焊接工艺.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流焊接工艺.精品文档. 第二章 焊接金属学基础第一节 常用金属材料的分类 、牌号、 性能和用途一 金属材料的分类金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属又分为工业纯铁、 钢、 铸铁以及铸钢等;常用的有色金属有铝及铝合金 、铜及铜合金等。二钢的牌号、性能和用途(一)碳素钢碳素钢也叫非合金钢,除含有铁碳两种元素外,还含有杂质硅、 锰、 硫、 磷等元素。这些元素有的是从原料中带入的,有的是在冶炼过程中添加的脱氧剂的残留物,它们的存 在不可避免地会对钢的性能产生一定的影响。硅、 锰为有益元素。钢中的硅能提高钢的强度和硬度,使钢的耐酸性能增强;
2、钢中的锰能提高钢的强度和韧性,还可以作为脱氧剂、 脱硫剂, 减少氧和硫的危害。硫和磷是钢中的有害杂质。硫和铁易形成底熔点共晶体(Fe+FeS),使钢材具有热脆性。磷和铁易形成脆性很大的化合物(Fe3P),使钢材具有冷脆性。在钢材中应严格控制硫 磷的含量。碳钢质量的高低,主要取决于钢中杂质元素硫 、 磷的含量。碳素钢的 杂质和非金属夹杂物较多,但冶炼容易,工艺性好,价格便宜,并且能满足一般工程结构的要求,因此应用较普遍。1 普通碳素钢的牌号及性能普通碳素钢的牌号由字母“Q”、 屈服点数值、 质量等级符号、 脱氧方法符号四个部分按顺序组成。质量等级符号有A、 B、 C、 D四级,其中A级硫、 磷含
3、量最高,B级次之,D级硫 、磷含量最低。脱氧方法符号中有F、 B、 Z 、TZ ,F表示沸腾钢,B表示半镇静钢,Z表示镇静钢,TZ表示特殊镇静钢。在牌号组成方法中,Z与TZ符号予以省略。普通碳素钢的牌号示例如下:普通碳素钢的牌号及力学性能见表2-1。 表2-1 普通碳素钢的牌号及力学性能(摘自GB/T700-1988)2优质碳素钢的牌号及性能优质碳素钢所含硫 、磷及非金属夹杂物较少,质量优良,常用来制造重要的焊接结构,可以进行热处理改善和提高力学性能。优质碳素钢的牌号用两位数字表示。这两位数字表示该钢的平均碳的质量分数的万分数。如“08”表示平均碳的质量分数为0.08的钢,称为“08”钢(注意
4、“0”不能省略)。优质碳素钢的牌号、 性能及用途,见表2-2。 表2-2 优质碳素钢的牌号、性能及用途(二)合金钢1合金结构钢合金结构钢的牌号采用“两位数字主加元素符号数字”表示。前面的两位数字表示钢的平均碳的质量分数的万分数,元素符号表示钢中所含的主要合金元素,后面的数字表示该元素质量分数的百分数。合金元素质量分数小于1.5时只标明元素符号,不标出数字,如果质量分数为1.52.5,2.53.5,时,则相应地在元素符号后面标以2,3,。合金结构钢的牌号示例如下:常用低合金结构钢的牌号及用途见表2-3。 表2-3 常用低合金高强度结构钢的牌号及用途2.合金工具钢合金工具钢和特殊合金钢的牌号采用“
5、一位数字主加元素符号数字”表示。首先用一位数字表示钢中平均含碳量的千分数,当碳的质量分数大于1时,则不再标出含碳量的数字。元素符号表示钢中所含的主要合金元素,后面的数字表示该元素质量分数的百分数。合金元素质量分数小于1.5时只标明元素符号,不标出数字,如果质量分数为1.52.5,2.53.5,时,则相应地在元素符号后面标以2,3,。不锈钢的编号方法与合金工具钢大体相同。第二节 金属的结构与结晶一金属的晶体结构(一)晶体与非晶体在物质内部,凡原子呈无序堆积状况的,称为非晶体,例如普通玻璃、松香、树脂等,均属于非晶体。相反,凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。金属在固态下一般均属于晶体。 晶体
6、与非晶体,由于原子排列方式不同,它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点,其性能成各向异性;非晶体没有固定熔点,而且表现为各向同性。(二)晶体结构的概念晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。 为了便于理解,把原子看成是一个小球,则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体,如图2-1所示图2-1晶体内部原子排列示意图为了形象地表示晶体中原子排列的规律,可以将原子简化成一个点,用假想的线将这些点连接起来,构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格,如图2-2a所示 图2-2 晶格和晶胞示意图 a)晶格 b)晶胞 由图可见,晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重
