金属材料及其焊接1讲解

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1、金属是富有特殊光泽而不透明的，具有导电性、导热 性、延展性的物质 金属材料概述： 金属分类： 除了纯铁用作铁磁材料，纯铝、纯铜用作导电材料外，工程上使用的金属材 料绝大部分以合金的形式出现；作为主要的铁基合金，钢在工程技术上被大 量使用，按重量计超过百分之九十以上。 钢的分类： 常存的元素：在任何钢中，由于原材料及冶炼、脱氧等原 因，有一些元素是恒常存在的。它们是碳、硫、磷、硅、 锰。俗称五大元素。其中硫、磷是有害元素； 作为成分加入钢中的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钨、 钼、钒、钛、硼、铌等等。形成的合金钢有铬钢、镍钢、 锰钢、硼钢、铬镍钢、锰硅钢、铬镍钼钢等等。 钢中的气体：由于备料及炼钢

2、过程等因素，钢中会含有 氧、氢以及氮。其中氧和氢都是有害气体。氮有时作为成 分用以提高钢的机械性能，除此之外氮也需受到控制。 钢中的化学元素： 氮早期主要用于铬锰氮（铬锰镍氮）奥氏体不锈钢中，以节约钢中 的镍。近 些年来，氮也日益成为铬镍奥氏体不锈钢中的重要合金元素。氮的作用除代 替部分镍以节约贵重的镍元素外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈 钢的强度，但并不显著损害钢的塑性和韧性；同时，氮提高钢的耐腐蚀性能 ，特别是耐局部腐蚀，比如耐晶间腐蚀，点腐蚀和缝隙腐蚀等。 近些年来，用氮合金化的奥氏体不锈钢的研究开发取得了较大的进展。目前 应用的含氮奥氏体不锈钢可分为控氮型、中氮型和高氮型三种。

3、控氮型为在 超低碳（C 0.02%0.03%）铬镍奥氏体不锈钢中加入0.05%0.10%氮，用 以提高钢的强度，使之达到含稳定化元素钛的或普通低碳（C 0.08%）奥氏 体不锈钢的水平，同时耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀性能优良；中氮型含有 0.10%0.50%氮，在正常大气压力条件下冶炼和浇注，所得到的氮合金化奥 氏体不锈钢（包括铬镍氮、铬锰氮和铬锰镍氮型钢）目前以耐腐蚀为主要目 的，同时具有较高的强度；高氮型氮含量在0.40%以上，在加压条件下冶炼及 浇注，主要在固溶态或半冷加工态下使用，既具有高强度，又耐腐蚀。现在 氮含量达到0.8%1.0%水平的高氮奥氏体不锈钢已开始工业化生产，并获得 实际

4、应用。 氮有奥氏体不锈钢的影响： 铸钢件：将熔炼好的钢水注入事先准备好的型腔，凝固后获得的钢制品。一 般要经过退火或其它品质热处理。铸钢件的特点是可以铸造形状复杂的零 件。但一般来说韧塑性（延伸率、断面收缩率及冲击韧生）较钢材、锻件要 差。 钢材：通过轧制或挤压、拉拔等高效率的生产工艺加工得到的钢制品，如： 钢板、钢管、钢棒、型钢、焊丝、焊带等。占钢制品的绝大部分。 锻件：将钢锭或坯料加热后用锻锤或压力机等锤击或加压，使之发生塑性变 形，改善金属组织，获得一定形状和尺寸的工件，称之为锻件。 焊接结构件：将加工过的钢铸件、钢材、锻件通过焊接工艺组合起来就成为 焊接结构件，通过焊接可以获得形状复杂

5、、尺寸庞大、具有特定功能的构 件。 钢制品及其生产工艺： 金属是一种晶体； 金属是一种以金属键结合的晶体； 金属晶体结构的基本类型有三种： 金属的物理特性： 金属的晶体结构： 工业上实际使用的金属材料，一般来说，即使体积很小，其内部也包含了许 许多多颗粒状的小晶体。每个小晶体内部的晶格位向一致，而各个小晶体彼 此间位向都不同。如图1所示。这种外形不规则的小晶体通称为晶粒。晶粒之 间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构。 一般金属材料都是多晶体，因此表现出来是各向同性的。 金属的物理特性： 纯金属结晶 冷却到结晶温度（熔点）开始结晶（凝固）。纯金属在无限缓慢的冷却条件 （即

