焊接冶金基本知識-金屬材料的力學(xué)性能
作者：小編 時(shí)間：2025/6/21 9:56:59
金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在力或能的作用下，材料所表現出來(lái)的一系列力學(xué)性能，如強度、彈性、塑性、硬度、韌性和疲勞等。它反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的能力。
1)強度 是指金屬材料在緩慢加載的靜載荷作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力，其載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉等方式。按照作用力的性質(zhì)不同，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度等。在工程上常用的是金屬的屈服強度和抗拉強度。
2)彈性 金屬材料在外力作用下發(fā)生變形，當外力去掉后，仍能恢復其原來(lái)形狀和尺寸的變形，這種變形叫做彈性變形。具有這種彈性變形能力的特性稱(chēng)為彈性。
3)塑性 當作用在材料上的外力超過(guò)某一限度，在去掉外力后大部分變形隨之消失(彈性變形部分),但留下部分變形不能完全恢復原來(lái)的形狀和尺寸，而出現殘余變形，這部分殘余變形叫做塑性變形。塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。金屬塑性主要用斷后伸長(cháng)率、斷面收縮率和冷彎角來(lái)表示。
4)韌性 韌性是指在沖擊載荷的作用下，金屬在破斷前吸收變形能量的能力。通常用沖擊吸收功或沖擊韌度來(lái)表示。
5)硬度 硬度是指金屬抵抗較硬物體壓入的能力。它不是一個(gè)單純的物理量，是反映材料強度、塑性、彈性的綜合力學(xué)性能指標。硬度可以用不同的方法，在不同的儀器上測定，主要有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。
6)疲勞 疲勞是指金屬在交變外力的作用下，所承受的最大應力低于屈服點(diǎn)就發(fā)生突然斷裂的現象，其衡量指標是疲勞極限。
測定上述性能的試驗，叫做金屬的力學(xué)性能試驗。力學(xué)性能試驗的種類(lèi)主要有：拉伸試驗、沖擊韌度試驗和硬度試驗等。此外，還常采用冷彎試驗來(lái)檢驗金屬原材料或焊接接頭的塑性。
軋制金屬沿軋制方向和垂直軋制方向的力學(xué)性能(特別是塑性和韌性)是不同的，焊接接頭及焊縫金屬的力學(xué)性能，也隨著(zhù)取試樣方向的不同，面往往有某些差異。因此，從鋼板和焊接試板上截取力學(xué)性能試樣時(shí)，應注意按有關(guān)標準規定的取樣方向進(jìn)行取樣。
1.拉伸試驗
拉伸試驗可以測得金屬材料的抗拉強度、屈服強度、伸長(cháng)率和斷面收縮率，即從同一個(gè)拉伸試樣上可以取得四種數據。焊縫金屬和焊
接接頭的拉伸試驗也是暴露焊接缺陷的一種手段。
拉伸試驗是用拉伸試樣在拉力試驗機上進(jìn)行的。拉伸試樣最重要的兩個(gè)尺寸是：試樣的原始橫截面積(用S?表示)和試樣原始標距長(cháng)度(用L。表示)。常用的拉伸試樣是圓形斷面的，所以，斷面尺寸也可以用試樣的直徑d來(lái)表示，在一般情況下，試樣的原始標距長(cháng)度L?等于試樣直徑的5倍，也有采用10倍的。這個(gè)倍數應在取得的伸長(cháng)率數據中標明。標明的方法是在伸長(cháng)率的代表符號8的右下角標明5或10(δ或δ?)。拉伸試樣的示意圖見(jiàn)圖1-6。
a)拉伸前b)拉伸后
拉伸試驗時(shí)，將加工好的試樣放在拉伸試驗機上逐漸增加拉力，直至拉斷為止，通過(guò)自動(dòng)記錄裝置，可測得如圖1-7所示的拉力與試樣變形量的關(guān)系曲線(xiàn)，這種圖形曲線(xiàn)稱(chēng)為拉伸曲線(xiàn)。
