金屬的性能及破壞性試驗(yàn)PPT課件

1、第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 介紹 在當(dāng)今世界，有數(shù)以千計(jì)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(jì)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(guó)，有幾個(gè)組織維護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM， ASME及AWS。另外還有來(lái)自包括日本和歐洲許多其他國(guó)家和組織的材料標(biāo)準(zhǔn)。 如第一單元所述，焊接檢驗(yàn)師的責(zé)任之一是要審核與母材和填充材料的實(shí)際特性有關(guān)的文件。本單元的目的是對(duì)這些機(jī)械和化學(xué)性能作些描述。通過(guò)這些描述，焊接檢驗(yàn)師就能了解這些實(shí)際值意昧著什么。大多數(shù)情況下，檢驗(yàn)師必須能簡(jiǎn)單地把要求值與實(shí)際

2、值相比較以判斷其符合性。然而，這也會(huì)幫助檢驗(yàn)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(wèn)題。 本單元另一個(gè)目的是對(duì)將在第八單元中討論的“焊接檢驗(yàn)師的焊接冶金學(xué)“提供基礎(chǔ)。因?yàn)橐环N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(jī)械和化學(xué)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(yù)熱和后熱就是為保持某些金屬的特性。對(duì)于經(jīng)過(guò)淬火和回火的鋼，焊接檢驗(yàn)師可能被要求對(duì)焊接的熱輸入進(jìn)行監(jiān)控以防止由于過(guò)熱導(dǎo)致母材特性的劣化。在這些例子中，焊接檢驗(yàn)師并不是直接介入相應(yīng)的這些材料的特性。但是，有效地監(jiān)控可防止由于加熱過(guò)高或過(guò)低而導(dǎo)致材料性能的改變。

3、第1頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 金屬的機(jī)械性能 我們將討論金屬的一些重要的機(jī)械性能；這里的討論限于以下五種性能： 強(qiáng)度 延展性 硬度 韌性 疲勞強(qiáng)度 強(qiáng)度 強(qiáng)度被定義為“材料能夠承受所加載荷的能力”，有很多種強(qiáng)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(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，抗扭強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。 金屬的拉伸強(qiáng)度被描述為當(dāng)金屬承受張力或拉力載荷而不失效的能力。因?yàn)榻饘俪３１挥糜诔惺芾燧d荷，這是設(shè)計(jì)者所要考慮的很重要的特性之一。當(dāng)測(cè)定金屬特性時(shí)，拉伸強(qiáng)度通常以兩種不同方式描述。所用的術(shù)語(yǔ)是最大的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。這兩種強(qiáng)度

4、表示了該材料兩個(gè)不同方面。最大拉伸強(qiáng)度，UTS，（有時(shí)簡(jiǎn)單地稱為拉伸強(qiáng)度）與金屬的最大承載能力有關(guān)，也就是當(dāng)材料失效時(shí)的強(qiáng)度。 為了定義屈服強(qiáng)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(dāng)移掉此載荷，將不引起永久性的變形。彈性變形可以用一個(gè)熟悉的例子來(lái)說(shuō)明；一條橡皮筋是一種典型的彈性材料。當(dāng)它受載時(shí)會(huì)伸長(zhǎng)，但當(dāng)載荷去掉時(shí)，它會(huì)恢復(fù)原形。當(dāng)金屬在其彈性區(qū)域內(nèi)受載時(shí)，它會(huì)有一些伸長(zhǎng)。在這彈性范圍內(nèi)，伸長(zhǎng)的量直接與所加的載荷成比例，所以彈性變形是線性的。當(dāng)金屬?gòu)椥赃\(yùn)作，它能夠伸長(zhǎng)到某一點(diǎn)，當(dāng)載荷移掉時(shí)，它可以回到原來(lái)的長(zhǎng)度。這就是說(shuō)，它沒(méi)有發(fā)生永久變形。圖6.1就說(shuō)明了這一點(diǎn)

5、。第2頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 如果金屬在其彈性極限外被施加應(yīng)力，它就無(wú)法再進(jìn)行彈性活動(dòng)。它的形為現(xiàn)在可以稱為塑性變形，就是出現(xiàn)永久變形。這也意味著應(yīng)力應(yīng)變圖關(guān)系不再是線性的了。一旦塑性變形出現(xiàn)，當(dāng)所施的載荷移掉時(shí)，材料將不會(huì)恢復(fù)到其原來(lái)的長(zhǎng)度，而發(fā)生了永久變形。 材料從其彈性至塑性轉(zhuǎn)換的點(diǎn)稱為該材料的屈服點(diǎn)。因此屈服強(qiáng)度就是材料能夠承受從彈性至塑性的強(qiáng)度。這個(gè)數(shù)值是極其重要的。因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)計(jì)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?yàn)橐粋€(gè)結(jié)構(gòu)可以起作用，除非所受應(yīng)力超過(guò)了其屈服點(diǎn)，并且成為永久性的變形。 拉伸強(qiáng)度和屈服

6、強(qiáng)度通常是由一個(gè)拉伸試驗(yàn)來(lái)確定的。一個(gè)已知橫截面積的試件加載，其應(yīng)力就可以以每平方英吋磅來(lái)確定。那么當(dāng)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3頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 當(dāng)設(shè)計(jì)師了解了金屬的拉伸強(qiáng)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(yàn)提供了一個(gè)金屬?gòu)?qiáng)度直接的測(cè)量值。另外用硬度試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行非直接測(cè)量也是可能的。對(duì)于碳鋼，拉伸強(qiáng)度和硬度之間有一直接的關(guān)系。那就是如果硬度增加，拉伸強(qiáng)度也增加，反之亦然。但是拉伸試驗(yàn)測(cè)定的拉伸強(qiáng)度是最精確的

7、。通常在碳鋼和低合金鋼上最方便的是做硬度試驗(yàn)以估算它們相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度。 圖6.2顯示的是通用建造材料的拉伸和屈服強(qiáng)度，延伸率以及硬度值。 有趣的是你會(huì)發(fā)現(xiàn)所記錄的數(shù)值隨著材料的熱處理狀態(tài)，機(jī)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(huì)引起機(jī)械性能的變化，雖然材料具有相同的化學(xué)成分。 金屬的溫度對(duì)其強(qiáng)度也有影響。當(dāng)溫度上升，金屬?gòu)?qiáng)度降低。如果金屬在高溫下承受載荷，設(shè)計(jì)師必須考慮到在該溫度下材料強(qiáng)度有所減小。溫度對(duì)金屬的延展性也有影響，在下面進(jìn)行討論。第4頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 延展性 延展性是材料在承受載荷而沒(méi)有失效情況下變形或伸

