CWI培训 焊接检验工艺学

1、 american welding society moody international 第八单元 第八单元 第八单元第八单元 焊 焊 接接 金金 相相 学学 焊焊 接接 金金 相相 学学 目 录 介绍 2 基本金属结构 3 焊接的冶金考虑 9 普通材料的焊接金相学 12 总结 13 主要术语及其定义 14 1 of 15 module008 american welding society moody international 第八单元第八单元 第八单元第八单元 焊接金相学焊接金相学 焊接金相学焊接金相学 介绍介绍 介绍介绍 冶金是一门有关金属内部结构以及这些结构与金属所展现的性能之间关

2、系的科学涉及到焊接冶 金它所关注的是当接头是由焊接来完成时 发生在金属内部的各种变化特别是那些影响机械性能 的变化 对于焊接检验师来讲对焊接冶金基础知识的了解是非常有帮助的当然这不等于焊接检验师要负 责母材及焊缝金属合金以及他们的热处理有关的规范及技术条件然而了解焊接冶金基础不仅对焊接 检验师有帮助而且也经常是检验工作的要求其中之一的原因是因为由于焊接引起的冶金转变会影 响诸如强度硬度延展性韧性疲劳强度以及耐磨等机械性能 这些性能受到各种冶金因素的影响它包括合金的添加热处理以及机械处理焊接检验师了解这 些特性对于生产过程中为何要采用某种制造方法有一个良好的感知某种制造要求诸如预热后热 层温控制

3、热输入控制锤击热应力释放以及其它的热处理都会引起冶金变化进而影响机械性能 所以本章将主要描述铁基焊接冶金的几个方面并着重在控制冶金变化所需的制造方法 由于焊接冶金涉及诸多方面本章的讨论不可覆盖所有方面所以我们将限于那些发生于焊接过程 中的较重要的方面这些变化可以概述并分为两个种类 第一类包括那些由于金属从室温加热到较高温度后冷却至较低温而引起的变化第二类是温度变 化率对金属性能的影响最主要的是冷却速率既从高温冷却至室温的快慢 我们的讨论将从金属被均匀加热和冷却开始然而应该注意到由于焊接的局部加热将呈现各种 不同的问题这种不均匀加热冷却将需进一步考虑 基本金属结构基本金属结构 基本金属结构基本金

4、属结构 为了增加对金属冶金性能的了解有必要先讨论组成 各种物质形式的粒子这些组成固体液体或气体物质的 基本粒子叫做原子这些原子很小即使用最高倍数的光 学显微镜也无法观测到然而通过讨论和解释这些原子 的特性以及他们的结构我们将能够更好的了解我们从显 微镜或肉眼观察到的现象 这些原子一个最重要的特性就是在某一温度范围内 他们将形成具有特定形状的物质这是因为原子之间在一 定距离范围受彼此内力的相互作用这些力或相斥或相 吸原子间彼此相吸引同时又被其它的原子推开或排斥所以单个的原子由于彼此相抵消的力使其 停留在他们特定的位置相对于周围其它的原子这些原子在其特定的位置一排排一层层在三维方向形 成对称的晶格

5、结构或形式 然而他们不一定固定在某一位置事实上他们在一平衡位置上振动从而保持一个相对平衡的空 间在某个给定的温度下他们将停留在一个平衡空间吸引力和排斥力彼此平衡此时我们说金属 内部能量呈现为一个稳定水平 任何使原子靠近的力将会被排斥力抵消而且该排斥力将随着原子的靠近而增加这一行为被金属 所显示的相当高的压缩强度所证实类似地任何将原子分开的力将会导致一个相抵消的吸引力这些 吸引力将随着原子被拉远而减小 2 of 15 module008 american welding society moody international 后者的行为可在拉伸试验中得到证实在金属屈服点以下加负载拉长拉伸试样单个

6、原子之间的 空间增大取消负载试样将呈现弹性性能也就是从宏观角度来讲它将恢复到原尺寸这意味着 原子回到它的原始平衡位置 如果加在拉伸试样上的负荷超过了金属的屈服强度试样将呈现塑性性能此时它将不再恢复到它 原来的尺寸或原子间的距离这是因为原子被迫彼此远离以至于吸引力不足以保持原子停留在其原来 的位置随着原子间的距离进一步增大到晶格空间吸引力不足以保持原子在一起金属将失效 如上所述金属原子之间在给定的温度或内部能量下呈现一定的距离由于热是一种能量形式当 温度升高时内部能量将增加增加的能量将导致原子的振动加剧这种振动加剧会增加原子间的间隔 通过肉眼我们可以观测到这种能量增加所导致的结果因为当原子运动分

