1、ASME標準中材料一、力與平衡AFKL力的概念力的概念 1定義：力是物體間的相互機械作用，這種作用可以改定義：力是物體間的相互機械作用，這種作用可以改變物體的運動狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。變物體的運動狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。2. 力的效應(yīng)：力的效應(yīng)： 運動效應(yīng)運動效應(yīng)(外效應(yīng)外效應(yīng)) 變形效應(yīng)變形效應(yīng)(內(nèi)效應(yīng)內(nèi)效應(yīng))。3. 力的三要素：大小，方向，作用點力的三要素：大小，方向，作用點AF力的作用線：沿力矢力的作用線：沿力矢F的的直線KL稱為力的作用線。推論：力是矢量推論：力是矢量 印刷體用黑體 字，手寫時用 或 表示。FF 印刷體用黑體 字，手寫時用 或 表示。FF 印刷體用黑體 字，手寫時用 或

2、表示。FF靜力學(xué)基本公理靜力學(xué)基本公理公理公理1 1 二力平衡公理二力平衡公理作用于剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要與充分條件是：這兩個力大小相等 | F1 | = | F2 | , ( F1 = F2 )指向相反 F1 = F2作用線共線，只用白體字F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符號。F 表示力的大小，而不在其上加或矢量符號。 公理：是人類經(jīng)過長期實踐和經(jīng)驗而得到的結(jié)論，它被公理：是人類經(jīng)過長期實踐和經(jīng)驗而得到的結(jié)論，它被反復(fù)的實踐所驗證，是無須證明而為人們所公認的結(jié)論。反復(fù)的實踐所驗證，是無須證明而為人們所公認的結(jié)論。作用于同一個物體上。 在已知力系上加上或減去任意一個平衡力系，并不

3、改變原力系對剛體的作用效應(yīng)。推論推論1：力的可傳性原理。：力的可傳性原理。 作用于剛體上的力可沿其作用線移到同一剛體內(nèi)的任一作用于剛體上的力可沿其作用線移到同一剛體內(nèi)的任一點，而不改變該力對剛體的效應(yīng)。點，而不改變該力對剛體的效應(yīng)。公理公理2 2 加減平衡力系公理加減平衡力系公理 對同一個剛體來說，力的該性質(zhì)稱為力的可傳性力的可傳性，因此，對同一個剛體，力是滑動矢量滑動矢量。 剛體受三力作用而平衡，若其中兩力作用線匯交于一點，則另一力的作用線必匯交于同一點，且三力的作用線共面。（不平行的三個力平衡的必要條件）公理公理3 3 力的平行四邊形法則力的平行四邊形法則 作用于物體上同一點的兩個力可合成

4、一個合力，此合力也作用于該點，合力的大小和方向由以原兩力矢為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線來表示。推論推論2：三力平衡匯交定理：三力平衡匯交定理 21FFR公理公理4 4 作用力和反作用力定律作用力和反作用力定律等值、反向、共線、異體、且同時存在。證證 為平衡力系， 也為平衡力系。 又 二力平衡必等值、反向、共線， 三力 必匯交，且共面。321 , , FFF321 , , FFF3 , FR例例 公理公理5 5 剛化原理剛化原理體（剛化為剛體），則平衡狀態(tài)保持不變。 公理公理5 告訴我們：處于告訴我們：處于平衡狀態(tài)的變形體，可用剛平衡狀態(tài)的變形體，可用剛體靜力學(xué)的平衡理論去硏究。體靜力學(xué)的平

5、衡理論去硏究。變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體變成剛 約束反力：約束給被約束物體的力叫約束反力。（約束約束反力：約束給被約束物體的力叫約束反力。（約束的作用由力來表示，該力稱為約束反力。）的作用由力來表示，該力稱為約束反力。）約束與約束反力約束與約束反力概念概念 自由體：位移不受限制的物體叫自由體。自由體：位移不受限制的物體叫自由體。 非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。 約束：對非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制約束：對非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制條件稱為約束。 （這里，約束是名詞，而不是動詞的約束） 主動力主動力: 促使物體運動或使物體

