复旦大学 《金属材料制备与加工》

1、金属材料制备与加工目录金属材料制备与加工冶金铸造压力加工热处理焊接冶金冶金的基本概念冶金是指从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的过程。钢铁冶金：铁、钢及铁合金(如锰铁、铬铁)的生产有色金属冶金：各种有色金属的生产冶金方法火法冶金：在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的金属和杂质分开，获得较纯金属。分为原料准备、冶炼和精炼三个工序。湿法冶金：在常温或低于100下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来。包括浸出、分离、富集和提取等工序。电冶金：利用电能提取和精炼金属。电热冶

2、金：利用电能转变成热能，在高温下提炼金属，本质上与火法冶金相同。电化学冶金：用电化学反应使金属从含金属的盐类的水溶液或熔体中析出，前者称为溶液电解，如铜的电解精炼；后者称为熔盐电解，如电解铝。冶金生铁冶炼高炉法：铁矿石、焦炭和熔剂从高炉炉顶装入，热风从高炉下部风口鼓入，随着风口前焦炭的燃烧，炽热的煤气流高速上升，下降的炉料受到上升煤气流的加热作用，首先吸附水蒸发，然后被缓慢加热至8001000。铁矿石被炉内煤气CO还原，直至进入1000以上的高温区，转变成半熔融的黏稠状态，在12001400的高温下进一步还原，得到金属铁。金属铁吸收焦炭中的碳，进行部分渗碳之后，熔化成铁水。铁水中除含有4%左右

3、的碳外，还含有少量的Si、Mn、P、S等元素。铁矿石中的脉石也逐步熔化成炉渣。铁水和炉渣穿过高温区焦炭之间的间隙滴下，积存于炉缸，再分别由铁口和渣口排出炉外。高炉炼铁过程示意图1 料车；2 上料斜桥；3 高炉；4铁渣口；5 风口；6 热风炉；7重力除尘器；8 文氏管；9 洗涤塔；10 烟囱冶金生铁冶炼高炉冶炼基本原理铁氧化物还原为金属铁，是高炉内最主要的化学反应。其他元素Fe、P、Zn几乎能全部被还原。Si、Mn、V、Ti、Cr、Cu、Pb等只能部分被还原。Ca、Mg、Al等完全不能被还原。还原反应：还原剂X夺取金属氧化物MeO中的氧。MeO+X=Me+XOMeO-被还原氧化物；Me-金属；X

4、-还原剂。还原反应发生的热力学条件是还原剂生成的产物XO稳定性比被还原氧化物MeO强。氧化物的稳定性可用氧化物的标准生成吉布斯自由能大小来表示。还原剂主要有固定碳(C)，CO和H2。冶金生铁冶炼高炉内氧化物的还原遵循逐级还原规律，对铁氧化物而言，其还原顺序为：温度大于570时，3 Fe2O32Fe3O46FeO6Fe温度小于570时，3 Fe2O32Fe3O46Fe(1) 用CO和H2还原矿石加入炉内后，在温度没有超过900、1000时，用煤气中CO和H2夺取氧化铁中的氧，生成CO2和H2O。在高炉冶炼中，凡是以CO作为还原剂，生成CO2的还原反应称为间接还原。以H2为还原剂生成H2O的还原反

5、应也归于间接还原。铁氧化物的间接还原反应式：(a)小于570，用CO作还原剂时，3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+4CO= 3Fe+4CO2(b)大于570，用CO作还原剂时，3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO= Fe+CO2(c)小于570，用H2作还原剂时，3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+4H2=3Fe+4H2O(d)大于570，用H2作还原剂时，3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O铁氧化物的间接还原以放热为主，低温有利于间接还原，主要发

