焊接冶金基本知識-金屬材料的力學性能
作者：小編 時間：2025/6/21 9:56:59
金屬材料的力學性能是指金屬材料在力或能的作用下，材料所表現(xiàn)出來的一系列力學性能，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(zhuǎn)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為彈性。
3)塑性 當作用在材料上的外力超過某一限度，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的形狀和尺寸，而出現(xiàn)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率、斷面收縮率和冷彎角來表示。
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。它不是一個單純的物理量，是反映材料強度、塑性、彈性的綜合力學性能指標。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(yīng)力低于屈服點就發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，其衡量指標是疲勞極限。
測定上述性能的試驗，叫做金屬的力學性能試驗。力學性能試驗的種類主要有：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性能，也隨著取試樣方向的不同，面往往有某些差異。因此，從鋼板和焊接試板上截取力學性能試樣時，應(yīng)注意按有關(guān)標準規(guī)定的取樣方向進行取樣。
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、伸長率和斷面收縮率，即從同一個拉伸試樣上可以取得四種數(shù)據(jù)。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行的。拉伸試樣最重要的兩個尺寸是：試樣的原始橫截面積(用S?表示)和試樣原始標距長度(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來表示，在一般情況下，試樣的原始標距長度L?等于試樣直徑的5倍，也有采用10倍的。這個倍數(shù)應(yīng)在取得的伸長率數(shù)據(jù)中標明。標明的方法是在伸長率的代表符號8的右下角標明5或10(δ或δ?)。拉伸試樣的示意圖見圖1-6。
a)拉伸前b)拉伸后
拉伸試驗時，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，通過自動記錄裝置，可測得如圖1-7所示的拉力與試樣變形量的關(guān)系曲線，這種圖形曲線稱為拉伸曲線。
b上外力/F引&eg”0變形量
圖1-7低碳鋼拉伸曲線
從圖中可見，當拉力小于F。時，oe階段試樣的變形量很小，伸長量與拉力成正比，故oe線為直線。這時，若去掉外力，試樣仍可恢復到原來的形狀和尺寸，為彈性變形階段。當拉力增加到F,時，在es段，應(yīng)力不增加或開始有些下降，在拉伸曲線圖上出現(xiàn)了水平或鋸齒形的線段，為屈服階段。屈服后，材料開始產(chǎn)生明顯的塑性變形。屈服現(xiàn)象過后，變形 又隨著載荷的增加而逐漸增大，整個試樣發(fā)生均勻而顯著的塑性變形。當載荷到達F?后，在試樣的標距長度內(nèi)出現(xiàn)了局部截面縮小，即發(fā)生了頸縮現(xiàn)象。此時，載荷開始下降。故b點為曲線的最高點，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(xù)變形所需的力迅速降低，直至k點斷裂，為斷裂階段。綜上所述，金屬材料的變形過程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。
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拉應(yīng)力。它表示金屬材料抵抗斷裂的能力。受壓的稱抗壓強度，受彎的稱抗彎強度，受剪的稱抗剪強度。抗拉強度計算公式為：
2)屈服強度 用σ?表示，指金屬材料在拉伸過程中，載荷不增加(保持恒定)仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)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：
在進行材料的拉伸試驗時，如果材料的屈服點不明顯或某些材料沒有屈服點時，就以變形量達到試樣原始標距長度的0.2%時作為該材料的屈服強度，其表示符號為0?2。
3)伸長率 用δ表示，指試樣被拉斷后，標距的伸長量與原始標距長度的百分比，它表示材料被拉伸的程度。其計算公式為：
為了便于比較，試樣的原始標距長度一般為其直徑的5倍或10倍，斷后伸長率分別用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，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率和斷面收縮率達不到正常指標，有時是焊縫金屬存在著缺陷的反映。
2.沖擊初度試驗
沖擊韌度指金屬材料受沖擊力作用時，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，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(yīng)力集中系數(shù)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(jié)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(見圖1-9)和小能量多次沖擊試驗(見圖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，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(guī)定的高度H(m),見圖1-9,然后落下，將試樣打斷。從刻度盤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 將專門制成的缺口試樣，放在多沖試驗機上(見圖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，開始出現(xiàn)裂紋和最后破斷的沖擊次數(shù)作為多次沖擊抗力的指標。
在生產(chǎn)實踐中，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值來衡量材料的抗
·沖擊能力是不合理的，而應(yīng)進行多次重復沖擊
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，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行取樣，來全面檢查接頭是否存在脆弱環(huán)節(jié)。
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(zhuǎn)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，不顯示脆性；而在較低溫度時則可能發(fā)生脆斷。國際上通用的判據(jù)指標為27J,如我國生產(chǎn)的16MnR鋼，按此標準其臨界脆性轉(zhuǎn)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)進行彎曲，以檢驗材料的塑性和表面質(zhì)量的試驗，見圖1-12a所示。在室溫下進行這項試驗時叫做冷彎試驗，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(cè)彎(焊縫橫截面為受拉面)等。
冷彎角是指彎曲試驗時，試樣彎曲到受拉面出現(xiàn)裂紋時的角度，用α表示(單位為度)。通常的彎曲試驗是將冷彎角作為一規(guī)定的角度(如50°、90°、100°或180°),見圖1-12b、c,將試樣彎曲到這一規(guī)定的角度，再檢查有無裂紋。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規(guī)定冷彎角的彎曲試驗進行檢驗的，常常可以發(fā)現(xiàn)焊縫中有無缺陷，同時還可以反映焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材各區(qū)域的塑性差別。例如，當焊縫金屬強度過高時，往往使變形集中在熱影響區(qū)，從而使冷彎角達不到要求，此時應(yīng)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(guī)定載荷作用下壓入被測試金屬表面(見圖·1-13),保持一定時間后，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表示布氏硬度HB的值。
實際應(yīng)用中，可根據(jù)測得的壓痕直徑，從專門的硬度表中查得HB值。
我國GB/T231—1984標準規(guī)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)點是：因布氏硬度試驗法的壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，測得的值比較準確，且根據(jù)硬度值，可近似地確定金屬的抗拉強度。
缺點是：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(yīng)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，保持一定時間后，卸除載荷，測量壓痕深度。見圖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上讀出。
我國GB/T230—1991標準規(guī)定洛氏硬度采用三個標尺測定，HRA、HRB和HRC表示。
A、B和C表示硬度試驗時采用的不同壓頭和
試驗載荷，其中HRC應(yīng)用最廣。測試時應(yīng)根據(jù)不同材料，選擇不同的標尺。洛氏硬度適用范圍見表1-4。
采用洛氏硬度進行試驗的優(yōu)點是：
①測定硬度簡單、迅速，可以從表盤上直接讀出硬度值，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(yīng)用范圍廣。
缺點是：由于壓痕小，硬度波動較大，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)點上，另一次可能打在軟質(zhì)點上，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(guī)定的保持時間后，卸除載荷，測量壓痕兩對角線的平均長度，見圖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(qū)域的硬度值，其缺點是操作麻煩。
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(jù)回跳高度測定硬度。回跳越高，硬度越高：反之，硬度越低。硬度值可以從表盤上直接讀出。這種方法簡單，測量迅速，試驗后肉眼看不見壓痕。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(guī)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的大型T件和不易拆卸的大型部件及構(gòu)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，有著近似的關(guān)系。換算數(shù)據(jù)可查看附錄I。
布氏硬度在200～400時，IHRC=10HB維氏硬度在200～400時，1HB=1HV,1HRC=10HV,1HB=6.67HS
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