6金屬的特性與破壞性試驗(yàn)

1、MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6第六部分金屬的特性和破壞性試驗(yàn)介紹.2.2712概述2727第六單元金屬的特性和破壞性試驗(yàn)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)

2、組織維護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM， ASME及AWS。另外還有來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

3、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高或過低而導(dǎo)致材料性能的改變。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

4、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?受拉伸載荷，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)熟悉的例子來說明；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)

5、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)，它可以回到原來的長(zhǎng)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(diǎn)。MMOODY凸aU INTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MMOODY凸aU INTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International # of 29Module 6MOODY

6、INTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6如果金屬在其彈性極限外被施加應(yīng)力，它就無法再進(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?設(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

7、用，除非 所受應(yīng)力超過了其屈服點(diǎn)，并且成為永久性的變 形。拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度通常是由一個(gè)拉伸試驗(yàn) 來確定的。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。IpT100WQ JQ100 lbioa lbIM lbIM m100 m300 Bs fti, lb 0拉伸試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度為60,000 psi。此金屬能承受的最大負(fù)荷是60,000 psi乘以橫截面積。對(duì)于一 1英吋x 1英吋的部件（截面積為1平方英吋）：2最大負(fù)荷=60,000 psi x 1 i

8、n 最大負(fù)荷=60,000磅對(duì)于一 2英吋x 2英吋的部件（截面積為4平方英吋）：2最大負(fù)荷=60,000 psi x 4 in最大負(fù)荷=240,000磅當(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。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

9、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。母材/合金屈服強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度延伸率硬度Ib/in2MPakg/mm2Ib/in2MPakg/mm2在 2in 的 (50)BHN鋁5,00034.53.513,00089.69.13523銅（脫氧的）10,00068.97.033,000227.523.24030鑄鐵-25,000172.4

10、17.50.5180鍛造鐵27,000T86.119.040,000275.828.125100低合金鋼50,000344.735.175,000517.152.728170高碳鋼90,000620.563.2140,000965.298.420310低碳鋼36,000218.225.360,000413.642.235120錳鋼（14Mn）75,000517.152.7118,000813.582.922200中碳鋼52,000358.536.587,000599.861.224170不銹鋼（奧氏體）40,000275.828.190,000620.563.223160鈦40,000275.

11、828.160,000413.642.228-圖6.2-些金屬的機(jī)械性能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(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。延展性差的金屬會(huì)在沒有任何預(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

12、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。圖6.3所示的是二個(gè)夏比試件，一個(gè)是脆性失效而另個(gè)是以韌性失效。-If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

13、其 它鋼絲能承擔(dān)它們的載荷。圖e 3偎性與韌性失該當(dāng)金屬要進(jìn)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。30%,延伸性要減少延展性和強(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 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MOODYINTERNATIONALAmerican Welding Society & Mo

14、ody International of 29Module 6MOODYINTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6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 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(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 過早地失效。金屬的延展性通常是用拉伸試驗(yàn)來測(cè)定的，可與強(qiáng)度測(cè)試同時(shí)進(jìn)行， 達(dá)，延伸率和斷面收縮率。X，橫向是Y ,。延伸

15、性通常以二種方式表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)?它不用切除，準(zhǔn)備和拉伸試樣。JTitt；ABCBFeE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 痕的大小或深度來確定的。圖6.4所示是通常使用的硬度試驗(yàn)的壓頭

16、以及產(chǎn)生的壓痕形狀。通過這么多的方法，可以測(cè)定金屬表面大面積的 硬度或是金屬晶粒的硬度。韌性 下一個(gè)要討論的機(jī)械性能是韌性。總的來說，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 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?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

17、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(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變形。在另一方面，韌性好的金屬將 在相當(dāng)高的值，1/1(1 mN輪的訊JJ戕in山待的tHT字skip. bi/bi圖& 5-兩種金屈的初性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?/p>

18、說，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。沒有加上 試驗(yàn)溫度的韌性值幾乎是無意義的。圖6.6所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。示的是一些引起缺口效應(yīng)的常見例子。面丄的標(biāo)言0SA背*情道除度0S翕e-引磁力輿中的各種條件如果金屬的缺口韌性很高，這就意味著無論是否有缺口存在，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?？偟膩碚f， 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

19、測(cè)定金屬韌性的試驗(yàn)中，通常要確定的是金屬?gòu)?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(yàn)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(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位移試驗(yàn)（CTOD ）。疲勞強(qiáng)度圖丘T鑰和鋁典型前fi人曲線,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，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

20、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)度可以通過疲勞試驗(yàn)來確定。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

