（材料加工工程专业论文）焊接接头微型剪切试验与常规机械性能试验关系的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 j 页 摘要 焊接技术是衡量一个国家工业技术水平的重要指标。对焊接接头性 能的检测是保证焊接质量、提高焊接技术水平的重要手段。然而，由于 焊接接头组织结构复杂、区域狭窄、性能多变，要准确测量焊接接头各 区的各种机械性能难度很大。微型剪切试验是一种新的测定非均质材料 机械性能的有效方法。浚方法能够准确地测定焊接接头各狭窄区域内材 料的性能值以及它们的变化规律，特别是熔合线附近材料性能的变化梯 度。为了使这种试验方法的优越性得到更大程度的发挥，将该方法测得 的焊接接头性能参数转化为常规机械性能试验难以准确得到的性能参数 便成为了一个十分重要的研究课题。 本研究对工程应用中强度级别在4 5 0 1 0 5 0 m p a 之间的数十种焊接 接头进行大量微型剪切试验、硬度试验和冲击试验的基础上，收集整理 焊缝、熔合线和热影响区各区的试验数据，运用概率论与数理统计相关 知识，通过最小二乘曲线拟合，回归得出了焊缝、熔合线和热影响区各 狭窄区域内剪切强度f 。与硬度试验j z 比、k 。之间以及剪切韧性形与冲 击韧性a ，之间关系的经验公式。这些经验公式的相关系数一般都能够满 足显著性水平达到o 0 1 的回归精度，参照剩余标准差s 的大小，可以根 据工程上需要的霞信概率确定目标性能参数取值的确切范围。 关键词：焊接接头：机械性能；微型剪切试验：硬度试验；冲击试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第 l l 页 a b s t r a c t w e l d e dt e c h n i q u ei s a l w a y sa ni m p o r t a n tc r i t e r i o no ft h ei n d u s t r i a l t e c h n i c a lc o m p e t e n c ea b o u to n ec o u n t r y b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dm i c r o - s t r u c t u r e ，n a r r o wz o n ea n ds u f f i c i e n t l yv a r i e dp r o p e r t i e si nw e l d e d j o i n t ，i ti s ac r i t i c a lb u td i f f i c u l tm e a n st om e a s u r e a c c u r a t e l yt h ee v e r yz o n em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o r e n s u r i n g t h ew e l d q u a l i t y o ft h e p r o d u c t ，f u r t h e r m o r e ， i m p r o v i n g t h ew e l d i n gt e c h n o l o g y m i c r os h e a rt e s ti san e w w a y t om e a s u r e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn o n b a l a n c e dq u a l i t ym a t e r i a l s t h i sw a yc o u l d m e a s u r et h ep r o p e r t i e sa n ds h o w st h ed i s t r i b u t i o nl a wo f e v e r yn a r r o wz o n e o ft h ew e l d e dj o i n t ，e s p e c i a l l yt h eb o n dl i n e t h e r e f o r e ，i ti sas i g n i f i c a n t s u b j e c tt os t u d yo nt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h em i c r os h e a rt e s ta n df o r m a l t e n s i l et e s tw i t hw e l d e dj o i n t s oi tc o u l dt a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h em i c r o s h e a rt e s t i nt h i sr e s e a r c h ，p e r f o r ms k i l l f u l l yo nt h em i c r os h e a rt e s t ，h a r d n e s st e s t a n di m p a c tt e s tt ot h ed o z e n so fw e l d e d j o