焊接基础知识(一)金属材料

1、1.2.1金属的结构和特性1.2.2合金及相图1.2.3铁碳合金1.2.4钢的生产1.2.5焊接接头的组织及性能1.2.6断裂及不同种类的断裂1.2.7母材及焊接接头的热处理1.2.8材料及其焊接接头的破坏性试验1.2.9结构（非合金）钢1.2.10高强钢的分类/1.2.1金属的结构和特性1.金属的分类2.金属的性能3.金属的晶体结构4.金属晶体的缺陷5.金属材料的微观组织6.金属的变形和再结晶1.2.1金属的结构和特性1.金属的分类金属轻金属比重4.5克/立方厘米铝、钛、镁重金属比重4.5克/立方厘米熔点500 10002000 2000铅 铜 钼锡 锰 钽锌 镍 钨 铁 铬/1.2.1金属

2、的结构和特性2.金属的性能金属最显著的特点是有光泽。1）具有优良的导电性和导热性2）金属在凝固时，将使其组织尽量可能的紧密，如果把结构组员看作球体，金属组织即为最紧密的球状排列3）金属具有良好的可变形性和强度/1.2.1金属的结构和特性3.金属的晶体结构 根据固态金属材料内部原子的排列的有序性可以将其分为非晶体和晶体。绝大部分的金属和合金都属于晶体。常见的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格/1.2.1金属的结构和特性3.金属的晶体结构铬Cr、钼Mo、-铁（ -Fe）铝Al、镍Ni、-铁（ -Fe）镁Mg、锌Zn/1.2.1金属的结构和特性4、金属晶体的缺陷 在实际晶体中，由于原子的热

3、运动及晶体的形成条件和冷、热加工过程及其他因素的影响，晶体中原子的排列不可能是规则和完整的。我们将晶体中偏离完整性的区域称为晶体缺陷。/1.2.1金属的结构和特性4、金属晶体的缺陷/1.2.1金属的结构和特性5、金属材料的微观组织5.1单晶体和多晶体 当整块金属晶粒呈相同的位向或只有一个晶体时，称为单晶体。 实际的金属多由位向不同的许许多多小晶粒组成。晶粒之间为晶界，称为多晶体。/1.2.1金属的结构和特性5、金属材料的微观组织/1.2.1金属的结构和特性5、金属材料的微观组织5.2金属的固态相变 有些金属固态下不同温度或不同压力范围内具有不同的晶体结构，即多晶型。5.3同素异构转变 金属在固

4、态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。构转变。 具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母，等表示。等表示。/1.2.1金属的结构和特性5、金属材料的微观组织纯铁的同素异构转变1.2.1金属的结构和特性5、金属材料的微观组织金属的同素异构转变也是形核和晶核长大的过程。特点：需要较大的过冷度 晶格的变化伴随金属体积的

5、变化，转变时会产生较大的内应力 新晶格的晶核在晶界处形成金属材料的晶粒越细，晶界面积越大，则金属材料的强度越高，塑性越好。/1.2.1金属的结构和特性6、金属的变形和再结晶6.1弹性变形 当外力消除后，金属能恢复原来形状的变形，称为弹性变形。6.2塑性变形 当材料受到外力的作用，卸荷后仍不能消失的变形称为塑性变形。金属材料受外力的作用会发生变形，变形后受热可能引起回复或再结晶现象。/1.2.1金属的结构和特性7、晶粒的粗细对焊接的影响金属的晶粒越细，晶界的总面积越大其塑性变形的抗力强度便越大。金属的晶粒越细，在外力的作用下，有利于滑移和参与滑移的晶粒数目也越多，变形所受的力能由更多的晶粒承担，

6、不至造成焊接结构的应力集中，推迟裂纹的产生。表现为塑性提高。在强度和塑性提高的同时，晶粒细小，晶界总面积越大，能提高材料的韧性。/1.2.1金属的结构和特性8、金属的冷塑性变形对组织和性能的影响对组织的影响 金属发生冷塑性变形后，晶粒发生变化，原本等轴的晶粒沿变形方向相应地被拉长和压扁。当变形量很大时就形成纤维组织。这种组织沿纤维方向的力学性能比垂直方向高得多。 金属无变形或变形很小时，金属晶格位错是均匀的。 /1.2.1金属的结构和特性/1.2.1金属的结构和特性8、金属的冷塑性变形对组织和性能的影响对性能的影响 随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，材料发生加工硬化。

7、金属发生塑性变形后，会使金属内部变形发生不均匀现象，金属内部会产生残余内应力，会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件的变形和开裂。 /1.2.1金属的结构和特性9、回复和再结晶 冷塑性变形的金属，晶格畸变严重，晶粒碎化，金属内部残留内应力，使金属处于不稳定的高自由状态。故冷塑性变形的金属在加热时，原子的活性增加，就会发生一系列的组织与性能的变化。随着加热温度的不断升高，这种变化分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。/1.2.1金属的结构和特性9、回复和再结晶回复 冷变形金属在较低温度加热时，新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构状态和性能变化阶段。去应力退火。再结晶 指当冷塑变形的金属加热到较