b上外力/F引&eg”0變形量
圖1-7低碳鋼拉伸曲線(xiàn)
從圖中可見(jiàn)，當拉力小于F。時(shí)，oe階段試樣的變形量很小，伸長(cháng)量與拉力成正比，故oe線(xiàn)為直線(xiàn)。這時(shí)，若去掉外力，試樣仍可恢復到原來(lái)的形狀和尺寸，為彈性變形階段。當拉力增加到F,時(shí)，在es段，應力不增加或開(kāi)始有些下降，在拉伸曲線(xiàn)圖上出現了水平或鋸齒形的線(xiàn)段，為屈服階段。屈服后，材料開(kāi)始產(chǎn)生明顯的塑性變形。屈服現象過(guò)后，變形 又隨著(zhù)載荷的增加而逐漸增大，整個(gè)試樣發(fā)生均勻而顯著(zhù)的塑性變形。當載荷到達F?后，在試樣的標距長(cháng)度內出現了局部截面縮小，即發(fā)生了頸縮現象。此時(shí)，載荷開(kāi)始下降。故b點(diǎn)為曲線(xiàn)的最高點(diǎn)，變形主要集中在頸部。由于縮頸處試樣截面急劇縮小，試樣繼續變形所需的力迅速降低，直至k點(diǎn)斷裂，為斷裂階段。綜上所述，金屬材料的變形過(guò)程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。
1)抗拉強度 用%表示，指金屬材料在拉斷前所承受的最大標稱(chēng)拉應力。它表示金屬材料抵抗斷裂的能力。受壓的稱(chēng)抗壓強度，受彎的稱(chēng)抗彎強度，受剪的稱(chēng)抗剪強度?？估瓘姸扔嬎愎綖椋?/span>
2)屈服強度 用σ?表示，指金屬材料在拉伸過(guò)程中，載荷不增加(保持恒定)仍能繼續伸長(cháng)時(shí)的應力。它表示金屬材料抵抗塑性變形的能力。屈服強度與抗拉強度一樣，都是評定金屬材料強度的重要指標。屈服強度計算公式如下：
在進(jìn)行材料的拉伸試驗時(shí)，如果材料的屈服點(diǎn)不明顯或某些材料沒(méi)有屈服點(diǎn)時(shí)，就以變形量達到試樣原始標距長(cháng)度的0.2%時(shí)作為該材料的屈服強度，其表示符號為0?2。
3)伸長(cháng)率 用δ表示，指試樣被拉斷后，標距的伸長(cháng)量與原始標距長(cháng)度的百分比，它表示材料被拉伸的程度。其計算公式為：
為了便于比較，試樣的原始標距長(cháng)度一般為其直徑的5倍或10倍，斷后伸長(cháng)率分別用δ?或δ?表示，同種材料的δ?>810。
4)斷面收縮率 用ψ表示，指做拉伸試驗時(shí)，試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始截面積的百分比，它表示材料被拉細的程度。其計算公式為：
伸長(cháng)率和斷面收縮率是評定塑性好壞的指標。如果焊縫金屬的伸長(cháng)率和斷面收縮率達不到正常指標，有時(shí)是焊縫金屬存在著(zhù)缺陷的反映。
2.沖擊初度試驗
沖擊韌度指金屬材料受沖擊力作用時(shí)，抵抗變形和斷裂的能力，用ax表示。其計算公式如下：
沖擊韌度試驗時(shí)，一般采用夏比沖擊試驗法的V形缺口或U形缺口試樣。由于V形缺口尖銳，應力集中系數較大，對沖擊更為敏感，所以，世界各國及我國多采用V形缺口試樣，其缺口試樣如圖1-8所示，試驗結果分別表示為Akv、akv或Aku、aKu。
沖擊韌度試驗大多采用的方法是一次擺錘沖擊試驗(見(jiàn)圖1-9)和小能量多次沖擊試驗(見(jiàn)圖1-10)。目前使用最為普遍的是一次擺錘沖擊試驗方法。
1)擺錘式一次沖擊試驗 試驗時(shí)，將加工好的試樣放在試驗機的支承面上，并使試樣的缺口背向擺錘沖擊力的方向，將一定重量的擺錘1放到規定的高度H(m),見(jiàn)圖1-9,然后落下，將試樣打斷。從刻度盤(pán)上直接讀出試樣所做的功Akv,然后按公式計算出沖擊韌