i n t sw h o s ei n t e n s i t yl e v e la r ef r o m 4 5 0m p at o10 5 0m p a a m o n ge n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ；c o l l e c tt o g e t h e rt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ew e l dm e t a lz o n e ，b o n dl i n ea n dh e a t a f f e c t e d z o n e a p p l yt h et h e o r yo fl e a s ts q u a r e sm e t h o d sf u n c t i o na p p r o x i m a t i o n ， p r o b a b i l i t ya n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ；a n dr e s p e c t i v e l yo b t a i nt h ec u r v e r e g r e s s i o ne x p e r i e n c e df o r m u l ao ff o rc o n v e r t i n gs h e a ri n t e n s i t y f i n t o h a r d n e s st e s t p a r a m e t e rh v , ，y v , o a n ds h e a rt o u g h n e s s 彬i n t oi m p a c t t o u g h n e s s 日r a t e v e r yn a r r o wz o n e t h ei n t e r r e l a t e dc o e f f i c i e n t so ft h e s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第 | | l页 f o r m u l a ec o u l db a s i c a l l ys a t i s f yt h er e g r e s s i o na c c u r a c yw h o s er e m a r k a b l e n e s ss t a n d a r dw i t h i ne a s yr e a c ho fo 01 t h ed e f i n i t er a n g eo f t h ev a l u eo ft h e a p p o i n t e dp r o p e r t yp a r a m e t e rm a y b ed e t e r m i n e df o rt h e e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t s ，w h i c h b a s e do nt h ev a l u eo f t h er e s i d u a ls t a n d a r dd e v i a t i o ns k e yw o r d s ：w e l d e d j o i n t ：m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；m i c r o s h e a rt e s t h a r d n e s s t e s t i m p a c t t e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 微型剪切试验的产生与发展 微型剪切试验法“。1 是由德国柏林工业大学焊接研究所所长l u t z d o m 教授和g u n t e r n i e b n h r 博士在二十世纪八十年代提出的，在对德国 常用的几种钢材及萁焊接接头所作的大量试验基础上取得了可喜的战 绩，在德国焊接界引起较大的关注。一些专家学者投入了很大的研究热 情，对微型剪切试验的原理、受力分析、断裂机理、实验装置和实验技 术等方面作了大量的探索和研究，为微型剪切试验法在现代工业中的推 广和应用发挥了积极作用。 微型剪切试验特别适用于测定非均质材料( 如，焊接接头，局部激 冷铸件，复合材料，喷涂层，堆焊层，异种金属联接层，表面热处理和 强化工件等) 各狭窄区域内材料的机械性能参数“。3 ，绘制的性能梯度 曲线”能直观、定量、连续地描述整个非均质区域的强度和塑性分布， 这为焊接用钢的选择、焊接材料的研制以及各种工艺参数的筛选提供了 种简单、经济、可靠的试验方法。 1 2 微型剪切试验的研究现状 微型剪切试验的研究包括理论研究、实验装置研制和工程实际应用 三方面。 ( 1 ) 理论研究主要包括：剪切刀头几何形状及受力分析；微型剪 切中试样的断裂过程分析：加载速度对微型剪切性能参数的影响；微型 剪切与常规机械性能参数之间的关系：微型剪切试验标准的制定：多试 样变起点法：用声发射技术监测剪切截面压入率等。近年来，以上的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 究取得了一些进展，但是还不够成熟。