ASME标准材料及应力培训教材

1、ASME标准中材料一、力与平衡AFKL力的概念力的概念 1定义定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以改变物体的运动状态或使物体发生形变。2. 力的效应：力的效应： 运动效应(外效应) 变形效应(内效应)。3. 力的三要素：力的三要素：大小，方向，作用点AF力的作用线：力的作用线：沿力矢F的直线KL称为力的作用线。推论：力是矢量推论：力是矢量 印刷体用黑体 字，手写时用 或 表示。FF 印刷体用黑体 字，手写时用 或 表示。FF 印刷体用黑体 字，手写时用 或 表示。FF静力学基本公理静力学基本公理公理公理1 1 二力平衡公理二力平衡公理作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：

2、这两个力大小相等 | F1 | = | F2 | , ( F1 = F2 )指向相反 F1 = F2作用线共线，只用白体字F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符号。F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符号。 公理公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。作用于同一个物体上。 在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。推论推论1：力的可传性原理。：力的可传性原理。 作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的效应。公理公理2 2 加减平衡力系公理加减平衡力系公理 对同一个刚体来说，力

3、的该性质称为力的可传性力的可传性，因此，对同一个刚体，力是滑动矢量滑动矢量。 刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交于同一点，且三力的作用线共面。（不平行的三个力平衡的必要条件）公理公理3 3 力的平行四边形法则力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力可合成一个合力，此合力也作用于该点，合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。推论推论2：三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 21FFR公理公理4 4 作用力和反作用力定律作用力和反作用力定律等值、反向、共线、异体、且同时存在。证证 为平衡力系， 也为平衡力系。 又 二力平衡必等值、

4、反向、共线， 三力 必汇交，且共面。321 , , FFF321 , , FFF3 , FR例例 公理公理5 5 刚化原理刚化原理体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。 公理公理5 告诉我们：处于告诉我们：处于平衡状态的变形体，可用刚平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论去硏究。体静力学的平衡理论去硏究。变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚 约束反力：约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。（约束的作用由力来表示，该力称为约束反力。）约束与约束反力约束与约束反力概念概念 自由体：自由体：位移不受限制的物体叫自由体。 非自由体：非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。 约束：约

5、束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。 （这里，约束是名词，而不是动词的约束）（这里，约束是名词，而不是动词的约束） 主动力主动力: 促使物体运动或使物体产生运动趋势的力称为主动力（如重力、风力、切削力、物体压力、牵引力等）。 约束反力特点：约束反力特点：GGN1N2大小常常是未知的；方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；作用点在物体与约束相接触的那一点。柔性体约束只能承受拉力只能承受拉力，所以它们的约束反力是作用在接作用在接触点触点，方向沿柔性体轴线沿柔性体轴线，背离被约束物体背离被约束物体。是离点而去的是离点而去的力力。约束类型和确定约束反力方向的方法：约束类型和确定约束反

6、力方向的方法：1.由柔软的绳索、链条或皮带构成的柔性体约束由柔软的绳索、链条或皮带构成的柔性体约束PPTS1S1S2S2 约束反力作用在接触点处作用在接触点处，方向沿公法线沿公法线，指向受力指向受力物体物体是向点而来的力向点而来的力。2.光滑接触面的约束光滑接触面的约束 ( (光滑指摩擦不计光滑指摩擦不计) )PNNPNANB滑槽与销钉滑槽与销钉3.光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束圆柱铰链圆柱铰链AAAXAYAA固定铰支座固定铰支座活动铰支座（辊轴支座）活动铰支座（辊轴支座）N的实际方向也的实际方向也可以向下可以向下N物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图受力分析受力分析解决力学问题时，

7、首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析受力分析。作用在物体上的力有：一类是:主动力,如重力,风力,气体二类是：被动力，即约束反力。压力等。画物体受力图主要步骤为画物体受力图主要步骤为：选研究对象；取分离体； 画上主动力；画出约束反力。受力图受力图例例1画受力图应注意的问题画受力图应注意的问题接触处必有力，力的方向由约束类型而定。 不要多画力不要多画力对于受力体所受的每一个力，都应能明确地 不要漏画力不要漏画力除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围

8、哪些物体（施力体）相接触，指出它是哪一个施力体施加的。要注意力是物体之间的相互机械作用。因此不要把箭头方向画错。 不要画错力的方向不要画错力的方向 受力图上不能再带约束。受力图上不能再带约束。 即受力图一定要画在分离体上。约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，内力，就成为新研究对象的外力。部或单个物体的受力图上要与之保持一致。 受力图上只画外力，不画内力。受力图上只画外力，不画内力。 同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相同一系统各研究对象