21、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(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，但鋁的曲線并沒有明確的疲勞極限。疲勞極限是圖2表面光潔度對(duì)菠勞強(qiáng)度的爲(wèi)呻1ef古皿nsh*陰呻fallCirnlw bhh 治帶tHt更bdH- rM hbo-AJt r指無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)力保持在疲勞極限下，可以無限地維持。碳鋼的疲勞強(qiáng)度 常常大約等于其拉伸強(qiáng)度的一半。fl = 3.85-n-up州尸=0紂CD丙反診-塊L的尖論度対嫂董的影響F如沖擊強(qiáng)

22、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)力增加而超過金屬的疲勞極限。在d T甫竈h兀g 耳卻科上二耳斤十tJ - * 晳 歎 d : .f A “ . - 4 dw足夠循環(huán)次數(shù)下，疲勞失效將出現(xiàn)。圖6.8思11!1風(fēng)111劇屈EHSmSSIIIS蠢 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。囤卜1（|仏吐吾帀t；jl叱環(huán)*扌嚐=：它1-F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)

23、則。焊縫表面的不連 續(xù)，如咬邊，焊瘤，加強(qiáng)高過大或凸面都 對(duì)焊件的疲勞強(qiáng)度有影響。因?yàn)樗鼈兌夹?成了尖銳的缺口，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。金屬的化學(xué)性能金屬的機(jī)械性能通過各種機(jī)械和熱處理來改變。

24、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）MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MOODYINTERNATIONALA

25、merican Welding Society & Moody International of 29Module 6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)要求來確認(rèn)金屬的化學(xué) 成份。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；常見的種類有鋼， 鋁，鎳和銅等。這里討論的是有關(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

26、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%勺鉻,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。系列命名10 xx 11xx 13xx 23xx 25xx 31xx33

27、xx40 xx41xx43xx46xx47xx48xx50 xx51xx型式和類別 .無再硫化碳鋼等級(jí) 再硫化碳鋼等級(jí)1.75%錳3.50% 鎳5.00% 鎳1.25% 鎳-3.50% 鎳-0.25% 鉬0.50-0.95%1.80% 鎳-0.65% 或 0.80%的鉻1.55% 鉻鉻 -0.12% 或 0.20%鉬0.50% 或 0.80%鉻-0.25% 鉬1.55% 或 1.80%鎳 -0.20% 或 0.25%鉬1.05% 鎳 -0.45% 鉻 -0.25% 鉬 3.50% 鎳-0.25% 鉬 0.28% 或 0.40%鉻0.80%, 0.90%, 0.95%, 1.00%,或1.45%

28、鉻普通名字碳含量應(yīng)用可焊性工業(yè)純鐵最大0.03%鍍鋅和深度引長(zhǎng) 薄板和板條非常好低碳鋼最大0.15%焊條，各種形狀的板， 薄板和板條非常好低碳鋼0.15%-0.30%各種結(jié)構(gòu)形狀的板和條好中碳鋼0.30%-0.50%機(jī)器零部件中等（預(yù)熱 和經(jīng)常要求后熱）高碳鋼0.50%-1.00%彈簧，模具，鐵軌低（沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)熱 和后熱很難焊接）圖6.11-普通碳鋼的種類5xxxx 1.00%碳-0.50%, 1.00%, 或 1.05%鉻61xx .0.80%或0.95%鉻 - 最小0.10%或0.15%的釩86xx .0.55%鎳-0.50% 或 0.65%鉻-0.20% 鉬87xx .0.55%鎳-0

29、.50% 鉻 -0.25% 鉬92xx .0.85%錳-2.00% 硅93xx .3.25%鎳-1.20% 鉻 -0.12% 鉬94xx .1.00%錳-0.45% 鎳-0.40% 鉻-0.12% 鉬97xx .0.55%鎳-0.17% 鉻 -0.20% 鉬98xx .1.00%鎳-0.80% 鉻 -0.25% 鉬圖 6.12 -AISI-SAE碳鋼和低合金鋼的命名化學(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。碳一一一般認(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）。

30、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，含碳量的增加降低了可焊性。硫一一 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(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。硅一一通常只有少量（0.20%）的硅存在于軋制的鋼中作為脫氧劑。然而，在鑄鋼

