第1章金属材料

1、第第1章章 概述概述_第第2章章 焊接性及其试验评定焊接性及其试验评定_第第3章章 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接_第第4章章 不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢及耐热钢的焊接_第第5章章 有色金属的焊接有色金属的焊接_第第6章章 铸铁焊接铸铁焊接_第第7章章 先进材料的焊接先进材料的焊接_第第8章章 异种材料的焊接异种材料的焊接_补充：堆焊补充：堆焊1.1 材料在工程中的发展及应用材料在工程中的发展及应用_ 1.1.1 钢结构的发展及应用钢结构的发展及应用_ 1.1.2 有色金属的的发展及应用有色金属的的发展及应用_ 1.1.3 先进材料的发展及应用先进材料的发展及应用_1. 2 本课程的任务、内

2、容及特点本课程的任务、内容及特点_ 1.2.1 本课程的目的和任务本课程的目的和任务 1.2.2 本课程的内容和教学任务本课程的内容和教学任务第第1章章 概概 述述_ _1.1 材料在工程中的发展及应用材料在工程中的发展及应用材料材料和和结合手段结合手段密不可分，相互促进，不断发展密不可分，相互促进，不断发展20世纪初，电弧技术用于钢铁产品世纪初，电弧技术用于钢铁产品焊接与钢结构飞速发展焊接与钢结构飞速发展2005年：年：3亿亿T（美俄日）（美俄日） 1.1.1 钢结构的发展及应用钢结构的发展及应用钢铁材料钢铁材料的研究和开发受到重视的研究和开发受到重视 合金结构钢合金结构钢近近30年来受到世

3、界各国的普遍重视，年来受到世界各国的普遍重视，并将成为今后若干年材料发展的基本方向。并将成为今后若干年材料发展的基本方向。钢种钢种 品质品质表表1-1 国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例表表1-2 主要工业部门对低合金钢的需求主要工业部门对低合金钢的需求 主导主导：金属材料：金属材料 发展发展：超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢：超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢合金结构钢合金结构钢：综合性能优异，经济效益显著，是焊接：综合性能优异，经济效益显著，是焊接 结构中用量最大的一类工程材料结构中用量最大的一类工程材料 预计在今后依然是主要的工程材料预计在今后依然

4、是主要的工程材料焊接结构发展特点焊接结构发展特点：高参数、轻量化、大型化：高参数、轻量化、大型化工程工程结构结构1、低合金钢的发展低合金钢的发展(三个阶段三个阶段):1) 20世纪世纪20年代以前年代以前:工程钢结构的制造：主要采用铆接工程钢结构的制造：主要采用铆接设计参数：抗拉强度设计参数：抗拉强度钢的强化：钢的强化：碳以及单一合金元素碳以及单一合金元素，如，如Mn、Si、Cr等等 质量分数达到质量分数达到2%3%2) 20世纪世纪2060年代：年代：逐步采用：焊接技术逐步采用：焊接技术设计参数：考虑材料屈服强度、韧性和焊接性要求设计参数：考虑材料屈服强度、韧性和焊接性要求钢的化学成分：向钢

5、的化学成分：向低碳多元合金化方向低碳多元合金化方向发展，发展， 碳的质量分数一般在碳的质量分数一般在0.2%以下以下 含含24个有利于焊接性的合金元素个有利于焊接性的合金元素3) 20世纪世纪70年代以后年代以后:碳的质量分数：碳的质量分数：0.1%以下，向超低碳含量发展以下，向超低碳含量发展合金元素：合金元素： Ti、V、Nb等微合金元素引起关注等微合金元素引起关注 向多元复合合金化方向发展向多元复合合金化方向发展 我国低合金钢的开发起步于我国低合金钢的开发起步于20世纪世纪50年代末、年代末、 60年代初，正处于国际上低合金高强钢新的发展阶段。年代初，正处于国际上低合金高强钢新的发展阶段。

