cwi培訓 金屬的特性和破壞性試驗第六單元課件

1、第六單元金屬的特性和破壞性試驗中國檢驗認證集團陜西 美國焊接學會（AWS）認可CWI培訓機構聯(lián)系 :/ ccic-csn /training_CWI.htmlAWS官網(wǎng)信息：一、金屬的機械性能 2 二、金屬的化學性能 7 三、破壞性試驗 12 四、概述 27 一、金屬的機械性能我們將討論金屬的一些重要的機械性能；這里的討論限于以下五種性能： 強度 延展性 硬度 韌性 疲勞強度1.強度強度 :“材料能夠承受所加載荷的能力”。有很多種強度，每一種都取決于這一載荷是如何施加到材料上的，如:拉伸強度，剪切強度，抗扭強度，沖擊強度和疲勞強度。拉伸強度被描述為當金屬承受張力或拉

2、力載荷而不失效的能力。拉伸強度通常以兩種不同方式描述。所用的術語是最大的拉伸強度和屈服強度。p4of29圖一些金屬的機械性能 延展性 延展性是材料在承受載荷而沒有失效情況下變形或伸長的能力。它可能影響到金屬在受載下是慢慢失效還是突然失效。如果金屬有高的延展性，它通常會慢慢地斷裂。金屬的延展性直接與其溫度有關。當溫度上升時，金屬的延展性會增加。當溫度下降時，延展性會減小。具有高延展性的金屬可以稱為韌性材料，低延展性金屬可稱為脆性材料。軋制金屬，在材料的橫向，相對于軋制方向的性能，強度要降低30%，延伸性要減少50%。在厚度方向，其強度和延伸性甚至更低。上述所涉及的三個方向的每一個都分配了一個識別

3、字母。軋制方向是X，橫向是Y，厚度方向是Z。 硬度 它被定義為一材料抵抗壓痕或侵入的能力。對于碳鋼，硬度和強度是直接相關的。當強度增加，也硬度隨之增加，反之亦然。P5of29圖所示是通常使用的硬度試驗的壓頭以及產(chǎn)生的壓痕形狀 韌性 韌性是材料光滑無缺口時吸收能量的能力。金屬的韌性是在某溫度下確定的。沒有試驗溫度的韌性值幾乎是無意義的。 金屬韌性是可以用應力應變曲線下的面積的計算來確定，如P5of29圖所示。在測定金屬韌性的試驗中，通常要確定的是金屬從韌性轉為脆性的溫度。該溫度被稱為金屬的脆性轉變溫度。 大部分試驗是將金屬在某一溫度時施加沖擊載荷。常用的缺口韌性或沖擊試驗包括夏比試驗，落錘無延性

4、轉變溫度試驗，爆破試驗，動態(tài)撕裂以及裂紋尖端張開位移試驗（CTOD）。 疲勞強度 金屬的疲勞強度定義為金屬在重復載荷下抵御失效的必要強度。通常疲勞試驗是以拉伸施加應力，然后再在以同樣的量壓縮，如此循環(huán)反復。這種試驗稱為反向彎曲試驗。當所施加的最大的應力增加，所需的產(chǎn)生失效的循環(huán)次數(shù)減少。如果試驗是在各種應力下進行的，那么就可以作出S-N曲線，如P6of29圖所示。S-N曲線是用圖來描述在各種應力下產(chǎn)生疲勞失效所需要的循環(huán)次數(shù)。 P6of29圖鋼和鋁典型S-N曲線這些曲線顯示了鋼有明確的疲勞極限，但鋁的曲線并沒有明確的疲勞極限。疲勞極限是指無論載荷施加了多少個循環(huán)次數(shù)，金屬不出現(xiàn)失效的最大應力。

