船舶材料与焊接

1、2022-6-252022-6-25目的与要求：目的与要求： 1 1、一般理解与掌握金属材料的力学性能及试验方法；、一般理解与掌握金属材料的力学性能及试验方法； 2 2、一般理解与掌握金属的晶体结构与结晶；、一般理解与掌握金属的晶体结构与结晶； 3 3、深刻理解与熟练掌握铁碳合金相图及其应用；、深刻理解与熟练掌握铁碳合金相图及其应用； 4 4、深刻理解与熟练掌握钢的热处理基本原理与工艺。、深刻理解与熟练掌握钢的热处理基本原理与工艺。教学重点、难点：教学重点、难点： 1 1、理解与掌握常用金属材料的力学性能指标；、理解与掌握常用金属材料的力学性能指标； 2 2、铁碳合金相图的意义及应用；、铁碳合

2、金相图的意义及应用； 3 3、热处理基本原理与工艺。、热处理基本原理与工艺。2022-6-25工艺性能工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。理工艺性能等。 第一节第一节 金属的力学性能金属的力学性能1 1金属材料的性能金属材料的性能使用性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。主要包括力

3、学性能、物理性能和化学性能。2022-6-25指材料在外力作用下表现出来的性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。强度等。2 2金属材料力学性能金属材料力学性能2022-6-251 1拉伸试样拉伸试样GB6397-86GB6397-86规定规定金属拉伸试样金属拉伸试样有有: :圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样；常用标准圆截面试样；长试样：长试样：L L0 0=10d=10d0 0，短试样：，短试样：L L0 0=5d=5d0 0。2 2拉伸过程拉伸过程在拉伸试验机上进行在拉伸试

4、验机上进行3 3金属材料的拉伸曲线金属材料的拉伸曲线一、强度和塑性一、强度和塑性（一）拉伸实验与拉伸曲线（一）拉伸实验与拉伸曲线2022-6-25opop段：段：比例弹性变形比例弹性变形阶段。阶段。pepe段：段：非比例弹性非比例弹性变变形阶段。形阶段。平台或锯齿（平台或锯齿（s s段）：段）：屈服阶段屈服阶段，明显的塑，明显的塑性变形屈服现象，作性变形屈服现象，作用的力基本不变，试用的力基本不变，试样连续伸长。样连续伸长。低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线2022-6-25sbsb段：段：均匀塑性变形均匀塑性变形阶阶段，是强化阶段。段，是强化阶段。b b点：形成了点：形成了“缩颈缩颈”，即试样

5、局部截面明显缩即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试拉伸力达到最大值，试样即将断裂。样即将断裂。bkbk段：段：非均匀变形非均匀变形阶段，阶段，承载下降，到承载下降，到k k点点断裂断裂。2022-6-25(1)(1)屈服点与屈服强度：屈服点与屈服强度：屈服点屈服点：产生产生明显塑性变形的最低应力值明显塑性变形的最低应力值. . s s = F = Fs s/S/S0 0 （二）常用强度性能指标（二）常用强度性能指标强度强度：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程上常用的强度指标有坏的能力。工程上常用的强度指标

6、有0.20.2（s s），），b b 表示，单位为表示，单位为MPaMPa。符号：符号：s s材料产生屈服现象时的最小材料产生屈服现象时的最小应力应力 F Fs s试样屈服时所承受的拉伸力试样屈服时所承受的拉伸力（N N） S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm）2022-6-25 屈服点屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指是具有屈服现象的材料特有的强度指标，大多数合金都没有屈服现象，屈服强度以标，大多数合金都没有屈服现象，屈服强度以0.20.2( ( 塑性变形量为塑性变形量为0.2%0.2%，微量塑性变形，微量塑性变形) ) 表表示。示。0.20.2= F= F0.20.