7、开的时候金属件的整体尺 寸将增加相反温度的降低将导致原子间的靠拢也就是我们所观察到的金属收缩 当金属加热时原子的振动不断增加引起原子间距增加金属膨胀它增加一直到某一程度时原子间 距是如此之大以至于原子再也无法吸引在一起呈现为特定的结构 此时固态金属将转变为液态见图 82 此时的温度叫熔点进一步的加热最 终将使液体转变为气体此时温度即为蒸 发点 固态金属具有最低的内能和最小的 原子间距液态金属具有较高的能量和较 大的原子间距并且被认为是无固定形 状也就无固定结构气态金属具有最高 能量和最大的原子间距而且也是无固定 结构 当然所有这些很有趣作为一个焊接检验师认识到它为 什么对你来讲是重要的更有意义

8、很明显焊接和切割都对 金属输入热量加热会导致金属的膨胀 假如我们使金属均 匀受热我们是能够测量到受热金属件在长度和尺寸上的变 化的这是因为每种金属都有其特定的膨胀热值这个数 值描述了当金属加热时它会膨胀多少 然而对于焊接来讲热量是不均匀的这是因为部分 金属被加热到一个较高的温度时临近的金属还处于较低的 温度导致了焊接区域内不同点热膨胀量不同被直接加热 的部分金属趋于膨胀而这种膨胀又被处于较低温度的金属 牵制着 图 83 描述了发生在一直板条上因一端被电弧加热而产 生的尺寸变化见图 83a 在图 83b 中电弧给板条加热 被加热的部分开始膨胀见图 83c 并且受到其它未被 加热区域地限制板条在远

9、离热源的两个端部趋于弯曲由 于加热的部分的比较弱 部分实际上已成为液体而且更弱 不可能使板条弯曲得更多加热部分由于在侧面限制较小使 得受热一侧变得更宽 当电弧熄灭热的熔化部分开始变冷收缩 由于热量总 3 of 15 module008 american welding society moody international 是从热的区域流向冷的区域所以在冷却过程中热量流入冷的区域并使其温度上升现在当热膨胀 的部分变冷板条收缩并把主要使板条顶部伸长的变形力的方向反转最终引起板条两端长度变短 向上翘起使板条呈内凹形状见图 83e 所以焊接就像我们给部件不均匀加热一样 结果是所产生 的热应力引起尺寸

10、变化当它冷却时部件变形或形成卷曲 图 83 表述了带有残余应力的冷却的板条 应力源由图中的弹簧圈表示无论何时金属在一个小的局部区域被熔化如焊接都会产生收缩 应力即使板条在加热和冷却循环过程中被外部约束冷却的部件依然存有因这种不同的加热和冷却 而引起的应力我们称这种应力为残余应力残余应力试图使板条呈弯曲形状然而板条不会弯得的 更多因为此时它已冷却至室温其本身强于残余应力所施加的外力除非采取某种方法释放残余应 力否则它将保留在板条中 有几种方法能够减少或消除残余应力通过 加热整个焊接部件在规定的时间内保温该方 法均匀加热金属使金属强度降低从而允许残余 应力得到释放缓慢均匀的冷却到室温将使工 件产生

11、较低的残余应力还有几种应力释放的方 法如振动机械处理方法这些方法都被证明 是行之有效的 第三种降低应力并能够与焊接同时进行的 方法叫做锤击见图 84 这也是一种机械 处理方法锤击包括使用重汽锤不是除渣用的 锤子锤击多层焊的中间层的表面 这种锤击使金属层表面变形并使层间厚度减小该变形扩展了焊缝表面的长度和宽度由于金属 被轻微的扩展因而其残余应力被减小了 当重锤锤击用于释放应力时应注意防止由该机械处理方法引起的焊缝开裂不能用该方法锤击根 部焊边这样很容易引起断裂通常最终焊层也不能采用某种程度上大力的锤击焊缝表面会掩 盖缺陷从而使检验很困难采用适当的锤击是一种有效降低残余应力的方法特别是对于厚截面或

