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1、船舶工程全文,主编,第一节 金属材料的主要性能,一、强度 二、塑性 三、硬度 四、韧性 五、加工工艺性能,一、强度,1.屈服强度 2.抗拉强度 3.疲劳强度 4.蠕变强变,金属的强度是表征金属材料抵抗变形和断裂的能力。材料内部的化学成分和组织结构将影响金属的强度，因而可以通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。,1.屈服强度,图3-1 拉伸曲线的上屈服强度 和下屈服强度,根据GB/T2282002金属材料室温拉伸试验方法中的标准，当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。 上屈服强度(ReH)是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力(
2、图3-1)。,2.抗拉强度,抗拉强度(Rm)是拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力(Pm)，其值等于最大载荷除以试样原始横截面积(So):,3.疲劳强度,疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。,4.蠕变强变,许多机械设备如高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机中有许多零件长
3、期在高温条件下运转，因此在室温下测定的性能不能代表它在高温下的性能。,二、塑性,金属在外力作用下，当超过弹性极限后开始塑性变形。和弹性变形相比，塑性变形是一种不可逆变形，随着外力增加其塑性变形量也增加。当达到断裂时，塑性变形量也达到最大值。通常用断裂时塑性变形极限值的相对量，即最大相对塑性变形量来表示材料的塑性变形能力，即塑性。拉伸试样的塑性指标有延伸率或断面收缩率。,1.断后伸长率 2.断面收缩率,1.断后伸长率,断后伸长率(A)，是试样断后标距的残余伸长(Lu-Lo)与原始标距(Lo)之比的百分率，如下式所示：,2.断面收缩率,断面收缩率(Z)是断裂后试样横截面积的最大缩减量(So-Su)
4、与原始横截面积(So)之比的百分率，如下式所示：,三、硬度,硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。金属的硬度是通过硬度试验来测定的，金属硬度试验与拉伸试验一样也是一种应用最广的力学性能试验方法。目前测定金属硬度的方法有很多种，基本上可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速率不同又可分为静载压入法和动载压入法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度均,1.布氏硬度,布氏硬度测定的原理是用一定直径的硬质合金球为压头，施以一定的载荷F，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除载荷，试样表面将存在一残留压痕，如图3-2所示。测量试样表面上压痕直径，然后根据压痕直径计算布氏硬度。
5、,2.洛氏硬度,图3-2 布氏硬度试验示意图,洛氏硬度试验也是一种压入硬度试验。但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。,洛氏硬度试验原理可用图3-3说明。洛氏硬度试验的压头常采用锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球。载荷分两次施加，先加初载荷P1，再加主载荷P2，其总载荷为P=P1+P2。,金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为规定用一常数减去压痕深度作为硬度值，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示。我国最常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、
