金属特性和破坏性试验

1、金属特性和破坏性试验(1) American Welding Society & Moody International China 第六部分 金属的特性和破坏性试验 目 录 介绍.2 金属的机械性能 .2 金属的化学性能 .8 破坏性试验 .13 总结 .31 关键术语和定义 31 1 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 第六单元 金属的特性和破坏性试验 介绍 在当今世界，有数以千计的金属用于制造材料，包括母材和填充金属。如此，材料工程师和设计师能够选择最符合他

2、们要求的金属。这些金属不仅在它们的成份上不同，而且还在其制造的方式上也不同。在美国，有几个组织编制材料标准，如ASTM， ASME及AWS。另外还有来自包括日本和欧洲许多其他国家和组织的材料标准。 如第一单元所述，焊接检验师的责任之一是要审核与母材和填充材料的实际特性有关的文件。本单元的目的是对这些机械和化学性能作些描述。通过这些描述，焊接检验师就能了解这些实际值意昧着什么。大多数情况下，检验师必须能简单地把要求值与实际值相比较以判断其符合性。然而，这也会帮助检验师更多地了解这些材料特性，从而避免在焊接中可能出现的问题。 本单元另一个目的是对将在第八单元中讨论的“焊接检验师的焊接冶金学“提供基

3、础。因为一种金属的金相组成决定了它的特性，将显示不同的冶金处理如何可以改变一种金属的特性。 由于金属的机械和化学性能，制造中需使用特殊技术以防止这些金属的劣化。比如，预热和后热就是为保持金属某些特性的技术。对于经过淬火和回火的钢，可能要求焊接检验师对焊接的热输入进行监控以防止由于过热导致母材特性的劣化。在这些例子中，焊接检验师并不是直接介入的这些材料的特性。但是，有效地监控可防止由于加热过高或过低而导致材料所应性能的改变。 金属的机械性能 我们将讨论金属的一些重要的机械性能；这里的讨论限于以下五种性能： 强度 强度被定义为“材料能够承受所加载荷的能力”，有很多种强度，每一种都取决于这一载荷是如

4、何施加到材料上的，如拉伸强度，剪切强度，抗扭强度，冲击强度和疲劳强度。 金属的拉伸强度被描述为当金属承受张力或拉力载荷而没有失效的能力。因为金属常常被用于承受拉 2 of 34 Module 6 强度 延展性 硬度 韧性 疲劳强度 American Welding Society & Moody International China 伸载荷，所以这是设计者所要考虑的很重要的特性之一。当测定金属特性时，通常以两种不同方式描述拉伸强度。所用的术语是最大的拉伸强度和屈服强度。这两种强度表示了该材料两个不同方面。最大拉伸强度，UTS，（有时简单地称为拉伸强度）与金属的最大承载能力有关

5、，也就是当材料失效时的强度。 为了定义屈服强度，有必要理解金属”弹性变形”的含义。弹性变形是指金属在载荷下变形，当移掉此载荷，将不引起永久性的变形。弹性变形可以用一个熟悉的例子来说明；一条橡皮筋是一种典型的弹性材料。当它受载时会伸长，但当载荷去掉时，它会恢复原形。当金属在其弹性区域内受载时，它会有一些伸长。在这弹性范围内，伸长的量直接与所加的载荷成比例，所以弹性变形是线性的。当金属以弹性作用时，它能够伸长到某一点，当载荷移掉时，它可以回到原来的长度。这就是说，它没有发生永久变形。图就说明了这一点。 如果金属被施加应力超过其弹性极限外，它就 无法再进行弹性活动。它的形为现在可以称为塑性 变形，就

6、是出现永久变形。这也意味着应力应变图 关系不再是线性的了。一旦塑性变形出现，当所施 加的载荷移掉时，材料将不会恢复到其原来的长度， 而发生了永久变形。 材料从其弹性至塑性转换的点称为该材料的屈 服点。因此屈服强度就是材料能够承受从弹性至塑 性的强度。这个数值是极其重要的。因为大部分设 计师都用此值作为某些结构最大载荷限度的基础。 这是必要的。因为除非一个结构所受应力超过了其 屈服点，并且成为永久性的变形，该结构可以被使 用。 拉伸强度和屈服强度通常是由拉伸试验来确定 的。给一个已知横截面积的试件加载，其应力就可 以以每平方英吋磅来确定。那么当试件被加载至失 效，它就能被确定以每平方英吋磅为基础

7、的承载的 能力。下面这一例子就显示对一种材料，这种关系 是如何作用的。 拉伸试验的拉伸强度为60,000 psi。此金属能承受的最大负荷是 60,000 psi 乘以横截面积。 对于一1英吋 x 1英吋的部件（截面积为1平方英吋）： 最大负荷= 60,000 psi x 1 in2 最大负荷= 60,000 磅 对于一2英吋 x 2英吋的部件（截面积为4平方英吋）： 最大负荷= 60,000 psi x 4 in2 最大负荷= 240,000 磅 3 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International Ch