8、長(zhǎng)的能力。金屬的延展性越大，在斷裂前伸長(zhǎng)量也越大。它是金屬的一個(gè)重要的性能，因?yàn)樗赡苡绊懙浇饘僭谑茌d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(huì)慢慢地?cái)嗔?。延展性良好的金屬在其斷裂前?huì)彎曲，意味著金屬的屈服點(diǎn)逐漸地被超過(guò)。延展性差的金屬會(huì)在沒(méi)有任何預(yù)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(dāng)溫度上升時(shí)，金屬的延展性會(huì)增加。當(dāng)溫度下降時(shí)，延展性會(huì)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(diǎn)點(diǎn)變形或沒(méi)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

9、。 脆性與韌性失效的外觀上的不同可以輕易地看出。圖6.3所示的是二個(gè)夏比試件，一個(gè)是脆性失效而另一個(gè)是以韌性失效。第5頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 延展性是一種特性，允許幾個(gè)在長(zhǎng)度上稍有差別的部件一起承受載荷，而其中任何一個(gè)部件都不會(huì)過(guò)載失效。如果其中一個(gè)部件略短一點(diǎn)，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(dān)負(fù)載。這個(gè)現(xiàn)象的一個(gè)實(shí)際例子就是拉緊的鋼絲形成支撐吊橋的的鋼纜。因?yàn)殇摻z長(zhǎng)度不可能被做的很精確，鋼絲是由韌性金屬做成的。當(dāng)橋承載時(shí)，那些瞬時(shí)承載大的鋼絲能伸長(zhǎng)以使其它鋼絲能承擔(dān)它們的載荷。 當(dāng)金屬要進(jìn)行下一道的成形工藝

10、，延展性就變得更重要了。例如，用于汽車(chē)車(chē)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(qiáng)度與材料在制造時(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向的伸長(zhǎng)。結(jié)果是軋制金屬，如鋼板的韌性和強(qiáng)度沿其軋制方向是最大。在材料的橫向，相對(duì)于軋制方向的性能，強(qiáng)度要降低30%，延伸性要減少50%。在厚度方向，其強(qiáng)度和延伸性甚至更低。對(duì)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(gè)方向的每一個(gè)都分配了一個(gè)識(shí)別字母。軋制方向是X，橫向是Y，厚度方向是Z。 或許您已經(jīng)見(jiàn)證過(guò)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

11、制方向與焊縫軸線平行。甚至金屬也會(huì)在其軋制方向表現(xiàn)出非常好的特性，而在其他兩個(gè)方向加載可能導(dǎo)致過(guò)早地失效。 金屬的延展性通常是用拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定的，可與強(qiáng)度測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，。延伸性通常以二種方式表達(dá)，延伸率和斷面收縮率。 第6頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 硬度 硬度是最常用和容易測(cè)量的機(jī)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(duì)于碳鋼，硬度和強(qiáng)度是直接相關(guān)的。當(dāng)強(qiáng)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(qiáng)度可以估算，特別是碳鋼和低合金鋼。這對(duì)估計(jì)金屬的強(qiáng)度極其有用，因?yàn)樗挥们谐?，?zhǔn)備和拉伸試樣。 金

12、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(guò)載荷把壓頭壓入金屬表面。用此基本技術(shù)，可以做各種各樣的試驗(yàn)；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(lái)確定的。圖6.4所示是通常使用的硬度試驗(yàn)的壓頭以及產(chǎn)生的壓痕形狀。 通過(guò)這么多的方法，可以測(cè)定金屬表面大面積的硬度或是金屬晶粒的硬度。第7頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 韌性 下一個(gè)要討論的機(jī)械性能是韌性。總的來(lái)說(shuō)，韌性是材料吸取能量的能力。從拉伸試驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變圖中，金屬韌性是可以用應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積的計(jì)算來(lái)確定，如圖6.5所

13、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?yàn)槠淝€下的面積更大。 另一通常術(shù)語(yǔ)是缺口韌性。這與韌性不同，因?yàn)檫@是當(dāng)有表面缺陷存在，材料吸收能量的能力。韌性是材料光滑無(wú)缺口時(shí)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(dāng)材料被慢慢加載時(shí)的行為，而缺口韌性值反映了在載荷最高點(diǎn)時(shí)能量吸收值。所以，缺口韌性常常是指沖擊強(qiáng)度。 這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)間的不同可以用拉斷一條繩索的模擬試驗(yàn)來(lái)說(shuō)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(fèi)更大的努力。 當(dāng)討論韌性和缺口韌性時(shí)，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(huì)在較低值時(shí)失效，并且?guī)缀鯚o(wú)變形。在另一方面，韌性

14、好的金屬將在相當(dāng)高的值，并且在永久性變形出現(xiàn)時(shí)才失效。 前面我們已經(jīng)討論過(guò)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變化而變化?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)溫度降低時(shí)，金屬韌性降低。所以金屬的韌性是在某溫度下確定的。沒(méi)有加上試驗(yàn)溫度的韌性值幾乎是無(wú)意義的。第8頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 由于有缺口或其它形式的應(yīng)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(qiáng)度工具鋼，對(duì)于表面尖銳的不規(guī)則是極其敏感的。 圖6.

15、6所示的是一些引起缺口效應(yīng)的常見(jiàn)例子。 如果金屬的缺口韌性很高，這就意味著無(wú)論是否有缺口存在，它都會(huì)工作良好。但是如果金屬對(duì)缺口敏感，這就是說(shuō)它是低缺口韌性，在受沖擊或重復(fù)性載荷時(shí)，它會(huì)更容易失效?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)金屬的硬度增加并且溫度降低時(shí)，它的缺口韌性將下降。 在測(cè)定金屬韌性的試驗(yàn)中，通常要確定的是金屬?gòu)捻g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(yàn)來(lái)確定金屬的缺口韌性。然而，它們主要在載荷和開(kāi)缺口的方式上不同。大部分試驗(yàn)是將金屬在某一溫度時(shí)施加沖擊載荷。常用的缺口韌性或沖擊試驗(yàn)包括夏比試驗(yàn)，落錘無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)撕裂以及裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)（CTOD）。第9