8、高温度时，由于原子的活性增加，原子可以离开原来的位置重新排列，原由变形所畸变的晶粒通过形核和晶粒的长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织恢复金属性能的状态。晶粒长大 随着温度不断升高或保温时间的增加，晶粒之间会发生互相吞并现象。/1.2.1金属的结构和特性9、回复和再结晶 晶粒的吞并与长大/1.2.2合金及相图1.纯金属和合金2.常用合金元素3.合金相结构4.强化机理5.时效6.机械性能/1.2.2合金及相图1、 纯金属与合金 金属：金属是一种具有光泽、富有延展性、导电性、导热性等性质的物质。合金：由两种以上金属或非金属组成具有金属性质的物质。组元：组成合金所必须的并能独立存在的物质。化学元素

9、 二元合金、三元合金、多元合金相：合金中具有同一化学成分，同一结构以界面相互分开的均匀组织成分。/1.2.2合金及相图2、 常用合金元素钢是碳含量小于2.11%的铁碳合金。有益元素 锰Mn 具有很好的脱氧能力，与硫S形成MnS，从而消除硫S的有害作用。一般不超过0.8%。 硅Si 硅的脱氧能力比锰还强，能提高钢的强度和质量。一般不超过0.4%。有害元素 硫S 常以FeS存在。使钢材变脆，形成热裂纹。一般不超过0.05%。 磷P 使钢在低温时变脆，形成冷裂纹。一般不能超过0.04%。 氢H 会造成氢脆和白点缺陷。/1.2.2合金及相图3、合金相结构指合金组织中相的晶体结构。合金中的相主要有固溶体

10、和金属化合物两大类。固溶体置换固溶体间隙固溶体 金属化合物合金组元间发生作用而形成新的相。一般为复杂的晶体结构。/1.2.2合金及相图4、强化机理冷作硬化 在再结晶温度以下对材料进行塑性变形来提高其强度。固溶强化 形成固溶体时，由于溶质原子的加入，将会使溶剂元素的晶格发生畸变，导致塑性变形抗力增加，而使固溶体强度、硬度提高。沉淀强化 通过析出物阻碍位错在基体晶格中的移动。故又称析出强化。细晶强化 热处理强化 钢的正火处理可以提高钢的强度。由于快速冷却时碳的扩散受阻，可导致屈服强度的提高。/1.2.2合金及相图4、强化机理间隙固溶体晶格畸变置换固溶体晶格畸变正畸变负畸变/1.2.2合金及相图5、

11、时效时效是指在一定的时期内能够发生的效用。时效的主要原因是钢中存在氮元素，由于在晶界上或滑移面上析出自然氮或铁氮化合物，从而降低钢的变形能力。/1.2.2合金及相图6、机械性能/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金基本组织2、铁碳合金相图3、钢的冷却转变/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织1）铁素体F 碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。符号：F 体心立方晶格溶解能力：溶解度很小，在727时，碳在-Fe中的最大溶碳量为0.0218%，随温度的降低逐渐减小。性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳

12、合金的基本组织2）奥氏体A 碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。符号：A， 面心立方晶格溶碳能力：较强。在1148时可溶C 为2.11%，在727时，可溶C为0.77%。性能：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织3）渗碳体Fe3C或Cm 含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。符号：Fe3C或Cm ， 复杂斜方晶格溶碳能力：较强。含碳量为6.69%性能：高熔点（1227）、高硬度（9501050HV），塑性几乎为零，脆性极大，是钢的主要强化相。在适当的条件下，渗碳体可分解为铁和石墨状的自由碳，对铸铁

13、的形成过程具有重要意义。/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织4）珠光体P 铁素体与渗碳体的混合物符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。溶碳能力：在727时，C=0.77%性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。/1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织5）莱氏体Ld 含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。符号：Ld（高温莱氏体，温度727）由于奥氏体在727时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。Ld表示溶碳能力：C=4.3%性能特点：硬度很高，塑性很差。/

14、1.2.3铁碳合金相图1、铁碳合金的基本组织/1.2.3铁碳合金相图2、铁碳合金相图/1.2.3铁碳合金相图2、铁碳合金相图 1）相图中七个特性点/1.2.3铁碳合金相图2、铁碳合金相图 2）相图中六条特征线/1.2.3铁碳合金相图2、铁碳合金相图 3）铁碳合金室温组织及分类 /1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 钢在室温时的组织和性能，不仅与加热时获得的奥氏体的均匀化程度和晶粒大小有关，更重要的是与奥氏体在冷却时的组织转变有关。/1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 1）奥氏体的等温转变 奥氏体在A1线以上为稳定相，当冷却到A1线以下而尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一定时间的等温保持，就可以得到新的稳定相，称为奥氏体的等温转变。 表示过冷奥氏体的等温转变、转变时间和转变产物之间的关系曲线称为等温转变曲线。/1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 /1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 /1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 /1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 /1.2.3铁碳合金相图3、钢的冷却转变 过冷奥氏体等温转变产物的组织及硬度简要归纳