6、HRB、HRC表示。,四、韧性,1.静力韧性 2.冲击韧性 3.断裂韧性,1.静力韧性,通常拉伸条件下力-伸长曲线下所包围的总面积，也就是材料断裂前单位体积所吸收的能量，称之为静力韧性，用表示。,图3-4 冲击试验原理 1摆锤 2试样,2.冲击韧性,冲击韧性是反映材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的一种能力。测定冲击韧性的试验是在摆锤式冲击试验机上进行的，如图3-4所示。根据国家标准所用试样为夏比形或形缺口试样。将试样水平放在试验机支座上，然后将具有一定重量的摆锤举至一定高度使其获得一定势能GH1。,3.断裂韧性,断裂是构件最危险的一种失效方式，在构件强度设计时必须考虑如何防止断裂事故发生。为了防止
7、构件断裂，传统的设计是控制构件工作过程中所承受的最大应力。同时，再根据材料的使用经验，对材料的塑性、韧性等指标提出一定的要求。,在实际金属构件中，裂纹往往难以避免。它们可能是原材料中的冶金缺陷，也可能是在加工过程中(铸造、热处理、焊接、锻造等)或使用过程中(疲劳、应力腐蚀等)产生的。正是这种裂纹的存在，引起材料的低应力脆性断裂。,五、加工工艺性能,1.焊接性 2.切削加工性 3.压力加工性 4.铸造性 5.热处理性,1.焊接性,被焊金属在一定的焊接条件下，是否易于获得焊接接头的能力称为焊接性。焊接性好的材料(如低碳钢)对焊接条件和工艺要求不高，便于施工，焊后不易产生焊接缺陷(如夹渣、气孔、裂纹
8、等)，焊接接头的力学性能较好。,2.切削加工性,金属材料是否易于被刀具切削加工的能力称为切削加工性。切削加工性好的材料(如中碳钢)在被切削加工时，其表面质量较好，切屑容易折断且切削刃不易磨损。,3.压力加工性,金属材料在外力的作用下变形称为零件的加工方法称为压力加工，其常分为冷、热压力加工两种类型。压力加工性是指材料是否易于用压力加工方法制成零件的性能。塑性好的材料(如低碳钢、铜等)一般其压力加工性较好，对加工工艺要求不高，加工后工件不易出现裂纹、褶皱等缺陷，容易达到质量要求。,4.铸造性,金属是否易于用铸造方法制成铸件或零件的性能称为铸造性。铸造性好的金属材料(如灰口铸铁)，其液态时的流动性
9、好，冷凝时的收缩性小，凝固后的偏析小(即凝固后各处化,5.热处理性,金属是否易于通过加热、保温、冷却等过程来改变其性能称之为热处理性。热处理性好的金属材料加工工艺简单、生产率高、质量稳定。,第二节 钢 铁 材 料,一、钢材的分类 二、钢铁材料,习惯上常说的钢铁主要由两个元素构成，即铁和碳组成的合金，称为铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。铸铁的质量分数大于2.0，钢的质量分数小于2.0。铸铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良性能，因此被广泛使用。,一、钢材的分类,机
10、械工程常用材料分为两大类：金属材料和非金属材料。 金属材料又可分为两大类：钢铁材料和非铁金属。本书重点讲述钢铁材料。,1.铸铁,与钢相比，铸铁的力学性能较差，不能锻造，但它的铸造性能和切削加工性能好，此外它还具有良好的抗压、减振、减摩和抗磨性，具有缺口敏感性低和价格低廉等诸多优点，广泛用于工农业生产。,铸铁的组织可以看成是由钢的基体加石墨所组成。因此，铸铁的力学性能是由基体组织和石墨的形态决定的。铸铁的基体组织有铁素体(F)、珠光体(P)+铁素体(F)和珠光体(P)三种，随着组织中珠光体量的增多，铸铁的强度、硬度升高，但塑性与韧性降低。,(1)灰铸铁 灰铸铁的石墨呈片状，具有良好的铸造性能、切
11、削性能、减振性、减磨性，价格低廉，但也存在着塑性差、韧性差、抗拉强度低、焊接性较差等缺点，多用来制造固定设备的床身，形状特别复杂或承受较大摩擦力的批量零件。 (2)可锻铸铁 可锻铸铁石墨呈团絮状，其强度和性能都比灰铸铁好，但由于退火时间长，生产过程复杂，生产效率低，成本高，现已少用。 (3)球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状，与灰铸铁相比具有强度高、工艺要求高的特点，适宜做重要零件，球墨铸铁的牌号用“QT”(“球铁”)和两组数字组成。两组数字分别表示最低抗拉强度和最小断后伸长率。 (4)蠕墨铸铁 蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状，其兼有灰铸铁和球墨铸铁的性能.,2.工业用钢,表3-1 常用碳素结构钢的牌号