6、產(chǎn)生運動趨勢的力稱為促使物體運動或使物體產(chǎn)生運動趨勢的力稱為主動力（如重力、風(fēng)力、切削力、物體壓力、牽引力等）。主動力（如重力、風(fēng)力、切削力、物體壓力、牽引力等）。 約束反力特點：約束反力特點：GGN1N2大小常常是未知的；方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；作用點在物體與約束相接觸的那一點。柔性體約束只能承受拉力，所以它們的約束反力是作用在接觸點，方向沿柔性體軸線，背離被約束物體。是離點而去的力。約束類型和確定約束反力方向的方法：約束類型和確定約束反力方向的方法：1.由柔軟的繩索、鏈條或皮帶構(gòu)成的柔性體約束由柔軟的繩索、鏈條或皮帶構(gòu)成的柔性體約束PPTS1S1S2S2 約束反力作用在接觸

7、點處，方向沿公法線，指向受力物體是向點而來的力。2.光滑接觸面的約束光滑接觸面的約束 (光滑指摩擦不計光滑指摩擦不計)PNNPNANB滑槽與銷釘滑槽與銷釘3.光滑圓柱鉸鏈約束光滑圓柱鉸鏈約束圓柱鉸鏈圓柱鉸鏈AAAXAYAA固定鉸支座固定鉸支座活動鉸支座（輥軸支座）活動鉸支座（輥軸支座）N的實際方向也的實際方向也可以向下可以向下N物體的受力分析和受力圖物體的受力分析和受力圖受力分析受力分析解決力學(xué)問題時，首先要選定需要進行研究的物體，即選擇研究對象；然后根據(jù)已知條件，約束類型并結(jié)合基本概念和公理分析它的受力情況，這個過程稱為物體的受力分析。作用在物體上的力有：一類是:主動力,如重力,風(fēng)力,氣體二

8、類是：被動力，即約束反力。壓力等。畫物體受力圖主要步驟為：畫物體受力圖主要步驟為：選研究對象；選研究對象；取分離體；取分離體； 畫上主動力；畫上主動力；畫出約束反力。畫出約束反力。受力圖受力圖例例1畫受力圖應(yīng)注意的問題畫受力圖應(yīng)注意的問題接觸處必有力，力的方向由約束類型而定。 不要多畫力不要多畫力對于受力體所受的每一個力，都應(yīng)能明確地 不要漏畫力不要漏畫力除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，指出它是哪一個施力體施加的。要注意力是物體之間的相互機械作用。因此不要把箭頭方向畫錯。 不要畫錯力的方向不要畫錯力的方向 受力

9、圖上不能再帶約束。受力圖上不能再帶約束。 即受力圖一定要畫在分離體上。約束反力的方向必須嚴格地按照約束的類型來畫，不能單憑直觀或根據(jù)主動力的方向來簡單推想。在分析兩物體之間的作用力與反作用力時，要注意，作用力的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之相反，內(nèi)力，就成為新研究對象的外力。部或單個物體的受力圖上要與之保持一致。 受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。受力圖上只畫外力，不畫內(nèi)力。 同一系統(tǒng)各研究對象的受力圖必須整體與局部一致，相同一系統(tǒng)各研究對象的受力圖必須整體與局部一致，相 互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。互協(xié)調(diào)，不能相互矛盾。 正確判斷二力構(gòu)件。正確判斷二力構(gòu)件。一個力，屬于外力還是內(nèi)力，因研究對象的

10、不同，有可能不同。當物體系統(tǒng)拆開來分析時，原系統(tǒng)的部分對于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局二、應(yīng)力狀態(tài)和強度理論應(yīng)力狀態(tài)普遍狀態(tài)下的應(yīng)力表示普遍狀態(tài)下的應(yīng)力表示單元體：單元體：單元體單元體構(gòu)件內(nèi)的點的代表物，是包圍被研究點構(gòu)件內(nèi)的點的代表物，是包圍被研究點 的無限小的幾何體，常用的是正六面體。的無限小的幾何體，常用的是正六面體。 單元體的性質(zhì)單元體的性質(zhì)aa、平行面上，應(yīng)力均布；、平行面上，應(yīng)力均布； b b、平行面上，應(yīng)力相等。、平行面上，應(yīng)力相等。一點的應(yīng)力狀態(tài)：一點的應(yīng)力狀態(tài)： 過一點有無數(shù)的截面，這一點的各個截面上應(yīng)力情況的集合，過一點有無數(shù)的截面，這一點的各個截面上應(yīng)力情況

