ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件

ASME标准中材料一、力与平衡ASME标准中材料一、力与平衡1AFKL力的概念1．定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以改变物体的运动状态或使物体发生形变。2.力的效应：

①运动效应(外效应)②变形效应(内效应)。3.力的三要素：大小，方向，作用点AF力的作用线：沿力矢F的直线KL称为力的作用线。推论：力是矢量印刷体用黑体字，手写时用或表示。印刷体用黑体字，手写时用或表示。印刷体用黑体字，手写时用或表示。AFKL力的概念1．定义：力是物体间的相互机械作2静力学基本公理公理1二力平衡公理作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等|F1

|=|F2

|,(

F1

=F2)指向相反F1

=–F2作用线共线，只用白体字F表示力的大小，而不在其上加‘－’或‘→’矢量符号。F表示力的大小，而不在其上加‘－’或‘→’矢量符号。公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。作用于同一个物体上。静力学基本公理公理1二力平衡公理作用于刚体上的两个力，使3

在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。推论1：力的可传性原理。作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的效应。公理2加减平衡力系公理对同一个刚体来说，力的该性质称为力的可传性，因此，对同一个刚体，力是滑动矢量。在已知力系上加上或减去任意一个平衡力4刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交于同一点，且三力的作用线共面。（不平行的三个力平衡的必要条件）公理3力的平行四边形法则作用于物体上同一点的两个力可合成一个合力，此合力也作用于该点，合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。推论2：三力平衡汇交定理刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一5公理4作用力和反作用力定律等值、反向、共线、异体、且同时存在。[证]∵为平衡力系，∴

也为平衡力系。又∵二力平衡必等值、反向、共线，∴三力必汇交，且共面。[例]

公理4作用力和反作用力定律等值、反向、共线、异体、且同时6公理5刚化原理体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。 公理5告诉我们：处于平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论去硏究。变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚公理5刚化原理体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。 7⒌约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。（约束的作用由力来表示，该力称为约束反力。）约束与约束反力概念⒈自由体：位移不受限制的物体叫自由体。⒉非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。⒊约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。（这里，约束是名词，而不是动词的约束）⒋主动力:促使物体运动或使物体产生运动趋势的力称为主动力（如重力、风力、切削力、物体压力、牵引力等）。⒌约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。（约束的8⒌约束反力特点：GGN1N2①大小常常是未知的；②方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；③作用点在物体与约束相接触的那一点。⒌约束反力特点：GGN1N2①大小常常是未知的；②方向总9柔性体约束只能承受拉力，所以它们的约束反力是作用在接触点，方向沿柔性体轴线，背离被约束物体。是离点而去的力。约束类型和确定约束反力方向的方法：1.由柔软的绳索、链条或皮带构成的柔性体约束PPTS1S'1S'2S2柔性体约束只能承受拉力，所以它们的约束反力是作用在接触点，方10约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体是向点而来的力。2.光滑接触面的约束(光滑指摩擦不计)PNNPNANB约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力11FR滑槽与销钉FR滑槽与销钉123.光滑圆柱铰链约束①圆柱铰链销钉3.光滑圆柱铰链约束①圆柱铰链销钉13AAAXAYAAAAAXAYAA14②固定铰支座②固定铰支座15③活动铰支座（辊轴支座）N的实际方向也可以向下N③活动铰支座（辊轴支座）N16ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件17物体的受力分析和受力图受力分析解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。作用在物体上的力有：一类是:主动力,如重力,风力,气体二类是：被动力，即约束反力。压力等。物体的受力分析和受力图受力分析解决力学问题时，首先要选定需要18画物体受力图主要步骤为：①选研究对象；②取分离体；③画上主动力；④画出约束反力。受力图[例1]画物体受力图主要步骤为：①选研究对象；②取分离体；受力图[例19画受力图应注意的问题接触处必有力，力的方向由约束类型而定。⒉不要多画力对于受力体所受的每一个力，都应能明确地⒈不要漏画力除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，指出它是哪一个施力体施加的。要注意力是物体之间的相互机械作用。因此画受力图应注意的问题接触处必有力，力的方向由约束类型而定。⒉20不要把箭头方向画错。⒊不要画错力的方向⒋受力图上不能再带约束。即受力图一定要画在分离体上。约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，不要把箭头方向画错。⒊不要画错力的方向⒋受力图上不能21内力，就成为新研究对象的外力。部或单个物体的受力图上要与之保持一致。⒌受力图上只画外力，不画内力。⒍同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相互协调，不能相互矛盾。⒎正确判断二力构件。一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局内力，就成为新研究对象的外力。部或单个物体的受力图上要与之保22二、应力状态和强度理论应力状态二、应力状态和强度理论应力状态23普遍状态下的应力表示

