船舶材料與焊接

1、2022-4-272022-4-27目的與要求：目的與要求： 1 1、一般理解與掌握金屬材料的力學(xué)性能及試驗(yàn)方法；、一般理解與掌握金屬材料的力學(xué)性能及試驗(yàn)方法； 2 2、一般理解與掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶；、一般理解與掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶； 3 3、深刻理解與熟練掌握鐵碳合金相圖及其應(yīng)用；、深刻理解與熟練掌握鐵碳合金相圖及其應(yīng)用； 4 4、深刻理解與熟練掌握鋼的熱處理基本原理與工藝。、深刻理解與熟練掌握鋼的熱處理基本原理與工藝。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)： 1 1、理解與掌握常用金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)；、理解與掌握常用金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)； 2 2、鐵碳合金相圖的意義及應(yīng)用；、鐵碳合

2、金相圖的意義及應(yīng)用； 3 3、熱處理基本原理與工藝。、熱處理基本原理與工藝。2022-4-27工藝性能工藝性能：指在制造機(jī)械零件的過(guò)程中，材料適應(yīng)指在制造機(jī)械零件的過(guò)程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。包括鑄造性能、鍛各種冷、熱加工和熱處理的性能。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。理工藝性能等。 第一節(jié)第一節(jié) 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能1 1金屬材料的性能金屬材料的性能使用性能使用性能：指材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，指材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。主要包括力

3、學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。2022-4-27指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度等。2 2金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能2022-4-271 1拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86GB6397-86規(guī)定規(guī)定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有有: :圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣；常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣；長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣：L L0 0=10d=10d0 0，短試樣：，短試樣：L L0 0=5d=5d0 0。2 2拉伸過(guò)程拉伸過(guò)程在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行在拉伸試

4、驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行3 3金屬材料的拉伸曲線金屬材料的拉伸曲線一、強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度和塑性（一）拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線（一）拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線2022-4-27opop段：段：比例彈性變形比例彈性變形階段。階段。pepe段：段：非比例彈性非比例彈性變變形階段。形階段。平臺(tái)或鋸齒（平臺(tái)或鋸齒（s s段）：段）：屈服階段屈服階段，明顯的塑，明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)。樣連續(xù)伸長(zhǎng)。低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線2022-4-27sbsb段：段：均勻塑性變形均勻塑性變形階階段，是強(qiáng)化階段。段，是強(qiáng)化階段。b b點(diǎn)：形成了點(diǎn)：形成了“縮頸縮頸”，即試樣

5、局部截面明顯縮即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，試?yán)炝_(dá)到最大值，試樣即將斷裂。樣即將斷裂。bkbk段：段：非均勻變形非均勻變形階段，階段，承載下降，到承載下降，到k k點(diǎn)點(diǎn)斷裂斷裂。2022-4-27(1)(1)屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度：屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度：屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)：產(chǎn)生產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值明顯塑性變形的最低應(yīng)力值. . s s = F = Fs s/S/S0 0 （二）常用強(qiáng)度性能指標(biāo)（二）常用強(qiáng)度性能指標(biāo)強(qiáng)度強(qiáng)度：材料在載荷作用下抵抗永久變形和破：材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)有壞的能力。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)

6、有0.20.2（s s），），b b 表示，單位為表示，單位為MPaMPa。符號(hào)：符號(hào)：s s材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力應(yīng)力 F Fs s試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力試樣屈服時(shí)所承受的拉伸力（N N） S S0 0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm）2022-4-27 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強(qiáng)度指是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強(qiáng)度指標(biāo)，大多數(shù)合金都沒(méi)有屈服現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度以標(biāo)，大多數(shù)合金都沒(méi)有屈服現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度以0.20.2( ( 塑性變形量為塑性變形量為0.2%0.2%，微量塑性變形，微量塑性變形) ) 表表示。示。0.20.2= F= F0.20.

7、2/ S/ S0 0 0.20.2試樣產(chǎn)生殘余塑性變形試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)時(shí)的應(yīng)力；力； S S0 0試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm( mm2 2) )。2022-4-27屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0.20.2（s s）是金屬工程結(jié)）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。也是評(píng)定金構(gòu)設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)。也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。2022-4-27 金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度（曾稱(chēng)強(qiáng)度極限），的最大應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度（曾稱(chēng)強(qiáng)度極限），以以b b表示，單位為表示，單位為MPaMPa。 b