6、生于高炉小于800的区域。铁氧化物中Fe2O3发生的间接还原为不可逆反应，不可逆转地被还原成Fe3O4，而其他铁氧化物发生的间接还原为可逆反应，所需还原剂浓度较高。在高炉冶炼条件下，铁氧化物不可能由间接还原全部还原成金属铁，还需要直接还原共同作用，才能将铁氧化物中的铁全部还原。冶金生铁冶炼(2) 用固定碳还原用碳作还原剂还原铁氧化物，生成CO的还原反应称为直接还原。矿石在到达高炉下部高温区之前，都已进行了相当程度的间接还原，残留下来的铁氧化物主要以FeO形式存在。用固定碳还原，在高炉内有实际意义的只有FeO+C=Fe+CO的反应。但是高炉内固定碳与矿石的接触面很小，直接进行反应的可能性不大。通

7、常认为直接还原要通过两步法进行，其反应实质如下：FeO+CO =Fe+CO2CO2+C=2CO即FeO+C=Fe+CO在上述反应中，虽然FeO仍与CO反应，但气体产物CO2在高炉下部高温区几乎100%和碳发生气化反应，直接消耗碳。高炉内出现间接还原和直接还原两种方式碳的气化反应控制了间接还原过程中气相的平衡成分。高炉内煤气流速很大，碳的气化很难达到平衡，一般要在1100以上才开始剧烈进行，所以高炉下部大于1100区域才是直接还原区。间接还原和直接还原以碳气化反应开始温度划分。I间接还原区：小于800III 直接还原区：大于1100II过渡区：8001100高炉内直接还原与间接还原的区域分布冶金

8、炼钢钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、锰、硫、磷五种元素。钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，生铁中含碳量大于2%，钢中含碳量小于或等于2%。含碳量的变化引起铁碳合金质的变化。钢的综合性能，特别是机械性能(抗拉强度、韧性、塑性)比生铁好得多，因而用途也比生铁广泛得多。因此，除约占生铁总量10%的铸造生铁用于生产铁铸件外，约占生铁总量90%的炼钢生铁要进一步炼成钢。炼钢：通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素。炼钢的基本任务：脱碳：在高温熔融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧化降低到所炼钢号规格范围内。去磷和去硫：把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号规格范

9、围内。去气和去非金属夹杂物：把熔炼过程中进入钢液中的有害气体(氢和氮)及非金属夹杂物(氧化物、硫化物和硅酸盐等)排除掉。脱氧与合金化：把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧(以FeO形式存在)从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素的含量调整到所炼钢号规格范围内。调温：按照熔炼工艺的需要，适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。浇注：把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭或连铸坯，以便下一步轧制成钢材，包括铸锭或连续铸钢。炼钢过程主要是氧化过程。冶金炼钢基本原理元素的氧化顺序：氧化顺序与各元素与氧的亲合力有关，与氧亲和力强的元素可以夺得更多的氧，首先大量氧化；反之，被氧化

10、得慢。元素与氧亲和力的强弱，常用该元素的氧化物分解压力表示(PO2)，PO2越低，说明氧化物越稳定，即生成该氧化物的元素越容易被氧化。T1400：Si、Mn、C、P、Fe1400T1530：C、Si、Mn、P、Fe实际生产中元素开始大量氧化的顺序，并不完全由元素与氧亲和力的大小顺序决定，还受元素在钢液中浓度的影响；当供氧量不足时，它们被氧化的可能性与氧亲和力的影响很大；如果供氧很足，每个与气泡接触的元素有机会与氧结合，因此，元素的含量多，被氧化的机会就多。在氧气顶吹转炉炼钢中供氧很充分，元素含量对元素氧化顺序的影响就十分明显。由吹炼过程中的金属成分可知，吹炼一开始Fe、Si、Mn即大量氧化，而

11、碳的氧化少量发生，碳的大量氧化是在Si、Mn基本氧化完了，熔池的温度上升之后。另外P、C不能同时氧化，但在氧气顶吹转炉操作中P往往与C同时氧化，并且吹炼前期P就被大量氧化去除，这是因为前期温度不太高，碳的氧化受到抑制，这时渣中(FeO)高，并有一定的碱度，且炉渣的流动性好，这有利于P的去除。冶金炼钢基本原理脱碳反应贯穿于炼钢全过程中的一个重要反应。作用：生成的CO气体排出时能够搅动熔池，促进化渣和传热，均匀温度和成分，加速金属和炉渣之间的物化反应，并能带走钢中的有害气体，如氮，氢和非金属夹杂物。C+O=CO+Q1 2C+O2=2CO+Q2 C+(FeO)=Fe+CO-Q3条件：提高温度能促进碳