9、的受力图必须整体与局部一致，相 互协调，不能相互矛盾。互协调，不能相互矛盾。 正确判断二力构件。正确判断二力构件。一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局二、应力状态和强度理论应力状态普遍状态下的应力表示普遍状态下的应力表示单元体单元体：单元体构件内的点的代表物，是包围被研究点 的无限小的几何体，常用的是正六面体。 单元体的性质a、平行面上，应力均布； b、平行面上，应力相等。一点的应力状态：一点的应力状态： 过一点有无数的截面，这一点的各个截面上应力情况的集合，称为这点的应力状态（State o

10、f Stress at a Given Point）。xyzs s xs sz s s yt txyxyzs s xs sz s s yt txy剪应力互等定理（剪应力互等定理（Theorem of Conjugate Shearing Stress):): 过一点的两个正交面上,如果有与相交边垂直的剪应力分量,则两个面上的这两个剪应力分量一定等值、方向相对或相离。0 :zM单元体平衡证明0d)dd(d)dd(yxzxzyyxxyttyxxytt主单元体、主面、主应力：主单元体、主面、主应力：主单元体(Principal bidy)： 各侧面上剪应力均为零的单元体。主面(Principal P

11、lane)： 剪应力为零的截面。主应力(Principal Stress ）： 主面上的正应力。主应力排列规定：按代数值大小，321ssss s1 1s s2 2s s3 3xyzs sxs sys sz单向应力状态（Unidirectional State of Stress）： 一个主应力不为零的应力状态。 二向应力状态（Plane State of Stress）： 一个主应力为零的应力状态。三向应力状态（ ThreeDimensional State of Stress）： 三个主应力都不为零的应力状态。As sxs sxt tzxs sxs sxBt txz平面应力状态分析平面应力状

12、态分析解析法解析法等价等价s sxt txys syxyzxys sxt txys syO规定：s 截面外法线同向为正； t 绕研究对象顺时针转为正； 逆时针为正。图1设：斜截面面积为S，由分离体平衡得： Fn00cossinsinsincoscos22tstssSSSSSyxyxyx任意斜截面上的应力任意斜截面上的应力xys sxt txys syOs syt txys sxs s t t xyOtn图2图1xys sxt txys syOs syt txys sxs s t t xyOtn图2tsssss2sin2cos22xyyxyxtsst2cos2sin2xyyx考虑剪应力互等和三角

13、变换，得：同理：02cos22sin:000tsssxyyxdd令极值应力极值应力yxxysst22tg0和两各极值：）、（由此的两个驻点：20101！极值正应力就是主应力 00t）2222xyyxyxm inm axt ts ss ss ss ss ss s （ xys sxt txys syOxys sxt txys syO主主单元体单元体s1在剪应力相对的项限内，且偏向于sx 及sy大的一侧。0dd:1t令xyyxtss22tg1222x yyxminmaxt ts ss st tt t ）（01045 , 4成即极值剪应力面与主面min2max1 ;ssss 2s1s平面应力状态分析平

14、面应力状态分析图解法图解法tssttsssss2cos2sin22sin2cos22xyyxxyyxyx222222xyyxyxtsstsss对上述方程消去参数（2），得：1 1、应力圆（、应力圆（ Stress Circle）xys sxt txys syOs syt txys sxs s t t xyOtn此方程曲线为圆应力圆（或莫尔圆，由德国工程师：Otto Mohr引入）建立应力坐标系，如下图所示，（注意选好比例尺）2 2、应力圆的画法、应力圆的画法在坐标系内画出点A(s x，txy)和B(sy，tyx) AB与s 轴的交点C便是圆心。以C为圆心，以AC为半径画圆应力圆；s sxt t

15、xys syxyOns s t t Os s t t CA(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2 nD( s s , t t s sxt txys syxyOns s t t Os s t t CA(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2 nD( s s , t t 3 3、单元体与应力圆的对应关系、单元体与应力圆的对应关系面上的应力(s ，t ) 应力圆上一点(s ，t )面的法线 应力圆的半径两面夹角 两半径夹角2 ；且转向一致。223122xyyxyxROCtssssss）（半径4 4、在应力圆上标出极值应力、在应力圆上标出极值应力22minmaxm

