第六章_金屬的性能及破壞性試驗

1、,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗介紹 金屬的機械性能 金屬的化學性能 破壞性試驗 概述 關(guān)鍵術(shù)語和定義,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,介紹在當今世界，有數(shù)以千計的金屬用于施工材料，包括母材和填充金屬。材料工程師和設(shè)計師能夠選擇最符合他們要求的金屬。這些金屬不僅在它們的成份上不同，而且還在其制造的方式上也不同。在美國，有幾個組織維護材料標準，如ASTM， ASME及AWS。另外還有來自

2、包括日本和歐洲許多其他國家和組織的材料標準。如第一單元所述，焊接檢驗師的責任之一是要審核與母材和填充材料的實際特性有關(guān)的文件。本單元的目的是對這些機械和化學性能作些描述。通過這些描述，焊接檢驗師就能了解這些實際值意昧著什么。大多數(shù)情況下，檢驗師必須能簡單地把要求值與實際值相比較以判斷其符合性。然而，這也會幫助檢驗師了解這些材料更多的特性，從而避免在焊接中可能出現(xiàn)的問題。本單元另一個目的是對將在第八單元中討論的“焊接檢驗師的焊接冶金學

3、“提供基礎(chǔ)。因為一種金屬的金相組成決定了它的特性，將顯示不同的冶金處理如何可以改變一種金屬的特性。按照金屬的機械和化學性能，制造中需使用特殊技術(shù)以防止這些金屬的劣化。比如，預熱和后熱就是為保持某些金屬的特性。對于經(jīng)過淬火和回火的鋼，焊接檢驗師可能被要求對焊接的熱輸入進行監(jiān)控以防止由于過熱導致母材特性的劣化。在這些例子中，焊接檢驗師并不是直接介入相應的這些材料的特性。但是，有效地監(jiān)控可防止由于加熱過高或過低而導致材料性能的改變。,第六部

4、分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,金屬的機械性能我們將討論金屬的一些重要的機械性能；這里的討論限于以下五種性能：強度延展性硬度韌性疲勞強度強度強度被定義為“材料能夠承受所加載荷的能力”，有很多種強度，每一種都取決于這一載荷是如何施加到材料上的，如拉伸強度，剪切強度，抗扭強度，沖擊強度和疲勞強度。金屬的拉伸強度被描述為當金屬承受張力或拉力載荷而不失效的能力。因為金屬常常被用于承受拉伸載荷，這是設(shè)計者所

5、要考慮的很重要的特性之一。當測定金屬特性時，拉伸強度通常以兩種不同方式描述。所用的術(shù)語是最大的拉伸強度和屈服強度。這兩種強度表示了該材料兩個不同方面。最大拉伸強度，UTS，（有時簡單地稱為拉伸強度）與金屬的最大承載能力有關(guān)，也就是當材料失效時的強度。為了定義屈服強度，有必要理解金屬”彈性變形”的含義。彈性變形是指金屬在載荷下變形，當移掉此載荷，將不引起永久性的變形。彈性變形可以用一個熟悉的例子來說明；一條橡皮筋是一種典型的彈性材料。當

6、它受載時會伸長，但當載荷去掉時，它會恢復原形。當金屬在其彈性區(qū)域內(nèi)受載時，它會有一些伸長。在這彈性范圍內(nèi)，伸長的量直接與所加的載荷成比例，所以彈性變形是線性的。當金屬彈性運作，它能夠伸長到某一點，當載荷移掉時，它可以回到原來的長度。這就是說，它沒有發(fā)生永久變形。圖6.1就說明了這一點。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,如果金屬在其彈性極限外被施加應力，它就無法再進行彈性活動。它的形為現(xiàn)在可以稱為塑性變形，就是出

7、現(xiàn)永久變形。這也意味著應力應變圖關(guān)系不再是線性的了。一旦塑性變形出現(xiàn)，當所施的載荷移掉時，材料將不會恢復到其原來的長度，而發(fā)生了永久變形。材料從其彈性至塑性轉(zhuǎn)換的點稱為該材料的屈服點。因此屈服強度就是材料能夠承受從彈性至塑性的強度。這個數(shù)值是極其重要的。因為大部分設(shè)計師都用此值作為某些結(jié)構(gòu)最大載荷限度的基礎(chǔ)。這是必要的。因為一個結(jié)構(gòu)可以起作用，除非所受應力超過了其屈服點，并且成為永久性的變形。拉伸強度和屈服強度通常是由一個拉伸試驗來

8、確定的。一個已知橫截面積的試件加載，其應力就可以以每平方英吋磅來確定。那么當試件被加載至失效，它就能被確定以每平方英吋磅為基礎(chǔ)的承載的能力。下面這一例子就顯示了一種材料它們之間的相互關(guān)系。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,當設(shè)計師了解了金屬的拉伸強度，他就能夠確定需要多大的橫截面積才能承受住一給定的載荷。拉伸試驗提供了一個金屬強度直接的測量值。另外用硬度試驗對強度進行非直接測量也是可能的。對于碳鋼，拉伸強度和硬

9、度之間有一直接的關(guān)系。那就是如果硬度增加，拉伸強度也增加，反之亦然。但是拉伸試驗測定的拉伸強度是最精確的。通常在碳鋼和低合金鋼上最方便的是做硬度試驗以估算它們相當?shù)睦鞆姸?。圖6.2顯示的是通用建造材料的拉伸和屈服強度，延伸率以及硬度值。 有趣的是你會發(fā)現(xiàn)所記錄的數(shù)值隨著材料的熱處理狀態(tài)，機械狀態(tài)或質(zhì)量可能有所變化。這些狀態(tài)的變化，可能會引起機械性能的變化，雖然材料具有相同的化學成分。金屬的溫度對其強度也有影響。當溫度上升，金屬強度