12、与(FeO)的反应，主要发生在熔炼的中期，此时，熔池温度显著升高；加入大量的矿石、含氧化铁较多的氧化铁皮或吹入氧气等；改善炉渣的流动性。冶金炼钢基本原理硅的氧化和还原在炼钢过程中，初期原料中的硅将迅速氧化，放出大量的热，其反应为：Si+2O=(SiO2) Si+O2=(SiO2) Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe碱性炼钢法，加入石灰造渣，其反应为：2(CaO)+(SiO2)=(Ca2SiO4)此时，随渣(CaO)和(FeO)含量的增加，硅被迅速氧化至微量。相反在酸性钢渣及高温条件下，硅可从炉渣或炉衬中被还原而进入金属液体中。酸性炼钢的炉渣主要是(FeO)-(MnO)-(SiO2)，其中

13、SiO2的含量为50%，处于饱和程度。则发生硅的还原反应：2C+(SiO2)=Si+2CO降低炉渣的流动性，减少炉渣中的氧化铁的含量；增加金属中碳、锰量；提高熔池的温度，对硅的还原有利。冶炼过程中，钢液中的含硅量取决于两个相反过程的速度差：金属液中硅被O或渣中(FeO)氧化速度；硅从炉渣或炉衬被还原进入金属液体中速度。冶金炼钢基本原理锰的氧化和还原和硅一样，锰与氧有强的亲和力，很易被氧化。锰也通过与溶解在钢液中的氧、气相中的氧和炉渣中的氧化铁发生相互作用而被氧化： Mn+O=(MnO)Mn+1/2O2=(MnO） Mn+(FeO)=(MnO)+Fe 炼钢生产实践表明：在酸性渣炼钢时，金属液的氧

14、化较为完全，不会被还原，这是因为(MnO)属于碱性氧化物，大部分(MnO)将与渣中的酸性氧化物(SiO2)反应生成硅酸盐(2MnSiO3)，使MnO降低，相反在碱性炉渣中大部分(MnO)多以自然状态存在，所以锰易被还原。温度越高，锰还原越明显，炼钢末期钢液中的残锰较高。钢中碳也将促进锰的还原： (MnO)+C=Mn+CO2炼钢末期，往往用锰的还原情况来判断熔池的温度高低。冶金炼钢基本原理脱磷反应磷是有害元素，普通钢0.045%，优质钢0.040%，高级优质钢vk)冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。目的：为了得到马氏体组织提高工件的硬度和耐磨性，如工具、模具、滚动轴承等一些工件的淬火。提高弹簧

15、钢的弹性极限。可改善某些钢的物理性能和化学性能，如提高不锈钢的耐蚀性，增强磁钢的永磁性等。淬火工艺淬火温度选择钢的淬火温度主要根据钢的临界温度来确定。一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。在这样的温度范围内加热，奥氏体晶粒不会显著长大，并溶有足够的碳。淬火后可以得到细晶粒、高强度和高硬度的马氏体组织。加热时间的确定加热时间包括两个阶段，即升温阶段和保温阶段。通常把钢件入炉后炉温达到淬火温度的时间作为升温阶段，并以此作为保温时间的开始；保温阶段是指钢件完全热透并完成奥氏体化所需的时间。加热时间受钢的化学成分、工件尺寸、形状、装

16、炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等因素的影响，可根据热处理手册中介绍的经验公式来估算，也可由实验来确定。淬火冷却方法为了保证淬火质量，减少淬火应力、变形与开裂的倾向，选择淬火的冷却方式是关键。为了获得比较理想的淬火效果，需选择适宜的淬火介质和适当的淬火方法。淬火常用的冷却介质有水、盐水、碱水和油等。淬火方法：单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火预冷淬火冷处理不同淬火方法示意图 1单液淬火；2双液淬火；3，4分级淬火；5等温淬火；6预冷淬火回火回火：将淬火后的钢件重新加热到Ac1线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的工艺。淬火后的工件硬度高，脆性大。淬火后工件组织中的马氏体和残余奥氏体都是不