7、2/ S/ S0 0 0.20.2试样产生残余塑性变形试样产生残余塑性变形0.2%0.2%时的应时的应力；力； S S0 0试样原始横截面试样原始横截面( mm( mm2 2) )。2022-6-25屈服强度屈服强度0.20.2（s s）是金属工程结）是金属工程结构设计和选材的主要依据。也是评定金构设计和选材的主要依据。也是评定金属强度的重要指标之一。属强度的重要指标之一。2022-6-25 金属材料在载荷作用下，断裂前所能承受金属材料在载荷作用下，断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度（曾称强度极限），的最大应力称为抗拉强度（曾称强度极限），以以b b表示，单位为表示，单位为MPaMPa。 b

8、 b = F = Fb b / S/ S0 0 式中：式中：F Fb b试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)(N) S S0 0试样原始横截面试样原始横截面( mm( mm2 2) )。(2)(2)抗拉强度抗拉强度2022-6-25 当材料的内应力当材料的内应力bb时，材料将时，材料将产生断裂。产生断裂。 bb常用作脆性材料的选材和设计的依常用作脆性材料的选材和设计的依据。也是评定金属强度的重要指标之一。据。也是评定金属强度的重要指标之一。2022-6-25 金属材料在载荷作用下，断裂前发生金属材料在载荷作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力就是塑性。常用的不可逆永久变形的能力就是塑

9、性。常用的塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。（三）塑性性能指标（三）塑性性能指标2022-6-25试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以分比称为断后伸长率，以表示。表示。L L1 1 - L - L0 0 = = 100%100% L L0 0式中：式中：L L1 1试样拉断后的标距（试样拉断后的标距（mmmm）；）； L LO O试样原始标距（试样原始标距（mmmm）。）。1 1断后伸长断后伸长2022-6-25 S0 - S

10、1 S0 - S 1 = = 100%100% S0 S0式中：式中：S0S0试样原始面积（试样原始面积（mm2mm2）；）； S1S1试样断裂后缩颈处的最小横截面积（试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2mm2）2 2断面收缩率断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面缩率，以量与原始横截面积的百分比称为断面缩率，以表示。其数值按下式计算：表示。其数值按下式计算：2022-6-25 或或数值越大，则材料的塑性越好。数值越大，则材料的塑性越好。 除常温试验之外，还有金属材料高温拉伸试验方法除常温试验之外，还有金属材料高温

11、拉伸试验方法（GB/T433895GB/T433895）和低温拉伸试验方法）和低温拉伸试验方法（GB/T1323991GB/T1323991）供选用。）供选用。2022-6-25 1 1定义定义 指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。二、硬度二、硬度2 2硬度的测试方法硬度的测试方法 （1 1）布氏硬度）布氏硬度 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 （3 3）维氏硬度）维氏硬度2022-6-25 它是它是衡量材料表面软硬程度衡量材料表面软硬程度的指标，因的指标，因此硬度不是一个单纯的确定的物理量，不此硬度不是一个单纯的确定的物理量，不是基本的力学性能指标，而

12、是一个由是基本的力学性能指标，而是一个由材料材料的弹性的弹性、强度强度、塑性塑性、韧性韧性等系列不同力等系列不同力学性能组成的综合性能指标，所以硬度所学性能组成的综合性能指标，所以硬度所表示的量不仅决定于材料本身，而且还取表示的量不仅决定于材料本身，而且还取决于试验方法试验条件。决于试验方法试验条件。2022-6-251 1原理原理用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径

13、，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。（一）布氏硬度（一）布氏硬度HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )布氏硬度试验布氏硬度试验2022-6-25用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。符号符号HBS(HBS(淬火钢球淬火钢球) )或或HBW(HBW(硬质合金球硬质合金球) )之前的数字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表示硬度值，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。直径、载荷及载荷保持时间。例例如：如：120HBS10/1