11、的集合，稱為這點的應(yīng)力狀態(tài)（稱為這點的應(yīng)力狀態(tài)（State of Stress at a Given PointState of Stress at a Given Point）。）。xyzs s xszsz s s yt txyxyzs s xszsz s s yt txy剪應(yīng)力互等定理（剪應(yīng)力互等定理（Theorem of Conjugate Shearing Stress):Theorem of Conjugate Shearing Stress): 過一點的兩個正交面上過一點的兩個正交面上, ,如果有與相交邊垂直的剪應(yīng)力分如果有與相交邊垂直的剪應(yīng)力分量量, ,則兩個面上的這兩個剪應(yīng)力分

12、量一定等值、方向相對或相則兩個面上的這兩個剪應(yīng)力分量一定等值、方向相對或相離。離。0 :zM單元體平衡證明0d)dd(d)dd(yxzxzyyxxyttyxxytt主單元體、主面、主應(yīng)力：主單元體、主面、主應(yīng)力：主單元體(Principal bidy)： 各側(cè)面上剪應(yīng)力均為零的單元體。主面(Principal Plane)： 剪應(yīng)力為零的截面。主應(yīng)力(Principal Stress ）： 主面上的正應(yīng)力。主應(yīng)力排列規(guī)定：按代數(shù)值大小，321ssss1s1s2s2s3s3xyzsxsxsysyszsz單向應(yīng)力狀態(tài)（Unidirectional State of Stress）： 一個主應(yīng)力不為

13、零的應(yīng)力狀態(tài)。 二向應(yīng)力狀態(tài)（Plane State of Stress）： 一個主應(yīng)力為零的應(yīng)力狀態(tài)。三向應(yīng)力狀態(tài)（ ThreeDimensional State of Stress）： 三個主應(yīng)力都不為零的應(yīng)力狀態(tài)。As sxs sxt tzxs sxs sxBt txz平面應(yīng)力狀態(tài)分析平面應(yīng)力狀態(tài)分析解析法解析法等價等價s sxt txys syxyzxys sxt txys syO規(guī)定：s 截面外法線同向為正； t 繞研究對象順時針轉(zhuǎn)為正； 逆時針為正。圖1設(shè)：斜截面面積為S，由分離體平衡得： Fn00cossinsinsincoscos22tstssSSSSSyxyxyx任意斜截面上

14、的應(yīng)力任意斜截面上的應(yīng)力xys sxt txys syOs syt txys sxs s t t xyOtn圖2圖1xys sxt txys syOs syt txys sxs s t t xyOtn圖2tsssss2sin2cos22xyyxyxtsst2cos2sin2xyyx考慮剪應(yīng)力互等和三角變換，得：同理：02cos22sin:000tsssxyyxdd令極值應(yīng)力極值應(yīng)力yxxysst22tg0和兩各極值：）、（由此的兩個駐點：20101！極值正應(yīng)力就是主應(yīng)力 00t）2222xyyxyxm inm axt ts ss ss ss ss ss s （ xys sxt txys syO

15、xys sxt txys syO主主單元體單元體s1在剪應(yīng)力相對的項限內(nèi)，且偏向于sx 及sy大的一側(cè)。0dd:1t令xyyxtss22tg1222x yyxminmaxt ts ss st tt t ）（01045 , 4成即極值剪應(yīng)力面與主面min2max1 ;ssss 2s1s平面應(yīng)力狀態(tài)分析平面應(yīng)力狀態(tài)分析圖解法圖解法tssttsssss2cos2sin22sin2cos22xyyxxyyxyx222222xyyxyxtsstsss對上述方程消去參數(shù)（2），得：1 1、應(yīng)力圓（、應(yīng)力圓（ Stress CircleStress Circle）xys sxt txys syOs syt

16、txys sxs s t t xyOtn此方程曲線為圓應(yīng)力圓（或莫爾圓，由德國工程師：Otto Mohr引入）建立應(yīng)力坐標系，如下圖所示，（注意選好比例尺）2 2、應(yīng)力圓的畫法、應(yīng)力圓的畫法在坐標系內(nèi)畫出點A( x，xy)和B(y，yx) AB與sa 軸的交點C便是圓心。以C為圓心，以AC為半徑畫圓應(yīng)力圓；s sxt txys syxyOns s t t Os s t t CA(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2 nD( s s , t t s sxt txys syxyOns s t t Os s t t CA(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2

