CWI培训_焊接检验工艺学06

第六部分

金属的特性和破坏性试验

目录

介绍 (2)

金属的机械性能 (2)

金属的化学性能 (7)

破坏性试验 (12)

概述 (27)

关键术语和定义 (27)

第六单元

金属的特性和破坏性试验

介绍

在当今世界，有数以千计的金属用于施工材料，包括母材和填充金属。材料工程师和设计师能够选

择最符合他们要求的金属。这些金属不仅在它们的成份上不同，而且还在其制造的方式上也不同。在美国，有几个组织维护材料标准，如ASTM，ASME 及AWS。另外还有来自包括日本和欧洲许多其他国家和组织的材料标准。

如第一单元所述，焊接检验师的责任之一是要审核与母材和填充材料的实际特性有关的文件。本单

元的目的是对这些机械和化学性能作些描述。通过这些描述，焊接检验师就能了解这些实际值意昧着什么。大多数情况下，检验师必须能简单地把要求值与实际值相比较以判断其符合性。然而，这也会帮助

检验师了解这些材料更多的特性，从而避免在焊接中可能出现的问题。

本单元另一个目的是对将在第八单元中讨论的―焊接检验师的焊接冶金学―提供基础。因为一种金

属的金相组成决定了它的特性，将显示不同的冶金处理如何可以改变一种金属的特性。

按照金属的机械和化学性能，制造中需使用特殊技术以防止这些金属的劣化。比如，预热和后热就

是为保持某些金属的特性。对于经过淬火和回火的钢，焊接检验师可能被要求对焊接的热输入进行监控

以防止由于过热导致母材特性的劣化。在这些例子中，焊接检验师并不是直接介入相应的这些材料的特性。但是，有效地监控可防止由于加热过高或过低而导致材料性能的改变。

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

强度

强度被定义为―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。

金属的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。因为金属常常被用于承

受拉伸载荷，这是设计者所要考虑的很重要的特性之一。当测定金属特性时，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。这两种强度表示了该材料两个不同方面。

最大拉伸强度，UTS，（有时简单地称为拉伸强度）与金属的最大承载能力有关，也就是当材料失效时的强度。

为了定义屈服强度，有必要理解金属‖弹性变形‖的含义。弹性变形是指金属在载荷下变形，当

移掉此载荷，将不引起永久性的变形。弹性变形可以用一个熟悉的例子来说明；一条橡皮筋是一种典型的弹性材料。当它受载时会伸长，但当载荷去掉时，它会恢复原形。当金属在其弹性区域内受载时，它会有一些伸长。在这弹性范围内，伸长的量直接与所加的载荷成比例，所以弹性变形是线性的。当金属弹性运作，它能够伸长到某一点，当载荷移掉时，它可以回到原来的长度。这就是说，它没有发生永久变形。图6.1 就说明了这一点。

如果金属在其弹性极限外被施加应力，它就无

法再进行弹性活动。它的形为现在可以称为塑性变

形，就是出现永久变形。这也意味着应力应变图关

系不再是线性的了。一旦塑性变形出现，当所施的

载荷移掉时，材料将不会恢复到其原来的长度，而

发生了永久变形。

材料从其弹性至塑性转换的点称为该材料的

屈服点。因此屈服强度就是材料能够承受从弹性至

塑性的强度。这个数值是极其重要的。因为大部分

设计师都用此值作为某些结构最大载荷限度的基

础。这是必要的。因为一个结构可以起作用，除非

所受应力超过了其屈服点，并且成为永久性的变

形。

拉伸强度和屈服强度通常是由一个拉伸试验

来确定的。一个已知横截面积的试件加载，其应力

就可以以每平方英吋磅来确定。那么当试件被加载

至失效，它就能被确定以每平方英吋磅为基础的承

载的能力。下面这一例子就显示了一种材料它们之

间的相互关系。

拉伸试验的拉伸强度为60,000 psi。此金属能承受的最大负荷是60,000 psi 乘以横截面积。

对于一1 英吋x 1 英吋的部件（截面积为1 平方英吋）：

最大负荷= 60,000 psi x 1 in2

最大负荷= 60,000 磅

对于一2 英吋x 2 英吋的部件（截面积为4 平方英吋）：

最大负荷= 60,000 psi x 4 in2

最大负荷= 240,000 磅

当设计师了解了金属的拉伸强度，他就能够确定需要多大的横截面积才能承受住一给定的载荷。拉伸试验提供了一个金属强度直接的测量值。另外用硬度试验对强度进行非直接测量也是可能的。对于碳钢，拉伸强度和硬度之间有一直接的关系。那就是如果硬度增加，拉伸强度也增加，反之亦然。但是拉伸试验测定的拉伸强度是最精确的。通常在碳钢和低合金钢上最方便的是做硬度试验以估算它们相当的拉伸强度。