17、稳定相，而且淬火工件内部残留着淬火应力。所以除某些特殊情况外，钢在淬火后都要进行回火。回火目的：降低脆性，减小或消除内应力，防止工件产生变形与开裂。通过回火，可使马氏体和残余奥氏体充分分解，从而起到稳定工件组织和尺寸的作用，以保证工件在使用过程中不再发生尺寸和形状的变化。对于退火难以软化的某些合金钢，可在淬火或正火后采用高温回火，使钢中碳化物聚集长大而降低硬度，以利于切削加工。淬火工件通过不同温度的回火，可适当地调整其强度、硬度、塑性和韧性，以满足各种工件的需要。回火回火后钢的组织与性能变化马氏体分解在100以下回火时，淬火钢的显微组织没有变化，但马氏体中的碳原子已经发生了偏聚，但未开始分解。

18、在100200回火时，马氏体发生分解，固溶在马氏体中的过饱和碳原子脱溶沉淀而析出分子式为Fe2.4C的碳化物。这种碳化物以细小的薄片形式均匀弥散地分布在马氏体的基体上。由于加热温度低，马氏体中的碳并未全部析出，仍含有过饱和碳(w(C)0.2%0.3%)。所以，在200以下回火后，钢的组织是由过饱和的固溶体和碳化物组成，这种组织称为回火马氏体。残余奥氏体的分解在200300回火时，主要转变是残余奥氏体分解，一般转变产物为下贝氏体或回火马氏体。与此同时，马氏体的分解继续进行，在300时，固溶体中仍含有约0.1% C。但值得注意的是这一阶段的反应仅在高碳钢及合金钢中进行，低碳钢中则不明显。回火回火后

19、钢的组织与性能变化渗碳体的形成在300400回火时，在低温析出的亚稳相碳化物逐渐转变为稳定的Fe3C，刚形成的渗碳体呈细条状，逐渐转变为极细颗粒。同时，碳从过饱和固溶体中继续析出，达到平衡状态，成为铁素体。这时钢的组织为在铁素体基体上弥散地分布着细粒状渗碳体，这种组织称为回火屈氏体。在350500温度范围内回火，组织一般都是回火屈氏体。渗碳体的聚集长大及固溶体的回复与再结晶在400以上回火，渗碳体颗粒逐渐发生球化和聚集长大。在450以上回火，铁素体开始发生回复和再结晶，由针片状转变为等轴状晶粒。500600回火时，渗碳体全部球化，且颗粒较粗，弥散度较小，这时钢的组织为在铁素体基体上分布着球状渗

20、碳体，这种组织称为回火索氏体。回火回火后钢的组织与性能变化回火后的力学性能回火的本质是由不稳定组织转变为稳定组织。这种变化受到原子扩散的制约，而扩散能力的大小是由温度来决定的，所以回火的温度不同，获得的组织不同，造成力学性能上的差异，从而满足各种零件所要求的性能。淬火钢回火后的力学性能取决于基体相和第二相的性质。一般的说，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，塑性、韧性提高。但回火温度大于650，由于组织变得过分粗大又导致塑性降低。回火根据回火温度分为低温回火(150250)、中温回火(350500)和高温回火(500650)三种。低温回火后获得以回火马氏体为主的组织。降低应力和脆性，韧性有所提

21、高，保持工件具有高的硬度和耐磨性。应用于各种工具、模具、量具以及其他要求硬而耐磨的零件等。中温回火后所获得的组织是回火屈氏体。具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，主要应用于各种弹簧、热锻模等。高温回火获得的组织是回火索氏体。目的是为了得到强度与塑、韧性良好配合的综合力学性能。一般将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理，简称调质。调质处理广泛应用于各种重要的结构钢零件，特别是交变载荷下工作的零件，如汽车和拖拉机发动机的连杆、连杆螺栓、齿轮及轴等，也应用于一些重要和精密工件的预先热处理。调质处理后钢的硬度取决于回火温度，并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关。同正火相比，在硬度相同的情况