16、頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 疲勞強(qiáng)度 最后要討論的金屬機(jī)械性能是疲勞強(qiáng)度。為了定義這一強(qiáng)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(fù)機(jī)械行為引起的。這就是說(shuō)，載荷在高應(yīng)力與低應(yīng)力之間或相反應(yīng)力間交替變換。疲勞會(huì)迅速出現(xiàn)，比如馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，或是更慢的周期，如幾天一次。疲勞破壞的一個(gè)例子就是一個(gè)馬達(dá)軸重復(fù)地彎曲產(chǎn)生的破壞。這種形式的失效通常是在低于軸的拉伸強(qiáng)度下出現(xiàn)。 金屬的疲勞強(qiáng)度定義為金屬在重復(fù)載荷下抵御失效的必要強(qiáng)度。了解疲勞強(qiáng)度是很重要的，因?yàn)榻^大部分的金屬失效是由于疲勞引起的。疲勞強(qiáng)度值常常與引起失效所需的循

17、環(huán)次數(shù)一起報(bào)告；通常的循環(huán)次數(shù)是百萬(wàn)次或千萬(wàn)次。 疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)確定。試驗(yàn)有很多不同種的方式，通常疲勞試驗(yàn)是以拉伸施加應(yīng)力，然后再在以同樣的量壓縮，如此循環(huán)反復(fù)。這種試驗(yàn)稱為反向彎曲試驗(yàn)。當(dāng)所施加的最大的應(yīng)力增加，所需的產(chǎn)生失效的循環(huán)次數(shù)減少。如果試驗(yàn)是在各種應(yīng)力下進(jìn)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(lái)描述在各種應(yīng)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(méi)有明確的疲勞極限。疲勞極限是指無(wú)論載荷施加了多少個(gè)循環(huán)次數(shù)，金屬不出現(xiàn)失效的最大應(yīng)力。該曲線顯示了鋁將最終失效，甚至在較低的應(yīng)力下。然而對(duì)于鋼，只要應(yīng)力保持

18、在疲勞極限下，可以無(wú)限地維持。碳鋼的疲勞強(qiáng)度常常大約等于其拉伸強(qiáng)度的一半。 第10頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 如沖擊強(qiáng)度一樣，疲勞強(qiáng)度與其表面幾何形狀密切相關(guān)。任何缺口或引起應(yīng)力集中的存在都能使得應(yīng)力增加而超過(guò)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(duì)金屬疲勞強(qiáng)度的影響。另外正如圖6.9所示，表面光潔度對(duì)疲勞強(qiáng)度也有影響。 在焊接中對(duì)金屬的疲勞強(qiáng)度也有所擔(dān)心。但是，這并不是擔(dān)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，否則焊縫本身也是一種表面不規(guī)則。焊縫表面的不連續(xù)，如

19、咬邊，焊瘤，加強(qiáng)高過(guò)大或凸面都對(duì)焊件的疲勞強(qiáng)度有影響。因?yàn)樗鼈兌夹纬闪思怃J的缺口，而這些缺口成為疲勞裂紋的始發(fā)點(diǎn)。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?yàn)楸砻娴牟贿B續(xù)比內(nèi)部的不連續(xù)更快地導(dǎo)致疲勞失效。原因就是表面應(yīng)力通常高于內(nèi)部應(yīng)力。由于此原因，焊接檢驗(yàn)師通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行仔細(xì)目視檢驗(yàn)可在防止疲勞失效中起到很大的作用。發(fā)現(xiàn)并糾正尖銳的表面不規(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11頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 金

20、屬的化學(xué)性能 金屬的機(jī)械性能通過(guò)各種機(jī)械和熱處理來(lái)改變。然而如果化學(xué)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(jiàn)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(jī)械性能外，金屬的化學(xué)成分也對(duì)其耐腐蝕性和可焊性（金屬能被成功焊接的容易性）產(chǎn)生影響。因此，焊接檢驗(yàn)師的部分職責(zé)包括比較金屬的實(shí)際化學(xué)性能與其技術(shù)要求來(lái)確認(rèn)金屬的化學(xué)成份。第12頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 合金 焊接檢驗(yàn)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(jiàn)的種類有鋼，鋁，鎳和銅等。這里討論

21、的是有關(guān)鋼的合金，進(jìn)一步地劃分為三個(gè)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，但還含有少量的碳，錳，磷，硫和硅。含碳量對(duì)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(jī)械性能上的顯著不同。這些低合金鋼一般分為高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼，汽車(chē)和機(jī)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(xué)成份進(jìn)行分類。如圖6.12所示。這種分類是由美國(guó)鋼鐵研究所（AISI）和汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)編制的，并經(jīng)常地在鋼生產(chǎn)中應(yīng)用。 最后一組鋼是高合金

22、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(jí)也包含大量的鎳。圖6.13是一些不銹鋼的化學(xué)成分。它們可以劃分成五個(gè)組：奧氏體，馬氏體，鐵素體，沉淀硬化和雙相組織。第13頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 化學(xué)元素對(duì)鋼的影響 下列所要討論的是各種合金元素對(duì)鋼的性能的影響，包括可焊性。 碳 一般認(rèn)為是鋼中最重要的合金元素，能達(dá)到最大2%的含量（雖然最可焊鋼含碳量小于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(qiáng)度也增加，相應(yīng)的淬硬性也增加了。在另一方面，含碳量的

23、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(guò)0.05%，就會(huì)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(jī)加工性能。稱為再硫化或快削?？煜鳎ǜ咚偾邢鳎┖辖鸩粫?huì)用于有焊接要求的地方。 磷 通常認(rèn)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(huì)引起脆化。在低合金高強(qiáng)度鋼中，磷能加至0.10%以改善強(qiáng)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

24、為它有三個(gè)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(qiáng)度。在碳鋼中，錳的含量可達(dá)1.5%. 鉻 是一個(gè)很有用的合金元素。加入鉻主要有二個(gè)原因。首先是大大地增加了鋼的淬硬性。再則就是改進(jìn)了合金在氧化介質(zhì)中的抗腐蝕性。有些鋼材中它會(huì)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(guò)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(qiáng)淬硬性及高溫強(qiáng)度。加入奧氏體不銹鋼中能改善抗麻點(diǎn)腐蝕。第14頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 鎳 加入鋼中的鎳是為了增加其淬硬

25、性。它在增強(qiáng)淬硬性上起著很大作用。因?yàn)樗３Ｄ芨纳其摰捻g性及延展性，而同時(shí)又能增加強(qiáng)度和硬度。鎳常常用于改善鋼在低溫時(shí)的韌性。 鋁 加入鋼中的鋁非常少，只是作為脫氧劑。它能細(xì)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(xì)化法。 釩 加入釩將會(huì)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(dāng)超過(guò)0.05%時(shí)，在消除應(yīng)力熱處理時(shí)鋼有脆化傾向。 鈮（鈳） 與釩一樣，通常認(rèn)為它也是增加鋼的淬硬性。然而，由于它對(duì)碳有很強(qiáng)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?dú)舛寄苋苡谌刍说?/p>