图6.2 显示的是通用建造材料的拉伸和屈服强度，延伸率以及硬度值。有趣的是你会发现所记

录的数值随着材料的热处理状态，机械状态或质量可能有所变化。这些状态的变化，可能会引起机械性能的变化，虽然材料具有相同的化学成分。

金属的温度对其强度也有影响。当温度上升，金属强度降低。如果金属在高温下承受载荷，设

计师必须考虑到在该温度下材料强度有所减小。温度对金属的延展性也有影响，在下面进行讨论。

屈服强度MPa 34.5 68.9

--

186.1 344.7 620.5 218.2 517.1 358.5 275.8 275.8拉伸强度

MPa

89.6

227.5

172.4

275.8

517.1

965.2

413.6

813.5

599.8

620.5

413.6

延伸率

在2in 的%(50)

35

40

0.5

25

28

20

35

22

24

23

28

硬度

BHN

23

30

180

100

170

310

120

200

170

160

--

母材/合金母材合金

铝

铜(脱氧的)

铸铁

锻造铁

低合金钢

高碳钢

低碳钢

锰钢(14Mn)

中碳钢

不锈钢(奥氏体)

钛lb/in

5,000

10,000

--

27,000

50,000

90,000

36,000

75,000

52,000

40,000

40,000

2kg/mm

3.5

7.0

--

19.0

35.1

63.2

25.3

52.7

36.5

28.1

28.1

2lb/in

13,000

33,000

25,000

40,000

75,000

140,000

60,000

118,000

87,000

90,000

60,000

2kg/mm

9.1

23.2

17.5

28.1

52.7

98.4

42.2

82.9

61.2

63.2

42.2

2

图 6.2-一些金属的机械性能一些金

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。金属的延展性越大，在断裂前

伸长量也越大。它是金属的一个重要的性能，因为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。延展性良好的金属在其断裂前会弯曲，意味着金属的屈服点逐渐地被超过。延展性差的金属会在没有任何预兆的情况下突然断裂，为脆性断裂。

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。室温下延展性好的金属在零度以下，以脆性失效。

具有高延展性的金属可以称为韧性，如是低延展性可称为脆性。脆性材料在破裂前只有一点点

变形或没有变形。最好的例子，玻璃就是脆性材料。通常的脆性金属是铸铁，特别是白口铸铁。

脆性与韧性失效的外观上的不同可以轻易地看

出。图6.3 所示的是二个夏比试件，一个是脆性失效而另一

个是以韧性失效。

延展性是一种特性，允许几个在长度上稍有差别

的部件一起承受载荷，而其中任何一个部件都不会过载失

效。如果其中一个部件略短一点，但它具有韧性，那么它

有能力充分变形以便和其它部件一起分担负载。这个现象

的一个实际例子就是拉紧的钢丝形成支撑吊桥的的钢缆。

因为钢丝长度不可能被做的很精确，钢丝是由韧性金属做

成的。当桥承载时，那些瞬时承载大的钢丝能伸长以使其

它钢丝能承担它们的载荷。

当金属要进行下一道的成形工艺，延展性就变得

更重要了。例如，用于汽车车身的部件的金属必须要有足

够的延展性以允许形成到所希望的形状。

延展性和强度与材料在制造时的轧制方向有很大的关系。轧制金属有方向性的特性。

轧制使得晶体或颗粒沿轧制方向的伸长远远大于横向的伸长。结果是轧制金属，如钢板的韧性和强度沿其轧制方向是最大。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。对于一些金属，在厚度方向的