17、nD( s s , t t 3 3、單元體與應(yīng)力圓的對應(yīng)關(guān)系、單元體與應(yīng)力圓的對應(yīng)關(guān)系面上的應(yīng)力(s ，t ) 應(yīng)力圓上一點(s ，t )面的法線 應(yīng)力圓的半徑兩面夾角 兩半徑夾角2 ；且轉(zhuǎn)向一致。223122xyyxyxROCtssssss）（半徑4 4、在應(yīng)力圓上標出極值應(yīng)力、在應(yīng)力圓上標出極值應(yīng)力22minmaxminmax22xyyxRtsssstt）（半徑OCs s t t A(s sx ,t txy)B(s sy ,t tyx)x2 1 1mintmaxt2 0 0s s1s s2s s3三向應(yīng)力狀態(tài)研究三向應(yīng)力狀態(tài)研究應(yīng)力圓法應(yīng)力圓法s s2s s1xyzs s31s2s3sst

18、1 1、空間應(yīng)力狀態(tài)、空間應(yīng)力狀態(tài)2 2、三向應(yīng)力分析、三向應(yīng)力分析彈性理論證明，圖a單元體內(nèi)任意一點任意截面上的應(yīng)力都對應(yīng)著圖b的應(yīng)力圓上或陰影區(qū)內(nèi)的一點。圖圖a圖圖b整個單元體內(nèi)的最大剪應(yīng)力為：t tmax231maxssts s2s s1xyzs s31s2s3sst復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力 - - 應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系 （廣義虎克定律）（廣義虎克定律）1 1、單拉下的應(yīng)力、單拉下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系ExxsxyEsxzEs2 2、純剪的應(yīng)力、純剪的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系Gxyxyt) 0 x,y,z(i,jij)( 0 x,y,zii0zxyzxyzs sxxyzt t

19、 x y3 3、復(fù)雜狀態(tài)下的應(yīng)力、復(fù)雜狀態(tài)下的應(yīng)力 - - 應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系依疊加原理,得:zyxzyxxEEEEssssss1 xzyyEsss1yxzzEsss1GxyxytGyzyztGzxzxtzyxxEsss1 xyzszszsysyt txysxsx主應(yīng)力主應(yīng)力 - - 主應(yīng)變關(guān)系主應(yīng)變關(guān)系4 4、平面狀態(tài)下的應(yīng)力、平面狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系: :0zxyzztts方向一致02tg2sstyxxyyxxy02tg13221sssE12331sssE32111sssExyxyGtyxxEs21xyyEs21s s1s s3s s2強度理論4個涉及破壞的強度理論（一）最大拉應(yīng)力

20、（第一強度）理論：認為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。當最大拉應(yīng)力達到單向拉伸時的強度極限時 ，構(gòu)件就斷了。1、破壞判據(jù)：0)( ; 11 s ss ss sb2、強度準則： 0)( ; 11 s ss ss s3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。 （二）最大伸長線應(yīng)變（第二強度）理論：認為構(gòu)件的斷裂是由最大拉應(yīng)變引起的。當最大伸長線應(yīng)變達到單向拉伸試驗下的 極限應(yīng)變時，構(gòu)件就斷了。1、破壞判據(jù)：0)( ; 11 b2、強度準則：3、適用范圍：適用于破壞形式為脆斷的構(gòu)件。 EEbs ss ss s s s 32111 bs ss ss s s s 321 s ss ss s s s 32

21、1（三）最大剪應(yīng)力（第三強度）理論：認為構(gòu)件的屈服是由最大剪應(yīng)力引起的。當最大剪應(yīng)力達到單向拉伸試驗的極限剪應(yīng)力時，構(gòu)件就破壞了。1、破壞判據(jù)：st tt t max3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。 sst ts ss ss st t 2231maxss ss ss s 312、強度準則： s ss ss s 31（四）形狀改變比能（第四強度）理論：認為構(gòu)件的屈服是由形狀改變比能引起的。當形狀改變比能達到單向拉伸試驗屈服時形狀改變比能時，構(gòu)件就破壞了。1、破壞判據(jù)：xsxuu max2、強度準則3、適用范圍：適用于破壞形式為屈服的構(gòu)件。 21323222161s ss ss ss s

