ASME 标准材料及应力培训教材

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ASME标准中材料,一、力与平衡,A,F,K,L,力的概念,1定义,：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以改,变物体的运动状态或使物体发生形变。,2. 力的效应：,运动效应(外效应),变形效应(内效应)。,3.,力的三要素：,大小，方向，作用点,A,F,力的作用线：,沿力矢,F,的,直线,KL,称为力的作用线。,推论：力是矢量,印刷体用黑体,字，手写时用,或 表示。,印刷体用黑体,字，手写时用,或 表示。,印刷体用黑体,字，手写时用,或 表示。,静力学基本公理,公理1 二力平衡公理,作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：,这两个力大小相等,|,F,1,| = |,F,2,| ,(,F,1,= F,2,),指向相反,F,1,= F,2,作用线共线，,只用白体字,F,表示力的,大小，而不,在其上加,或矢量,符号。,F,表示力的,大小，而不,在其上加,或矢量,符号。,公理,：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被,反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。,作用于同一个物体上。,在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。,推论1：力的可传性原理。,作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的效应。,公理2 加减平衡力系公理,对同一个刚体来说，力的该性质称为,力的可传性,，因此，对同一个刚体，力是,滑动矢量,。,刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交于同一点，且三力的作用线共面。（不平行的三个力平衡的必要条件）,公理3 力的平行四边形法则,作用于物体上同一点的两个力可合成一个合力，此合力也作用于该点，合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。,推论2,：,三力平衡汇交定理,公理4 作用力和反作用力定律,等值、反向、共线、异体、且同时存在。,证,为平衡力系，,也为平衡力系。,又 二力平衡必等值、反向、共线，, 三力 必汇交，且共面。,例,公理5 刚化原理,体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。,公理5 告诉我们：处于平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论去硏究。,变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚, 约束反力：,约束给被约束物体的力叫约束反力。（约束的作用由力来表示，该力称为约束反力。）,约束与约束反力,概念, 自由体：,位移不受限制的物体叫自由体。, 非自由体：,位移受限制的物体叫非自由体。, 约束：,对非自由体的某些位移预先施加的限制,条件称为约束。,（这里，约束是名词，而不是动词的约束）, 主动力:,促使物体运动或使物体产生运动趋势的力称为,主动力（如重力、风力、切削力、物体压力、牵引力等）。, 约束反力特点：,G,G,N,1,N,2,大小常常是未知的；,方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；,作用点在物体与约束相接触的那一点。,柔性体约束,只能承受拉力,，所以它们的约束反力是,作用在接触点,，方向,沿柔性体轴线,，,背离被约束物体,。,是离点而去的力,。,约束类型和确定约束反力方向的方法：,1.由柔软的绳索、链条或皮带构成的柔性体约束,P,P,T,S,1,S,1,S,2,S,2,约束反力,作用在接触点处,，方向,沿公法线,，,指向受力物体,是,向点而来的力,。,2.光滑接触面的约束,(光滑指摩擦不计),P,N,N,P,N,A,N,B,F,R,滑槽与销钉,3.光滑圆柱铰链约束,圆柱铰链,销 钉,A,A,A,X,A,Y,A,A,固定铰支座,活动铰支座（辊轴支座）,N,的实际方向也可以向下,N,物体的受力分析和受力图,受力分析,解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择,研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理,分析它的受力情况，这个过程称为物体的,受力分析,。,作用在物体上的力有：一类是:主动力,如重力,风力,气体,二类是：被动力，即约束反力。,压力等。,画物体受力图主要步骤为,：选研究对象；取分离体；,画上主动力；画出约束反力。,受力图,例1,画受力图应注意的问题,接触处必有力，力的方向由约束类型而定。, 不要多画力,对于受力体所受的每一个力，都应能明确地, 不要漏画力,除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触,才有相互机械作用力，要分清研究对象（受,力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，,指出它是哪一个施力体施加的。,要注意力是物体之间的相互机械作用。