由于缺乏微型剪切与常规机械性 能参数之问关系的深入研究，缺乏微型剪切试验标准的制定，这给微型 翦切试验的普遍理解和广泛应用带来了很大的困难。 ( 2 ) 实验装置研制：已研制出多功能微型试验装置，安装在任何 一台材料试验机上可以进行微型拉仲试验( 直径1 5 3 m m ) 、微型剪切 试验、边缺口小试样断裂力学试验。 ( 3 ) 工程应用：该成果已应用于稀贵会属材料、复合材料、各种 焊接接头、表面堆焊以及涂镀层等非均质材料机械性能的评定，显示了 其独特的优越性。微型剪切试验与常规机械眭能试验相比较，节约材料 8 1 ，能源6 5 ，试验周期缩短5 4 ，体现了良好的经济效益。特别是 纳米技术和涂镀技术的发展为微型剪切试验的工程应用展现了广阔的 前景。 目前，有关微型剪切试验的研究工作尚在继续进行，并准备在以下 几个方面作进一步研究： a 、在低温条件下金属材料微型剪切试验性能参数变化规律： b 、微型剪切试验数据自动采集和处理系统： c 、异种金属或金属与非金属材料阳j 联接层机械性能的评定： d 、微型剪切试验在表面工程中的应用。 1 3 本课题研究的内容和意义 目前，微型剪切试验与拉伸试验、断裂力学试验之间的关系，已经 作了一些研究，找到了相应的经验转换公式“0 1 。但这些研究仅仅是针对 常用钢种的母材而进行。 本课题研究重点关注焊接接头。在生产实践和科学研究过程中，发 现某些金属材料具有较好的强度、塑性、耐腐蚀、抗蠕变等性能，是理 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 想的结构材料，但在焊接加工时可能出现裂纹、气孔或脆化、软化等缺 陷。焊接时，焊缝和热影响区金属要经受很复杂的物理化学过程。在焊 接接头很小的范围之内，儿乎所有的冶金现象都会发生，如熔化、结晶、 气相与会属反应、渣与金属反应、固态相交“”等等。而且由于焊接时热 源温度高，作用时间短，与炼钢、铸造和热处理相比，冶金反应的条件 更加不平衡，这种激冷激热使金属材料的组织结构和机械性能发生剧烈 变化。此外，焊缝和热影响区各不同位置加热温度的巨大差异会造成很 大的局部应力，甚至可能导致各种形式的裂纹。大量事实证明：绝大部 分结构钢的破坏出现在焊接接头而不是母材1 。 由于焊接接头组织结构复杂、各区域狭窄、性能多变，要准确地描 绘整个焊接接头的性能难度很大。特别是熔合线和热影响区的位置不规 则、区域宽度狭窄，从而引起数据较大的离散性，使试验工作的难度加 大。到目前为止，在国内外相关科技文献中，尚无有关焊接接头各区域 内微型剪切试验性能参数与常规机械性能参数之间关系研究的报道。本 论文研究的内容是对此所作的一个大胆尝试。通过对强度级别在4 5 0 1 0 5 0 m p a 之间数十种焊接接头进行大量微型剪切试验( m i c r os h e a rt e s t ) 、 硬度试验( h a r d n e s st e s t ) 和冲击试验( i m p a c tt e s t ) ，收集整理焊缝( w e l d m e t a lz o n e ) 、熔合线( b o n dl i n e ) 和热影响区( h e a t a f f e c t e dz o n e ) 各区 试验数据。然后，运用概率论与数理统计相关知识，力求寻找各狭窄区 域内剪切强度z - 。与硬度试验h 以、- t v , 。之f | | j j 以及剪切韧性巩与冲击韧性 口，之间由于焊接接头性能的特殊性而可能存在的经验数量关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章微型剪切试验概述 2 1 微型剪切试验基本原理及其设备 微型剪切试验设备由万能拉力试验机、稳压电源、动态应变仪、x y 函数记录仪、声发射传感器“”1 、拉压力传感器、位移传感器、位移 标定仪和微型剪切试验装置等组成，其试验原理见图2 1 所示。 图2 1 采用声发射技术的微型剪切试验原理图 图2 一l 中的微型剪切试验装置，经过改造还可进行边缺口小试样断 裂力学试验、微型拉伸试验( ol ，5 3 m m ) 。如图2 2 所示，该装簧是 由加载横梁、底架、试件央持器、试件送进机械、传感器及刀头等部分 组成。加载过程中，刀头不允许有横向位移，刀头与试件央持端面的间 隙应小于o 0 5 m m ，横梁与底座的摩擦力小于5 n ，试件送进机械采用螺 旋测微器使精度达到0 0 2 r a m 。 为了尽量满足上述精度要求以缩小试验误差，在剪切前必须对试验 设备进行调试。首先，通过试剪切确定万能拉力试验机的零点位最和摩 擦力情况，并适时地在定位杆、夹具接触刀头的端面、声发射器感声部 位等地方用高级润滑油润滑，以减小摩擦力、提高感声效果。然后，观 察x y 函数记录仪上的曲线大小是否适中，一般要求通过动态应变仪的 调试，使力在纸面宽度三分之二以内，使位移在力的一半左右，这样有 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 助于提高试验精度。 剪切完成后的当天，必须对力和位移在x y 坐标平面上的大小进行 标定，以作为当天试验数据的计算基础，从而减少温度、湿度、摩擦力 以及人为凶素等对试验结果的影响。最后，将设备清洗、上油、归零， 确保设备得到良好的维护。 