第1章 金属材料概述课件

焊接冶金学——材料焊接性湘潭大学机械工程学院主讲教师：肖逸锋第1章概述_第2章焊接性及其试验评定_第3章合金结构钢的焊接_第4章不锈钢及耐热钢的焊接_第5章有色金属的焊接_第6章铸铁焊接_第7章先进材料的焊接_第8章异种材料的焊接_补充：堆焊1.1材料在工程中的发展及应用_

1.1.1钢结构的发展及应用_

1.1.2有色金属的的发展及应用_1.1.3先进材料的发展及应用_1.2本课程的任务、内容及特点_1.2.1本课程的目的和任务1.2.2本课程的内容和教学任务第1章概述_1.1材料在工程中的发展及应用材料和结合手段密不可分，相互促进，不断发展20世纪初，电弧技术用于钢铁产品焊接与钢结构飞速发展2005年：3亿T﹥（美＋俄＋日）1.1.1钢结构的发展及应用钢铁材料的研究和开发受到重视

合金结构钢近30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。钢种品质表1-1国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例表1-2主要工业部门对低合金钢的需求主导：金属材料发展：超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢※合金结构钢：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预计在今后依然是主要的工程材料焊接结构发展特点：高参数、轻量化、大型化工程结构1、低合金钢的发展(三个阶段):1)20世纪20年代以前:工程钢结构的制造：主要采用铆接设计参数：抗拉强度钢的强化：碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等质量分数达到2%~3%2)20世纪20~60年代：逐步采用：焊接技术设计参数：考虑材料屈服强度、韧性和焊接性要求钢的化学成分：向低碳多元合金化方向发展，碳的质量分数一般在0.2%以下含2~4个有利于焊接性的合金元素3)20世纪70年代以后:碳的质量分数：0.1%以下，向超低碳含量发展合金元素：Ti、V、Nb等微合金元素引起关注向多元复合合金化方向发展我国低合金钢的开发起步于20世纪50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。低合金钢的发展趋势：1、高强度20世纪70年代以后，美国开发出HY100钢（σs≥690MPa）和HY130钢（σs≥895MPa），以及具有更高抗破断性能的HY100(T)和HY130(T)高强钢，用于海军潜艇及核潜艇的耐压壳体。日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN系列钢，σs：600~1000MPa2、提高耐热性Cr-Mo耐热钢中增加Cr含量和添加V和W，使耐热性比9Cr-1Mo钢进一步提高焊接性是影响合金结构钢推广应用的关键发展主线：改善焊接性重要标志：含碳量的降低淬火-回火(Quenching-Tempering)钢：多元微合金化TMCP(Thermo-MechanicalControl

Process)钢：控轧控冷C%≤0.03%，明显改善了钢的焊接性管线钢：X52→X80C%:0.1%~0.14%→0.01%~0.04%Ceq:0.45%→0.35%显微组织：F+P→极低碳B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、细晶强化等细晶强化：同时提高强度和韧性细晶强化的理论依据：Hall-Petch关系式σs=σ0+Kd-1/2σ0—铁素体晶格摩擦力

K—常数d—晶粒直径（广义）铁素体：晶粒直径贝氏体和板条马氏体：板条尺寸随着d↘→σs↗；随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其-1/2次方增加。同时，冲击韧度也明显增加。TMCP钢：晶粒直径达到10~15µmd=1µm：超细晶粒钢，σs：400MPa→800MPa钢的纯净化（WP+S+O+N+H＜0.005%）、均匀化和晶粒超细化（约1µm），可使钢的强韧性获得大幅提高。防止晶粒长大的元素：Nb和Ti低合金结构钢的生产：过去着重于钢材本身性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。最近注重从冶金角度入手，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生产新型高强度钢；2）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；3）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，寿命比同类高温合金延长10倍以上

钢的纯净化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，相应的要求焊缝金属不仅要实现洁净化，而且也要实现细晶化。

焊缝的细晶化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。2、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结构自重创造了条件1）低合金钢应用领域：建筑、桥梁、工程机械等a）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击韧度的要求大气温度环境下，冲击吸收功（0℃，V型缺口试样）≥27Jb）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、轻量化和高效能方向发展。c）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焊接结构钢，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d）低碳调质钢：

σb=700MPa，具有较好缺口冲击韧度，用于低温服役焊接结构σb=800MPa，用于工程机械、矿山机械制造中σb≥1000MPa，工程机械高强耐磨件、核动力装置及航海、航天装备2）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，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

Mn、Mo、Cr、V等）为基础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：工作温度在450℃以上应采用Mo钢或Cr-Mo钢工作温度超过550℃，则应采用2.25Cr-Mo钢或Cr-Mo-V钢。3）船舶用低合金钢

重视：焊接性和抗脆断性能特点：对C、Mn和其他合金元素的含量作了严格控制a）σb＜250MPa普通船舶用钢(WC+WMn)/6≤0.40%b）低合金高强钢：W合金≤2%，须采用Al或Nb、V联合细化晶粒c）σb＞300MPa，必须正火处理，提高低温冲击韧度d）σb=400MPa，热处理强化措施提高强度4）低温钢T工作＞-46℃，采用铝镇静低合金钢T=-60℃~-170℃，选用质量分数1.5%~8%镍钢T达到-170℃，选用9%Ni钢和奥氏体钢要求：保证良好焊接性的前提下，具有足够高的低温韧性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。低温钢应具有较好的焊接性，只有WNi>3%的镍钢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份额：金属材料总产量的5%应用：航空航天，逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、轻工等种类：铝、镁（地壳中含量最高）铜、钛、锌、锡、镍、钼等涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等分类：1）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、三元合金和多元合金3）合金组分总的质量分数：小于2.5%的为低合金，2.5%-10%的为中合金大于10％的为高合金。1、铝及铝合金占有比重：有色金属产量的1/3以上，第二大金属铝合金特点：密度低、强度高、耐腐蚀、导电导热性好、可焊接及加工性能好应用：航空航天、汽车、高速列车、地铁车辆、飞机、舰船等交通运载工具中安全、节能和减少废气排放量等2、铜及铜合金特点：较高的导电导热性、抗磁性、耐蚀性和良好的加工性应用：一般电器产品、高能物理、超导技术、低温工程等纯铜：电线、电缆、雷管、化工蒸发器、储藏器及各种管道中新开发的无氧铜（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应用：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、机械制造中的各种弹性元件及耐抗磁零件白铜：即铜镍合金特点：更高的耐蚀性，良好的力学性能和物理性能铜镍二元合金+Fe、Mn、Zn，开发出各种白铜3、钛及钛合金战略金属应用：汽车、航天和航空工业中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800℃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在飞机机体制造方面，树脂基复合材料和钛合金用量增加我国：钛合金的焊接性方面，开展了大量的工作1）开发的中强TC4、TA15钛合金已应用于J10、J11飞机和人造卫星2）TB8超高强钛合金：J11系列飞机后机身3）高强、高韧TC21钛合金已用于战斗机的重要承力件等1.1.3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1、先进陶瓷组成：由SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC、ZrO2等粉末制备工艺：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要的作用。突出优点：能耐更高的温度，好高温材料焊接难度：固有的脆性应用：新能源、航天以及海洋开发2、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，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，是一种很有发展前景的高温结构材料。Ni-Al系、Ni-Ti系和Fe-Al系金属间化合物的开发趋于成熟，应用广泛1）Ni3Al在950℃时获得660%的超塑性，Ni3Al电热丝在1000℃的工作寿命超过了Ni-Cr丝2）Ti3Al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3）Fe3A1金属间化合物能够满足在发动机零部