5、對于鋼，只要應力保持在疲勞極限下，可以無限地維持。碳鋼的疲勞強度常常大約等于其拉伸強度的一半。 焊縫表面的不連續(xù)，如咬邊，焊瘤，加強高過大或凸面都對焊件的疲勞強度有影響。焊縫內(nèi)部的不連續(xù)也能造成疲勞失效，那些在表面上的不連續(xù)更讓人憂慮。因為表面的不連續(xù)比內(nèi)部的不連續(xù)更快地導致疲勞失效。二、金屬的化學性能 1.合金 鋼的合金劃分為三個分類：普通碳鋼，低合金鋼和高合金鋼。普通碳鋼它的基本元素為鐵，但還含有少量的碳，錳，磷，硫和硅。含碳量對鋼的性能有最大的影響。P8of29(參見下頁)所示的是含碳量和普通碳鋼的一些特性。 P8of29圖6.11 普通碳鋼的種類 普通名字 碳含量 應用 可焊性 工業(yè)純

6、鐵 最大0.03% 鍍鋅和深度引長薄板 非常好 和板條 低碳鋼 最大0.15% 焊條，各種形狀的板， 非常好 薄板和板條 低碳鋼 0.15%-0.30% 各種結構形狀的板和條 好 中碳鋼 0.30%-0.50% 機器零部件 中等（預熱 和經(jīng)常要求 后熱） 高碳鋼 0.50%-1.00% 彈簧，模具，鐵軌 低（沒有適 當?shù)念A熱和 后熱很難接） 低合金鋼它包含非常少量的另一些元素，如鎳，鉻，錳，硅，釩，鈳，鉬和硼。這些元素的不同含量能夠引起在機械性能上的顯著不同。這些低合金鋼一般分為高強度低合金結構鋼，低溫用鋼或高溫用鋼。低合金鋼也能根據(jù)它們的化學成份進行分類。如p8of29圖所示。這種分類是由美

7、國鋼鐵研究所（AISI）和汽車工程師學會(SAE)編制的，并經(jīng)常地在鋼生產(chǎn)中應用。 P8of29圖6.12 AISI-SAE碳鋼和低合金鋼的命名(1) 系列命名 型式和類別 10 xx 無再硫化碳鋼等級 11xx 再硫化碳鋼等級 13xx 1.75%錳 23xx 3.50%鎳 25xx 5.00%鎳 31xx 1.25%鎳 0.65%或0.80%的鉻 33xx 3.50%鎳 1.55%鉻 40 xx 0.25%鉬 41xx 0.50-0.95% 鉻 0.12%或0.20%鉬 43xx 1.80%鎳 0.50%或0.80%鉻 0.25%鉬 46xx 1.55%或1.80%鎳 0.20%或0.25

8、%鉬 P8of29圖6.12 AISI-SAE碳鋼和低合金鋼的命名(2)47xx 1.05%鎳 0.45%鉻 0.25%鉬 48xx 3.50%鎳 0.25%鉬 50 xx 0.28%或0.40%鉻 51xx 0.80%, 0.90%, 0.95%, 1.00%, 或1.45%鉻 5xxxx 1.00%碳 0.50%, 1.00%, 或1.05%鉻 61xx 0.80%或0.95%鉻 最小0.10%或0.15%的釩 86xx 0.55%鎳 0.50%或0.65%鉻 0.20%鉬 87xx 0.55%鎳 0.50%鉻 0.25%鉬 92xx 0.85%錳 2.00%硅 93xx 3.25%鎳 1

9、.20%鉻 0.12%鉬 94xx 1.00%錳 0.45%鎳 0.40%鉻 0.12%鉬 97xx 0.55%鎳 0.17%鉻 0.20%鉬 98xx 1.00%鎳 0.80%鉻 0.25%鉬 高合金鋼高合金鋼包括不銹鋼和其它耐腐蝕合金。不銹鋼含有至少12%的鉻。P9of29圖是一些不銹鋼的化學成分。它們可以劃分成五個組：奧氏體，馬氏體，鐵素體，沉淀硬化和雙相組織。 P9of29圖6.13 一些不銹鋼的化學成分 2.化學元素對鋼的影響 碳 一般認為是鋼中最重要的合金元素，能達到最大2%的含量（雖然最可焊鋼含碳量小于0.5%）。碳既能溶解于鐵，也能以碳化物的形式存在，如碳化鐵（Fe3C）。含碳

