材料力学基本知识 ? 1、应力：材料内部各部分之间相互作用的力 ? 2、应变：物体在外力作业下，其现状尺寸所发生的相对改变称为应变。 ? 3、强度：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。 ? 4、硬度：是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。 ? 5、塑性：是材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的 能力。 ? 6、冲击韧性：是材料在外力冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征。 金属材料强度指标 ? A. 屈服强度 ? 材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象；称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用σs表示。我国标准规定σs取钢材的下屈服点值。 ? B. 抗拉强度 ? 试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用σb表示。 ? 钢材的屈服强度与抗拉强度的比值（σs/σb）叫屈强比。 承压设备钢材的基本要求 ? 对制作承压类特种设备钢材的基本要求包括： ? （1）为保证安全性和经济性，所用材料应有足够的强度，即较高的屈服强度和抗拉强度。 ? （2）为保证加工工艺和使用中的安全性，所用材料应具有较好的塑性和冷弯能力。 ? （3）为保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏，所用材料应有良好的韧性。 ? （4）所用材料应有良好的焊接性和加工工艺性能，包括冷热加工成型性能和焊接性能。 ? 5）所用材料应有良好的低倍组织和表面质量，分层，疏松，非金属夹杂物，气孔等缺陷}应尽可能少，不允许有裂纹和白点。 ? （6）用于制造高温受压元件的材料应具有良好的高温特性，包括足够的蠕变强度，持久强度，良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性。对低温下使用的压力容器，还要求具有良好的低温性能。 ? （7）较低的缺口敏感性。特种设备制造过程中，往往需要开很多孔，焊很多管接头，容易引起应力集中，对缺口敏感的材料容易引起破坏。 ? （8）与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。 承压类设备常用材料 ? 1. 钢的分类及命名方法 ? 国家标准GB／T3304—91《钢分类》中规定，钢的分类分为“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两部分。
? 1）、按化学成份分类，钢可分为非合金钢、低合金钢、合金钢三大类。按含碳量分类，碳钢可分
为： ? (1)低碳钢．含碳量≤0．25％：
? (2)中碳钢，含碳量=O．25％～0．6％； ? (3)高碳钢，含碳量>0.6％。
? 2）、 按钢的质量分类，碳钢可分为： ? (1)普通碳素钢，含硫量≤0．050％，含磷量
≤0．045％； ? (2)优质碳素钢，含硫量≤O．040％，含磷量
≤0．040％；
? (3)高级优质碳素钢，含硫量≤0．030％，含
磷量≤0．035％。 ? 3）、按钢的用途分类，碳钢可分为：
? (1)碳素结构钢，主要用于制做各种工程结构件和机器零件，一般为低碳钢； ? (2)碳素工具钢，主要用于制做各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。 锅炉基本知识 ? 3.1锅炉的定义及用途
? ⑴定义：锅炉是利用燃料燃烧时产生的热能或其他能源的热能，把工质加热到一定的温度和压力的热能转换设备。
? 3.2锅炉的特点
? ⑴要求连续运行，不得随意停止运行。
? ⑵锅炉承受高温、较高的压力和热交变载荷的作用，工作条件恶劣、负荷和燃烧的变化大。
? ⑶具有爆炸的危险性， 锅炉的主要参数：
? 容量（输出功率）：蒸汽锅炉指蒸发量，单位是吨/小时，热水锅炉、有机热载体锅炉指供热量，单
位大卡/小时。 ? 压力：锅炉出口的工作压力，单位MPa。
? 温度:锅炉出口的介质温度。 锅炉的分类方式 ：
? 按用途分为：电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉和机车锅炉、船舶锅炉等。 ? 按出力分为：大型锅炉（蒸发量≥100吨/小时）、
中型锅炉（蒸发量为20～100吨/小时）和小型锅炉（蒸发量≤20吨/小时）。 ? 按压力分为：低压锅炉（额定压力≤1.6兆帕）、中压锅炉（额定压力为2.5兆帕～3.9兆帕）、高压
锅炉（额定压力≥9.8兆帕）、超高压锅炉（额定压力≥14兆帕）、亚临界锅炉（额定压力≥17兆帕）和超临界锅炉（额定压力≥22.4兆帕）。
? 按燃料种类分为：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅
炉、原子能锅炉和余热锅炉。
? 按出口介质：分为蒸汽锅炉、热水锅炉和有机热载体锅炉。
