10-2 焊接接头的力学性能(一).ppt

焊工技师 高级技师培训 10 2焊接接头的力学性能 一 焊接接头的力学性能 考查结构能否保证安全运行 在要求的期限内达到设计功能的最直接 最可靠的方法是观察结构的实际运行 但这个方法在时间和物质消耗两方面都是最不经济的 因此提出了许多试验方法 其中最基本的是在不同环境中 或经不同环境使用后 的材料力学性能试验 焊接接头的力学性能 严格而论 除部分腐蚀和功能试验外 大多数的试验均属力学性能试验 但传统上只把在常压及一定温度范围进行的与超载变形 断裂和脆断有关的力学性能称为材料和焊接接头的力学性能 断裂力学出现前 经常把拉伸 弯曲和冲击试验所测取的材料性能称作材料的基本力学性能 常常也包括硬度试验 随着断裂力学的发展及其在工程中进行安全评估的日益普遍应用 断裂韧度与脆断试验也常常作为焊接接头的重要力学性能加以考虑 焊接接头的力学性能 焊接接头力学性能的测试及用其作为强度设计的依据和进行安全评估比较复杂 主要原因是焊接接头形状不连续性 焊接缺陷 焊接残余应力 焊接变形以及焊接接头各区的组织结构和性能的不均匀性 焊接接头的力学性能 图3 1给出典型结构钢超强匹配 即焊缝强度高于母材 的焊接接头各区的强度 塑性和韧性分布的示意图 可见其各区性能有显著的不均匀性 对于异质材料的焊接接头 除上述力学性能不均勻外 接头各部分的其他物理性能 例如弹性模量等 有时也可能存在较大差别 这些都经常导致焊接接头力学性能测试结果的较大分散性 甚至对相同接头 由于测试细节上的不同 不同的测试者之间也可能得出具有显著差别的试验结果 焊接接头的力学性能 1 1焊接接头的力学性能及测试1 1 1力学性能试样取样的一般原则正确进行试样取样是关系力学性能试验的最终结果是否正确合理的首要条件 因而掌握取样的一般原则十分重要 这里给出熔焊接头的冲击 拉伸 弯曲 硬度等试样取样的一般要点 详细的焊接接头取样方法请参考国标GB T2649 焊接接头机械性能试验取样方法 由于试样常常是从焊接试板上切取 因此焊接试板尺寸必须满足相应要求 表3 1给出了不同厚度试板的单边宽度尺寸 试板长度则应根据试样尺寸 数量 切割方法等统一考虑 试板两端不能利用的长度一般根据试板厚度考虑 但最小应不低于25mm 焊接接头的力学性能 试样切取可采用冷加工或热加工的方法 但采用热加工方法时 应注意留有足够的加工余量 保证火焰切割时的热影响区不能影响性能试验结果 如切取的试样发生弯曲变形 除非受试部位不受影晌或随后要进行正火等热处理 否则一般都不允许矫直 焊接接头的力学性能 焊接接头的力学性能 对于进行不同力学性能试验的试样 其取样方法也有不同要求 图3 2给出了不同厚度的电弧焊冲击试样的取样方法 图中a为试板厚度 c为至表面距离 其值为1 3mm 其余试样的取样方法参见GB T2649 1989 如无特殊要求 试样的数量一般是 接头和焊缝金属的拉伸试样各不少于2个 冲击试样不少于3个 点焊接头抗剪切试样不少于5个 疲劳不少于6个 压扁不少于1个 接头各区域硬度测点不少于3点 焊接接头的力学性能 1 1 2基本力学性能测试 1 拉伸性能1 母材的拉伸性能母材金属沿纵向 横向和厚度方向 Z向 的性能是不相同的 沿三个不同方向切取的拉伸试样 图3 3 可测取母材沿三个不同方向的强度和塑性 按GB T228 1987 金属拉伸试验法 加工试样和进行拉伸试验 