第一章第二节(金属学及热处理基本知识)

金属焊接与热切割作业Jingshu

HanJie

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Zuoye全国特种作业人员安全技术培训考核统编教材编辑主讲张爱喜安全第一预防为主综合治理第一章第二节金属学及热处理基本知识金属学及热处理是研究金属材料的化学性能、物理性能、机械性能、焊接性能、材料力学性能以及冷热加工工艺的基础。是从事机械设计和加工、制造、维修工作的必要的基础理论。学习要点：第一章第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知：世界上的物质都是由化学元素组成的。根据这些化学元素按性质可分成两大类第一大类是金属类（83种）第二大类是非金属类（22种）金属学及热处理基本知识第一章第二节（一）晶体的特点一般的固态金属及合金都是晶体，并非所有的固态物质都是晶体。晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。而非晶体中，原子则是散乱分布。由于晶体与非晶体中原子排列不同，其性能也不相同。第一章第二节金属学及热处理基本知识固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。非金属元素不具备金属元素的特征，而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。第一章第二节金属学及热处理基本知识（二）典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格

。金属的晶格常见的有：1.体心立方晶格2面心立方晶格3.密排六方晶格金属学及热处理基本知识金属学及热处理基本知识铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。金属学及热处理基本知识完整的Fe-Fe3C相图(相)α-Fe（体心）912℃γ-Fe（面心）1394℃δ-Fe（体心）金属学及热处理基本知识钢材之所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一。也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。金属学及热处理基本知识焊缝熔合区热影响区二、合金的基本概念金属学及热处理基本知识1、合金：合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素经过熔炼、烧结或其他方法行成的具有金属特性的物质。2、合金组织的分类：一）、固溶体是指一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。置换固溶体间隙固溶体金属学及热处理基本知识（1）置换式固溶体溶质原子代替部分溶剂原子占据晶格中的节点位置而形成的固溶体置换式固溶体示意图形成置换固溶体的条件：1、两组元化学性质相近；

2、原子半径差别较小金属学及热处理基本知识（2）间隙式固溶体溶质原子插入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。形成条件：r溶质/r溶剂＜0.59；间隙式固溶体都是有限固溶体碳溶于γ-Fe的间隙式固溶体金属学及热处理基本知识形成固溶体时由于晶格畸变（晶格歪扭）使合金强度和硬度升高的现象-固溶强化固溶体晶格畸变示意图固溶强化是提高金属强度的重要途径之一金属学及热处理基本知识二）、金属间化合物

金属间化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相。晶体结构复杂，熔点、硬度高，脆性大。三）、机械混合物合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成。比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性，塑性和压力加工性能较差。金属学及热处理基本知识三、钢的热处理将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。它能在不改变工件形状和整体的化学成分的前提下，通过改变工件内部显微组织或表面化学成分的途径，改变工件的使用性能。各种不同的热处理曲线金属学及热处理基本知识常用的热处理工艺方法有以下几种：1、淬火将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到适当温度，在此温度下保持一段时间使钢的组织全部变成奥氏体然后快速冷却(水冷或油冷)，使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。在焊接碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。金属学及热处理基本知识2、回火淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。回火低温回火中温回火高温回火150~250℃350~450℃500~650℃低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。金属学及热处理基本知识3、正火将钢加热到适当温度，保温后，在空气中冷却,称为正火。该区的铁素体和珠光体全部变为奥氏体，晶粒长大较慢，空冷后，获得均匀而细小的铁素体和珠光体。也称为细晶区。1153℃910℃金属学及热处理基本知识4、退火将钢加热到适当温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。消除应力退火属于低温退火，一般采用600--650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，亦称焊后热处理。1—3常用金属材料的一般知识一、金属材料的性能金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。

其中物理化学性能包括密度、导电性、导热性、热膨胀性、抗氧化性、耐腐蚀性等。金属学及热处理基本知识（一）金属材料的力学性能金属材料受外部负荷时，从开始受力直至材料破坏的全部过程中所呈现的力学特征，称为力学性能。它是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等。金属学及热处理基本知识（二）金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指承受各种冷热加工的能力。1、切削性能2、铸造性能3、焊接性能金属学及热处理基本知识焊接性能：焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。

