船舶工程材料1.1

第一章金属材料的性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,材料的性能主要是指它在使用过程和加工制造中所表现的特性。,机械零件在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为金属材料的力学性能或机械性能。金属材料的机械性能指标是通过各种试验测定的，包括有：拉伸试验、硬度试验、冲击试验和疲劳试验等。对于在高温条件下工作的零件，还有高温机械性能指标。,应力=P/F0应变=(l-l0)/l0,通过拉伸试验获得材料的应力应变曲线,1.弹性变形阶段：应力与应变呈线性关系，其中存在弹性极限位置。2.屈服阶段：3.强化阶段：4.局部变形阶段。颈缩阶段,不同的金属材料，得到的应力应变曲线是不同的；塑性好的材料，在断裂前有明显的塑性变形，其断裂被称为韧性断裂；塑性差的材料断裂前没有明显的塑性变形称为脆性断裂。,一、室温下机械性能指标,静态力学性能,1.刚度2.强度3.塑性4.硬度,一、弹性和刚度,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料在外力作用时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,二、强度,强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。1、屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。2、抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性：在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。指标为：,延伸率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,二、塑性,说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5时，无颈缩，为脆性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征,四、硬度,材料表面抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度HB,布氏硬度计,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,符号HBS或HBW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。如120HBS10/1000/30表,示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)0.36HB对于高碳钢：b(MPa)0.34HB对于铸铁：b(MPa)0.1HB,洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。,维氏硬度,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,动态力学性能,1、冲击韧性2、疲劳强度,4.显微硬度：利用显微硬度计测定材料内部的组织或组成物的硬度。,一、冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用的能力。,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,TITANIC,建造中的Titanic号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,二、疲劳强度,材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在无限次交变载荷作用下仍不发生破坏时的最大应力称为疲劳强度（疲劳极限）。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,疲劳断口,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,疲劳断口特征：1、疲劳核心区疲劳源2、疲劳裂纹扩展区疲劳弧线（光滑）3、最终瞬时断裂区脆性断裂特征（粗糙）,一、室温下机械性能指标,静态力学性能,1.刚度2.强度3.塑性4.硬度,动态力学性能,1、冲击韧性2、疲劳强度,二、高温下的机械性能指标,零件在长期高温下工作，即使应力小于屈服极限，也会发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。表示金属材料在高温下的工作性能的指标有：高温强度和热硬性。,高温强度,高温强度又称为热强度。是应力、应变、温度和时间的综合效果的反映。高温强度包括蠕变极限和持久极限。1）.蠕变极限：金属材料在长期高温和应力作用下抵抗塑性变形的能力。用表示。意思是T温度下，工作了t时间后产生塑性变形量时所能承受的最大应力。,2）.持久极限：金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力。用表示。意思是在一定的温度T下工作了t时间后产生破断的应力。2.热硬性：又称为红硬性或高温硬度。金属材料在高温下仍具有较高硬度的性能。,第二节金属的工艺性能和物理、化学性能,一、工艺性能：金属材料在加工过程中的特性称为工艺性能。1.铸造性：流动性、收缩偏析2.可锻性3.可焊性4.切削加工性5.热处理性6.管材与型材的冷变形工艺性,铸造性,指材料用铸造方法获得完好铸件的能力。其衡量特性有：流动性：材料熔化后进行浇注时填充铸型的能力。收缩率：液态金属在铸型内冷却过程中，内部产生缩孔和逐渐形状尺寸缩小的程度成为收缩率。偏析：液态金属凝固后化学成分不均匀的现象成为偏析。金属材料中的灰铸铁、锡青铜等具有优良的铸造性。,缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.,铸造缺陷铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的.,偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。,硫在钢锭中偏析的模拟结果,气孔:气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气,孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。,缩松,可锻性,指金属材料承受压力加工（锻造）的能力。可锻性的好坏取决于材料的塑性和变形抗力。金属材料中的中、低碳钢的可锻性好，高碳钢差，灰铸铁不能锻造。,可焊性,在一般工艺条件下，金属材料焊接时获得优质焊缝的能力。（指焊接过程中产生裂纹的倾向和焊缝的使用可靠性。）低碳钢和普通低合金钢具有优良可焊性，灰铸铁和铝合金的可焊性很差。,热处理性,主要用热处理的淬透性、淬硬性、晶粒长大倾向及回火脆性进行衡量。,切削加工性,指金属材料进行切削加工的难易程度。切削加工性与材料的种类、成分、硬度、塑性、组织等有关。硬度在HB160230之间时的材料，切削时切屑易断，加工表面光洁，刀具