8、ina 当设计师了解了金属的拉伸强度，他就能够确定需要多大的横截面积才能承受住所给定的载荷。拉伸试验提供了一个金属强度的直接测量值。另外用硬度试验对强度进行非直接测量也是可能的。对于碳钢，拉伸强度和硬度之间有一直接的关系。那就是如果硬度增加，拉伸强度也增加，反之亦然。但是拉伸试验测定的拉伸强度是最精确的。通常在碳钢和低合金钢上最方便的是做硬度试验以估算它们相当的拉伸强度。 图显示的是通用建造材料的拉伸和屈服强度，延伸率以及硬度值。 有趣的是你会发现所记录的数值基于材料的热处理状态，机械状态或质量可能有所变化。这些状态的变化，即便材料具有相同的化学成分，可能会引起机械性能的变化。 金属的温度对其

9、强度也有影响。当温度上升，金属强度降低。如果金属在高温下承受载荷，设计师者必须考虑到在该温度下材料强度有所减小。温度对金属的延展性也有影响，这是下一个要进行讨论的主题。 图一些金属的机械性能 延展性 延展性是指材料在承受载荷而没有失效情况下变形或伸长的能力。金属的延展性越大，在断裂前伸长量也越大。它是金属的一个重要的性能，因为它可能影响到金属在受载下是逐渐地失效还是突然失效。如果金属有高的延展性，它通常会慢慢地断裂。延展性良好的金属在其断裂前会弯曲，意味着金属的屈服点逐渐地被超过。延展性差的金属会在没有任何预兆的情况下突然断裂，为脆性断裂。 4 of 34 Module 6 American

10、Welding Society & Moody International China 金属的延展性直接与其温度有关。当温度上升时，金属的延展性会增加。当温度下降时，延展性会减小。室温下延展性良好的金属在零度以下，以脆性失效。 具有高延展性的金属可以称为韧性，如是低延展性可称为脆性。脆性材料在破裂前只有一点点变形或没有变形。玻璃就是脆性材料的最好的例子。通常的脆性金属是铸铁，特别是白口铸铁。 脆性与韧性失效外观上的不同可以轻易地看出 来。图所示的是二个不同夏比试件一半，一个是 脆性失效而另一个是以韧性失效。 延展性是一种特性，它允许几个在长度上稍有差 别的部件一致承受载荷，而不

11、会因为其中任何一个部 件过载而导致失效。如果其中一个部件略短一点，但 由于具有韧性，其它部件就能够充分变形以分担负载。 这个现象的一个实际例子就是形成支撑吊桥钢缆的个 别拉紧钢丝。因为钢丝长度不可能做的很精确，所以 钢丝是由韧性金属做成的。当桥承载时，那些瞬时承 受大于其分担载荷的钢丝能伸长以使其它钢丝能承担 它们所应承受的载荷。 当金属要进行连续不断的成形加工，延展性就变 得更重要了。例如，用于汽车车身的部件的金属必须 要有足够的延展性以允许成形到所希望的形状。 与延展性和强度有关的重要方面是载荷的施加方向与材料在最初制造时的轧制方向会对延展性和强度有很大的影响。轧制金属具有特有的方向特性。

12、轧制使得晶体或颗粒沿轧制方向的伸长远远大于横向的伸长。结果就是轧制金属，如钢板，韧性和强度沿其轧制方向是最大。在材料的横向，相对于轧制方向的性能，强度要降低30%，延伸性要减少50%。在厚度方向，其强度和延伸性甚至更低。对于一些金属，在厚度方向的延伸性非常低。上述所涉及的三个方向都分配了一个识别字母。轧制方向是X，横向是Y，厚度方向是Z。 或许您已经见证过焊工考试的弯曲试板，试件在母材处断裂。这常常是由于试板的轧制方向与焊缝轴线平行。甚至一个金属在其轧制方向表现出非常好的特性，而在其他两个方向加载可能导致过早地失效。 金属的延展性通常是在进行强度测试同时用拉伸试验来测定的。延伸性通常以二种方式

13、表达，延伸率和断面收缩率。 硬度 硬度是最常和容易测量的机械性能之一。它被定义为一材料抵抗压入或穿透的能力。如前所述，对于碳钢，硬度和强度是直接相关的。当强度增加，也硬度随之增加，反之亦然。因此，如果金属的硬度已知，其拉伸强度是可以估算，特别是碳钢和低合金钢。在不用切割, 准备及拉伸一个拉伸试样的情况下，这对估计金属的强度极其有用。 金属硬度可以用多种方法确定。然而，最通常使用的方法是通过加载把某种压头压入金属表面。用此 5 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 基本技术，可以做各