图2 - - 2 微型剪切试验装置原理图 2 2 剪切曲线与拉伸曲线的比较 在试验加载过程中，剪切力通过应力传感器。刀头剪切位移通过位 移传感器经动态应变仪放大后，接入x y 函数记录仪中，便可在记录纸 上记录出加载曲线我们称之为剪切曲线。通常情况下，y 轴为剪切力， x 轴为刀头剪切位移。 通过剪切刀口向微型剪切试件施加剪切载荷。在负荷很小时，刀口 与试件可以视为线接触，此时试件仅发生弹性变形；随着负荷的增加， 试件受剪处开始产生塑性变形，刀e l 与试件由线接触变为面接触：负荷 继续增加，试件受剪处的塑性变形量也随之增大，刀口切入试件，于是 剪刀与试件变成了面接触 随着剪切负荷的继续增加紧挨刀刃处试件 材料的塑性变形不断增大，并最后丧失塑性变形能力。于是，紧挨刀刃 处试件材料( 应力最大位雹) 首先产生裂纹。之后，刀刃继续送进，裂 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 口不断扩展，最后试件完全断裂，上述剪切过程可以简单的分为以下四 个阶段：a 、弹性变形阶段；b 、塑性变形阶段；c 、裂纹形成及扩展阶段； d 、材料克全断裂阶段。 将上述过程中的剪力f 及剪切刀刃相对于试件的径向送进位移s 记录下来。以f 为纵坐标，以为横坐标作图，就可得出一个与拉伸曲 线相似的c s ，( 剪力一径向剪切位移) 曲线，即剪切曲线。剪切曲线 与拉伸曲线有相同之处，也有不同之处。现以低碳钢为例，将拉伸曲线 与剪切曲线相比较于如图2 _ 3 。 o ( a ) 拉伸曲线 ( b ) 剪切曲圭戋 图2 3 拉伸曲线与剪切曲线的比较 2 3 微型剪切试验性能参数 为了评定被检验材料的机械性能，引用剪切强度“、临界剪切强度 ：作为强度指标；剪切截面压入率口作为塑性指标；剪切韧性彬作为 韧性指标。 2 3 。1 剪切强度吒 剪切变形十分复杂，有弹性变形也有塑性变形，有剪切面上试件材 料晶格的滑移、撕裂，也有试件的弯曲。而且，仅就塑性变形而言，既 有试件纤维的纵向拉伸，也有试件横截面方向上的压缩。另外，剪切变 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页 性也只是发生在剪切平面附近一个很小的区域内。这一区域的大小，视 试件利料和试件横截面积的不同而不等。一般来讲，材料越脆，试件的 横截面积越小，这一剪切变形区域也越小；反之，材料的塑性越好，试 件横截面积越大，则剪切变形区域也越大。对于材料为低碳钢或低合金 高强度钢、边长为1 5 r a m 的微型剪切试件，剪切变形区域的宽度约为 0 2 m m 左右。实际的剪切变性是很难观察到的，要想确定剪应力在试件 横截面内的分布规律也是十分困难的。因此，在实际计算强度时，假设 剪应力f ( 相应外力为p ) 均匀的分布在微型剪切试件的横截面上。若以 4 表示试件的原始横截面积，则剪应力f 可按下式计算： f ：! ：一p ( n m m 2 ，即m p a ，下同) ( 2 1 ) a oa o 根据公式( 2 一1 ) ，剪切强度可按下式计算 “。等= 等矗， 式中：c 。材料断裂时的最大剪力( n ) ； 只。试件断裂时的最大外力( n ) a 试件原始横截面面积( r a m ) 。 ( 2 2 ) 如同抗拉强度吼一样，用公式( 2 2 ) 计算出来的剪切强度r 也是 一个材料的名义特性参数。这是因为：剪应力在试件横截面积( 即剪 切面) 上的分布本来是不均匀的，而“的数值只能表示试件横截面积上 的平均剪应力；剪切断裂时，试件断口的横截面积已经缩小，断口的 横截面积恒小于试件的原始横截面积a 。而公式( 2 2 ) 中所取的最大 剪力c 不是与试件断裂时断 2 1 的真实截面积相对应，而是与试件的原 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 始横截面积羁相联系。 尽管如此，如果我们根据适当的试验，能够对某种材料的死值定出 一定的安全系数，那么就可以用这个计算公式来求取试件的强度指标。 这种实用的假定计算法，在工程计算中应用仍然是有效的。 最大剪力c 可以直接从剪切曲线图中得到 如图2 3 ( b ) 中的d 点所对应的剪力 。至于试件原始横截面积4 ，则应在试验之前，测出试 件的边长b ，以此计算出横截面积。测量误差要求在l u m 以内。 2 3 2 剪切屈服强度f 0 ： 在剪切条件下，使得塑性变形能够传遍整个试件横截面所必须的剪 应力，称为剪切屈服强度( 或临界剪切强度) ，以：表示。与f 。相对应 的剪力r ：应当等于剪切曲线上直线部分与曲线部分的交点c 的纵坐标 如图2 3 ( b ) 。 对于不同的材料，其剪切曲线中直线段向曲线段过渡的转变点往往 难以准确地确定。所以，我们规定使试件在直径方向上发生的残余变形 为试件原直径的o 2 时的剪切应力为剪切屈服强度，以：表示。其计 算公式为： ( n m m 2 )( 2 3 ) 式中，试件达到剪切屈服时的剪力( n ) ； a 。试件原始横截面面积( m m 2 ) 。 这样，就将剪切屈服强度如：与拉伸试验中的条件拉伸屈服强度盯。一 样，用来表示拉伸试件上弹性变形的结束，塑性变形的开始。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 r o ：的测量要比剪切强度r b 更困难一些a 这有赖于剪切曲线上 如图 2 3 ( b ) c 点的确定。