10、降低。如果金屬在高溫下承受載荷，設(shè)計師必須考慮到在該溫度下材料強度有所減小。溫度對金屬的延展性也有影響，在下面進行討論。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,延展性延展性是材料在承受載荷而沒有失效情況下變形或伸長的能力。金屬的延展性越大，在斷裂前伸長量也越大。它是金屬的一個重要的性能，因為它可能影響到金屬在受載下是慢慢失效還是突然失效。如果金屬有高的延展性，它通常會慢慢地斷裂。延展性良好的金屬在其斷裂前會彎曲，意

11、味著金屬的屈服點逐漸地被超過。延展性差的金屬會在沒有任何預兆的情況下突然斷裂，為脆性斷裂。金屬的延展性直接與其溫度有關(guān)。當溫度上升時，金屬的延展性會增加。當溫度下降時，延展性會減小。室溫下延展性好的金屬在零度以下，以脆性失效。具有高延展性的金屬可以稱為韌性，如是低延展性可稱為脆性。脆性材料在破裂前只有一點點變形或沒有變形。最好的例子，玻璃就是脆性材料。通常的脆性金屬是鑄鐵，特別是白口鑄鐵。脆性與韌性失效的外觀上的不同可以輕易地看出

12、。圖6.3所示的是二個夏比試件，一個是脆性失效而另一個是以韌性失效。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,延展性是一種特性，允許幾個在長度上稍有差別的部件一起承受載荷，而其中任何一個部件都不會過載失效。如果其中一個部件略短一點，但它具有韌性，那么它有能力充分變形以便和其它部件一起分擔負載。這個現(xiàn)象的一個實際例子就是拉緊的鋼絲形成支撐吊橋的的鋼纜。因為鋼絲長度不可能被做的很精確，鋼絲是由韌性金屬做成的。當橋承載時，那

13、些瞬時承載大的鋼絲能伸長以使其它鋼絲能承擔它們的載荷。當金屬要進行下一道的成形工藝，延展性就變得更重要了。例如，用于汽車車身的部件的金屬必須要有足夠的延展性以允許形成到所希望的形狀。延展性和強度與材料在制造時的軋制方向有很大的關(guān)系。軋制金屬有方向性的特性。軋制使得晶體或顆粒沿軋制方向的伸長遠遠大于橫向的伸長。結(jié)果是軋制金屬，如鋼板的韌性和強度沿其軋制方向是最大。在材料的橫向，相對于軋制方向的性能，強度要降低30%，延伸性要減少50

14、%。在厚度方向，其強度和延伸性甚至更低。對于一些金屬，在厚度方向的延伸性非常低。上述所涉及的三個方向的每一個都分配了一個識別字母。軋制方向是X，橫向是Y，厚度方向是Z?；蛟S您已經(jīng)見證過焊工考試的彎曲試板，試件在母材處斷裂。通常這是由于試板的軋制方向與焊縫軸線平行。甚至金屬也會在其軋制方向表現(xiàn)出非常好的特性，而在其他兩個方向加載可能導致過早地失效。金屬的延展性通常是用拉伸試驗來測定的，可與強度測試同時進行，。延伸性通常以二種方式表達，

15、延伸率和斷面收縮率。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,硬度硬度是最常用和容易測量的機械性能之一。它被定義為一材料抵抗壓痕或侵入的能力。如前所述，對于碳鋼，硬度和強度是直接相關(guān)的。當強度增加，也硬度隨之增加，反之亦然。因此，如果金屬的硬度已知，其強度可以估算，特別是碳鋼和低合金鋼。這對估計金屬的強度極其有用，因為它不用切除，準備和拉伸試樣。金屬硬度可以用多種方法確定。然而，最通常使用的方法是通過載荷把壓頭壓入

16、金屬表面。用此基本技術(shù)，可以做各種各樣的試驗；它們?nèi)Q于所用壓頭的種類和形狀以及所施加的載荷的大小。然后，材料的硬度是隨或者壓痕的大小或深度來確定的。圖6.4所示是通常使用的硬度試驗的壓頭以及產(chǎn)生的壓痕形狀。通過這么多的方法，可以測定金屬表面大面積的硬度或是金屬晶粒的硬度。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,韌性下一個要討論的機械性能是韌性?？偟膩碚f，韌性是材料吸取能量的能力。從拉伸試驗中產(chǎn)生的應力應變圖中，

17、金屬韌性是可以用應力應變曲線下的面積的計算來確定，如圖6.5所示。從這些曲線可以看出，蒙耐爾材料比低碳鋼材料韌性更好，因為其曲線下的面積更大。另一通常術(shù)語是缺口韌性。這與韌性不同，因為這是當有表面缺陷存在，材料吸收能量的能力。韌性是材料光滑無缺口時吸收能量的能力。而且，與缺口韌性不同的是韌性通常是確定當材料被慢慢加載時的行為，而缺口韌性值反映了在載荷最高點時能量吸收值。所以，缺口韌性常常是指沖擊強度。這兩個術(shù)語間的不同可以用拉斷一條

