船舶材料與焊接概要課件

船舶材料基礎(chǔ)11/19/2022船舶材料基礎(chǔ)11/11/20221目的與要求：

1、一般理解與掌握金屬材料的力學性能及試驗方法；

2、一般理解與掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶；

3、深刻理解與熟練掌握鐵碳合金相圖及其應用；

4、深刻理解與熟練掌握鋼的熱處理基本原理與工藝。教學重點、難點：

1、理解與掌握常用金屬材料的力學性能指標；

2、鐵碳合金相圖的意義及應用；

3、熱處理基本原理與工藝。11/19/2022目的與要求：

1、一般理解與掌握金屬材料的力學性能及試驗方2工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、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理工藝性能等。

第一節(jié)金屬的力學性能1．金屬材料的性能使用性能：指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學性能、物理性能和化學性能。11/19/2022工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和3

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。2．金屬材料力學性能11/19/2022指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、41．拉伸試樣

GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有:

圓形、矩形、異型及全截面

常用標準圓截面試樣；

長試樣：L0=10d0，短試樣：L0=5d0。

2．拉伸過程

在拉伸試驗機上進行

3．金屬材料的拉伸曲線一、強度和塑性（一）拉伸實驗與拉伸曲線11/19/20221．拉伸試樣

GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有:

圓5op段：比例彈性變形

階段。

pe段：非比例彈性變

形階段。

平臺或鋸齒（s段）：

屈服階段，明顯的塑

性變形屈服現(xiàn)象，作

用的力基本不變，試

樣連續(xù)伸長。低碳鋼的拉伸曲線11/19/2022op段：比例彈性變形

階段。

pe段：非比例彈性變

形階段。6sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。

b點：形成了“縮頸”，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。

bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。11/19/2022sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。

b點：形成了“縮頸”7(1)屈服點與屈服強度：

屈服點：產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應力值.

σs=Fs/S0

（二）常用強度性能指標強度：材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程上常用的強度指標有σ0.2（σs），σb表示，單位為MPa。符號：σs—材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應力

Fs—試樣屈服時所承受的拉伸力（N）

S0—試樣原始橫截面積（mm）11/19/2022(1)屈服點與屈服強度：

屈服點：產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應力8

屈服點是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強度指標，大多數(shù)合金都沒有屈服現(xiàn)象，屈服強度以σ0.2(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)表示。

σ0.2=F0.2/S0

σ0.2—試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時的應力；

S0—試樣原始橫截面(mm2)。11/19/2022屈服點是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強度指標，大多數(shù)合金都9

屈服強度σ0.2（σs）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的主要依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標之一。11/19/2022屈服強度σ0.2（σs）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的主10金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受的最大應力稱為抗拉強度（曾稱強度極限），以σb表示，單位為MPa。

σb=Fb/S0

式中：Fb—試樣斷裂前的最大載荷(N)

S0—試樣原始橫截面(mm2)。(2)抗拉強度11/19/2022金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受的最大應力稱為抗11當材料的內(nèi)應力σ＞σb時，材料將產(chǎn)生斷裂。

σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標之一。11/19/2022當材料的內(nèi)應力σ＞σb時，材料將產(chǎn)生斷裂。

σ12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。常用的塑性指標是材料斷裂時最大相對塑性變形，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。（三）塑性性能指標11/19/2022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13

試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，以δ表示。

L1-L0

δ=———×100%

L0

式中：L1—試樣拉斷后的標距（mm）；

LO—試樣原始標距（mm）。1．斷后伸長率11/19/2022試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長14S0-S1

ψ=—————×100%

S0

式中：S0—試樣原始面積（mm2）；

S1—試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）2．斷面收縮率試樣拉斷后，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為斷面縮率，以ψ表示。其數(shù)值按下式計算：11/19/2022S0-S1

15δ或ψ數(shù)值越大，則材料的塑性越好。除常溫試驗之外，還有金屬材料高溫拉伸試驗方法（GB/T4338—95）和低溫拉伸試驗方法（GB/T13239—91）供選用。11/19/2022δ或ψ數(shù)值越大，則材料的塑性越好。除常溫試驗之外，還16