26、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(hù)氣體用于防止這些氣體溶入熔化了的焊縫金屬。第15頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 合金組 鋁合金 當(dāng)今用在金屬加工業(yè)中最大一組非鐵基合金。它可以被鍛造和鑄造。一般認(rèn)為是具有可焊性的。對(duì)于要求強(qiáng)度高，重量輕，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)異，抗腐蝕性好的場(chǎng)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(qiáng)度。正如鋁與其它金屬合金一樣，冷加工也能相當(dāng)大地增加其強(qiáng)度。與銅，硅或鋅合金，可以用熱處理來(lái)增加強(qiáng)度。在某些情況中，鋁的強(qiáng)度可增加至可與鋼相比。

27、 鋁合金按其應(yīng)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(qiáng)度。不可熱處理的鋁是由應(yīng)變硬化（冷加工）和加入合金元素來(lái)增加強(qiáng)度。圖6.14所列的是根據(jù)主要的合金元素，對(duì)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400，因科鎳600，哈氏合金C-276，通常用于鋼的焊接工藝，都可用

28、于鎳及鎳合金，常用的焊接方法都適用于鎳及鎳合金。第16頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 銅合金 銅以其導(dǎo)電率高而聞名。所以銅廣泛地用于電氣應(yīng)用。它的密度大約是鋁的三倍，導(dǎo)熱性和導(dǎo)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(wú)氨堿溶液中以及許多有機(jī)化學(xué)劑中是抗氧化的。然而，銅可以和硫和硫的化合物反應(yīng)生成硫酸銅。銅和銅合金廣泛地用于水管，閥門(mén)，管件，熱交換器及化工設(shè)備。銅的合金主要分成八個(gè)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(dǎo)熱性也

29、產(chǎn)生了一些問(wèn)題。高導(dǎo)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(lái)。 第17頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 破壞性試驗(yàn) 金屬的性能對(duì)于金屬或是焊縫是至關(guān)重要的，所以有必要測(cè)定其精確的值?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)師要得到每個(gè)性能的數(shù)值，然后他/她就能夠有效地選用所材料來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。 有許多種試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬的各種機(jī)械和化學(xué)特性。這些試驗(yàn)當(dāng)中，有些可以提供不只一個(gè)特性的數(shù)值， 而大部分試驗(yàn)是為金屬的某一個(gè)特定性能來(lái)確定數(shù)值的。因此，可能需要進(jìn)行幾個(gè)不同的試驗(yàn)

30、以確定所有需要的性能。 焊接檢驗(yàn)師了解這些試驗(yàn)是非常重要的。檢驗(yàn)師應(yīng)該知道什么時(shí)候應(yīng)該試驗(yàn)，將要提供什么樣的結(jié)果，如果試驗(yàn)結(jié)果與技術(shù)要求不符該如何決定。如果焊接檢驗(yàn)師了解試驗(yàn)中的某些方法，這將很有幫助，哪怕他沒(méi)有直接參與試驗(yàn)。 試驗(yàn)方法通常分為二組，破壞性或非破壞性。破壞性試驗(yàn)中，材料或部件試驗(yàn)后就沒(méi)有用了。這些試驗(yàn)常常用來(lái)確定當(dāng)材料被加載至失效時(shí)的行為。非破壞性試驗(yàn)不會(huì)對(duì)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(méi)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(yàn)。大的方面來(lái)說(shuō)，這并不代表在試驗(yàn)的方法上有很大的變化。有很多不同的場(chǎng)合下要測(cè)試母材或焊縫的性能，但試驗(yàn)的機(jī)理沒(méi)有變

31、化，或即有也非常小。第18頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 拉伸試驗(yàn) 前面我們第一個(gè)討論的機(jī)械性能是強(qiáng)度，所以第一個(gè)破壞試驗(yàn)方法是拉伸試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)為我們提供了很多有關(guān)的金屬的性能。能夠由拉伸試驗(yàn)所測(cè)定的性能包括： 極限拉伸強(qiáng)度 屈服強(qiáng)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19頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 拉伸試驗(yàn)中有些值可以從儀表中直接讀取。其他只有通過(guò)在試驗(yàn)期間產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變圖的分析來(lái)定量。延展性的值可以對(duì)試件的試驗(yàn)前及試驗(yàn)后進(jìn)行比較測(cè)量得到。它們差值的

32、百分比就是延展率的值。 當(dāng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)最重要的一個(gè)方面就是拉伸試件的準(zhǔn)備。如果試驗(yàn)的這一部分沒(méi)有細(xì)致地準(zhǔn)備，試驗(yàn)結(jié)果的有效性將會(huì)大大地降低。例如，表面光潔度上的一小疵點(diǎn)就能引起拉伸試件的強(qiáng)度和延展性嚴(yán)重下降。 有時(shí)，焊接試樣做拉伸試驗(yàn)僅僅是為了看看焊縫的表現(xiàn)是否與母材一樣。這時(shí)候，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(shí)稱為試條），使焊縫大約在試樣的當(dāng)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(jìn)行一步的表面處理，包括去除焊縫強(qiáng)度高。但是，焊縫加強(qiáng)高常常是磨平的。 這種方法用于按API 1104的焊接工藝評(píng)定和焊工技能評(píng)定。按照這個(gè)規(guī)范，成功的拉伸試驗(yàn)就是試樣

33、在母材部分?jǐn)嗔眩蚴菙嘣诤缚p上而此時(shí)的抗拉強(qiáng)度在母材的強(qiáng)度之上。 大多數(shù)情況下都要求做拉伸試驗(yàn)，但是有時(shí)還需要測(cè)試金屬的實(shí)際強(qiáng)度和其它性能，而不僅是看焊縫是否與母材一樣強(qiáng)。當(dāng)需要確定這些值時(shí)，試件必須被準(zhǔn)備成一定的形狀，在靠近試樣長(zhǎng)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(huì)優(yōu)先地出現(xiàn)在靠近夾持端，使得后續(xù)的測(cè)量很困難。另外，縮截面試樣使整個(gè)橫截面的應(yīng)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(gè)特性： （1）縮截面的整個(gè)長(zhǎng)度必須是一個(gè)均勻的橫截面。 （2）橫截面應(yīng)該是容易測(cè)量，截面面積可以計(jì)算的圖形。 （3）縮截面的表面應(yīng)沒(méi)有