14、种各样的试验；它们取决于所用压头的种类和形状以及所施加的载荷的大小。然后，材料的硬度是由压痕的大小或深度来确定的。 图所示是通常使用的硬度试验的压头以及产生的压痕形状。 通过如此多的方法，可以测定金属表面大面积的硬度或是金属晶粒的硬度。 韧性 下一个要讨论的机械性能是韧性。总的来 说，韧性是材料吸取能量的能力。从拉伸试验 中产生的应力应变图中，金属韧性是可以用计 算应力应变曲线下的面积来确定，如图所 示。从这些曲线可以看出，蒙耐尔材料比低碳 钢材料韧性更好，因为其曲线下的面积更大。 另一通常术语是缺口韧性。这与表面光滑 无缺陷的样品的韧性不同，这是当有表面缺陷 存在，材料吸收能量的能力。而且，

15、与缺口韧 性不同的是韧性通常是确定当材料被慢慢加载 时的行为，而缺口韧性值反映了在载荷最高点 时能量吸收。所以，缺口韧性常常是指冲击强 度。 这两个术语间的不同可以用拉断一条绳索的模拟试验来说明。与把这绳子猛地拉断相比较，如果施加稳定的载荷，需要更大的努力。 当讨论韧性或缺口韧性时，所感兴趣的是材料在其 失效前能吸收多少能量。低韧性的金属将会在较低值时 失效，并且几乎无变形。在另一方面，韧性好的金属将 在相当高的值，并且在永久性变形出现时才失效。 回想前面我们已经讨论过延展性，韧性高和韧性低 金属之间的差异是，韧性低的金属往往表现为脆性失效 而韧性高的金属往往表现为韧性失效。在延展性良好的 情

16、况下，金属的韧性随着温度变化而变化。总的来说， 当温度降低时，金属韧性降低。所以金属的韧性是在某 一温度下确定的。没有加上试验温度的韧性值几乎是无 意义的。 由于有缺口或其它的应力集中形式使得结构材料在 一定条件下易于发生脆性失效，所以缺口韧性最令人注 意。许多金属，特别是高强度工具钢，对于表面尖锐的不规则是极其敏感的。 图所示的是一些引起缺口效应的常见例子。 如果金属的缺口韧性很高，这就意味着无论是否有缺口存在，它都会工作良好。但是如果金属对 6 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International Chi

17、na 缺口敏感，这就是说它是低缺口韧性，在受冲击或重复性载荷时，它会更容易失效。总的来说，当金属的硬度增加并且温度降低时，它的缺口韧性将下降。 在测定金属韧性的试验中，通常要确定的是 金属从韧性转为脆性的温度。该温度被称为金属 的脆性转变温度。 有几种试验来确定金属的缺口韧性。然而， 它们主要是在加载和开缺口的方式上不同。大部 分试验是当金属在某一温度时所施加冲击载荷形 式。常用的缺口韧性或冲击试验包括夏比试验， 落锤无延性转变温度试验，爆破试验，动态撕裂 以及裂纹尖端张开位移试验（CTOD）。 疲劳强度 最后要讨论的金属机械性能是疲劳强度。为了定义这一强度，人们首先必须知道金属的疲劳失效意味

18、着什么。金属疲劳是由于循环或重复机械行为引起的。 这就是说，载荷在高应力与低应力之间或相反应力间 交替变换。疲劳会迅速出现，比如马达旋转，或是更 慢的周期，如几天一次。疲劳破坏的一个例子就是一 个马达轴重复地弯曲产生的断裂。这种形式的失效通 常是在低于轴的拉伸强度下出现。 金属的疲劳强度定义为金属在重复载荷下抵御失 效的必要强度。了解疲劳强度是很重要的，因为绝大 部分的金属失效是由于疲劳引起的。疲劳强度值常常 与引起失效所需的循环次数一起报告；通常的循环次 数是百万次或千万次。 疲劳强度可以通过疲劳试验来确定。试验有很多 不同种的方式，通常疲劳试验是以拉伸施加应力，然 后再在以同样的量压缩，如

19、此循环反复。这种试验称 为反向弯曲试验。当所施加的最大的应力增加，所需 的产生失效的循环次数减少。如果试验是在各种应力 下进行的，那么就可以作出一S-N曲线，如图所 示。S-N曲线是用图来描述在各种应力下产生疲劳失 效所需要的循环次数。 这些曲线显示了钢有明确的疲劳极限，但铝的曲 线并没有明确的疲劳极限。疲劳极限是指无论载荷施 加了多少个循环次数，金属不出现失效的最大应力。该曲线显示了铝将最终失效，甚至在较低的应力下。然而对于钢，只要应力保持在疲劳极限下，可以无限地维持。碳钢的疲劳强度常常大约等于其拉伸强度的一半。 7 of 34 Module 6 American Welding Socie

