力学性能试验的意义与方法

力学性能试验包括拉伸试验、弯曲试验、刻槽锤断试验、落锤试验、硬度测试、疲劳试验和冲击试验。

管线钢焊接接头的检验标准参考API STD 1104—2013《管道及相关设施焊接规范》，SYT 4103—2006《钢质管道焊接及验收》，试验方法依据GB／T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB／T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，试验用一个完整管段（全尺寸）制作力学性能检测试样，包括拉伸、侧弯和刻槽试验。管道焊接工艺评定试验的试样类型及数量见表5-10。管道焊接接头力学性能试验的试样取样参考位置如图5-4所示。

表5-10 管道焊接工艺评定试验的试样类型及数量

①具体取样位置见图5-4b。

轨道焊接接头的检验标准参考TB／T 1632.1—2014《钢轨焊接 第1部分：通用技术条件》和TB／T 1632.2—2014《钢轨焊接 第2部分：闪光焊接》，试验方法依据GB／T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB／T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》、GB／T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。轨道焊接接头工艺评定试验的试样取样数量见表5-11。轨道焊接接头力学性能试验的试样取样参考位置如图5-5所示。

表5-11 轨道焊接接头工艺评定试验的试样取样数量（单位：个）

①硬度试样2个，1个测试顶面硬度，1个测试纵向断面硬度。

②拉伸和冲击试样分别在1个钢轨段里取多个试样。

图5-4 管道焊接接头力学性能检测试样取样参考位置

a）立体图 b）俯视图

注：〓=457～610mm，N=2；〓=610～762，N=3；〓＞762，N=4。

（1）拉伸试验 管道闪光对焊破坏性试验需要进行拉伸试验，主要是为了得到焊接接头的抗拉强度和屈服强度等接头的主要力学性能。轨道闪光对焊拉伸试样采用直径d₀=10mm，l₀=5d₀的比例试样，试样取样位置和数量如图5-5所示。试样加工尺寸及试验方法按GB／T 2651—2008和GB／T 228.1—2010的规定执行。管道焊接拉伸试样如图5-6所示，试样长为230mm，宽为25mm，使用机械方法加工试样，同时试样两侧要求光滑且平行，可不去除焊缝余高。

图5-5 轨道焊接接头力学性能试验试样取样参考位置

a）拉伸试验b）冲击试验

图5-6 管道焊接拉伸试样

试验在拉伸机上进行，对试样进行加载荷直至试样断裂，断裂时的载荷为试样的最大载荷，以断裂时载荷除以试样试验前最小截面积，即可得出抗拉强度。

（2）弯曲试验 弯曲试验是测定焊接接头承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是测定焊接接头力学性能试验的基本方法之一。

管道闪光对焊弯曲试验分为背弯或面弯和侧弯两类，厚板（δ＞13mm）接头采用侧弯试验，薄板（δ＜12.7mm）接头采用背弯或面弯。侧弯试样（壁厚δ＞13mm）如图5-7所示。背弯和面弯试样（壁厚δ＜12.7mm）如图5-8所示。试样的长边缘需磨成圆角（所有圆角半径＜3mm），且需将内外部的焊缝残渣去除，使试样表面平整。

图5-7 侧弯试样（壁厚δ＞13mm）

图5-8 背弯和面弯试样（壁厚δ＜12.7mm）

弯曲试样是在导向弯曲试验胎具上进行的，如图5-9所示。将试样放入下模，并且以焊缝为中心放置。侧弯试验焊缝表面与胎具之间角度为90°，面弯试验焊缝外表面朝向下模，背弯试验焊缝内表面朝向下模，然后对上模开始施压，在压力下将弯曲试样直至其成近似U形。弯曲后，试样拉伸弯曲表面上的焊缝和熔合线区域所发现的任何方向上的任一裂纹，或其他缺陷尺寸不应大于钢管壁厚的1／2，且≤3mm。除非发现其他缺陷，由试样边缘上产生的裂纹长度在任何方向上应≤6mm。

轨道弯曲常常采用简支梁法，将试样放在2支点上，焊缝居中，在2支点间的试样上施加集中载荷，压头移动速度应≤1.0mm／s（或加载速率应≤80kN／s），焊缝中心承受集中载荷，轨道静弯试验如图5-10所示。当载荷达到某一值时其变形继续增加，而载荷不增加时的强度即为破坏载荷。

图5-9 导向弯曲试验胎具

A—冲头半径=45mm

B—胎具半径=60mm

C—胎具厚度=50mm

图5-10 轨道静弯试验

1—正面 2—焊缝 3—支点

（3）刻槽锤断试验 管道闪光对焊破坏性试验需要进行刻槽锤断试验，而且刻槽锤断是管道闪光对焊检测试验中一个重要的测试方法，主要是为了检查焊接接头是否存在不符合标准的未焊透和未熔合情况。如图5-11所示，刻槽锤断试验试样通过机械方法加工制作，试样长为230mm、宽为25mm，刻槽位置在试样两侧焊缝断面的中心位置，其深度约为3mm。

图5-11 刻槽锤断试样

当刻槽锤断试样断在母材上，而不是断在焊缝上，为保证断口断在焊缝上，则可在焊缝外表面余高上刻槽，但是深度从焊缝表面算起不得超过1.6mm。刻槽锤断试样可在拉伸机上拉断；或支承两端，打击中间锤断；或支承一端，打击另一端锤断。焊缝暴露面宽D至少为19mm。(www.xing528.com)

刻槽锤断试验缺陷尺寸测量如图5-12所示，每个刻槽锤断试样的断裂面应完全焊透和熔合，无任何气孔存在，夹渣的长度或宽度不应超过3mm，相邻夹渣之间至少应相距13mm。