22、下，调质后钢的屈服强度、塑性和韧性明显地提高，因此重要的零件不采用正火，而要进行调质。焊接把两个或两个以上的构件(或毛坯)连接成所需要的结构(或零件)。连接方法主要有焊接、螺栓连接、铆钉连接、胶接等。焊接：通过加热或加压，或两者并用，使用或不使用填充材料，使焊件达到原子间结合的加工方法。焊接方法可分为熔化焊、压力焊和钎焊三类。熔化焊：使被连接的构件局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法。为实现熔化焊，关键是要有一个能量集中、温度足够高的加热热源。它是目前应用最广泛的一类焊接方法，按热源形式不同，熔化焊的基本方法有：气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊及激光焊等。压力焊：焊接过程中，必须对焊接施

23、加压力(加热或不加热)以完成焊接的方法。压力焊接的基本方法有：电阻焊、冷压焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊等。钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化之后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接的焊接方法。钎焊常用的方法有铜焊、锡焊及银焊等。焊接冶金基础电弧焊为例：焊接区在高温热源的作用下，要经受加热、熔化、冶金反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又是在温度、成分及应力极不平衡的条件下发生，就像在小型电弧炉中炼钢一样，熔化的金属在熔池中进行着氧化、还原、造渣、合金化等一系列的物理化学过程。焊接冶金过程特点：温度远高于一般的冶炼温度：在焊接碳素结构钢和低合金高强度

24、结构钢时，熔滴的平均温度约2300，熔池在1600以上，高于普通冶金温度。使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损或形成有害杂质。冷却速度快：熔池体积小，周围又是冷金属，熔池处于液态的时间很短，一般在10s以下，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，从而易产生气孔和夹渣等缺陷。焊接冶金基础在焊接过程如果不加以保护，空气中的氧、氮和氢等气体就会侵入焊接区，并在高温作用下分解成原子状态的氧、氮和氢，与金属元素发生一系列的物理化学作用，其反应式如下：Fe+OFeO4FeOFe3O4+FeC+OCO C+FeOFe+COMn

25、+OMnO Mn+FeOFe+MnOSi+2OSiO2Si+2FeO2Fe+SiO2反应的结果是钢中的一些元素被氧化，熔池中碳、锰、硅等大量烧损形成FeO、SiO2、MnO、SiO2等熔渣，当熔池迅速冷却后，一部分氧化物残留在焊缝中形成夹渣，显著降低焊缝的力学性能。氢和氮在高温时能溶于液态金属内，氮和铁还可形成Fe2N、Fe4N。冷却后，一部分氮保留在钢中，Fe4N则呈片状夹杂物留在焊缝中，使焊缝的塑性和韧性下降。氢的存在则引起氢脆，促进冷裂纹的产生，并容易形成氢气孔。焊接冶金基础焊接过程中必要措施。造成有效的保护，限制空气侵入焊接区。焊条药皮、埋弧自动焊的焊剂以及保护气体都能起到这个作用，如

26、焊条药皮能产生CO2气体和熔渣，将熔化金属和空气隔绝以防止空气的侵入。气体保护焊的保护气体虽然不能补充合金元素，但能起到良好的保护作用。渗入有用合金元素以保证焊缝的化学成分。如在焊条药皮(或焊剂)中加入锰铁等铁合金和金属粉，焊接时可过渡到焊缝金属中、以弥补有用合金元素的烧损，甚至可增加焊缝金属的某些合金元素，以提高焊缝金属的性能。进行脱氧、脱硫和脱磷。焊接时熔化金属除可能被空气侵入外，还可能被工件表面的铁锈、油污、水分或保护气中分解出来的氧所氧化，所以在焊前必须清除工件表面的铁锈、油污和水分，同时还应在焊条药皮(或焊剂)中加入锰铁、硅铁等进行脱氧、脱硫和脱磷。焊接接头的组织与性能焊接接头由焊缝