延伸性非常低。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。

或许您已经见证过焊工考试的弯曲试板，试件在母材处断裂。通常这是由于试板的轧制方向与

焊缝轴线平行。甚至金属也会在其轧制方向表现出非常好的特性，而在其他两个方向加载可能导致

过早地失效。

金属的延展性通常是用拉伸试验来测定的，可与强度测试同时进行，。延伸性通常以二种方式表

达，延伸率和断面收缩率。

硬度

硬度是最常用和容易测量的机械性能之一。它被定义为一材料抵抗压痕或侵入的能力。如前所

述，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。因此，如果

金属的硬度已知，其强度可以估算，特别是碳钢和低合金钢。这对估计金属的强度极其有用，因为

它不用切除，准备和拉伸试样。

金属硬度可以用多种方法确定。然而，最通常使用的

方法是通过载荷把压头压入金属表面。用此基本技术，可

以做各种各样的试验；它们取决于所用压头的种类和形状

以及所施加的载荷的大小。然后，材料的硬度是随或者压

痕的大小或深度来确定的。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。

通过这么多的方法，可以测定金属表面大面积的

硬度或是金属晶粒的硬度。

韧性

下一个要讨论的机械性能是韧性。总的来说，韧

性是材料吸取能量的能力。从拉伸试验中产生的应力应变

图中，金属韧性是可以用应力应变曲线下的面积的计算来

确定，如图6.5 所示。从这些曲线可以看出，蒙耐尔材料

比低碳钢材料韧性更好，因为其曲线下的面积更大。

另一通常术语是缺口韧性。这与韧性不同，因为这

是当有表面缺陷存在，材料吸收能量的能力。韧性是材料

光滑无缺口时吸收能量的能力。而且，与缺口韧性不同的

是韧性通常是确定当材料被慢慢加载时的行为，而缺口韧

性值反映了在载荷最高点时能量吸收值。所以，缺口韧性

常常是指冲击强度。

这两个术语间的不同可以用拉断一条绳索的模拟试

验来说明。如果施加稳定的载荷，与把这绳子猛地拉断相

比较，要花费更大的努力。

当讨论韧性和缺口韧性时，所感兴趣的是材料在其

失效前有多少能量能被吸收。低韧性的金属将会在较低值

时失效，并且几乎无变形。在另一方面，韧性好的金属将

在相当高的值，

并且在永久性变形出现时才失效。

前面我们已经讨论过延展性，韧性高和韧性低金属之间的差异是，韧性低的金属往往表现为脆

性失效而韧性高的金属往往表现为韧性失效。在延展性良好的情况下，金属的韧性随着温度变化而

变化。总的来说，当温度降低时，金属韧性降低。所以金属的韧性是在某温度下确定的。没有加上

试验温度的韧性值几乎是无意义的。

由于有缺口或其它形式的应力集中使得结构材料在一定条件下易于发生脆性失效，所以缺口韧

性最令人注意。许多金属，特别是高强度工具钢，对于表面尖锐的不规则是极其敏感的。图6.6 所示的是一些引起缺口效应的常见例子。

如果金属的缺口韧性很高，这就意味着无论是否有缺口存在，它都会工作良好。但是如果金属

对缺口敏感，这就是说它是低缺口韧性，在受冲击或重复性载荷时，它会更容易失效。总的来说，

当金属的硬度增加并且温度降低时，它的缺口韧性将下

降。

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。

有几种试验来确定金属的缺口韧性。然而，它们主

要在载荷和开缺口的方式上不同。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

最后要讨论的金属机械性能是疲劳强度。

为了定义这一强度，人们首先必须知道金属的

疲劳失效意味着什么。金属疲劳是由于循环或

重复机械行为引起的。这就是说，载荷在高应

力与低应力之间或相反应力间交替变换。疲劳

会迅速出现，比如马达旋转，或是更慢的周期，

如几天一次。疲劳破坏的一个例子就是一个马

达轴重复地弯曲产生的破坏。这种形式的失效

通常是在低于轴的拉伸强度下出现。

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。了解疲劳强度是很重要

的，因为绝大部分的金属失效是由于疲劳引起

的。疲劳强度值常常与引起失效所需的循环次

数一起报告；通常的循环次数是百万次或千万

次。

疲劳强度可以通过疲劳试验来确定。试验有很多不同种的方式，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，那么就可以作出一S-N 曲线，如图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。

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。该曲线显示了铝将最终失效，甚至在较低的应力下。然而对于钢，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。

如冲击强度一样，疲劳强度与其表面几何形状密切相关。任何缺口或引起应力集中的存在都能使得应力增加而超过金属的疲劳极限。在

足够循环次数下，疲劳失效将出现。图6.8

所示是缺口锐利程度对金属疲劳强度的影

响。另外正如图6.9 所示，表面光洁度对疲

劳强度也有影响。

在焊接中对金属的疲劳强度也有所担

心。但是，这并不是担心金相的变化。而

是焊接也能产生一些尖锐的不规则的表

面。除非焊接后，光滑研磨，否则焊缝本

身也是一种表面不规则。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。因为它们都形

成了尖锐的缺口，而这些缺口成为疲劳裂

纹的始发点。图6.10 中所示的是一些表面不规则。

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。原因就是表面应力通常高于内部应力。由于此原因，焊接检验师通过对表面进行仔细目视检验可在防止疲劳失效中起到很大的作用。发现并纠正尖锐的表面不规则将大大地改善结构的疲劳特性。在许多疲劳情况下，光滑的小焊缝要比带有尖锐的表面不规则的大焊缝要好。

金属的化学性能

金属的机械性能通过各种机械和热处理来改变。然而如果化学成份改变，将出现激烈的变化。

焊接主要感兴趣的是不同元素的混合物或合金，包括金属和非金属。常见的例子是钢，它是铁和碳的混合物，并加入了不等量的其它元素。

除了机械性能外，金属的化学成分也对其耐腐蚀性和可焊性（金属能被成功焊接的容易性）

产生影响。因此，焊接检验师的部分职责包括比较金属的实际化学性能与其技术要求来确认金属的化学成份。

合金

焊接检验师可能接触到许多不同的金属合金。金属能够组合成许多合金种类；常见的种类有钢，

铝，镍和铜等。这里讨论的是有关钢的合金，进一步地划分为三个分类：普通碳钢，低合金钢和高合金钢。

以吨位为基本单位，普通碳钢使用的最广泛。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。图6.11 所示的是含碳量和普通碳钢的一些特性。