焊接接头的力学性能 试验结果可绘成图3 4所示的工程应力 应变图 其纵坐标表示的应力 为拉伸载荷除以试样的初始断面积 横坐标表示的应变 为试样受试段的伸长量除以受试段的原始长度 焊接接头的力学性能 由拉伸试验可以选取材料的规定非比例伸长应力 p 规定的总伸长率为0 5 时的应力 t0 5 规定残余伸长应力 r0 2 用 r0 2表示规定残余伸长率为0 2 时的应力 屈服点 s 和抗拉强度 b 对于具有上屈服点 sb 和下屈服点 sl 的材料 图3 4b 称下屈服点为该材料的屈服点 在没有明显屈服平台的情况下 图3 4c 习惯上用 p0 2 代表材料的屈服点 不同尺寸和断面的相同材料的拉伸试样测取的 p t r s是相同的 焊接接头的力学性能 拉伸试验给出的材料塑性指标是屈服点伸长率 S 最大应力下的非比例伸长率 g 最大应力下的总伸长率 gt 断后伸长率 图3 4a 以及断面收缩率 S g gt属于均匀延伸变形 分别描述拉伸过程中不同阶段的材料塑性形变能力 不同尺寸和断面拉伸试样测取的这些均匀塑性变形能力是相等的 工程上最多采用的是断后伸长率 它包括均匀延伸变形 即和缩颈延伸变形两部分 由于后者属非均匀延伸变形 所以测量标距的影响 按GB T228 1987 般采用两种不同比例尺寸的试样 即标距l0为10倍断面直径 的长试样和等于5d的短试样 焊接接头的力学性能 短试样测取的 大于相同材料的长试样 因此 的数值在具有相同比例尺寸试样测试结果之间比较才有意义 由于节省材料 短形试样得到更多地应用 是拉力试样断口处断面积减少值与其初始数值的百分比 它与试样的标距无关 不同试样所测得的断面收缩率之间有较好的可比性 一般情况下 同类材料的 和 之间有相应的增减规律 但不总是正比变化 不同材料之间 和 无固定规律 焊接接头的力学性能 一般材料沿纵向的拉伸性能稍优于横向 但随着现代钢铁工业的进步 材料本身纵横向的拉伸性能的差异逐渐减少 沿厚度 Z 方向的拉伸试验结果一般有较大的分散性 Z向拉伸性能较大地取决于材料的杂质成分及其加工过程 很多工程材料的Z向拉伸强度可能稍低于其他两个方向 但Z向拉伸的塑性 和 却显著低于其他两个方向 但Z向拉伸经常用来评价材料对于垂直表面受拉力的焊接结构的适用性 在现代焊接性研究中 Z向拉伸测试的 和 还被做为钢材层状撕裂敏感性的度量 焊接接头的力学性能 2 焊缝金属和焊接接头的拉伸性能焊缝金属拉伸试样的受试部分应全部取在焊缝中 图3 5 试板的焊接应与实际工程焊接条件相同 由于焊缝各层的性能是不完全相同的 因此焊接力学性能试样的取样应严格按标准进行 GB T2649 1989 否则将降低试验结果的可比性 焊接接头的力学性能 焊缝金属的拉伸试验方法按GB T2652 1989 焊缝及熔敷金属拉伸试验方法 进行 测试项目和母材拉伸试验完全相同 焊接接头拉伸试样包括了母材 热影响区和焊缝三部分 横向和纵向两种形式的焊接接头拉伸试样示于图3 5 焊接接头的力学性能 焊接接头横向拉伸试验按GB T2651 1989 焊接接头拉伸试验方法 进行 其中主要特点是受试区所包含的焊接接头各区在拉伸加载时 承受相同数值的应力 拉伸中的大部分塑性变形和最后断裂都发生在最弱区 焊接接头力学性能不均匀性对接头横向拉伸性能有明显影响 在超强匹配焊接接头横向拉伸时 大部分塑性形变发生在母材 焊接低碳钢时 或热影响区 