因此,不要把箭头方向画错。, 不要画错力的方向, 受力图上不能再带约束。,即受力图一定要画在分离体上。,约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不,能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析,两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力,的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，,内力，就成为新研究对象的外力。,部或单个物体的受力图上要与之保持一致。, 受力图上只画外力，不画内力。, 同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相,互协调，不能相互矛盾。, 正确判断二力构件。,一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有,可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分,对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局,二、应力状态和强度理论,应力状态,普遍状态下的应力表示,单元体,：,单元体构件内的点的代表物，是包围被研究点,的无限小的几何体，常用的是正六面体。,单元体的性质a、平行面上，应力均布；,b、平行面上，应力相等。,一点的应力状态：,过一点有无数的截面，这一点的各个截面上应力情况的集合，称为这点的应力状态（,State of Stress at,a,Given Point,）。,x,y,z,s,x,s,z,s,y,t,xy,x,y,z,s,x,s,z,s,y,t,xy,剪应力互等定理（,Theorem of Conjugate Shearing,Stress,):,过一点的两个正交面上,如果有与相交边垂直的剪应力分量,则两个面上的这两个剪应力分量一定等值、方向相对或相离。,主单元体、主面、主应力：,主单元体(,Principal bidy,)：,各侧面上剪应力均为零的单元体。,主面(,Principal Plane,)：,剪应力为零的截面。,主应力(,Principal Stress,）：,主面上的正应力。,主应力排列规定：按代数值大小，,s,1,s,2,s,3,x,y,z,s,x,s,y,s,z,单向应力状态（,Unidirectional State of Stress,）：,一个主应力不为零的应力状态。,二向应力状态（,Plane State of Stress,）：,一个主应力为零的应力状态。,三向应力状态（,ThreeDimensional State of,Stress,）：,三个主应力都不为零的应力状态。,A,s,x,s,x,t,zx,s,x,s,x,B,t,xz,平面应力状态分析解析法,s,x,t,xy,s,y,x,y,z,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,规定：,截面外法线同向为正；,t,a,绕研究对象顺时针转为正；,a,逆时针为正。,图,1,设：斜截面面积为,S,，,由分离体平衡得：,任意斜截面上的应力,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,s,y,t,xy,s,x,s,a,t,a,a,x,y,O,t,n,图,2,图,1,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,s,y,t,xy,s,x,s,a,t,a,a,x,y,O,t,n,图,2,考虑剪应力互等和三角变换，得：,同理：,极值应力,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,在剪应力相对的项限内，,且偏向于,x,及,y,大的一侧。,2,2,2,x y,y,x,min,max,t,s,s,t,t,+,-,=,）,（,平面应力状态分析图解法,对上述方程消去参数（2,），得：,1、应力圆（,Stress Circle,）,x,y,s,x,t,xy,s,y,O,s,y,t,xy,s,x,s,a,t,a,a,x,y,O,t,n,此方程曲线为圆应力圆（或莫尔圆，由德国工程师：,Otto Mohr,引入）,建立应力坐标系，如下图所示，,（注意选好比例尺）,2、应力圆的画法,在,坐标系内画出点,A,(,x,，,xy,),和,B,(,y,，,yx,),AB,与,s,a,轴的交点,C,便是圆心。,以,C,为圆心，以,AC,为半径画圆应力圆；,s,x,t,xy,s,y,x,y,O,n,s,a,t,a,a,O,s,a,t,a,C,A,(,s,x,t,xy,),B,(,s,y,t,yx,),x,2,a,n,D,(,s,a,t,a,),s,x,t,xy,s,y,x,y,O,n,s,a,t,a,a,O,s,a,t,a,C,A,(,s,x,t,xy,),B,(,s,y,t,yx,),x,2,a,n,D,(,s,a,t,a,),3、单元体与应力圆的对应关系,面上的,应力(,，,),应力圆上一点(,，,),面的法线,应力圆的半径,两面夹角,两半径夹角2,；且转向一致。,4、在应力圆上标出极值应力,O,C,s,a,t,a,A,(,s,x,t,xy,),B,(,s,y,t,yx,),x,2,a,1,2,a,0,s,1,s,2,s,3,三向应力状态研究应力圆法,s,2,s,1,x,y,z,s,3,1、空间应力状态,2、三向应力分析,弹性理论证明，图,a,单元体内任意一点任意截面上的应力都对应着图,b,的应力圆上或阴影区内的一点。