18、繩索的模擬試驗來說明。如果施加穩(wěn)定的載荷，與把這繩子猛地拉斷相比較，要花費更大的努力。當討論韌性和缺口韌性時，所感興趣的是材料在其失效前有多少能量能被吸收。低韌性的金屬將會在較低值時失效，并且?guī)缀鯚o變形。在另一方面，韌性好的金屬將在相當高的值，并且在永久性變形出現(xiàn)時才失效。前面我們已經(jīng)討論過延展性，韌性高和韌性低金屬之間的差異是，韌性低的金屬往往表現(xiàn)為脆性失效而韌性高的金屬往往表現(xiàn)為韌性失效。在延展性良好的情況下，金屬的韌性隨著溫度

19、變化而變化?？偟膩碚f，當溫度降低時，金屬韌性降低。所以金屬的韌性是在某溫度下確定的。沒有加上試驗溫度的韌性值幾乎是無意義的。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,由于有缺口或其它形式的應力集中使得結(jié)構(gòu)材料在一定條件下易于發(fā)生脆性失效，所以缺口韌性最令人注意。許多金屬，特別是高強度工具鋼，對于表面尖銳的不規(guī)則是極其敏感的。 圖6.6所示的是一些引起缺口效應的常見例子。如果金屬的缺口韌性很高，這就意味著無論是否有缺口

20、存在，它都會工作良好。但是如果金屬對缺口敏感，這就是說它是低缺口韌性，在受沖擊或重復性載荷時，它會更容易失效?？偟膩碚f，當金屬的硬度增加并且溫度降低時，它的缺口韌性將下降。在測定金屬韌性的試驗中，通常要確定的是金屬從韌性轉(zhuǎn)為脆性的溫度。該溫度被稱為金屬的脆性轉(zhuǎn)變溫度。有幾種試驗來確定金屬的缺口韌性。然而，它們主要在載荷和開缺口的方式上不同。大部分試驗是將金屬在某一溫度時施加沖擊載荷。常用的缺口韌性或沖擊試驗包括夏比試驗，落錘無延性轉(zhuǎn)

21、變溫度試驗，爆破試驗，動態(tài)撕裂以及裂紋尖端張開位移試驗（CTOD）。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,疲勞強度最后要討論的金屬機械性能是疲勞強度。為了定義這一強度，人們首先必須知道金屬的疲勞失效意味著什么。金屬疲勞是由于循環(huán)或重復機械行為引起的。這就是說，載荷在高應力與低應力之間或相反應力間交替變換。疲勞會迅速出現(xiàn)，比如馬達旋轉(zhuǎn)，或是更慢的周期，如幾天一次。疲勞破壞的一個例子就是一個馬達軸重復地彎曲產(chǎn)生的破壞

22、。這種形式的失效通常是在低于軸的拉伸強度下出現(xiàn)。金屬的疲勞強度定義為金屬在重復載荷下抵御失效的必要強度。了解疲勞強度是很重要的，因為絕大部分的金屬失效是由于疲勞引起的。疲勞強度值常常與引起失效所需的循環(huán)次數(shù)一起報告；通常的循環(huán)次數(shù)是百萬次或千萬次。疲勞強度可以通過疲勞試驗來確定。試驗有很多不同種的方式，通常疲勞試驗是以拉伸施加應力，然后再在以同樣的量壓縮，如此循環(huán)反復。這種試驗稱為反向彎曲試驗。當所施加的最大的應力增加，所需的產(chǎn)生失

23、效的循環(huán)次數(shù)減少。如果試驗是在各種應力下進行的，那么就可以作出一S-N曲線，如圖6.7所示。S-N曲線是用圖來描述在各種應力下產(chǎn)生疲勞失效所需要的循環(huán)次數(shù)。這些曲線顯示了鋼有明確的疲勞極限，但鋁的曲線并沒有明確的疲勞極限。疲勞極限是指無論載荷施加了多少個循環(huán)次數(shù)，金屬不出現(xiàn)失效的最大應力。該曲線顯示了鋁將最終失效，甚至在較低的應力下。然而對于鋼，只要應力保持在疲勞極限下，可以無限地維持。碳鋼的疲勞強度常常大約等于其拉伸強度的一半。,第

24、六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,如沖擊強度一樣，疲勞強度與其表面幾何形狀密切相關(guān)。任何缺口或引起應力集中的存在都能使得應力增加而超過金屬的疲勞極限。在足夠循環(huán)次數(shù)下，疲勞失效將出現(xiàn)。圖6.8所示是缺口銳利程度對金屬疲勞強度的影響。另外正如圖6.9所示，表面光潔度對疲勞強度也有影響。在焊接中對金屬的疲勞強度也有所擔心。但是，這并不是擔心金相的變化。而是焊接也能產(chǎn)生一些尖銳的不規(guī)則的表面。除非焊接后，光滑研磨，否則

25、焊縫本身也是一種表面不規(guī)則。焊縫表面的不連續(xù)，如咬邊，焊瘤，加強高過大或凸面都對焊件的疲勞強度有影響。因為它們都形成了尖銳的缺口，而這些缺口成為疲勞裂紋的始發(fā)點。圖6.10中所示的是一些表面不規(guī)則。焊縫內(nèi)部的不連續(xù)也能造成疲勞失效，那些在表面上的不連續(xù)更讓人憂慮。因為表面的不連續(xù)比內(nèi)部的不連續(xù)更快地導致疲勞失效。原因就是表面應力通常高于內(nèi)部應力。由于此原因，焊接檢驗師通過對表面進行仔細目視檢驗可在防止疲勞失效中起到很大的作用。發(fā)現(xiàn)并糾