单元体：单元体——构件内的点的代表物，是包围被研究点的无限小的几何体，常用的是正六面体。单元体的性质——a、平行面上，应力均布；b、平行面上，应力相等。一点的应力状态：

过一点有无数的截面，这一点的各个截面上应力情况的集合，称为这点的应力状态（StateofStressataGivenPoint）。xyzs

xsz

s

ytxy普遍状态下的应力表示单元体：单元体——构件内24xyzs

xsz

s

ytxy剪应力互等定理（TheoremofConjugateShearing

Stress):

过一点的两个正交面上,如果有与相交边垂直的剪应力分量,则两个面上的这两个剪应力分量一定等值、方向相对或相离。xyzsxszsytxy剪应力互等定理（Theorem25主单元体、主面、主应力：主单元体(Principalbidy)：各侧面上剪应力均为零的单元体。主面(PrincipalPlane)：剪应力为零的截面。主应力(PrincipalStress）：主面上的正应力。主应力排列规定：按代数值大小，s1s2s3xyzsxsysz主单元体、主面、主应力：主单元体(Principalb26单向应力状态（UnidirectionalStateofStress）：一个主应力不为零的应力状态。

二向应力状态（PlaneStateofStress）：一个主应力为零的应力状态。三向应力状态（Three—DimensionalStateof

Stress）：三个主应力都不为零的应力状态。AsxsxtzxsxsxBtxz单向应力状态（UnidirectionalStateo27平面应力状态分析——解析法sxtxysyxyzxysxtxysyO平面应力状态分析——解析法sxtxysyxyzxysxtxy28规定：截面外法线同向为正；

ta绕研究对象顺时针转为正；

a逆时针为正。图1设：斜截面面积为S，由分离体平衡得：任意斜截面上的应力xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn图2规定：截面外法线同向为正；图1设：斜截面面积为S，由29图1xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn图2考虑剪应力互等和三角变换，得：同理：图1xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn图30极值应力´´xysxtxysyO极值应力´´xysxtxysyO31xysxtxysyO在剪应力相对的项限内，且偏向于x及y大的一侧。222xyyxminmaxtsstt+-±=îí좢）（xysxtxysyO在剪应力相对的项限内，222xy32平面应力状态分析——图解法对上述方程消去参数（2），得：1、应力圆（

StressCircle）xysxtxysyOsytxysxsataaxyOtn此方程曲线为圆—应力圆（或莫尔圆，由德国工程师：OttoMohr引入）平面应力状态分析——图解法对上述方程消去参数（2），得：133建立应力坐标系，如下图所示，（注意选好比例尺）2、应力圆的画法在坐标系内画出点A(x，xy)和B(y，yx)

AB与sa

轴的交点C便是圆心。以C为圆心，以AC为半径画圆——应力圆；sxtxysyxyOnsataaOsataCA(sx,txy)B(sy,tyx)x2anD(sa,

ta)建立应力坐标系，如下图所示，2、应力圆的画法在坐标系内画34sxtxysyxyOnsataaOsataCA(sx,txy)B(sy,tyx)x2anD(sa,

ta)3、单元体与应力圆的对应关系面上的应力(，)应力圆上一点(，)面的法线应力圆的半径两面夹角两半径夹角2；且转向一致。sxtxysyxyOnsataaOsataCA(sx,tx354、在应力圆上标出极值应力OCsataA(sx,txy)B(sy,tyx)x2a12a0s1s2s34、在应力圆上标出极值应力OCsataA(sx,txy)B36三向应力状态研究——应力圆法s2s1xyzs31、空间应力状态三向应力状态研究——应力圆法s2s1xyzs31、空间应力状372、三向应力分析弹性理论证明，图a单元体内任意一点任意截面上的应力都对应着图b的应力圆上或阴影区内的一点。图a图b整个单元体内的最大剪应力为：tmaxs2s1xyzs32、三向应力分析弹性理论证明，图a单元体内任意一点任意截面38复杂应力状态下的应力--应变关系