实验证明，在c 点以前，剪力只与径向剪切位 移s r 呈线性关系。那么，在x y 函数记录仪所描绘出的曲线上，即使 分辨不出从线性段向非线性段过渡的转折点，但也总可以看出一个转折 范围。另外，从输出的数字记录纸袋上，也可以比较明显的看出剪力f 与 径向剪切位移豇开始不成正比例增长时的数据。根据以上两者，可以推 算出“，。 2 3 3 剪切截面压入率甜( e i n d r i n g n a c h e n a n t e i l ) 为了研究材料在剪切过程中的塑性，六十年代初，德国学者g a s e m a n h j 对厚大板材的剪切进行了研究。他用材料开始断裂时剪刀刀刃切入材 料的深度来衡量材料的塑性。试验时，用方形截面试件和平直刀刃剪刀。 在剪切过程中，试件截面积的变化( 剩余截面积a r ) 与刀刃的切入深度 s r 和试件宽度有关，即 a r = a o b s r( m m 。) ( 2 4 ) 其中：a o 试件原始截面积( m m 2 ) ； b 试件宽度( r a m ) 。 如果微型剪切试验所用的试件是圆形的，在剪切过程中，其截面积 的变化比方形试件要复杂一些。首先，截面积的减小率随刀刃切入深度 的增加呈非线性地增长；当刀刃越过试件半径后，截面积的减小率又随 刀刃的切入深度的增加呈非线性地减小。其次。在加载过程中，试件除 剪切变形外，还有压缩变形，可能会使试件截面变成一个椭圆或一个不 规则的椭圆。再加上剪切刀刃的切入，截面积的变化就更复杂了。 对照拉伸试验中塑性指标之一的断面收缩率沙，在剪切过程中也引 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 入一个塑性指标剪切截面压入率，用口表示。 在拉伸试验中， y 2 等x 1 0 0 = ( t i a k ) l 涨( 2 - - 5 ) 在剪切试验中， 口：尘净1 0 0 ：( 1 一粤) 1 0 0 ( 2 - - 6 ) 以 、 4 式中：拉伸断面收缩率( ) 。 a 剪切截面压入率( ) ； 凡试件原始截面积( m m 2 ) ； 4 断裂后试件最小截面积( r a m 2 ) 。 从式( 2 6 ) 可以看出：试件断口处的剩余截面积a k 越小，剪切截面压 入率a 的值就越大。和拉伸试验中的断面收缩率妒一样，剪切截面压入 率口也可以作为衡量材料塑性好坏的指标。因为材料的塑性越好，其变 形能力就越强，所以，当剪切材料至完全断裂时，剪刀切入试件就会越 深，亦即剪切截面压入率口的值越大。 ljjlj i h 1 f b l - r 一a - 图2 4 方形截面试件切入深度示意图图2 5剪切功w 示意图 对于如图2 4 示的方形截面试件，设用平直刀刃进行剪切，刀刃切 入试件的深度为h ，试件宽度为a 高度为b 。如果试件材料为低碳钢或低 西南交通大学硕士研究生学位论文第 11页 合金高强度钢，剪切截甜压入率o f 可用下式计算： a ：1 一盟当1 0 0 ：_ h 1 0 0 ( 2 7 ) a b d 2 3 4 剪切韧性矽 在剪切过程中，随着刀刃不断深入试件，从p s 记录纸上可以看出 剪力逐渐变大并直至试件断裂时达到最大值，不妨设剪力p 和位移s 构 成函数关系p ( s ) 那么x y 记录仪上剪力p 和位移s 围成的面积便可 以表征总的能量消耗即剪切功w ，如图2 5 所示阴影部分面积。为此， 定义剪切韧性” 畎。形。 ( n 。m m m m 2 ) ( 2 - - 8 ) 其中， w ；r 7 p ( s ) d s ( n 。r a m )( 2 9 ) 式中：s ，剪切断裂点的剪切位移( m ) ； a o 试件原始横截面面积( m m 2 ) 。 2 4 影响微型剪切试验性能参数的因素 微型剪切试验从更为微观的角度来评定材料的机械性能，对实验要 求十分精细，一些因素极微小的变化都可能带来性能参数的巨大差异。 为此，在试验过程中，必须对以下影响因素予以高度关注，以尽量降低 其对试验结果的不利影响。 2 4 1 试件的加工硬化与表面光洁度 在加工试件过程中，线切割和精磨都不免会出现加工硬化的情况。 特别是当切削速度很高，而进刀量又较大时，试件表面与刀头接触处的 材料会因高速切削而发热，甚至达到相当温度。此时，在冷却液的作用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 下，可能出现“淬火”现象。这就会改变试件表面材料的组织和性能。 由于试件本身体积很小，如出现表面加工硬化，将对试验结果产生较大 影响，从而不能真实的反映被检测材料的机械性能。因此，试件最后一 道加工工序切削量应控制在o 0 5 m m 以内，使表面光洁度达到9 。 2 4 2 刀头几何尺寸 按剪切刀具的几何形状，刀头可分为对称夹持型、半矩形和平直刀 口。本试验装置采用的是平直刀口，刀刃为一条直线，其优越性在于： 刀头制作简单，加工容易，安装方便；试件剪切处塑性变形强化 区小，剪切的间距小，试验密度大；刀刃容易紧贴夹具的端面，产生 的附加弯矩小，刀头和夹具端面的摩擦力小；径向剪切位移变化很明 显，便于测量。 2 4 3 加载速度对性能参数的影响 加载速度是指载荷作用于试件的速度，即单位时间内试件应力值的 增加量，其单位为n m m 2 。s 。 