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第六单元金属的特性和破坏性试验中国检验认证集团陕西有限公司美国焊接学会（AWS）认可CWI培训机构联系电话：029-85407368网址：http:/www.ccic-AWS官网信息：http:/www.aws.org/certification/inter_contact_schedule.html,一、金属的机械性能2二、金属的化学性能7三、破坏性试验12四、概述27,一、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：强度延展性硬度韧性疲劳强度1.强度强度:“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。拉伸强度被描述为当金属承受张力或拉力载荷而不失效的能力。拉伸强度通常以两种不同方式描述。所用的术语是最大的拉伸强度和屈服强度。,p4of29图6.2一些金属的机械性能,延展性,延展性是材料在承受载荷而没有失效情况下变形或伸长的能力。它可能影响到金属在受载下是慢慢失效还是突然失效。如果金属有高的延展性，它通常会慢慢地断裂。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。具有高延展性的金属可以称为韧性材料，低延展性金属可称为脆性材料。轧制金属，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。上述所涉及的三个方向的每一个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。,硬度,它被定义为一材料抵抗压痕或侵入的能力。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。,P5of29图6.4所示是通常使用的硬度试验的压头以及产生的压痕形状,韧性,韧性是材料光滑无缺口时吸收能量的能力。金属的韧性是在某温度下确定的。没有试验温度的韧性值几乎是无意义的。金属韧性是可以用应力应变曲线下的面积的计算来确定，如P5of29图6.5所示。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。大部分试验是将金属在某一温度时施加冲击载荷。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,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。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S-N曲线，如P6of29图6.7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。,P6of29图6.7钢和铝典型S-N曲线,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。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。,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。焊缝内部的不连续也能造成疲劳失效，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。,二、金属的化学性能,1.合金钢的合金划分为三个分类：普通碳钢，低合金钢和高合金钢。普通碳钢它的基本元素为铁，但还含有少量的碳，锰，磷，硫和硅。含碳量对钢的性能有最大的影响。P8of29图6.11(参见下页)所示的是含碳量和普通碳钢的一些特性。,P8of29图6.11普通碳钢的种类,普通名字碳含量应用可焊性工业纯铁最大0.03%镀锌和深度引长薄板非常好和板条低碳钢最大0.15%焊条，各种形状的板，非常好薄板和板条低碳钢0.15%-0.30%各种结构形状的板和条好中碳钢0.30%-0.50%机器零部件中等（预热和经常要求后热）高碳钢0.50%-1.00%弹簧，模具，铁轨低（没有适当的预热和后热很难接）,低合金钢它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，低温用钢或高温用钢。低合金钢也能根据它们的化学成份进行分类。如p8of29图6.12所示。这种分类是由美国钢铁研究所（AISI）和汽车工程师学会(SAE)编制的，并经常地在钢生产中应用。,P8of29图6.12AISI-SAE碳钢和低合金钢的命名(1),系列命名型式和类别10 xx无再硫化碳钢等级11xx再硫化碳钢等级13xx1.75%锰23xx3.50%镍25xx5.00%镍31xx1.25%镍0.65%或0.80%的铬33xx3.50%镍1.55%铬40 xx0.25%钼41xx0.50-0.95%铬0.12%或0.20%钼43xx1.80%镍0.50%或0.80%铬0.25%钼46xx1.55%或1.80%镍0.20%或0.25%钼,P8of29图6.12AISI-SAE碳钢和低合金钢的命名(2),47xx1.05%镍0.45%铬0.25%钼48xx3.50%镍0.25%钼50 xx0.28%或0.40%铬51xx0.80%,0.90%,0.95%,1.00%,或1.45%铬5xxxx1.00%碳0.50%,1.00%,或1.05%铬61xx0.80%或0.95%铬最小0.10%或0.15%的钒86xx0.55%镍0.50%或0.65%铬0.20%钼87xx0.55%镍0.50%铬0.25%钼92xx0.85%锰2.00%硅93xx3.25%镍1.20%铬0.12%钼94xx1.00%锰0.45%镍0.40%铬0.12%钼97xx0.55%镍0.17%铬0.20%钼98xx1.00%镍0.80%铬0.25%钼,高合金钢,高合金钢包括不锈钢和其它耐腐蚀合金。