焊接性能受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。金属学及热处理基本知识焊接性能评定方法有很多，其中广泛使用的方法是碳当量法。可作为评定钢材焊接性能的一种参考指标。

碳当量法用于对碳钢和低合金钢淬硬及冷裂倾向的估算。金属学及热处理基本知识常用碳当量的计算公式：CE=C+MnCr+Mo+VNi+Cu6+5+15X%金属学及热处理基本知识经验证明：当CE<0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热;当CE=0.4%~0.6％时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需采取适当预热和控制线能量等工艺措施，当CE>O.6%时，钢材的淬硬倾向强，属于较难焊的材料，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。金属学及热处理基本知识二、钢材的分类、编号及焊接特点1、钢材的分类含碳量在2.11%以下的铁碳合金称为钢。含碳量2.11%~6.67%的铁碳合金称为铸铁。（一）.按化学成分分类碳素钢低碳钢含碳量小于0.25%。中碳钢含碳量为0.25%~o.6o%。高碳钢含碳量大于0.60%。金属学及热处理基本知识（二）合金钢这种钢中除碳素钢所含有的各元素外，尚还有其他一些元素,如铬、镍、钛、钼、钨、钒、硼等。如果碳素钢中锰的含量超过0.8%，或硅的含量超过0.5%时，这种钢也称为合金钢。金属学及热处理基本知识2.按用途分类(1)结构钢(2)工具钢(3)特殊用途钢3.按品质分类(1)普通钢(2)优质钢(3)高级优质钢金属学及热处理基本知识1、碳素钢的编号按照GB700一2006的规定，钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。如Q235一A`F，Q235一B等。Q235—A·F沸腾钢质量等级为A级钢的屈服强度为235MPa屈服点的字母(2)优质碳素结构钢钢号用两位数字表示。如45号钢表示钢中平均含碳量为0.45%，08钢表示平均含碳量为0.085%（3）合金结构钢的编号合金结构钢的钢号由三部分组成：数字十化学元素符号十数字。‘如“16Mn”钢，从钢号可知：其平均含碳量为0.16%，平均含锰量为<l.5%。金属学及热处理基本知识钢材的焊接特点：1、低碳钢的焊接特点2、中碳钢的焊接特点3、高碳钢的焊接特点4、普通低合金钢的焊接特点金属学及热处理基本知识1-4焊接工艺基础知识一、焊接接头的种类与型式根据国家标准GB985—88规定，焊接接头的基本形式可分为：对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头、焊接工艺基础知识（一）对接接头两件表面构成大于或等于1350，小于或等于1800夹角的接头叫做对接接头。焊接工艺基础知识（二）角接接头

两焊件端面构成大于300小于1350夹角的接头，称作角接接头。

角接接头一般用于不重要的焊接结构中。开放口的角接接头一般结构中很少采用。焊接工艺基础知识（三）T形接头两焊件端面与平面构成直角或近似直角的接头，称为T形接头。焊接工艺基础知识二、焊缝坡口的基本形式与尺寸焊接工艺基础知识（二）坡口的几何尺寸α

坡口角度β坡口面角度B对接间隙P钝边R根部半径H坡口深度焊接工艺基础知识（三）焊缝位置根据焊接术语GD/T3375-1994的规定，焊缝位置是指焊件接缝所处的空间位置，可用焊缝倾角和焊缝转角来表示。即：平焊、立焊、横焊、仰焊水平面焊缝倾角焊缝焊缝转角焊接工艺基础知识（1）平焊位置焊缝倾角00，焊缝转角900的焊接位置。焊接工艺基础知识（2）横焊位置焊缝倾角00,1800：焊缝转角00,1800的对接位置。（3）立焊位置焊缝倾角900（立向上）2700（立向下）的焊接。（4）仰焊位置对接焊缝倾角00，1800：