,图,a,图,b,整个单元体内的最大剪应力为：,t,max,s,2,s,1,x,y,z,s,3,复杂应力状态下的应力 - 应变关系 （,广义虎克定律,）,1、单拉下的应力-应变关系,2、纯剪的应力-应变关系,x,y,z,s,x,x,y,z,x,y,3、复杂状态下的应力 - 应变关系,依叠加原理,得:,x,y,z,s,z,s,y,t,xy,s,x,主应力 - 主应变关系,4、平面状态下的应力-应变关系:,方向一致,s,1,s,3,s,2,强度理论,4个涉及破坏的强度理论,（一）最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸时的强度极限时 ，构件就断了。,1、破坏判据：,2、强度准则：,3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。,（二）,最大伸长线应变（第二强度）理论：,认为构件的断裂是由最大拉应变引起的。当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的,极限应变时，构件就断了。,1、破坏判据：,2、强度准则：,3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。,（三）最大剪应力（第三强度）理论：认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破坏了。,1、破坏判据：,3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。,2、强度准则：,（四）形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由形状改变比能引起的。当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服时形状改变比能时，构件就破坏了。,1、破坏判据：,2、强度准则,3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。,强度理论的选用原则：依破坏形式而定。,1、脆性材料：一般使用第一或第二强度理论；,4、简单变形时：一律用与其对应的强度准则。如扭转，都用：,2、塑性材料：一般使用第三或第四理论。,5、破坏形式还与温度、变形速度等有关！,3、特殊：,三向受拉,应力状态，用第一强度理论；,三向受压,应力状态，用第三或第四强度理论；,三、材料的力学性能和试验,材料的力学性能,（机械性能）,ASME SA370-2001,钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义,（与ASTM标准A370-96完全等同）,1. 材料的强度,取样方向,各种类型锻件的取样部位,抗拉强度,拉伸试验ASTM E8,（）屈服点：当试件拉力在 范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，因此，该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，称屈服下限,下,所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做,s,。设计时一般以,s,作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2残余变形时的应力,0.2,作为屈服强度。,（）抗拉强度：从图2中曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度，用,b,表示。,设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比,s,b,有一定意义。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。,(3) 伸长率：图2中当曲线到达点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度L,l,，标距的伸长值与原始标距L,0,的百分率称为伸长率。即：,（L1-LO）,=100%,L0,持久强度和蠕变强度,拉伸试验,拉伸试验机,液压式万能电子材料试验机,* 拉伸试样：,长试样：,L,0,=10d,0,短试样：L0=5d0,ASME：,L,0,=4d,0,d,0,L,0,力伸长曲线,F,e,s,b,k,L,F,s,F,b,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,塑性变形:外力去除后不能消失的变形,弹性( elasticity ):金属材料受外力作,用时产生变形,当外力去掉后能恢复,到原来形状及尺寸的性能,。,弹性变形( elastic deformation ):,随载荷撤除而消失的变形。