? 按结构型式分为：锅壳锅炉和水管锅炉。
锅炉主要受压部件
? ⑴锅筒：用于汇集、贮存、分离汽水和补充给水
的，是锅炉最重要的部件。
? ⑵锅壳：它是锅壳式锅炉中“包围”汽水、风烟、
燃烧系统的外壳，又称锅壳。
? ⑶联箱：是连接受热面管、下降管、连通管、水
位表孔等，所以又称集箱 。⑷下降管：是与水冷壁、联箱、锅筒形成水循环回路。
? ⑸受热面管子：是锅炉的主要受热面，有水管火
管之分，如水冷壁管。
? ⑹省煤器：是对给水进入锅炉前的预热装置，通
过高温烟气将给水加热到低于饱和温度40～50℃并降低排烟温度。
? ⑺过热器：把锅筒内出来的饱和蒸汽加热成过热
蒸汽的部件，是用碳钢或耐热合金钢管弯制成蛇形管组合而成。
? ⑻减温器：是用来调节过热蒸汽温度控制在规定
的范围内，以满足生产和安全的目的，
? ⑼再热器：是将汽轮机高压缸内排出的蒸汽再加
热到过热蒸汽相同或相近的温度后再回到汽轮机低压缸去作功，以提高热效率。
? ⑽炉胆：是指立式锅壳式锅炉和卧式内燃式锅炉
包围燃料空间的壳体，承受外压当其长度超过3m时应采用波纹形结构。
? ⑾下脚圈：是连接炉胆和锅壳的部件，
? ⑿炉门圈、喉管、冲天管：炉门圈是连接锅壳和
炉胆之间燃料进入燃烧室的一 。
锅炉安全附件
? ⑴工业锅炉安全附件：有安全阀、压力表、水位
计、水位报警器、排污阀等。
? ⑵热水锅炉：有安全阀、压力表、温度计、超温
报警器、排污阀或放水阀等。
? ⑶其它装置：有给水安全装置、自动调节安全装
置及其仪表阀门安全控制装置。
压力容器基本知识 压力容器的定义与用途
? 压力容器是指承受介质压力的密闭容器。
? 压力容器的用途极为广泛，它在基本建设、医疗
卫生、地质勘探、石油化工、能源工业、科研、民用及军事工业等都起着重要的作用。压力容器的应用相当广泛，但是就其在生产工艺过程中发挥的作用而言，主要有四种作用，一是主要用于完成介质的物理、化学反应；二是主要是用于完成介质的热量交换；三是主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体的净化分离；四是主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质。 压力容器的主要工艺参数：
容量：压力容器的大小，通常用其容积来表示。压力容器的容积指的是压力容器的几何容积，即由设计图标注的尺寸计算（不考虑制造公差）并圆整，且不扣除内件体积的容积。 压力：主要来自介质的压力，实质是物理学中的压强，指的是垂直作用于物体 单位面积上的力，力的单位用“MPa”来表示
温度：压力容器的温度涉及环境温度、介质温度 ，压力容器的温度指的是其工 作时壳壁元件金属所处的温度。
压力容器的分类
压力容器的分类方法很多，常见的有按压力、制造方法、外形、材料、安装方式、操作要求等数种。如：固定式压力容器和移动式压力容器 ，低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器 ，常温容器、高温容器和低温容器 ，反应压力容器（代号R）、换热压力容器（代号E）、分离压力容器（代号S）和储存压力容器（代号C，其中球罐代号B），第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器等。
压力管道基础知识 压力管道的定义
? 压力管道是指利用一定压力输送气体、液体的管
状设备。
? 《特种设备安全监察条例》所称的压力管道
是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。
压力管道的用途及主要特点
用途：压力管道的主要用途就是输送介质，而除此用途之外还可以延伸出以下一些功能如 储存功能（主要用于长输管道）和热交换（主要用于工业管道）等。 主要特点：
? （1）数量多，标准多。 ? （2）管道体系庞大，由多个组成件、支承件组成，
任一环节出现问题都会造成整条管线的失效。 ? （3）管道的空间变化大。要么是长距离却经过复
杂多变的地理、天气环境；要么是在一个环境里，但是其立体空间变幻莫测。
? （4）腐蚀机理与材料损伤的复杂性。易受周围介
质或设施的影响，容易受诸如腐蚀介质、杂散电流影响，而且还容易遭受意外伤害。 ? （5）失效的模式多样。
? （6）载荷的多样性，除介质的压力外，还有重力
载荷以及位移载荷等。
? （7）材质的多样性，可能一条管道上就需要用几
种材质。
? （8）安装方式多样，有的架空安装，有的埋地敷
设。
? （9）实施检验的难度大，如对于高空和埋地管道
的检验始终是难点。
压力管道无损检测的要求：管道表面 MT、PT，管道内部UT,焊缝RT
第二篇：材料力学性能知识要点
1、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、 塑性变形 和 断裂 三个阶段。
2、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、 抗拉强度 、 延伸率
断面收缩率 、 冲击功 。
3、陶瓷材料增韧的主要途径有 相变增韧 、 微裂纹增韧 、 表面残余应力增韧 、 晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。