低合金钢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，汽车和机械钢，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）和汽车工程师学会编制的，并经常地在钢生产中应用。

最后一组钢是高合金钢。不锈钢和其它耐腐蚀合金就是这组钢的例子。不锈钢含有至少12%的铬，并且许多等级也包含大量的镍。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。

普通名字碳含量应用可焊性

工业纯铁最大0.03%镀锌和深度引长非常好

薄板和板条

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

和后热很难焊接）

图6.11 –普通碳钢的种类

系列命名型式和类别

10xx ……………………………...无再硫化碳钢等级

11xx ……………………………..再硫化碳钢等级

13xx ……………………………..1.75%锰

23xx ……………………………..3.50%镍

25xx ……………………………..5.00%镍

31xx ……………………………..1.25%镍– 0.65%或0.80%的铬

33xx ……………………………..3.50%镍– 1.55%铬

40xx ……………………………..0.25%钼

41xx ……………………………..0.50-0.95% 铬– 0.12%或0.20%钼

43xx ……………………………..1.80%镍– 0.50%或0.80%铬– 0.25%钼

46xx ……………………………..1.55%或1.80%镍– 0.20%或0.25%钼

47xx ……………………………..1.05%镍– 0.45%铬– 0.25%钼

48xx ……………………………..3.50%镍– 0.25%钼

50xx ……………………………..0.28%或0.40%铬

51xx ……………………………..0.80%, 0.90%, 0.95%, 1.00%, 或1.45%铬

5xxxx ……………………………1.00%碳– 0.50%, 1.00%, 或1.05%铬

61xx ……………………………..0.80%或0.95%铬–最小0.10%或0.15%的钒

86xx ……………………………..0.55%镍– 0.50%或0.65%铬– 0.20%钼

87xx ……………………………..0.55%镍– 0.50%铬– 0.25%钼

92xx ……………………………..0.85%锰– 2.00%硅

93xx ……………………………..3.25%镍– 1.20%铬– 0.12%钼

94xx ……………………………..1.00%锰– 0.45%镍– 0.40%铬– 0.12%钼

97xx ……………………………..0.55%镍– 0.17%铬– 0.20%钼

98xx ……………………………..1.00%镍– 0.80%铬– 0.25%钼

AISI-图6.12 – AISI-SAE 碳钢和低合金钢的命名

化学元素对钢的影响

下列所要讨论的是各种合金元素对钢的性能的影响，包括可焊性。

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。

（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%硅——通常只有少量到1.00%。

图6.13 –一些不锈钢的化学成分

名义成分%名义成分

(最大) 0.09 (最大) 锰

奥氏体不锈钢

0.08 (最大) 2.00

0.03 (最大) 2.00

0.03 (最大) 2.00

2.00

2.00

马氏体钢

403 410 420 430 4460.15 (最大)

0.15 (最大)

铁素体钢

0.15 (最小)

沉淀硬化

0.12 (最大)

0.20 (最大)

双相组织

1.00

1.50

1.00

1.00

1.00 1.00

1.00

1.00

0.50

1.00

AISI 型304 304L 310 316 32117-7

329

3RE60

44LN

C

0.08 (最大)

0.03 (最大)

0.25 (最大)

0.08 (最大)

0.08 (最大)

-

--

--

--

(最大) 硅

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

15-5 17-40.07（最大）

0.07 (最大)

--

--

--

--

注：

(a) 除了上述那些元素外，其它元素按如下所述：

在304，304L，310，316 和321 中的磷含量最大是0.04%。在304，304L，310，316，321，403，410，

420，430 和446 中的硫最大含量为0.030%

（1）帮助钢脱氧。（2）防止形成硫锰——通常钢含有至少0.30%的锰。因为它有三个方面的作用。化铁。（3）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（钶）——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。铌

与钶一样。

溶解气体——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。

合金组

铝合金——当今用在金属加工业中最大一组非铁基合金。它可以被锻造和铸造。一般认为是具

有可焊性的。对于要求强度高，重量轻，导电和导热性能优异，抗腐蚀性好的场合，铝是最适合的。

工业用的退火或铸造纯铝有结构钢五分之一的强度。正如铝与其它金属合金一样，冷加工也能相当

大地增加其强度。与铜，硅或锌合金，可以用热处理来增加强度。在某些情况中，铝的强度可增加

至可与钢相比。

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。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。

为了指出各种铝的状况，用一后缀加到数字命名中。图6.15 所示的是按回火状态命名的铝合金。

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，通常用于钢的焊接工艺，都可用于镍及镍合金，常用的焊接方法都适用于镍及镍合金。图6.14- 铝协会对铝合金的分组

