焊接冶金基本知識(shí)-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(xiàn)出來(lái)的一系列力學(xué)性能，如強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。在工程上常用的是金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
2)彈性 金屬材料在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去掉后，仍能恢復(fù)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為彈性。
3)塑性 當(dāng)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(fù)原來(lái)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(zhǎng)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(qiáng)度、塑性、彈性的綜合力學(xué)性能指標(biāo)。硬度可以用不同的方法，在不同的儀器上測(cè)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(diǎn)就發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，其衡量指標(biāo)是疲勞極限。
測(cè)定上述性能的試驗(yàn)，叫做金屬的力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)的種類主要有：拉伸試驗(yàn)、沖擊韌度試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)等。此外，還常采用冷彎試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)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(yīng)注意按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣方向進(jìn)行取樣。
1.拉伸試驗(yàn)
拉伸試驗(yàn)可以測(cè)得金屬材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)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(shù)據(jù)。焊縫金屬和焊
接接頭的拉伸試驗(yàn)也是暴露焊接缺陷的一種手段。
拉伸試驗(yàn)是用拉伸試樣在拉力試驗(yàn)機(jī)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(biāo)距長(zhǎng)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(biāo)距長(zhǎng)度L?等于試樣直徑的5倍，也有采用10倍的。這個(gè)倍數(shù)應(yīng)在取得的伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)中標(biāo)明。標(biāo)明的方法是在伸長(zhǎng)率的代表符號(hào)8的右下角標(biāo)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(yàn)時(shí)，將加工好的試樣放在拉伸試驗(yàn)機(jī)上逐漸增加拉力，直至拉斷為止，通過自動(dòng)記錄裝置，可測(cè)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(dāng)拉力小于F。時(shí)，oe階段試樣的變形量很小，伸長(zhǎng)量與拉力成正比，故oe線為直線。這時(shí)，若去掉外力，試樣仍可恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸，為彈性變形階段。當(dāng)拉力增加到F,時(shí)，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(gè)試樣發(fā)生均勻而顯著的塑性變形。當(dāng)載荷到達(dá)F?后，在試樣的標(biāo)距長(zhǎng)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(shí)，載荷開始下降。故b點(diǎn)為曲線的最高點(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(xù)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，金屬材料的變形過程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。
1)抗拉強(qiáng)度 用%表示，指金屬材料在拉斷前所承受的最大標(biāo)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(qiáng)度，受彎的稱抗彎強(qiáng)度，受剪的稱抗剪強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度計(jì)算公式為：
2)屈服強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。它表示金屬材料抵抗塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度一樣，都是評(píng)定金屬材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。屈服強(qiáng)度計(jì)算公式如下：
在進(jìn)行材料的拉伸試驗(yàn)時(shí)，如果材料的屈服點(diǎn)不明顯或某些材料沒有屈服點(diǎn)時(shí)，就以變形量達(dá)到試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)作為該材料的屈服強(qiáng)度，其表示符號(hào)為0?2。
3)伸長(zhǎng)率 用δ表示，指試樣被拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，它表示材料被拉伸的程度。其計(jì)算公式為：
為了便于比較，試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度一般為其直徑的5倍或10倍，斷后伸長(zhǎng)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(yàn)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(xì)的程度。其計(jì)算公式為：
伸長(zhǎng)率和斷面收縮率是評(píng)定塑性好壞的指標(biāo)。如果焊縫金屬的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率達(dá)不到正常指標(biāo)，有時(shí)是焊縫金屬存在著缺陷的反映。
2.沖擊初度試驗(yàn)
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(jì)算公式如下：
沖擊韌度試驗(yàn)時(shí)，一般采用夏比沖擊試驗(yàn)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(duì)沖擊更為敏感，所以，世界各國(guó)及我國(guó)多采用V形缺口試樣，其缺口試樣如圖1-8所示，試驗(yàn)結(jié)果分別表示為Akv、akv或Aku、aKu。
沖擊韌度試驗(yàn)大多采用的方法是一次擺錘沖擊試驗(yàn)(見圖1-9)和小能量多次沖擊試驗(yàn)(見圖1-10)。目前使用最為普遍的是一次擺錘沖擊試驗(yàn)方法。
1)擺錘式一次沖擊試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí)，將加工好的試樣放在試驗(yàn)機(jī)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(jì)算出沖擊韌
度。
2)小能量多次沖擊試驗(yàn) 將專門制成的缺口試樣，放在多沖試驗(yàn)機(jī)上(見圖1~10),使之受到試驗(yàn)機(jī)錘頭2的小能量(<15J)多次沖擊，測(cè)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(biāo)。
