船舶材料基础概要word版本

1、船舶材料基础概要南山学院南山学院引言：引言：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，主要包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。括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能： 指在制造机械零件的过程中，材料适应各种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。冷、热加工和热处理的性能。2 2金属材料力学性能金属材料力学性能包括包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲 压性压性 能、切削加工性能和热处理工艺性能能、切削加工性能和热处理工艺性能等。等。 指材料在外力作

2、用下表现出来的性能，主要有指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强强度、塑性、硬度、冲击韧度度、塑性、硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。拉伸试样拉伸试样 2 拉伸过程拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验拉伸试验机机 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp低碳钢的拉伸曲线 退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢二）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坏的能力。材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程工程上常用的强度指标有上常用的强度指标有 0.20.2s s ， b bn (1)(

3、1)屈服点屈服点与与屈服强度屈服强度: :n 屈服点：屈服点：产生明显塑性变形的最低应力值产生明显塑性变形的最低应力值. . s s = F= Fs s/S/S0 0 符号：符号：ss：材料产生屈服现象时的最小应力：材料产生屈服现象时的最小应力 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）s 屈服强度屈服强度( 塑性变形量为塑性变形量为0.2%，微量塑性变形，微量塑性变形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2)试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余

4、塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)0.2：试样产生残余塑性变形试样产生残余塑性变形0.2%时的应力时的应力试样产生试样产生0.2%残余塑性变形残余塑性变形 屈服强度屈服强度0.2 （s）是金属工程结构设计和选材的主要依据。是金属工程结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。也是评定金属强度的重要指标之一。0.20.2 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)bse(2)(2)抗拉强度抗拉强度：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。当材料的内应力当材料的内应力b

5、时，材料将产生断裂。时，材料将产生断裂。常用作脆性材料的选材和设计的依据。常用作脆性材料的选材和设计的依据。 S S0 0 - S - S 1 1 = - = - 100% 100% S S0 0 任何零件都需要一定塑性。防止任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 用顶角为用顶角为120120金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的 作用下压入试作用下压入试 样表面，经规定

6、时间后卸除试验力，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。度试验。 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计n 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 n钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 10N = 107 7n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 = 10N = 108 8n钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: :n -1 -1 = (0.45= (0.450.55)0.55)

7、 b b n 体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。于前者。 多晶体示意图 多晶体示意图 由于空位和间隙原子的存在由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如性能发生改变，如强度、硬度强度、硬度增加增加。 刃型位错示意图 a) 晶格立体模型 b) 平面图 晶界的过渡结构示意图 亚晶界结构示意图 To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)T T1 1ToToT T1 1ToTo金属的树枝晶金属的树枝晶金

8、属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶n（三）金属结晶后的晶粒大小及控制（三）金属结晶后的晶粒大小及控制 n1. 1. 影响晶核的形核率和晶体长大率的因素影响晶核的形核率和晶体长大率的因素n(1)(1)过冷度的影响过冷度的影响n(2)(2)未熔杂质的影响未熔杂质的影响: :外来杂质能增加金属的外来杂质能增加金属的n 1 1）提高冷却速度）提高冷却速度 2 2）变质处理）变质处理: : 3 3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小 固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 1394

9、 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方 - Fe - Fe - Fe体心立方体心立方1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fen纯铁同素异构转变的意义纯铁同素异构转变的意义n铁碳合金组织丰富多样铁碳合金组织丰富多样n钢铁材料性能多样钢铁材料性能多样n钢铁可以进行热处理钢铁可以进行热处理表示平衡状态下铁碳合金的成分表示平衡状态下铁碳合金的成分温度温度组织（组织（或状态）或状态）之间关系的图形之间关系的图形温度FeCFe2CFe3CFeC(6.69%C)n（2 2）奥氏体）奥氏体 ( A

10、 )( A )n碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成中形成n的间隙固溶体。的间隙固溶体。n（3 3）渗碳体）渗碳体 ( Fe( Fe3 3C )C )n 铁与碳形成的金属化合物。铁与碳形成的金属化合物。n铁素体和渗碳体组成铁素体和渗碳体组成n的机械混合物。的机械混合物。渗碳体和珠光体（奥氏渗碳体和珠光体（奥氏体）体）组成的机械混合物。组成的机械混合物。铁素体铁素体奥氏体奥氏体渗碳体渗碳体珠光体珠光体莱氏体莱氏体强度、硬度低，塑性、韧性好强度、硬度低，塑性、韧性好有一定的强度和硬度，塑性也很好有一定的强度和硬度，塑性也很好硬度很高，脆性大，塑性和韧性极低硬度很高，脆性大，塑性和韧性极低综合力学性能较好