16、inmax22xyyxRtsssstt）（半径OCs s t t A(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2 1 1mintmaxt2 0 0s s1s s2s s3三向应力状态研究三向应力状态研究应力圆法应力圆法s s2s s1xyzs s31s2s3sst1 1、空间应力状态、空间应力状态2 2、三向应力分析、三向应力分析弹性理论证明，图a单元体内任意一点任意截面上的应力都对应着图b的应力圆上或阴影区内的一点。图图a图图b整个单元体内的最大剪应力为：t tmax231maxssts s2s s1xyzs s31s2s3sst复杂应力状态下的应力复杂应力状态下的应力 - -

17、 应变关系应变关系 （广义虎克定律广义虎克定律）1 1、单拉下的应力、单拉下的应力-应变关系应变关系ExxsxyEsxzEs2 2、纯剪的应力、纯剪的应力-应变关系应变关系Gxyxyt) 0 x,y,z(i,jij)( 0 x,y,zii0zxyzxyzs sxxyzt t x y3 3、复杂状态下的应力、复杂状态下的应力 - - 应变关系应变关系依叠加原理,得:zyxzyxxEEEEssssss1 xzyyEsss1yxzzEsss1GxyxytGyzyztGzxzxtzyxxEsss1 xyzs szs syt txys sx主应力主应力 - - 主应变关系主应变关系4 4、平面状态下的应

18、力、平面状态下的应力-应变关系应变关系: :0zxyzztts方向一致02tg2sstyxxyyxxy02tg13221sssE12331sssE32111sssExyxyGtyxxEs21xyyEs21s s1s s3s s2强度理论4个涉及破坏的强度理论（一）最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸时的强度极限时 ，构件就断了。1、破坏判据：0)( ; 11 s ss ss sb2、强度准则： 0)( ; 11 s ss ss s3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。 （二）最大伸长线应变（第二强度）理论：最大伸长线应变（第二强度）理论：

19、认为构件的断裂是由最大拉应变引起的。当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的 极限应变时，构件就断了。1、破坏判据：0)( ; 11 b2、强度准则：3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。 EEbs ss ss s s s 32111 bs ss ss s s s 321 s ss ss s s s 321（三）最大剪应力（第三强度）理论：认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破坏了。1、破坏判据：st tt t max3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。 sst ts ss ss st t 2231maxss ss ss s 312、强度

20、准则： s ss ss s 31（四）形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由形状改变比能引起的。当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服时形状改变比能时，构件就破坏了。1、破坏判据：xsxuu max2、强度准则3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。 21323222161s ss ss ss ss ss s Eux ss ss ss ss ss ss ss s 21323222121 s ss ss ss ss ss ss s 21323222121强度理论的选用原则：依破坏形式而定。强度理论的选用原则：依破坏形式而定。1、脆性材料：一般使用第一或第二强度理论；4、简单变形时：一律用

21、与其对应的强度准则。如扭转，都用：2、塑性材料：一般使用第三或第四理论。 t tt t max5、破坏形式还与温度、变形速度等有关！3、特殊：三向受拉三向受拉应力状态，用第一强度理论； 三向受压三向受压应力状态，用第三或第四强度理论；三、材料的力学性能和试验材料的力学性能（机械性能）ASME SA370-2001 钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义 （与ASTM标准A370-96完全等同） 1. 材料的强度 取样方向各种类型锻件的取样部位抗拉强度拉伸试验ASTM E8 （）屈服点：当试件拉力在（）屈服点：当试件拉力在 范围内时，如卸去拉力，试件能恢范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力

22、与应变的比值为常数，复原状，应力与应变的比值为常数，因此，该阶段被称为弹性阶段。当因此，该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，称屈服下限阶段时，称屈服下限下下所对应所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做的应力为屈服强度或屈服点，记做s s。设计时一般以。设计时一般以s s作为强度取值作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以规定以0.20.2残余变形时的应力残余变形时的应力0.20.2作为屈服强度。作为屈服强度。 （）抗拉强度：从图（）抗拉强度：从图2 2中曲线逐中曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以

23、后，步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度，用拉强度，用b b表示。表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比强比s sb b有一定意义。屈强比愈小，反有一定意义。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。小，则反映钢材不能有效地被利用。 (3) (3) 伸长率：图伸长率：