1．定義

指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。二、硬度2．硬度的測試方法

（1）布氏硬度

（2）洛氏硬度

（3）維氏硬度11/19/20221．定義

指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。17它是衡量材料表面軟硬程度的指標，因此硬度不是一個單純的確定的物理量，不是基本的力學性能指標，而是一個由材料的彈性、強度、塑性、韌性等系列不同力學性能組成的綜合性能指標，所以硬度所表示的量不僅決定于材料本身，而且還取決于試驗方法試驗條件。11/19/2022它是衡量材料表面軟硬程度的指標，因此硬度不是一個單181．原理

用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應的試驗力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時間并達到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗力，測量材料表面壓痕直徑，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度試驗11/19/20221．原理

用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應的試19用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。符號HBS(淬火鋼球)或HBW(硬質(zhì)合金球)之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。例如：120HBS10/1000/30

表示直徑為10mm的鋼球在1000k（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。2．布氏硬度值

11/19/2022用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。2．布氏硬度值20（1）測量值較準確，重復性好，可測組織不

均勻材料（鑄鐵）；

（2）可測的硬度值不高；

（3）不測試成品與薄件；

（4）測量費時，效率低。3．優(yōu)缺點4．測量范圍

用于測量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。11/19/2022（1）測量值較準確，重復性好，可測組織不

均勻材21洛氏硬度試驗

1．原理

用頂角為120o金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。（二）洛氏硬度HR(Rockwellhardness)11/19/2022洛氏硬度試驗

1．原理

用頂角為120o金剛石圓錐或淬火鋼球224．測量范圍

用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.3．優(yōu)缺點

（1）試驗簡單、方便、迅速；

（2）壓痕小，可測成品，薄件；

（3）數(shù)據(jù)不夠準確，應測三點取平均值；

（4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。2．洛氏硬度值

用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出，如：50HRC。11/19/20224．測量范圍

用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.3．優(yōu)23（三）維氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)1.原理：用夾角為136o的金剛石四棱錐體壓頭使用很小試驗力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d。2.維氏硬度值

用壓痕對角線長度表示。如：640HV。維氏硬度試驗11/19/2022（三）維氏硬度HV1.原理：用夾角為136o的金剛石四棱錐體244.測量范圍

常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。

HV≈HBS3.優(yōu)缺點

（1）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；

（2）可測成品與薄件；

（3）試樣表面要求高，費工。11/19/20224.測量范圍

常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。

25機械零部件在工作過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擊載荷作用，如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具時，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌性。三、沖擊吸收功11/19/2022機械零部件在工作過程中不僅受到靜載荷或交變載荷作用，26目前最常見的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，其試驗原理下圖所示。沖擊實驗原理圖

11/19/2022目前最常見的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，其試驗27試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為：

Ak=mgH─mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

ɑK= AK/SN

式中：AK—試樣沖斷時所消耗的沖擊功；

SN—試樣缺口處單位截面積。11/19/2022試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為：

Ak=28實驗表明，AK隨溫度的降低而減??；在某一溫度范圍，材料的AK值急劇下降，表明材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

對一般常用鋼材來說，所測沖擊吸收功AK越大，材料的韌性越好。11/19/2022實驗表明，AK隨溫度的降低而減??；在某一溫度范圍，材29疲勞破壞疲勞斷裂疲勞極限四、疲勞極限(fatiguestrength)11/19/2022疲勞破壞四、疲勞極限(fatiguestrength)30許多機械零件如軸、齒輪、彈簧等許多工程結(jié)構(gòu)都是交變應力下工作的，它們工作時所承受的應力通常都低于材料的屈服強度。材料在循環(huán)應力或交變應力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為材料的疲勞破壞。11/19/2022許多機械零件如軸、齒輪、彈簧等許多工程結(jié)構(gòu)都是交變應31疲勞破壞與靜載荷下的破壞不同，斷裂前沒有明顯的塑性變化，發(fā)生斷裂也較突然。這種斷裂具有很大的危險性，常常造成嚴重的事故。據(jù)統(tǒng)計，大部分機械零件的失效是由金屬疲勞造成的。因此，工程上十分重視對疲勞規(guī)律的研究。11/19/2022疲勞破壞與靜載荷下的破壞不同，斷裂前沒有明顯的32疲勞極限：表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值（或當應力低于某值時，應力循環(huán)到無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應力值）稱為材料的疲勞極限。11/19/2022疲勞極限：表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應33通常在對稱應力循環(huán)條件下的純彎曲疲勞極限用σ-1表示。

鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107

有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108

鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

σ-1=(0.45～0.55)σb11/19/2022通常在對稱應力循環(huán)條件下的純彎曲疲勞極限用σ-1表示34疲勞曲線示意圖

11/19/2022疲勞曲線示意圖11/11/202235船舶材料基礎(chǔ)11/19/2022船舶材料基礎(chǔ)11/11/202236目的與要求：

1、一般理解與掌握金屬材料的力學性能及試驗方法；

2、一般理解與掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶；

3、深刻理解與熟練掌握鐵碳合金相圖及其應用；

4、深刻理解與熟練掌握鋼的熱處理基本原理與工藝。教學重點、難點：

1、理解與掌握常用金屬材料的力學性能指標；

2、鐵碳合金相圖的意義及應用；

3、熱處理基本原理與工藝。11/19/2022目的與要求：

1、一般理解與掌握金屬材料的力學性能及試驗方37工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、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理工藝性能等。

第一節(jié)金屬的力學性能1．金屬材料的性能使用性能：指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學性能、物理性能和化學性能。11/19/2022工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和38

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。2．金屬材料力學性能11/19/2022指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、391．拉伸試樣

GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有:

圓形、矩形、異型及全截面

常用標準圓截面試樣；

長試樣：L0=10d0，短試樣：L0=5d0。

2．拉伸過程

在拉伸試驗機上進行

3．金屬材料的拉伸曲線一、強度和塑性（一）拉伸實驗與拉伸曲線11/19/20221．拉伸試樣

GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有:

圓40op段：比例彈性變形

階段。

pe段：非比例彈性變

形階段。

平臺或鋸齒（s段）：

屈服階段，明顯的塑

性變形屈服現(xiàn)象，作

用的力基本不變，試

樣連續(xù)伸長。低碳鋼的拉伸曲線11/19/2022op段：比例彈性變形

階段。

pe段：非比例彈性變

形階段。41sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。

b點：形成了“縮頸”，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。

bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。11/19/2022sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。

b點：形成了“縮頸”42(1)屈服點與屈服強度：

屈服點：產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應力值.

σs=Fs/S0

（二）常用強度性能指標強度：材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程上常用的強度指標有σ0.2（σs），σb表示，單位為MPa。符號：σs—材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應力

Fs—試樣屈服時所承受的拉伸力（N）

S0—試樣原始橫截面積（mm）11/19/2022(1)屈服點與屈服強度：

屈服點：產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應力43

屈服點是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強度指標，大多數(shù)合金都沒有屈服現(xiàn)象，屈服強度以σ0.2(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)表示。

σ0.2=F0.2/S0

σ0.2—試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時的應力；

S0—試樣原始橫截面(mm2)。11/19/2022屈服點是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強度指標，大多數(shù)合金都44

屈服強度σ0.2（σs）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的主要依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標之一。11/19/2022屈服強度σ0.2（σs）是金屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的主45金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受的最大應力稱為抗拉強度（曾稱強度極限），以σb表示，單位為MPa。

σb=Fb/S0

式中：Fb—試樣斷裂前的最大載荷(N)

S0—試樣原始橫截面(mm2)。(2)抗拉強度11/19/2022金屬材料在載荷作用下，斷裂前所能承受的最大應力稱為抗46當材料的內(nèi)應力σ＞σb時，材料將產(chǎn)生斷裂。

σb常用作脆性材料的選材和設(shè)計的依據(jù)。也是評定金屬強度的重要指標之一。11/19/2022當材料的內(nèi)應力σ＞σb時，材料將產(chǎn)生斷裂。