6、低合金钢的发展趋势：低合金钢的发展趋势：1、高强度、高强度 20世纪世纪70年代以后，美国开发出年代以后，美国开发出HY100钢（钢（s690MPa）和）和HY130钢（钢（s895MPa），以及具有更），以及具有更高抗破断性能的高抗破断性能的HY100(T)和和HY130(T)高强钢，用于海高强钢，用于海军潜艇及核潜艇的耐压壳体。军潜艇及核潜艇的耐压壳体。 日本在美国日本在美国T-1钢基础上开发出钢基础上开发出HT和和WEL-TEN系列钢，系列钢，s：6001000MPa2、提高耐热性、提高耐热性 Cr-Mo耐热钢中增加耐热钢中增加Cr含量和添加含量和添加V和和W，使，使耐热性比耐热性比9C

7、r-1Mo钢进一步提高钢进一步提高焊接性是影响合金结构钢推广应用的关键焊接性是影响合金结构钢推广应用的关键发展主线：改善焊接性发展主线：改善焊接性重要标志：含碳量的降低重要标志：含碳量的降低 淬火淬火-回火回火(Quenching-Tempering)钢：多元微合金化钢：多元微合金化 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢：控轧控冷钢：控轧控冷 C %0.03%，明显改善了钢的焊接性，明显改善了钢的焊接性管线钢：管线钢：X52X80 C %:0.1%0.14%0.01%0.04% Ceq:0.45%0.35% 显微组织：显微组织：F+P极低碳极低碳B

8、抗氢致裂纹能力提高，缺口冲击韧度提高，抗氢致裂纹能力提高，缺口冲击韧度提高，抗应力腐蚀要求提高抗应力腐蚀要求提高钢的强化方式：固溶强化、沉淀强化、位错强化、钢的强化方式：固溶强化、沉淀强化、位错强化、 热处理强化、细晶强化等热处理强化、细晶强化等细晶强化：同时提高强度和韧性细晶强化：同时提高强度和韧性细晶强化的理论依据：细晶强化的理论依据： Hall-Petch关系式关系式 s =0 + Kd-1/2 0铁素体晶格摩擦力铁素体晶格摩擦力 K 常数常数 d晶粒直径（广义）晶粒直径（广义） 铁素体：晶粒直径铁素体：晶粒直径 贝氏体和板条马氏体：板条尺寸贝氏体和板条马氏体：板条尺寸 随着随着d s

9、；随着晶粒变细，钢材的屈服强度；随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其随其-1/2次方增加。同时，冲击韧度也明显增加。次方增加。同时，冲击韧度也明显增加。TMCP钢：晶粒直径达到钢：晶粒直径达到1015md=1m：超细晶粒钢，：超细晶粒钢， s：400MPa 800MPa 钢的纯净化（钢的纯净化（WP+S+O+N+H0.005%）、均匀化和晶）、均匀化和晶粒超细化（约粒超细化（约1m），可使钢的强韧性获得大幅提高。），可使钢的强韧性获得大幅提高。防止晶粒长大的元素：防止晶粒长大的元素：Nb和和Ti低合金结构钢的生产：低合金结构钢的生产： 过去着重于过去着重于钢材本身性能钢材本身性能，偏重于脱氧提纯、

10、，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。加工成形和相变热处理。 最近注重最近注重从冶金角度入手从冶金角度入手，从根本上解决钢的焊接，从根本上解决钢的焊接性问题。通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等性问题。通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、工艺措施生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器钢等压力容器钢等大幅提高材料性能所依靠的先进工艺和制造技术：大幅提高材料性能所依靠的先进工艺和制造技术：1） 采用控扎控冷和控制杂质含量以及多元微合金化采用控扎控冷和控制杂质含量以及多元微合金化 生产新型高强度钢；生产新型高强度钢；2）采用定向

11、结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制）采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制 造涡轮叶片的高温合金；造涡轮叶片的高温合金；3）采用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如）采用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如 高熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高高熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高 温合金延长温合金延长10倍以上倍以上 钢的纯净化钢的纯净化显著提高了钢的冲击韧度和焊接接头显著提高了钢的冲击韧度和焊接接头的抗裂性，焊接性得到明显提高，相应的要求焊缝的抗裂性，焊接性得到明显提高，相应的要求焊缝金属不仅要实现洁净化，而且也要实现细晶化。金属不仅要实现洁净化，而且也要实现细晶