主要合金元素*纯铝

铜

锰

硅

镁

镁和硅

锌

*(最小99%)铝的组合号1xxx

2xxx

3xxx

4xxx

5xxx

6xxx

7xxx

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。

铜合金——铜以其导电率高而闻名。所以铜广泛地用于电气应用。它的密度大约是铝的三倍，导热性和导电性差不多是铝的一倍半。铜在400 华氏温度下的淡水和盐水，无氨碱溶液中以及许多有机化学剂中是抗氧化的。然而，铜可以和硫和硫的化合物反应生成硫酸铜。铜和铜合金广泛地用于水管，阀门，管件，热交换器及化工设备。

铜的合金主要分成八个组，包括：

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，但它们高导热性也产生了一些问题。

高导热性迅速地把焊接或钎焊热从接头处散掉。黏附在表面的氧化物也能引起困难，所以清洁是非常关键的。然而，这些合金可以用各种各样的焊接和钎焊工艺十分有效地连接起来。

破坏性试验

金属的性能对于金属或是焊缝是至关重要的，所以有必要测定其精确的值。现在设计师要得到每个

性能的数值，然后他/她就能够有效地选用所材料来设计结构。

有许多种试验来测定金属的各种机械和化学特性。这些试验当中，有些可以提供不只一个特性的数

值，而大部分试验是为金属的某一个特定性能来确定数值的。因此，可能需要进行几个不同的试验以确

定所有需要的性能。

焊接检验师了解这些试验是非常重要的。检验师应该知道什么时候应该试验，将要提供什么样的结

果，如果试验结果与技术要求不符该如何决定。如果焊接检验师了解试验中的某些方法，这将很有帮助，

哪怕他没有直接参与试验。

试验方法通常分为二组，破坏性或非破坏性。破坏性试验中，材料或部件试验后就没有用了。这些

试验常常用来确定当材料被加载至失效时的行为。非破坏性试验不会对元件以后的使用产生影响，并且

将在第10 单元讨论。

本单元没有提到有关用于确定母材或焊接金属性能的特殊破坏性试验。大的方面来说，这并不代表

在试验的方法上有很大的变化。有很多不同的场合下要测试母材或焊缝的性能，但试验的机理没有变化，

或即有也非常小。

拉伸试验

前面我们第一个讨论的机械性能是强度，所以第一个破坏试验方法是拉伸试验。这个试验为我

们提供了很多有关的金属的性能。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

拉伸试验中有些值可以从仪表中直接读取。其他只有通过在试验期间产生的应力应变图的分析

来定量。延展性的值可以对试件的试验前及试验后进行比较测量得到。它们差值的百分比就是延展

率的值。

当进行拉伸试验时，试验最重要的一个方面就是拉伸试件的准备。如果试验的这一部分没有细

致地准备，试验结果的有效性将会大大地降低。例如，表面光洁度上的一小疵点就能引起拉伸试件的强度和延展性严重下降。

有时，焊接试样做拉伸试验仅仅是为了看看焊缝的表现是否与母材一样。这时候，我们所要做

的就是在垂直于焊缝纵轴的方向上截取试样（有时称为试条），使焊缝大约在试样的当中。试样的两侧用锯或火焰切割，保持试样两侧平行，但不需要进行一步的表面处理，包括去除焊缝强度高。但是，焊缝加强高常常是磨平的。

这种方法用于按API 1104 的焊接工艺评定和焊工技能评定。

按照这个规范，成功的拉伸试验就是试样在母材部分断裂，

或是断在焊缝上而此时的抗拉强度在母材的强度之上。

大多数情况下都要求做拉伸试验，但是有时还需要测试

金属的实际强度和其它性能，而不仅是看焊缝是否与母材一

样强。当需要确定这些值时，试件必须被准备成一定的形状，

在靠近试样长度中心的位置上加工成缩截面。如图6.16 所示。

加工成缩截面主要是为了锁定断裂位置。否则断裂可能会优先地出现在靠近夹持端，使得后续

的测量很困难。另外，缩截面试样使整个横截面的应力增加非常均匀。为了得到有效的结果，缩截面必须具有下列三个特性：

（1）缩截面的整个长度必须是一个均匀的横截面。

（2）横截面应该是容易测量，截面面积可以计算的图形。

（3）缩截面的表面应没有表面不规则，特别是垂直于试样纵轴的不规则。

由于这些原因，再加上需要机加工准备试样，所以拉伸试样中二个最常用的横截面是圆和矩形。二者容易准备和测量。如果要做拉伸实验，焊接检验师必须能够计算拉伸试样缩截面实际的截面积。例1 和例2 所示的是如何对二种常用的横截面的计算。

例1：圆截面的面积

2面积＝π x r2 =π x d /4

举例直径，d=0.505in（测出的）

举例半径，r=d/2=0.2525in

面积=3.1416 x 0.25252

面积=0.20 in2

或，用直径直接计算

面积＝3.1416 x 0.5052/4

A=0.2 in2

例2：矩形截面的面积

测出的宽，w=1.5 in

测出的厚度t=0.5 in

面积＝1.5 x 0.5

面积＝0.75 in2

试验前面积的测定是非常关键的，因为这个值将最终用于确定金属的强度。强度将由所施载荷

除以原来的面积而得出。例3 所示是用于例1 的标准圆形截面的计算。

例3：拉伸强度的计算

载荷＝12,500 磅试样断裂

面积＝0.2 in2（见例1）

抗拉强度＝载荷/面积

抗拉强度＝12,500/0.2

抗拉强度＝62,500 psi (lb/ in2)