7、复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞,如图2-2b所示。(三)金属晶格的类型 金属的晶格类型很多,但绝大多数(占85%)金属属于下面三种晶格.。1. 体心立方晶格它的晶胞是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心,如图2-3所示。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钒(V)、钨(W)、钼(Mo)及铁(Fe)等金属。 图2-3 体心立方晶格示意图 2. 面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心,如图2-4所示。属于这种晶格类型的金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)及铁(Fe)等金属。 图2-4 面心立方
8、晶格示意图3. 密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体,原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心,外三个原子排列在柱体内,如图2-5所示。属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)及锌(Zn)等金属。 图2-5 密排六方晶格示意图(四)合金的晶体结构合金的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。1. 固溶体合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种组元的原子而形成的晶体相,称为固溶体。置换固溶体溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格部分结点位置时所形成的晶体相,称为置换固溶体,如图26a所示。间隙固溶体溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂结点位置,而嵌入各结点之间的间
9、隙内时,所形成的晶体相,称为间隙固溶体,如图26b所示。 图2-6 固溶体的类型2.金属化合物金属化合物是指合金中各组元间原子按一定整数比结合而形成的晶体相。例如,铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳组成的化合物Fe3C。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格,熔点高,硬而脆。合金中出现金属化合物时,通常能显著地提高合金的强度、硬度和耐磨性,但塑性和韧性也会明显地降低。3.机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物均是组成合金的基本相。由两相或两相以上组成的多相组织,称为机械混合物。在机械混合物中各组成相仍保持着它原由的晶格类型和性能,而整个机械混合物的性能则介于各组成相性能之间,与各组成相的性能
10、以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。二纯金属的结晶金属材料通常需要经过熔炼和铸造,要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不 规则排列的液体变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属结晶的过程及规律,对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。1. 纯金属的冷却曲线及过冷度用温度计测量液态金属在冷却过程中温度的变化,首先可看到温度计的指针在连续均匀下降。当降到某一温度时,由于液体中出现首批凝固的金属微粒,放出结晶潜热使得温度计指针不再下降。随着凝固金属微粒不断增多、长大,温度计指针始终停止不动,直到全部液态金属凝成固体后,指针才继续均匀下降。 把液态金属冷凝过程中的温度随时间变化的
11、关系记录下来,可得到一系列时间与温度的数据。将数据标注在以温度为纵坐标,以时间为横坐标的坐标图中,就可以绘制出如图27a所示的曲线,这条曲线称为冷却曲线。这种方法称为热分析法。由图可知,温度在T。以上时,液态金属连续均匀冷却,温度是均匀下降的。当下降到T。温度时,曲线上出现了一个水平线段ab,在这段时间内凝固的金属微粒不断出现、长大。温度T。就是纯金属的结晶温度。 图2-7 纯金属结晶时的冷却曲线 金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下),所得到的结晶温度T。称为理论结晶温度。在实际生产中,冷却速度都是相当快的。在冷却速度较快的情况下,金属冷却到T。温度时,并未开始结晶,而是冷却到Tn温度时才