12、化。 焊缝的细晶化焊缝的细晶化可通过合金化完成细化晶粒的目的，可通过合金化完成细化晶粒的目的，使焊缝中出现足够量的针状铁素体是提高焊缝金属使焊缝中出现足够量的针状铁素体是提高焊缝金属强韧性的关键。焊缝中加入多种微量元素可抑制高温强韧性的关键。焊缝中加入多种微量元素可抑制高温奥氏体晶粒的长大，促使针状铁素体的形成。奥氏体晶粒的长大，促使针状铁素体的形成。2、合金结构钢的应用合金结构钢的应用特点：强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接特点：强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接 结构自重创造了条件结构自重创造了条件1）低合金钢）低合金钢 应用领域：建筑、桥梁、工程机械等应用领域：建筑、桥梁、工程机械等

13、 a）用于桥梁、海上建筑和起重机械等重要焊接）用于桥梁、海上建筑和起重机械等重要焊接 结构时，应根据结构的最低工作温度提出冲结构时，应根据结构的最低工作温度提出冲 击韧度的要求击韧度的要求 大气温度环境下，冲击吸收功（大气温度环境下，冲击吸收功（0， V型缺型缺 口试样）口试样）27Jb）车辆、船舶、工程机械等运行结构：采用焊接性）车辆、船舶、工程机械等运行结构：采用焊接性好的低碳调质钢可促进工程结构向大型化、轻量化和好的低碳调质钢可促进工程结构向大型化、轻量化和高效能方向发展。高效能方向发展。c）焊接无裂纹钢：制造液化气罐）焊接无裂纹钢：制造液化气罐 WCF-80钢：焊接裂纹敏感性小的高强度

14、焊接钢：焊接裂纹敏感性小的高强度焊接 结构钢，具有高抗冷裂性和低温韧性，用于结构钢，具有高抗冷裂性和低温韧性，用于 大型水电站、石化、漏天煤矿大型水电站、石化、漏天煤矿d）低碳调质钢：）低碳调质钢： b=700MPa，具有较好缺口冲击韧度，用于低温，具有较好缺口冲击韧度，用于低温 服役焊接结构服役焊接结构b=800MPa，用于工程机械、矿山机械制造中，用于工程机械、矿山机械制造中b1000MPa，工程机械高强耐磨件、核动力装置，工程机械高强耐磨件、核动力装置 及航海、航天装备及航海、航天装备2）锅炉和压力容器用钢）锅炉和压力容器用钢 要求：较高的高温强度、常温和高温冲击性能，要求：较高的高温强

15、度、常温和高温冲击性能， 抗时效性、抗氢和硫化氢性能、抗氧化性抗时效性、抗氢和硫化氢性能、抗氧化性 合金系：以提高钢材高温性能的合金元素（如合金系：以提高钢材高温性能的合金元素（如 Mn、Mo、Cr、V等等）为基础）为基础 各国锅炉和压力容器规程中对钢材的极限使用各国锅炉和压力容器规程中对钢材的极限使用温度有严格规定：温度有严格规定： 工作温度在工作温度在450以上应采用以上应采用Mo钢或钢或Cr-Mo钢钢 工作温度超过工作温度超过550，则应采用，则应采用2.25Cr-Mo钢或钢或 Cr-Mo-V钢。钢。 3） 船舶用低合金钢船舶用低合金钢 重视：焊接性和抗脆断性能重视：焊接性和抗脆断性能

16、特点：对特点：对C、Mn和其他合金元素的含量作了严格和其他合金元素的含量作了严格 控制控制 a） b250MPa 普通船舶用钢普通船舶用钢 (WC+WMn)/60.40% b）低合金高强钢：）低合金高强钢：W合金合金2%，须采用，须采用Al或或Nb、 V联合细化晶粒联合细化晶粒 c） b300MPa ，必须正火处理，提高低温，必须正火处理，提高低温 冲击韧度冲击韧度 d） b=400MPa ，热处理强化措施提高强度，热处理强化措施提高强度4）低温钢）低温钢 T工作工作-46，采用铝镇静低合金钢，采用铝镇静低合金钢 T=-60 -170，选用质量分数，选用质量分数1.5%8%镍钢镍钢 T达到达到