27、区和焊接热影响区组成。低碳钢焊接接头不同区域的组织焊接接头不同区域所获得的组织：左下部是焊件的横截面，上部是相应各点在焊接过程中被加热达到的最高温度曲线。显然，距焊缝中心越远，温度越低。1-2、2-3、3-4等各段组织性能的变化可用右侧所示的部分Fe-Fe3C合金状态图来对照分析。焊接接头的组织与性能焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。低碳钢焊接接头不同区域的组织焊缝区：在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶。焊缝组织是液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大、成分偏析且组织不致密

28、。但由于熔池小、冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。对低碳钢而言，冷却速度越大，奥氏体转变温度越低，熔池结晶后的组织就越细，珠光体的含量增多而铁素体的含量却减少，加之焊条添加合金元素，结果焊缝金属的强度和硬度都有所提高，而塑性和韧性却略有降低。焊接接头的组织与性能焊接接头由焊缝区和焊接热影响区组成。低碳钢焊接接头不同区域的组织热影响区：焊接或切割时，材料因受到焊接热的作用(未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。以低碳钢为例，热影响区可分为：熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。熔合区：又称半熔化区，是焊缝向热影响

29、区过渡的区域。其加热温度处于液相线和固相线之间。焊接过程中，部分金属被熔化。熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高而形成过热的粗晶组织，所以此区域塑性和冲击韧性很差，常常是裂纹和局部脆性破坏的发源地。在低碳钢焊接接头中，这一区域较窄(约0.11 mm)。过热区：又称粗晶区，是邻近熔合区外侧的区域。其温度为固相线至1100之间。由于温度高，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后得到过热的粗晶组织，因此塑性和冲击韧性急剧降低，也是焊接接头的一个薄弱的区域。正火区(完全重结晶区)：热影响区内相当于受到正火热处理的区域，处于过热区外侧。其温度为1100至A3线之间。冷却后，得到细小均匀的铁素体和珠光

30、体组织，其力学性能优于母材，是焊接接头力学性能最好的区域。但从整个焊接接头来看，由于此区狭窄，对提高焊接接头性能作用不大。部分相变区(不完全重结晶区)：热影响区内发生部分相变的区域，处于正火区外侧。其温度为A3线至A1线之间。此区域在受到焊接加热时，原始组织中的珠光体和部分铁素体转变成奥氏体，并残留一部分未转变的铁素体。冷却以后，未转变的铁素体部分成为粗大的铁素体，奥氏体部分则转变成细小的铁素体和珠光体。由于组织不均匀，力学性能比正火区稍差。焊接接头的组织与性能焊接热影响区的金相组织和力学性能直接影响到焊接接头的性能。正火区性能最好，部分相变区次之，熔合区和过热区性能最差。一些焊接结构的破坏事

31、故中，断裂部位多数都发生在热影响区的熔合区或过热区，而并不是发生在焊缝上。在熔化焊中，通过选择焊接方法、焊接规范、接头形式及焊后的冷却速度等途径，控制热影响区的范围大小和组织性能的变化程度，把不利影响降低到最小范围。低碳钢焊接接头不同区域的组织焊接接头的组织与性能改善焊接热影响区组织和性能方法对于低碳钢焊接结构，由于材料本身塑性良好，只要结构不复杂，又不承受过大的载荷，则焊接热影响区的存在并不影响使用性能。对于低碳合金焊接结构或用电渣焊焊接的结构，热影响区较大，焊后必须进行热处理。通常可用正火的方法，细化晶粒，均匀组织，改善焊接接头的质量。对于焊后不能进行热处理的焊接结构，只能通过正确选择焊接