12、结晶,如图27b所示。这种现象称为过冷。理论结晶温度T。与实际洁净温度Tn之差称为过冷度,即T=T。Tn。一般来说,液态金属的冷却速度愈快,结晶的过冷现象愈显著,过冷度也愈大,结晶温度就愈低 。实际上,金属总是在过冷的情况下结晶的,过冷是金属结晶的必要条件。2. 纯金属的结晶过程 液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下,从液体中首先形成一些微小而稳定的小晶体,然后以它为核心逐渐长大。这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。在晶核长大的同时,液体中又不断产生新的晶核并不断长大,直到它们互相接触,液体完全消失为止。因此,结晶过程是晶核的形成与长大的过程。纯金属的结晶过程如图2-8所示。 图2-8 纯金属
13、结晶过程示意图金属的晶粒大小,对金属性能有重要的影响。同一种材料,晶粒愈细,强度和硬度愈高,同时塑性和韧性愈好。 三.金属的同素异构转变大多数金属结晶完成后晶格类型都不会再发生变化。但也有少数金属如铁、锰、钛等,在结晶成固态后继续冷却时晶格类型还会发生变化。金属在固态下由一种晶格转变为另仪种晶格的转变过程,称为同素异构转变。在图2-9中,由纯铁的冷却曲线可以看出,纯铁液在结晶后具有体心立方晶格,称为Fe;当其冷却到1394时,发生同素异构转变,由体心立方晶格的Fe转变为面心立方晶格的Fe;再冷却到912时,原子排列方式又由面心立方晶格转变为体心立方晶格,称为Fe。上述转变过程可由下式表示: 图
14、2-9 纯铁的冷却曲线同素异构转变是钢铁的一个重要特性,它是钢铁能够进行热处理的理论依据。四铁碳合金的基本组织铁和碳的合金称为铁碳合金,铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。(一)铁素体(F)铁素体是指Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体,用符号F表示。由于Fe的溶碳量很小,所以铁素体的性能几乎和纯铁相同,即强度低、硬度低,塑性和韧性好。(二)奥氏体(A)奥氏体是指Fe内固溶有碳和其他元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体,用符号A表示。奥氏体具有一定的强度和硬度,塑性也很好。因奥氏体组织塑性好而又便于成形,所以钢材大多数都要加热至
15、高温奥氏体状态后再进行压力加工。(三)渗碳体(Fe3C)渗碳体是指晶体点阵为正交系、化学式为Fe3C的一种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%,硬度很高,但脆性大,塑性与韧性极低。(四)珠光体(P)珠光体是指奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的,为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织,是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物,常用符号“P”表示。珠光体碳的质量分数平均为0.77%。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,有一定的强度和塑性,硬度适中,是一种综合力学性能较好的组织。在珠光体的组织中渗碳体一般都呈片状分布在铁素体基体上。第三节 钢的热处理方法热处理是将固态金属或
16、合金采取适当的方法进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构和性能的工艺。 钢的热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛,它能提高工件的使用性能,充分发挥钢材的潜力,延长工件的使用寿命。此外,热处理还可以改善工件的工艺性能,提高加工质量和劳动生产率。 钢的热处理方法可分为五种,即退火、正火、淬火、回火及表面热处理。一、 钢的退火 将钢加热到Ac3以上3050,保持一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。退火的主要目的如下:1.降低钢的硬度,提高塑性。2.消除组织缺陷(粗大晶粒,偏折),改善钢的性能。3.消除钢中的残余内应力,防止变形和开裂。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去