20、ty & Moody International China 如冲击强度一样，疲劳强度与构件的表面几 何形状密切相关。任何缺口或引起应力集中的存 在都能使得应力增加而超过金属的疲劳极限。在 足够循环次数下，疲劳失效将出现。图所示 是缺口锐利程度对金属疲劳强度的影响。另外正 如图所示，表面光洁度对疲劳强度也有影响。 在焊接中金属的疲劳强度也是主要的担心。 但是，这并不是担心可能出现的金相变化。而是 焊接也能产生一些尖锐的不规则的表面。除非焊 接后，光滑研磨，否则焊缝本身也是一种表面不 规则。焊缝表面的不连续，如咬边，焊瘤，加强 高过大或凸面都对焊件的疲劳强度有影响。因为 它们都会

21、产生尖锐的缺口，而这些缺口成为疲劳 裂纹的始发点。图中所示的是一些表面不规 则。 焊缝内部的不连续也能造成疲劳失效，而那些在 表面上的不连续更让人忧虑。因为表面的不连续比内 部的不连续更快地导致疲劳失效。原因就是表面应力 通常高于内部应力。由于此原因，焊接检验师通过对 表面进行仔细目视检验可在防止疲劳失效中起到很大 的作用。发现并纠正尖锐的表面不规则将大大地改善 结构的疲劳特性。在许多疲劳情况下，光滑的小焊缝 要比带有尖锐的表面不规则的大焊缝要好。 金属的化学性能 金属的机械性能通过各种机械和热处理来改变。然而如果化学成份改变，也将出现激烈的变化。焊接主要感兴趣的是不同元素的混合物或合金，包括

22、金属和非金属。常见的例子是钢，它是铁和碳的混合物，并加入了不等量的其它元素。 除了机械性能外，金属的化学成分也对其耐腐蚀性和可焊性（金属能被成功焊接的容易性）产生影响。因此，焊接检验师的部分职责包括比较金属的实际化学性能与其技术要求来确认金属的化学成份。 合金 焊接检验师可能接触到许多不同的金属合金。金属能够组合成许多合金种类；常见的种类有钢，铝，镍和铜等。这里讨论的是有关钢的合金，可进一步地划分为三个分类：普通碳钢，低合金钢和高合金钢。 以吨位为基本单位，普通碳钢使用的最广泛。它的基本元素为铁，但还含有少量的碳，锰，磷，硫和 8 of 34 Module 6 American Welding

23、 Society & Moody International China 硅。含碳量对钢的性能有最大的影响。图所示的是含碳量和普通碳钢的一些特性。 低合金钢包含非常少量的另一些元素，如镍，铬，锰，硅，钒，钶，钼和硼。这些元素的不同含量能 够引起在机械性能上的显著不同。这些低合金钢一般分为高强度低合金结构钢，汽车和机械钢，低温用钢或高温用钢。许多这些低合金钢也已根据它们的化学成份进行分类。如图所示。这种分类是由美国钢铁研究所（AISI）和汽车工程师学会编制的，并经常地在钢生产中应用。 最后一组钢是高合金钢。不锈钢和其它耐腐蚀合金就是这组钢的例子。不锈钢含有至少12%的铬，并 且许

24、多等级不锈钢也包含大量的镍。图是一些不锈钢的化学成分。它们可以划分成五个组：奥氏体，马氏体，铁素体，沉淀硬化和双相组织。 普通名字 工业纯铁 低碳钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 碳含量 应用 可焊性 非常好 最大0.03% 最大0.15% 0.15%-0.30% 0.30%-0.50% 0.50%-1.00% 镀锌和深度引长薄板和板条 焊条，各种形状的板，薄板和板条 非常好 各种结构形状的板和条 机器零部件 好 中等（预热和经常要求后热） 弹簧，模具，铁轨 低（没有适当的预热和后热很难焊接） 图 系列命名 6.11 普通碳钢的种类 型式和类别 10xx ? 无再硫化碳钢等级 11xx ? 再硫化碳

25、钢等级 13xx ? 1.75%锰 23xx ? 3.50%镍 25xx ? 5.00%镍 31xx ? 1.25%镍 0.65%或0.80%的铬 33xx ? 3.50%镍 1.55%铬 40xx ? 0.25%钼 41xx ? 0.50-0.95% 铬 0.12%或0.20%钼 43xx ? 1.80%镍 0.50%或0.80%铬 0.25%钼 46xx ? 1.55%或1.80%镍 0.20%或0.25%钼 47xx ? 1.05%镍 0.45%铬 0.25%钼 9 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody Inter