12、者 是焊缝被刚性固定的场合 晶体结构晶体结构 晶体结构晶体结构 在固态金属中原子自己排成有秩序的列行和层形成三维晶体结构金属被定义为晶体不讨论 结晶过程是不对的 当金属凝固时它总是呈晶体形式晶体断裂表面被错误地称为典型疲劳断裂或脆 性断裂形貌 可以完整描述有序排列方式的最小量原子叫作单元晶格认识到单位晶格并不是独立存在 而是与三维空间方向与其它临近的单位晶格共用原子是非常重要的 最常见的晶体结构或者相是体心立方 bcc 面心立方 fcc 四角体心结构 bct 和六角密排结构 hcp 如图 85 所示 一些金属如铁在室温下以一种固态相存在当温度升高时又以另一种相存 在这种在一种固体金属中随着温度

13、的变化从一种相转变为另一种相叫同素异形或固态相变一 种具有相同的化学成份不同的晶体结构的金属叫做同素异形体这将在以后讨论 bbc 体心立方可以描述为一个立方体的八个角和单元体的中心有一个原子如铁碳钢铬 钼和钨 4 of 15 module008 american welding society moody international fcc 面心立方可以想象为在立方体的八个角 和其六个面的中心均有一个原子如铝铜镍和奥 氏体不锈钢 bct 单位晶格就像基本 bcc 一样只是沿一轴 线方向伸长变为矩形并在中心有一原子由迅速淬 火形成的钢的一种相态马氏体就是 bct 结构 而 hcp 单位晶格是六方

14、棱体它可以想像为在棱 体的上下顶面有二个六角形六边形而中心有一原 子并在每个六角点上均有一原子每个顶上的各有 一个原子的三角形位于上下六角形顶之间通常具有 hcp 结构的金属为锌镉及镁 图图85-金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构 图图 金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构 金属的固化金属的固化 金属的固化金属的固化 金属是由众所周知的晶核成形并增长的过程凝固 成晶状结构的一旦冷却原子簇在晶格掺杂处或液固交界处如熔化焊接金属与冷却的未熔化的热影 响区之间的交界处凝固这些原子簇称为晶核并大量出现在焊缝金属中核试图附着在焊缝交界处的 热影响区中已有的颗粒上原子继续凝固并附

15、着到晶核上每个晶核沿着可能的方向长大同时原子 按照一定的晶格结构进行排列并形成不规则形状的晶粒或晶体 图 86 所示的是当焊缝金属凝固时焊缝金属晶粒形成的过程在图 86a 中可见最初的晶体是在 焊缝交界处形成的图 86b 随着初始晶核的长大固相晶粒形成因为晶核取向方位不同当相近晶 粒长在一起时就形成了颗粒的边界图 86c 是焊缝金属完成了固化晶粒边界可以被认为是不连续 因为它代表原子统一排列的中断从前面的讨论中我们可知残余应力存在于固化的金属中 金属机械性能取决于晶粒的大小小晶粒的金属将会有更高的室温拉伸强度因为当材料受应力时 晶格边界会试图阻止单个晶粒的变形然而当温度升高在边界上的原子更容易

16、移动并滑过另一个原 子造成了高温下材料强度下降所以细小晶粒的材料更适用于室温和底温环境而粗晶粒材料适用 于高温条件总的来说细晶粒金属具有更好的延伸性缺口韧性及疲劳性能 5 of 15 module008 american welding society moody international 在进一步讨论前让我们迅速回顾一下金属就是由原子以有秩序排列形成的晶状结构这种有序 形式或排列就是我们所知的相可由一单位晶格来描述金属从许多位置迅速固化并且以可能的 方向长大并形成晶粒单个晶粒间的结合处被称为晶界晶粒的大小决定了晶粒边界区的数量进而某 种程度上决定了金属机械性能 合金化合金化 合金化合金化

17、金属的特性可因其它元素的加入而改变这些其它元素可以是也可以不是金属这种技术叫合金化 这种技术产生的金属称为合 金例如金属元素锌加入 金属铜形成铜合金非金 属碳是加入铁中形成钢合金 的一种合金元素 合金元素根据原子相对 尺寸以各种方式包含在母材 晶格点阵中单个原子的普 通排列小的原子如碳氮 及氢会在占居原子间的位 置这就是间隙合金化在 图87 中以二维空间图显示 少量碳占居钢中的铁原子的间隙就是这样的例子 如果合金元素的原子与母材原子在大小上接近合金元素就会占居并取代就是说它们取代母材在 晶格点阵上的原子这称为替代合金化如图 88 所示铜在镍中及镍在铜中就是这种合金的例子 就象晶粒边界一样合金元