10、量增加，硬度和拉伸強度也增加，相應的淬硬性也增加了。在另一方面，含碳量的增加降低了可焊性。 硫 通常在鋼中硫是比其它合金元素更不受歡迎的雜質。在鋼生產(chǎn)期間，常常要用特定的方法去減少它的含量。如果超過0.05%，就會引起脆性并降低可焊性。在合金中加入0.10%到0.30%的硫，可以改善鋼的機加工性能。稱為再硫化或快削。快削（高速切削）合金不會用于有焊接要求的地方。 磷 通常認為是鋼中的雜質。在大多數(shù)的碳鋼中其含量通常最大為0.04%。在淬硬鋼中，它會引起脆化。在低合金高強度鋼中，磷能加至0.10%以改善強度和耐腐蝕性。 硅 通常只有少量（0.20%）的硅存在于軋制的鋼中作為脫氧劑。然而，在鑄鋼件

11、中，通常有0.30%到1.00%。 錳 通常鋼含有至少0.30%的錳。因為它有三個方面的作用。幫助鋼脫氧。防止形成硫化鐵。提高鋼的淬硬性以增大強度。在碳鋼中，錳的含量可達1.5%. 鉻 是一個很有用的合金元素。加入鉻主要有二個原因。首先是大大地增加了鋼的淬硬性。再則就是改進了合金在氧化介質中的抗腐蝕性。有些鋼材中它會使材料太硬，從而在焊縫區(qū)域或靠近焊縫的區(qū)域產(chǎn)生裂紋。不銹鋼中鉻含量超過12%。 鉬 該元素能促使碳化物的形成，通常在合金鋼中含量小于1.0%。加入鉬是為了增強淬硬性及高溫強度。加入奧氏體不銹鋼中能改善抗麻點腐蝕。 鎳 加入鋼中的鎳是為了增加其淬硬性。它在增強淬硬性上起著很大作用。因

12、為它常常能改善鋼的韌性及延展性，而同時又能增加強度和硬度。鎳常常用于改善鋼在低溫時的韌性。 鋁 加入鋼中的鋁非常少，只是作為脫氧劑。它能細化晶粒而改善韌性；在鋼中加入適量的鋁，這種方法成為晶粒細化法。 釩 加入釩將會增加鋼的淬硬性。它非常有效地增加鋼的淬硬性。因此它常常以精確的量加入。當超過0.05%時，在消除應力熱處理時鋼有脆化傾向。 鈮 與釩一樣，通常認為它也是增加鋼的淬硬性。然而，由于它對碳有很強的親合力，它能與鋼中的碳結合，使淬硬性大大地降低。它作為穩(wěn)定劑加入奧氏體不銹鋼以改善焊態(tài)的性能。溶解氣體 氫氣，氧氣和氮氣都能溶于熔化了的鋼中，如果不盡量減少，能使鋼脆化（并能引起氣孔）。鋼的精

13、煉工藝就是盡可能消除這些氣體的存在。焊劑或是保護氣體用 于防止這些氣體溶入熔化了的焊縫金屬。3.合金組 鋁合金鋁合金按其應用可以分為二類：可熱處理，不可熱處理。可熱處理鋁從 “沉淀硬化”的工藝中得到硬度和強度。不可熱處理的鋁是由應變硬化（冷加工）和加入合金元素來增加強度。P11of29圖所列的是根據(jù)主要的合金元素，對各種鋁合金的命名。 P11of29圖所示的是按回火狀態(tài)命名的鋁合金。 P11of29圖6.14- 鋁協(xié)會對鋁合金的分組 主要合金元素 鋁的組合號 *純鋁 1xxx 銅 2xxx 錳 3xxx 硅 4xxx 鎂 5xxx 鎂和硅 6xxx 鋅 7xxx *(最小99%) P11of2