26、national China 48xx ? 3.50%镍 0.25%钼 50xx ? 0.28%或0.40%铬 51xx ? 0.80%, 0.90%, 0.95%, 1.00%, 或1.45%铬 5xxxx ? 1.00%碳 0.50%, 1.00%, 或1.05%铬 61xx ? 0.80%或0.95%铬 最小0.10%或0.15%的钒 86xx ? 0.55%镍 0.50%或0.65%铬 0.20%钼 87xx ? 0.55%镍 0.50%铬 0.25%钼 92xx ? 0.85%锰 2.00%硅 93xx ? 3.25%镍 1.20%铬 0.12%钼 94xx ? 1.00%锰 0.4

27、5%镍 0.40%铬 0.12%钼 97xx ? 0.55%镍 0.17%铬 0.20%钼 98xx ? 1.00%镍 0.80%铬 0.25%钼 图6.12 AISI-SAE碳钢和低合金钢的命名 化学元素对钢的影响 下列所要讨论的是各种合金元素对钢的性能的影响，包括可焊性。 碳 一般认为是钢中最重要的合金元素，含量最大能达到2%（虽然最可焊钢含碳量小于0.5%）。碳既能溶解于铁，也能以碳化物的形式存在，如碳化铁（Fe3C）。含碳量增加，硬度和拉伸强度也增加，相应的淬硬性也增加了。在另一方面，含碳量的增加降低了可焊性。 硫 通常在钢中硫是比其它合金元素更不受欢迎的杂质。在产钢期间，常常要用特殊

28、的方法去降低它的含量。如果超过0.05%，就会引起脆性并降低可焊性。在合金中加入0.10%到0.30%的硫，可以改善钢的机加工性能。称为再硫化或快削。快削（高速切削）合金不会用于有焊接要求的地方。 磷 通常认为是钢中的杂质。在大多数的碳钢中其最大含量通常为0.04%。在淬硬钢中，它会引起脆化。在低合金高强度钢中，磷能加至0.10%以改善强度和耐腐蚀性。 硅 通常只有少量（0.20%）的硅存在于轧制的钢中作为脱氧剂。然而，在铸钢件中，通常是0.30%到1.00%。硅可溶于铁中并可提高强度。焊接金属通常含有大约0.50%的硅作为脱氧剂。一些填充金属可以含有最大为1%的硅以为了在已污染表面上焊接提供

29、高清洁及除氧性能。当在清洁表面上用这些填充金属进行焊接时，所产生的焊缝金属强度将显著提高。在某些情况下，所引起的延展性的降低产生开裂问题。 锰 通常钢含有至少0.30%的锰。因为它有三个方面的作用。（1）帮助钢脱氧。（2）防止形成硫化铁。（3）提高钢的淬硬性以增大强度。在碳钢中，锰的含量可达1.5%. 10 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 铬 是一个很有用的合金元素。加入铬主要有二个原因。首先是大大地增加了钢的淬硬性。再则就是改进了合金在氧化介质中的抗腐蚀性。有些钢材中它会使

30、材料太硬，从而在焊缝区域或靠近焊缝的区域产生裂纹。不锈钢中铬含量超过12%。 钼 该元素能促使碳化物的形成，通常在合金钢中含量小于1.0%。加入钼是为了增强淬硬性及高温强度。加入奥氏体不锈钢中能改善抗麻点腐蚀。 图6.13 一些不锈钢的化学成分 11 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 镍 加入钢中的镍是为了增加其淬硬性。它在增强淬硬性上起着很大作用。因为即使随着强度和硬度的增加，它仍常常能改善钢的韧性及延展性。镍常常用于改善钢在低温时的韧性。 铝 加入钢中的铝非常少，只是作为脱

31、氧剂。它能细化晶粒而改善韧性；在钢中加入适量的铝，这种方法成为晶粒细化法。 钒 加入钒将会增加钢的淬硬性。它非常有效地增加钢的淬硬性。因此它常常是以微量加入。当超过0.05%时，在消除应力热处理时钢有脆化倾向。 铌（钶） 与钒一样，通常认为它也是增加钢的淬硬性。然而，由于它对碳有很强的亲合力，它能与钢中的碳结合，使淬硬性大大地降低。它作为稳定剂加入奥氏体不锈钢以改善焊态的性能。铌与钶一样。 溶解气体 氢气，氧气和氮气都能溶于熔化了的钢中，如果不尽量减少，能导致钢脆化（并能引起气孔）。钢的精炼工艺就是尽可能消除这些气体的存在。焊剂或是保护气体用于防止这些气体溶入熔化了的焊缝金属。 合金组 铝合金

32、 当今用在金属加工业中最大一组非铁基合金。它可以是锻件和铸件。一般认为是具有可焊性的。对于要求强度高，重量轻，导电和导热性能优异，抗腐蚀性好的场合，铝是最适宜的。工业用的退火或铸造纯铝有结构钢五分之一的强度。正如铝与其它金属合金一样，冷加工也能相当大地增加其强度。与铜，硅或锌合金，可以用热处理来增加强度。在某些情况中，铝的强度可增加至可与钢相比。 铝合金按其应用可以分为二类：可热处理，不可热处理。可热处理铝从 “沉淀硬化”的工艺中得到硬度和强度。不可热处理的铝是由应变硬化（冷加工）和加入 合金元素来增加强度。图所列的是根据主要的合金元素，对各种铝合金的命名。 为了指出各种铝的状况，用一后缀加到