18、素的加入在晶格点阵中 形成不规则如图 87 和 88 所示由于合金元素的存 在使得原子的吸引和排斥在某种程度上变化导致了晶 格排列的变形这使得金属内部的能量增加并能改善 金属的机械性能 几乎所有的工程金属都是合金都是由一主要元素 加入不同量的一种或几种元素形成的通常合金由许 多任意方向的晶粒组成每一个晶粒以其特定的方式排 列并且含有一个或几个特有的相如果有多个相存在 每个相将会有其自己的特有的晶体结构 碳钢的微观组织构成碳钢的微观组织构成 碳钢的微观组织构成碳钢的微观组织构成 呈现在金属合金中的晶粒的排列晶界和存在的各 种相叫微观组织微观组织是形成合金性能的主要因 素该组织受合金的成份及含量以

19、及其它因素如成型 和热处理的影响焊接操作极大地影响微观组织从而 影响合金的性能 虽然所有金属呈现不同的微观结构本章仅讨论 发生在普碳钢中的变化普碳钢是铁与碳的合金它也 可能包括其它合金元素但在微观组织中它们产生的影 响远不及碳那么大 6 of 15 module008 american welding society moody international 为了介绍本章了解铁和钢在他们结晶过程 中由于温度改变所经历的变化是非常重要的 即当铁-碳合金被加热或冷却时相变发生了 这一现象的发生使我们知道了某些合金的机械性 能可通过不同的热处理来改变为了解所发生的 相变金属学家用一个图表或者是相图图解

20、展 示了铁-碳系统各种微观结构的范围也叫铁- 碳相图如图 89 所示 该图描述了铁-碳合金中在近似均衡状态下 即非常缓慢的加热及冷却时各种相的自然状态 需要说明的是这些微观组成有多个名子并相互 穿插例如室温下的纯铁叫 alpha 铁或铁素体 碳化铁在室温下出现的叫渗碳体或 fe3c 在 中间温度出现的面心立方结构叫奥氏体或 gamma 铁 观看相图会注意到竖线代表温度变化而横线表示碳含 量所以对于一给定的含碳量一条垂直线可以在横轴的 交叉点拉出并向上延伸可以确定不同温度下的各种微观结 构 如横轴下的标注所示钢包括含碳量从 0008 到 2 的铁-碳合金在此范围内以共析点08的碳含量为 分界线钢

21、又分为低碳亚共析体共析体和过共析体亚共 析体是那些含碳量低于 08 的钢在室温下以珠光体和铁 素体的共熔体存在与之相对应的过共析体是含碳量大于 08 的钢在室温下以珠光体和渗碳体形式存在共析钢 准确的08碳含量室温均衡微观组织为纯珠光体珠 光体是渗碳体和铁素体层状混合物通过抛光和酸蚀技术揭示了图 810-812 所示的微观组织 图 810 为典型的工业纯铁的结构几乎不含碳 图 811 为典型的珠光体的外貌特征抛光酸蚀后在高倍显微镜1500x 下观察亮的区域为铁 素体黑的为渗碳体 发生在钢中的一个重要转变就是室温下各种相铁素体珠 光体渗碳体或混合物转变为奥氏体它是铁和碳的面心立方 结构一旦被加热

22、这种转变将在 1333f 开始代表相变温度 的横线为a1 除含碳量为 08的共析百分点外这种相变发生 在温度超出一定范围时而且相变只有在超出称为 a3 线斜线 以上才能全部完成工业纯铁转变在 1670f 完成而共析钢 将在 1333f 完成 7 of 15 module008 american welding society moody international 一旦很慢地冷却相同转变将会反向发生这一转变的存在允许我们利用各种热处理方法硬化或软化钢 材当钢被加热到奥氏体范围时然后缓慢地冷却通过这个相变区域最终形成的微观组织将会有珠 光体这种结构只有当时间充足使原子扩散到晶格排列中才能形成扩散

