微型剪切试验法及试验机简介

焊接接头各区域组织的不同及分布的不均匀性导致其力学性能的差异，有必要对其力学性能的分布进行精确的测定，从而找出焊接接头中的最薄弱环节。然而，一般常规试验方法，例如实际焊接接头的拉伸或缺口冲击等力学性能试验以及热模拟试验等，难以准确获得焊接接头各区域局部力学性能及断裂韧度的梯度变化或分布情况。微型剪切试验法是将微型试样从待评价性能的焊接接头上切取下来，采用逐点剪切的方法，获取一系列材料的剪切性能参数，如微型剪切强度、微型剪切塑性、微型剪切韧度（分别简称为微剪强度、微剪塑性、微剪韧度）等。

为了尽可能地搞清焊接接头各组织区的性能，微型剪切试样应从焊缝中相应位置处截取，所有试样应取自平行于工件表面的同一深度。这样只要坡口形状规则、焊接规范稳定、壁厚均匀，则在同一批试件上距熔合线（或焊缝中心）相同距离处的各点都会有相同的焊接热循环，从而具有相同的组织和性能。否则，各试件在焊接过程中所经历的热循环就不同，可能会出现不同的组织结构和性能。

焊接接头微型剪切试样的制作，可按如下步骤进行：

1）如图4-13所示，沿y轴方向截取4mm厚的焊接接头微型剪切试样毛坯。其沿x轴方向的尺寸就是将来微型剪切试样的长度，一般小于50mm。

2）磨光x-z面，进行宏观腐蚀，确定熔合线或焊缝中心位置，并作好标记。

3）依据检验位置要求，并尽量使其位于试件中心线上，平行于x轴加工成4mm×4mm×Lmm（x轴方向）的方形长条；试样沿x轴方向的尺寸L，主要视焊接热影响区的大小而定。其确定的原则是：确保微型剪切试样从焊缝金属开始，穿过整个焊接热影响区，直达母材的前提下，使试样尽可能地短，以减少不必要的试验重复次数和试件的加工量，一般取30mm。

图4-13 微型剪切试样在焊接接头中取样位置示意图

4）依据宏观腐蚀后所作的标记，将试件毛坯切断，使其一个端面刚好是焊缝中心，并作好标记；然后粗车成φ2mm的圆棒或用刨床加工成2mm×2mm的小方条；再精磨到φ1.5mm的圆棒或1.5mm×1.5mm的小方条，试件表面粗糙度Ra≤0.2μm。

由于圆形试件加工比较复杂，一般均选用方形试样。

微型剪切试验是在微型剪切试验机上进行的。微型剪切试验机一般由剪切加载系统（自动或手动）、剪切夹具系统及剪切刀头、微型试样逐点剪切等距离精密进给装置、载荷和位移传感器及数据记录系统等组成。剪切试验时，记录剪切载荷（P）随剪切刀头位移（S）的变化曲线，在该曲线上即可求出材料或焊接接头的微剪强度、微剪塑性及微剪韧度。对焊接接头试样的不同区域进行逐点剪切，即可获得沿试样长度方向各局部区域完整的性能变化梯度曲线。微剪强度τ_b、微剪屈服强度τ_s、微剪塑性a（也称为微剪截面压入率）及微剪韧度W_s可由下式定义：

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式中 A——微型剪切试样原始横截面面积（mm²）；

P_max——最大剪切载荷（N）；

P_s——剪切屈服载荷（N）；

S_f——断裂点的剪切位移（mm）；

b——试样原始宽度（mm）；

W——剪切功（J）。可由载荷P-S位移曲线下断裂点以前的面积求出。

近年来，国内外学者通过大量试验，将其试验数据进行一次线性回归处理，在微型剪切试验参数与常规力学性能试验参数和断裂力学参数之间建立起的线性回归方程式如下：

显然，通过微型剪切试验得到τ_b、τ_s、a，随后，通过上式的对应换算，即可对焊接接头上任一点的常规力学性能指标进行定量的分析和研究。

微型剪切试样尺寸较小，要避免剪切间距过小对试验结果的影响。如果每一根试样采用的剪切间距为2mm，同一种焊接规范下的试样，均采用5根相同的试样进行剪切试验，但每一根试样剪切时起始剪切位置不同，这样，由5根相同的试样即可获得一条相当于剪切间距为0.4mm的焊接接头各个区域的性能分布曲线。因此缩小剪切间距或增大试样数量，均可获得准确的焊接接头各个区域的性能分布规律。但一般认为剪切间距不能小于0.5mm，否则会因前一次剪切形成的剪切强化区对后一次剪切的影响而降低试验准确度。试件数量增大，试验费用也增大。因此，一般相邻剪切点间的距离选为0.6～1.0mm。