这前面的例子所示的是一个标准圆形试样的典型抗拉强度的计算。这是一个标准试样，因为其

产生0.2 英寸的面积。这是为了方便因为用0.2 除一个数与这个数乘以5 的一样。因此，如果用这标准的拉伸试件，那么拉伸强度的计算是就像例4 所示非常简单。

例4：另一种抗拉强度的计算方法

载荷＝12500 磅

面积＝0.2 英in2

抗拉强度＝12500 x 5

抗拉强度＝62,500 psi (lb/ in2)

这个计算的结果与例3 是一致的。在现代计算公式出现之前的许多年，这种标准尺寸的拉伸试

样的使用是非常流行的。在那个时候，精确地机加工一个拉伸试样到这一精确尺寸比用某个更复杂

数来除以载荷来人为地确定强度更容易。然而，今天我们能容易地计算出精确的抗拉强度，无论实

际面积是多大。

在试验前另一要做的是在缩截面上精确地标出一标距。该通常是在某一规定的距离用一对洋冲

孔来标出。最通常的标距是2 和8 英寸。试验后，测量这些标距之间的新距离，并且与其原来的距离相比较以得出由于试件受载失效而产生的伸长量。

延伸率称为试样在拉伸试验期间在二个标距点之间所伸长的量。这是由二个标距之间最终与原

来长度的差别除以原来长度，所得的结果乘以100 而得出的一百分比。下面是计算延伸率的例子：

原来的标距长2.0 英寸

二个标识间的最终长度2.5 英寸

延伸率＝2.5－2.0/2.0 x 100 = 25%

当对延展性好的试样进行拉伸试验时，它的一部分由于受纵向拉伸载荷而出现―缩颈‖。如果我

们再测量并计算这―缩颈‖区域的最终面积，减掉原始

的横截面积，所得的余数除以原始面积，并乘以100，

就可以得出断面收缩率。下面是断面收缩率(RA) 的

例子：

原始横截面积0.20 in2

最终横截面积0.10 in2

面积减少率＝0.20 – 0.10/0.20 x 100 = 50%

测量和标注完以后，将试样牢牢地放入固定的夹具

内，并移动拉伸机机头。如图6.17 所示。

试样就位后，拉伸载荷就以一稳定的速率施加。加载速率的不同能导致试验的不一致。在施加

载荷前，将伸长计连到试件上的标距点处。当加载时，伸长计将测量由于载荷而引起的伸长量。载

荷和伸长数据均记入到一条形图表记录器，生成载荷与伸长的变化图。称之为载荷与偏移曲线。然而，我们通常看到的是以应力应变表示的拉伸试验结果。

应力与强度是成正比的，因为任何时候它都是由应力除以横截面积得出。应变是在给定长度上

伸长量。应力是以psi(lb/in2)表示，应变是以尺寸值in/in 来表示。典型的低碳钢拉伸试验时的图表时应力－应变如图6.18 所示。

在这里，我们将讨论应力－应变图的几个重要特性。试验开始时，应力和应变都等于零。随着

载荷的施加，应变量与应力线性增加。这个区域显示了先前所称的弹性变形，在这个区域处，应力

和应变是成比例的。对任何所给的材料，这条线的斜率是一常数。这个斜率就是弹性模量。

对于钢来说，在室温时与铝的弹性模量10,500，000 psi 相比，钢的弹性模量（或杨氏模量）大

约等于30,000,000 psi 。这个数实际上反映的是这种钢的刚度。也就是说，金属弹性模量越高，它的刚度也就越大。

最终，应变将开始比应力增加的快，这意味着金属在所给定的应力下伸长更多。这种变化标志

着弹性变形的结束，塑性变形的开始或永久性变形的开始。在曲线上显示的线性变形的这一点被称

为弹性比例或极限。如果载荷在到达此点后在任何时候移走，试样将会回到其原来的长度。

许多金属从一开始的弹性变形就试图想激烈的偏离。正

如在图6.18 中看到，不仅仅是应力和应变不再成比例，

而且当应变在增加的同时，应力可能实际下降或保持稳

定。这种现象是延展性优良的钢的屈服特性。应力增至

一最大极限，然后降至一较低极限。这些极限被分别称

为上屈服点和下屈服点。上屈服点是在应力没有增加的

情况下，应变显著增加，或是塑性流动。然后应力下降

至低屈服点并保持相对不变，这时应变继续增加，称之

为屈服点延伸。

因为金属如此表现，屈服强度是指上屈服点所对应

的应力，或是在上屈服点与低屈服点之间的中点所对应

的应力。在拉伸试验期间，屈服点可以通过在仪表或记

录装置上的突然下降而发现。屈服强度可以由观察并记录这突然下降时的载荷来确定。当用这一方

法时，我们称之为（―台阶‖）技术。

在出现此现象期间，钢的塑性流动的速率增加使应力释放比应力形成要更快。当在室温下出现

此塑性流动，称为冷加工。这种效应使金属变为更强更硬，并且被称为加工硬化。因此屈服将继续