23、是原子在固态金属结构中的 简单迁移温度越高原子在晶格点阵中的移动越容易当从奥氏体以足够慢的速度冷却珠光体将形 成被热处理产生珠光体的钢通常都比较软且延展性好当从奥氏体区域以较快速度冷却时对给定 的合金将会有一个重要的相变首先这一转变将发生于较低的温度其次微观组织发生剧烈的变化 导制钢的硬度和拉伸强度明显增加相应地延展性降低在较快的冷却速度下所产生的基本微观组织 包括细珠光体贝氏体和马氏体 冷却速度的轻微增加相变温度有某种程度的下降产生一种较细的层次距离较近的珠光体结构 这种结构比粗大的珠光体硬度高而延展性有某种程度地降低冷却速度继续增加相变温度更低珠 光体不再形成代之为贝氏体这种结构是针状碳化

24、铁以羽毛状排列于铁素体的混合物贝氏体具有明 显的高强度硬度和较低的延展性并且很难在显微镜下观察到 一旦冷却速度很快或者是淬火没有足够的时间发生扩散导制一些碳原子被网格所捕获如果冷却速 度足够地快碳含量足够地高将形成马氏体马氏体的形成是一种非扩散过程冷却速度是如此之 快以至于原子没有时间向周围运动奥氏体到马氏体的转变是由于剪切型的或机械作用的结果所 导致的晶格结构叫做四角体心结构它是体心立方扭曲成为直角的结果由于这种网格扭曲排列的存在 马氏体呈现出较高的内能或应变从而引起非常高的硬度和拉伸强度同时马氏体具有低的延展性和 韧性图 812 显示了在高倍放大镜500x 下的形貌 为了在不明显降低硬度和

25、拉伸强度的情况下改善马氏体的延展性和韧性一种叫做回火的工艺被采 用这种热处理方法由下列步骤组成重新加热淬过火的马氏体结构到低于低相变点的温度1333f 这种工艺使碳通过沉淀形成碳微粒使淬火态的不稳定的马氏体转变成回火态马氏体控制回火温度和 时间可以得到理想的强度和延展性较高的回火温度导致较软的和更具延展性的特性淬火和回火热处 理经常用于增强工具钢的性能与轧制退火或正火的特性比较因为它提高了屈服强度和拉伸强度 屈服强度与拉伸强度比并改善了缺口冲击韧性 8 of 15 module008 american welding society moody international 对于特殊的合金钢回火

26、温度不同产生的影响在图 813 中说明 为了帮助确定快速冷却所导致的微观结构冶金学家用另外一种叫做 ttt 图或是叫时间-强度- 相变曲线他们也叫做绝热相变图it 顾名思义它描述了特定的钢的成分在特定温度下经过一定 的时间产生的微观产物类似的图 cct 或者叫连续冷却相变曲线显示了从奥氏体区域连续冷却所发 生的变化这两种图吻合地很好图 814 描述了 8630 钢的连续冷却相变特性 此图表示了温度和时间共同作用下的微观产物图中所显示的不同的冷却速率说明了怎样使用曲线 图最终的相变产物依赖于冷却曲线所经过的区域以及冷却曲线通过此区域所需的时间例如曲线 a 仅通过奥氏体到马氏体区域所以最终微观组织

27、为 100的马氏体较慢的冷却曲线d 显示 了最终微观产物组成是铁素体加上少量的贝氏体和马氏体 因为马氏体只能从奥氏体转变而成任何 由奥氏体转变成的铁素体和贝氏体不能转变成马氏体 焊接冶金的考虑焊接冶金的考虑 焊接冶金的考虑焊接冶金的考虑 因为焊接将导致母材温度升高以及冷却 速率的变化了解焊接过程会导至怎样的微观 产物是很重要的 图 815 描述了焊缝各个区 的峰值温度与铁-碳化铁相图之间的关系 正如所见的根据靠近或在焊缝上点的位 置将产生各种不同的金相组织在焊缝中的 最高温度区金属能够从液态经过如前所述各 种不同的相区冷却下来临近焊缝的地方在 热影响区虽然没有熔化发生但可以达到的 高温热影响就

28、是这样一个区域它靠近焊缝 金属并且温度升高从低于相变点到低于钢的 熔点由于众所周知的接触淬火现象热影响 区的冷却速度处于最快冷却速率之中焊接条件的改变对各种相的形成具有很大的影响由于不同的焊 接条件对焊缝的冷却速度有明显的影响一些焊接条件如热输入量预热的使用母材的碳当量以及母 材厚度都可能导致金相组织改变 随着热输入的增加冷却速度的减小 使用较小直径的焊条较低的焊接电流快的运行速度将会 降低热输入 对任何弧焊工艺热输入是可以计算的它只要有电流电压和行走速度沿接头的纵向 轴线测得的热输入的公式如下 热输入 焊接电流 x 焊接电压 x 60 焊接速度 inmin 对于这个公式热输入以 jin 表达