32、方法，合理制定焊接工艺来减小焊接热影响区，以保证焊接质量。低碳钢焊接接头不同区域的组织常用焊接方法手工电弧焊埋弧自动焊二氧化碳气体保护焊氩弧焊电渣焊电阻焊钎焊手工电弧焊手工电弧焊：利用电弧放电时产生的热量来熔化焊条和焊件，从而获得牢固接头的焊接过程。焊接电弧：在两电极之间的气体介质中强烈而持久的放电现象。为产生电弧，必须使两电极气体空间导电，焊接电弧的引燃是一个使电极发射电子并使气体介质电离的过程。接触引弧：先将电极(碳棒、钨极或焊条)和焊件接触形成短路，此时在某些接触点上产生很大的短路电流，温度迅速升高，为电子的逸出和气体电离提供能量条件；而后将电极提起一定距离(5mm)，在电场力的作用下，

33、被加热的阴极有电子高速逸出，撞击空气中的中性分子和原子，使空气电离成阳离子、阴离子和自由电子。这些带电粒子在外电场作用下定向运动：阳离子奔向阴极，阴离子和自由电子奔向阳极。在它们的运动过程中，不断碰撞和复合，产生大量的光和热，形成电弧。非接触引弧焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。阴极区温度约为2400K，放出的热量占电弧总热量的36%左右；阳极区温度约为2600K，放出的热量占电弧总热量的43%左右；弧柱区中心温度最高，可达到60008000K，放出的热量占电弧总热量的21%左右。手工电弧焊手工电弧焊过程：用手持焊钳夹持焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热熔化，焊芯端部熔化后

34、的熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池，焊条药皮熔化后形成熔渣并放出气体。在气、渣的联合保护下，可防止空气的侵入，有效地排除了周围空气的有害影响。当焊条向前移动时，焊条和工件在电弧热作用下继续熔化形成新的熔池，原先的熔池液态金属则逐步冷却结晶形成焊缝，覆盖在熔池表面的熔渣也随之凝固形成渣壳。手工电弧焊主要应用于碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、低温用钢、铜及铜合金等金属材料的焊接以及铸铁补焊和各种材料的堆焊。手工电弧焊过程示意图1焊缝；2渣壳；3熔池；4保护气体；5焊条药皮；6焊芯；7熔滴；8工件手工电弧焊焊条药皮的作用：保护作用：在电弧热的作用下，药皮熔化形成熔渣并产生某些气体。熔渣和这些气体联

35、合起来使熔滴、熔池和焊接区与空气隔离，防止氢气等有害气体侵入的保护作用。冶金作用：焊接过程中，熔渣与熔池金属相互作用进行冶金反应，其结果是去除有害杂质(如氧、氢、硫、磷等)，并向焊缝中添加有益的合金元素(如锰、钛、铝、钒、铌等)，使焊缝具有较为理想的化学成分，较高的力学性能和良好的抗气孔及抗裂性能。使焊条具有良好的工艺性能：焊条药皮可以使电弧容易引燃并能稳定地连续燃烧；焊接飞溅少；焊缝成形美观；焊缝易于脱渣及可适用于各种空间位置的施焊。手工电弧焊过程示意图1焊缝；2渣壳；3熔池；4保护气体；5焊条药皮；6焊芯；7熔滴；8工件焊条由药皮和焊芯两部分组成。药皮是焊条中压涂在焊芯外表面的涂料层。焊芯

36、就是焊条中被药皮包覆的金属芯。焊接时，焊芯既是电极，又可填充金属，因此，焊芯的化学成分和性能对焊缝金属有着直接的影响。根据被焊金属的种类，选择相应牌号的焊丝作为焊芯。埋弧自动焊埋弧焊：电弧埋在焊剂层下燃烧进行焊接。应用最多的是埋弧自动焊。埋弧自动焊的焊接过程：焊接时，先在焊接接头上面覆盖一层颗粒状焊剂，自动焊机机头将光焊丝自动送入电弧区并保证一定的弧长；电弧引燃以后，在焊剂层下燃烧，使焊丝、母材和部分焊剂熔化，形成熔渣和熔池并进行冶金反应。同时少量焊剂和金属蒸发形成蒸气，并具有一定的蒸气压力，在蒸气压力作用下形成一个封闭的熔渣泡，包围着电弧和熔池，使之与空气隔绝，对熔滴和熔池起到保护作用，同时