6、平衡条件）下结晶，所得到的结晶温度称为理论结晶温度，用T0表示。 实际生产中，冷却速度很快，此时液态金属将在T0以下某一Tn才开始结晶， 这种现象称为过冷现象。 T=T0-Tn称为过冷度。见图3。 金属的物理特性： 金属的同素异构转变： 金属的物理特性： 金属的同素异构转变： 大多数金属结晶终了（完全凝固）后，在继续冷却的过程中，晶体结构不发 生变化。但某些金属在固态下因所处温度不同而具有不同的晶格形式。如铁 有体心立方的-Fe和面心立方的-Fe；钴有密集六方的-Co和面心立方的- Co。金属在固态下随温度的改变由一种晶格变为另一种晶格的变化，称为金 属的同素异构转变。这种转变过程是一种重结晶

7、过程。 重结晶：具有同素异晶（构）性的金属或多相性的合金，在加热或冷却过程 中，通过相变温度时改变晶体结构的过程叫重结晶。重结晶可以被利用来细 化金属的晶粒，从而改善金属或合金的性能。 金属的物理特性： 金属的同素异构转变： 当金属受外力的作用时，起初发生弹性变形，当应力达到一定大小时，即过 渡到塑性变形。此时去除外力，金属并不能恢复到原先的形状。塑性变形通 过滑移和孪生两种方式进行。 冷塑性变形对金属性能的影响： 金属材料经冷塑性变形后，强度显著提高，而塑性则很快下降。变形程度愈 大，性能的变化也愈大。这种现象称加工硬化。见图5. 工程技术上利用加工硬化来强化金属，提高金属的强度、硬度和耐磨

8、性。特 别是那些不能用热处理强化的材料，如奥氏体不锈钢的发电机护环。 此外，冷塑性变形对金属的导电、导磁性能也会有影响。 金属的物理特性： 金属的冷塑性变形及其对金属性能与组织的影响： 金属的物理特性： 金属的冷塑性变形及其对金属性能与组织的影响： 冷塑性变形对金属组织结构的影响： 形成纤维组织： 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着外形的变化，金属内部的晶粒形状 也由原来的等轴晶粒变为没变形方向伸长的晶粒，同时晶粒内部出现了滑移 带。当变形程度很大时，晶粒被显著伸长成纤维状，称为冷加工纤维组织。 形成纤维组织后，金属会具有明显的方向性，沿纤维的方向的机械性能高于 垂直于纤维方向的性能。 亚结

9、构细化： 金属发生塑性变形时，在晶粒外形变化的同时，晶粒内部也会细化成变形亚 结构。随着塑性变形程度的增大，变形亚结构将逐渐增多并细化。见图6. 产生形变织构： 由于塑性变形使金属中每个晶粒的位向趋于一致的结构，称为形变织构。金 属中形变织构的形成，会使其性能呈明显的各向异性。 金属的物理特性： 金属的冷塑性变形及其对金属性能与组织的影响： 金属的物理特性： 金属的冷塑性变形及其对金属性能与组织的影响： 产生残余应力： 当作用于金属材料的外力去除后，仍残存于金属材料内的应力，称为残余应 力，即内应力。残余应力的有害影响为：降低工件的承载能力；使工件尺寸 形状发生变化；降低工件的耐蚀性。 金属的

10、物理特性： 金属的冷塑性变形及其对金属性能与组织的影响： 变形后的晶体，由于晶格畸变而处于不稳定状态。如对塑性变形后的金属进 行加热，就会迅速发生一系列组织与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳 定状态。这个变化过程可分为回复、再结晶、晶粒长大三阶段。 金属的物理特性： 冷塑性变形金属的回复与再结晶： 回复： 当加热温度较低时，冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持纤维组织， 其机械性能也变化不大，但残余应力显著降低，其他物理和化学性能（如导 电率、导磁率、耐腐蚀性能等）也大部得到恢复。这一阶段称为回复。 金属的物理特性： 冷塑性变形金属的回复与再结晶： 再结晶： 当冷塑性变形后的金属加热到比回

11、复阶段更高的温度时，由于原子扩散能力 增大，使被拉长而呈纤维状的晶粒又变成为等轴晶粒，同时使加工硬化与残 余应力也完全消除。这一过程称为再结晶。 注意区别重结晶与再结晶两种现象、两个概念。 再结晶改变了晶粒外形，消除了因变形而产生的某些晶体缺陷。而新、旧晶 粒的晶格类型是完全相同的，再结晶不是相变过程。重结晶则完全是一个相 变过程。 再结晶温度：金属的再结晶不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进行 的过程。通常再结晶温度是指再结晶开始的温度（发生再结晶所需的最低温 度），它与金属的熔点、纯度、预先变形的程度等因素有关。变形程度愈大 ，再结晶开始温度愈低。 当预先变形程度达到一定量后，再结晶温