29、如果焊接速度以 in分计焦尔可以以瓦秒来表示所以横 线上方的 60 将焊接的分转换成了秒焊接检验师可以通过监测焊接热输入从而达到最终控制发生在热 影响区微观组织特性的目的 另一项显著影响最终热影响区微观产物的因素是预热通常来讲使用预热将减小焊接热影响区的 冷却速度并改善延展性 当不使用预热热影响区相对变窄并显示高的硬度在某种情况下依 靠添加合金可以形成马氏体然而采用预热时热影响区变宽同时由于较低的冷却速率允许形成铁素 体珠光体甚至贝氏体代替马氏体最终导致硬度明显下降所以对特定焊接过程焊接检验师需监测 预热这一要求主要是为了降低热影响区的冷却速度并产生具有理想性能的微观结构 另一个有关焊接的重要

30、因素是碳当量因为碳对钢的硬化能力具有显著的影响淬硬性既 9 of 15 module008 american welding society moody international 金属从奥氏体温区冷却硬化或形成马氏体的能力我们最关心的是在特殊合金中硬化的概率钢中碳 含量越高越容易硬化 从某种程度上其他合金元素也会促进淬硬性因此碳当量成为一种经验性的表达方式用来 确定合金元素对钢的淬硬性的综合影响碳当量公式如下 ce c mn6 ni15 cr5 cu13 mo4 这一公式适用于碳和合金元素不超 05 的碳15的锰35 的镍1的铜和05 的钼的碳钢 及合金钢 一旦碳当量确定我们可以预测一个合适

31、的预热范围从而得到最佳的焊接效果下面的表列出了 针对各种范围的碳当量所建议的预热温度 碳当量碳当量 建议预热温度建议预热温度 碳当量碳当量 建议预热温度建议预热温度 到 045 可选 045 到 060 200 到 400f 060 以上 400 到 700f 参考上述数据和公式焊接工程师会粗步决定采用多大的预热温度达到目的虽然其它因素也会影 响这一决定但至少提供了一个起点 母材厚度对冷却速度也有影响一般来讲厚板中的焊缝其冷却速度大于薄板较大的热容量或热 衰退与较厚的截面对焊道产生快速冷却所以当焊接较厚截面时各种焊接要求如预热被用来减小冷 却速度改善最终的热影响区的机械性能所以当焊接厚截面时通

32、常增加预热和层间温度的要求有 助于降低最终冷却速度 热处理热处理 热处理热处理 前面已提到的一些金属的热处理方法他们可以在焊接前用于母材也可以用于已完成的焊缝从而 达到特定机械性能作为一个焊接检验师工作之一就是监测热处理的操作并保证时间和温度要求可以 被监测到 基本的热处理包括退火正火淬火回火预热焊后热处理和应力释放热处理 退火是一种软化处理用于增加金属的延展性但要损失强度为了完成退火金属被加热到奥氏体区域 保温按 1 小时英寸工件厚度或最低 1 小时然后缓慢地冷却冷却通常是通过关掉能源让工件 保留在炉内冷却到室温 正火也是软化金属但不如退火明显它被认为是均匀化热处理即使工件的金属结构均匀正火

33、 处理通过提高金属温度到其奥氏体区域保温较短的时间然后让其在静止的空气中冷却这种冷却比 炉冷快所以最终的性能与退火相比硬度和强度稍高一些而延展性有所降低正火处理的碳钢和低合 金钢通常可焊性是较好的 淬火处理与退火和正火不同点主要是前者最终的机械性能中强度和硬度明显增高而延展性有所降 低这种硬化处理是通过加温到奥氏体区保温一段时间然后马上将部件浸入一淬火介质诸如水 油盐水使其快速冷却淬火产物主要是马氏体结构该结构具有高的硬度强度和低的延展性为 了改善延展性同时不明显降低金属的强度通常采用回火处理回火是通过加热工件到低相变点保 温短暂时间让高应力马氏体结构有某种程度上应力释放然后冷却 采用预热正如