8、 b = F = Fb b / S/ S0 0 式中：式中：F Fb b試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)(N) S S0 0試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm( mm2 2) )。(2)(2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度2022-4-27 當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力bb時(shí)，材料將時(shí)，材料將產(chǎn)生斷裂。產(chǎn)生斷裂。 bb常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依常用作脆性材料的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。據(jù)。也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。2022-4-27 金屬材料在載荷作用下，斷裂前發(fā)生金屬材料在載荷作用下，斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力就是塑性。常用的不可逆永久變形的能力就是塑

9、性。常用的塑性指標(biāo)是材料斷裂時(shí)最大相對(duì)塑性變形，塑性指標(biāo)是材料斷裂時(shí)最大相對(duì)塑性變形，如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。（三）塑性性能指標(biāo)（三）塑性性能指標(biāo)2022-4-27試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱(chēng)為斷后伸長(zhǎng)率，以分比稱(chēng)為斷后伸長(zhǎng)率，以表示。表示。L L1 1 - L - L0 0 = = 100%100% L L0 0式中：式中：L L1 1試樣拉斷后的標(biāo)距（試樣拉斷后的標(biāo)距（mmmm）；）； L LO O試樣原始標(biāo)距（試樣原始標(biāo)距（mmmm）。）。1 1斷后伸長(zhǎng)斷后伸長(zhǎng)2022-4-27 S0 - S

10、1 S0 - S 1 = = 100%100% S0 S0式中：式中：S0S0試樣原始面積（試樣原始面積（mm2mm2）；）； S1S1試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2mm2）2 2斷面收縮率斷面收縮率 試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱(chēng)為斷面縮率，以量與原始橫截面積的百分比稱(chēng)為斷面縮率，以表示。其數(shù)值按下式計(jì)算：表示。其數(shù)值按下式計(jì)算：2022-4-27 或或數(shù)值越大，則材料的塑性越好。數(shù)值越大，則材料的塑性越好。 除常溫試驗(yàn)之外，還有金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法除常溫試驗(yàn)之外，還有金屬材料高溫

11、拉伸試驗(yàn)方法（GB/T4338GB/T43389595）和低溫拉伸試驗(yàn)方法）和低溫拉伸試驗(yàn)方法（GB/T13239GB/T132399191）供選用。）供選用。2022-4-27 1 1定義定義 指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。二、硬度二、硬度2 2硬度的測(cè)試方法硬度的測(cè)試方法 （1 1）布氏硬度）布氏硬度 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 （3 3）維氏硬度）維氏硬度2022-4-27 它是它是衡量材料表面軟硬程度衡量材料表面軟硬程度的指標(biāo)，因的指標(biāo)，因此硬度不是一個(gè)單純的確定的物理量，不此硬度不是一個(gè)單純的確定的物理量，不是基本的力學(xué)性能指標(biāo)，而

12、是一個(gè)由是基本的力學(xué)性能指標(biāo)，而是一個(gè)由材料材料的彈性的彈性、強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性塑性、韌性韌性等系列不同力等系列不同力學(xué)性能組成的綜合性能指標(biāo)，所以硬度所學(xué)性能組成的綜合性能指標(biāo)，所以硬度所表示的量不僅決定于材料本身，而且還取表示的量不僅決定于材料本身，而且還取決于試驗(yàn)方法試驗(yàn)條件。決于試驗(yàn)方法試驗(yàn)條件。2022-4-271 1原理原理用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面壓痕直徑，到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面壓痕直徑

13、，以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法。以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法。（一）布氏硬度（一）布氏硬度HB ( BrinellHB ( Brinell-hardness )-hardness )布氏硬度試驗(yàn)布氏硬度試驗(yàn)2022-4-27用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。符號(hào)符號(hào)HBS(HBS(淬火鋼球淬火鋼球) )或或HBW(HBW(硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球) )之前的數(shù)字之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。例例如：如：120HBS10/1

14、000/30120HBS10/1000/30 表示直徑為表示直徑為10mm10mm的鋼球在的鋼球在1000k1000k（9.807kN9.807kN）載）載荷作用下保持荷作用下保持30s30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120120。2 2布氏硬度值布氏硬度值 2022-4-27 （1 1）測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測(cè)組織）測(cè)量值較準(zhǔn)確，重復(fù)性好，可測(cè)組織不不 均勻材料（鑄鐵）；均勻材料（鑄鐵）； （2 2）可測(cè)的硬度值不高；）可測(cè)的硬度值不高； （3 3）不測(cè)試成品與薄件；）不測(cè)試成品與薄件； （4 4）測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低。）測(cè)量費(fèi)時(shí)，效率低。3 3優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)4 4測(cè)量范圍測(cè)量范圍

