压力容器金属材料力学介绍

压力容器金属材料力学介绍

关键词：材料强度塑性

金属材料力学性能概述

金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力的

大小。它是判定金属力学性能的依据，是评定金属材料质量的判据，同时也是设计选材和进行强度计算的主要依据。金属材料的力学性能包括常温下的强度、塑性、韧性，例如屈服点或屈服强度σs（σ0.2）、抗拉强度σb、伸长率δ、断面收缩率φ、冲击韧度ak、疲劳极限、断裂力学性能等。

金属力学性能试验是测定金属力学性能指标所进行的试验。包括拉伸试验、弯曲试验、剪切试验、冲击试验、硬度试验、蠕变试验、应力松弛试验、疲劳试验、断裂韧度试验、磨损试验等。

一、金属材料强度指标

1.屈服强度

材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象，称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用σs表示。我国规定σs取钢材的下屈服点值。

除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等有屈服现象外，多数工程材料的屈服点不明显或没有屈服点，此时规定以产生0.2%残余伸长的应力作为屈服强度，用σ0.2表示。

2.抗拉强度

试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用σb表示。

零件设计选材时，一般应以σs或σ0.2为主要依据。但σb的测定比较方便精确，因此也有直接用σb作为设计依据的，从安全方面考虑，用σb作为设计依据采用较大的安全系数。由于脆性材料无屈服现象，则必须以σb作为设计依据。

3.持久极限

持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下达到规定时间而不断裂的最大应力。常用符号为σb带有一个或两个指数来表示。例如σ700b/1000，表示在试验温度为700℃时，持久时间为1000h 的应力，即所谓高温持久极限。

4.蠕变极限

蠕变极限又称蠕变强度，是在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕变总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。蠕变极限一般有两种表示方法：一种是在给定温度t下，使试样承受规定蠕变速度的应力值，以符号σtε表示，其中ε为蠕变速度，%/h。例如，σ6001x10-5即表示在试验温度为600℃时，蠕变速度为

1x10-5%/h的蠕变极限；另一种是在给定温度（t，℃）下和规定试验时间（t，h）内，使试样产生一定蠕变变形量（δ，%）的应力值，以符号σtδ/t表示。

二、金属材料塑性指标

1.延伸率δ5

金属材料在拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分的总伸长δl 与原标距长度l0之比的百分比，称为伸长率，也称延伸率，用δ表示。按试样长度的不同，有长试样与短试样之分。其对应的断后伸长率分别以δ10和δ5表示。在容器用钢中，通常以δ5来表示材料的伸长率。

2.断面收缩率φ

金属试样在拉断后，其颈缩处横截面面积的最大缩减量与原横截面面积的百分比，称为断面收缩率，用φ表示。塑性材料的断面收缩率较大，脆性材料的断面收缩率较小。

3.冷弯性能

金属材料在常温下承受弯曲而不破裂的能力，称为冷弯性能。冷弯试验用以考核材料弯曲变形的能力并且能使存在的缺陷显示出来，在一定程度上模拟了压力容器制造时卷板机的工艺情况。冷弯性能是容器用钢材与焊接接头力学性能考核的重要指标。

出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈好。弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d对材料厚度a的比值来表示。

三、属材料韧性指标

1.冲击韧度

金属材料在使用过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。材料的韧性与加载速率、应力状态及温度等有很大关系。试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功称为冲击吸收功。冲击试样缺口底部单位横截面面积上的冲击吸收功称为冲击韧

度。冲击韧度是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗力的机械性能指标，用ak表示，单位为j/cm2。

我国压力容器材料及焊接接头冲击试样规定采用夏比v型缺口，冲击试验有许多种，例如常温冲击试验、低温冲击试验、高温冲击试验、应变时效冲击试验等。采用标准试样进行试验得到的冲击吸收功来检验材料化学成分、金相组织、和加工工艺对其韧性的影响，冲击值为akv（j）。

ak是早先工程技术上习惯用来作为材料韧脆程度度量及材料承

受冲击载荷的抗力指标，后来发现这是不适宜的。因为ak是单位面积的冲击吸收功，与试样形状、截面尺寸、缺口形状和尺寸无关。而实际上由试样截面尺寸和缺口形状及其尺寸的改变所引起的冲

击吸收功ak的变化，与缺口处净截面积并不成线性关系。所以截面尺寸不同，所得ak也不同。另一方面，试样断裂时伴随着试样部分体积的严重塑性变形，也就是说，冲击吸收功消耗于产生两个新的自由表面和一部分体积的塑性变形上，因此，定义ak为单位面积的冲击吸收功，并没有反映出冲击吸收功的实质。

目前，国际上通用以冲击功吸收ak为冲断试样消耗的总功，只要试样符合标准，就不会出错，应用也方便。但是进一步研究发现，用ak表示也存在问题，因为ak值也不能完全代表试样断裂前所吸收的总功。冲断试样消耗的总功可分为两部分，其一消耗于试样的变形和断裂；其二消耗于试样掷出及机座本身振动。因此，所吸收的总功ak为：ak=试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动+…。

由于一般情况下，后几项功很小，因此ak作为试样断裂所吸收的能量误差很小，有足够精度。但对很脆的材料必须注意，不能用大能量摆锤进行试验，因为此时第一项较小，而后几项相对较大，因此会引起较大测量误差。

2.断裂韧度