26、正尖銳的表面不規(guī)則將大大地改善結(jié)構(gòu)的疲勞特性。在許多疲勞情況下，光滑的小焊縫要比帶有尖銳的表面不規(guī)則的大焊縫要好。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,金屬的化學性能金屬的機械性能通過各種機械和熱處理來改變。然而如果化學成份改變，將出現(xiàn)激烈的變化。焊接主要感興趣的是不同元素的混合物或合金，包括金屬和非金屬。常見的例子是鋼，它是鐵和碳的混合物，并加入了不等量的其它元素。除了機械性能外，金屬的化學成分也對其耐腐蝕性

27、和可焊性（金屬能被成功焊接的容易性）產(chǎn)生影響。因此，焊接檢驗師的部分職責包括比較金屬的實際化學性能與其技術(shù)要求來確認金屬的化學成份。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,合金焊接檢驗師可能接觸到許多不同的金屬合金。金屬能夠組合成許多合金種類；常見的種類有鋼，鋁，鎳和銅等。這里討論的是有關(guān)鋼的合金，進一步地劃分為三個分類：普通碳鋼，低合金鋼和高合金鋼。以噸位為基本單位，普通碳鋼使用的最廣泛。它的基本元素為鐵，但還

28、含有少量的碳，錳，磷，硫和硅。含碳量對鋼的性能有最大的影響。圖6.11所示的是含碳量和普通碳鋼的一些特性。低合金鋼包含非常少量的另一些元素，如鎳，鉻，錳，硅，釩，鈳，鉬和硼。這些元素的不同含量能夠引起在機械性能上的顯著不同。這些低合金鋼一般分為高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼，汽車和機械鋼，低溫用鋼或高溫用鋼。低合金鋼也能根據(jù)它們的化學成份進行分類。如圖6.12所示。這種分類是由美國鋼鐵研究所（AISI）和汽車工程師學會編制的，并經(jīng)常地在鋼生產(chǎn)中應

29、用。最后一組鋼是高合金鋼。不銹鋼和其它耐腐蝕合金就是這組鋼的例子。不銹鋼含有至少12%的鉻，并且許多等級也包含大量的鎳。圖6.13是一些不銹鋼的化學成分。它們可以劃分成五個組：奧氏體，馬氏體，鐵素體，沉淀硬化和雙相組織。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,化學元素對鋼的影響下列所要討論的是各種合金元素對鋼的性能的影響，包括可焊性。碳—— 一般認為是鋼中最重要的合金元素，能達到最大2%的含量（雖然最可焊鋼含碳

30、量小于0.5%）。碳既能溶解于鐵，也能以碳化物的形式存在，如碳化鐵（Fe3C）。含碳量增加，硬度和拉伸強度也增加，相應的淬硬性也增加了。在另一方面，含碳量的增加降低了可焊性。硫—— 通常在鋼中硫是比其它合金元素更不受歡迎的雜質(zhì)。在鋼生產(chǎn)期間，常常要用特定的方法去減少它的含量。如果超過0.05%，就會引起脆性并降低可焊性。在合金中加入0.10%到0.30%的硫，可以改善鋼的機加工性能。稱為再硫化或快削。快削（高速切削）合金不會用于有焊接

31、要求的地方。磷—— 通常認為是鋼中的雜質(zhì)。在大多數(shù)的碳鋼中其含量通常最大為0.04%。在淬硬鋼中，它會引起脆化。在低合金高強度鋼中，磷能加至0.10%以改善強度和耐腐蝕性。硅—— 通常只有少量（0.20%）的硅存在于軋制的鋼中作為脫氧劑。然而，在鑄鋼件中，通常有0.30%到1.00%。錳—— 通常鋼含有至少0.30%的錳。因為它有三個方面的作用。（1）幫助鋼脫氧。（2）防止形成硫化鐵。（3）提高鋼的淬硬性以增大強度。在碳鋼中，錳的

32、含量可達1.5%.鉻—— 是一個很有用的合金元素。加入鉻主要有二個原因。首先是大大地增加了鋼的淬硬性。再則就是改進了合金在氧化介質(zhì)中的抗腐蝕性。有些鋼材中它會使材料太硬，從而在焊縫區(qū)域或靠近焊縫的區(qū)域產(chǎn)生裂紋。不銹鋼中鉻含量超過12%。鉬—— 該元素能促使碳化物的形成，通常在合金鋼中含量小于1.0%。加入鉬是為了增強淬硬性及高溫強度。加入奧氏體不銹鋼中能改善抗麻點腐蝕。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,鎳—

33、— 加入鋼中的鎳是為了增加其淬硬性。它在增強淬硬性上起著很大作用。因為它常常能改善鋼的韌性及延展性，而同時又能增加強度和硬度。鎳常常用于改善鋼在低溫時的韌性。鋁—— 加入鋼中的鋁非常少，只是作為脫氧劑。它能細化晶粒而改善韌性；在鋼中加入適量的鋁，這種方法成為晶粒細化法。釩—— 加入釩將會增加鋼的淬硬性。它非常有效地增加鋼的淬硬性。因此它常常以精確的量加入。當超過0.05%時，在消除應力熱處理時鋼有脆化傾向。鈮（鈳）—— 與釩一樣，