——（广义虎克定律）1、单拉下的应力--应变关系2、纯剪的应力--应变关系xyzsxxyz

x

y复杂应力状态下的应力--应变关系

393、复杂状态下的应力---应变关系依叠加原理,得:

xyzszsytxysx3、复杂状态下的应力---应变关系依叠加原理,得:xy40主应力---主应变关系4、平面状态下的应力---应变关系:方向一致s1s3s2主应力---主应变关系4、平面状态下的应力---应变关系41强度理论4个涉及破坏的强度理论强度理论4个涉及破坏的强度理论42（一）最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸时的强度极限时，构件就断了。1、破坏判据：2、强度准则：3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。（一）最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应43（二）最大伸长线应变（第二强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应变引起的。当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的极限应变时，构件就断了。1、破坏判据：2、强度准则：3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。（二）最大伸长线应变（第二强度）理论：认为构件的断裂是由最大44（三）最大剪应力（第三强度）理论：认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破坏了。1、破坏判据：3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。2、强度准则：（三）最大剪应力（第三强度）理论：认为构件的屈服是由最大剪应45（四）形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由形状改变比能引起的。当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服时形状改变比能时，构件就破坏了。1、破坏判据：2、强度准则3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。（四）形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由形状改46强度理论的选用原则：依破坏形式而定。1、脆性材料：一般使用第一或第二强度理论；4、简单变形时：一律用与其对应的强度准则。如扭转，都用：2、塑性材料：一般使用第三或第四理论。5、破坏形式还与温度、变形速度等有关！3、特殊：三向受拉应力状态，用第一强度理论；

三向受压应力状态，用第三或第四强度理论；强度理论的选用原则：依破坏形式而定。1、脆性材料：一般使用第47三、材料的力学性能和试验材料的力学性能（机械性能）三、材料的力学性能和试验材料的力学性能48ASMESA370-2001钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义（与ASTM标准A370-96完全等同）1.材料的强度取样方向ASMESA370-2001钢制品力学性能试验的标准试49ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件50ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件51各种类型锻件的取样部位各种类型锻件的取样部位52ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件53抗拉强度抗拉强度54拉伸试验ASTME8拉伸试验ASTME855（１）屈服点：当试件拉力在ＯＢ范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，因此，该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段ＢＣ时，称屈服下限Ｃ下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做σs。设计时一般以σs作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2％残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。（１）屈服点：当试件拉力在ＯＢ范围内时，如卸去拉力，试件能56（２）抗拉强度：从图2－１中ＣＤ曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点Ｄ的应力称为抗拉强度，用σb表示。设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比σs／σb有一定意义。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。（２）抗拉强度：从图2－１中ＣＤ曲线逐步上升可以看出：试件在57(3)伸长率：图2－１中当曲线到达Ｄ点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即：（L1-LO）δ=—————×100%L0(3)伸长率：图2－１中当曲线到达Ｄ点后，试件薄弱处急剧缩58持久强度和蠕变强度持久强度和蠕变强度59拉伸试验拉伸试验机拉伸试验拉伸试验机60液压式万能电子材料试验机液压式万能电子材料试验机61*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0ASME：L0=4d0d0L0*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=62力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变63弹性(elasticity):金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形(elasticdeformation):随载荷撤除而消失的变形。

弹性极限(elasticlimit):Fe弹性极限载荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

试样原始横截面积(mm2)弹性(elasticity):金属材料受外力作弹性变形(64拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象65力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变66强度(strength):材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。(2)屈服强度(yieldstrength):屈服点SFs

σs

=——

(Mpa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)强度(strength):材料在力的作用下抵抗种类:抗拉67规定残余伸长应力：

r0.2=Fr0.2/S0slF0.20.2%l0o规定残余伸长应力：r0.2=Fr0.2/S0slF068(3)抗拉强度(tensilestrength):试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)

σb=

(Mpa)

S0试样原始横截面积(mm2)(3)抗拉强度(tensilestrength):69力学性能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：塑性力学性能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：塑性70塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):是指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比。

S0-S1

ψ=×100%S0

塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下(1)断面71(2)断后伸长率(延伸率)specificelongation:是指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比。L1–L0δ=×100%L0

δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料(2)断后伸长率(延伸率)specificelongat72长试样：δ10简写为δ

短试样：δ5

同一种材料的δ5>δ10长试样：δ10简写为δ

短试样：δ5同一种材料的73硬度(hardness)1.定义：是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。ASMESA370-2001给出各种不同试验结果的对照表以及相应的大致抗拉强度。硬度(hardness)1.定义：742.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法2.硬度试验方法：75布氏硬度HB：ASTME10洛氏硬度HR：ASTME18维氏硬度HV：ASTME压入法

76(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬77观看布氏硬度观看布氏硬度781.压头：淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW1.压头：淬火钢球HBS792.试验原理：

用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。2.试验原理：用一定直径的压头（球体），以相应80ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件81