24、图2 2中当曲线到达中当曲线到达点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生迅速增加，产生“颈缩现象颈缩现象”而断裂。而断裂。量出拉断后标距部分的长度量出拉断后标距部分的长度L Ll l，标距的，标距的伸长值与原始标伸长值与原始标距距L L0 0的百分率称为伸长的百分率称为伸长率。即：率。即： （L1-LOL1-LO） =100%100% L0 L0持久强度和蠕变强度拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验机机液压式万能电子材料试验机* 拉伸试样：长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0ASME：L0=4d0 d0L0力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO

25、屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形塑性变形塑性变形: :外力外力去除后不能消失去除后不能消失的变形的变形弹性弹性( elasticity ):金属材料受外力作金属材料受外力作 用时产生变形用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能到原来形状及尺寸的性能。弹性变形弹性变形( elastic deformation ): 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。 弹性极限弹性极限( elastic limit ): Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)拉伸

26、试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形强度强度(strength): 材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。(1)种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。 (2)屈服强度屈服强度( yield strength): 屈服点屈服点 S Fs s = ( M pa ) S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N )试样试样原始横截面积原始横截面积( mm2)规定残余伸长应力： sr0

27、.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o(3)抗拉强度抗拉强度( tensile strength ): 试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 力 学 性 能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：主要指标：塑性塑性塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in are

28、a): 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L 1与与原始标距原始标距L 0之比。之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料属塑性材料长试样：10 简写为简写为短试样：5 同一种材料的5 10硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定义定义： 是指材料抵抗其它更硬物体是指材料抵抗其它更硬物体压入其表

29、面的能力。压入其表面的能力。 ASME SA370-2001给出各种给出各种不同试验结果的对照表以及相应不同试验结果的对照表以及相应的大致抗拉强度。的大致抗拉强度。2.2.硬度试验方法：硬度试验方法：（1 1）压入法）压入法（2 2）划痕法）划痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HBHB：ASTM E10 ASTM E10 洛氏硬度洛氏硬度HRHR：ASTM E18 ASTM E18 维氏硬度维氏硬度HVHV：ASTM EASTM E压入法压入法( (一一) )布氏硬度布氏硬度HB(BrinellHB(Brinell-hardness)-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 观看布

30、氏硬度观看布氏硬度1.1.压头：压头：淬火钢球淬火钢球 HBSHBS硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW2.2.试验原理：试验原理： 用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用选用淬火钢球淬火钢球压头压头例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 选用选用硬质合金球压头压头例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 60

31、0HBW3.3.标注：标注： 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。载荷及载荷保持时间。如如: :120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢的钢球在球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。4. 特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。(

32、 (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1.1.压头：压头：120120金刚石圆锥体钢球金刚石圆锥体钢球钢球钢球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.试验原理：试验原理： 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3

33、140kg h3最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070HRCHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特点：特点：优点优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。应用：( (三三) )维氏硬度维氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardnes

34、s ) ( diamond penetrator hardness )维1.1.压头：压头： 锥面夹角为锥面夹角为136136的金刚石的金刚石正四棱锥体正四棱锥体2.2.试验原理：试验原理： 与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。 以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。2.2.试验原理：试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。H V=F/Saad3.3.标注：标注： 与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。 例：580HV30表示用30kgf (

35、294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。4.4.特点：特点：优点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。韧性(toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。的能力。冲击试验ASTM E231.1.定义：定义：冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图2.2.金属的夏比冲击试验金属的夏比冲击试验: :试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗

36、的冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J)g g 冲击韧度冲击韧度a ak k 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。 AK a k = (J/cm) S03.3.韧脆转变温度韧脆转变温度: :-40-20020204060akT(c)TT，a ak k急剧急剧韧性韧性脆性脆性脆性转变温度 FATT50 金属材料的韧脆转变温度金属材料的韧脆转变温度，材，材料的低温冲击韧性愈好。料的低温冲击韧性愈好。冲击试验中的侧向膨胀量“侧向膨胀值按照ASTM A370的技术要求”。测微仪的读数也应得到认可，并应该预先注意以下事项：

37、eL=（ee1）mm 其中eL=侧向膨胀值；试样两个平分段的A和B面，必须处于精确的同一平面（P）中。侧向膨胀值应取3次不同测量结果的平均值。 Pellini 落锤试验（TNDT温度的确定）试样制备及试验条件应符合ASTM E208标准规定的要求。在进行每组试验前应确保重锤是从正确的高度（在+10%到0%的误差范围内）自由坠落的。所用重锤的重量也是已知的。采用P3型试样，其尺寸如图MC1230.1所示。如果技术规范中规定的RTNDT0，则按表MC1230.1所列温度进行试验；如果技术规范中规定的RTNDT16，则按表MC1230.2所列温度进行试验。图图437 落锤试验装置落锤试验装置1底座；