37、也防止了金属的飞溅，减少了电弧热量的损失，阻止了弧光散射。随着自动焊机机头向前移动(或者自动焊机机头不动，工件匀速运动)，焊丝、焊剂和母材不断熔化，熔池后面的金属不断冷却凝固形成连续焊缝，浮在熔池上部的熔渣冷凝成渣壳。未熔化的焊剂经回收处理后可继续使用。埋弧自动焊示意图1工件；2焊剂；3焊剂漏斗；4送丝滚轮；5焊丝；6导电嘴；7渣壳；8焊缝埋弧自动焊纵截面1焊缝；2熔池；3工件；4电弧；5焊丝；6焊剂；7已熔化的焊剂；8渣壳二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊：简称CO2焊，利用CO2气体作为保护气体焊接。用焊丝作为电极，靠焊丝和工件之间产生的电弧熔化焊丝和焊件，以自动或半自动方式进行焊接。目

38、前应用较多的是半自动焊，即焊丝送进靠送丝机构自动进行，由焊工手持焊具进行焊接操作。CO2焊的焊接装置和焊接过程：焊丝由送丝机构通过软管经导电嘴送出，CO2气体从喷嘴中以一定流量喷出，电弧引燃后，焊丝末端、熔滴及熔池被CO2气体所包围，防止空气侵入，可对焊接区域起保护作用。CO2气体密度较大，被电弧加热分解成CO和O，发生体积膨胀，所以可隔绝空气，对熔化金属起到良好的保护作用。但CO2是氧化性气体，所分解的CO和O使钢中的碳、锰、硅及其他合金元素严重烧损，影响焊缝的力学性能。同时溶解在金属液中的氧和碳反应生成的CO气体在高温下剧烈膨胀易造成强烈的飞溅，且CO残留在焊缝中可能形成气孔。为了保证焊缝

39、的合金化，防止气孔和飞溅，需采用含锰、硅较高的低碳钢焊丝或含有相应合金元素的合金钢焊丝及专用的直流电源。二氧化碳气体保护焊焊接装置1焊炬喷嘴；2导电嘴；3送丝软管；4送丝机构；5焊丝盘；6流量计；7减压器；8 CO2气瓶；9电焊机氩弧焊氩弧焊：以氩气作为保护气体的焊接方法。氩气是一种惰性气体，高温下它既不与金属起化学反应，也不溶于金属中。因此可以避免焊缝金属中的合金元素烧损及由此带来的其他焊接缺陷，使冶金反应变得简单和容易控制，为获得高质量的焊缝提供了良好的条件。根据所用的电极不同，氩弧焊可分为非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。氩弧焊示意图 1焊丝或电极；2导电嘴；3喷嘴；4进气管；5氩气流；

40、6电弧；7工件；8填充焊丝；9送丝滚轮非熔化极氩弧焊：以高熔点的钨棒作为电极，又称为钨极氩弧焊。焊接时钨极不熔化，只作一个电极以产生电弧。填充金属(焊丝)从电弧前方送入。熔化极氩弧焊：以连续送进的焊丝作为电极及填充金属。由于不存在钨极熔化问题，可以采用高密度电流，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快，焊接厚板时生产率高，变形小。非熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊电渣焊电渣焊：利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源来熔化金属进行焊接。焊接过程：焊件接头垂直放置(呈立焊缝)，中间留有2040 mm间隙，两侧装有水冷铜块(强迫成形装置)，底部加装引弧板，顶部加装引出板，这样在焊接部位就组成了一个封闭的空间。焊接时，先将部分颗粒状焊剂放进焊接接头间晾中，然后送进焊丝并与引弧板短路起弧，电弧将不断加入的焊剂熔化成熔渣。当熔渣液面升到一定高度时，迅速送进焊丝，并降低焊接电压，使电弧熄灭，于是转入电渣焊过程。此时，焊接电流从焊丝端部经过熔渣时产生大量的电阻热(温度可达到16002000)，将连续送进的焊丝和焊件接头边缘金属迅速熔化，形成熔池。随着焊丝不断送进，熔池逐渐上升，冷却铜块上移，熔池底部逐渐凝固形成焊缝，