焊接调质钢时 f缩颈和断裂也发生在上述相应区域 这种情况下 拉伸试验只能得出焊缝强度高于母材的结论 不能定量地比较焊缝的强度和塑性 焊接接头的力学性能 在低强匹配的焊接接头 即焊缝强度低于母材 横向拉伸试验中 主要的塑性形变 缩颈和断裂虽然都发生在焊缝中 但是由于塑性形变的集中和母材对焊缝形变的约束作用 这种试验测出的 和 也不能用来比较焊缝金属的塑性 因此按GB T2651 1989 横向焊接接头拉伸试验只测取抗拉强度 b 低强匹配的横向拉伸试样虽然断在焊缝 但由此得到的抗拉强度并不等于焊缝金属的抗拉强度 按GB T2652 1989测定的 一般情况下前者稍高于后者 焊接接头的力学性能 应强调指出 由接头横向拉伸测取的低强匹配焊接接头抗拉强度受焊缝宽度 H0 与试样厚度之比 Xt H0 t0 的影响 也受试样厚度和试件宽度之比的影响 图3 6 一般焊接结构的实际板厚 特别是构件的实际宽度均显著大于标准焊接接头横向拉伸试样的厚度和宽度 因此采用低强匹配的焊接结构 实际结构的抗拉强度可能高于标准横向接头拉伸试样 焊接接头的力学性能 焊接接头的力学性能 焊接接头纵向拉伸尚未列入国家标准 这类试样模拟了联系焊缝工作条件 也适用于评价圆柱形压力容器和管道的环焊缝的工作条件 此时垂直焊缝方向的应力是平行焊缝方向的一半 在焊接接头纵向拉伸过程中 主要特点是焊缝接头各区承受相同数值的应变 具有较高强度和较低塑性的焊缝的超强匹配焊接接头的纵向拉伸试件的断裂首先发生在焊缝区 其抗拉强度既低于焊缝 有时还可能低于母材 相反 具有较高塑性焊缝的低强匹配的接头可得到较高的纵向抗拉强度 因此联系焊缝以及管道和圆筒形压力容器的环焊缝 采用有较好塑性的低强匹配的焊接接头可能更为合适 焊接接头的力学性能 2 焊接接头硬度焊接接头的硬度按GB T2654 1989 焊接接头及堆焊金属硬度试验方法 进行 一般情况下金属的强度和硬度对于确定类型的材料存在一定的经验关系 做为一个例子示于表3 2 焊接接头的硬度除用来估算接头各区的强度外 接头硬度也常与焊件的使用性能有关 例如做为抗磨损能力的度量 耐磨堆焊件经常规定其最低允许硬度数值 对于另一些焊件 特别是在含氢介质下工作的结构 由于淬硬组织易引起氢致开裂和其他氢损伤 因此有时规定焊缝的最高硬度不能超过某个上限数值 焊接接头热影响区的最高硬度还被用来评价钢材的冷裂倾向 GB T4675 5 1984 焊接性试验焊接热影响区最髙硬度试验方 焊接接头的力学性能 焊接接头的力学性能 3 焊接接头的弯曲与压扁性能1 焊接接头的弯曲性能弯曲试验用来评价焊接接头的塑性变形能力和显示受拉面的焊接缺陷 按GB T2653 1989 焊接接头弯曲及压扁试验方法 采用横穹 纵弯和侧弯三种基本类型的弯曲试样 图3 7 焊接接头的力学性能 对横弯和纵弯试样 根据弯曲时受拉面的不同又可分为正弯 受拉面为焊缝正面 和背弯 受拉面为焊缝背面 采用三点弯曲和辊筒弯曲两种试验方法 图3 8 弯曲试验中常用弯曲角 图3 8 达到技术条件规定的数值时 以是否开裂评定受试接头是否满足要求 有时也以受拉面出现裂纹时的临界弯曲角 比较受试接头的弯曲性能 工程上较多使用三点弯曲试验方法 辊简弯曲试验法特别适用于两种母材或母材和焊缝之间弯曲性能显著不同的横向弯曲试验 焊接接头的力学性能 弯曲试验的压头和内辊直径D根据相应试验材料的技术条件规定取用 