（4）落锤试验 在轨道闪光对焊过程中，如果焊接参数选择不当或母材状况不佳，就会产生焊接缺陷。大量事实表明，灰斑已经成为无缝线路钢轨结构焊接接头中最突出的缺陷。主要是由于它与探测面垂直、与发射声束平行、面积很薄、超声波能穿过去反射率几乎为零，所以无法采用无损检测方法检测，而落锤试验是检验接头承受冲击载荷的性能，是检验灰斑最简便、最有效的方式。我国标准规定钢轨必须进行落锤试验。按铁道部行业标准TB／T 1632.1—2014《钢轨焊接第1部分：通用技术条件》，焊件应在进行超声检测合格后进行落锤试验。我国的钢轨焊接标准是移植过来的，现在仍在使用，国外标准如欧洲PREN标准、美国ARE-MA标准中并无要求落锤试验。

图5-12 缺陷尺寸测量

落锤试验参数根据焊件情况确定，如1000kg锤重，落程根据钢轨的冲击性能不同而不同，50（50kg／m，后同）轨的落程为2.5m，60轨的落程为3.2m，75轨的落程应为3.8m。锤头落到钢轨上，钢轨受到最大冲击力用下式计算：

σ_max=QL／4W十［（QL／4W）²十6QHEAI／41W²］¹／2式中 H———落锤高度；

Q———锤头质量；

L———支点距离；

E———弹性模量；

I———钢轨惯性矩；

W———钢轨截面模量；

A———钢轨截面积。

根据规定灰斑是允许存在的缺陷，但是其面积大小有限制，单个灰斑面积≤10mm²，总面积≤20mm²。相邻两灰斑间距尺寸小于较小灰斑尺寸时，应将中间区域与两个灰斑合并计算面积。若有灰斑露头出现时，应将灰斑面积加倍计算。灰斑只是出现在焊缝面，呈现平的和光滑的形貌。U75V钢轨的焊缝断面灰斑如图5-13所示。

（5）硬度测试 对焊缝进行硬度测试是一种简单地估计接头其他力学性能的一种试验方法，因为硬度和其他力学性能之间存在一定的关系，在进行热处理后通过硬度测试能够快速给出初步判断，节约成本和时间。

钢轨硬度测试的测试点位置较为特殊，其他硬度测试取样可按常规，参照相关标准。钢轨硬度测试分为轨顶面硬度和纵断面硬度，轨顶面硬度试验取样位置及测点分布如图5-14所示，纵断面硬度试验取样位置及测点分布如图5-15所示。焊缝位于试样长度中心。轨顶面硬度测试需将焊接接头轨顶面磨掉1mm后，按图中标记测点位置检测布氏硬度，试验方法按GB／T 231.1—2009进行。纵断面硬度试验按图中标记3条测试线检测洛氏硬度或维氏硬度。试验方法按GB／T 230.1—2009、GB／T 4340.1—2009标准进行。

图5-13 U75V钢轨的焊缝断面灰斑

图5-14 轨顶面硬度试验取样位置及测点分布（单位：mm）

（6）疲劳试验 钢轨在服役过程中承受很大的交变载荷，如果钢轨中存在超过标准允许的缺陷就会引发断轨事故。用疲劳试验测定钢轨的疲劳应力或应变循环数。轨道疲劳采用支梁法，将试件放在两支点上，试件长度不应超过外支距100mm；最短长度应超过内支距50mm，焊缝居中，在两支点间的试样上施加集中载荷，焊缝中心承受集中载荷，如图5-16所示。试验采用脉动弯曲疲劳试验，根据钢轨型号确定载荷，最大载荷记为F_max，最小载荷记为F_min。载荷频率5Hz，载荷比为0.2。载荷循环次数应从达到要求载荷时算起。

F=（σ_max×4W）／L式中 L———支点距离；

W———钢轨截面模量。

图5-15 纵断面硬度试验取样位置及测点分布（单位：mm）

图5-16 钢轨疲劳试验

1—正面 2—焊缝 3—支点

（7）冲击试验 冲击试验是为了测试在冲击过程中，钢轨或管道焊接接头吸收能量的能力。将规定几何形状的缺口试样放置于试验机两个支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，试样、摆锤冲击试验机支座与砧座相对位置如图5-17所示。冲击试样取样数量为12个；管道冲击试验取样位置和数量参考刻槽锤断试样。冲击试样在焊缝中心位置缺口形状分为V形和U形。冲击试样加工尺寸如图5-18所示，具体可参考GB／T 2650—2008和GB／T 229—2007的规定。

为了全面了解焊接接头整体的抗冲击性能，在焊接接头的不同位置取样。如分别将冲击试样缺口位置取在焊缝区和热影响区，同时试样的缺口面位置取平行于焊缝表面或垂直于焊缝表面两种。

图5-17 试样、摆锤冲击试验机支座与砧座相对位置

1、2———砧座 3—标准尺寸试样 4—打击点 5—试样支座 6—罩

图5-18冲击试样加工尺寸（单位：mm）

a）V形缺口b）U形缺口

由于大多数材料冲击值随温度变化，因此试验应在给定的温度下进行。室温冲击试验在23℃±5℃范围内进行，当试验不在室温下进行时，试样必须通过加热或冷却以保证试验温度，偏差不超过±2℃。为了保证试验温度，试样从高温或低温装置中移出至试样打断的时间不应超过5s，如果时间长于5s，应考虑在移出前，对试样进行轻微的过冷或过热处理。试样从高温或低温装置中移出3～5s被打断的温度补偿值见表5-12。

表5-12 温度补偿值

试验结果除了通过表盘读出或数显设备显示冲击吸收能量外，有时还通过对断面相对侧的膨胀量测量压缩变形量。通过对断口表面剪切断面率评定材料的韧性，剪切断面率越高，材料的韧性越好。