22、s ss s Eux ss ss ss ss ss ss ss s 21323222121 s ss ss ss ss ss ss s 21323222121強度理論的選用原則：依破壞形式而定。強度理論的選用原則：依破壞形式而定。1、脆性材料：一般使用第一或第二強度理論；4、簡單變形時：一律用與其對應(yīng)的強度準則。如扭轉(zhuǎn)，都用：2、塑性材料：一般使用第三或第四理論。 t tt t max5、破壞形式還與溫度、變形速度等有關(guān)！3、特殊：三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，用第一強度理論； 三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，用第三或第四強度理論；三、材料的力學(xué)性能和試驗材料的力學(xué)性能（機械性能）ASME SA370-2001 鋼制品

23、力學(xué)性能試驗的標準試驗方法和定義 （與ASTM標準A370-96完全等同） 1. 材料的強度 取樣方向各種類型鍛件的取樣部位抗拉強度拉伸試驗ASTM E8 （）屈服點：當試件拉力在（）屈服點：當試件拉力在 范圍內(nèi)時，如卸去拉力，試件能恢范圍內(nèi)時，如卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，復(fù)原狀，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，因此，該階段被稱為彈性階段。當因此，該階段被稱為彈性階段。當對試件的拉伸進入塑性變形的屈服對試件的拉伸進入塑性變形的屈服階段時，稱屈服下限下所對階段時，稱屈服下限下所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度或屈服點，記應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度或屈服點，記做做ss。設(shè)計時一般以。設(shè)計時一般以ss作

24、為強度作為強度取值的依據(jù)。對屈服現(xiàn)象不明顯的取值的依據(jù)。對屈服現(xiàn)象不明顯的鋼材，規(guī)定以鋼材，規(guī)定以0.20.2殘余變形時的應(yīng)殘余變形時的應(yīng)力力0.20.2作為屈服強度。作為屈服強度。 （）抗拉強度：從圖（）抗拉強度：從圖2 2中曲線逐中曲線逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，稱為其抵抗塑性變形的能力又重新提高，稱為強化階段。對應(yīng)于最高點的應(yīng)力稱為抗強化階段。對應(yīng)于最高點的應(yīng)力稱為抗拉強度，用拉強度，用bb表示。表示。 設(shè)計中抗拉強度雖然不能利用，但屈設(shè)計中抗拉強度雖然不能利用，但屈強比強比ssbb有一定意義。屈強比愈小，有一

25、定意義。屈強比愈小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性愈大，因而結(jié)構(gòu)的安全性愈高。但屈強比愈大，因而結(jié)構(gòu)的安全性愈高。但屈強比太小，則反映鋼材不能有效地被利用。太小，則反映鋼材不能有效地被利用。 (3) (3) 伸長率：圖伸長率：圖2 2中當曲線到達中當曲線到達點后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形點后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產(chǎn)生迅速增加，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象”而斷裂。而斷裂。量出拉斷后標距部分的長度量出拉斷后標距部分的長度LlLl，標距的，標距的伸長值與原始標距伸長值與原始標距L0L0的百分率稱為伸長的百分率稱為伸長率。即：率。即： （L1

26、-LOL1-LO） =100%100% L0 L0持久強度和蠕變強度拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗機拉伸試驗機液壓式萬能電子材料試驗機* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0 短試樣：L0=5d0ASME：L0=4d0 d0L0力力伸長曲線伸長曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形塑性變形塑性變形: :外力外力去除后不能消失去除后不能消失的變形的變形彈性彈性( elasticity ):金屬材料受外力作金屬材料受外力作 用時產(chǎn)生變形用時產(chǎn)生變形,當外力去掉后能恢復(fù)當外力去掉后能恢復(fù) 到原來形狀及尺寸的性能。到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形彈性變形( elast

27、ic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。 彈性極限彈性極限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象力力伸長曲線伸長曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形強度強度(strength): 材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。 種類種類: 抗拉強度、抗拉強度、 抗壓強度、抗壓強度、 抗彎強抗彎強 度度 、 抗剪強度抗剪強度

28、 、 抗扭強度等。抗扭強度等。 (2)屈服強度屈服強度( yield strength): 屈服點屈服點 S Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2)規(guī)定殘余伸長應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o(3)抗拉強度抗拉強度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2) 力 學(xué) 性 能強度硬度韌

29、性斷裂韌度疲勞主要指標：主要指標：塑性塑性塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積的收縮量與原始橫截面積S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)斷后伸長率斷后伸長率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量L 1與與原始標距原始標距L 0之比。之比。

