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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 1 金属材料在加工和使用过程中的基本特征 Ø都要承受不同形式外力的作用 Ø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 Ø应力的种类：拉应力、压应力、剪切应力、 弯曲应力、交变应力等。 Ø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。 Ø应力集中系数a=σmax/σ σmax-最大局部应力； σ-名义应力 Ø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。 Ø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。 l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。 l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。 1 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。 Ø金属材料拉伸试验 l弹性变形 l滞弹性变形 l屈服前微塑性变形 l屈服变形 l均匀塑性变形 l局部塑性变形 1 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。 Ø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 Ø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。 1 硬度 Ø 定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能 力。 Ø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。 Ø 应用： l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。 l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。 l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。 l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。 l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。 1 材料力学性能的进一步知识 Ø 弯曲试验 判定焊缝和热影响区的塑性 暴露焊接接头内部缺陷，检查焊缝致密性 考核焊接接头不同区域协调变形的能力 Ø 屈强比的概念 材料屈服极限和强度极限的比值称为屈强比， 即ReL / Rm 。这个值越小，表示材料的屈服极限和 强度极限的差距越大，材料的塑性越好，使用中的 安全裕度越大，反之则相反。 使用高屈强比的材料可以节省材料用量，但该 类材料对应力集中较为敏感，抗疲劳性能较差，较 易出现加工硬化现象而使材料变脆。 钢的强度等级越高，其屈强比也越高，特别是 抗拉强度下限值大于540MPa的低合金高强度钢材料的 使用要十分注意。屈强比大于0.7的材料应加以重视； 大于0.8的材料要从严控制，慎重处理。 Ø 断裂韧度 是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗 脆性断裂的指标。 材料的断裂韧度K1c值可通过试验测定。断裂 韧度