12、度将趋于某一最低值。这一最低的 再结晶温度，就是通常指的再结晶温度。各种纯金属的再结晶温度（T再）与 其熔点（T熔）间的关系，大致可用下式表示：T再0.4T熔 金属的物理特性： 冷塑性变形金属的回复与再结晶： 晶粒长大： 冷塑性变形的金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如继续升 高温度，或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒又会逐渐长大。 金属的物理特性： 冷塑性变形金属的回复与再结晶： 热加工与冷加工的区别： 凡是金属的塑性变形是在再结晶温度以下进行的，称为冷加工。在冷加工时 ，必然产生加工硬化；在再结晶温度以上进行的塑性变形则称为热加工。热 加工时产生的加工硬化可以随时被再结晶消

13、除。 例：钨的T再为约1200 ，钨在低于1200 的高温下进行变形属于冷加工； 铅的T再为约3 ，铅在高于3 的常温下进行变形属于热加工。 金属的物理特性： 金属的热塑性变形加工： 热压力加工对金属组织与性能的影响： 热压力加工的过程是一个不断加工硬化又不断再结晶消除硬化的过程。对于 大多数的中低合金钢来说，在热加工过程中几乎体察不到加工硬化的发生。 热加工的结果虽然一般不会引起加工硬化，但能使金属组织与性能发生以下 显著变化： 1）消除铸态金属的某些缺陷：焊合气孔和疏松；部分消除偏析；将粗大的柱 状与枝晶变为细小的均匀的等轴晶；改变夹杂物、碳化物的形态、大小和形 状。结果可使金属材料的致密

14、程度与机械性能大大提高。 2）形成热加工纤维组织：热加工时，铸态金属毛坯中的粗大枝晶及各种夹杂 物，都要沿变形方向排列成纤维状。这些夹杂物在再结晶时不会再改变其纤 维状。这样，在材料或工件的宏观试样上，可以看到沿着变形方向的一条条 细线，这就是热加工件的纤维组织。 纤维组织的存在，会使金属材料机械性能呈现出各向异性。 金属的物理特性： 金属的热塑性变形加工： 由两种或更多化学元素（其中至少一种是金属）所组成的具有金属特性的物 质叫合金。由两种元素组成的合金称“二元合金”；依次还有“三元合金”、“多元 合金”。合金具有比纯金属更高的机械性能和某些特殊的物理、化学性能（如 耐腐蚀、高温强度等）。因

15、此合金材料的应用非常广泛。 如黄铜是铜和锌的合金；硬铝是铝、镁和铜的合金；碳钢的铸铁是铁和碳的 合金，再加入合金元素后就成为合金钢和合金铸铁。 铁碳合金： 合金： 合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做“相”。各相之间有明显可 分的界面。例如纯金属或固溶体是一个相；珠光体是由铁素体和渗碳体两个 相组成的。 合金的相结构： 合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类： 固溶体：当合金由液态结晶成为固态时，组元之间仍能互相溶解而形成的均 匀相，称为固溶体。 按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，可分为间隙固溶体和置换固溶 体两种。见图7。 铁碳合金： 合金的结构： 由于形成固溶体后溶剂金

16、属的晶格发生畸变，使位错变形受到的阻力增大， 结果使材料的强度、硬度增高。 铁碳合金： 合金的结构： 金属化合物： 由相当程度的金属键结合，并且具有明显的金属特性的化合物，称为金属化 合物。如钢中的渗碳体（Fe3C）。 没有金属键结合，又没有金属特性的化合物，为非金属化合物，如钢中的FeS 和MnS等。对合金性能有坏的影响，称为非金属夹杂。 当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会 降低塑性和韧性。 机械混合物：如珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物；莱氏体在高温下为 奥氏体和渗碳体的混合物，在室温下为珠光体和渗碳体的混合物。 铁碳合金： 合金的结构： 铁碳合金的分类： 我们以碳含量的多少来区分钢和铁：C 2.06%称之为钢；C 2.06%称之为 铁。同时又把钢和铁根据含碳量的多少分别分为三类： 铁碳合金： 典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织： 铁碳合金状态图 铁碳合金： 典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织： 铁碳合金状态图 钢（和铸铁）是现代工业中，也是在核设备中应用最广泛的合金，品种繁多 成分各不相同，但都是铁和碳（以