,弹性极限( elastic limit ):,F,e,弹性极限载荷( N ),e,=,( M pa ),S,0,试样原始横截面积( mm,2,),拉伸试样的颈缩现象,力伸长曲线,F,e,s,b,k,L,F,s,F,b,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,强度(strength): 材料在力的作用下抵抗,变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强,度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,(2)屈服强度( yield strength): 屈服点 S,F,s,s,= ,( M pa ),S,0,试样屈服时的载荷( N ),试样,原始横截面积( mm,2,),规定残余伸长应力：,r0.2,=,F,r0.2,/S,0,s,l,F,0.2,0.2%,l,0,o,(3)抗拉强度( tensile strength ):,试样在断裂前所能承受的最大应力。,F,b,试样断裂前的最大载荷(N),b,=,( M pa ),S,0,试样原始横截面积( mm,2,),力 学 性 能,强度,硬度,韧性,断裂韧度,疲劳,主要指标：,塑性,塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下,产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率(percentage reduction in,area): 是指试样拉断处横截面积S,1,的收缩量与原始横截面积S,0,之比。,S,0,- S,1, = 100%,S,0,(2)断后伸长率(延伸率) specific elongation:,是指试样拉断后的标距伸长量L,1,与,原始标距L,0,之比。,L,1, L,0, = 100%,L,0, 10% 属塑性材料,长试样：,10 简写为,短试样：,5,同一种材料的,5,10,硬度( hardness ),1.定义,：,是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。,ASME SA370-2001给出各种不同试验结果的对照表以及相应的大致抗拉强度。,2.硬度试验方法：,（1）压入法,（2）划痕法,（3）回跳法,布氏硬度HB：ASTM E10,洛氏硬度HR：ASTM E18,维氏硬度HV：ASTM E,压入法,(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness),布氏硬度计,观看布氏硬度,1.压头：,淬火钢球 HBS,硬质合金钢球 HBW,2.试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，,测量材料表面压痕直径,，以此计算出硬度值。,F F,HB= = ,S,Dh,D,h = ,2,D d, ,2 2,2,2,布氏硬度值,450的材料,选用,淬火钢球,压头,例如：200HBS,350HBS,布氏硬度值,450,650,的材料,选用,硬质合金球,压头,例如：550HBW,600HBW,3.标注：,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:,120HBS10/1000/30,表示直径为,10mm,的钢球在,1000kgf（9.807kN）,载荷作用下保持,30s,测得的布氏硬度值为,120,。,4. 特点：,优点,：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点,：,压痕面积较大，测量费时。,应用,：,常用于,测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。,不适于,测量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),1.压头：,120金刚石圆锥体钢球,钢球,HRA,HRC,HRB,2.试验原理：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,0,0,1,1,2,3,3,2,h1,h2,h3,h,1-1 初载10kg h1,2-2 总载150kg h2,3-3 卸载140kg h3,最后测得：,残余压痕深度增量,h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,7085HRA,25100HRB,2070HRC,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，,不可直接比较大小,例如：,50HRC40HRC,3.特点：,优点,：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,缺点,：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广 泛的硬度 试验方法。,可用于,成品检验和薄件表面硬度检验。,不适于,测量组织不均匀材料。,应用,：,(三)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),维,氏硬度计,1.压头：,锥面夹角为136的金刚石,正四棱锥体,2.试验原理：,与布氏硬度试验原理基本相同。,只是压头改用了金刚石四棱锥体。,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,2.试验原理：,用压痕两对角线的平均长度来计算。,H V=F/S,a,a,d,3.标注：,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件,试验力,和,保持时间（,1015S,不标）,。