34、通常認為它也是增加鋼的淬硬性。然而，由于它對碳有很強的親合力，它能與鋼中的碳結(jié)合，使淬硬性大大地降低。它作為穩(wěn)定劑加入奧氏體不銹鋼以改善焊態(tài)的性能。鈮與鈳一樣。溶解氣體—— 氫氣，氧氣和氮氣都能溶于熔化了的鋼中，如果不盡量減少，能使鋼脆化（并能引起氣孔）。鋼的精煉工藝就是盡可能消除這些氣體的存在。焊劑或是保護氣體用于防止這些氣體溶入熔化了的焊縫金屬。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,合金組鋁合金—— 當今用

35、在金屬加工業(yè)中最大一組非鐵基合金。它可以被鍛造和鑄造。一般認為是具有可焊性的。對于要求強度高，重量輕，導電和導熱性能優(yōu)異，抗腐蝕性好的場合，鋁是最適合的。工業(yè)用的退火或鑄造純鋁有結(jié)構(gòu)鋼五分之一的強度。正如鋁與其它金屬合金一樣，冷加工也能相當大地增加其強度。與銅，硅或鋅合金，可以用熱處理來增加強度。在某些情況中，鋁的強度可增加至可與鋼相比。鋁合金按其應用可以分為二類：可熱處理，不可熱處理?？蔁崽幚礓X從 “沉淀硬化”的工藝中得到硬度和強度

36、。不可熱處理的鋁是由應變硬化（冷加工）和加入合金元素來增加強度。圖6.14所列的是根據(jù)主要的合金元素，對各種鋁合金的命名。為了指出各種鋁的狀況，用一后綴加到數(shù)字命名中。圖6.15所示的是按回火狀態(tài)命名的鋁合金。鎳合金—— 鎳是一種韌性的，銀色的金屬，密度與銅大致相同。即使在高溫下，它也具有非常良好的抗腐蝕和抗氧化的能力。鎳很容易與許多材料合金。如鐵，鉻和銅。許多高溫合金和耐腐蝕合金都含有60%~70%的鎳。包括幾種合金，如蒙乃爾4

37、00，因科鎳600，哈氏合金C-276，通常用于鋼的焊接工藝，都可用于鎳及鎳合金，常用的焊接方法都適用于鎳及鎳合金。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,銅合金—— 銅以其導電率高而聞名。所以銅廣泛地用于電氣應用。它的密度大約是鋁的三倍，導熱性和導電性差不多是鋁的一倍半。銅在400華氏溫度下的淡水和鹽水，無氨堿溶液中以及許多有機化學劑中是抗氧化的。然而，銅可以和硫和硫的化合物反應生成硫酸銅。銅和銅合金廣泛地用于水管

38、，閥門，管件，熱交換器及化工設(shè)備。銅的合金主要分成八個組，包括：銅 高銅合金黃銅青銅銅鎳銅鎳鋅合金（鎳銀）加鉛銅特種合金雖然大多數(shù)銅合金在一定程度上可以焊接和/或釬焊，但它們高導熱性也產(chǎn)生了一些問題。高導熱性迅速地把焊接或釬焊熱從接頭處散掉。黏附在表面的氧化物也能引起困難，所以清潔是非常關(guān)鍵的。然而，這些合金可以用各種各樣的焊接和釬焊工藝十分有效地連接起來。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12

39、,破壞性試驗金屬的性能對于金屬或是焊縫是至關(guān)重要的，所以有必要測定其精確的值。現(xiàn)在設(shè)計師要得到每個性能的數(shù)值，然后他/她就能夠有效地選用所材料來設(shè)計結(jié)構(gòu)。有許多種試驗來測定金屬的各種機械和化學特性。這些試驗當中，有些可以提供不只一個特性的數(shù)值， 而大部分試驗是為金屬的某一個特定性能來確定數(shù)值的。因此，可能需要進行幾個不同的試驗以確定所有需要的性能。焊接檢驗師了解這些試驗是非常重要的。檢驗師應該知道什么時候應該試驗，將要提供什么樣的

40、結(jié)果，如果試驗結(jié)果與技術(shù)要求不符該如何決定。如果焊接檢驗師了解試驗中的某些方法，這將很有幫助，哪怕他沒有直接參與試驗。試驗方法通常分為二組，破壞性或非破壞性。破壞性試驗中，材料或部件試驗后就沒有用了。這些試驗常常用來確定當材料被加載至失效時的行為。非破壞性試驗不會對元件以后的使用產(chǎn)生影響，并且將在第10單元討論。本單元沒有提到有關(guān)用于確定母材或焊接金屬性能的特殊破壞性試驗。大的方面來說，這并不代表在試驗的方法上有很大的變化。有很多不

41、同的場合下要測試母材或焊縫的性能，但試驗的機理沒有變化，或即有也非常小。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,拉伸試驗前面我們第一個討論的機械性能是強度，所以第一個破壞試驗方法是拉伸試驗。這個試驗為我們提供了很多有關(guān)的金屬的性能。能夠由拉伸試驗所測定的性能包括：極限拉伸強度屈服強度延展性延伸率斷面收縮率彈性模量比例極限彈性極限韌性,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,拉伸試

42、驗中有些值可以從儀表中直接讀取。其他只有通過在試驗期間產(chǎn)生的應力應變圖的分析來定量。延展性的值可以對試件的試驗前及試驗后進行比較測量得到。它們差值的百分比就是延展率的值。 當進行拉伸試驗時，試驗最重要的一個方面就是拉伸試件的準備。如果試驗的這一部分沒有細致地準備，試驗結(jié)果的有效性將會大大地降低。例如，表面光潔度上的一小疵點就能引起拉伸試件的強度和延展性嚴重下降。有時，焊接試樣做拉伸試驗僅僅是為了看看焊縫的表現(xiàn)是否與母材一樣。這時候，

