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1、 船舶与海洋工程金属材料及焊接工艺 提纲 2016 11 1. 冲击韧性（韧脆转变温度） a) 冲击韧性：材料，冲击载荷，不破坏 b) 韧脆转变：温度，冲击韧性。在某一温度范围内，冲击韧性急剧下降的现象。 c) 韧脆转变温度：韧脆转变的温度范围。材料的使用应高于该温度。 2. 疲劳 1. 疲劳：材料，低于屈服强度s，重复交变应力作用，断裂。 2. 疲劳极限-1：材料，规定次数应力循环，不发生断裂，最大应力。钢铁 107，有色金属合金 108 3. 提高疲劳抗力：改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化。 3. 固态合金中的相：固溶体和金属化合物两类 a) 固溶体：合金的结构
2、与组成元素之一的晶体结构相同的固相。 b) 溶剂：与固溶体晶体结构相同的元素。其它元素称溶质。 c) 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 d) 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。 e) 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。 （溶质原子使晶格 发生畸变及对位错的钉扎作用） a) 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。 b) 与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。 4. 结晶的一般过程 a) 结晶的基本过程=晶核的形成、晶核的长大。 b) 形核的两种方式 i. 均匀形核：液体中排列规则
3、的原子团形成晶核 ii. 非均匀形核：液体中存在的固态杂质为核心形核 c) 晶粒的大小：取决于晶核的形成速度(N)和长大速度(G)。N/G 比值越大，晶粒越细小。凡是促进形 核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 5. 控制晶粒度的方法 a) 控制过冷度：随过冷度增加，N/G 值增加，晶粒变细。 b) 变质处理（孕育处理） 。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。加入的非 均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂） 。 6. 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象。属于固态相变。 铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化：Fe Fe Fe 7. 铁碳合金的组元和
4、相 铁碳合金的组元： （Fe、Fe3C） 铁碳合金的相 a) 铁素体 F 或 -铁素体：碳在 -Fe 中的固溶体 ：-铁素体：碳在 Fe 中的固溶体 铁素体都是体心立方间隙固溶体，溶碳能力很低。 铁素体的组织为多面体晶粒，性能与纯铁相似。 b) 奥氏体 A（） ：碳在 -Fe 中的固溶体。面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大。组织 为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在 区进行。 c) 渗碳体（Fe3C、Cm）含碳 6。69%。硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。 d) 莱氏体(Le)：共晶产物是 与 Fe3C 的机械混合物，蜂窝状，以 Fe3C 为基，性能硬而
5、脆。 e) 珠光体（p） ：共析转变的产物是与 Fe3C 的机械混合物。组织特点：两相呈片层相间分布，性能介 于两相之间。PSK 线又称 A1 线。 8. 热处理：将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。 对钢加热的目的之一是使钢奥氏体化。 9. 板条马氏体和针状马氏体的区别 a) 奥氏体过冷 230； b) 马氏体：碳在 -Fe 中的过饱和固溶体，高硬度；马氏体强化：固溶强化 马氏体的形态分板条（位错马氏体）和针状（孪晶马氏体）两类 板条马氏体：含碳量较低（0.12%） ，塑性、韧性；针状马氏体：含碳量较高（1.2%） ：硬度高，脆性大 10. 钢的热处理
6、 a) 普通热处理 A. 预备热处理（一般） 退火：将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺。消除内应力，调整硬度。 正火： 将亚共析钢加热到 Ac3+3050， 共析钢加热到 Ac1+3050， 过共析钢加热到 Accm+3050 保温后空冷的工艺。 B. 最终热处理 淬火：将钢加热到临界点以上，保温后以大于 Vk 速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。马 氏体是强度和刚度最高的组织。 （马氏体：-Fe 和 C） 回火： 将淬火钢重新加热到 A1 线以下的某温度保温后冷却的工艺， 消除内应力， 防止工件变形和开裂， 并减小脆性。使淬火组织趋于稳定，防止使用时变形。 b)