,例：,580HV,30,表示用,30kgf (294.2N),试验力,保持,1015S,测定的,维氏硬度值为,580,。,4.特点：,优点,：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量,;,测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点,：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用,：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。,不适于,大批生产和测量组织不均匀材料。,韧性(toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,冲击试验ASTM E23,1.定义：,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,2.金属的夏比冲击试验:,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A,k,= m g H m g h (J),g,冲击韧度,a,k,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,A,K,a,k,= (J/cm,),S,0,3.韧脆转变温度:,-40,-20,0,20,20,40,60,a,k,T,(,c,),T，,a,k,急剧,韧性脆性,脆性转变温度 FATT50,金属材料的韧脆转变温度，材料的低温冲击韧性愈好。,冲击试验中的侧向膨胀量,“侧向膨胀值按照ASTM A370的技术要求”。,测微仪的读数也应得到认可，并应该预先注意以下事项：, eL=（ee1）mm,其中eL=侧向膨胀值；,试样两个平分段的A和B面，必须处于精确的同一平面（P）中。,侧向膨胀值应取3次不同测量结果的平均值。,Pellini 落锤试验（TNDT温度的确定）,试样制备及试验条件应符合ASTM E208标准规定的要求。,在进行每组试验前应确保重锤是从正确的高度（在+10%到0%的误差范围内）,自由坠落的。所用重锤的重量也是已知的。,采用P3型试样，其尺寸如图MC1230.1所示。,如果技术规范中规定的RTNDT0，则按表MC1230.1所列温度进行试验；,如果技术规范中规定的RTNDT16，则按表MC1230.2所列温度进行试验。,图437 落锤试验装置,1底座；2限位块，3缺口；4落锤；6脆性焊道，6试样,ASTM E208 规定的一些技术条件,1.试样形状（其中一种见下页）,2.打击能量（按照材料屈服强度决定）,3.弯曲限度（由试样形状确定）,4.判断标准（一边或双边裂纹到边）,落锤试验试样,基准无延性转变温度的确定,RTNDT的温度应通过Pellini落锤试验和KV冲击试验两者确定。,试验温度应根据TNDT温度确定。,试验应按下列方法进行（关于KV试样）：,a） 以3个试样为1组，其中每一个试样在给定的温度下同时满足下列要求，,则认为试验有效：断裂吸收能量68J；侧向膨胀值0.9mm。,b） 第一组试样冲击的温度为：,TCV1=TNDT+33,如果满足上述a）的条件，则： RTNDT=TNDT,如果结果不能满足上述a）的条件，则第二组试验按照下列c）的规定进行试验。,c） 如果进行第二组试验，第二组试样的试验温度规定如下：,TCV2= TCV1+5,如果满足上述a）的条件，则： RTNDT=TCV33,d） 如果c）条规定温度下的试验，结果不能满足上述a）的条件，则另外一些,试验应在5的间隔温度下进行试验。直到求得满足上述a）的条件的温度TCV。,则认为： RTNDT=TCV33,断裂韧度,1、低应力脆断,有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。,式中：,Y,_裂纹的几何形状因子;,_外加应力（N/mm,2,）；,a,_裂纹的半长（mm）；,K,1,_,强度因子（MPam,1/2,或MNm,-3/2,）当K,1,达到临界值,K,1C,时，零件内裂纹将发生,失稳扩展,而出现,低应力脆性断裂,，而,K,1,K,1C,时，零件安全可靠。,K,1,=,Ya,2、应力场强度因子,当K,1,达到临界值,K,1C,时，零件内裂纹将发生,失稳扩展,而出现,低应力脆性断裂,，而,K,1,K,1C,时，零件安全可靠。,3、断裂韧度K,1C,材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度,表,示。,反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。,K,1,c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。,为安全设计提供了一个重要的力学性能指标,常见工程材料的断裂韧度,K,1C,值（MNm,-3/2,）,根据,K,1,=,Ya,K,1C,的临界判据知：,为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度,K,1C,、名义工作应力,和零件内的裂纹长度,a,，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：,1）根据零件的实际工作应力,和其内可能的裂纹尺寸,a,，确定材料应有的断裂韧度,K,1C,，为正确选材提供依据；,2）根据零件所使用的材料断裂韧度,K,1C,及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸,a,，确定零件的临界断裂应力,C,，为零件最大承载能力设计提供依据；,3）根据已知材料的断裂韧度,K,1C,和零件的实际工作应力,，估算断裂时的临界裂纹长度,a,C,，为零件的裂纹探伤提供依据。