33、数字命名中。图所示的是按回火状态命名的铝合金。 镍合金 镍是一种韧性的，银色的金属，密度与铜大致相同。即使在高温下，它也具有非常良好的抗腐蚀和抗氧化的能力。镍很容易与许多材料合金，是许多合金的基础元素， 12 of 34 Module 6 主要合金元素 *纯铝 铜 锰 硅 镁 镁和硅 锌 铝的组合号 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx *(最小99%) 图6.14- 铝协会对铝合金的分组 命名 状况 F 制造状态 O 退火了的 H1 仅应变硬化 H2 应变硬化和部分回火 H3 应变硬化和热稳定化 W 固溶热处理的 T1 从高温成形工艺中冷却并自然老化 T2 从

34、高温成形工艺中冷却，冷加工并自然老化 T3 固溶热处理，冷加工并自然老化 T4 固溶热处理并自然老化 T5 高温成形工艺中冷却，然后人工地老化 T6 固溶热处理然后人工老化 T7 固溶热处理及稳定化 T8 溶热处理，冷加工，然后人工老化 T9 固溶热处理，人工老化，然后冷加工 T10 从高温成形工艺中冷却，冷加工，然后人工老化 图6.15 按回火状态命名的铝合金 American Welding Society & Moody International China 如铁，铬和铜。许多高温合金和耐腐蚀合金都含有60%70%的镍。这些包括几种合金，如蒙乃尔400，因科镍600，哈

35、氏合金C-276，通常用于钢的焊接工艺，都可用于镍及镍合金，常用的焊接方法都适用于镍及镍合金。 铜合金 铜以其导电率高而闻名。所以铜广泛地用于电气应用。它的密度大约是铝的三倍，导热性和导电性差不多是铝的一倍半。铜在400华氏温度下的淡水和盐水，无氨碱溶液中以及许多有机化学剂中是抗氧化的。然而，铜容易与硫和硫的化合物反应生成硫酸铜。铜和铜合金广泛地用于水管，阀门，管件，热交换器及化工设备。 铜的合金主要分成八个组，包括： ? ? ? ? ? 铜 高铜合金 黄铜 青铜 铜镍 ? 铜镍锌合金（镍银） ? 加铅铜 ? 特种合金 虽然大多数铜合金在某种程度上可焊和/或钎焊，但它们高导热性也产生了一些问题

36、。高导热性会试图迅速地把焊接或钎焊热从接头处散掉。黏附在表面的氧化物也能造成困难，所以清洁是非常关键的。然而，这些合金可以用各种各样的焊接和钎焊工艺十分有效地连接起来。 破坏性试验 金属的性能对于金属或是焊缝是至关重要的，所以有必要测定其精确的值。现在设计师要得到每个性能的数值，然后他/她就能够有效地选用所材料来设计结构。 有许多种试验来测定金属的各种机械和化学特性。这些试验当中，有些可以提供不只一个特性的数值， 而大部分试验是为确定金属的某一个特定性能的数值。因此，可能需要进行几个不同的试验以确定所有需要的性能。 焊接检验师了解这些试验是非常重要的。检验师应该知道什么时候做试验，将要提供什么

37、样的结果，如果试验结果与技术要求不符该如何决定。如果焊接检验师了解试验中的某些方法，这将很有帮助，即使没有直接参与试验。 试验方法通常分为二组，破坏性或非破坏性。破坏性试验中，材料或部件试验后就没有用了。这些试验常常用来确定当材料被加载至失效时的行为。非破坏性试验不会对元件以后的使用产生影响，并且这将 13 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 在第10单元讨论。 本单元没有提到有关用于确定母材或焊接金属性能的特殊破坏性试验。大的方面来说，这并不代表在试验的方法上有很大的变化。有很

38、多不同的场合下要测试母材或焊缝的性能，但试验的机理没有变化，或即使有也非常小。 拉伸试验 前面我们第一个讨论的机械性能是强度，所以第一个破坏试验方法是拉伸试验。这个试验为我们提供了很多有关的金属的性能。能够由拉伸试验所测定的性能包括： 极限拉伸强度 屈服强度 延展性 延伸率 断面收缩率 弹性模量 比例极限 弹性极限 韧性 拉伸试验中有些值可以从仪表中直接读取。其他只有通过在试验期间产生的应力应变图的分析来定量。延展性的值可以对试件的试验前及试验后进行比较测量得到。它们差值的百分比就是延展率的值。 当进行拉伸试验时，试验最重要的一个方面就是拉伸试件的准备。如果试验的这一部分没有细致地进行，试验结