FFHB=——=————SDh

Dh=———2Dd——–——22

22F82布氏硬度值450的材料

选用淬火钢球压头例如：200HBS350HBS布氏硬度值450的材料选用淬火钢球压头例如：283布氏硬度值450~650的材料

选用硬质合金球压头例如：550HBW600HBW布氏硬度值450~650的材料选用硬质合金球压头843.标注：

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。3.标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符854.特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。4.特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强86(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness871.压头：120º金刚石圆锥体钢球钢球HRAHRCHRB1.压头：120º金刚石圆锥体钢球HRAHRB882.试验原理：

用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。2.试验原理：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或8900112332h1h2h3h1-1初载10kgh12-2总载150kgh23-3卸载140kgh3最后测得：残余压痕深度增量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.00200112332h1h2h3h1-1初载10kgh190洛氏硬度值的表示：70~85HRA25~100HRB20~70HRC洛氏硬度值的表示：70~85HRA91HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：923.特点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。3.特点：优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，93是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。应用：是生产中应用最广泛的硬度试验方法。应用：94(三)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)维氏硬度计(三)维氏硬度HV

(diamondpenet951.压头：锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体1.压头：锥面夹角为136º的金刚石962.试验原理：

与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。2.试验原理：与布氏硬度试验原理基本相同。97

以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。2.试验原理：以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后98用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Saad用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Saad993.标注：

与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。

例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。3.标注：与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试1004.特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。4.特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精101韧性(toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验ASTME231.定义：韧性(toughness):材料在冲击载102冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2.金属的夏比冲击试验:冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2.金属的夏比冲击试验:103试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)g试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:104

冲击韧度ak

就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。

AK

ak=(J/cm²)S0冲击韧度ak1053.韧脆转变温度:-40-20020204060akT(ºc)T↓，ak急剧↓韧性→脆性3.韧脆转变温度:-40-20020204060akT(ºc106脆性转变温度FATT50脆性转变温度FATT50107

金属材料的韧脆转变温度↓，材料的低温冲击韧性愈好。

金属材料的韧脆转变温度↓，材料的低温冲击韧性愈好。108冲击试验中的侧向膨胀量“侧向膨胀值——按照ASTMA370的技术要求”。测微仪的读数也应得到认可，并应该预先注意以下事项：——eL=（e—e1）mm其中eL=侧向膨胀值；——试样两个平分段的A和B面，必须处于精确的同一平面（P）中。——侧向膨胀值应取3次不同测量结果的平均值。

冲击试验中的侧向膨胀量“侧向膨胀值——按照ASTMA37109Pellini落锤试验（TNDT温度的确定）试样制备及试验条件应符合ASTME208标准规定的要求。在进行每组试验前应确保重锤是从正确的高度（在+10%到—0%的误差范围内）自由坠落的。所用重锤的重量也是已知的。采用P3型试样，其尺寸如图MC1230.1所示。如果技术规范中规定的RTNDT≤0℃，则按表MC1230.1所列温度进行试验；如果技术规范中规定的RTNDT≤16℃，则按表MC1230.2所列温度进行试验。Pellini落锤试验（TNDT温度的确定）110图4—37落锤试验装置1—底座；2—限位块，3—缺口；4—落锤；6—脆性焊道，6—试样图4—37落锤试验装置111ASTME208规定的一些技术条件1.试样形状（其中一种见下页）2.打击能量（按照材料屈服强度决定）3.弯曲限度（由试样形状确定）4.判断标准（一边或双边裂纹到边）ASTME208规定的一些技术条件1.试样形状（其中一112落锤试验试样落锤试验试样113ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件114ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件115基准无延性转变温度的确定RTNDT的温度应通过Pellini落锤试验和KV冲击试验两者确定。试验温度应根据TNDT温度确定。试验应按下列方法进行（关于KV试样）：a）以3个试样为1组，其中每一个试样在给定的温度下同时满足下列要求，则认为试验有效：——断裂吸收能量≥68J；——侧向膨胀值≥0.9mm。b）第一组试样冲击的温度为：TCV1=TNDT+33℃如果满足上述a）的条件，则：RTNDT=TNDT如果结果不能满足上述a）的条件，则第二组试验按照下列c）的规定进行试验。c）如果进行第二组试验，第二组试样的试验温度规定如下：TCV2=TCV1+5℃如果满足上述a）的条件，则：RTNDT=TCV—33℃d）如果c）条规定温度下的试验，结果不能满足上述a）的条件，则另外一些试验应在5℃的间隔温度下进行试验。直到求得满足上述a）的条件的温度TCV。则认为：RTNDT=TCV—33℃基准无延性转变温度的确定116断裂韧度1、低应力脆断有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。断裂韧度1、低应力脆断117式中：Y__裂纹的几何形状因子;