,1、疲劳现象,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为,疲劳,。,疲劳（,fatigue,）,2、疲劳极限,-1,:,表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。,迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖,疲劳试验的应力分析,疲劳曲线,钢材的循环次数,一般取,N = 10,7,有色金属的循环次数,一般取,N = 10,8,3、提高疲劳极限途径,改善零件的结构形状,降低表面粗糙度值,采取表面强化,1943年美国T-2油轮发生断裂,四、ASME具体材料,ASME材料所用的标准,核电建设所用的ASME标准内容,(1)Section III, Nuclear Power Plant components, Division 1,Subsection 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, Welding and Brazing Qualifications,(5)Section XI, Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components, Division 1,承压设备材料,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 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 other 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 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,e.NB-2350Retests,f.NB-2360Calibration of instruments and equipment,Acceptable Material Designation,Pressure Retaining Material,Non-pressure Retaining Material,ASME第卷材料,A篇铁基材料标准,ASME材料种类太多，这里仅仅结合压水堆反应堆主要设备常用材料进行分析和比较。,1. SA-508标准“压力容器用经真空处理的淬火加回火碳钢和合金钢锻件”,使用上述标准材料的有反应堆压力容器、蒸汽发生器等，选用其中3级1类钢种。材料属于锰镍钼合金钢。,2.材料的化学成分,元素 3级,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标准属于通用商业标准，在该标准中列举了很多材料，运用于各个领域。因此是一个比较一般的标准要求。使用于核电材料显然是不能满足使用上的安全要求，以下进行分析和比较。比较的对象一是RCC-M标准，另一是三菱重工公司实际控制的标准。,RCC-M M2111 承受强辐照的反应堆压力容器筒节用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件,三菱建议书中所列实际控制范围,Table 4.1.3.1 Chemical Composition Requirements for SA-508M,Gr.3 CL.1,Specified value (wt.%),ElementsHeat Product(1),C,0.16,- 0.20,0.16,- 0.22,Si,0.10,- 0.30,0.10,- 0.30,Mn 1.20 -,1.55,1.20 - 1.60,P 0.008 Max. 0.008 Max.,S,0.006 Max.,0.006 Max.,Ni,0.50 0.80,0.50 0.80,Cr 0.15 Max. 0.15 Max.,Mo 0.45 -,0.55,0.43 - 0.57,Cu,0.08 (0.05 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,压力容器，稳压器和蒸汽发生器的制造中均需要多段锻件加工后组焊，需要焊接的钢的含碳量不应超过0.23%，这是一般规定，考虑到其合金元素含量较高，还应进一步降低碳的最高含量。RCC-M规范中此类锻件的碳含量均不超过0.20%。,（2）P、S含量,ASME标准属于通用商业标准，0.025%以下已经是比较高的要求了，但是仍然不能满足核电大锻件的质量要求。RCC-M M2111适用于承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.008%以下。RCC-M M2112适用于不承受强辐照的反应堆压力容器筒节的可焊Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2113适用于压水堆压力容器过渡段和法兰用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求是0.012%以下。