38、2限位块，3缺口；4落锤；6脆性焊道，6试样ASTM E208 规定的一些技术条件 1.试样形状（其中一种见下页） 2.打击能量（按照材料屈服强度决定） 3.弯曲限度（由试样形状确定） 4.判断标准（一边或双边裂纹到边）落锤试验试样基准无延性转变温度的确定RTNDT的温度应通过Pellini落锤试验和KV冲击试验两者确定。试验温度应根据TNDT温度确定。试验应按下列方法进行（关于KV试样）：a） 以3个试样为1组，其中每一个试样在给定的温度下同时满足下列要求， 则认为试验有效：断裂吸收能量68J；侧向膨胀值0.9mm。b） 第一组试样冲击的温度为： TCV1=TNDT+33如果满足上述a）的条

39、件，则： RTNDT=TNDT如果结果不能满足上述a）的条件，则第二组试验按照下列c）的规定进行试验。c） 如果进行第二组试验，第二组试样的试验温度规定如下： TCV2= TCV1+5如果满足上述a）的条件，则： RTNDT=TCV33d） 如果c）条规定温度下的试验，结果不能满足上述a）的条件，则另外一些试验应在5的间隔温度下进行试验。直到求得满足上述a）的条件的温度TCV。则认为： RTNDT=TCV33断裂韧度1 1、低应力脆断、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。式中：Y_裂纹的几何形状因子; _外加应力（N/mm2）； a_裂纹的半

40、长（mm）； K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。K K1 1= =YaYa2 2、应力场强度因子、应力场强度因子当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳失稳扩展扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。3 3、断裂韧度、断裂韧度K K1C1C材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。 反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。 K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加

41、工工艺等有关。 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2） 根据K1=Ya K1C的临界判据知： 为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C 、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题： 1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧

42、度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。 1、疲劳现象 零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（ ）2、疲劳极限-1: 表示金属材料在无数次交变载荷作表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。用而不破坏的最大应力。迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖 疲劳试验的应力分析疲劳曲线钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 107有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N = 1083、提高疲劳极限途径、提高疲劳极限途径改善零件的

43、结构形状改善零件的结构形状降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面强化采取表面强化1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂四、ASME具体材料 ASME材料所用的标准核电建设所用的ASME标准内容 (1) Section III, Nuclear Power Plant components, Division 1Subsection NB Class 1 Components (2) Section II, Material Specifications Part A - Ferrous Materials Part B - Nonferrous Materials Part C

44、- Welding Rods, Electrodes and Filler Metals Part D - Properties (3) Section V, Nondestructive Examination (4) Section IX, Welding and Brazing Qualifications (5) Section XI, Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components, Division 1承压设备材料 Pressure retaining material and material w

45、elded thereto, except as permitted in NB-4435, and except for welding 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 which apply to th

46、e 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 temporary attachments, if required, may be noncertified material. Non-pressure retaining material, su

47、ch as cooling shroud support, alignment pin, stud bolt elongation measuring rods and tools, if any, may be of ASME or other Standards . The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification. a.NB-2210Heat treatment requirements b.NB-2

48、220Procedure for obtaining test coupons 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. NB-2310Material to be impact tested b. NB

49、-2320Impact test procedures c.NB-2330Test requirements and acceptance standards d. NB-2340Number of impact tests required e. NB-2350Retests f.NB-2360Calibration of instruments and equipment Acceptable Material Designation Pressure Retaining Material A p p lic a b le P o r t io n A p p lic a b le s p

50、 e c if ic a t io n R e m a r k U p p e r D o m e ( * 1 ) L o w e r D o m e S A - 5 3 3 M T Y P E B C L . 1 o r S A - 5 0 8 M G R . 3 C L . 1 H e a d F la n g e ( * 1 ) V e s s e l F la n g e ( * 2 ) N o z z le S h e ll ( * 2 ) C o r e S h e ll T r a n s it io n R in g I n le t N o z z le O u t le t