17、-170 ，选用，选用9%Ni钢和奥氏体钢钢和奥氏体钢 要求：保证良好焊接性的前提下，具有足够高的要求：保证良好焊接性的前提下，具有足够高的 低温韧性低温韧性 为保证低温韧性的要求，几乎所有的低温钢都应为保证低温韧性的要求，几乎所有的低温钢都应细化晶粒处理，一般为正火状态或调质状态供货。细化晶粒处理，一般为正火状态或调质状态供货。 低温钢应具有较好的焊接性，只有低温钢应具有较好的焊接性，只有WNi3%的镍钢的镍钢对多次重复的焊接热循环有一定的敏感性。对多次重复的焊接热循环有一定的敏感性。1.1.2 有色金属的发展及应用有色金属的发展及应用份额：金属材料总产量的份额：金属材料总产量的5%应用：航

18、空航天，逐渐扩展到电子、信息、汽车、应用：航空航天，逐渐扩展到电子、信息、汽车、 交通、轻工等交通、轻工等种类：铝、镁（地壳中含量最高）种类：铝、镁（地壳中含量最高） 铜、钛、锌、锡、镍、钼等铜、钛、锌、锡、镍、钼等 涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等物材料等分类：分类： 1）按基体金属：铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等）按基体金属：铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等 2）按组成合金的元素数目：二元合金、三元合金）按组成合金的元素数目：二元合金、三元合金 和多元合金和多元合金3）合金组分总的质量分数：）合金组分总的质量分数： 小于小于2.

19、5%的为低合金，的为低合金， 2.5%-10%的为中合金的为中合金 大于大于10的为高合金。的为高合金。1、铝及铝合金、铝及铝合金 占有比重：有色金属产量的占有比重：有色金属产量的1/3以上，第二大金属以上，第二大金属 铝合金特点：密度低、强度高、耐腐蚀、导电导热性铝合金特点：密度低、强度高、耐腐蚀、导电导热性 好、可焊接及加工性能好好、可焊接及加工性能好 应用：航空航天应用：航空航天 、汽车、高速列车、地铁车辆、飞、汽车、高速列车、地铁车辆、飞 机、舰船等交通运载工具中机、舰船等交通运载工具中 安全、节能和减少废气排放量等安全、节能和减少废气排放量等2、铜及铜合金、铜及铜合金 特点：较高的导

20、电导热性、抗磁性、耐蚀性和特点：较高的导电导热性、抗磁性、耐蚀性和 良好的加工性良好的加工性 应用：一般电器产品、高能物理、超导技术、应用：一般电器产品、高能物理、超导技术、 低温工程等低温工程等 纯铜：电线、电缆、雷管、化工蒸发器、储藏器及纯铜：电线、电缆、雷管、化工蒸发器、储藏器及 各种管道中各种管道中 新开发的无氧铜（高纯铜），在电真空器件新开发的无氧铜（高纯铜），在电真空器件 及高科技发展中有着不可替代的作用及高科技发展中有着不可替代的作用黄铜：价格比纯铜便宜，易于铸造和加工，在大气中黄铜：价格比纯铜便宜，易于铸造和加工，在大气中 具有足够的耐蚀性具有足够的耐蚀性 应用：日常生活中应用

21、：日常生活中青铜：锡青铜，在大气及热气体中具有很好的耐蚀性青铜：锡青铜，在大气及热气体中具有很好的耐蚀性 和焊接性，无磁性，耐寒耐磨和焊接性，无磁性，耐寒耐磨 应用：制作航空、汽车、电器、机械制造中的应用：制作航空、汽车、电器、机械制造中的 各种弹性元件及耐抗磁零件各种弹性元件及耐抗磁零件白铜：即铜镍合金白铜：即铜镍合金 特点：更高的耐蚀性，良好的力学性能和特点：更高的耐蚀性，良好的力学性能和 物理性能物理性能 铜镍二元合金铜镍二元合金+Fe、Mn、Zn，开发出各种白铜，开发出各种白铜3、钛及钛合金、钛及钛合金 战略金属战略金属 应用：汽车、航天和航空工业中应用：汽车、航天和航空工业中 日本神