43、我們所要做的就是在垂直于焊縫縱軸的方向上截取試樣（有時稱為試條），使焊縫大約在試樣的當中。試樣的兩側(cè)用鋸或火焰切割，保持試樣兩側(cè)平行，但不需要進行一步的表面處理，包括去除焊縫強度高。但是，焊縫加強高常常是磨平的。這種方法用于按API 1104的焊接工藝評定和焊工技能評定。按照這個規(guī)范，成功的拉伸試驗就是試樣在母材部分斷裂，或是斷在焊縫上而此時的抗拉強度在母材的強度之上。大多數(shù)情況下都要求做拉伸試驗，但是有時還需要測試金屬的實際強度和

44、其它性能，而不僅是看焊縫是否與母材一樣強。當需要確定這些值時，試件必須被準備成一定的形狀，在靠近試樣長度中心的位置上加工成縮截面。如圖6.16所示。加工成縮截面主要是為了鎖定斷裂位置。否則斷裂可能會優(yōu)先地出現(xiàn)在靠近夾持端，使得后續(xù)的測量很困難。另外，縮截面試樣使整個橫截面的應力增加非常均勻。為了得到有效的結(jié)果，縮截面必須具有下列三個特性：（1）縮截面的整個長度必須是一個均勻的橫截面。（2）橫截面應該是容易測量，截面面積可以計算的圖

45、形。（3）縮截面的表面應沒有表面不規(guī)則，特別是垂直于試樣縱軸的不規(guī)則。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,由于這些原因，再加上需要機加工準備試樣，所以拉伸試樣中二個最常用的橫截面是圓和矩形。二者容易準備和測量。如果要做拉伸實驗，焊接檢驗師必須能夠計算拉伸試樣縮截面實際的截面積。例1和例2所示的是如何對二種常用的橫截面的計算。例1：圓截面的面積面積＝π x r2 =π x d2/4 舉例直徑，d=0.50

46、5in（測出的）舉例半徑，r=d/2=0.2525in面積=3.1416 x 0.25252面積=0.20 in2或，用直徑直接計算面積＝3.1416 x 0.5052/4A=0.2 in2例2：矩形截面的面積測出的寬，w=1.5 in測出的厚度 t=0.5 in面積＝1.5 x 0.5面積＝0.75 in2,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,試驗前面積的測定是非常關(guān)鍵的，因為這個值將最終

47、用于確定金屬的強度。強度將由所施載荷除以原來的面積而得出。例3所示是用于例1的標準圓形截面的計算。 例3：拉伸強度的計算載荷＝12,500磅 試樣斷裂面積＝0.2 in2（見例1）抗拉強度＝載荷/面積抗拉強度＝12,500/0.2抗拉強度＝62,500 psi (lb/ in2)這前面的例子所示的是一個標準圓形試樣的典型抗拉強度的計算。這是一個標準試樣，因為其產(chǎn)生0.2英寸的面積。這是為了方便因為用0.2除一個數(shù)與這個

48、數(shù)乘以5的一樣。因此，如果用這標準的拉伸試件，那么拉伸強度的計算是就像例4所示非常簡單。例4：另一種抗拉強度的計算方法載荷＝12500磅面積＝0.2英in2抗拉強度＝12500 x 5抗拉強度＝62,500 psi (lb/ in2)這個計算的結(jié)果與例3是一致的。在現(xiàn)代計算公式出現(xiàn)之前的許多年，這種標準尺寸的拉伸試樣的使用是非常流行的。在那個時候，精確地機加工一個拉伸試樣到這一精確尺寸比用某個更復雜數(shù)來除以載荷來人為地確定強

49、度更容易。然而，今天我們能容易地計算出精確的抗拉強度，無論實際面積是多大。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,這個計算的結(jié)果與例3是一致的。在現(xiàn)代計算公式出現(xiàn)之前的許多年，這種標準尺寸的拉伸試樣的使用是非常流行的。在那個時候，精確地機加工一個拉伸試樣到這一精確尺寸比用某個更復雜數(shù)來除以載荷來人為地確定強度更容易。然而，今天我們能容易地計算出精確的抗拉強度，無論實際面積是多大。在試驗前另一要做的是在縮截面上精確地

50、標出一標距。該通常是在某一規(guī)定的距離用一對洋沖孔來標出。最通常的標距是2和8英寸。試驗后，測量這些標距之間的新距離，并且與其原來的距離相比較以得出由于試件受載失效而產(chǎn)生的伸長量。延伸率稱為試樣在拉伸試驗期間在二個標距點之間所伸長的量。這是由二個標距之間最終與原來長度的差別除以原來長度，所得的結(jié)果乘以100而得出的一百分比。下面是計算延伸率的例子：原來的標距長2.0英寸二個標識間的最終長度2.5英寸延伸率＝2.5－2.0/2.0

51、x 100 = 25%當對延展性好的試樣進行拉伸試驗時，它的一部分由于受縱向拉伸載荷而出現(xiàn)“縮頸”。如果我們再測量并計算這“縮頸”區(qū)域的最終面積，減掉原始的橫截面積，所得的余數(shù)除以原始面積，并乘以100，就可以得出斷面收縮率。下面是斷面收縮率 (RA) 的例子：原始橫截面積0.20 in2最終橫截面積0.10 in2面積減少率＝0.20 – 0.10/0.20 x 100 = 50%,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 201