30、L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料長試樣：10 簡寫為短試樣：5 同一種材料的5 10硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定義：定義： 是指材料抵抗其它更硬是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。物體壓入其表面的能力。 ASME SA370-2001ASME SA370-2001給出各給出各種不同試驗結(jié)果的對照表以及相種不同試驗結(jié)果的對照表以及相應(yīng)的大致抗拉強度。應(yīng)的大致抗拉強度。2.2.硬度試驗方法：硬度試驗方法：（1 1）壓入法）壓入法（2 2）劃痕法）劃痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HBHB：ASTM E10

31、ASTM E10 洛氏硬度洛氏硬度HRHR：ASTM E18 ASTM E18 維氏硬度維氏硬度HVHV：ASTM EASTM E壓入法壓入法( (一一) )布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness)布氏硬度計布氏硬度計 觀看布氏硬度觀看布氏硬度1.1.壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW2.2.試驗原理：試驗原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布

32、氏硬度值布氏硬度值450450的材料的材料 選用淬火鋼球壓頭例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450650的材料的材料 選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.標注：標注： 符號符號HBSHBS或或HBWHBW之前的數(shù)字表示硬度值，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、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。載荷及載荷保持時間。如如:120HBS10/1000/30:120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm10mm的鋼的鋼球在球在100

33、0kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）載荷作用下保持）載荷作用下保持30s30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120120。4. 特點：優(yōu)點：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1.1.壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體鋼球金剛石圓錐體鋼球鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.試驗原理：試驗原理：

34、用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸載卸載140kg h3140kg h3最后測得：最后測得：殘余壓痕深度增量殘余壓痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070HRCHRA、HRB、HRC分別測得的硬度

35、，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特點：特點：優(yōu)點：優(yōu)點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕小；測量范圍大，能測較薄工件。缺點：缺點：測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。應(yīng)用：( (三三) )維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness )維氏硬度計1.1.壓頭：壓頭： 錐面夾角為錐面夾角為136136的金剛石的金剛石正四棱錐體正四棱錐體2.2.試驗原理：試驗原理： 與布氏硬度試驗原理基本相同。 只是壓頭改用了

36、金剛石四棱錐體。 以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2.2.試驗原理：試驗原理：用壓痕兩對角線的平均長度來計算。H V=F/Saad3.3.標注：標注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件試驗力和保持時間（1015S不標）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗力保持1015S測定的維氏硬度值為580。4.4.特點：特點：優(yōu)點：優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：應(yīng)用：廣泛用于科研單位和

37、高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗的能力。沖擊試驗ASTM E231.1.定義：定義：沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖2.2.金屬的夏比沖擊試驗金屬的夏比沖擊試驗: :試樣沖斷時所消耗的沖擊功試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)g g 沖擊韌度沖擊韌度ak ak 就是試樣缺口處就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm

38、) S03.3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度: :-40-20020204060akT(c)TT，akak急劇急劇韌性韌性脆性脆性脆性轉(zhuǎn)變溫度 FATT50 金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材料的低溫沖擊韌性愈好。沖擊試驗中的側(cè)向膨脹量“側(cè)向膨脹值按照ASTM A370的技術(shù)要求”。測微儀的讀數(shù)也應(yīng)得到認可，并應(yīng)該預(yù)先注意以下事項： eL=（ee1）mm 其中eL=側(cè)向膨脹值；試樣兩個平分段的A和B面，必須處于精確的同一平面（P）中。側(cè)向膨脹值應(yīng)取3次不同測量結(jié)果的平均值。 Pellini 落錘試驗（TNDT溫度的確定）試樣制備及試驗條件應(yīng)符合ASTM E208標準規(guī)定的要求。在進行每組試驗前應(yīng)確保重錘是

39、從正確的高度（在+10%到0%的誤差范圍內(nèi)）自由墜落的。所用重錘的重量也是已知的。采用P3型試樣，其尺寸如圖MC1230.1所示。如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT0，則按表MC1230.1所列溫度進行試驗；如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT16，則按表MC1230.2所列溫度進行試驗。圖圖437 落錘試驗裝置落錘試驗裝置1底座；底座；2限位塊，限位塊，3缺口；缺口；4落錘；落錘；6脆性焊道，脆性焊道，6試樣試樣ASTM E208 規(guī)定的一些技術(shù)條件 1.試樣形狀（其中一種見下頁） 2.打擊能量（按照材料屈服強度決定） 3.彎曲限度（由試樣形狀確定） 4.判斷標準（一邊或雙邊裂紋到邊）落錘試驗試樣基準