4、常用测定硬度的方法有 布氏硬度 、洛氏硬度 和维氏硬度测试法。
1、聚合物的弹性模量对结构非常敏感，它的粘弹性表现为滞后环、应力松弛和蠕变，这种现象与温度、时间密切有关。
2、影响屈服强度的内在因素有：结构健、组织、结构 、原子本性；外在因素有：温度、应变速率、应力状态。
3、缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面： (1)产生应力集中、
(2)引起三相应力状态，使材料脆化、 (3)由应力集中带来应变集中 、(4)使缺口附近的应变速率增高。
4、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、塑性变形 和断裂 三个阶段。
5、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、抗拉强度、 延伸率
断面收缩率、 冲击功。
6、陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧 、微裂纹增韧、表面残余应力增韧、晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。
请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义
7、
σc：断裂应力，表示金属受拉伸离开平衡位置后，位移越大需克服的引力越大，σc表示引力的最大值；
K1C：平面应变的断裂韧性，它反映了材料组织裂纹扩展的能力；
Y：几何形状因子
ac: 裂纹长度
8、对公式
进行解释，并说明各符号的名称及其物理意义（5分）
答：表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系。
：裂纹扩展速率（随周次）；
c与m：与材料有关的常数；
：裂纹尖端的应力强度因子幅度
9、
εss-蠕变速率，反映材料在一定的应力作用下，发生蠕变的快慢；n为应力指数，n并非完全是材料常数，随着温度的升高，n略有降低；A为常数；σ为蠕变应力。该公式反映了在稳态蠕变阶段，蠕变速率和蠕变应力之间的关系。
10、S=Kεn Hollomon 关系式
式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度硬化指数。S—真应力 ε—真应变
若取对数， lnS=lnK+ nlnε
1、提高金属材料的屈服强度有哪些方法?试用已学过的专业知识就每种方法各举一例。
答： 从组织的影响来看有四种强化机制影响金属材料的屈服强度：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界和亚晶强化；
影响屈服强度的外在因素还有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度也升高。
2、和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?造成这种差别的原因何在?
答： 首先，材料在高温下将发生蠕变现象，即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断发生变形；其次，材料在高温下不仅强度降低，且塑性也降低。应变越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。再次，材料在高温下晶界附近是弱化的区域。但在常温或不太高的温度下，晶界却是阻止变形引起材料强化的因素，细晶粒不仅强度高，塑韧性也好。另外还有高温应力松弛、蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
3、金属疲劳破坏的特点是什么？典型疲劳断口具有什么特征？提高疲劳强度的途径有哪些？
答： 金属疲劳破坏有以下三个特点：第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然地破坏；第二，引起疲劳破坏的应力很低，常常低于静载时的屈服强度；第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分。
一个典型的疲劳断口总是有疲劳源、疲劳裂纹扩展源和最终断裂区三部分组成。
4为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性?
答：对于体心立方金属来说，随着温度的下降屈服强度上升剧烈，但形变硬化速率却对温度不太敏感，因此随着温度下降其抗拉强度与屈服强度的差别基本保持不变，而延伸率则越来越低。这样，当屈服强度上升到和其解离断裂抗力相等时，材料就发生脆断。
对于面心立方金属来说，屈服强度随温度降低基本不变，但加工硬化速率却迅速上升，相应地也伴随着抗拉强度迅速上升。均匀延伸率随温度的降低不是减小而是明显增大。故面心立方金属没有冷脆现象。
5提高零件的疲劳寿命有哪些方法?试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析，其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果?