RCC-M M2114适用于压水堆压力容器管嘴用的Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2115适用于制造压水堆蒸汽发生器管板用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2116适用于制造压水堆蒸汽发生器支撑环用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。RCC-M M2119适用于制造压水堆蒸汽发生器用的可焊18MND5 Mn-Ni-Mo合金钢锻件标准对P、S含量的要求也是0.012%以下。P偏高会使材料的低温性能变得很差，会大幅度提高材料的FATT50温度和RTNDT温度，影响系统的水压试验的安全。S含量偏高会破坏材料的高温特性，使热加工困难，同时也影响材料的力学性能指标。但是S含量太低会增加焊接的难度（理论上还没有统一），极低的硫和氢含量母材有可能在焊接中因吸氢而造成局部脆性。现在已经有一些标准规定了含硫量的下限，我的看法是硫控制在0.0020.008%之间比较合适。,（3）其它残余元素的含量,其它对反应堆压力容器和蒸汽发生器等材料在运行中有影响的残余元素有Al、Cu、Co、As、Sn、Sb、Bi、Pb等，均应该有量的限制。这是制造商控制废钢质量的关键所在，具体数据应在规格书制订时协商决定。,（4）钢中气体的含量,钢中气体即氮、氢、氧的含量应该有明确的限制。推荐使用氢1.5ppm，,氮60ppm，,氧40ppm。,机械性能要求,ASME SA-508 对3级1类材料的要求：,抗拉强度：550725MPa,屈服强度345 MPa,标距为50mm的延伸率18%,断面收缩率38%,在4.4（+40F）夏比冲击的三个试样的最低平均值：20J，,一个试样的最低值：14J，一组三个试样中只允许一个试样的数值低于平均值。,相应RCC标准对机械性能的要求,三菱的企业要求,Requirement for Impact Tests ：,150J for core shell, 104J for the parts other than core shell,无损检验要求,ASME SA-508在磁粉检验中要求按照A275标准方法进行。,符合下列条件应于拒收或予以剔除,：,1.,最大尺寸的显示超过4.8mm,2.,4个或更多较大尺寸显示超过1.6mm，且各分割的显示排成一线，两显示的净间隔距离等于或小于1.6mm,3.,在任何表面为39mm2内有10个或更多的较大尺寸显示超过1.6mm，并且此区域的较大尺寸不超过150mm。该面积应取在相对于需评定的显示踪迹最不利的部位,超声波检验要求,超声波检验方法：ASTM A388,分纵波检验和横波检验其中横波检验用的标定缺口应开入到内径和外径表面，其深度等于截面公称厚度的3%或最大为9.5mm，长度约为25mm，宽度不大于两倍的深度。,ASME标定的缺口明显偏大。因为核岛大锻件的壁厚很厚，AP1000的压力容器壁厚估计在200mm左右，3%的标定缺口深度就有些吓人。RCC-M规定的标准缺口最深不得超过1.5mm,中国的国标GB5310和GB5777均规定最深不得超过1mm,晶粒度和非金属夹杂物的检验,ASME和RCC-M标准中均没有对材料的晶粒度和非金属夹杂物提出要求。三菱重工建议：,Metallographic examination,(1)Metallographic examination shall be made of each forging. The specimen for metallographic examination may be taken from at the end of a broken tension test specimen or impact test specimen.,(2)Grain size shall be estimated in accordance with ASTM E112-88. Grain size number shall be five (5) or finer.,(3)Non-metallic inclusionsNon-metallic inclusion examination shall be performed in accordance with ASTM E45-87.,Type A inclusion Grade 1.5Type B inclusion Grade 1.5Type C inclusion Grade 1.5Type D inclusion Grade 1.5,ASTM SA-540特殊用途合金钢螺栓连接材料,压力容器与顶盖之间的连接螺栓制造中遵循ASTM SA-540标准中B24V 3级类别，现在已经更新到2004版，并与2001版有较多的差别。,相同材料若遵循法国标准制造是使用标准：,RCC-MM2311 制造压水堆压力容器螺栓用的Ni-Cr-Mo-V合金钢锻造棒材,Chemical Composition Requirements for SA-540M Gr.B24 Cl 3 and SA540M Gr.B24V Cl.3,Elements MITHIBISHI RCC-M ASME,C,0.37,0.44,0.3,7,0.4,5,0.3,7,0.4,4,Si,0.15,0.35,0.035,0.1,5,0.35,Mn,0.60,0.95,0.,60,0,.95,0.,60,0,.95,P, 0.010, 0.0,20, 0.0,25,S, 0.010, 0.0,10,0.0,25,Ni,1.55,2.00,1.55,2.0,0,Cr,0.60,0.95,0.60,0.95,Mo,0.40,0.60,0.,40,0,.60,Cu, 0.20,V(*),0.04,0.10,0.04,0.10,机械性能和其它,B24V3级直径在101.6到203.2之间的力学性能规定值如下：抗拉强度1000PMa，屈服强度895PMa，伸长率12%，断面收缩率40%，布氏表面硬度范围302375，12.2下夏比V型缺口冲击最低平均值47J，一组3个试样中可以有一个试样小于47J，但不得小于34J。