34、表面不規(guī)則，特別是垂直于試樣縱軸的不規(guī)則。 第20頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 由于這些原因，再加上需要機(jī)加工準(zhǔn)備試樣，所以拉伸試樣中二個(gè)最常用的橫截面是圓和矩形。二者容易準(zhǔn)備和測(cè)量。如果要做拉伸實(shí)驗(yàn)，焊接檢驗(yàn)師必須能夠計(jì)算拉伸試樣縮截面實(shí)際的截面積。 例1和例2所示的是如何對(duì)二種常用的橫截面的計(jì)算。 例1：圓截面的面積 面積 x r2 = x d2/4 舉例直徑，d=0.505in（測(cè)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(jì)算 面積3.1416 x

35、0.5052/4 A=0.2 in2 例2：矩形截面的面積 測(cè)出的寬，w=1.5 in 測(cè)出的厚度 t=0.5 in 面積1.5 x 0.5 面積0.75 in2第21頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 試驗(yàn)前面積的測(cè)定是非常關(guān)鍵的，因?yàn)檫@個(gè)值將最終用于確定金屬的強(qiáng)度。強(qiáng)度將由所施載荷除以原來(lái)的面積而得出。例3所示是用于例1的標(biāo)準(zhǔn)圓形截面的計(jì)算。 例3：拉伸強(qiáng)度的計(jì)算 載荷12,500磅 試樣斷裂 面積0.2 in2（見(jiàn)例1） 抗拉強(qiáng)度載荷/面積 抗拉強(qiáng)度12,500/0.2 抗拉強(qiáng)度62,500 psi (lb/ in2) 這前面的例子所示的

36、是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣的典型抗拉強(qiáng)度的計(jì)算。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，因?yàn)槠洚a(chǎn)生0.2英寸的面積。這是為了方便因?yàn)橛?.2除一個(gè)數(shù)與這個(gè)數(shù)乘以5的一樣。因此，如果用這標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試件，那么拉伸強(qiáng)度的計(jì)算是就像例4所示非常簡(jiǎn)單。 例4：另一種抗拉強(qiáng)度的計(jì)算方法 載荷12500磅 面積0.2英in2 抗拉強(qiáng)度12500 x 5 抗拉強(qiáng)度62,500 psi (lb/ in2) 這個(gè)計(jì)算的結(jié)果與例3是一致的。在現(xiàn)代計(jì)算公式出現(xiàn)之前的許多年，這種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的拉伸試樣的使用是非常流行的。在那個(gè)時(shí)候，精確地機(jī)加工一個(gè)拉伸試樣到這一精確尺寸比用某個(gè)更復(fù)雜數(shù)來(lái)除以載荷來(lái)人為地確定強(qiáng)度更容易。然而，今天我們能容易地計(jì)算出精確的

37、抗拉強(qiáng)度，無(wú)論實(shí)際面積是多大。第22頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 這個(gè)計(jì)算的結(jié)果與例3是一致的。在現(xiàn)代計(jì)算公式出現(xiàn)之前的許多年，這種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的拉伸試樣的使用是非常流行的。在那個(gè)時(shí)候，精確地機(jī)加工一個(gè)拉伸試樣到這一精確尺寸比用某個(gè)更復(fù)雜數(shù)來(lái)除以載荷來(lái)人為地確定強(qiáng)度更容易。然而，今天我們能容易地計(jì)算出精確的抗拉強(qiáng)度，無(wú)論實(shí)際面積是多大。 在試驗(yàn)前另一要做的是在縮截面上精確地標(biāo)出一標(biāo)距。該通常是在某一規(guī)定的距離用一對(duì)洋沖孔來(lái)標(biāo)出。最通常的標(biāo)距是2和8英寸。試驗(yàn)后，測(cè)量這些標(biāo)距之間的新距離，并且與其原來(lái)的距離相比較以得出由于試件受載失效而產(chǎn)生的伸

38、長(zhǎng)量。 延伸率稱為試樣在拉伸試驗(yàn)期間在二個(gè)標(biāo)距點(diǎn)之間所伸長(zhǎng)的量。這是由二個(gè)標(biāo)距之間最終與原來(lái)長(zhǎng)度的差別除以原來(lái)長(zhǎng)度，所得的結(jié)果乘以100而得出的一百分比。下面是計(jì)算延伸率的例子： 原來(lái)的標(biāo)距長(zhǎng)2.0英寸 二個(gè)標(biāo)識(shí)間的最終長(zhǎng)度2.5英寸 延伸率2.52.0/2.0 x 100 = 25% 當(dāng)對(duì)延展性好的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，它的一部分由于受縱向拉伸載荷而出現(xiàn)“縮頸”。如果我們?cè)贉y(cè)量并計(jì)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

39、0.20 0.10/0.20 x 100 = 50%第23頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 測(cè)量和標(biāo)注完以后，將試樣牢牢地放入固定的夾具內(nèi)，并移動(dòng)拉伸機(jī)機(jī)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(dǎo)致試驗(yàn)的不一致。在施加載荷前，將伸長(zhǎng)計(jì)連到試件上的標(biāo)距點(diǎn)處。當(dāng)加載時(shí)，伸長(zhǎng)計(jì)將測(cè)量由于載荷而引起的伸長(zhǎng)量。載荷和伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)均記入到一條形圖表記錄器，生成載荷與伸長(zhǎng)的變化圖。稱之為載荷與偏移曲線。然而，我們通?？吹降氖且詰?yīng)力應(yīng)變表示的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。 應(yīng)力與強(qiáng)度是成正比的，因?yàn)槿魏螘r(shí)候它都是由應(yīng)力除以橫截面積得出。

40、應(yīng)變是在給定長(zhǎng)度上伸長(zhǎng)量。應(yīng)力是以psi(lb/in2)表示，應(yīng)變是以尺寸值in/in來(lái)表示。典型的低碳鋼拉伸試驗(yàn)時(shí)的圖表時(shí)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6.18所示。 在這里，我們將討論應(yīng)力應(yīng)變圖的幾個(gè)重要特性。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變都等于零。隨著載荷的施加，應(yīng)變量與應(yīng)力線性增加。這個(gè)區(qū)域顯示了先前所稱的彈性變形，在這個(gè)區(qū)域處，應(yīng)力和應(yīng)變是成比例的。對(duì)任何所給的材料，這條線的斜率是一常數(shù)。這個(gè)斜率就是彈性模量。 對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，在室溫時(shí)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(gè)數(shù)實(shí)際上反映的是這種鋼的剛度。也就是說(shuō)，金屬?gòu)椥阅Ａ吭礁?，它?/p>