答：提高疲劳寿命的方法有：1、采用滚压或喷丸的表面强化方法。因为疲劳裂纹的萌生大多起源于表面，滚压或喷丸时表面的塑性变形受到约束，使表面产生很高的残留压应力，这种情况下表面就不易萌生疲劳裂纹，即使表面有小的裂纹，裂纹也不易扩展。
2、利用表面化学热处理的方法来提高零件的疲劳强度。如渗碳氮化等，其表面强化原理和上述的喷丸、滚压法是相同的，也是在渗层表面产生残余压应力。
3、减少夹杂物。夹杂物如Al2O3、硅酸盐和MnS等与基体的膨胀系数不同，在淬火过程中使其周围产生应力，在夹杂物和基体之间萌生疲劳裂纹。
4、细化晶粒。细化晶粒对阻止疲劳裂纹的萌生和扩展都是有好处的。细化晶粒相当于减小了平均滑移距离，减少了在晶界上位错塞积所引起的应力集中。
5、其它因素。对Ti-8Al-1Mo-1V用铍的表面镀层能显著提高疲劳极限。在零件制造过程中，注意消除磨削和焊接等工艺造成的残余拉应力。
6、为什么材料的塑性要以延伸率
和断面收缩率
这两个指标来度量?它们在工程上各有什么实际意义?
答：试样拉断时所测得的延伸率主要反映了材料均匀变形的能力，而断面收缩率则反映了材料局部变形的能力。在试样拉伸过程中，试样伸长包括两部分，均匀伸长（颈缩前）和局部伸长（颈缩后），因此可以用延伸率和断面收缩率来度量材料的塑性。
7、缺口对材料的性能有哪些影响？为什么缺口冲击韧性被列为材料常规性能的五大指标之一？它和断裂韧性有何关系？
答：影响：1、产生应力集中；2、引起三向应力状态，使材料变脆；3、由应力集中带来应变集中；4、使缺口附近的应变速率增高。
原因：测量简便迅速，综合了缺口、低温及高应变速率这三个因素的影响，能够用来控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量；能够评定材料的冷脆倾向。
关系：温度对二者的影响类似、加载速率所引起的脆性转变温度的改变一致，二者在低温下有一定的对应关系。
8．缺口冲击韧性为什么被列为材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性的功能：(a)它是控制工艺的性能指标；(b)它是服役性能指标；(c)两者兼而有之，但要具体分析。你对上述说法有何评论?冲击韧性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗?
答：缺口冲击韧性试验最大的优点就是测量迅速简便，所以将材料的冲击韧性列为材料的常规力学性能。
(a)缺口冲击韧性用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。厂里所规定的冲击韧性值是用来检验材料的冶金质量和热加工工艺是否正常，而不是作为使用性能或服役性能的指标提出的。
(b)它是用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件相联系的。在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求，虽然不是一个直接的服役性能，但应理解为和具体服役条件有关的性能指标。
冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。而不能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力。
1、某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。
答： 第一种故障主要是材料的刚度（弹性模量）不足，抵抗弹簧变形能力不够；
改进措施：（1）更换弹性模量高的材料；（2）改变材料的截面形状尺寸。
第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致；
改进措施：（1）更换弹性极限高的材料（2）对材料进行适当热处理
3. 材料M比材料N的高温蠕变极限、持久强度以及持久塑性都高，而且表现出高温“强韧化”特点。请在蠕变曲线图上画出材料M和材料N的相对位置，并做以说明。
答：材料M和N的应力－应变曲线示意图如下。横坐标为应变值；纵坐标为应力值，材料M在断裂时的最大应力值大于材料N，也就是，材料M的强度比材料N要大。材料M，在应力－应变曲线上有明显的塑性变形阶段，而材料N达到最大应力值时就断裂了，说明材料M的塑性较好。
2．一直径为2.5mm，长为200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm,试计算：(1)杆的最终长度；(2)在该载荷作用下的真应力S与真应变
；(3)在该载荷作用下的条件应力
与条件应变
。
答：(1)
＝
×100%=
×100%=
×100%=22.56%
=
=29.13%
最终杆长：l=
(1+)=200×（1+29.13%）=258.26mm(备注：也可利用体积不变定律计算)
(2)S=
=
=526.13Mpa
=
=25.56% （或 =
＝ 
=25.56%）
(3) 
=407.44 Mpa
(或S=
=526.131×（1－22.56％）＝407.44 Mpa
＝
×100%=29.13%
4. 产生颈缩的应力条件是什么? 要抑制颈缩的发生有哪些方法?
答：当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。
措施：提高加工硬化指数。