σ__外加应力（N/mm2）；

a__裂纹的半长（mm）；

K1__

强度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。K1=Yσa2、应力场强度因子式中：Y__裂纹的几何形状因子;K1=Yσa2、应力场强度因118当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。3、断裂韧度K1C材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应119常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）

常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）120

根据K1=Yσa≥K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C

、名义工作应力σ和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：根据K1=Yσa≥K1C的临界判据知：1211）根据零件的实际工作应力σ和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力σC，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力σ，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。1）根据零件的实际工作应力σ和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料1221、疲劳现象

零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（fatigue）1、疲劳现象零件在循环应力的作用，即使工作时承受的1232、疲劳极限σ-1:

表示金属材料在无数次交变载荷作

用而不破坏的最大应力。2、疲劳极限σ-1:

表示金属材124迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖

迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖125疲劳试验的应力分析疲劳试验的应力分析126ASME企业标准管理材料及应力培训教材课件127疲劳曲线疲劳曲线128钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=1083、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取1291943年美国T-2油轮发生断裂1943年美国T-2油轮发生断裂130四、ASME具体材料ASME材料所用的标准四、ASME具体材料ASME材料所用的标准131核电建设所用的ASME标准内容(1) SectionIII,NuclearPowerPlantcomponents,Division1

・SubsectionNBClass1Components(2) SectionII,MaterialSpecifications

・PartA-FerrousMaterials

・PartB-NonferrousMaterials

・PartC-WeldingRods,ElectrodesandFillerMetals

・PartD-Properties(3) SectionV,NondestructiveExamination(4) SectionIX,WeldingandBrazingQualifications(5) SectionXI,RulesforIn-serviceInspectionofNuclearPowerPlantComponents,Division1核电建设所用的ASME标准内容(1) SectionIII132承压设备材料Pressureretainingmaterialandmaterialweldedthereto,exceptaspermittedinNB-4435,andexceptforweldingmaterial,shallconformtotherequirementsofoneofthespecificationsformaterialgiveninTables2Aand2BofASMECodeSectionII,PartD,SubpartIandtoallofthespecialrequirementsofArticleNB-2000whichapplytotheproductforminwhichthematerialisused,exceptastheymaybemodifiedbytherequirementsofthisSpecification.承压设备材料Pressureretainingmater133其它材料Non-structuralattachments,suchasinsulationsupports,name-plates,andtemporaryattachments,ifrequired,maybenoncertifiedmaterial.Non-pressureretainingmaterial,suchascoolingshroudsupport,alignmentpin,studboltelongationmeasuringrodsandtools,ifany,maybeofASMEorotherStandards.Thefollowingrequirementsshallbeapplied,unlessotherwisespeciallyoradditionallyspecifiedinthisSpecification.a. NB-2210 Heattreatmentrequirementsb. NB-2220 Procedureforobtainingtestcouponsandspecimensforquenchedandtemperedmaterial.其它材料Non-structuralattachments134Fracturetoughnessrequirementsformaterial

Thefollowingrequirementsshallbeapplied,unlessotherwisespeciallyoradditionallyspecifiedinthisSpecification.a. NB-2310 Materialtobeimpacttestedb. NB-2320 Impacttestproceduresc. NB-2330 Testrequirementsandacceptancestandardsd. NB-2340 Numberofimpacttestsrequirede. NB-2350 Retestsf. NB-2360 CalibrationofinstrumentsandequipmentFracturetoughnessrequirement135AcceptableMaterialDesignation

PressureRetainingMaterial

AcceptableMaterialDesignatio136Non-pressureRetainingMaterial

Non-pressureRetainingMateria137ASME第Ⅱ卷材料A篇铁基材料标准ASME材料种类太多，这里仅仅结合压水堆反应堆主要设备常用材料进行分析和比较。1.SA-508标准“压力容器用经真空处理的淬火加回火碳钢和合金钢锻件”使用上述标准材料的有反应堆压力容器、蒸汽发生器等，选用其中3级1类钢种。材料属于锰镍钼合金钢。ASME第Ⅱ卷材料A篇铁基材料标准1382.材料的化学成分元素3级C≤0.25Mn1.20～1.50P≤0.025S≤0.025Si0.15～0.40Ni0.40～1.00Cr≤0.25Mo0.45～0.60V≤0.05

