB=60 230之间比较软的 金属及低碳钢。HRC：用来测定HB=230 700的调质钢及 淬火钢。,洛氏硬度,优点：1.可测高硬度材料 2.压痕小，可测成品和薄板，对工 件无损坏。3.测量方法简便，从刻度盘直接读 出硬度值。缺点：1.压痕小，结果准确性低，通常应多测几 点取其平均值。2.不同标尺的硬度不能统一、各标尺硬度 值不能直接进行比较。,维氏硬度HV,以四方锥体型金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸载，测定压痕两对角线长度取平均值。主要用于测定显微硬度。优点：精度高、测量范围宽(软硬材料都可以测试)、不同标尺的硬度能够统一。缺点：测定繁琐，工作效率低。,里氏硬度HL,测量钢球冲击试样表面回弹时，距试样表面1mm处的回跳速度。执行标准：GB/T17394-1998金属里氏硬度试验方法HL=VB/VA 1000 其中：VB：回跳速度 VA：冲击速度优点：1.可便携，5kg以上的部件放稳即可用 2.可方便的换算为布、洛、维,里氏硬度是一种动态硬度试验方法，考察的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的大小。测试时材料种类的选择里氏硬度试验法是一种动载测试方法，它的测试值与金属的弹性模量E有关，材料不同所对应的弹性模量也不同，因而应按材料的种类进行分类测试。,测试时对工件的要求,将被测试件上的油漆、氧化皮、麻点打磨掉，露出金属光泽，并且平整、光滑，不得有油污。试样的重量（5公斤）、试样最小厚度（5mm）试件不应带有磁性。被测试样表面的曲率半径应30mm。,测试操作时注意事项,1.测试前应用硬度标块对仪器进行检验（示值误差12HLD）。数值偏差超过标准时应给予校准。2.在大批量检验过程中应经常用硬度标块对仪器进行校对，在检验工作完成后也应对仪器进行校对，确认在整个测试过程中硬度计的测试误差在规定范围内。以保证测试结果的真实性。,测试操作时注意事项,3.选择被测材料种类。4.选择冲击方向，冲击方向应垂直于试验面。5.给冲击装置加载时，应将加载套管压缩到底，然后缓慢松回原位。不可松手使其自由弹回，否则极易损坏机件。,测试操作时注意事项,6.给加载套管加载时，不可将冲击装置支撑在试件上。7.测试前应擦去试件表面的油污、铁屑、灰尘。8.按释放按钮时不可过快、过重，以致使加载套管移动，测试值失准。,测试操作时注意事项,9.每两次测试时间间隔不应少于3秒。10.两压痕中心距离3mm，压痕中心距试样边缘距离5mm。11.不可在同一点上重复测试，否则会引起较大的误差。同时会减少传感器的使用寿命。12.测试数据的分散不应超过平均值的15HL。,测试操作时注意事项,13.应保证冲击瞬间垂直位置偏差在0.5mm之内，否则会使硬度值偏低。14.对曲率半径小的工件可使用异性支撑环，（测外圆柱面、内圆柱面、外球面、内球面、不规则曲面），以保证测试方向能够垂直试件表面。,测试操作时注意事项,15.试样重量小于5公斤时应夹持。16.试件不应带有磁性，带有磁性的试件将使测量值偏低。17.使用完毕后，应将冲击体释放。否则将加速加载弹簧的疲劳。,里氏硬度的换算(GB/T17394-1998),1.测试的里氏值是通过与其它标准的静载荷硬度值（布氏、维氏、洛氏）对比曲线，将里氏值转换为相应的硬度值。2.由于各种硬度方法之间不存在明确的物理关系，受到相互比较中测量不可靠性的影响，因此换算会不可避免的带来不同程度的误差，换算只是近似的。3.在换算表中某一硬度范围内可能换算的相关性较好，而另一范围则相关性较差。,里氏硬度的换算(GB/T17394-1998),4.同一换算范围某些材料可能适应性很好，而对另一些材料可能误差较大。5.不同来源的换算表之间存在差别，国内研制的换算表与瑞士换算表之间在某个硬度范围有差异是不可避免的。6.换算时一定要注意换算表适用条件，否则误差会较大。为了获得比较可靠的换算关系，应对具体材料作对比试验，将数据处理后作出具体换算值或换算曲线。,例如：每一点硬度值需打3点布氏硬度压痕，每个压痕周围均匀分布地测定5点里氏硬度，得出里氏硬度平均值和布氏硬度平均值的对应关系，做出硬度对比曲线。对比曲线至少应包括三组对应的数据。,试验结果处理：,用5个有效试验点的平均值作为1个里氏硬度试验数据。尽量避免将里氏硬度换算成其他硬度，当必须进行换算时可参考附录。