11、综合力学性能较好硬度很高，塑性很差硬度很高，塑性很差纯铁（含碳00.0218 ）铸铁（含碳2.116.69）碳钢（含碳0.02182.11） 纯铁熔点（1538）Fe3CA渗碳体熔点（1227）共晶点（1148）碳在Fe中的最大溶解度（1148）共析线渗碳体（含碳6.69）G纯铁的同素异晶转变点（912）碳在Fe中的最大溶解度（727） 共析点（727 ）PS7271148LAkGCEFDAQFe3CFeFL+AA+FA+Fe3CF+Fe3CF+PP+Fe3CP纯铁的熔点纯铁的熔点渗碳体的熔点渗碳体的熔点(钢和铁的分界点钢和铁的分界点)共晶点共晶点共析点共析点纯铁的同素异晶转变点纯铁的同素异晶

12、转变点A A（0.77%C0.77%C） F F（0.002%C 0.002%C ）+ Fe+ Fe3 3C C（6.67%C 6.67%C ）727727P PL L（4.3%C4.3%C） A A（2.06%C 2.06%C ）+ Fe+ Fe3 3C C （6.67%C 6.67%C ）1148LeLeACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe

13、3C( A+Fe3C )34F+PP+Fe3C3LeP+Fe3C+LeFe3C+LeESQGKD4.34.32.062.060.770.770.020.02C%C%114711471538 1538 727727P PL LAF F温度912912CFe3C6.676.67APLeLeFAL+Fe3CL+Fe3CF+A1111112222233342Fe3C+Le231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le +32AFe3C31L2L+ Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe 共析钢: 亚共析钢

14、: 过共析钢: 共晶生铁: 亚共晶生铁: 过共晶生铁:PSFewC/%7271148LtAGCE12324241133PPFe3CIIFPAL+AF+PPP+Fe3CA+FA+Fe3C合金合金结晶结晶过程过程对比对比分析分析球化退火球化退火扩散退火扩散退火n 引言：引言：n 1 1热处理的概念热处理的概念 将固态钢材采用适当的方式进行将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温加热、保温和和冷却冷却以获以获得所需组织与性能的工艺。得所需组织与性能的工艺。n n2 2热处理的目的热处理的目的n （1 1）提高钢的力学性能）提高钢的力学性能n （2 2）改善钢的工艺性能）改善钢的工艺性能时间温度临界温度

15、临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却 一、钢的热处理工艺一、钢的热处理工艺（一）分类（一）分类根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：1 1整体热处理整体热处理 退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火2 2表面热处理表面热处理 表面淬火、气相沉积表面淬火、气相沉积3 3化学热处理化学热处理 渗碳、氮化、碳氮共渗渗碳、氮化、碳氮共渗本节主要介绍钢的整体热处理本节主要介绍钢的整体热处理 （二）钢的正火（二）钢的正火 1 1概念概念： 正火是将钢加热到正火是将钢加热到或或AcAccmcm线以上线以上 ，保，保 温一段时间后，从炉中

16、取出在空气中冷却的热处理方温一段时间后，从炉中取出在空气中冷却的热处理方 法。法。 正火是置于空气中冷却，晶粒细小，韧性可显著提高。正火是置于空气中冷却，晶粒细小，韧性可显著提高。 2 2目的目的： 1 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理；）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3 3）对高碳钢，可为球化退火作准备）对高碳钢，可为球化退火作准备 。 另外，正火是炉外冷却，不占用设备，生产效率高，所以正另外，正火是炉外冷却，不占用设备，生产效率高，所以正 火工艺应用广泛。火工艺应用广泛。 1 1概念概念： 2 2目的目的： （四）钢的回火（四）钢的回火 1 1回火的概念回火的概念： 将淬火后钢件再加热到将淬火后钢件再加热到以下的某一温度，保温以下的某一温度，保温 一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。 2 2回火的目的回火的目的：1 1）是为了消除因