超声无损检测第一章金属材料基础知识

第一章金属材料及热处理基本知识

1.1材料力学基本知识

1.2 金属学与热处理基本知识

1.3承压类特种设备常用材料

第一章金属材料及热处理基本知识

金属材料是现代工业,农业，国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。这不仅是由于来源丰富，生产工艺简单，成熟，而且还因为他们具有良好的性能。

通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：

一、使用性能即为了保证机械零部件、设备、结构件等能正常工作，材料所具备的性能。主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热传导性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。

二、工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。

金属材料是制造承压类特种设备最常用的材料，其性能介绍是本章的主要内容。作为承压类特种设备无损检测人员，应了解材料方面的有关知识。

1.1 材料力学基本知识

金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用。当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。材料在外力的作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、韧性等指标。

1.1.1 应力和应变

所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产

生的力。如图1所示：

在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为

了保持原形在内部产生抵抗外力的力——内力。该内力

被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值

即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内

力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。例如，圆柱体截面积

为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应

力：

（Pa或者N/m2）

这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫

做垂直应力。图1

应变

当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形

ΔL，那么圆柱体的长度则变为L+ΔL。这里，由

伸长量ΔL和原长L的比值所表示的伸长率（或

压缩率）就叫做“应变”，记为ε。

与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。

而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示：

这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。

应力与应变的关系

各种材料的应变与应力的关系已经通过实验

进行了测定。图2所示为一种普通钢材（软

铁）的应力与应变关系图。根据胡克定律，

在一定的比例极限范围内应力与应变成线性

比例关系。对应的最大应力称为比例极限。

图2

或者

应力与应变的比例常数 E 被称为弹性系数

或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模

量。

综上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。

（1）应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交变应力

当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚度改变时，会在不连续出及其附近产生剪切应力和弯曲应力

在长期交变应力下工作的承压类特种设备有些会出现疲劳和破坏现象。

（2）应力集中的概念

在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生突变，往往是缺陷引起的。这些缺陷统称为缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹引起的应力集中最为严重。（3）承压类特种设备的工作压力

试验表明；对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。

1.1.2 强度

金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。

抗拉强度δb，屈服强度δs 是评价材料强度性能指标的两个最重要的指标。

1、拉伸试样进行拉伸试验时，采用如图1-3所示的拉伸试样。试样可分为长短两种，长试样Lo/do=10；短试样Lo/do=5。一般工厂采用的试样直径dO=10毫米。

拉伸试样放在拉伸试验机上，按规定标准加载，随着载荷增加，试样产生伸长变形直至断裂，

钢的标准拉伸试样，

2、低碳钢的拉伸曲线图

低碳钢的拉伸曲线图

根据载荷与变形量的相应变化可绘出曲线图，称为拉伸曲线图。拉伸曲线图图1-4为低碳钢的拉伸曲线吼低碳钢拉伸时可分为三个阶段：

⑴、弹性变形（弹性变形：外力卸去后能够恢复的变形）阶段。当作用在试样上的裁荷在一定限度之内时，载荷与伸长量成正比例，外力去除后，试样恢复原来的形状和尺寸。当载荷超过Pp而不大于Pe时，试样的伸长不再与外力成正比关系，但还属于弹性变形阶段，即当外力去除后变形立即消失。

⑵、弹性变形－塑性变形（塑性变形外力卸去后不能恢复的变形）阶段。s 点出现的水平线段表示在载荷不变的情况下试样继续伸长；即材料丧失了抵抗塑性变形的能力，称为材料的屈服，发生塑性变形后，由于内部结构变化，产生加工硬化，要使金属继续变形，必须再增加载荷，这样载荷继续增加，试样则均匀伸长。达到b点屁开始出现缩颈变形,变形集中在缩颈处。

⑶、塑性变形－断裂阶段。由于缩颈出现后截面剧烈减小；试样不足以抵抗外力的作用，因此在z点发生断裂。根据拉伸曲线上各种特殊点的外力与原截面的关系，·，可以测定材料的强度指标。