D和弯曲试样厚度 的比值对弯曲性能有很大影响 不同D a条件测取的弯曲角不能相互比较 弯曲过程中压轴下面受拉面的材料产生最大拉伸形变 开裂常在此处发生 因此横向弯曲和使向弯曲性能主要受压轴下方受拉面的焊缝金属塑性变形能力控制 但是根据受试接头焊缝宽度的不同 相邻热影响区材料对横向和侧向弯曲也有不同程度的影响 所以横向和侧向弯曲件能是接头横向变形能力的工程度量 不是单纯焊缝塑性形变能力指标 焊接接头的力学性能 纵向弯曲时接头各区受到相同程度的形变 开裂首先发生在压轴下受拉面的最低塑性区 因此纵向芎曲角主要受接头最低塑性区变形能力的控制 纵向弯曲没有横弯和侧弯使用的普遍 大多设计规程不规定进行纵弯 纵弯多在科研试验和某些焊后承受变形加工部件的工艺评定中使用 焊接接头的力学性能 2 管接头的压扁性能带纵焊缝和环焊缝的小直径管接头 不能取样进行弯曲试验时 按GB T2653 1989 焊接接头弯曲及压扁试验方法 进行压扁试验 压扁试验是将管接头外壁距离压至H时 如图3 9示 检查焊缝受拉部位有无裂纹 H按下式计算 焊接接头的力学性能 式中s 管壁厚 D 管外径 e 单位伸长的变形系数 由产品规范规定 如试验纵焊缝时 应注意使试验焊缝位于与作用力相垂直的半径平面内 对相同几何尺寸的管接头 有时也采用对比压扁试验刚出现裂纹时H值大小的方法 比较管接头的塑性优劣 焊接接头的力学性能 4 焊接接头的冲击韧度1 普通冲击试验焊接接头的冲击韧度是抗脆断能力的工程度量 按GB T2650 1989 焊接接头冲击试验方法 规定 采用夏比 Cbarpy V形缺口试样为标准试样 图3 10 简称CVN试样 根据技术条件规定 允许采用U形缺口辅助试样 图3 10 焊接接头的力学性能 焊接接头的力学性能 缺口应开在焊接接头欲测定冲击韧度的特定区域 以测取该区的冲击初度 冲击试验方法 试验设备以及试验温度等按GBH729 1994 金属夏比缺口冲击试验方法 进行 试件受冲击弯曲折断时消耗的功称为冲击吸收功 以AK表示 单位是焦耳 J 缺口处单位横截面积所消耗的功称为冲击韧度 以aK表示 单位是J cm2 不同缺口形式和其他非标准试样的冲击吸收功或冲击韧度之间不能换算 焊接接头的力学性能 V形缺口冲击试验在研究船舶脆断中曾被大量试验和采用 积累了许多有参考价值的数据 发现标准V形缺口试件在最低使用温度下的冲击吸收功不低于13 7J的情况下 船舶脆断亊故很少发生 另外 由于V形缺口比U形缺口试样更能反映脆断问题的本质 因此V形缺口冲击试验的应用日益广泛 1952年开始提出20 6J冲击吸收功标准并广泛用于低碳钢结构之中 经验和断裂力学理论证明 对于强度较高的钢 防止脆断发生的冲击吸收功的标准应当高于20 6J 而且 材料强度愈髙 防脆断的冲击吸收功标准也应当相应提高 先进工业国家对压力容器用不同强度等级的钢在最低使用温度下冲击吸收功的要求都是按上述规律制定的 吸收功的要求也符合上述规律 表3 4 焊接接头的力学性能 焊接接头的力学性能 冲击试验还经常用来评定材料及焊接接头的籾脆转变行为 一般是在不同温度下对一系列的试样进行冲击试验 找出韧脆特性与温度之间的关系 图3 11是这种试验的典型实例 多数情况下韧脆转变温度按冲击吸收功评定 图3 11a 一般称防止脆断发生的冲击吸收功标准 例如20 6J 27 4J或31 3J等 所对应的试验温度为材料的吸收功韧