压力容器金属材料力学介绍

1、最新【精品】范文 参考文献 专业论文压力容器金属材料力学介绍压力容器金属材料力学介绍摘 要：对压力容器设计的基础金属材料力学进行了简单的介 绍。关键词：材料强度塑性金属材料力学性能概述金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力的 大小。它是判定金属力学性能的依据，是评定金属材料质量的判据， 同时也是设计选材和进行强度计算的主要依据。金属材料的力学性能包括常温下的强度、塑性、韧性，例如屈服点或屈服强度(7 s(c 0.2 )、 抗拉强度7 b、伸长率5、断面收缩率、冲击韧度ak、疲劳极限、 断裂力学性能等。金属力学性能试验是测定金属力学性能指标所进行的试验。包括拉伸试验、弯曲试验、剪切

2、试验、冲击试验、硬度试验、蠕变试验、 应力松弛试验、疲劳试验、断裂韧度试验、磨损试验等。一、金属材料强度指标1. 屈服强度材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继 续伸长的现象，称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为 屈服点、屈服强度或屈服极限，用 7 S表示。我国规定7 S取钢材的 下屈服点值。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等有屈服现象外， 多数工程材料 的屈服点不明显或没有屈服点，此时规定以产生 0.2%残余伸长的应 力作为屈服强度，用7 0.2表示。2. 抗拉强度试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比， 称为强度极限或抗拉强度，用 7 b表示。零件设

3、计选材时，一般应以7 S或7 0.2为主要依据。但7 b的 测定比较方便精确，因此也有直接用7 b作为设计依据的，从安全方 面考虑，用（7 b作为设计依据采用较大的安全系数。 由于脆性材料无 屈服现象，则必须以7b作为设计依据。3. 持久极限持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下达到规定时间 而不断裂的最大应力。常用符号为 7 b带有一个或两个指数来表示。 例如7 700b/1000，表示在试验温度为 700C时，持久时间为1000h 的应力，即所谓高温持久极限。4. 蠕变极限蠕变极限又称蠕变强度，是在规定温度下，引起试样在一定时间 内蠕变总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。

4、蠕变极限 一般有两种表示方法：一种是在给定温度T下，使试样承受规定蠕变 速度的应力值，以符号7T表示，其中为蠕变速度，/h。例如， 7 6001X10-5即表示在试验温度为 600 C时，蠕变速度为1X10-5%/h 的蠕变极限；另一种是在给定温度（T,C）下和规定试验时间（t , h）内，使试样产生一定蠕变变形量（3, %的应力值，以符号7 TS /t 表示。二、金属材料塑性指标1. 延伸率S 5金属材料在拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分的总伸长L与原标距长度L0之比的百分比，称为伸长率，也称延伸率，用S表示。按试样长度的不同，有长试样与短试样之分。其对应的断后伸长 率分别以3 10和S

5、5表示。在容器用钢中，通常以 S 5来表示材料 的伸长率。2. 断面收缩率金属试样在拉断后，其颈缩处横截面面积的最大缩减量与原横截 面面积的百分比，称为断面收缩率，用 表示。塑性材料的断面收 缩率较大，脆性材料的断面收缩率较小。3. 冷弯性能金属材料在常温下承受弯曲而不破裂的能力，称为冷弯性能。冷弯试验用以考核材料弯曲变形的能力并且能使存在的缺陷显示出来， 在一定程度上模拟了压力容器制造时卷板机的工艺情况。冷弯性能是 容器用钢材与焊接接头力学性能考核的重要指标。出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。弯 曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径 d对材料厚度a的比值来表示。三、属材料韧性指

6、标1.冲击韧度金属材料在使用过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。材料的韧性与加载速率、应力状态及温度等有很大关系。 试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功称为冲击吸收功。冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为冲击韧度。冲击韧度是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗力的机械性能指标，用 ak表示，单位为J/cm2。我国压力容器材料及焊接接头冲击试样规定采用夏比V型缺口，冲击试验有许多种，例如常温冲击试验、低温冲击试验、高温冲击试 验、应变时效冲击试验等。采用标准试样进行试验得到的冲击吸收功 来检验材料化学成分、金相组织、和加工工艺对其韧性的影响，冲击 值为 Akv（