直至金属到一定加工硬化范围，现在它需要更多的应力来产生进一步的伸长。相应地，曲线开始以

非线性的形式爬升。

应力和应变以变化的速率继续增加一直达到最大的应力。这一点称为最大应力，或极限拉伸强

度。图6.19 所示是当达到这最大应力时，随后甚至当应变继续上升（工艺曲线），应力显著地下降。

这个现象是由于试件开始―颈缩‖，实际横截面小于原来的横截面积，来承受所施加的应力。因为应

力是以原来的面积为基础计算的，这就给出一现象，当在实际中应力以psi 继续增加时，载荷是下降

的。

如果在拉伸试验中计算出持续的应力和实际承受载荷的面积，那么实际的应力－应变图可以给

出。这条实际曲线和先前讨论过的工艺曲线的比较如图6.19 所示。它显示了试样的应变随着应力的

上升继续增加。该曲线显示出失效是在最大应力和最大应变时出现。

对于延展性差的金属，在弹性和塑性变形之间没有明显的变化。因此―台阶‖方法不适用于确

定它们的屈服强度。另外一种的方法为偏移法。图6.20 所示的是一种延展性差的金属的典型应力－

应变图。

当使用偏移法时，在某一规定应力处画一条平行与弹性模量的线。应变量通常是以某百分比描

述的。通常偏移是应变的0.2%（0.002）然而，；也可以规定其它的应变量。6.21 所示的是这根0.2%图的偏移线是如何画出的。

偏移线与应力－应变曲线之间的交点所对应的应力被定义为屈服应力。在报告中应说明这是

0.2%的偏移屈服应力，以使人们知道它是如何被确定的。

能从应力－应变图中可获得的最后一条信息是金属的韧性。你可记得韧性是衡量金属吸收能量

的能力。你也知道当载荷被慢慢，稳定地施加，韧性能由应力－应变图下的面积来确定。所以金属

有较高的应力和应变值，那么它就比具有较低应力和应变值的金属更具韧性。图6.22 所示的是高碳

弹簧钢与结构钢的应力－应变图之间的比较。如果比较二个曲线下的面积，这很显然，在结构钢曲

线下的面积更大。因此结构钢的韧性更好。

接下去的拉伸试验，有必要测定金属的延伸率。有二个方式来表示，即伸长率和断面收缩率。

这二种方法包括在试验前后都需进行测量。

为了确定伸长率，在加应力前，必须在试件上标上标距。在试件失效后，把二个破坏件拼在一

起，测量这些标距的新的距离。用标距原始和最终长度，我们能如例5 所示来计算延伸率。

例5：伸长率的确定

原始标距＝2.0 英寸

最终标距＝2.6 英寸

伸长率%＝最终长度－原始长度/原始长度x 100

伸长率%＝2.6-2.0/2.0 x 100

伸长率＝0.6/2.0 x 100

伸长率＝30%

延伸性也能以其在试验中它截面缩小多少来表示。这被称为断面收缩率，是为了比较对拉伸试

件的原来截面积与最终面积进行测量和计算。例6 显示了这一计算。

例6：断面收缩的确定（%RA）

原始面积＝0.2 in2

最终面积＝0.1 in2

断面收缩率%＝原始面积－最终面积/原始面积x 100

%RA＝0.2 – 0.1 /0.2 x 100

%RA=0.1/0.2 x 100

%RA=50%

当伸长率和断面收缩率均代表一拉伸试件所具有的延伸性时，它们很少相等。通常断面收缩率

大约是伸长率的二倍。断面收缩率在有缺口存在的情况下被认为是确定金属延伸性的代表性表示。

然而，如果只用一种方法，我们最常见的是伸长率。

硬度试验

硬度是金属抵抗压痕或侵入的能力。金属的硬度与其拉伸强度相相似。因此硬度试验是将某种

压头压入试验物表面。取决于采用的硬度试验形式，测量直径或者所压入的深度。硬度也能用各种

电子和超声装置来测量。在这里我们仅讨论用压痕的方法。

主要是由于有很多方法可以测定硬度，所以金属的硬度是很容易地测定的。我们将讨论三个基

本压痕的硬度试验法：布氏硬度，洛氏硬度及显微硬度。总的来说，这三种形式在所产生压痕的尺

寸上是相互不同的。布氏的最大，显微硬度最小。

布氏硬度测量法通常用于确定金属毛坯的硬度。因为它的压痕面积大，消除了金属局部软硬点

的影响，所以它很适用。在布氏试验中使用较高的载荷以减小由于表面不规则所带来的影响。

在布氏试验前，适当的表面准备是必要的；这包括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。

在进行布氏试验时，压头以某一规定的载荷压入试验物体的表面。移走载荷后，用一带刻度的

放大器测量压痕直径。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)。因为这是一种数学关系，所以BHN 可以随着压头的类型和载荷来确定。另外BHN 与