14、9圖6.15 按回火狀態(tài)命名的鋁合金 命名 狀況 F 制造狀態(tài) O 退火了的 H1 僅應變硬化 H2 應變硬化和部分回火 H3 應變硬化和熱穩(wěn)定化 W 固溶熱處理的 T1 從高溫成形工藝中冷卻并自然老化 T2 從高溫成形工藝中冷卻，冷加工并自然老化 T3 固溶熱處理，冷加工并自然老化 T4 固溶熱處理并自然老化 T5 從高溫成形工藝中冷卻，然后人工地老化 T6 固溶熱處理然后人工老化 T7 固溶熱處理及穩(wěn)定化 T8 固溶熱處理，冷加工，然后人工老化 T9 固溶熱處理，人工老化，然后冷加工 T10 從高溫成形工藝中冷卻，冷加工，然后人工老化鎳合金鎳是一種韌性的，銀色的金屬，密度與銅大致相同。即使

15、在高溫下，它也具有非常良好的抗腐蝕和抗氧化的能力。鎳很容易與許多材料合金。如鐵，鉻和銅。許多高溫合金和耐腐蝕合金都含有60%70%的鎳。包括幾種合金，如蒙乃爾400，因科鎳600，哈氏合金C-276。常用的焊接方法都適用于鎳及鎳合金。 銅合金銅的合金主要分成八個組，包括： 純銅 高銅合金 黃銅 青銅 銅鎳 銅鎳鋅合金（鎳銀） 加鉛銅 特種合金 雖然大多數(shù)銅合金在一定程度上可以焊接和/或釬焊，但它們高導熱性迅速地把焊接或釬焊熱從接頭處散掉，給焊縫成形帶來困難。三、破壞性試驗1.拉伸試驗 能夠由拉伸試驗所測定的性能包括： 極限拉伸強度 屈服強度 延展性 延伸率 斷面收縮率 彈性模量 比例極限 彈性

16、極限 韌性 焊接試樣做拉伸試驗僅僅是為了 看焊縫的表現(xiàn)是否與母材一樣。試樣在垂直于焊縫縱軸的方向上截取，使焊縫大約在試樣的當中。試樣保持兩側平行。焊縫加強高常常是磨平的。 試樣按美國石油協(xié)會的API 1104的焊接工藝評定和焊工技能進行評定。2.硬度試驗 三個硬度試驗法：布氏硬度，洛氏硬度及顯微硬度。布氏硬度常用于確定金屬毛坯的硬度。它的壓痕面積大，消除了金屬局部軟硬點的影響。試驗前需要研磨或砂磨表面以獲得相對平的試驗區(qū)域。另外該表面也應足夠光滑以使壓痕尺寸能精確測量。根據(jù)壓頭的尺寸和類型、所加的載荷以及壓痕產(chǎn)生的直徑，可以確定布氏硬度值(BHN)。BHN乘以500大約等于金屬拉伸強度。這種關

17、系只能用于碳鋼和低合金鋼。布氏試驗的另外信息請參照ASTM E10，金屬材料布氏硬度的標準試驗方法。布氏試驗的通常步驟是： 準備試驗表面; 施加試驗載荷; 保持載荷于一規(guī)定的時間; 測量壓痕直徑; 從表格確定BHN。 (2)洛氏硬度所使用的是圓錐形鉆石壓頭，如P19of29圖所示，硬化鋼球直徑分別是1/16，1/8，1/4及1/2英寸。洛氏試驗所產(chǎn)生的壓痕比布氏試驗要小。這就可以在面積相對較小的金屬上做局部試驗。 洛氏試驗參見ASTM E18，金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度標準測試方法。 試驗步驟如下： 準備試驗表面; 把試驗物放放洛氏試驗機上; 用上升螺釘加入小載荷; 施加主要載荷; 撤掉主