41、剛度也就越大。 最終，應(yīng)變將開(kāi)始比應(yīng)力增加的快，這意味著金屬在所給定的應(yīng)力下伸長(zhǎng)更多。這種變化標(biāo)志著彈性變形的結(jié)束，塑性變形的開(kāi)始或永久性變形的開(kāi)始。在曲線上顯示的線性變形的這一點(diǎn)被稱為彈性比例或極限。如果載荷在到達(dá)此點(diǎn)后在任何時(shí)候移走，試樣將會(huì)回到其原來(lái)的長(zhǎng)度。 許多金屬?gòu)囊婚_(kāi)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(yīng)力和應(yīng)變不再成比例，而且當(dāng)應(yīng)變?cè)谠黾拥耐瑫r(shí)，應(yīng)力可能實(shí)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(yīng)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(diǎn)和下屈服點(diǎn)。上屈服點(diǎn)是在應(yīng)力沒(méi)有增加的情況下，應(yīng)變顯著增加，或是塑性流動(dòng)。然后應(yīng)

42、力下降至低屈服點(diǎn)并保持相對(duì)不變，這時(shí)應(yīng)變繼續(xù)增加，稱之為屈服點(diǎn)延伸。第24頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 因?yàn)榻饘偃绱吮憩F(xiàn)，屈服強(qiáng)度是指上屈服點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，或是在上屈服點(diǎn)與低屈服點(diǎn)之間的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。在拉伸試驗(yàn)期間，屈服點(diǎn)可以通過(guò)在儀表或記錄裝置上的突然下降而發(fā)現(xiàn)。屈服強(qiáng)度可以由觀察并記錄這突然下降時(shí)的載荷來(lái)確定。當(dāng)用這一方法時(shí)，我們稱之為（“臺(tái)階”）技術(shù)。第25頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 在出現(xiàn)此現(xiàn)象期間，鋼的塑性流動(dòng)的速率增加使應(yīng)力釋放比應(yīng)力形成要更快。當(dāng)在室溫下出現(xiàn)此塑性

43、流動(dòng)，稱為冷加工。這種效應(yīng)使金屬變?yōu)楦鼜?qiáng)更硬，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(yīng)力來(lái)產(chǎn)生進(jìn)一步的伸長(zhǎng)。相應(yīng)地，曲線開(kāi)始以非線性的形式爬升。 應(yīng)力和應(yīng)變以變化的速率繼續(xù)增加一直達(dá)到最大的應(yīng)力。這一點(diǎn)稱為最大應(yīng)力，或極限拉伸強(qiáng)度。圖6.19所示是當(dāng)達(dá)到這最大應(yīng)力時(shí)，隨后甚至當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)上升（工藝曲線），應(yīng)力顯著地下降。這個(gè)現(xiàn)象是由于試件開(kāi)始“頸縮”，實(shí)際橫截面小于原來(lái)的橫截面積，來(lái)承受所施加的應(yīng)力。因?yàn)閼?yīng)力是以原來(lái)的面積為基礎(chǔ)計(jì)算的，這就給出一現(xiàn)象，當(dāng)在實(shí)際中應(yīng)力以psi繼續(xù)增加時(shí)，載荷是下降的。 如果在拉伸試驗(yàn)中計(jì)算出持續(xù)的應(yīng)力和實(shí)際承受載荷的面積，那

44、么實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變圖可以給出。這條實(shí)際曲線和先前討論過(guò)的工藝曲線的比較如圖6.19所示。它顯示了試樣的應(yīng)變隨著應(yīng)力的上升繼續(xù)增加。該曲線顯示出失效是在最大應(yīng)力和最大應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)。 對(duì)于延展性差的金屬，在彈性和塑性變形之間沒(méi)有明顯的變化。因此“臺(tái)階”方法不適用于確定它們的屈服強(qiáng)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(yīng)力應(yīng)變圖。 當(dāng)使用偏移法時(shí)，在某一規(guī)定應(yīng)力處畫(huà)一條平行與彈性模量的線。應(yīng)變量通常是以某百分比描述的。通常偏移是應(yīng)變的0.2%（0.002）；然而，也可以規(guī)定其它的應(yīng)變量。圖6.21所示的是這根0.2%的偏移線是如何畫(huà)出的。 偏移線與應(yīng)力應(yīng)變曲線之間的交點(diǎn)所

45、對(duì)應(yīng)的應(yīng)力被定義為屈服應(yīng)力。在報(bào)告中應(yīng)說(shuō)明這是0.2%的偏移屈服應(yīng)力，以使人們知道它是如何被確定的。第26頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 能從應(yīng)力應(yīng)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(dāng)載荷被慢慢，穩(wěn)定地施加，韌性能由應(yīng)力應(yīng)變圖下的面積來(lái)確定。所以金屬有較高的應(yīng)力和應(yīng)變值，那么它就比具有較低應(yīng)力和應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變圖之間的比較。如果比較二個(gè)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。 接下去的拉伸試驗(yàn)，有必要測(cè)定金

46、屬的延伸率。有二個(gè)方式來(lái)表示，即伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。這二種方法包括在試驗(yàn)前后都需進(jìn)行測(cè)量。 為了確定伸長(zhǎng)率，在加應(yīng)力前，必須在試件上標(biāo)上標(biāo)距。在試件失效后，把二個(gè)破壞件拼在一起，測(cè)量這些標(biāo)距的新的距離。用標(biāo)距原始和最終長(zhǎng)度，我們能如例5所示來(lái)計(jì)算延伸率。 例5：伸長(zhǎng)率的確定 原始標(biāo)距2.0英寸 最終標(biāo)距2.6英寸 伸長(zhǎng)率%最終長(zhǎng)度原始長(zhǎng)度/原始長(zhǎng)度x 100 伸長(zhǎng)率%2.6-2.0/2.0 x 100 伸長(zhǎng)率0.6/2.0 x 100 伸長(zhǎng)率30%第27頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 延伸性也能以其在試驗(yàn)中它截面縮小多少來(lái)表示。這被稱為斷面

47、收縮率，是為了比較對(duì)拉伸試件的原來(lái)截面積與最終面積進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。例6顯示了這一計(jì)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% RA0.2 0.1 /0.2 x 100% RA=0.1/0.2 x 100% RA=50% 當(dāng)伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均代表一拉伸試件所具有的延伸性時(shí)，它們很少相等。通常斷面收縮率大約是伸長(zhǎng)率的二倍。斷面收縮率在有缺口存在的情況下被認(rèn)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(jiàn)的是伸長(zhǎng)率。第28頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 -