不锈钢含有至少12%的铬。P9of29图6.13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。,P9of29图6.13一些不锈钢的化学成分,2.化学元素对钢的影响,碳一般认为是钢中最重要的合金元素，能达到最大2%的含量（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。在钢生产期间，常常要用特定的方法去减少它的含量。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含量通常最大为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，通常有0.30%到1.00%。锰通常钢含有至少0.30%的锰。因为它有三个方面的作用。帮助钢脱氧。防止形成硫化铁。提高钢的淬硬性以增大强度。在碳钢中，锰的含量可达1.5%.,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。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。因为它常常能改善钢的韧性及延展性，而同时又能增加强度和硬度。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。因此它常常以精确的量加入。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。,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，能使钢脆化（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。,3.合金组,铝合金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。P11of29图6.14所列的是根据主要的合金元素，对各种铝合金的命名。P11of29图6.15所示的是按回火状态命名的铝合金。,P11of29图6.14-铝协会对铝合金的分组,主要合金元素铝的组合号*纯铝1xxx铜2xxx锰3xxx硅4xxx镁5xxx镁和硅6xxx锌7xxx*(最小99%),P11of29图6.15按回火状态命名的铝合金,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从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固溶热处理，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,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。如铁，铬和铜。许多高温合金和耐腐蚀合金都含有60%70%的镍。包括几种合金，如蒙乃尔400，因科镍600，哈氏合金C-276。常用的焊接方法都适用于镍及镍合金。,铜合金,铜的合金主要分成八个组，包括：纯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一定程度上可以焊接和/或钎焊，但它们高导热性迅速地把焊接或钎焊热从接头处散掉，给焊缝成形带来困难。,三、破坏性试验,1.拉伸试验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,焊接试样做拉伸试验仅仅是为了看焊缝的表现是否与母材一样。试样在垂直于焊缝纵轴的方向上截取，使焊缝大约在试样的当中。试样保持两侧平行。焊缝加强高常常是磨平的。试样按美国石油协会的API1104的焊接工艺评定和焊工技能进行评定。,2.硬度试验,三个硬度试验法：布氏硬度，洛氏硬度及显微硬度。布氏硬度常用于确定金属毛坯的硬度。它的压痕面积大，消除了金属局部软硬点的影响。试验前需要研磨或砂磨表面以获得相对平的试验区域。另外该表面也应足够光滑以使压痕尺寸能精确测量。根据压头的尺寸和类型、所加的载荷以及压痕产生的直径，可以确定布氏硬度值(BHN)。,BHN乘以500大约等于金属拉伸强度。这种关系只能用于碳钢和低合金钢。布氏试验的另外信息请参照ASTME10，金属材料布氏硬度的标准试验方法。布氏试验的通常步骤是：准备试验表面;施加试验载荷;保持载荷于一规定的时间;测量压痕直径;从表格确定BHN。,(2)洛氏硬度,所使用的是圆锥形钻石压头，如P19of29图6.24所示，硬化钢球直径分别是1/16，1/8，1/4及1/2英寸。洛氏试验所产生的压痕比布氏试验要小。