里氏硬度表示方法：700HLD、450HLG。用里氏硬度换算的其他硬度，应在里氏硬度符号之前附以相应的硬度符号：400HVHLD。,4.韧 性,金属在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法中冲击吸收能量用KV2或KU2表示。有些材料在静力作用下，表现出很高的强度，但在冲击力的作用下，表现得很脆弱。例如：高碳钢、铸铁。旧标准：冲击韧性：k或 Ak(ku或kv)单位：J/cm2 或 J,冲击吸收能量符号,冲击试样,5.疲 劳,疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。高周疲劳断口从宏观来看，一般有三个区，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。,高周疲劳,疲劳断裂寿命大于105以上周次，应力在Rel以下。即交变应力水平都处于弹性变形范围内。,低周疲劳,疲劳寿命小于105周次，应力在Rel以上或接近Rel。部件的设计应力本身一般不会达到材料的屈服应力，但部件上存在的缺口、开孔、焊缝等部位的应力集中使局部接近甚至进入了弹塑性状态，这种较小的局部塑性变形区通常又被广大弹性区所约束，所以即使实际构件的名义应力处于弹性范围，其关键部位却已进入弹塑性状态。,贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向相垂直，因而在与贝纹线垂直的相反方向。对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减小，实际应力增加，裂纹扩展速率加快。故贝纹线较为稀疏。,当断口上有多个疲劳源时，根据疲劳源区附近贝纹线的疏密程度可以判断疲劳源产生的先后次序。贝纹线还与材料性质有关，即较小的间距表示材料韧性较好，疲劳裂纹扩展速率较慢。在较软的材料中易出现贝纹线，而在较硬的材料中则不易看到。,6.弯曲试验：,是焊接接头力学性能试验的主要项目。弯曲试验时，试样截面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，因此可灵敏的反映材料表面缺陷。用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等表面热处理部件的质量和性能。用于测定铸铁、铸造合金、工具钢、硬质合金等脆性材料的断裂强度，并能明显地显示出这类材料的塑性差别。如热处理工艺对合金工具钢的性能影响，常采用弯曲试验方法。,7.屈强比：,材料的屈服极限和强度极限的比值，即Rel/Rm。提高屈强比可提高金属材料抵抗开始塑性变形的能力，有利于减轻部件的重量。但屈强比过高时又极易导致脆性断裂。,8.高温性能,8.1.蠕变极限定义：高温长期载荷下材料抵抗塑性变形的能力。测定方法：给定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值。指标：,如果不考虑环境介质的影响，则可认为材料的常温静载力学性能与载荷持续时间关系不大。但在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。在高温短时载荷作用下，材料的塑性增加。但在高温长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。,温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径，随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。这是因为温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。,约比温度：T/Tm（T为试验温度，Tm为金属熔点，均为绝对温度）。当T/Tm 0.5时定义为高温。T/Tm 0.5时定义为低温。对于不同金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，因而力学性能变化规律也是相同的。