48、 1 1 - 1 2 硬度試驗(yàn) 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(qiáng)度相相似。因此硬度試驗(yàn)是將某種壓頭壓入試驗(yàn)物表面。取決于采用的硬度試驗(yàn)形式，測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)定硬度，所以金屬的硬度是很容易地測(cè)定的。我們將討論三個(gè)基本壓痕的硬度試驗(yàn)法：布氏硬度，洛氏硬度及顯微硬度?？偟膩?lái)說(shuō)，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(cè)量法通常用于確定金屬毛坯的硬度。因?yàn)樗膲汉勖娣e大，消除了金屬局部軟硬點(diǎn)的影響，所以它很適用。在布氏試驗(yàn)中使用較高的載荷以

49、減小由于表面不規(guī)則所帶來(lái)的影響。 在布氏試驗(yàn)前，適當(dāng)?shù)谋砻鏈?zhǔn)備是必要的；這包括研磨或砂磨表面以獲得相對(duì)平的試驗(yàn)區(qū)域。另外該表面也應(yīng)足夠光滑以使壓痕尺寸能精確測(cè)量。第29頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 在進(jìn)行布氏試驗(yàn)時(shí)，壓頭以某一規(guī)定的載荷壓入試驗(yàn)物體的表面。移走載荷后，用一帶刻度的放大器測(cè)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(BHN)。因?yàn)檫@是一種數(shù)學(xué)關(guān)系，所以BHN可以隨著壓頭的類型和載荷來(lái)確定。另外BHN與碳鋼的實(shí)際拉伸強(qiáng)度有關(guān)。這就是BHN乘以500大約等于金屬拉伸強(qiáng)度。這種關(guān)系只能用于碳

50、鋼和低合金鋼，不能用于所有的合金。 普通的布氏試驗(yàn)是用一10毫米的硬化鋼球并施加3000公斤的載荷。當(dāng)試驗(yàn)條件，如試樣的硬度和厚度改變時(shí)，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(duì)于軟的金屬，使用500公斤的載荷。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(chǎng)試驗(yàn)常常用一錘子錘擊試件和已知硬度的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)塊上的壓痕直徑相比較來(lái)獲得。 BHN通常是通過(guò)測(cè)量壓痕的直徑和在一表格上讀取硬度值來(lái)確定(見(jiàn)圖6.23)。布氏試驗(yàn)的通常步驟是： 1. 準(zhǔn)備試驗(yàn)表面 2. 施

51、加試驗(yàn)載荷 3. 保持載荷于一規(guī)定的時(shí)間 4. 測(cè)量壓痕直徑 5. 從表格確定BHN 上述程序中需要特別注意的就是保持試驗(yàn)載荷于一定時(shí)間。對(duì)于鐵和鋼來(lái)說(shuō)，是10到15秒。更軟的金屬需要保持載荷大約30秒。當(dāng)用便攜式設(shè)備時(shí)，則保持時(shí)間是由一旦達(dá)到試驗(yàn)載荷，保持液壓來(lái)模擬。其它試驗(yàn)裝置可能需要沖擊，所以沒(méi)有保持時(shí)間。 從這簡(jiǎn)單的程序上看，顯爾易見(jiàn)布氏試驗(yàn)是很容易做的。甚至由于其簡(jiǎn)單性，只要在執(zhí)行每一步驟時(shí)非常小心，那么試驗(yàn)結(jié)果將十分精確。有關(guān)布氏試驗(yàn)的另外信息請(qǐng)參照ASTME10，金屬材料布氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。 常常由于試件太大而無(wú)法放入布氏試驗(yàn)機(jī)的固定臺(tái)上。此時(shí)要用便攜式試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)有各種各

52、樣，但基本試驗(yàn)原理是一致的。第30頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 要討論硬度試驗(yàn)的下一個(gè)形式是洛氏方法。這方法包括同樣基本原理但使用的壓頭的直徑許多種類。所使用的是圓錐形鉆石壓頭，如圖6.24所示，硬化鋼球直徑分別是1/16，1/8，1/4及1/2英寸。洛氏試驗(yàn)所產(chǎn)生的壓痕比布氏試驗(yàn)要小。這就可以在面積相對(duì)較小的金屬上做局部試驗(yàn)。 使用這些壓頭中的一種，施加各種載荷能試驗(yàn)大部分材料。所施加的載荷要比在布氏試驗(yàn)中所用的要小的多，是從60公斤到150公斤。另外一些洛氏試驗(yàn)稱為“輕載”。主要用于測(cè)定很薄的金屬樣品和金屬絲的硬度；因此這些載荷比用于

53、其它洛氏試驗(yàn)的要小很多。 正如和布氏試驗(yàn)一樣，在進(jìn)行洛氏試驗(yàn)前，試驗(yàn)表面要適當(dāng)?shù)販?zhǔn)備。對(duì)于精確的硬度試驗(yàn)，良好的技術(shù)也是必要的。試樣準(zhǔn)備好以后，根據(jù)所期望硬度的大約范圍，應(yīng)該選用正確的刻度?！癇”和“C”刻度是至今最通常用于鋼的刻度。刻度“B”用于較軟的合金，刻度“C”是用于較硬的合金。對(duì)于不熟悉的合金無(wú)法確定使用哪一種刻度時(shí)，可用刻度“A”。因?yàn)樗采w了“B”和“C”刻度的硬度范圍。準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)換表以轉(zhuǎn)換一種刻度的硬度到另一刻度。 選擇完刻度后，校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置，試件放在洛氏試驗(yàn)機(jī)器的試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試砧上。測(cè)試砧根據(jù)試件的形狀可以是各種各樣形狀。該試件要有適當(dāng)?shù)闹?，否則將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。洛氏方法取決于壓頭

54、壓入深度的精確測(cè)量。因此，如果試驗(yàn)物沒(méi)有適當(dāng)?shù)闹?，所做的測(cè)量可能不精確。0.00008英寸的深度測(cè)量變化將引起洛氏數(shù)的變化。試臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行深度測(cè)量。第31頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 無(wú)論使用哪個(gè)洛氏刻度，基本試驗(yàn)步驟是一樣的。步驟如下： 1. 準(zhǔn)備試驗(yàn)表面 2. 把試驗(yàn)物放放洛氏試驗(yàn)機(jī)上。 3. 用上升螺釘加入小載荷。 4. 施加主要載荷。 5. 撤掉主要載荷。 6. 讀數(shù)。 7. 撤掉小載荷并移走試驗(yàn)物 小載荷是用于防止整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生松弛，從而提高試驗(yàn)的精度。圖6.26是以圖顯示這些試驗(yàn)步驟的每一步。 洛氏測(cè)試得到的結(jié)果結(jié)合布氏值,