这就可以在面积相对较小的金属上做局部试验。,洛氏试验参见ASTME18，金属材料洛氏硬度和洛氏表面硬度标准测试方法。试验步骤如下：准备试验表面;把试验物放放洛氏试验机上;用上升螺钉加入小载荷;施加主要载荷;撤掉主要载荷;读数;撤掉小载荷并移走试验物。,(3)显微硬度,显微硬度测试对了解金属的晶相结构很有用，因为它可以通过单个晶粒来确定这一细微区域的金属硬度。显微硬度试验分两种类型：维氏硬度和努普氏硬度。都采用菱形压头，维氏压头的压痕为方形，对边几乎相等，而努普氏压头有长边和短边。两种类型最终压痕的图表见P19of29图6.25。显微硬度是指加载范围从1到1000克。通常大多数显微硬度试验的载荷范围为100到500克。,显微硬度试验步骤如下:,预备测试表面;将试样固定在夹持装置上;确定测试位置,使用显微镜;压痕;用显微镜测量压痕;查表或计算出硬度。,3.韧性试验,美国最常用的缺口韧性试验是却贝V缺口试验。这种试验的标准试样为：10mmX10mm正方形，长：55mm。试样的一个长面上有一条精密加工的深2mm的V型缺口。缺口底部的半径为0.25mm。这一半径的加工非常关键，因为即便是很小的不连续也会对试验结果产生很大的变化。标准却贝试样，参见P22of29图6.28。,金属试样比标准试样小的话，通常还可选用减小的横截面试样。正方形横截面的尺寸分别为7.5mm,5.0mm,2.5mm。当使用这种减小尺寸的试样要注意它所产生的韧性数据通常比标准尺寸的试样要高。因此，小尺寸的却贝试样数据不能直接与标准尺寸样品数据比。ASTM标准E23详细讲述了冲击试验。夏比试验吸收能量用英尺磅表示。,夏比试验还有其他用来测量缺口韧性的其它试验包括:落锤试验;爆破试验;动态撕裂;裂缝尖端张开位移试验(CTOD)。这些试验使用不同的试样和加载方式。,4.破坏性致密性试验,破坏性的致密性试验分三种类型：弯曲，缺口断裂，角焊缝断裂。（通常也用无损探伤RT和UT来测试致密性）弯曲试验弯曲试验分有：横弯、纵弯、侧弯三种。横弯、纵弯还分有正弯和背弯。所谓正弯是试样受拉面为焊缝正面的弯曲。对于双面不对称焊缝，所谓正弯是试样的受拉面为焊缝最大宽度面；对于双面对称焊缝，所谓正弯是试样的先焊面为受拉面,横弯,纵弯,侧弯,(2)缺口断裂试验,缺口断裂试验只有在工业管道中才采用这种试验，在API1104中有描述。这种方法通过焊接试样在焊缝处的断裂来判断。所以能通过断裂面检查出不连续。沿两个或三个表面加工锯口使断裂发生在焊接区域。典型的缺口断裂试样见P25of29图6.36。(见下页),典型的缺口断裂试样见P25of29图6.36,试样锯出缺口后，在受拉装置把试样拉断，或支撑两端用锒头敲击中间的部分，或一段用夹具固定，另一端用榔头敲断。使它断裂的目的是让试样在焊接区域断裂，从而可以确定是否有缺陷存在。断裂表面可以检查出各个区域的夹渣，气孔或未熔合。如果存在以上缺陷，测量并按照规范的限制来判断是否接受或拒绝。缺口破坏试样的评价依据API1104的要求见P25of29图6.37。(图见下页),缺口破坏试样的评价见P25of29图6.37,(3)角焊缝断裂试验,根据AWSD1.1这仅用于定位焊工的资格测试。角焊缝断裂试样见P25of29图6.38。(见下页左图)试样焊好后，该试样按如P25of29图6.39所示施载破坏。(见下页右图)在这一试验中，检验师要找一个令人满意外观的焊缝，另外，断面必须确保焊缝根部熔透，母材的任一区域都没有未熔合或大于3-32英寸的气孔。,角焊缝断裂试样及破裂方法,5.疲劳试验,疲劳试验用来确定金属的疲劳强度。疲劳极限受到表面加工的严重影响，试验试样的预备显得尤为重要。微小的瑕疵都可能引起试验结果的无效。疲劳试验可以用不同的方法进行。用哪种试验方法取决于载荷的类型。载荷可以是平面载荷，旋转弯曲，力矩，轴向拉伸，轴向压缩，或几种的结合。,6.测试化学性能的破坏性试验,(1)金属化学成分分析确定金属的化学成分三种常用方法:光谱测定;燃烧;湿化学分析。有关金属化学分析更多的信息，参见ASTM(美国材料与试验协会)的有关说明。钢的特殊说明见ASTMA751，标准方法，惯例，有关钢产品的化学分析定义。在现场，金属分析可以用X射线荧光技术。它在避免材料混合和区分合金类型上很有帮助。如果只需要区分材料，可根据材料的磁化性能和对试剂定性颜色的变化来判断材料。如果现场需要更精确的分析，可用便携式光谱仪。,(2)腐蚀试验,它们专门用来确定金属或复合金属的抗腐蚀能力。腐蚀试验中必须考虑化学成分，腐蚀环境，温度，水分，含氧量或其他金属，以及应力。忽略了任何一项，都可能导致试验无效。(3)金相试验金相试验分成宏观（肉眼）和微观（显微镜）两种。宏观的一般放大10 x或更低。微观试验，放大倍数10 x，通常100 x或更高。,宏观试样焊缝截面可以判断熔合深度，焊透深度，有效焊喉，焊缝的致密性，熔合度，焊缝不连续，焊缝形状，焊道数等。典型的宏观照片如P26of29图6.40。微观试样可以判断:金相组织，有无夹渣和微观缺陷，裂纹的性质等。p26of29图6.41显示了一些典型的该类照片。这两种金相试验对于失效分析，焊接工艺和焊工评定，工艺控制都很有帮助。,典型的宏观照片如P26of29图6.40,典型的显微照片P26of29图6.41,第六单元完,
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