碳钢的实际拉伸强度有关。这就是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，不能用于所有的合金。

普通的布氏试验是用一10 毫米的硬化钢球并施加3000 公斤的载荷。当试验条件，如试样的硬

度和厚度改变时，也需要钢球的类型和直径以及所施载荷量的变化。其它可使用的球有5 毫米的硬

化钢球和10 毫米的碳化钨球。对于软的金属，使用500 公斤的载荷。使用500 与3000 公斤间的其它载荷，也能产生相等的结果。用布氏方法的现场试验常常用一锤子锤击试件和已知硬度的标准块

以产生压痕。试件的硬度就可用试件上的压痕直径与标准试验块上的压痕直径相比较来获得。

BHN 通常是通过测量压痕的直径和在一表格上读取硬度值来确定(见图6.23)。布氏试验的通常步骤是：

1. 准备试验表面

2. 施加试验载荷

3. 保持载荷于一规定的时间

4. 测量压痕直径

5. 从表格确定BHN

上述程序中需要特别注意的就是保持试验载荷于一定时间。对于铁和钢来说，是10 到15 秒。

更软的金属需要保持载荷大约30 秒。当用便携式设备时，则保持时间是由一旦达到试验载荷，保持液压来模拟。其它试验装置可能需要冲击，所以没有保持时间。

从这简单的程序上看，显尔易见布氏试验是很容易做的。甚至由于其简单性，只要在执行每一步骤时非常小心，那么试验结果将十分精确。有关布氏试验的另外信息请参照ASTM E10，金属材料布氏硬度的标准试验方法。

常常由于试件太大而无法放入布氏试验机的固定台上。此

时要用便携式试验机。试验机有各种各样，但基本试验原理是

一致的。

要讨论硬度试验的下一个形式是洛氏方法。这方法包括同

样基本原理但使用的压头的直径许多种类。所使用的是圆锥形

钻石压头，如图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。

使用这些压头中的一种，施加各种载荷能试验大部分材料。所施加的载荷要比在布氏试验中所

用的要小的多，是从60 公斤到150 公斤。另外一些洛氏试验称为―轻载‖。主要用于测定很薄的金属样品和金属丝的硬度；因此这些载荷比用于其它洛氏试验的要小很多。

正如和布氏试验一样，在进行洛氏试验前，试验表面要适当地准备。对于精确的硬度试验，良

好的技术也是必要的。试样准备好以后，根据所期望硬度的大约范围，应该选用正确的刻度。―B‖和―C‖刻度是至今最通常用于钢的刻度。刻度―B‖用于较软的合金，刻度―C‖是用于较硬的合

金。对于不熟悉的合金无法确定使用哪一种刻度时，可用刻度―A‖。因为它覆盖了―B‖和―C‖刻

度的硬度范围。准备好转换表以转换一种刻度的硬度到另一刻度。

选择完刻度后，校准试验装置，试件放在洛氏试验机器的试验台的测试砧上。测试砧根据试件

的形状可以是各种各样形状。该试件要有适当的支撑，否则将会出现错误。洛氏方法取决于压头压入深度的精确测量。因此，如果试验物没有适当的支撑，所做的测量可能不精确。0.00008 英寸的深度测量变化将引起洛氏数的变化。试台自动进行深度测量。

无论使用哪个洛氏刻度，基本试验步骤是一样的。

步骤如下：

1. 准备试验表面

2. 把试验物放放洛氏试验机上。

3. 用上升螺钉加入小载荷。

4. 施加主要载荷。

5. 撤掉主要载荷。

6. 读数。

7. 撤掉小载荷并移走试验物

小载荷是用于防止整个试验系统发生松弛，从而提高试验的精度。图6.26 是以图显示这些试验

步骤的每一步。

洛氏测试得到的结果结合布氏值,从而得到金属的拉伸强度。图6.27：洛氏值，布氏值和拉伸强

度值之间的关系。

关于洛氏试验更详细的介绍参见ASTM E18，金属材料洛氏硬度和洛氏表面硬度标准测试方法。

象布氏测试一样，它同样是一种应用于确定金属的洛氏硬度的单位。虽然它们操作起来与实验

台模型稍有不同，但结果是等同的。

下一种要讨论的硬度试验是显微硬度试验。之所以起这个名字，是因为它的压痕相当小，

要经高度放大才能测量。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。因此，冶金学家对此类硬度测试很感兴趣。

显微硬度试验主要分成两种类型：维氏硬度和努普氏硬度。都采用菱形压头，但它们的形状略有区别。两种类型最终压痕的图表见图6.25。