ASME标准属于通用商业标准，在该标准中列举了很多材料，运用于各个领域。因此是一个比较一般的标准要求。使用于核电材料显然是不能满足使用上的安全要求，以下进行分析和比较。比较的对象一是RCC-M标准，另一是三菱重工公司实际控制的标准。2.材料的化学成分元素3级ASM139RCC-MM2111承受强辐照的反应堆

压力容器筒节用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件RCC-MM2111承受强辐照的反应堆

压力容器筒节用140三菱建议书中所列实际控制范围Table4.1.3.1ChemicalCompositionRequirementsforSA-508MGr.3CL.1 Specifiedvalue(wt.%)Elements Heat Product(1)C 0.16-0.20 0.16-0.22Si 0.10-0.30 0.10-0.30Mn 1.20-1.55

1.20-1.60P 0.008Max. 0.008Max.S 0.006Max.

0.006Max.Ni 0.50–0.80

0.50–0.80Cr 0.15Max. 0.15Max.Mo 0.45-0.55

0.43-0.57Cu 0.08(0.05Max.)(3)

0.08(0.05Max.)(3)Sb 0.002Max. 0.002Max.Sn 0.010Max. 0.010Max.As 0.01Max. 0.01Max.V 0.01Max. 0.01Max.Al 0.04Max. 0.04Max.B 5ppmMax.(3ppmMax.)(3)

5ppmMax.(3ppmMax.)(3)Co 0.02Max. 0.02Max.三菱建议书中所列实际控制范围Table4.1.3.1141（1）C的含量压力容器，稳压器和蒸汽发生器的制造中均需要多段锻件加工后组焊，需要焊接的钢的含碳量不应超过0.23%，这是一般规定，考虑到其合金元素含量较高，还应进一步降低碳的最高含量。RCC-M规范中此类锻件的碳含量均不超过0.20%。（1）C的含量压力容器，稳压器和蒸汽发生器的制造中均需要多142（2）P、S含量ASME标准属于通用商业标准，0.025%以下已经是比较高的要求了，但是仍然不能满足核电大锻件的质量要求。RCC-MM2111适用于承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.008%以下。RCC-MM2112适用于不承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-MM2113适用于压水堆压力容器过渡段和法兰用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-MM2114适用于压水堆压力容器管嘴用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-MM2115适用于制造压水堆蒸汽发生器管板用的可焊18MND5Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-MM2116适用于制造压水堆蒸汽发生器支撑环用的可焊18MND5Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-MM2119适用于制造压水堆蒸汽发生器用的可焊18MND5Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。P偏高会使材料的低温性能变得很差，会大幅度提高材料的FATT50温度和RTNDT温度，影响系统的水压试验的安全。S含量偏高会破坏材料的高温特性，使热加工困难，同时也影响材料的力学性能指标。但是S含量太低会增加焊接的难度（理论上还没有统一），极低的硫和氢含量母材有可能在焊接中因吸氢而造成局部脆性。现在已经有一些标准规定了含硫量的下限，我的看法是硫控制在0.002~0.008%之间比较合适。（2）P、S含量ASME标准属于通用商业标准，0.025%143（3）其它残余元素的含量其它对反应堆压力容器和蒸汽发生器等材料在运行中有影响的残余元素有Al、Cu、Co、As、Sn、Sb、Bi、Pb等，均应该有量的限制。这是制造商控制废钢质量的关键所在，具体数据应在规格书制订时协商决定。（3）其它残余元素的含量其它对反应堆压力容器和蒸汽发生器等144（4）钢中气体的含量钢中气体即氮、氢、氧的含量应该有明确的限制。推荐使用氢≤1.5ppm，氮≤60ppm，氧≤40ppm。（4）钢中气体的含量钢中气体即氮、氢、氧的含量应该有明确的145机械性能要求ASMESA-508对3级1类材料的要求：抗拉强度：550~725MPa屈服强度≥345MPa标距为50mm的延伸率≥18%断面收缩率≥38%在4.4℃（+40°F）夏比冲击的三个试样的最低平均值：20J，一个试样的最低值：14J，一组三个试样中只允许一个试样的数值低于平均值。

机械性能要求ASMESA-508对3级1类材料的要求：146相应RCC标准对机械性能的要求相应RCC标准对机械性能的要求147三菱的企业要求RequirementforImpactTests：150Jforcoreshell,104Jforthepartsotherthancoreshell三菱的企业要求RequirementforImpact148无损检验要求ASMESA-508在磁粉检验中要求按照A275标准方法进行。符合下列条件应于拒收或予以剔除：1.最大尺寸的显示超过4.8mm