31、件中，通常有0.30%到 1.00%。圖6.13 -些不銹鋼的化學(xué)成分AISI 型名義成分%17-7IC（最大）0.09 1 （最大）錳1 -1 （最大）硅奧氏體不銹鋼3043290.08 （最大）0.08 （最大）2.00-1.00304L3RE600.03 （最大）0.03 （最大）2.00-1.0031044LN0.25 （最大）0.03 （最大）2.00-1.003160.08 （最大）2.001.003212.001.000.08 （最大）馬氏體鋼4030.15 （最大）1.000.504100.15 （最大）1.001.00鐵素體鋼4201 11 0.15 （最小）1 11.001

32、 1 1.00沉淀硬化4300.12 （最大）1.001.004460.20 （最大）1.501.00雙相組織15-517-4注：0.07（最大）0.07 （最大）-（a）除了上述那些元素外，其它元素按如下所述：在 304, 304L , 310, 316 和 321 中的磷含量最大是 0.04%。在 304, 304L , 310, 316 , 321 , 403, 410, 420 , 430和446中的硫最大含量為0.030%錳一一通常鋼含有至少 0.30%的錳。因?yàn)樗腥齻€(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%

33、.鉻一一 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12%鉬一一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。鎳一一 加入鋼中的鎳是為了增加其淬硬性。它在增強(qiáng)淬硬性上起著很大作用。因?yàn)樗３Ｄ芨纳其?的韌性及延展性，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。鋁一一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

34、適量的鋁， 這種方法成為晶粒細(xì)化法。釩一一加入釩將會(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0.05%時(shí)，在消除應(yīng)力熱處理時(shí)鋼有脆化傾向。鈮（鈳）一一 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)定齊加入奧氏體不銹鋼以改善焊態(tài)的性能。鈮 與鈳一樣。溶解氣體一一氫氣，氧氣和氮?dú)舛寄苋苡谌刍说匿撝校绻槐M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。合金組冷加工也能相當(dāng) 鋁的強(qiáng)度可增加鋁合金

35、一一當(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， 大地增加其強(qiáng)度。與銅，硅或鋅合金，可以用熱處理來增加強(qiáng)度。在某些情況中， 至可與鋼相比?！俺恋碛不钡墓に囍?.14 所鋁合金按其應(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）和加入合金元素來增加強(qiáng)度。圖 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。

36、圖6.15所示的是按回火狀態(tài)命名的鋁合金。鎳合金一一 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MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International # of 29Mod

37、ule 6MOODYINTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6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。圖6.14-鋁協(xié)會(huì)對(duì)鋁合金的分組主要合金兀素鋁的組合號(hào)*純鋁1xxx銅2xxx錳3xxx硅4xxx鎂5xxx鎂和硅6xxx鋅7xxx*（最小99%）圖6.15 -按回火狀態(tài)命名的鋁合金命名狀況F制造狀態(tài)O退火了的H1僅應(yīng)變硬化H2應(yīng)變硬化和部分回火H3應(yīng)變硬化和熱穩(wěn)定化W固溶熱處理的T1從咼溫成形工乙中冷卻并自然老化T2從咼溫成形工乙中冷

38、卻，冷加工并自然老化T3固溶熱處理，冷加工并自然老化T4固溶熱處理并自然老化T5從高溫成形工藝中冷卻，然后人工地老化T6固溶熱處理然后人工老化T7固溶熱處理及穩(wěn)定化T8固溶熱處理，冷加工，然后人工老化T9固溶熱處理，人工老化，然后冷加工T10從咼溫成形工乙中冷卻，冷加工，然后人工老化。銅合金一一 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，管件，熱交換器及化工設(shè)備。銅的合金主要分

39、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)熱性也產(chǎn)生了一些問題。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。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設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。有許多種試驗(yàn)來測(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)特定性能來確定

40、數(shù)值的。因此，可能需要進(jìn)行幾個(gè)不同的試驗(yàn)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)后就沒有用了。這些 試驗(yàn)常常用來確定當(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)。大的方面來說，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)

41、合下要測(cè)試母材或焊縫的性能，但試驗(yàn)的機(jī)理沒有變化， 或即有也非常小。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。其他只有通過在試驗(yàn)期間產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變圖的分析 來定量。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。它們差值的百分比就是延展 率的值。MOODYINTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International

42、 of 29Module 6MOODYINTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6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

43、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。PKle-編載面槍試n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)就是試樣在母材部分?jǐn)嗔眩?或是斷在焊縫上而此時(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，6.16所示。在靠近試樣長(zhǎng)度中心的位置上加工成縮截面。如圖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)

44、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：縮截面的整個(gè)長(zhǎng)度必須是一個(gè)均勻的橫截面。橫截面應(yīng)該是容易測(cè)量，截面面積可以計(jì)算的圖形?？s截面的表面應(yīng)沒有表面不規(guī)則，特別是垂直于試樣縱軸的不規(guī)則。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=n x r = n x d /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