有资料介绍，当相对变形速度小于0 o ls “时，金属材料的机械性 能没有明显的变化，可以按照静负荷的情况处理，根据这一结论，按照 有关公式可以算出，对于边长为1 5 r a m 的微型剪切试件，只要剪切时间 大于o 0 1 秒，则机械性能不会发生明显变化。在实际微型剪切试验中， 剪切作用时间般都在6 0 秒钟左右，因此微型剪切试验对材料的强度和 塑性没有显著影响。 2 4 4 剪切问距对性能参数的影响 剪切间距是指相邻两剪切试验点之间的距离：即剪切试验密度。在 剪切过程中，剪切处的试件材料会因受力变形而发生强化强化了的那 一区域的材料的强度、塑性都会发生变化，如果剪切点落在材料的强化 区，所得的实验数值就不能反映材料的真实性能，所以剪切试验点应当 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 避开强化区。但从另一个方面出发，为了更准确的测出非均质材料各组 织区域的强度和塑性，以及韧性的性能梯度曲线，希望试验密度尽可能 大，即剪切问距尽可能的小。通过理论分析和试验证明，剪切问距的大 小取决于材料强化区的宽度和试件的受力情况。对于常见的中低强度钢， 为了确定材料强化区的宽度，通过微型剪切试件( t e s tp i e c e ) 1 断面组织 观察试验”，发现剪切的间距应大于o 6 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章微型剪切试验与 拉伸、断裂力学试验之间的关系 焊接接头是结构最脆弱的部位获得其焊缝、熔合线和热影响区各 狭窄区域强度、塑性、韧性( 冲击韧性、断裂韧性、剪切韧性) 以及硬 度等常用机械性能参数是研究焊接接头组织结构、断裂机理、性能变化 规律、使用安全性评价以及生产工艺控制的基本问题，也是研究焊接接 头结构和零件设计准则的关键“。”。类似于焊接接头的复合材料“7 “”、 金属非金属连接“”= 。3 、异种金属焊接”3 ”、表面堆焊涂镀。“3 “、表面热 处理和强化、局部压力加工零件、局部激冷铸件等非均质区域的研究也 是如此。随着机械工艺技术日新月异的发展，这些要求更加迫切。然而， 要准确地测定这些非均质区域材料的强度、塑性和韧性参数，用常规机 械性能试验十分困难。在这种情况f 采用微型剪切试验具有独特的优越 性。可将该试验测得的剪切强度“、剪切屈服强度f 0 ：、剪切截面压入率 口、剪切韧性彬等剪切性能参数通过经验公式转换为拉伸强度吼、拉伸 屈服强度仃。、拉伸断面收缩率沙、裂纹尖端张开位移( c o d ) 子、断裂 韧性k 。、j 积分、应力强度因子k ，等参数。“”“来衡量材料的机械性能， 设计结构或工件，选择合适的材料和筛选各种工艺措施评定结构和零 件的使用安全性。以下是微型剪切试验与拉伸、断裂力学试验之问关系 的介绍。 3 1 微型剪切试验与拉伸试验之间的关系 根据材料晶格滑移流变规律，可推导出微型剪切过程中剪力与径向 西南交通大学硕士研究生学位论文第 15 页 剪切位移之矧的关系，受剪材料的应力一应变曲线可用下述函数式表示： 仃_ k “h 钞 ( 3 叫) 式中：留剪切面变形程度； k 试件厚度m m ； h 试件剪断后的剩余厚度m m ； n 应变硬化指数； k m i n _ h 0 = l 时的材料变形强度。 门 主剪应力出现在与主应力4 5 0 的平面内。在单向应力状态下，最大剪 应力r = o 2 。于是对于剪切试件， 一譬( i n 钞”于言厂 ( 3 2 ) 然而，在随后的断裂面上，剪切过程的应力状态是多向的；而且在整个 剪切试件横截面上，各处的应力状态也不相同，为了反映这种复杂的应 力状态，可引入校正系数兄。于是 用下列经验公式”计算： 吲等钞 对剪切断裂面上的平均剪应力，可 ( 3 3 ) 由于剪力与试件材料之间的摩擦力很小，故在计算时可忽略不计。 设剪切线的长度( 相当于剪切试件的宽度) 为b ，某瞬时剪切横断面 的高度为h ，则剪力的公式为： q ：a r ：6 厅丑拿( 1 n 阜) “ ( 3 _ 4 ) ze l 式中：a 某瞬时试件横截面面积( m m2 ) ： f 平均剪应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第 16 页 将以上公式对h 求导，令其为零，可得出具有最大剪力时的燹形 l n 堕。 等瑚争钞硼h o “m ( 3 - - 5 ， i n 堕：”( 3 6 ) 则h = h o e 一。故 = e ”就是剪力达到最大值时试件的剩余横截面高度， j i = l h 1 最大剪应力为： 毗孝9 ( 3 - - 7 ) 剪切强度就是试件破坏时所加在试件横断面单位面积上的剪力“。 铲= a 7 k j , i n ) ”( 3 - - 8 ) 剪切强度l b 可用材料的固有特性参数k 和n 来描述。k 丘和n 可从 拉伸试验中测得。 与拉伸试验一样，在剪切试验中影响最大剪力大小的有两个方面的 因素：一是冷作硬化对材料的影响，二是剪力的压进而导致材料截面的 减少。 若拉力公式用“”1 ，= a 仃= 一k ( 1 n h 0 “ ( 3 9 ) 表示，将面积4 = 4 阜带入式( 3 - - 9 ) 中，用同样的方法，可推导出 九 抗拉强度o - 为： 旷等吨9 ( 3 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 式为 由式( 3 8 ) 和( 3 一1 0 ) 可得出剪切强度z b 与抗拉强度以的关系 ! l = 0 5 五 吼 ( 3 1 1 ) 由式( 3 一1 1 ) 可以看出：剪切强度“与抗拉强度的比值与材料 的固有特性参数彪。