22、户制钢公司已经开发出轿车和运动摩托车日本神户制钢公司已经开发出轿车和运动摩托车 排气系统用新型钛合金，最高温度可达排气系统用新型钛合金，最高温度可达800 美国汽车公司在汽车弹簧、发动机连杆和阀门上美国汽车公司在汽车弹簧、发动机连杆和阀门上 也采用了钛合金材料也采用了钛合金材料 在飞机机体制造方面，树脂基复合材料和钛合金在飞机机体制造方面，树脂基复合材料和钛合金 用量增加用量增加我国：钛合金的焊接性方面，开展了大量的工作我国：钛合金的焊接性方面，开展了大量的工作 1）开发的中强）开发的中强TC4、TA15钛合金已应用于钛合金已应用于J10、 J11飞机和人造卫星飞机和人造卫星 2）TB8超高强

23、钛合金：超高强钛合金：J11系列飞机后机身系列飞机后机身 3）高强、高韧）高强、高韧TC21钛合金已用于战斗机的钛合金已用于战斗机的 重要承力件等重要承力件等1.1.3 先进材料的发展及应用先进材料的发展及应用先进材料的定义：指除常规钢铁材料和有色金属之外先进材料的定义：指除常规钢铁材料和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的材料，已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等 先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用质

24、基础，焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用分类（按其使用性能）：结构材料和功能材料分类（按其使用性能）：结构材料和功能材料优点：高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点：高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等1、先进陶瓷、先进陶瓷 组成：由组成：由SiO2、Al2O3、MgO等发展到了等发展到了 Si3N4、SiC、ZrO2等等 粉末制备工艺：简单磨制发展到物理、化学方法粉末制备工艺：简单磨制发展到物理、化学方法 制备的超细粉末制备的超细粉末 先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊接技术对于推动先进陶瓷在工程中的应用起着极为重接技术对于推动先进陶瓷在工程中

25、的应用起着极为重要的作用。要的作用。突出优点：能耐更高的温度，好高温材料突出优点：能耐更高的温度，好高温材料 焊接难度：固有的脆性焊接难度：固有的脆性应用：新能源、航天以及海洋开发应用：新能源、航天以及海洋开发2、金属间化合物、金属间化合物 具有长程有序的超点阵结构，属于金属键结合，具有长程有序的超点阵结构，属于金属键结合，其晶体结构与组成它的两个组元的原子呈有序排列，其晶体结构与组成它的两个组元的原子呈有序排列，具有许多独特的物理、化学和力学性能，是一种很有具有许多独特的物理、化学和力学性能，是一种很有发展前景的高温结构材料。发展前景的高温结构材料。 Ni-Al系、系、Ni-Ti系和系和Fe

26、-Al系金属间化合物的开发系金属间化合物的开发趋于成熟，应用广泛趋于成熟，应用广泛1）Ni3Al在在950时获得时获得660%的超塑性，的超塑性，Ni3Al 电热丝在电热丝在1000的工作寿命超过了的工作寿命超过了Ni-Cr丝丝2） Ti3Al的合金化、工艺、组织结构控制等取得较大的合金化、工艺、组织结构控制等取得较大 进展，在航空航天应用十分广泛进展，在航空航天应用十分广泛3） Fe3A1金属间化合物能够满足在发动机零部件、金属间化合物能够满足在发动机零部件、 电磁元件、熔炉高温装置以及航空航天、电力等电磁元件、熔炉高温装置以及航空航天、电力等 部门中的应用要求部门中的应用要求3、先进复合材料、先进复合材料 意义：复合材料的开发应用克服了单一材料所固有意义：复合材料的开发应用克服了单一材料所固有 的局限性的局限性 起始：起始：20世纪世