18、要載荷; 讀數(shù); 撤掉小載荷并移走試驗物。(3)顯微硬度顯微硬度測試對了解金屬的晶相結構很有用，因為它可以通過單個晶粒來確定這一細微區(qū)域的金屬硬度。顯微硬度試驗分兩種類型：維氏硬度和努普氏硬度。都采用菱形壓頭，維氏壓頭的壓痕為方形，對邊幾乎相等，而努普氏壓頭有長邊和短邊。兩種類型最終壓痕的圖表見P19of29圖。顯微硬度是指加載范圍從1到1000克。通常大多數(shù)顯微硬度試驗的載荷范圍為100到500克。 顯微硬度試驗步驟如下: 預備測試表面; 將試樣固定在夾持裝置上; 確定測試位置,使用顯微鏡; 壓痕; 用顯微鏡測量壓痕; 查表或計算出硬度。 3.韌性試驗 美國最常用的缺口韌性試驗是卻貝V缺口試

19、驗。這種試驗的標準試樣為：10mmX10mm正方形，長：55mm。試樣的一個長面上有一條精密加工的深2mm的V型缺口。缺口底部的半徑為。這一半徑的加工非常關鍵，因為即便是很小的不連續(xù)也會對試驗結果產(chǎn)生很大的變化。標準卻貝試樣，參見P22of29圖。 金屬試樣比標準試樣小的話，通常還可選用減小的橫截面試樣。正方形橫截面的尺寸分別為。當使用這種減小尺寸的試樣要注意它所產(chǎn)生的韌性數(shù)據(jù)通常比標準尺寸的試樣要高。因此，小尺寸的卻貝試樣數(shù)據(jù)不能直接與標準尺寸樣品數(shù)據(jù)比 。ASTM標準E23詳細講述了沖擊試驗。夏比試驗吸收能量用英尺磅表示。夏比試驗還有其他用來測量缺口韌性的其它試驗包括:落錘試驗;爆破試驗;

20、動態(tài)撕裂;裂縫尖端張開位移試驗(CTOD)。這些試驗使用不同的試樣和加載方式。 4.破壞性致密性試驗 破壞性的致密性試驗分三種類型：彎曲，缺口斷裂，角焊縫斷裂。（通常也用無損探傷RT和UT來測試致密性）彎曲試驗彎曲試驗分有：橫彎、縱彎、側彎三種。橫彎、縱彎還分有正彎和背彎。所謂正彎是試樣受拉面為焊縫正面的彎曲。對于雙面不對稱焊縫，所謂正彎是試樣的受拉面為焊縫最大寬度面；對于雙面對稱焊縫，所謂正彎是試樣的先焊面為受拉面橫彎縱彎側彎(2)缺口斷裂試驗缺口斷裂試驗只有在工業(yè)管道中才采用這種試驗，在API 1104中有描述。這種方法通過焊接試樣在焊縫處的斷裂來判斷。所以能通過斷裂面檢查出不連續(xù)。沿兩個

21、或三個表面加工鋸口使斷裂發(fā)生在焊接區(qū)域。典型的缺口斷裂試樣見P25of29圖。(見下頁) 典型的缺口斷裂試樣見P25of29圖試樣鋸出缺口后，在受拉裝置把試樣拉斷，或支撐兩端用鋃頭敲擊中間的部分，或一段用夾具固定，另一端用榔頭敲斷。使它斷裂的目的是讓試樣在焊接區(qū)域斷裂，從而可以確定是否有缺陷存在。斷裂表面可以檢查出各個區(qū)域的夾渣，氣孔或未熔合。如果存在以上缺陷，測量并按照規(guī)范的限制來判斷是否接受或拒絕。缺口破壞試樣的評價依據(jù)API 1104的要求 見P25of29圖。(圖見下頁) 缺口破壞試樣的評價見P25of29圖(3)角焊縫斷裂試驗根據(jù)這僅用于定位焊工的資格測試。角焊縫斷裂試樣見P25of29圖。(見下頁左圖)試樣焊好后，該試樣按如P25of29圖所示施載破壞。(見下頁右圖)在這一試驗中，檢驗師要找一個令人滿意外觀的焊縫，另外，斷面必須確保焊縫根部熔透，母材的任一區(qū)域都沒有未熔合或大于3-32英寸的氣孔。 角焊縫斷裂試樣及破裂方法5.疲勞試驗 疲勞