,金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图,不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不相同的，同一种材料的蠕变曲线也随应力的大小和温度的高低而异。,8.2.持久强度,定义：高温长期载荷下材料抵抗断裂的能力。测定方法：在一定温度和规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力值。指标：,与常温下的情况一样，金属材料在高温下的变形抗力与断裂抗力也是两种不同的性能指标。因此，对于高温材料除测定蠕变极限外还必须测定其在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的增长而降低。,金属材料的持久强度，是在给定温度（T）下，恰好使材料经过规定时间（t）发生断裂的应力值，以（MPa）来表示。这里所指的规定时间是以机组的设计寿命为依据的。例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命为数万小时以至数十万小时。而航空喷气发动机则为一千或几百小时。某材料在700承受30MPa的应力作用，经过1000h后断裂，则称这种材料在700、1000h的持久强度为30MPa，写成=30MPa。,金属材料的持久强度是通过做持久试验测定的。持久试验与蠕变试验相似，但较为简单，一般不需要在试验过程中测定试样的伸长量，只需测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间。对于设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久强度可以直接用同样时间的试验来确定。但是对于设计寿命为数万至数十万小时的部件，要进行这么长时间的试验是比较困难的。因此，和蠕变试验相似，一般做出一些应力较大、断裂时间较短（数百至数千小时）的试验数据，画在lgtlg坐标图上，连成直线，用外推法求出数万以至数十万小时的持久强度。,通过持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下的持久塑性。许多钢种在短时试样时其塑性可能很高，但经过高温长时加载后塑性有显著降低的趋势，有的持久塑性仅为1%左右，呈现出蠕变脆化现象。,9.断裂力学简介,9.1.金属的断裂 韧性断裂：断裂前有明显的宏观塑性变形，容易被检测到和发现，危险性小。脆性断裂：断裂前没有明显的宏观塑性变形，断裂突然发生，很危险。低应力脆性断裂：工作应力小于屈服应力的断裂，它往往是由于部件中存在宏观裂纹引起的。,9.2.传统强度理论,认为合格的金属材料内部是均匀的、连续的、无缺陷的。在强度设计时，只要最大工作应力小于材料的许用应力，就认为不会发生塑性变形而失效，更不会发生断裂。但实际情况是，高强度和超高强度材料制造的部件经常发生低应力脆断。,9.3.断裂力学理论,认为金属材料在冶炼、加工、使用过程中不可避免地会产生宏观缺陷，正是这些宏观裂纹（缺陷）在外力作用下失稳扩展，导致低应力脆性断裂的发生。断裂力学理论研究宏观裂纹尖端处的应力、应变情况，裂纹失稳扩展条件与扩展规律，并提出低应力脆性断裂的依据，为部件的带伤安全运行提出可靠依据。,9.4.断裂韧度,用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，即抵抗脆性断裂的指标弹性材料指标：K1c 塑性材料指标：c,9.5 断裂力学计算方法,1.裂纹尺寸：a12.裂纹尖端应力：3.断裂韧性：K1c4.应力强度因子：K15.当应力强度因子K达到临界值K1c时,裂纹失稳扩展导致断裂：K1 K1c,9.6 应力强度因子,是表征材料断裂的重要参量，是外力作用下弹性物体裂纹尖端附近应力场强度的一个参量。反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹大小、构件几何尺寸以及外应力有关。以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则应力强度因子准则，成功地解释了低应力脆断事故.应力在裂纹尖端有奇异性，而应力强度因子在裂纹尖端为有限值。裂纹分类：张开型；滑移型；剪切型。将线弹性断裂力学用于工程实际时，要计算应力强度因子。方法有：解析法：应力函数法、积分变换法等数值法：有限单元法、边界元法、边界配置法等。