和n 无关，而只足与标准校e 系数丑有关，从而说明 金属材料的剪切试验性能参数与拉伸试验性能参数之间有着明显的数量 对应关系“。 用实验的方法获取大量的微型剪切试验和与之对应的拉伸试验结果 数据，通过数据的筛选和线性回归得出以下一次线性方程经验关系式。 3 1 1 剪切强度“与抗拉强度之间的关系 选择常用的材料进行试验，分别测得剪切强度“与抗拉强度。根 据实验数据作一次线性回归处理，得到如下关系表达式： 吼= 2 0 7 9 r 一2 4 2 9 0 ( n m m 2 )( 3 1 2 ) 德国西柏林工业大学焊接研究所也曾用实验的方法，对常用钢种进 行试验得出了类似的关系式”1 ： 盯。= 2 0 4 r b 一2 2 7 7 3 ( n m m 2 )( 3 13 ) 通过比较，用式( 3 一1 2 ) 将剪切强度死换算成拉伸强度更精确。 3 1 2 剪切屈服强度r 。与拉伸屈服强度以之_ i b - j 的关系 将实测的剪切屈服强度：和拉伸屈服强度盯。值，按上述同样的方法 求出一次线性回归方程，其关系表达式如下： t = 1 7 6 r o2 + 7 4 6 7 ( n m m 2 ) ( 3 一1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 将该关系式与德国西柏林工业大学焊接研究所得出的关系式相比 较，该关系式相对误差较小“。 3 1 3 剪切截面压入率口与拉伸断面收缩率之间的关系 在拉仲试验中，描述材料塑性特性采用了延伸率b 和断面收缩率沙两 个指标。根据微型剪切试验的受力：分析可知，断面收缩率是描述在加 载过程中截面收缩时在多向应力状态下的变形特征与试件受剪时的受力 状态更为接近。因此应寻找与口之间的关系。同理，按上述的方法可 得出断顽收缩率妒与剪切截颐压入率能之间的一次线性回归方程式为： v = 1 3 5 a + 4 4 2( 3 1 5 ) 3 2 微型剪切试验与断裂力学试验之间的关系 用全厚度试件或多试件阻力曲线法测定类似焊接接头非均质材料某 一狭窄区域的断裂韧性值是相当困难的。在这种特殊的情况下采用边缺 口小试样断裂力学试验，基本上可以解决焊接接头断裂韧性测定的难题。 文献 4 5 4 7 较详细地介绍了这种方法。断裂力学试验与微型剪切试验相 比较，后者有试验程序简便、周期短、试件加工和试验设备成本低廉等 优点。此外，微型剪切试验只用一根跨三区( 即焊缝金属、热影响区、 母材) 的小试件就可测定整个焊接接头的机械性能变化规律，而断裂力 学试验则需要加工大量的、裂纹前沿落在焊接接头不同组织区域上的试 件因而提高了试验成本、加大了试验周期。 微型剪切试验剪切点的位置是通过试件送进机构进行精密控制，采 用螺旋测微器其精度可达0 0 2 m m 。而焊接接头断裂力学试验在试件取 样、预制疲劳裂纹以及加载过程中，使裂纹前沿都处在预定的区域内是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 十分困难的，且实验数据往往比较分散，可信性较差，在试验时也必须 准备较多的试件。要是能够找出两种试验参数之间的关系就可以通过 简单的微型剪切试验的来求出断裂力学试验参数，这不仅解决了非均质 材料测定断裂力学试验参数的问题，而且为菲均质材料结构和零件的设 计和安全评定提供了可靠的力学依据，这对工程技术具有很大的实用价 值。 根据断裂力学分析，在大范围屈服状态下c o d 和j 积分有下列对应 关系“： 喜：盯 正 舯肚( 嘉 ( 3 1 6 ) 为修正因子，它与材料固有特性有关，当材料一定时，它为一常 数。如盯。= 4 9 0 5 7 8 4 8 m p a 的中强钢，通过实验可以得出口= 1 6 2 3 。由 此可见，j o 4 与材料的强度有关，又根据式( 3 一l1 ) 剪切强度与拉伸 强度之j 可的关系，可见断裂力学试验参数与微型剪切试验参数之间也存 在着一定的对应关系。 3 2 1 j , 8 , 与剪切强度“之间的关系 试验结果显示，j 。肛与“有较好的对应关系，其一次线性回归方程 的关系表达式如下： 軎= 3 2 2 6 6 3 0 0 8 1 ( 3 1 7 ) 相关系数p = 0 9 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 2 莎与剪切截面压入率a 之间的关系 将裂纹张开位移点和剪切截面压入率d 同时扩大i o o 倍，以巧l o o 为横坐标、d 1 0 0 为纵坐标。其关系式如下： 口= 0 8 3 5 8 6 , + 2 3 9 l ( 3 18 ) 也可写成： a = i 1 9 6 5 c z 一3 5 0 6 8( 3 一1 9 ) 相关系数为p = 0 9 7 5 。 通过上述分析可知，弹塑性断裂力学试验参数c o d 和j 积分与微型 剪切试验参数、口2 1 4 存在着相应的数量对应关系，可将微型剪切试 验中得到的性能参数，通过式( 3 1 9 ) 或( 3 一1 8 ) 和( 3 1 7 ) 转换成 断裂力学试验参数，和点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1页 第4 章焊接接头的试验研究 本课题研究，力求寻找焊接接头各狭窄区域微型剪切试验剪切强度 f 。