船舶焊接工艺船舶材料与焊接第三章

船舶焊接工艺船舶材料与焊接第三章第一页，共三十页，2022年，8月28日

概述:

工业上钢铁称为黑色金属，除钢铁以外的金属称为非铁金属（又称有色金属）。非铁金属与黑色金属相比，具有一系列特点，有良好的导热性和导电性，如银、铜、铝等。有优异的化学稳定性，如铝、钛等。比强度（单位质量能够提供的强度）高，如铝合金、钛合金等。近年来，航空、航海中为减轻重量，提高运载能力和航行速度，要求材料强度高、密度轻。此外，石油、化工、航海中的设备及其零件要在腐蚀介质中工作，要求材料具有良好的耐腐蚀性，所以非铁金属在近代造船行业中应用广泛，特别是高强度、耐腐蚀的轻合金材料的应用，大大改善了船舶的使用性能。

第二页，共三十页，2022年，8月28日第一节船用铝合金

一、纯铝的性能特点:

（一）纯铝的密度小（2.7g/cm3）。其强度很低，σb=80MPa~100MPa。但塑性很好，δ=30%~50%。熔点为660℃，结晶后具有面心立方晶格，没有同素异构转变。（二）导电、导热性能仅次于银、铜、金而居于第四位。（三）具有良好的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面可生成致密的氧化膜，可有效地隔绝铝和氧的接触，阻止表面的进一步氧化。根据上述特点，工业纯铝的主要用途为：代替较贵重的铜制作导线、电缆；配制铝合金；制作具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的用具和器皿。工业纯铝中常见的杂质是铁和硅，杂质越多，其导电性能越低，腐蚀性、塑性越差。第三页，共三十页，2022年，8月28日AVC纯铝散热器

纯铝吊灯纯铝机箱铝芯线第四页，共三十页，2022年，8月28日

二、铝合金的分类及对船用铝合金性能的基本要求铝合金：纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。（一）铝合金的分类根据铝合金的化学成分和工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。铝合金状态图的一般类型第五页，共三十页，2022年，8月28日铝合金的分类形变铝合金铸造铝合金不能热处理强化铝合金

能热处理强化铝合金第六页，共三十页，2022年，8月28日

（二）合金性能的基本要求把铝合金加热到α相区，保温后在水中快冷，得到单相过饱和的α固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。

力学性能方面：

1、屈强比保持一定差距，一般不要大于0.8，利于半成品和零件的加工矫正工作。

2、高温强度在加热到100℃之前，应保持力学性能不变，加热到250℃时，屈服强度大于60%。

3、疲劳强度平板试样的疲劳强度不小于50MPa，带焊缝试样的疲劳强度不小于40MPa。

4、延伸率不小于10%，以适应各种加工工艺需要。

抗腐蚀性能方面：应具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗海水腐蚀性能。对高强度变形铝合金，还要求有较好抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能。

其它方面：热处理不可强化铝合金，应具有良好的可焊性和加工性；热处理可强化铝合金，经过一定热处理后，应具有良好的加工性，并具有在热处理中抵抗变形的能力。第七页，共三十页，2022年，8月28日

（三）铝合金的时效硬化

1.定义:

固溶处理或淬火：把铝合金加热到α相区，保温后在水中快冷，得到单相过饱和的α固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。

时效硬化：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。

回归现象：已经时效硬化的铝合金，如若需恢复其塑性，可在230~250℃作短时间加热，然后快冷至室温，合金将重新恢复塑性，即性能恢复到淬火状态。若在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效与人工时效，这种现象称为回归现象。

2.种类自然时效人工时效第八页，共三十页，2022年，8月28日

含4%Cu的铝合金自然时效曲线第九页，共三十页，2022年，8月28日

含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线第十页，共三十页，2022年，8月28日

（四）船用变形铝合金

1.分类船用变形铝合金，按其化学成分与主要性能特点，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等四种，见表3-1。

2.牌号按GB/T16474—1996规定，变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、三、四位为数字，第二位为字母“A”。牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn的顺序来表示变形铝合金的组别。依其主要合金元素的排列顺序分别标示为2、3、4、5、6、7。例如，5A50，表示以镁为主要合金元素的变形铝合金，后两位数字用以标识同一组别的不同铝合金。第十一页，共三十页，2022年，8月28日3.常用的铝合金

(1)防锈铝合金:

Al–Mn

通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好

)。

Al–Mg

通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(

比纯铝轻

)。防锈铝合金均属热处理不可强化的铝合金，加工硬化是其唯一的强化手段。防腐保温铝板卷铝皮铝镁合金板

瓦楞铝板

第十二页，共三十页，2022年，8月28日

(2)硬铝合金:Al–Cu–Mg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。常用于航空制造业结构件的制造，如飞机螺旋桨、叶片、隔框、蒙皮、支架、承受高负荷的铆钉等。

(3)超硬铝合金:Al–Zn–Mg–Cu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。主要用于制造飞机的受力构件，如飞机的起落架、大梁等。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)飞机主起落架第十三页，共三十页，2022年，8月28日(4)锻铝合金

:

Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。由于锻铝合金的热塑性好，所以适于制造航空及仪表工业中各种形状复杂、要求比强度较高的锻件，如各种叶轮、框架或高温条件下（200℃~300℃以下）工作的零件，如内燃机的活塞及汽缸等。压气机叶片第十四页，共三十页，2022年，8月28日

（五）铸造铝合金

1.分类用来制作铸件的铝合金，成为铸造铝合金。铸造铝合金分为铝—硅系、铝—铜系、铝—镁系和铝—锌系四种。其中铝—硅系应用最广。

2.牌号铸造铝合金的牌号表示法如下：例如，ZAlSi7Mg；Z—汉语拼音“铸”字的第一个大写字母，Al—铝的元素符号，Si—硅的元素符号，7—硅的质量分数，Mg—镁的元素符号。

常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表3-2。第十五页，共三十页，2022年，8月28日3.铸造铝

–

硅合金(俗称硅铝明)

铝–硅合金一般铸造所得的组织几乎全部是粗大的共晶体，它使合金的力学性能下降.通常采用变质处理细化晶粒后，力学性能显著提高。一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件，如发动机汽缸、手提电动工具或风动工具，以及仪表的外壳等。同时，加入Mg、Cu的铝—硅合金（ZL108），还具有较好的耐热性与耐磨性，常用于制造内燃机的活塞等。活塞(裙部为铝硅合金)第十六页，共三十页，2022年，8月28日

三、铝合金的腐蚀与防腐（一）铝及铝合金常见腐蚀形式

1.电化学腐蚀

2.应力腐蚀开裂（SCC）

铝合金的SCC是在20世纪30年代初发现的。金属在应力（拉应力或内应力）和腐蚀介质的联合作用下所发生的一种破坏，被称为SCC。SCC的特征是形成腐蚀—机械裂缝，既可以沿着晶界发展，也可以穿过晶粒扩展。由于裂缝扩展是在金属内部，会使金属结构强度大大下降，严重时会发生突然破坏。

SCC在一定的条件下才会发生，它们是：一定的拉应力或金属内部有残余应力。

（二）铝合金常用防腐措施1.涂层保护；2.牺牲阳极；3.阳极氧化处理。第十七页，共三十页，2022年，8月28日第二节船用铜合金

一、纯铜（又称紫铜）铜的性能特点:密度大；导电及导热性能好；抗大气腐蚀性好；塑性高；强度低；无磁性；无打击火花；加工工艺性好等。纯铜主要用途为：制作导电材料，如电线、电缆等，还可用来配制各种合金。纯铜及其合金对于制造不允许受磁性干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪表和炮兵瞄准环等具有重要价值。铜电线、电缆第十八页，共三十页，2022年，8月28日二、铜合金的分类及牌号表示方法

(一)分类白铜

:Cu–Ni黄铜

:Cu–Zn铜合金的分类青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金。普通黄铜

特殊黄铜锡青铜

特殊青铜

（无锡青铜）压力加工黄铜

铸造黄铜

第十九页，共三十页，2022年，8月28日(二)牌号1.黄铜的牌号(Z)

H

90含铜量WCu=90%黄铜铸造第二十页，共三十页，2022年，8月28日2.特殊黄铜牌号3.青铜牌号的表示方法H

Al

59-3含铝量WAl=3%含铜量WCu=59%Z

Q

Sn10–1其它合金元素含量为1%主加元素锡其含量为WSn=10%青铜铸造第二十一页，共三十页，2022年，8月28日三、黄铜1.黄铜：铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。2.力学性能与含锌量有着极为密切的关系50030405060700400300200100010205040302010506070809010011040HB+’bb(Mpa)(%)HB当含锌量为30%时黄铜具有最大的塑性。而含锌量为40%时黄铜具有最大的硬度。第二十二页，共三十页，2022年，8月28日3.常用的黄铜普通黄铜:金奖黄铜H90，弹壳黄铜H70(H68)，日用黄铜H62(H59)。冷凝器管法兰阀闸阀第二十三页，共三十页，2022年，8月28日特殊黄铜：海军黄铜HSn62–1，易切削黄铜HPb59-1小型螺旋桨船厂员工在导弹驱逐舰“德凯特”号巨大螺旋桨下留影第二十四页，共三十页，2022年，8月28日

四、青铜（一）锡青铜

1.力学性能与含锡量有着极为密切的关系371014压力加工铸造成形σbα+δδαδ含锡量小于8%的合金，具有良好的塑性和适宜的强度，易于压力加工；含锡量大于10%的合金塑性差，只适合铸造。第二十五页，共三十页，2022年，8月28日2.锡青铜的应用锡青铜的抗腐蚀性和耐磨性都比纯铜和黄铜好，都用于制造耐磨零件，如轴套、轴瓦等。也可用来制造与酸、碱、蒸汽接触的零件。温度低于200℃的蒸汽管系和阀件。无锡灵山大佛

轴套内螺纹恒温疏水阀第二十六页，共三十页，2022年，8月28日第二十七页，共三十页，2022年，8月28日（二）特殊青铜(也称无锡青铜或特殊青铜)在青铜中加入锡以外的其它合金元素，如Al、Mn、Si、Pb、Fe等元素，这种铜合金称为无锡青铜或特殊青铜。特殊青铜按主要加入元素分为铝青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜、铍青铜等；常用的有铝青铜、铍青铜