2.4个或更多较大尺寸显示超过1.6mm，且各分割的显示排成一线，两显示的净间隔距离等于或小于1.6mm

3.在任何表面为39mm2内有10个或更多的较大尺寸显示超过1.6mm，并且此区域的较大尺寸不超过150mm。该面积应取在相对于需评定的显示踪迹最不利的部位

无损检验要求ASMESA-508在磁粉检验中要求按照A27149超声波检验要求超声波检验方法：ASTMA388分纵波检验和横波检验其中横波检验用的标定缺口应开入到内径和外径表面，其深度等于截面公称厚度的3%或最大为9.5mm，长度约为25mm，宽度不大于两倍的深度。ASME标定的缺口明显偏大。因为核岛大锻件的壁厚很厚，AP1000的压力容器壁厚估计在200mm左右，3%的标定缺口深度就有些吓人。RCC-M规定的标准缺口最深不得超过1.5mm中国的国标GB5310和GB5777均规定最深不得超过1mm

超声波检验要求超声波检验方法：ASTMA388150晶粒度和非金属夹杂物的检验ASME和RCC-M标准中均没有对材料的晶粒度和非金属夹杂物提出要求。三菱重工建议：Metallographicexamination(1) Metallographicexaminationshallbemadeofeachforging.Thespecimenformetallographicexaminationmaybetakenfromattheendofabrokentensiontestspecimenorimpacttestspecimen.(2) GrainsizeshallbeestimatedinaccordancewithASTM

E112-88.Grainsizenumbershallbefive(5)orfiner.(3) Non-metallicinclusions

Non-metallicinclusionexaminationshallbeperformedinaccordancewithASTME45-87.TypeAinclusion≦Grade1.5

TypeBinclusion≦Grade1.5

TypeCinclusion≦Grade1.5

TypeDinclusion≦Grade1.5

晶粒度和非金属夹杂物的检验ASME和RCC-M标准中均没有对151ASTMSA-540特殊用途合金钢螺栓连接材料压力容器与顶盖之间的连接螺栓制造中遵循ASTMSA-540标准中B24V3级类别，现在已经更新到2004版，并与2001版有较多的差别。相同材料若遵循法国标准制造是使用标准：RCC-MM2311制造压水堆压力容器螺栓用的Ni-Cr-Mo-V合金钢锻造棒材ASTMSA-540特殊用途合金钢螺栓连接材料压力容器与顶152ChemicalCompositionRequirementsforSA-540MGr.B24Cl3

andSA540MGr.B24VCl.3

Elements MITHIBISHIRCC-MASME

C

0.37～0.44

0.37～0.450.37～0.44

Si

0.15～0.35

≦0.0350.15～0.35

Mn

0.60～0.95

0.60～0.95

0.60～0.95

P

≦0.010

≦0.020≦0.025

S

≦0.010

≦0.010≦

0.025

Ni

1.55～2.00

1.55～2.00

Cr

0.60～0.95

0.60～0.95

Mo

0.40～0.60

0.40～0.60Cu

≦0.20 V(*)

0.04～0.10

0.04～0.10

ChemicalCompositionRequireme153机械性能和其它B24V3级直径在101.6到203.2之间的力学性能规定值如下：抗拉强度1000PMa，屈服强度895PMa，伸长率12%，断面收缩率40%，布氏表面硬度范围302~375，—12.2℃下夏比V型缺口冲击最低平均值47J，一组3个试样中可以有一个试样小于47J，但不得小于34J。以上力学性能与RCC-M标准相近，但是ASME没有规定设计温度左右的高温力学性能试验。在标准的附加要求中，有S1：成品分析；S2：宏观浸蚀试验；S3：超声波试验；S5：断裂转变温度；S6：磁粉检查，但是没有提出具体要求。机械性能和其它B24V3级直径在101.6到203.2之间的154不锈钢和非铁基材料核级设备使用的不锈钢材料较多：反应堆冷却剂使用的主管道使用不锈钢材料，压力容器内部堆焊不锈钢材料。蒸汽发生器的传热管使用镍基690合金，蒸汽发生器管板和下封头内部也堆焊镍基690合金。具体细节从略。不锈钢和非铁基材料核级设备使用的不锈钢材料较多：反应堆冷却剂155五、焊接基础焊接性试验材料的焊接性是一个专门名词，与通常的材料焊接性能有一定的区别。在GB/T3375-1994《焊接术语》中下的定义是：金属焊接性是指金属材料在限定的焊接施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。内涵：1结合性能：金属焊接时对缺陷的敏感性。2使用性能：焊成的接头在指定的使用条件下可靠运行的能力。五、焊接基础焊接性试验156电力行业常用焊接性试验1、