40、無延性轉(zhuǎn)變溫度的確定RTNDT的溫度應(yīng)通過Pellini落錘試驗和KV沖擊試驗兩者確定。試驗溫度應(yīng)根據(jù)TNDT溫度確定。試驗應(yīng)按下列方法進行（關(guān)于KV試樣）：a） 以3個試樣為1組，其中每一個試樣在給定的溫度下同時滿足下列要求， 則認為試驗有效：斷裂吸收能量68J；側(cè)向膨脹值0.9mm。b） 第一組試樣沖擊的溫度為： TCV1=TNDT+33如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TNDT如果結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則第二組試驗按照下列c）的規(guī)定進行試驗。c） 如果進行第二組試驗，第二組試樣的試驗溫度規(guī)定如下： TCV2= TCV1+5如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TCV33

41、d） 如果c）條規(guī)定溫度下的試驗，結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則另外一些試驗應(yīng)在5的間隔溫度下進行試驗。直到求得滿足上述a）的條件的溫度TCV。則認為： RTNDT=TCV33斷裂韌度1 1、低應(yīng)力脆斷、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠遠低于屈服點時有些零件在工作應(yīng)力遠遠低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力就會發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。脆斷。式中：Y_裂紋的幾何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長（mm）； K1_ 強度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當K1達到臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件安全

42、可靠。K K1 1= =YaYa2 2、應(yīng)力場強度因子、應(yīng)力場強度因子當K1達到臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件安全可靠。3 3、斷裂韌度、斷裂韌度K1CK1C材料抵抗裂紋擴展的能力斷裂韌度表示。材料抵抗裂紋擴展的能力斷裂韌度表示。 反應(yīng)材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。 K1c可通過試驗來測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。 為安全設(shè)計提供了一個重要的力學(xué)性能指標常見工程材料的斷裂韌度常見工程材料的斷裂韌度K1C值（值（MNm-3/2） 根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計者可以控制三個

43、參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計計算，可以解決以下三方面的工程實際問題： 1）根據(jù)零件的實際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實際工作應(yīng)力，估算斷裂時的臨界裂紋長度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。 1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會

44、發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（ fatigue ）2、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。迴轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機的構(gòu)造原理圖 疲勞試驗的應(yīng)力分析疲勞曲線鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面強化采取表面強化1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂四、ASME具體材料 ASME材料所用的標準核電建設(shè)所用的ASME標準內(nèi)容 (1) Section III,

45、Nuclear Power Plant components, Division 1Subsection NB Class 1 Components (2) Section II, Material Specifications Part A - Ferrous Materials Part B - Nonferrous Materials Part C - Welding Rods, Electrodes and Filler Metals Part D - Properties (3) Section V, Nondestructive Examination (4) Section IX

46、, Welding and Brazing Qualifications (5) Section XI, Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components, Division 1承壓設(shè)備材料 Pressure retaining material and material welded thereto, except as permitted in NB-4435, and except for welding material, shall conform to the requirements of one

47、of the specifications for material given in Tables 2A and 2B of ASME Code Section II, Part D, Subpart I and to all of the special requirements of Article NB-2000 which apply to the product form in which the material is used, except as they may be modified by the requirements of this Specification. 其

48、它材料 Non-structural attachments, such as insulation supports, name-plates, and temporary attachments, if required, may be noncertified material. Non-pressure retaining material, such as cooling shroud support, alignment pin, stud bolt elongation measuring rods and tools, if any, may be of ASME or oth

49、er Standards . The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification. a.NB-2210Heat treatment requirements b.NB-2220Procedure for obtaining test coupons and specimens for quenched and tempered material. Fracture toughness requirements

50、 for material The following requirements shall be applied, unless otherwise specially or additionally specified in this Specification. a. NB-2310Material to be impact tested b. NB-2320Impact test procedures c.NB-2330Test requirements and acceptance standards d. NB-2340Number of impact tests required

51、 e. NB-2350Retests f.NB-2360Calibration of instruments and equipment Acceptable Material Designation Pressure Retaining Material A p p lic a b le P o r t io n A p p lic a b le s p e c if ic a t io n R e m a r k U p p e r D o m e ( * 1 ) L o w e r D o m e S A - 5 3 3 M T Y P E B C L . 1 o r S A - 5 0