17、应力退火(低温退火)等。各种退火加热温度范围如图2-10所示。 图2-10 退火和正火加热温度范围1-完全退火 2-球化退火 3-去应力退火 4-正火二、 钢的正火 将钢加热到Ac3或Accm以上4060,保持适当的时间后,出炉在空气中冷却的工艺方法,称为正火。正火加热温度范围见图2-10。正火与退火的目的基本相同,但正火后冷却速度比退火稍快,因此正火后得到的组织比较细,强度、硬度比退火钢高。正火有以下几个作用:1.改善低碳钢和低合金钢的切削加工性能。2.正火可细化晶粒,组织力学性能较高,对于要求不高的工件,可作为最终热处理。3.消除高碳钢中的网状碳化物,为球化退火做组织准备。正火与退火相比,
18、生产周期短,成本低,操作方便,故在可能的条件下应优先采用正火代替退火。三、 钢的淬火 将钢加热到Ac3或Accm以上3050,保持一定的时间,然后快速冷却的热处理工艺称为淬火。碳钢淬火温度范围如图2-11所示。根据冷却介质的不同,最常用的淬火方式有水冷(或盐水)淬火、油冷淬火等。淬火的主要目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。钢在淬火后易造成工件的变形和开裂,因此,必须配以适当的回火才能获得理想的力学性能。可以通过淬火与回火结合的方法,使钢的强度、硬度、耐磨性、弹性与韧性得到良好的配合。 淬火的方法有单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火等。淬火的工艺中两个概念应加以重视和区别,即淬
19、透性和淬硬性。淬透性是指在规定条件下,钢在淬火冷却时获得淬硬层深度的能力,淬透性愈好,淬硬层愈深。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。钢的淬硬性是指钢经淬火后达到的最高硬度,主要取决于钢中的含碳量,含碳量愈高,获得的硬度愈高。一般来说,含碳量相同的碳素钢与合金钢淬硬性没有区别,但合金钢的淬透性高于碳素钢。 图2-11 碳钢淬火温度范围四、 钢的回火将淬火或正火后的钢加热到低于727的某一温度,保温一定的时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火钢经过回火,可以达到如下目的:1 消除内应力通过回火减少或消除工件在淬火中所产生的应力,防止工件在使用过程中的变形与开裂。2.获得所需要的力
20、学性能通过回火可以提高钢的韧性,适当调整钢的强度和硬度,使工件具有较好的综合力学性能。3.稳定组织和尺寸回火可使钢的组织稳定,使工件在使用过程中尺寸不变。回火时,决定钢的组织和性能的主要因素是回火温度。按回火温度的范围,可将回火分为三类。 低温回火(150250)。用于刀具、量具、冷冲压模具等。 中温回火(250500)。用于弹性零件及热锻模具等。 高温回火(500650)。高温回火的目的是获得较好的综合力学性能,生产中把淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理,简称调质。调质广泛用于螺栓、连杆、齿轮、曲轴等重要的构件。五、 钢的表面热处理在机械设备中,有许多构件是在冲击载荷及表面摩擦条件
21、下工作的。这类构件表面需要有高的硬度和耐磨性,防止摩擦磨损。而心部要具有足够的塑性和韧性,从而防止疲劳破坏。为了满足这类构件的性能要求,就要进行表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。(一) 表面淬火表面淬火是仅对工件的表面层进行淬火,而心部仍保持未淬火状态。表面淬火的目的是使工件表面具有高硬度、高耐磨性,而心部具有足够的塑性、韧性。根据淬火加热方法的不同,常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。 火焰加热表面淬火是用氧-乙炔(或其他可燃气体)火焰对工件表面进行快速加热,随之快速冷却的工艺。如图2-12所示。火焰加热表面淬火适用于碳素钢和合金结构钢。这种方法所用设备简单
22、,速度快,变形小,适用于局部磨损的工件,但加热温度及淬硬层不宜控制,淬火质量不稳定,因而在使用上有一定的局限性。 图2-12 火焰加热表面淬火示意图 感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面局部加热,然后快速冷却的淬火工艺。如图2-13所示。这种处理异常迅速(几秒或几十秒),而且硬度高、氧化变形小,操作方便,淬硬层深度易于控制,易实现机械化和自动化,适用于大批量生产。 图2-13 感应加热表面淬火示意图(二) 钢的化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺,称为化学热处理。 化学热处理的种类很多
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