σ47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。常用的塑性指標是材料斷裂時最大相對塑性變形，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。（三）塑性性能指標11/19/2022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48

試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，以δ表示。

L1-L0

δ=———×100%

L0

式中：L1—試樣拉斷后的標距（mm）；

LO—試樣原始標距（mm）。1．斷后伸長率11/19/2022試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長49S0-S1

ψ=—————×100%

S0

式中：S0—試樣原始面積（mm2）；

S1—試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）2．斷面收縮率試樣拉斷后，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為斷面縮率，以ψ表示。其數(shù)值按下式計算：11/19/2022S0-S1

50δ或ψ數(shù)值越大，則材料的塑性越好。除常溫試驗之外，還有金屬材料高溫拉伸試驗方法（GB/T4338—95）和低溫拉伸試驗方法（GB/T13239—91）供選用。11/19/2022δ或ψ數(shù)值越大，則材料的塑性越好。除常溫試驗之外，還51

1．定義

指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。二、硬度2．硬度的測試方法

（1）布氏硬度

（2）洛氏硬度

（3）維氏硬度11/19/20221．定義

指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。52它是衡量材料表面軟硬程度的指標，因此硬度不是一個單純的確定的物理量，不是基本的力學性能指標，而是一個由材料的彈性、強度、塑性、韌性等系列不同力學性能組成的綜合性能指標，所以硬度所表示的量不僅決定于材料本身，而且還取決于試驗方法試驗條件。11/19/2022它是衡量材料表面軟硬程度的指標，因此硬度不是一個單531．原理

用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應的試驗力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時間并達到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗力，測量材料表面壓痕直徑，以計算硬度的一種壓痕硬度試驗方法。（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度試驗11/19/20221．原理

用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應的試54用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。符號HBS(淬火鋼球)或HBW(硬質(zhì)合金球)之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。例如：120HBS10/1000/30

表示直徑為10mm的鋼球在1000k（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。2．布氏硬度值

11/19/2022用球面壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示。2．布氏硬度值55（1）測量值較準確，重復性好，可測組織不

均勻材料（鑄鐵）；

（2）可測的硬度值不高；

（3）不測試成品與薄件；

（4）測量費時，效率低。3．優(yōu)缺點4．測量范圍

用于測量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料等。11/19/2022（1）測量值較準確，重復性好，可測組織不

均勻材56洛氏硬度試驗

1．原理

用頂角為120o金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量來計算硬度的一種壓痕硬度試驗。（二）洛氏硬度HR(Rockwellhardness)11/19/2022洛氏硬度試驗

1．原理

用頂角為120o金剛石圓錐或淬火鋼球574．測量范圍

用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.3．優(yōu)缺點

（1）試驗簡單、方便、迅速；

（2）壓痕小，可測成品，薄件；

（3）數(shù)據(jù)不夠準確，應測三點取平均值；

（4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。2．洛氏硬度值

用測量的殘余壓痕深度表示?？蓮谋肀P上直接讀出，如：50HRC。11/19/20224．測量范圍

用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料.3．優(yōu)58（三）維氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)1.原理：用夾角為136o的金剛石四棱錐體壓頭使用很小試驗力F（49.03-980.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d。2.維氏硬度值

用壓痕對角線長度表示。如：640HV。維氏硬度試驗11/19/2022（三）維氏硬度HV1.原理：用夾角為136o的金剛石四棱錐體594.測量范圍

常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。

HV≈HBS3.優(yōu)缺點

（1）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）；

（2）可測成品與薄件；

（3）試樣表面要求高，費工。11/19/20224.測量范圍

常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。

60機械零部件在工作過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擊載荷作用，如鍛錘、沖床、鉚釘槍等。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具時，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌性。三、沖擊吸收功11/19/2022機械零部件在工作過程中不僅受到靜載荷或交變載荷作用，61目前最常見的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，其試驗原理下圖所示。沖擊實驗原理圖

11/19/2022目前最常見的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗，其試驗62試樣沖斷時