在生產(chǎn)實(shí)踐中，機(jī)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(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)沖擊
試驗(yàn)測(cè)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(biāo)，尤其對(duì)承受沖擊載荷或低溫工作環(huán)境下的材料，測(cè)定其沖擊韌度及低溫沖擊韌度，對(duì)合理選擇焊接材料，防止脆斷具有重要意義。在檢驗(yàn)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(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(duì)材料的脆性轉(zhuǎn)變情況很敏感，用系列沖擊韌度試驗(yàn)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(yàn)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(guó)際上通用的判據(jù)指標(biāo)為27J,如我國(guó)生產(chǎn)的16MnR鋼，按此標(biāo)準(zhǔn)其臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度為10℃。
3.彎曲試驗(yàn)
彎曲試驗(yàn)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(yàn)材料的塑性和表面質(zhì)量的試驗(yàn)，見圖1-12a所示。在室溫下進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)叫做冷彎試驗(yàn)，焊接接頭的彎曲試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，試樣彎曲到受拉面出現(xiàn)裂紋時(shí)的角度，用α表示(單位為度)。通常的彎曲試驗(yàn)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(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(yàn)在檢驗(yàn)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(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)的，常?？梢园l(fā)現(xiàn)焊縫中有無(wú)缺陷，同時(shí)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(dāng)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度過高時(shí)，往往使變形集中在熱影響區(qū)，從而使冷彎角達(dá)不到要求，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)改換焊條牌號(hào)，使焊縫的強(qiáng)度與母材接近。
4.硬度試驗(yàn)
硬度試驗(yàn)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(yàn)。主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)試驗(yàn)。此外還有肖氏硬度(HS)和里氏硬度(HL)試驗(yàn)。
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(cè)試金屬表面(見圖·1-13),保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測(cè)量被測(cè)試金屬上所形成的壓痕直徑
d,計(jì)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(yīng)用中，可根據(jù)測(cè)得的壓痕直徑，從專門的硬度表中查得HB值。
我國(guó)GB/T231—1984標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，布氏硬度有兩種表示方法：即用HBS和HBW兩種符號(hào)表示。HBS表示壓頭為淬火鋼球，適用于測(cè)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(cè)量布氏硬度值在650以下的材料。
布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：因布氏硬度試驗(yàn)法的壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)試金屬的平均硬度，測(cè)得的值比較準(zhǔn)確，且根據(jù)硬度值，可近似地確定金屬的抗拉強(qiáng)度。
缺點(diǎn)是：受鋼球本身硬度的限制，只能測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)物表面，保持一定時(shí)間后，卸除載荷，測(cè)量壓痕深度。見圖1-14所示。它的試驗(yàn)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(cè)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(jì)表盤上讀出。
我國(guó)GB/T230—1991標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定洛氏硬度采用三個(gè)標(biāo)尺測(cè)定，HRA、HRB和HRC表示。
A、B和C表示硬度試驗(yàn)時(shí)采用的不同壓頭和
試驗(yàn)載荷，其中HRC應(yīng)用最廣。測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)不同材料，選擇不同的標(biāo)尺。洛氏硬度適用范圍見表1-4。
采用洛氏硬度進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：
①測(cè)定硬度簡(jiǎn)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(yàn)。由于壓痕小，對(duì)工件損傷很小，可用于測(cè)定成品、半成品的硬度。
③使用兩種壓頭，配合不同負(fù)荷，可測(cè)量較硬或較軟的材料，應(yīng)用范圍廣。
缺點(diǎn)是：由于壓痕小，硬度波動(dòng)較大，如測(cè)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(duì)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(cè)試金屬表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除載荷，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度，見圖1-15所示。維氏硬度用符號(hào)HV表示。
維氏硬度試驗(yàn)與布氏硬度及洛氏硬度相比，是最精確、最理想的試驗(yàn)力法。測(cè)量精確，測(cè)量的硬度范圍較寬，可以測(cè)量目前使用的大部分材料的硬度，尤其適用于測(cè)量焊接接頭各區(qū)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(jù)回跳高度測(cè)定硬度?；靥礁?，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(jiǎn)單，測(cè)量迅速，試驗(yàn)后肉眼看不見壓痕。但硬度值不夠準(zhǔn)確。肖氏硬度試驗(yàn)適用于大型零件或工具等，其表示符號(hào)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(jì)算硬度值。里氏硬度計(jì)的體積小，重量輕，便于攜帶，適合于測(cè)量不易移動(dòng)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(hào)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(shí)，IHRC=10HB維氏硬度在200～400時(shí)，1HB=1HV,1HRC=10HV,1HB=6.67HS
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