15、用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。屬及非金屬材料等。2022-4-27洛氏硬度試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)1 1原理原理用頂角為用頂角為120120金剛石圓錐或淬火鋼球，在試金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用下壓入試驗(yàn)力的作用下壓入試 樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)后卸除試驗(yàn)力，用測(cè) 量的殘余壓痕深度增量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。量來(lái)計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness )2022-4-274 4測(cè)量范

16、圍測(cè)量范圍 用于測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料用于測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料. .3 3優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) （1 1）試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速；）試驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、迅速； （2 2）壓痕小，可測(cè)成品，薄件；）壓痕小，可測(cè)成品，薄件； （3 3）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值；）數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，應(yīng)測(cè)三點(diǎn)取平均值； （4 4）不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵。）不應(yīng)測(cè)組織不均勻材料，如鑄鐵。2 2洛氏硬度值洛氏硬度值 用測(cè)量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P(pán)上直接讀用測(cè)量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P(pán)上直接讀出，如：出，如：50HRC50HRC。2022-4-27（三）維氏硬度（三）維氏硬度HVHV(diamond penet

17、rator hardness)(diamond penetrator hardness)1.1.原理原理：用夾角為：用夾角為136136的金剛石四棱錐體壓頭使用的金剛石四棱錐體壓頭使用很小試驗(yàn)力很小試驗(yàn)力F F（49.03-980.07N49.03-980.07N）壓入試樣表面，測(cè)）壓入試樣表面，測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d d。2.2.維氏硬度值維氏硬度值用壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度表示。如：用壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度表示。如：640HV640HV。維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn)2022-4-274.4.測(cè)量范圍測(cè)量范圍 常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。常用于測(cè)薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。HVH

18、BSHVHBS3.3.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) （1 1）測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到）測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；極硬）； （2 2）可測(cè)成品與薄件；）可測(cè)成品與薄件； （3 3）試樣表面要求高，費(fèi)工。）試樣表面要求高，費(fèi)工。2022-4-27 機(jī)械零部件在工作過(guò)程中不僅受到靜載機(jī)械零部件在工作過(guò)程中不僅受到靜載荷或交變載荷作用，而且受到不同程度的沖荷或交變載荷作用，而且受到不同程度的沖擊載荷作用，如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在擊載荷作用，如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具時(shí)，必設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌性。須考慮所用

19、材料的沖擊吸收功或沖擊韌性。三、沖擊吸收功三、沖擊吸收功2022-4-27 目前最常見(jiàn)的沖擊試驗(yàn)方法是目前最常見(jiàn)的沖擊試驗(yàn)方法是擺錘式一次沖擊試擺錘式一次沖擊試驗(yàn)驗(yàn)，其試驗(yàn)原理下圖所示。，其試驗(yàn)原理下圖所示。沖擊實(shí)驗(yàn)原理圖沖擊實(shí)驗(yàn)原理圖 2022-4-27試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A Ak k為：為： A Ak k = mgHmgh = mgHmgh (J) (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值a ak k 就是試樣缺口處單位截面就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。積上所消耗的沖擊功。 K K = = A AK K / S / SN N式中：式中：A AK K 試樣沖斷時(shí)所

20、消耗的沖擊功；試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功； S SN N 試樣缺口處單位截面積。試樣缺口處單位截面積。2022-4-27 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，AKAK隨溫度的降低而減??；在某隨溫度的降低而減?。辉谀骋粶囟确秶?，材料的一溫度范圍，材料的AKAK值急劇下降，表明材料值急劇下降，表明材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時(shí)的溫度稱(chēng)為由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時(shí)的溫度稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 對(duì)一般常用鋼材來(lái)說(shuō)，所測(cè)沖擊吸收對(duì)一般常用鋼材來(lái)說(shuō)，所測(cè)沖擊吸收功功AKAK越大，材料的韌性越好。越大，材料的韌性越好。2022-4-27n疲勞破壞疲勞破壞疲勞斷裂疲勞斷裂n疲勞極限疲勞極限四、疲勞極限四、疲勞極限( fatigue strength )2022-4-27 許多機(jī)械零件如軸、齒輪、彈簧等許多工程結(jié)許多機(jī)械零件如軸、齒輪、彈簧等許多工程結(jié)構(gòu)都是交變應(yīng)力下工作的，它們工作時(shí)所承受的應(yīng)構(gòu)都是交變應(yīng)力下工作的，它們工作時(shí)所承受的應(yīng)力通常都低于材料的屈服強(qiáng)度。材料在循環(huán)應(yīng)力或力通常都低于材料的屈服強(qiáng)度。材料在循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累交變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部