52、 8 M G R . 3 C L . 1 H e a d F la n g e ( * 1 ) V e s s e l F la n g e ( * 2 ) N o z z le S h e ll ( * 2 ) C o r e S h e ll T r a n s it io n R in g I n le t N o z z le O u t le t N o z z le S a f e t y I n j e c t io n N o z z l e S A - 5 0 8 M G R . 3 C L . 1 H e a d L if t in g L u g V e s s e l

53、S u p p o r t S A - 5 3 3 M T Y P E B C L . 1 o r S A - 5 0 8 M G R . 3 C L . 1 S e a l L e d g e S A - 5 0 8 M G r . 1 A I n le t N o z z le S a f e E n d O u t le t N o z z le S a f e E n d S a f e t y I n j e c t io n N o z z l e S a f e E n d S A - 1 8 2 M F 3 1 6 L N C R D M A d a p t e r F la

54、n g e N e u t r o n I n s t r u m e n t a t io n P ip e S a f e E n d S A - 1 8 2 M F 3 0 4 L N L e a k D e t e c t io n T u b e S A - 1 8 2 M F 3 0 4 L V e n t P ip e S B - 1 6 7 ( N 0 6 6 9 0 ) a n d S A 3 1 2 M T P 3 0 4 L S B 1 6 7 w it h t h e r m a l t r e a t m e n t C R D M A d a p t e r S B

55、 - 1 6 7 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t N e u t r o n I n s t r u m e n t a t io n P ip e S B - 1 6 6 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t R a d ia l S u p p o r t P a d S B - 5 6 4 ( N 0 6 6 9 0 ) Wit h t h e r m a l t r e a t m e n t S t u d B o lt s , N u t

56、 s , Wa s h e r s S A - 5 4 0 M B 2 4 V C L . 3 N u t s , Wa s h e r s S A - 5 4 0 M B 2 4 C L . 3 Non-pressure Retaining Material Applicable Portion Applicable Code Cooling shroud support SA-516 Gr.485 or equivalent JIS Material Guide studs Carbon steel chromium plated Stud bolt elongation measurin

57、g rods Carbon steel Closure gaskets Ni-Cr-Fe alloy with silver plate Stud hole plug and handling device Type 304 or 316 stainless steel Others Compatible material. ASME第卷材料 A篇鐵基材料標準 ASME材料種類太多，這里僅僅結(jié)合壓水堆反應(yīng)堆主要設(shè)備常用材料進行分析和比較。 1. SA-508標準“壓力容器用經(jīng)真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼鍛件” 使用上述標準材料的有反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等，選用其中3級1類鋼種。材料屬于

58、錳鎳鉬合金鋼。2.材料的化學(xué)成分 元素 3級 C 0.25 Mn 1.201.50 P 0.025 S 0.025 Si 0.150.40 Ni 0.401.00 Cr 0.25 Mo 0.450.60 V 0.05 ASME標準屬于通用商業(yè)標準，在該標準中列舉了很多材料，運用于各個領(lǐng)域。因此是一個比較一般的標準要求。使用于核電材料顯然是不能滿足使用上的安全要求，以下進行分析和比較。比較的對象一是RCC-M標準，另一是三菱重工公司實際控制的標準。RCC-M M2111 承受強輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)用的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件三菱建議書中所列實際控制范圍Table 4.1.3.1 Chemi

59、cal Composition Requirements for SA-508M Gr.3 CL.1Specified value (wt.%)ElementsHeat 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 0.008 Max. 0.008 Max.S 0.006 Max. 0.006 Max.Ni 0.50 0.80 0.50 0.80Cr 0.15 Max. 0.15 Max.Mo 0.45 - 0.55 0.43 - 0.57Cu 0.08 (0.0

60、5 Max.) (3) 0.08 (0.05 Max.) (3)Sb 0.002 Max. 0.002 Max.Sn 0.010 Max. 0.010 Max.As 0.01 Max. 0.01 Max.V 0.01 Max. 0.01 Max.Al 0.04 Max. 0.04 Max.B 5 ppm Max.(3ppm Max.)(3) 5 ppm Max. (3ppm Max.) (3)Co 0.02 Max. 0.02 Max.（1）C的含量 壓力容器，穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的制造中均需要多段鍛件加工后組焊，需要焊接的鋼的含碳量不應(yīng)超過0.23%，這是一般規(guī)定，考慮到其合金元素含量較高，還