与硬度试验以、h 之间以及剪切韧性k 与冲击韧性吼之间可能存 在的数量转换关系。因此需要按照金属力学及工艺性能试验方法进行大 量的微型剪切试验、硬度试验和冲击试验。试验要求十分精细，必须满 足测量精度上的要求。在进行试验设计“”时，要认真分析误差产生的根 源，消除、控制误差，使误差对研究结论不会产生实质性的影响；同时 必须保证两组试验数据反映的材料性能参数在各试验点上存在较好的一 一对应关系，使试验结果具有良好的可比基础。 试验选择实际工程应用中不同钢种、不同焊接材料、不同焊接规范、 不同焊接方法的数十种焊接接头作为研究对象，这包括广西龙潍水电站 w d b 一6 2 0 钢、青海李家峡水电站1 6 m n r 钢、西藏羊湖水电站w e l t e n 6 2 c f 钢、青藏铁路闪光焊p d 3 和u 7 1 m n 钢等。对于水电站引水钢管 的焊接接头，由于钢管焊接时经过了卷制过程内外壁材料产生了不同 程度的塑性变形，所以分别沿管内壁和外壁截取试样。对于青藏铁路钢 轨，我们选择了a 、b 、c 、d 、e 、f 六种工艺焊接的焊接接头，分别在 轨头( 编号为l 、2 ) 、轨腰( 编号为5 ) 和轨底( 编号为9 、1 0 ) 截取试 样，如a 】代表采用a 种焊接工艺的焊接接头的轨头位置。 一般地，在每一个作为研究对象的焊接接头处，跨焊缝取出五根 l0 r a m l0 r a m 1 0 0 m m 见方尽量完全一致的试样( t e s ts p e c i m e n ) ，分别将 其编号为y l 、y 2 、y 3 、y 4 、y 5 ，并要求其横跨焊缝区、熔合线和热影响 区，如图4 一l 所示。其中一根用于微型剪切试验，一根用于硬度试验， 余下三根用于冲击试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图4 1在焊接接头中切取试样 4 1 微型剪切试验 取焊接接头试样y i ，用5 的硝酸酒精作宏观腐蚀，确定焊缝及其 熔合线位置，量出焊缝区和热影晌区的宽度，然后从焊缝中，t l , 沿母材方 向用线切割机截取尺寸为i 7 r a m 1 7 m m 6 0 m m 的试件( t e s tp i e c e ) ， 并使试件横跨焊缝区、熔合线和热影响区，如图4 2 所示。再精磨至 1 5 m m x1 5 m i n x 6 0 r a m 。在精加工时，必须保证试件的表面光洁度和尺 寸精度，表面不能有任何擦痕和变色。然后将精磨至1 5 m m 1 5 m m 6 0 m m 见方的试件再用5 的硝酸酒精作宏观腐蚀，将焊缝中心端面确定 为0 点，到熔合线距离为a ，视a 值的大小合理确定剪切点位置，并使剪 切间距大于0 6 m m 。 y 尺寸t 】0 m x l 嘶1 0 t h a尺寸1 瓣1 5 - 一x 5 0 岬 图4 2 在试样y l 中加工出剪切试件 对于每一根跨三区的试件，必须将焊接规范、焊接材料、焊接方法、 取样位置、试件原始尺寸、剪切起点、剪切间距等内容作详细记录，并 存放于专用纸袋妥善保管，切勿混淆。如本研究中的a 、b 、c 为大型水 电工程龙滩水电站引水钢管分剐用三种不同工艺焊接的焊接接头，使用 雾 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 的板材为强度级别较高的超低碳贝氏体w d b 一6 2 0 钢，板厚为2 5 r a m ， 其化学成分( 质量分数，) 为：o 0 7c ，0 1 5 o 4 0s i ，1 0 0 1 6 0m n ， 0 ，0 2 0p 。o 0 1 2s ，o 5 0n i ，- 0 0 8v ，0 0 8n b ，0 0 3b 。其 力学性能为：o b = 6 2 0 7 3 0 m p a ，o = ； 一4 9 0 m p a ，6 5 2 7 ( 1 6 m m 板厚一 ，4 7 j ( 2 0o c ) 。所采用的焊 丝、保护气体以及焊接接头的编号见表4 一l 。 表4 1a 、b 、c 焊接接头的焊接工艺 试板采用非对称x 形坡口，焊接预热温度1 0 0 0 c ，层间温度、 2 3 0 0 c ， 后热温度2 5 0 0 c 。 这种焊接接头一般都具有较宽的焊缝，如c 试件的熔合线坐标a 值 为5 4 m m 。在熔合线设一个剪切点，熔合线左右各设六个剪切点进行微 型剪切试验，剪切间距依次为l m m 、0 7 r a m ( 1 1 个点) 、l m m 。则一根 试件1 3 个剪切点的剪切曲线如图4 3 所示。 ，i ，i j j2j 9“，3l a 1 7 口7 曲c i # 】 龙滩水电站c 焊接接头微型剪切试验p s 记录纸带 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 4 1 1 剪切强度气 按通过计算确定的剪切点位置，逐点用螺旋测微仪控制微型剪切试 验的剪切间距，每个剪切点剪切完成后，将拉力试验机上的读数记录在 声发射器面线点处，如图4 3 所示，该读数乘以9 8 即为材料断裂时该 点的最人翦应力c ( n ) 。试件原始横截面面积a o ( m m 2 ) ，在剪切前 便可以直接精确测量，由于我们得到了较高加