船舶材料与焊接概要课件

19/26/2023目的与要求：29/26/20231、一般理解与掌握金属材料的力学性能及试验方法；2、一般理解与掌握金属的晶体结构与结晶；3、深刻理解与熟练掌握铁碳合金相图及其应用；4、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：1、理解与掌握常用金属材料的力学性能指标；2、铁碳合金相图的意义及应用；3、热处理基本原理与工艺。第一节 金属的力学性能39/26/20231．金属材料的性能使用性能：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。工艺性能：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。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、冲击韧度和疲劳强度等。410/2/20232．金属材料力学性能一、强度和塑性510/2/2023（一）拉伸实验与拉伸曲线1．拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有:圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样；长试样：L0=10d0，短试样：L0=5d0。2．拉伸过程在拉伸试验机上进行

3．金属材料的拉伸曲线op段：比例弹性变形阶段。pe段：非比例弹性变形阶段。：平台或锯齿（s段）屈服阶段，明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。低碳钢的拉伸曲线610/2/2023段，sb段：均匀塑性变形阶是强化阶段。b点：形成了“缩颈”，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。710/2/2023（二）常用强度性能指标强度：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σ0.2（σs），σb

表示，单位为MPa。符号：σs—材料产生屈服现象时的最小应力810/2/2023(1)屈服点与屈服强Fs—度试：样屈服时所承受的拉伸力（N）屈服点：产生明显塑S0性—试变样形原的始横最截低面应积（力m值m）.σs

=

Fs/S0屈服点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σ0.2( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)表示。σ0.2=

F0.2/

S0σ0.2—试样产生残余塑性变形0.2%时的应力；S0—试样原始横截面(

mm2)。910/2/2023屈服强度σ0.2（σs）是金属工程结构设计和选材的主要依据。也是评定金1010/2/2023属强度的重要指标之一。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），以σb表示，单位为MPa。σb

=

Fb

/

S0式中：Fb—试样断裂前的最大载荷(N)S0—试样原始横截面(mm2)。1110/2/2023(2)抗拉强度当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。σb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。1210/2/2023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

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。1310/2/2023（三）塑性性能指标试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以δ表示。L1

-

L0δ

=

———

×100%L0式中：L1—试样拉断后的标距（mm）；LO—试样原始标距（mm）。1410/2/20231．断后伸长率2．断面收缩率1510/2/2023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

ψ表示。其数值按下式计算：S0

-

S

1ψ

=

—————

×100%S0式中：S0—试样原始面积（mm2）；S1—试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）δ或ψ数值越大，则材料的塑性越好。1610/2/2023除常温试验之外，还有金属材料高温拉伸试验方法（GB/T4338—95）和低温拉伸试验方法（GB/T13239—91）供选用。定义指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。硬度的测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度二、硬度1710/2/2023布氏硬度试验1．原理用一定直径的球体（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，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。1910/2/2023（一）布氏硬度HB

(

Brinell-hardness

)用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)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、载荷及载荷保持时间。例如：120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000k（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。2010/2/20232．布氏硬度值3．优缺点2110/2/2023测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）；可测的硬度值不高；不测试成品与薄件；测量费时，效率低。4．测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。洛氏硬度试验

1．原理用顶角为120º金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试 样表面，经规定时间后卸除试验力，用测 量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2210/2/2023（二）洛氏硬度HR

(

Rockwell

hardness

)洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出，如：50HRC。优缺点试验简单、方便、迅速；压痕小，可测成品，薄件；数据不够准确，应测三点取平均值；不应测组织不均匀材料，如铸铁。测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.2310/2/2023（三）维氏硬度HV2410/2/2023(diamond

penetrator

hardness)维氏硬度试验原理：用夹角为136º的金刚石四棱锥体压头使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。优缺点测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；可测成品与薄件；试样表面要求高，费工。测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。

HV≈HBS2510/2/2023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，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。2610/2/2023三、冲击吸收功目前最常见的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试2710/2/2023验，其试验原理下图所示。冲击实验原理图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为：Ak

=

mgH─mgh

(J)冲击韧性值ak

就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。ɑK

=

AK

/

SN式中：AK

— 试样冲断时所消耗的冲击功；SN

—试样缺口处单位截面积。2810/2/2023实验表明，AK随温度的降低而减小；在某一温度范围，材料的AK值急剧下降，表明材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。2910/2/2023对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功AK越大，材料的韧性越好。疲劳破坏

疲劳断裂疲劳极限3010/2/2023四、疲劳极限(fatigue

strength)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积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳破坏。3110/2/2023疲劳破坏与静载荷下的破坏不同，断裂前没有明显的塑性变化，发生断裂也较突然。这种断裂具

有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，

大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。因此，工程上十分重视对疲劳规律的研究。3210/2/2023疲劳极限：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值（或当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会