12、及化学成分,(1)工程结构用钢 工程结构用钢包括碳素结构钢和低合金高强度钢。 1)碳素结构钢。碳素结构钢因其价格低廉、性能好得到广泛应用，,表3-2 常用低合金高强度钢的牌号、化学成分及力学性能,2.工业用钢,2)低合金高强度钢。其力学性能比碳素结构钢高很多，最适合用作桥梁、建筑、船舶、车辆、管道、容器等结构的材料。,3)优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的有害杂质含量较少，化学成分准确，力学性能可靠，常用来制造比较重要的机械零件。优质碳素结构钢一般都要进行热处理，以便充分发挥其良好的力学性能。最常用优质碳素结构钢是45钢。,4)合金结构钢。在优质碳素结构钢中加入一定量的不同的合金元素可得到性能更
13、好的钢种，即合金结构钢。使用合金结构钢可以明显减小零件的尺寸和重量，从而使整机小而轻。,5)铸钢。许多形状复杂或尺寸很大的批量生产零件可以用铸钢来制造。,第三节 船用金属材料,一、船体结构用钢材 二、船舶结构用非铁合金,常用船舶结构材料有金属材料和非金属材料两大类，在金属材料中最主要用到的是船舶结构用钢材。在特定条件下，也可选用一定种类的铝合金、铜合金基至钛合金材料。非金属材料可以分为有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料几大类，木材和混凝土也曾是船舶结构制造所用的重要材料。,一、船体结构用钢材,1.一般强度船体结构用钢(船用碳素结构钢) 2.高强度船体结构用钢(船用合金钢) 3.焊接结构用
14、高强度淬火回火钢,1.一般强度船体结构用钢(船用碳素结构钢),表3-3 一般强度船体结构用钢的力学性能,2.高强度船体结构用钢(船用合金钢),表3-4 高强度船体结构用钢的力学性能,高强度船体结构用钢均为经处理过的镇静钢，高强度船体结构用钢是按其下屈服强度划分强度级别，每一强度级别又按其冲击韧度试验温度的不同分为A、D、E、F共4级。其编号方法用“字母(A、D、E、F)+二位数字”表示，其中。 “二位数字”表示屈服强度数值的1/10(单位：MPa),3.焊接结构用高强度淬火回火钢,表3-5 焊接结构用高强度淬火回火钢的力学性能,焊接结构用高强度淬火回火钢均为经细化晶粒处理的镇静钢，按其下屈服强
15、度划分为420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa和690MPa共6个强度等级，而每一强度等级中又根据韧性的不同分为A、D、E和F4共4个钢级。 对于厚度不超过70mm的焊接结构用高强度淬火回火钢其编号用“字母(A、D、E、F)+三位数字”表示，其中“三位数字”表示屈服强度数值。,3.焊接结构用高强度淬火回火钢,表3-5 焊接结构用高强度淬火回火钢的力学性能,二、船舶结构用非铁合金,1.铝合金 2.船舶用铜合金 3.船用钛合金,1.铝合金,(1)船用变形铝合金,(2)船用铸造铝合金 铸造铝合金具有良好的铸造性能，主要用于船用柴油机的活塞。,在造船上用得最多的热处理强化
16、铝合金是硬铝，其次是锻铝和超硬铝，硬铝可以做快艇的外板以及承受高载荷的船体零件材料。,2.船舶用铜合金,(1)船用黄铜 船用黄铜有特殊黄铜和普通黄铜两大类。特殊黄铜主要用于船用螺旋桨的铸造，又称为螺旋桨用黄铜，普通黄铜常用的牌号有H62和H68。H68的Rb395MPa，,(2)船用青铜 船用青铜主要用于制造摩擦轮、齿轮、轴瓦、尾轴套筒、叶轮、通海阀、螺旋桨等。,3.船用钛合金,(1)探潜器方面的应用 由于单纯加厚壳体不可能得到很大的下潜深度，因此必须考虑使用屈服强度高的材料，如钛合金、高强度钢、玻璃钢和铝合金等。其中钛合金又优于铝合,(2)在高速、大型快艇方面的应用 高速、大型快艇和水翼艇的壳体，在航行中承受高速海水的冲刷和较大的载荷，要求材料具有高强度和良好的耐海水腐蚀性能。,(3)其他方面的应用 钛合金具有较高的屈强化，可以减轻重量，而且具有高的抗疲劳、耐蚀性，可以降低气蚀剥离的速度。所以可以用钛合金制造螺旋桨和尾轴，提高使用寿,第四节 船舶舾装常用材料