39、果的有效性将会大大地降低。例如，表面光洁度上的一小疵点就能引起拉伸试件的强度和延展性明显下降。 有时，焊接试样做拉伸试验仅仅是为了看看焊缝区域的表现是否与母材一样。对于此目的，所要做的就是在垂直于焊缝纵轴的方向上截取试样（有时称为试条），使焊缝大约位于试样的当中。试样的两侧用锯或火焰切割，保持试样两侧平行，但不需要进行一步的表面处理，包括去除焊缝强度高。但是，焊缝加强高常常是磨平的。 这种方法用于按API 1104进行的焊接工艺评定和 焊工技能评定。按照这个规范，成功的拉伸试验就是 试样在母材部分断裂，或是断在焊缝上而此时的抗拉 强度在母材的强度之上。 大多数情况下都要求做拉伸试验，但是有时还

40、需 要测试金属的实际强度和其它性能，而不仅是看焊缝 14 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 是否与母材一样强。当需要确定这些值时，试件必须被准备成在靠近试样长度中心的位置上加工成缩截面的形状。如图所示。 加工成缩截面主要是为了锁定断裂位置。否则断裂可能会优先地出现在靠近夹持端，使得后续的测量很困难。另外，缩截面使整个试样横截面的应力增加非常均匀。为了得到有效的结果，缩截面必须具有下列三个特性： （1）缩截面的整个长度必须具有一个均匀的横截面。 （2）横截面应该是容易测量，截面面

41、积可以计算的图形。 （3）缩截面的表面应没有表面不规则，特别是垂直于试样纵轴的不规则。 由于这些原因，再加上准备试样的实际技术，所以拉伸试样中最常用的二个横截面是圆形和矩形。二者容易准备和测量。如果要实际进行拉伸实验，焊接检验师必须能够计算拉伸试样缩截面实际的截面积。 例1和例2所示的是如何对二种常用的横截面的计算。 例1：圆截面的面积 面积 x r2 = x d/4 2 举例直径，（测出的） 举例半径， 面积 面积=0.20 in2 或，用直径直接计算 面积 A=0.2 in2 例2：矩形截面的面积 测出的宽，w=1.5 in 测出的厚度 t=0.5 in 面积 面积5 in2 试验前面积的

42、测定是非常关键的，因为这个值将最终用于确定金属的强度。强度将由所施载荷除以原来的面积而得出。例3所示是用于例1的标准圆形截面的计算。 例3：拉伸强度的计算 载荷12,500磅 试样断裂 15 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 面积0.2 in2（见例1） 抗拉强度载荷/面积 抗拉强度12,500 抗拉强度62,500 psi (lb/ in2) 这前面的例子所示的是一个标准圆形试样的典型抗拉强度的计算。这是一个标准试样，因为其产生精确英寸的面积。这是为了方便，因为用除一个数与这

43、个数乘以5是一样的。因此，如果用这标准的拉伸试件，那么拉伸强度的计算是就像例4所示非常简单。 例4：另一种抗拉强度的计算方法 载荷12500磅 面积英in2 抗拉强度12500 x 5 抗拉强度62,500 psi (lb/ in2) 这个计算的结果与例3是一致的。在现代计算公式出现之前的许多年，这种标准尺寸的拉伸试样的使用是非常流行的。在那个时候，精确地机加工一个拉伸试样到这一精确尺寸比用某个更复杂数来除以载荷来人为地确定强度更容易。然而，今天我们能容易地计算出精确的抗拉强度，无论实际面积是多大。 在试验前另一要做的是在缩截面上精确地标出一标距。这通常是在某一规定的距离上用一对中心冲孔来标出

44、。最通常的标距是2和8英寸。试验后，测量这些标距之间的新距离，并且与其原来的距离相比较以得出由于试件受载失效而产生的伸长量。 延伸率称为试样在拉伸试验期间在二个标距点之间所伸长的量。这是由二个标距之间最终长度与原来长度的差除以原来长度，所得的结果乘以100而得出的一百分比。下面是计算延伸率的例子： 原来的标距长英寸 二个标识间的最终长度英寸 延伸率 当对延展性好的试样进行拉伸试验时，它的一部分由于受纵向拉伸载荷而出现“缩颈”。如果我们再测量并计算这“缩颈”区域的最终面积，用原始的横截面积减掉它，所得的余数除以原始面积，并乘以100，就可以得出断面收缩率。下面是断面收缩率 (RA) 的例子： 原