34、前面所讨论的降低了邻近焊缝的母材的冷却速度让一个非马氏体结构成分得以 生成预热是在焊接前适用焊后热处理是用减小残余应力并使在冷却和淬火过程中产生的硬的脆的 相得到缓和焊后热处理在焊后采用一般地讲其温度高于预热 剩下的热处理是应力释放热处理属于后热处理的种类这是前面所讨论的一种降低残余应力的方 法热应力释放是在低于相变点1333f温度下进行的通过逐步地并均匀地提高焊缝和母材的温度 将焊接过程中因局部加热产生的热应力得以释放 当温度提高时金属强度降低应力因而得到释放让残余应力得到释放并使金属性能得到恢复 10 of 15 module008 american welding society moo

35、dy international 部件在应力在得到适放后以适中的速率冷却这种方法有助于消除变形所带来的问题 还有两个有关焊接冶金方面的问题应该进行讨论这对焊接检验师了解各种冶金变化的基本物理 原理很有帮助这就是扩散和固溶 扩散 扩散 扩散扩散 我们知道原子在液态下更容易运动然而在某种情况下原子即使在固态中也能改变位置事实 上任何原子都可以从其原来的位置一步步地漫游离开在固态中原子位置的改变叫扩散 一个扩散的例子可以观测到如果光滑扁平的铅和金的 板条被紧密地夹在一起见图 816如果他们在室温下被夹 在一起几天时间当夹子去掉后这两个金属薄板依然还粘附 在一起这种粘附是由于铅金两种原子彼此迁移扩散到

36、对方 并形成了很弱的金属键的结果这种键很弱在其结合面上使 劲吹一下就会使其分开如果两种金属温度增加扩散也会 增加当温度高于两者的熔点完全的混合就会发生 另一种扩散发生在当含氢气体存在于熔化金属的附近 时如焊缝通常的氢来自于潮湿空气h2o 或者是被焊 接的表面上的有机物质金属上发现的许多污染物通常是有机 化合物像油脂等等他们的化学组成中含有氢焊接产生的热会打破水或有机污染物成为单个的原 子其中包括氢原子h 氢原子很小很容易扩散到母材金属结构中当他们进入母材中氢原子重新组合成氢分子h2 两个原子的结合大于单个氢原子这些大的氢分子常会被金属中的不连续诸如晶界或夹杂捕获氢分 子由于尺寸较大因而在金属结

37、构内会产生较高的应力这对于低延展性的金属很容易产生裂纹氢致 裂纹常叫做焊道下裂纹或延迟裂纹 克服氢致裂纹的主要方法是消除氢的来源首先要清理所有焊接表面其次是规定低氢焊条用于碳 钢和合金钢这些低合金钢焊条通常含很低的氢但他们也需要进一步处理避免在密封包装箱内打开 后吸潮在消除吸氢的方法中预热也是一种有效的方法因为氢在 200 450f 时会从金属中逸出 这些方法对于降低裂纹敏感性以及钢中的氢致裂纹有所帮助 固熔固熔 固熔固熔 我们大多数人都知道一般的固体溶于液体的现象加入一勺盐到一杯水中搅拌盐会溶于水中然 而我们大多数人对一种固体溶入另一种固体并不熟悉如前面举的铅和金例子两种金属通过扩散 从而彼

38、此固溶返回到我们所举的水和盐例子中如果盐加多了我们会发现无论我们如何搅拌一部 分盐都不会溶解 这是因为那些体积的水在当时的温度下已经达到了临界溶解极限无论怎样搅拌也不会溶解更 多的盐为了溶解更多的盐无论是水的体积还是温度都需要增加这就是我们所看到的对于固体溶 解于液体其临界溶解度依赖于液体浓度和温度金属的属性与其相似除了通过扩散两种固体会彼 此互溶 但是就象盐和水一种固体溶解于另一固体也有限度并且该限度也受影响金属温度越 11 of 15 module008 american welding society moody international 高溶解的第二种元素越多这样我们可以得到两种金属结合而成的合成金属当然随着 增加扩散和溶解都会增加 我们利用固体相溶的例子是利用它来增加钢的表面硬度如果钢被置入碳颗粒的床中然后加热到 大约 16001700f这一温度低于碳和钢的熔点一些碳渗入溶解钢的表面增加的碳使钢的表 面变硬提高耐磨性这一工艺叫渗碳达到硬化的目的 同上在与渗碳相同