51、 N o z z le S a f e t y I n j e c t io n N o z z l e S A - 5 0 8 M G R . 3 C L . 1 H e a d L if t in g L u g V e s s e l S u p p o r t S A - 5 3 3 M T Y P E B C L . 1 o r S A - 5 0 8 M G R . 3 C L . 1 S e a l L e d g e S A - 5 0 8 M G r . 1 A I n le t N o z z le S a f e E n d O u t le t N o z z le S

52、 a f e E n d S a f e t y I n j e c t io n N o z z l e S a f e E n d S A - 1 8 2 M F 3 1 6 L N C R D M A d a p t e r F la n g e N e u t r o n I n s t r u m e n t a t io n P ip e S a f e E n d S A - 1 8 2 M F 3 0 4 L N L e a k D e t e c t io n T u b e S A - 1 8 2 M F 3 0 4 L V e n t P ip e S B - 1 6 7

53、 ( N 0 6 6 9 0 ) a n d S A 3 1 2 M T P 3 0 4 L S B 1 6 7 w it h t h e r m a l t r e a t m e n t C R D M A d a p t e r S B - 1 6 7 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t N e u t r o n I n s t r u m e n t a t io n P ip e S B - 1 6 6 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t

54、R a d ia l S u p p o r t P a d S B - 5 6 4 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t S t u d B o lt s , N u t s , Wa s h e r s S A - 5 4 0 M B 2 4 V C L . 3 N u t s , Wa s h e r s S A - 5 4 0 M B 2 4 C L . 3 Non-pressure Retaining Material Applicable Portion Applicable Code Cooling shrou

55、d support SA-516 Gr.485 or equivalent JIS Material Guide studs Carbon steel chromium plated Stud bolt elongation measuring rods Carbon steel Closure gaskets Ni-Cr-Fe alloy with silver plate Stud hole plug and handling device Type 304 or 316 stainless steel Others Compatible material. ASME第卷材料 A篇铁基材料

56、标准 ASME材料种类太多，这里仅仅结合压水堆反应堆主要设备常用材料进行分析和比较。 1. SA-508标准“压力容器用经真空处理的淬火加回火碳钢和合金钢锻件” 使用上述标准材料的有反应堆压力容器、蒸汽发生器等，选用其中3级1类钢种。材料属于锰镍钼合金钢。2.材料的化学成分 元素 3级 C 0.25 Mn 1.201.50 P 0.025 S 0.025 Si 0.150.40 Ni 0.401.00 Cr 0.25 Mo 0.450.60 V 0.05 ASME标准属于通用商业标准，在该标准中列举了很多材料，运用于各个领域。因此是一个比较一般的标准要求。使用于核电材料显然是不能满足使用上的安

57、全要求，以下进行分析和比较。比较的对象一是RCC-M标准，另一是三菱重工公司实际控制的标准。RCC-M M2111 承受强辐照的反应堆压力容器筒节用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件三菱建议书中所列实际控制范围Table 4.1.3.1 Chemical Composition Requirements for SA-508M Gr.3 CL.1Specified value (wt.%)ElementsHeat Product(1)C 0.16 - 0.20 0.16 - 0.22Si 0.10 - 0.30 0.10 - 0.30Mn 1.20 - 1.55 1.20 - 1.60P 0.008

58、 Max. 0.008 Max.S 0.006 Max. 0.006 Max.Ni 0.50 0.80 0.50 0.80Cr 0.15 Max. 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. 0.002 Max.Sn 0.010 Max. 0.010 Max.As 0.01 Max. 0.01 Max.V 0.01 Max. 0.01 Max.Al 0.04 Max. 0.04 Max.B 5 ppm Max.(3ppm Max.)(3) 5 ppm M

59、ax. (3ppm Max.) (3)Co 0.02 Max. 0.02 Max.（1）C的含量 压力容器，稳压器和蒸汽发生器的制造中均需要多段锻件加工后组焊，需要焊接的钢的含碳量不应超过0.23%，这是一般规定，考虑到其合金元素含量较高，还应进一步降低碳的最高含量。RCC-M规范中此类锻件的碳含量均不超过0.20%。 （2）P、S含量 ASME标准属于通用商业标准，0.025%以下已经是比较高的要求了，但是仍然不能满足核电大锻件的质量要求。RCC-M M2111适用于承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.008%以下。RCC-M M2112

60、适用于不承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2113适用于压水堆压力容器过渡段和法兰用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2114适用于压水堆压力容器管嘴用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2115适用于制造压水堆蒸汽发生器管板用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2116适用于制造压水堆蒸汽发生器支撑环用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金钢