查手册：应力强度因子手册,三.与力学性能有关的金属监督概念,1.钢材的脆化2.高温管道的蠕胀测量3.管道支吊架检查与调整4.焊接残余应力测量5.锅炉部件的薄弱环节6.材料代用原则,1.钢材的脆化,冷脆性：温度降低时，韧性下降。脆性转变温度：FATT断口形貌法 NDT落锤试验法热脆性：长期在400 500 运行的材料，冷却至室温时，冲击韧性值会明显 下降。氢脆：钢材中的氢会使材料的力学性能脆化。苛性脆化：介质内含有很高的苛性钠（NaOH），使 钢材腐蚀加剧而引起的脆化现象。,2.高温管道的蠕胀测量,执行标准：DL/T 441-2004温度450的主蒸汽管道 再热热段蒸汽管道 导汽管 在安装投产前必须安装蠕胀测点，并进行原始数据测量。在温度较高部位设置监视段，监视段上应有3组蠕胀测点。每个直管段上应有一组蠕胀测点，每根管系上不少于10组蠕胀测点。集汽联箱上导汽管不少于2组蠕胀测点。运行10万小时以上的管道设监察弯管。原则上在常温下测量，最高温度不能大于50。,判废标准：1.蠕变恒速阶段的蠕变速度110-5%/h可以使用。2.总的相对蠕变应变达1%时进行试验鉴定。3.总的相对蠕变应变达2%时更换管子。,3.管道支吊架的检查与调整,DLT 6162006 火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则 新机组首次启动前和启动后，蒸汽参数达到额定值8h，以及停机后管道壁温降至接近环境温度时，应各记录一次各个支吊架的三向位移值。汽水管道首次试投运时，在蒸汽温度达到额定值8h后，应对所有支吊架目测进行，对弹性支吊架荷载标尺或转体位置、减振器及阻尼器行程、刚性支吊架及限位支吊架状态进行记录。发现异常应分析原因，并进行调整或处理。,机组大修停机后，待管道壁温降至接近环境温度时，以及重新启动待蒸汽参数达到额定值8h后，应各记录一次各个支吊架的三向位移值。大范围拆除保温之前，应将弹簧支吊架、恒力支吊架暂时锁定，保温恢复后应解除锁定。对蒸汽管道做水压试验时，应将弹簧支吊架和恒力支吊架进行锁定。如无法锁定或锁定后其承载能力不足时，应对部分支吊架进行临时加固或增设临时支吊架，加固或增设的支吊架要经计算核准。,主蒸汽管道、高低温再热蒸汽管道、高压给水管道等重要管道运行3万小时到4万小时及以后每次大修时，应对管道和所有支吊架的管部、根部、连接件、弹簧组件、减振器与阻尼器进行一次全面检查，做好记录。其他管道，根据日常目测和抽样检测的结果，确定是否对支吊架进行全面检查。当管道已经运行了8万小时后，即使未发现明显问题，也应计划安排一次支吊架的全面检查。,4.焊接残余应力测量,物理测量方法：（无损方法）X射线法残余应力测量：利用晶体的X射线衍射现象求得残余应力的量值。磁性法残余应力测量：利用材料在应力作用下的磁性变化求得残余应力的量值。超声波法残余应力测量：超声效应求得残余应力的量值。,机械测量法：（有损法）盲孔法残余应力测量环芯法残余应力测量它是把被测点的应力释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。,3.锅炉部件的薄弱环节,1.焊缝：对接焊缝、角焊缝、结构件焊缝、原补 焊区。2.弯头：外壁是背弧，内壁是两个侧弧中性线靠 外一点。3.开孔处：孔边、孔桥、角焊缝。4.铸件：沙包底部、原补焊区、变截面处。5.给水管道：冲刷减薄，重点是弯头。6.管道支吊架附近：焊口和弯头。,4.材料代用原则,选择代用材料时，要有充分的技术依据，原则上应该选用化学成分、性能相近或略优者。应进行强度校核计算，应保证在使用条件下，各项性能指标均不低于设计要求。制造、安装中使用代用材料，应取得设计单位和使用单位的许可，由设计单位出具修改通知单。检修中使用代用材料，应征得金属技术监督专责工程师的同意，并经总工程师批准。为防止错用金属材料，代用前和组装后，应对代用材料进行光谱或其他方法复查，确认所用材料无误后，方可投入运行。材料代用后要做好技术记录并存档。,四.与力学有关的失效实例,1.线膨胀系数不一致造成的受热面管失效管子变形导致焊口撕裂管子伸长不一致导致氧化皮剥落,2.疲劳导致的开裂,热疲劳腐蚀疲劳结构应力疲劳焊接应力疲劳,3.与应力有关的开裂弯管应力最大处管道表面原始缺陷,4.与焊接应力有关的开裂焊缝开裂熔合线开裂热影响区开裂母材开裂,