度。
2)小能量多次沖擊試驗 將專(zhuān)門(mén)制成的缺口試樣，放在多沖試驗機上(見(jiàn)圖1~10),使之受到試驗機錘頭2的小能量(<15J)多次沖擊，測定材料在一定沖擊能量作用下，開(kāi)始出現裂紋和最后破斷的沖擊次數作為多次沖擊抗力的指標。
在生產(chǎn)實(shí)踐中，機械零件很少受到大能量的沖擊破壞，一般是小能量多次沖擊后才破壞的。在這種情況下，用αk值來(lái)衡量材料的抗
·沖擊能力是不合理的，而應進(jìn)行多次重復沖擊
試驗測定其多次抗力。
沖擊韌度是金屬材料極為重要的力學(xué)性能指標，尤其對承受沖擊載荷或低溫工作環(huán)境下的材料，測定其沖擊韌度及低溫沖擊韌度，對合理選擇焊接材料，防止脆斷具有重要意義。在檢驗焊接接頭的性能時(shí)，如果有必要，可以從焊接試板上的不同的部位和不同的方向進(jìn)行取樣，來(lái)全面檢查接頭是否存在脆弱環(huán)節。
沖擊吸收功或沖擊韌度越大，表明材料的韌性越好。沖擊斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂破壞是突然發(fā)生的，斷口處沒(méi)有明顯的塑性變形，有金屬光澤，而韌性斷裂破壞處發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈灰色纖維狀。
沖擊韌度對材料的脆性轉變情況很敏感，用系列沖擊韌度試驗可以確定鋼的冷脆性，如圖1-11所示。沖擊韌度的高低與試驗溫度關(guān)系密切，在室溫(20℃左右)時(shí)，不顯示脆性；而在較低溫度時(shí)則可能發(fā)生脆斷。國際上通用的判據指標為27J,如我國生產(chǎn)的16MnR鋼，按此標準其臨界脆性轉變溫度為10℃。
3.彎曲試驗
彎曲試驗是指把金屬材料或焊接接頭試樣繞一定直徑的軸(壓頭)進(jìn)行彎曲，以檢驗材料的塑性和表面質(zhì)量的試驗，見(jiàn)圖1-12a所示。在室溫下進(jìn)行這項試驗時(shí)叫做冷彎試驗，焊接接頭的彎曲試驗土要包括焊縫橫向面彎(焊縫正面受拉)、焊縫橫向背彎(焊縫根部受拉)和焊縫橫向側彎(焊縫橫截面為受拉面)等。
冷彎角是指彎曲試驗時(shí)，試樣彎曲到受拉面出現裂紋時(shí)的角度，用α表示(單位為度)。通常的彎曲試驗是將冷彎角作為一規定的角度(如50°、90°、100°或180°),見(jiàn)圖1-12b、c,將試樣彎曲到這一規定的角度，再檢查有無(wú)裂紋。一般要求壓頭直徑d等于試樣板厚δ的2倍或3倍(d=28或d=38,視試件情況而定)。
彎曲試驗在檢驗焊接接頭的性能和質(zhì)量方面有重要意義。焊接接頭的塑性主要是通過(guò)規定冷彎角的彎曲試驗進(jìn)行檢驗的，常?？梢园l(fā)現焊縫中有無(wú)缺陷，同時(shí)還可以反映焊縫金屬、熱影響區及母材各區域的塑性差別。例如，當焊縫金屬強度過(guò)高時(shí)，往往使變形集中在熱影響區，從而使冷彎角達不到要求，此時(shí)應適當改換焊條牌號，使焊縫的強度與母材接近。
4.硬度試驗
硬度試驗是用不同的方法在不同的儀器上進(jìn)行的金屬抵抗較硬物體壓入能力的試驗。主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)試驗。此外還有肖氏硬度(HS)和里氏硬度(HL)試驗。
1)布氏硬度 用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規定載荷作用下壓入被測試金屬表面(見(jiàn)圖·1-13),保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測量被測試金屬上所形成的壓痕直徑
d,計算出壓痕部分的球形面積A,再求出壓
痕的單位面積所承受的平均壓力來(lái)表示布氏硬度HB的值。