52、1-11-12,測量和標注完以后，將試樣牢牢地放入固定的夾具內(nèi)，并移動拉伸機機頭。如圖6.17所示。試樣就位后，拉伸載荷就以一穩(wěn)定的速率施加。加載速率的不同能導致試驗的不一致。在施加載荷前，將伸長計連到試件上的標距點處。當加載時，伸長計將測量由于載荷而引起的伸長量。載荷和伸長數(shù)據(jù)均記入到一條形圖表記錄器，生成載荷與伸長的變化圖。稱之為載荷與偏移曲線。然而，我們通?？吹降氖且詰儽硎镜睦煸囼灲Y(jié)果。應力與強度是成正比的，因為任何時

53、候它都是由應力除以橫截面積得出。應變是在給定長度上伸長量。應力是以psi(lb/in2)表示，應變是以尺寸值in/in來表示。典型的低碳鋼拉伸試驗時的圖表時應力－應變?nèi)鐖D6.18所示。在這里，我們將討論應力－應變圖的幾個重要特性。試驗開始時，應力和應變都等于零。隨著載荷的施加，應變量與應力線性增加。這個區(qū)域顯示了先前所稱的彈性變形，在這個區(qū)域處，應力和應變是成比例的。對任何所給的材料，這條線的斜率是一常數(shù)。這個斜率就是彈性模量。對于

54、鋼來說，在室溫時與鋁的彈性模量10,500，000 psi相比，鋼的彈性模量（或楊氏模量）大約等于30,000,000 psi 。這個數(shù)實際上反映的是這種鋼的剛度。也就是說，金屬彈性模量越高，它的剛度也就越大。最終，應變將開始比應力增加的快，這意味著金屬在所給定的應力下伸長更多。這種變化標志著彈性變形的結(jié)束，塑性變形的開始或永久性變形的開始。在曲線上顯示的線性變形的這一點被稱為彈性比例或極限。如果載荷在到達此點后在任何時候移走，試樣將

55、會回到其原來的長度。許多金屬從一開始的彈性變形就試圖想激烈的偏離。正如在圖6.18中看到，不僅僅是應力和應變不再成比例，而且當應變在增加的同時，應力可能實際下降或保持穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是延展性優(yōu)良的鋼的屈服特性。應力增至一最大極限，然后降至一較低極限。這些極限被分別稱為上屈服點和下屈服點。上屈服點是在應力沒有增加的情況下，應變顯著增加，或是塑性流動。然后應力下降至低屈服點并保持相對不變，這時應變繼續(xù)增加，稱之為屈服點延伸。,第六部分 金屬

56、的特性和破壞性試驗 2011-11-12,因為金屬如此表現(xiàn)，屈服強度是指上屈服點所對應的應力，或是在上屈服點與低屈服點之間的中點所對應的應力。在拉伸試驗期間，屈服點可以通過在儀表或記錄裝置上的突然下降而發(fā)現(xiàn)。屈服強度可以由觀察并記錄這突然下降時的載荷來確定。當用這一方法時，我們稱之為（“臺階”）技術(shù)。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,在出現(xiàn)此現(xiàn)象期間，鋼的塑性流動的速率增加使應力釋放比應力形成要更快。當在室溫

57、下出現(xiàn)此塑性流動，稱為冷加工。這種效應使金屬變?yōu)楦鼜姼?，并且被稱為加工硬化。因此屈服將繼續(xù)直至金屬到一定加工硬化范圍，現(xiàn)在它需要更多的應力來產(chǎn)生進一步的伸長。相應地，曲線開始以非線性的形式爬升。應力和應變以變化的速率繼續(xù)增加一直達到最大的應力。這一點稱為最大應力，或極限拉伸強度。圖6.19所示是當達到這最大應力時，隨后甚至當應變繼續(xù)上升（工藝曲線），應力顯著地下降。這個現(xiàn)象是由于試件開始“頸縮”，實際橫截面小于原來的橫截面積，來承受

58、所施加的應力。因為應力是以原來的面積為基礎(chǔ)計算的，這就給出一現(xiàn)象，當在實際中應力以psi繼續(xù)增加時，載荷是下降的。如果在拉伸試驗中計算出持續(xù)的應力和實際承受載荷的面積，那么實際的應力－應變圖可以給出。這條實際曲線和先前討論過的工藝曲線的比較如圖6.19所示。它顯示了試樣的應變隨著應力的上升繼續(xù)增加。該曲線顯示出失效是在最大應力和最大應變時出現(xiàn)。對于延展性差的金屬，在彈性和塑性變形之間沒有明顯的變化。因此“臺階”方法不適用于確定它們的

59、屈服強度。另外一種的方法為偏移法。圖6.20所示的是一種延展性差的金屬的典型應力－應變圖。當使用偏移法時，在某一規(guī)定應力處畫一條平行與彈性模量的線。應變量通常是以某百分比描述的。通常偏移是應變的0.2%（0.002）；然而，也可以規(guī)定其它的應變量。圖6.21所示的是這根0.2%的偏移線是如何畫出的。偏移線與應力－應變曲線之間的交點所對應的應力被定義為屈服應力。在報告中應說明這是0.2%的偏移屈服應力，以使人們知道它是如何被確定的。,