55、從而得到金屬的拉伸強(qiáng)度。圖6.27：洛氏值，布氏值和拉伸強(qiáng)度值之間的關(guān)系。 關(guān)于洛氏試驗(yàn)更詳細(xì)的介紹參見(jiàn)ASTM E18，金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。 象布氏測(cè)試一樣，它同樣是一種應(yīng)用于確定金屬的洛氏硬度的單位。雖然它們操作起來(lái)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型稍有不同，但結(jié)果是等同的。第32頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 下一種要討論的硬度試驗(yàn)是顯微硬度試驗(yàn)。之所以起這個(gè)名字，是因?yàn)樗膲汉巯喈?dāng)小，要經(jīng)高度放大才能測(cè)量。顯微硬度測(cè)試對(duì)了解金屬的晶相結(jié)構(gòu)很有用，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)單個(gè)晶粒來(lái)確定這一細(xì)微區(qū)域的金屬硬度。因此，冶金學(xué)家對(duì)此類硬度測(cè)試很感興

56、趣。 顯微硬度試驗(yàn)主要分成兩種類型：維氏硬度和努普氏硬度。都采用菱形壓頭，但它們的形狀略有區(qū)別。兩種類型最終壓痕的圖表見(jiàn)圖6.25。 方形維氏壓頭的壓痕對(duì)邊幾乎相等，而努普氏壓頭有長(zhǎng)邊和短邊。和其他的試驗(yàn)方法一樣，要選擇試驗(yàn)載荷和壓頭類型。術(shù)語(yǔ)顯微硬度是指加載范圍從1到1000克。通常大多數(shù)顯微硬度試驗(yàn)的載荷范圍為100到500克。 無(wú)論采用維氏或努普氏顯微硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)材料的表面準(zhǔn)備工作都是最重要的。即便是最小的表面不規(guī)則都會(huì)引起結(jié)果不精確。通常情況下，做顯微硬度試驗(yàn)的樣品表面與做其他金屬金相試驗(yàn)的預(yù)備工作一樣。試驗(yàn)載荷越小，表面預(yù)備工作越重要。 準(zhǔn)備好了樣品表面后，試樣就應(yīng)安全地被固定在試

57、驗(yàn)裝夾裝置上，這樣壓痕才能準(zhǔn)確地被定位。大多測(cè)顯微硬度的儀器附有移動(dòng)式的測(cè)試臺(tái)，使被測(cè)樣品能夠精確移動(dòng)而不需要移動(dòng)或多次調(diào)節(jié)。當(dāng)金屬的某一區(qū)域需要一系列的測(cè)量值時(shí)就需要這樣的裝置。運(yùn)用的實(shí)例就是能確定焊接熱影響區(qū)的硬度變化。其結(jié)果可以通過(guò)橫移得到。 顯微硬度試驗(yàn)步驟如下: 1.預(yù)備測(cè)試表面 2.將試樣固定在夾持裝置上 3.確定測(cè)試位置,使用顯微鏡 4.壓痕 5.用顯微鏡測(cè)量壓痕 6.查表或計(jì)算出硬度 硬度試驗(yàn)?zāi)芴峁┙饘俚拇罅坑杏玫男畔?，但是在不同的?yīng)用條件下應(yīng)規(guī)定不同的硬度測(cè)試方法。第33頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 - 1 1 - 1 2 韌性試驗(yàn) 另一個(gè)金屬

58、重要的性能是韌性。我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)這一性能是指金屬吸收能量的能力。在討論拉伸試驗(yàn)時(shí)，我們知道金屬的韌性可以描述為應(yīng)力應(yīng)變曲線之下的面積。這是金屬在慢慢加載的情況下吸收能量的值。 在討論韌性時(shí)，你還記得當(dāng)迅速加載時(shí)，要注意缺口韌性或沖擊強(qiáng)度。接下來(lái)討論的是可以測(cè)定金屬這種特殊性能的有關(guān)試驗(yàn)。因此，用來(lái)確定金屬缺口韌性的各種試驗(yàn)所用的試樣都帶有某種類型的加工缺口且加載速度很快。另外，試樣的溫度會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，所以試驗(yàn)必須在規(guī)定的溫度下進(jìn)行。 自從開(kāi)始關(guān)注金屬缺口韌性,已經(jīng)有許多不同的試驗(yàn)來(lái)測(cè)量金屬的這一重要性能。在討論金屬吸收能量的能力時(shí)，必須理解金屬吸收能量是一步步進(jìn)行的。首先，金屬開(kāi)

59、始產(chǎn)生裂紋需要一定的能量。然后，裂紋擴(kuò)展需要另一部分能量。 某些缺口韌性試驗(yàn)可以分別測(cè)量擴(kuò)展需要的能量和形成開(kāi)裂的能量,而其他方法只能測(cè)量形成開(kāi)裂和擴(kuò)展能量的總和。這取決于工程師根據(jù)需要所指定的實(shí)驗(yàn)方法。 盡管有很多種缺口韌性試驗(yàn)類型，美國(guó)最常用的是卻貝V缺口試驗(yàn)。這種試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣為端面：10mmX10mm正方形，長(zhǎng)：55mm。試樣的一個(gè)長(zhǎng)面上有一條精密加工的深2mm的V型缺口。缺口底部的半徑很精度，為0.25mm。這一半徑的加工非常關(guān)鍵，因?yàn)榧幢闶呛苄〉牟贿B續(xù)也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的變化。標(biāo)準(zhǔn)卻貝試樣，參見(jiàn)圖6.28。第34頁(yè)/共52頁(yè)第六部分 金屬的特性和破壞性試驗(yàn) 2 0 1 1 -

60、1 1 - 1 2 金屬試樣比標(biāo)準(zhǔn)試樣小的話，通常還可選用減小的橫截面試樣，包括3/4，1/2，1/4大小。正方形橫截面的尺寸分別為7.5mm,5.0mm,2.5mm。當(dāng)使用這種減小尺寸的試樣要注意它所產(chǎn)生的韌性數(shù)據(jù)由于質(zhì)量的影響通常比標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣要高。因此，減小尺寸的卻貝試樣數(shù)據(jù)不能直接與標(biāo)準(zhǔn)尺寸樣品數(shù)據(jù)比 較除非運(yùn)用特定材料的修正系數(shù)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)E23詳細(xì)講述了沖擊試驗(yàn)，對(duì)有關(guān)尺寸的問(wèn)題可做參考。 試樣精密加工后,如果規(guī)定的試驗(yàn)溫度低于室內(nèi)溫度，則需將試樣冷卻到該溫度?？梢杂靡环N液體或氣體媒質(zhì)來(lái)完成，冰和水通常用于中低溫度，干冰和丙酮用于極低溫度。在試樣穩(wěn)定在試驗(yàn)所需溫度后，把它從低溫