冷裂纹的测试方法简介

焊接冷裂纹倾向的测定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜y坡口对接裂纹试验法（“小铁研式”抗裂实验）、刚性拘束裂纹试验（RRC试验）、拉伸拘束试验(TRC)、插销试验等。按照接头拘束类型可把抗裂试验分为自拘束抗裂试验和外拘束性抗裂试验两大类。自拘束抗裂试验主要评价材料（焊材）抗热、冷裂纹性能，确定焊接规范(不开裂时)及热处理情况（包括预热、后热）。这种试验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。外拘束性试验适用于定量评定材料的裂纹倾向，以及可以比较深入地进行有关理论研究工作，像插销试验法等。电力行业常用焊接性试验1、

冷裂纹的测试方法简介1572、

焊接冷裂纹的产生及危害冷裂纹是焊后冷却较低温度下产生的。对于低合金钢、中碳钢而言，大约在钢的马氏体转变温度MS附近。它是由于拘束应力、淬硬组织和扩散氢的共同作用下产生的。

冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接超高强度钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝上。危害：接头性能变坏，产生脆性断裂。

2、

焊接冷裂纹的产生及危害冷裂纹是焊后冷却较低温度下产生1583、

冷裂纹的种类⑴延迟裂纹主要特点是：不在焊后立即出现，具有延迟现象。主要取决于钢中的淬硬倾向，焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量。⑵淬硬脆化裂纹主要特点:焊后立即开裂，不受扩散氢的影响，只在拘束应力的作用下产生。产生原因：由于冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的。主要取决于钢的淬硬性和拘束条件。一般采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条基本上可以防止这种裂温。

⑶低塑性脆化裂纹由于某些塑性较低材料，焊后冷至低温时，由于收缩力引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，成为低塑性脆化裂纹。如：球墨铸铁补焊时，不采取措施而产生白口开裂的现象

3、

冷裂纹的种类⑴延迟裂纹1594、

延迟冷裂纹的产生机理分析在三种冷裂纹中，延迟裂纹的危害性最大，最具有普遍性。因此，这里主要介绍这中裂纹的产生情况。有关研究证明：钢材的淬硬倾向，焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是互相联系和相互促进的。4、

延迟冷裂纹的产生机理分析在三种冷裂纹中，延迟裂纹的危160下面就三大因素简单介绍一下。⑴钢材的淬硬倾向，主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。①形成脆硬的马氏体组织马氏体的脆硬是因碳饱和固溶在α—Fe种，使晶格发生较大的畸变而难以变形（滑移），这样断裂时将消耗较低的（很少）能量。因此，马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。②淬硬会形成更多的晶格缺陷碳在α—Fe中过饱和固溶，导致严重的晶格畸变，形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位错。在不平衡条件下，位错和空位发生移动和聚集，在达到一定浓度后便形成裂纹源。高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度Hmax作为评定指标。下面就三大因素简单介绍一下。⑴钢材的淬硬倾向，主要决定于化学161小铁研式抗裂试验及断口分析

GB4675.1-84

蒋应田辽宁石油化工大学LNPU小铁研式抗裂试验及断口分析

GB4675.1-84蒋应田162对于一般低合金钢，焊后延迟裂纹的出现往往在热影响区，这与焊缝及热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。由于一般低合金钢焊缝金属的含碳量低于热影响区，在冷却时会在较高的温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体以及低碳马氏体等。在分解同时，原先溶解在焊缝的很多氢会极力进行扩散和逸出，当然，原子氢将会从焊缝向热影响区扩散。当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度会突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢会被很快地赶到未转变的奥氏体组织中去扩散（热影响区），而在热影响区（奥氏体中）扩散速度慢，不能很快地把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因此在熔合线附近形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时（因焊缝相变超前于热影响区相变），氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这个地区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应（应力集中、应变集中），并且氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓度更高，可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。当焊接某些超高强度钢时，会由于焊缝成分复杂，导致焊接热影响区相变先于焊缝，这样，氢会相反地从热影响区向焊缝扩散，那么延迟裂纹就可能在焊缝上产生。对于一般低合金钢，焊后延迟裂纹的出现往往在热影响区，这与焊缝163冷裂纹的斜y形坡口试验法

此法主要评定碳钢和低合金钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。

具体实验方法是：首先用被焊材料加工成如图所式的试样，坡口