45、始横截面积0.20 in2 最终横截面积0.10 in2 面积减少率0.20 测量和标注完以后，将试样牢牢地放入固定的夹具内，并移动拉伸机机头。如图所示。 16 of 34 Module 6 American Welding Society & Moody International China 试样就位后，拉伸载荷就以一稳定的速率施加。加载速率的不同能导致试验的不一致。在施加载荷前，将伸长计连到试件上的标距点处。当加载时，伸长计将测量由于一定载荷而引起的伸长量。载荷和伸长数据均记入到一条形图表记录器，生成载荷与伸长的变化图。称之为载荷与偏移曲线。然而，我们通常看到的是以应力应

46、变表示的拉伸试验结果。 应力与强度是成正比的，因为任何时候它都是由应力除以横截面积得出。应变是在给定长度上伸长量。应力是以psi(lb/in2)表示，应变是以尺寸值in/in来表示。当用这些数据作成一典型的低碳钢拉伸试验图表时，其结果如图所示。 在这里，我们将讨论应力应变图的几个重要特 性。试验开始时，应力和应变都等于零。随着载荷的 施加，应变量与应力线性增加。这个区域显示了先前 所称的弹性变形，在这个区域处，应力和应变是成比 例的。对任何所给的材料，这条线的斜率是一常数。 这个斜率就是弹性模量。 对于钢来说，在室温时与铝的弹性模量10,500， 000 psi相比，钢的弹性模量（或杨氏模量）

47、大约等于 30,000,000 psi 。这个数实际上反映的是这种钢的刚 度。也就是说，金属弹性模量越高，它的刚度也就越 大。 最终，应变将开始比应力增加的快，这意味着金属在所给定的应力下伸长更多。这种变化标志着弹性变形的结束，塑性变形的开始或永久性变形的开始。在曲线上显示的线性变形范围的这一点被称为弹性比例或极限。如果载荷在到达此点前的任何时候移走，试样将会回到其原来的长度。 许多金属从一开始的弹性变形就试图表现 激烈的偏离。正如在图中看到，不仅仅是 应力和应变不再成正比，而且当应变在增加的 同时，应力可能实际下降或保持稳定。这种现 象是延展性优良钢的屈服特性。应力增至一最 大极限，然后降至

48、一较低极限。这些极限被分 别称为上屈服点和下屈服点。上屈服点是在应 力没有增加的情况下，应变显著增加，或是塑 性流动。然后应力下降至低屈服点并保持相对 不变，这时应变继续增加，称之为屈服点延伸。 因为金属如此表现，屈服强度是指上屈服 点所对应的应力，或是在上屈服点与低屈服点 之间的中点所对应的应力。在拉伸试验期间， 屈服点可以通过在仪表或记录装置上的突然下 降而发现。屈服强度可以由观察并记录该载荷 减少来确定。当用这一方法时，我们称之为（“台 阶”）技术。 在此屈服现象期间，钢的塑性流动的速率增加使应力释放比应力形成要更快。当在室温下出现此塑性 17 of 34 Module 6 Americ

49、an Welding Society & Moody International China 流动，称为冷加工。这种效应使金属变为更强更硬，并且被称为加工硬化。因此屈服将继续直至金属到一定加工硬化范围，现在它需要更多的应力来产生进一步的伸长。相应地，曲线开始以非线性的形式爬升。 应力和应变以变化的速率继续增加一直达到某最大的应力。这一点称为最大应力，或极限拉伸强度。图所示是当达到这最大应力时，随后甚至当应变继续上升（工艺曲线），应力显著地下降。这个现象是由于试件开始“颈缩”，实际承受所施应力的横截面小于 原来的横截面积。因为应力是以原来的面积为基础计算的， 这就给出一现象，当在

50、实际中应力以psi继续增加时，载荷 是下降的。 如果一个拉伸试验是在以实际承受载荷面积继续计算 应力的情况下进行的，那么实际的应力应变图可以给出。 这条实际曲线和先前讨论过的工艺曲线的比较如图所 示。它显示了试样的应变随着应力的上升继续增加。该真实 曲线显示出失效是在最大应力和最大应变时出现。 对于延展性差的金属，在弹性和塑性变形之间没有明显 的变化。因此“台阶”方法不适用于确定它们的屈服强度。 一种可选方法是偏移法。图所示的是一种延展性差的 金属的典型应力应变图。 当使用偏移法时，在某一规定应力处画一条平行与弹性模量的线。应变量通常是以某百分比描述的。通常偏移是应变的0.2%（）；然而，也可以规定其它的应变量。图所示的是这根0.2%的偏移线是如何画出的。 偏移线与应力应变曲线之间的交点所对应的应力被定义为屈服应力。在报告中应说明这是0.2%的偏移屈服应力，以使人们知道它是如何被确定的。 能从应力应变图中可获得的最后一条信息是金属的韧性。你可记得韧性是衡量金属吸收能量的能力。你也知道当载荷被慢慢，稳定地施加，韧性能由应力应变图下的面积来确定。所以金属有较高的应 18 of 3