,以上力学性能与RCC-M标准相近，但是ASME没有规定设计温度左右的高温力学性能试验。在标准的附加要求中，有S1：成品分析；S2：宏观浸蚀试验；S3：超声波试验；S5：断裂转变温度；S6：磁粉检查，但是没有提出具体要求。,不锈钢和非铁基材料,核级设备使用的不锈钢材料较多：反应堆冷却剂使用的主管道使用不锈钢材料，压力容器内部堆焊不锈钢材料。蒸汽发生器的传热管使用镍基690合金，蒸汽发生器管板和下封头内部也堆焊镍基690合金。具体细节从略。,五、焊接基础,焊接性试验,材料的焊接性是一个专门名词，与通常的材料焊接性能有一定的区别。,在GB/T3375-1994焊接术语中下的定义是：,金属焊接性是指金属材料在限定的焊接施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。,内涵：1 结合性能 ：金属焊接时对缺陷的敏感性。,2 使用性能 ：焊成的接头在指定的使用条件下可靠运行的能力。,电力行业常用焊接性试验,1、,冷裂纹的测试方法简介,焊接冷裂纹倾向的测定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜,y,坡口对接裂纹试验法（“小铁研式”抗裂实验）、刚性拘束裂纹试验（,RRC,试验）、拉伸拘束试验,(TRC),、插销试验等。,按照接头拘束类型可把抗裂试验分为自拘束抗裂试验和外拘束性抗裂试验两大类。,自拘束抗裂试验主要评价材料（焊材）抗热、冷裂纹性能，确定焊接规范,(,不开裂时,),及热处理情况（包括预热、后热）。这种试验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。,外拘束性试验适用于定量评定材料的裂纹倾向，以及可以比较深入地进行有关理论研究工作，像插销试验法等。,2、,焊接冷裂纹的产生及危害,冷裂纹是焊后冷却较低温度下产生的。对于低合金钢、中碳钢而言，大约在钢的马氏体转变温度,M,S,附近。它是由于拘束应力、淬硬组织和扩散氢的共同作用下产生的。,冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接超高强度钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝上。,危害：接头性能变坏，产生脆性断裂。,3、,冷裂纹的种类,延迟裂纹,主要特点是：不在焊后立即出现，具有延迟现象。主要取决于钢中的淬硬倾向，焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量。,淬硬脆化裂纹,主要特点,:,焊后立即开裂，不受扩散氢的影响，只在拘束应力的作用下产生。,产生原因：由于冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的。主要取决于钢的淬硬性和拘束条件。一般采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条基本上可以防止这种裂温。,低塑性脆化裂纹,由于某些塑性较低材料，焊后冷至低温时，由于收缩力引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，成为低塑性脆化裂纹。如：球墨铸铁补焊时，不采取措施而产生白口开裂的现象,4、,延迟冷裂纹的产生机理分析,在三种冷裂纹中，延迟裂纹的危害性最大，最具有普遍性。因此，这里主要介绍这中裂纹的产生情况。有关研究证明：钢材的淬硬倾向，焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是互相联系和相互促进的。,下面就三大因素简单介绍一下。,钢材的淬硬倾向，主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。,形成脆硬的马氏体组织,马氏体的脆硬是因碳饱和固溶在,Fe种，使晶格发生较大的畸变而难以变形（滑移），这样断裂时将消耗较低的（很少）能量。因此，马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。,淬硬会形成更多的晶格缺陷,碳在Fe中过饱和固溶，导致严重的晶格畸变，形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位错。在不平衡条件下，位错和空位发生移动和聚集，在达到一定浓度后便形成裂纹源。,高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度H,max,作为评定指标。,小铁研式抗裂试验及断口分析,GB4675.1-84,蒋应田,辽宁石油化工大学,LNPU,对于一般低合金钢，焊后延迟裂纹的出现往往在热影响区，这与焊缝及热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。,由于一般低合金钢焊缝金属的含碳量低于热影响区，在