實(shí)際應用中，可根據測得的壓痕直徑，從專(zhuān)門(mén)的硬度表中查得HB值。
我國GB/T231—1984標準規定，布氏硬度有兩種表示方法：即用HBS和HBW兩種符號表示。HBS表示壓頭為淬火鋼球，適用于測量軟鋼、灰鑄鐵、有色金屬等布氏硬度值在450以下的材料；HBW表示壓頭為硬質(zhì)合金球，適用于測量布氏硬度值在650以下的材料。
布氏硬度試驗的優(yōu)點(diǎn)是：因布氏硬度試驗法的壓痕面積大，能反映出較大范圍內被測試金屬的平均硬度，測得的值比較準確，且根據硬度值，可近似地確定金屬的抗拉強度。
缺點(diǎn)是：受鋼球本身硬度的限制，只能測量650HBW以下的材料硬度，比此值更硬的材料，應采用洛氏硬度測量。另外布氏硬度的壓痕較大不宜用于產(chǎn)品的檢查，更不適合薄件硬度的測量。
2)洛氏硬度 用頂角為120°的金剛石圓錐體作為壓頭，在一定載荷作用下，壓入被測物表面，保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測量壓痕深度。見(jiàn)圖1-14所示。它的試驗原理與布氏硬度基本相同，也是屬于壓入法，所不同的是洛氏硬度以壓痕深度大小衡量硬度值，而布氏硬度則是以測量壓痕的表面積大小表示硬度值。
壓痕直徑越深，金屬的硬度越低，反之硬度越高。硬度值可直接在硬度計表盤(pán)上讀出。
我國GB/T230—1991標準規定洛氏硬度采用三個(gè)標尺測定，HRA、HRB和HRC表示。
A、B和C表示硬度試驗時(shí)采用的不同壓頭和
試驗載荷，其中HRC應用最廣。測試時(shí)應根據不同材料，選擇不同的標尺。洛氏硬度適用范圍見(jiàn)表1-4。
采用洛氏硬度進(jìn)行試驗的優(yōu)點(diǎn)是：
①測定硬度簡(jiǎn)單、迅速，可以從表盤(pán)上直接讀出硬度值，工作效率高。
②適用于成批生產(chǎn)中硬度的檢驗。由于壓痕小，對工件損傷很小，可用于測定成品、半成品的硬度。
③使用兩種壓頭，配合不同負荷，可測量較硬或較軟的材料，應用范圍廣。
缺點(diǎn)是：由于壓痕小，硬度波動(dòng)較大，如測試不均勻合金及組織粗大的金屬材料等，一次打在硬質(zhì)點(diǎn)上，另一次可能打在軟質(zhì)點(diǎn)上，得出的硬度值相差較大。
3)維氏硬度 用相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石作為壓頭，在選定的載荷F作用下壓入被測試金屬表面，經(jīng)規定的保持時(shí)間后，卸除載荷，測量壓痕兩對角線(xiàn)的平均長(cháng)度，見(jiàn)圖1-15所示。維氏硬度用符號HV表示。
維氏硬度試驗與布氏硬度及洛氏硬度相比，是最精確、最理想的試驗力法。測量精確，測量的硬度范圍較寬，可以測量目前使用的大部分材料的硬度，尤其適用于測量焊接接頭各區域的硬度值，其缺點(diǎn)是操作麻煩。
4)肖氏硬度 利用一定重量的金剛石球或淬火鋼球白一定高度落下，根據回跳高度測定硬度?；靥礁?，硬度越高：反之，硬度越低。硬度值可以從表盤(pán)上直接讀出。這種方法簡(jiǎn)單，測量迅速，試驗后肉眼看不見(jiàn)壓痕。但硬度值不夠準確。肖氏硬度試驗適用于大型零件或工具等，其表示符號為HS。
5)里氏硬度 用規定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。里氏硬度計的體積小，重量輕，便于攜帶，適合于測量不易移動(dòng)的大型T件和不易拆卸的大型部件及構件的硬度，表示符號為HL。
6)幾種硬度間的關(guān)系 布氏、洛氏、維氏、肖氏硬度之間，有著(zhù)近似的關(guān)系。換算數據可查看附錄I。
布氏硬度在200～400時(shí)，IHRC=10HB維氏硬度在200～400時(shí)，1HB=1HV,1HRC=10HV,1HB=6.67HS
浙公網(wǎng)安備 32050502001025號