14、000/30120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000k1000k（9.807kN9.807kN）载）载荷作用下保持荷作用下保持30s30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。2 2布氏硬度值布氏硬度值 2022-6-25 （1 1）测量值较准确，重复性好，可测组织）测量值较准确，重复性好，可测组织不不 均匀材料（铸铁）；均匀材料（铸铁）； （2 2）可测的硬度值不高；）可测的硬度值不高； （3 3）不测试成品与薄件；）不测试成品与薄件； （4 4）测量费时，效率低。）测量费时，效率低。3 3优缺点优缺点4 4测量范围测量范围

15、用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。属及非金属材料等。2022-6-25洛氏硬度试验洛氏硬度试验1 1原理原理用顶角为用顶角为120120金刚石圆锥或淬火钢球，在试金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试验力的作用下压入试 样表面，经规定时间样表面，经规定时间后卸除试验力，用测后卸除试验力，用测 量的残余压痕深度增量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。量来计算硬度的一种压痕硬度试验。 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness )2022-6-254 4测量范

16、围测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料用于测量淬火钢、硬质合金等材料. .3 3优缺点优缺点 （1 1）试验简单、方便、迅速；）试验简单、方便、迅速； （2 2）压痕小，可测成品，薄件；）压痕小，可测成品，薄件； （3 3）数据不够准确，应测三点取平均值；）数据不够准确，应测三点取平均值； （4 4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。）不应测组织不均匀材料，如铸铁。2 2洛氏硬度值洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出，如：出，如：50HRC50HRC。2022-6-25（三）维氏硬度（三）维氏硬度HVHV(diamond penet

17、rator hardness)(diamond penetrator hardness)1.1.原理原理：用夹角为：用夹角为136136的金刚石四棱锥体压头使用的金刚石四棱锥体压头使用很小试验力很小试验力F F（49.03-980.07N49.03-980.07N）压入试样表面，测）压入试样表面，测出压痕对角线长度出压痕对角线长度d d。2.2.维氏硬度值维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：用压痕对角线长度表示。如：640HV640HV。维氏硬度试验维氏硬度试验2022-6-254.4.测量范围测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。HVH

18、BSHVHBS3.3.优缺点优缺点 （1 1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；极硬）； （2 2）可测成品与薄件；）可测成品与薄件； （3 3）试样表面要求高，费工。）试样表面要求高，费工。2022-6-25 机械零部件在工作过程中不仅受到静载机械零部件在工作过程中不仅受到静载荷或交变载荷作用，而且受到不同程度的冲荷或交变载荷作用，而且受到不同程度的冲击载荷作用，如锻锤、冲床、铆钉枪等。在击载荷作用，如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。须考虑所用

19、材料的冲击吸收功或冲击韧性。三、冲击吸收功三、冲击吸收功2022-6-25 目前最常见的冲击试验方法是目前最常见的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试摆锤式一次冲击试验验，其试验原理下图所示。，其试验原理下图所示。冲击实验原理图冲击实验原理图 2022-6-25试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功A Ak k为：为： A Ak k = mgHmgh (J) = mgHmgh (J) 冲击韧性值冲击韧性值a ak k 就是试样缺口处单位截面就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。积上所消耗的冲击功。 K K = = A AK K / S / SN N式中：式中：A AK K 试样冲断时所

20、消耗的冲击功；试样冲断时所消耗的冲击功； S SN N 试样缺口处单位截面积。试样缺口处单位截面积。2022-6-25 实验表明，实验表明，AKAK随温度的降低而减小；在某随温度的降低而减小；在某一温度范围，材料的一温度范围，材料的AKAK值急剧下降，表明材料值急剧下降，表明材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度。 对一般常用钢材来说，所测冲击吸收对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功功AKAK越大，材料的韧性越好。越大，材料的韧性越好。2022-6-25n疲劳破坏疲劳破坏疲劳断裂疲劳断裂n疲劳极限疲劳极限四、疲劳极限四、疲劳极限( fatigue strength )2022-6-25 许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等许多工程结许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等许多工程结构都是交变应力下工作的，它们工作时所承受的应构都是交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力或力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力或交变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累交变应力作用下，在一处或几处产生局部