45、 0.2525 2 面積=0.20 in2 或，用直徑直接計(jì)算 面積=3.1416 x 0.505 2/4 A=0.2 in 2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/ in 2)這前面

46、的例子所示的是一個(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?產(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/ in 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)來除以載荷來人為地確定強(qiáng)度更容易。然而，今天我們能

47、容易地計(jì)算出精確的抗拉強(qiáng)度，無論實(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，并且與其原來的距離相比較以得出由于試件受載失效而產(chǎn)生的伸長(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 來長(zhǎng)度的差別除以原來長(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=2.5 2.0/2.0 x 100 = 25%減掉原始100, (RA)的例。如果我卅1當(dāng)對(duì)延展性

48、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” 們?cè)贉y(cè)量并計(jì)算這“縮頸”區(qū)域的最終面積， 的橫截面積，所得的余數(shù)除以原始面積，并乘以 就可以得出斷面收縮率。下面是斷面收縮率 子:原始橫截面積0.20 n 最終橫截面積0.10 in2面積減少率=0.20 - 0.10/0.20 x 100 = 50%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

49、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，我們通常看到的是以應(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。應(yīng)變是在給定長(zhǎng)度上 伸長(zhǎng)量。應(yīng)力是以 Psi(lb/in 2)表示，應(yīng)變是以尺寸值in/in來表示。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D 6.18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

50、說，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，金屬?gòu)椥阅Ａ吭礁?，它?剛度也就越大。最終，應(yīng)變將開始比應(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， 為彈性比例或極限。0 6. 13-典就前低機(jī)調(diào)應(yīng)力-應(yīng)變曲罐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(diǎn)被稱 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)回到其原來的長(zhǎng)度。許多金屬?gòu)囊婚_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

51、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)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。圖&頂冥實(shí)的與彊計(jì)的應(yīng)亦應(yīng)喪圖的比墳阿e. 20-逋初性鋼的氏型冋力廢蜚國(guó)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

52、降時(shí)的載荷來確定。當(dāng)用這一方MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MOODYINTERN/kllONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6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)力來產(chǎn)生進(jìn)一步的伸長(zhǎng)。相應(yīng)地，曲線開始

53、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)象是由于試件開始“頸縮”，實(shí)際橫截面小于原來的橫截面積，來承受所施加的應(yīng)力。因?yàn)閼?yīng) 力是以原來的面積為基礎(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)，載荷是下降應(yīng)變C圖也22鬲快知性創(chuàng)的盂力應(yīng)變?nèi)绻诶煸囼?yàn)中計(jì)算出持續(xù)的應(yīng)力和實(shí)際承受載荷的面積，那么實(shí)際的應(yīng)力一應(yīng)變圖可以給 出。這條實(shí)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(yīng)變隨著應(yīng)力的上升繼續(xù)增加。

54、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)力一應(yīng)變圖。當(dāng)使用偏移法時(shí)，在某一規(guī)定應(yīng)力處畫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%的偏移線是如何畫出的。偏移線與應(yīng)力一應(yīng)變曲線之間的交點(diǎn)所對(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。能從應(yīng)力-應(yīng)變圖中

55、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)定金屬的延伸率。有二個(gè)方式來表示，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。

56、用標(biāo)距原始和最終長(zhǎng)度，我們能如例5所示來計(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%延伸性也能以其在試驗(yàn)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(duì)拉伸試 件的原來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。原始面積= 最終面積= 斷面收縮率例6 :斷面收縮的確定（RA ）0.2 in20.1 in2% =原始面積最終面積/原始面積x 100-0.1 /0.2 x 100%RA = 0.2%RA=0.1

57、/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，我們最常見的是伸長(zhǎng)率。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，

58、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(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減小由于表面不規(guī)則所帶來的影響。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。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)

59、學(xué)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(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

60、上的壓痕直徑相比較來獲得。MMOODY凸aU INTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International of 29Module 6MMOODY凸aU INTERNATIONALAmerican Welding Society & Moody International # of 29Module 6（見圖6.23）。布氏試驗(yàn)的通常BHN通常是通過測(cè)量壓痕的直徑和在一表格上讀取硬度值來確定 步驟是：準(zhǔn)備試驗(yàn)表面施加試驗(yàn)載荷保持載荷于一規(guī)定的時(shí)間測(cè)量壓痕直徑從表格確定BHNft 1： H 區(qū)卜乓耳沁上述程序中需要特別注意的就是保持試驗(yàn)載