7、J）。ak是早先工程技术上习惯用来作为材料韧脆程度度量及材料承 受冲击载荷的抗力指标，后来发现这是不适宜的。因为ak是单位面积的冲击吸收功，与试样形状、截面尺寸、缺口形状和尺寸无关。而 实际上由试样截面尺寸和缺口形状及其尺寸的改变所引起的冲击吸 收功ak的变化，与缺口处净截面积并不成线性关系。所以截面尺寸 不同，所得ak也不同。另一方面，试样断裂时伴随着试样部分体积 的严重塑性变形，也就是说，冲击吸收功消耗于产生两个新的自由表 面和一部分体积的塑性变形上，因此，定义 ak为单位面积的冲击吸 收功，并没有反映出冲击吸收功的实质。目前，国际上通用以冲击功吸收 Ak为冲断试样消耗的总功，只 要试样符

8、合标准，就不会出错，应用也方便。但是进一步研究发现， 用Ak表示也存在问题，因为Ak值也不能完全代表试样断裂前所吸收 的总功。冲断试样消耗的总功可分为两部分，其一消耗于试样的变形 和断裂；其二消耗于试样掷出及机座本身振动。因此，所吸收的总功 Ak为：Ak=M样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动+。由于一 般情况下，后几项功很小，因此 Ak作为试样断裂所吸收的能量误差 很小，有足够精度。但对很脆的材料必须注意，不能用大能量摆锤进 行试验，因为此时第一项较小，而后几项相对较大，因此会引起较大 测量误差。2.断裂韧度断裂韧度是反映材料抵抗裂纹临界扩展的一种能力，它是材料固有的力学性能参数。大量的试

9、验表明，它一方面 取决于材料的成分、组织和结构等内在因素，另一方面又受到加载速 率、温度和试样厚度（即应力状态）等外在条件的影响。相对材料的其他力学性能来说，材料的断裂韧度是一个比较敏感 的力学性能指标，它对于材料研究、应用、制造工艺的选择以及零部 件的失效分析有重要的意义。评价材料断裂韧度最常用的指标是临界应力强度因子K1c和裂纹张开位移COD1临界应力强度因子Klco按照应力强度因子的一般表达式，应 力强度因子K1与裂纹尺寸的平方根及垂直于裂纹的应力成正比。当 裂纹尺寸或应力增加时，K1随之增加。当K1达到某一临界值K1c时， 裂纹处于临界状态，若K1再增加，裂纹将会失稳扩展。因此，裂纹

10、失稳扩展的临界条件为：K仁K1c式中K1c表示材料对裂纹扩展的抵抗能力，称为I型受力时的临 界应力强度因子，又称为平面应变断裂韧度。 K1c是在裂纹尖端平面 应变条件下的裂纹扩展阻力。在传统的强度计算中，强度指标 （T S和（T b与塑性指标3和 之间是相互分割的，且塑性指标在强度计算中并不定量反映。而 K1c 既反映了材料的强度性能，又反映了材料的塑性性能。断裂韧度K1c的测试方法可按照ASTM E39金属材料平面应变 断裂韧度标准试验方法、GB/T4161金属材料平面应变断裂韧度 K1c试验方法方法和GB/T7732金属板材表面裂纹断裂韧度 K1c试 验方法进行。2.裂纹张开位移COD当裂

11、纹尖端超过小范围屈服而进入大范围 屈服时，以应力场的强弱来描述受力的大小已没有实际意义，因此断裂失稳扩展临界条件K仁K1c也失效了。在弹性断裂力学中，以裂纹 张开位移法即COD法应用最广。研究表明，不同厚度试样在破坏时的 临界张开位移基本相同。因此可用裂纹张开位移作为断裂判断依据参 量。采用裂纹张开位移法即COD法的断裂判据为：5 S c式中：5 外力所产生的裂纹张开位移，mmS c裂纹张开位移 临界值，与线弹性断裂力学中的断裂韧度 K1c相似，它反映材料对裂 纹开裂的抗力，mm四、结语压力容器设计是一门知识量要求涵盖各个学科的复杂工种，任何 知识的缺失都会对设计产品的质量产生影响从而对国家人品生活造 成影响。以上简