60、第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,能從應力－應變圖中可獲得的最后一條信息是金屬的韌性。你可記得韌性是衡量金屬吸收能量的能力。你也知道當載荷被慢慢，穩(wěn)定地施加，韌性能由應力－應變圖下的面積來確定。所以金屬有較高的應力和應變值，那么它就比具有較低應力和應變值的金屬更具韌性。圖6.22所示的是高碳彈簧鋼與結(jié)構(gòu)鋼的應力－應變圖之間的比較。如果比較二個曲線下的面積，這很顯然，在結(jié)構(gòu)鋼曲線下的面積更大。因此結(jié)構(gòu)鋼的韌性更好。

61、接下去的拉伸試驗，有必要測定金屬的延伸率。有二個方式來表示，即伸長率和斷面收縮率。這二種方法包括在試驗前后都需進行測量。為了確定伸長率，在加應力前，必須在試件上標上標距。在試件失效后，把二個破壞件拼在一起，測量這些標距的新的距離。用標距原始和最終長度，我們能如例5所示來計算延伸率。 例5：伸長率的確定原始標距＝2.0英寸最終標距＝2.6英寸伸長率%＝最終長度－原始長度/原始長度x 100伸長率%＝2.6-2.0/2.0

62、x 100伸長率＝0.6/2.0 x 100伸長率＝30%,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,延伸性也能以其在試驗中它截面縮小多少來表示。這被稱為斷面收縮率，是為了比較對拉伸試件的原來截面積與最終面積進行測量和計算。例6顯示了這一計算。例6：斷面收縮的確定（%RA）原始面積＝0.2 in2最終面積＝0.1 in2斷面收縮率%＝原始面積－最終面積/原始面積 x 100%RA＝0.2 – 0.1 /0.

63、2 x 100%RA=0.1/0.2 x 100%RA=50%當伸長率和斷面收縮率均代表一拉伸試件所具有的延伸性時，它們很少相等。通常斷面收縮率大約是伸長率的二倍。斷面收縮率在有缺口存在的情況下被認為是確定金屬延伸性的代表性表示。然而，如果只用一種方法，我們最常見的是伸長率。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,硬度試驗硬度是金屬抵抗壓痕或侵入的能力。金屬的硬度與其拉伸強度相相似。因此硬度試驗是將某種壓頭

64、壓入試驗物表面。取決于采用的硬度試驗形式，測量直徑或者所壓入的深度。硬度也能用各種電子和超聲裝置來測量。在這里我們僅討論用壓痕的方法。主要是由于有很多方法可以測定硬度，所以金屬的硬度是很容易地測定的。我們將討論三個基本壓痕的硬度試驗法：布氏硬度，洛氏硬度及顯微硬度?？偟膩碚f，這三種形式在所產(chǎn)生壓痕的尺寸上是相互不同的。布氏的最大，顯微硬度最小。布氏硬度測量法通常用于確定金屬毛坯的硬度。因為它的壓痕面積大，消除了金屬局部軟硬點的影響，

65、所以它很適用。在布氏試驗中使用較高的載荷以減小由于表面不規(guī)則所帶來的影響。在布氏試驗前，適當?shù)谋砻鏈蕚涫潜匾?；這包括研磨或砂磨表面以獲得相對平的試驗區(qū)域。另外該表面也應足夠光滑以使壓痕尺寸能精確測量。,第六部分 金屬的特性和破壞性試驗 2011-11-12,在進行布氏試驗時，壓頭以某一規(guī)定的載荷壓入試驗物體的表面。移走載荷后，用一帶刻度的放大器測量壓痕直徑。根據(jù)壓頭的尺寸和類型、所加的載荷以及壓痕產(chǎn)生的直徑，可以確定布氏硬度值(B

66、HN)。因為這是一種數(shù)學關(guān)系，所以BHN可以隨著壓頭的類型和載荷來確定。另外BHN與碳鋼的實際拉伸強度有關(guān)。這就是BHN乘以500大約等于金屬拉伸強度。這種關(guān)系只能用于碳鋼和低合金鋼，不能用于所有的合金。普通的布氏試驗是用一10毫米的硬化鋼球并施加3000公斤的載荷。當試驗條件，如試樣的硬度和厚度改變時，也需要鋼球的類型和直徑以及所施載荷量的變化。其它可使用的球有5毫米的硬化鋼球和10毫米的碳化鎢球。對于軟的金屬，使用500公斤的載荷

67、。使用500與3000公斤間的其它載荷，也能產(chǎn)生相等的結(jié)果。用布氏方法的現(xiàn)場試驗常常用一錘子錘擊試件和已知硬度的標準塊以產(chǎn)生壓痕。試件的硬度就可用試件上的壓痕直徑與標準試驗塊上的壓痕直徑相比較來獲得。BHN通常是通過測量壓痕的直徑和在一表格上讀取硬度值來確定(見圖6.23)。布氏試驗的通常步驟是：1. 準備試驗表面2. 施加試驗載荷3. 保持載荷于一規(guī)定的時間4. 測量壓痕直徑5. 從表格確定BHN上述程序中需要特別注意的

68、就是保持試驗載荷于一定時間。對于鐵和鋼來說，是10到15秒。更軟的金屬需要保持載荷大約30秒。當用便攜式設(shè)備時，則保持時間是由一旦達到試驗載荷，保持液壓來模擬。其它試驗裝置可能需要沖擊，所以沒有保持時間。從這簡單的程序上看，顯爾易見布氏試驗是很容易做的。甚至由于其簡單性，只要在執(zhí)行每一步驟時非常小心，那么試驗結(jié)果將十分精確。有關(guān)布氏試驗的另外信息請參照ASTM　E10，金屬材料布氏硬度的標準試驗方法。常常由于試件太大而無法放入布氏試