7、 表面热处理 表面淬火： 在不改变钢的化学成分及心部组织情况下， 利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化 零件表面的热处理方法。高硬度，耐磨，疲劳极限。 c) 化学热处理 定义： 将工件置于特定介质中加热保温， 使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和 组织，进而改变其性能的热处理工艺。渗碳、渗氮。 目的：改变其化学成分，获得表硬里韧性能 d) 化学热处理-氮化 特点： 1. 氮化件表面硬度高，耐磨性高 2. 疲劳强度高，由于表面存在压应力 3. 工件变形小，因氮化温度低，氮化后不需热处理。 4. 耐蚀性好，因表层形成的氮化物化学稳定性高 应用：用于耐磨性、精度要求高的零件及
8、耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴 等。 11. 船舶结构钢-工业用钢：碳素钢和合金钢 a) 碳素钢：含碳量低于 2.11%的铁碳合金。 b) 合金钢：为提高钢的性能，在碳钢基础上加入一定量合金元素所获得的铁基合金。 碳素结构钢和低合金高强度钢的牌号方法、成分、性能及用途。记住典型牌号的涵义。 a) Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 b) 质量等级符号为 A、B、C、D、E。由 A 到 E，其 P、S 含量依次下降，质量提高。 c) 脱氧方法符号:沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为 Q235AF、Q235BZ。 d) 钢板低
9、合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢， 其牌号中没有表示脱氧方法的符号， 如 Q345C。 e) 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分之几)和 化学元素符号，按顺序表示，如 16Mn。 12. 杂质元素对性能的影响（Mn，Si，S，P） a) Mn：0.8%时为杂质，有益元素。强化铁素体；消除硫的有害作用。 b) Si：0.5%时为杂质，有益元素。强化铁素体；增加钢液流动性。 c) S： 有害元素。 常以FeS形式存在。 易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)， 热加工时(11501200)， 由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在 0
10、.045%以下。Mn 可消除硫的有害作用， FeS+MnFe+MnS，MnS 熔点高(1600)。 d) P：有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P 一般控制在 0.045%以下。 e) N：时效脆化；O：氧化物疲劳裂纹源；H：降低韧性，氢脆，白点（发裂） 13. 金属的腐蚀 a) 形式：分化学腐蚀和电化学腐蚀。 b) 防止电化学腐蚀的措施：获得均匀的单相组织。提高合金的电极电位。使表面形成致密的钝化膜 c) 晶间腐蚀的原因： 晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象， Cr23C6析出于晶界，使晶界附近 Cr 含量 降到 12%以下，在介质作用下发生
11、强烈腐蚀。 14. 常用不锈钢（典型牌号与性能、应用场合） a) 马氏体不锈钢，主要是 Cr13 型不锈钢，1Cr13、2Cr13 具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力 学性能。3Cr13、4Cr13 耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。 b) 铁素体不锈钢，0Cr13、1Cr17。耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向。硝酸和氮肥工业 的耐蚀件。 c) 奥氏体不锈钢，18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧 性，无磁性常用钢种为 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 广泛用于化工设备及管道。 15. 低温用钢 a) 定义：工作环境在-20-19
12、6之间的结构用钢 b) 要求：低温强度、韧性、工艺性、耐蚀 c) 典型牌号与性能： 奥氏体低温钢：0Cr18Ni9，超低温 25Cr-20Ni 低碳马氏体低温钢： （1Ni9 可用制造-196条件下使用的液氮、液化天然气设备） 铁素体型低温钢：16MnRE d) 应用场合：液氮、液化天然气、液化石油气，存储运输的容器、船舶 16. 铝及铝合金 a) 性能特点 纯铝：密度小，熔点低，导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形。具有面心立方晶格，无同 素异构转变，无磁性。 铝合金：密度小，耐腐蚀，导热性好 b) 分类：变形铝合金（锻造，拉伸） ，铸造铝合金（流动性好） c) 热处理：固溶处理（淬
13、火） ，时效硬化 d) 典型铝合金牌号、性能及用途 船用变形铝合金（均含 Mg） 防锈铝合金（Mn、Mg） ：5A50、3A21；焊接零件，耐蚀容器 硬铝合金（Cu、Mg） ：2A01，2A11；飞机螺旋桨，叶片，隔框，不耐腐蚀（包铝） 超硬铝合金（Cu、Mg、Zn）飞机起落架，大梁，不耐腐蚀（包铝） 锻铝合金（Cu、Mg、Si）6A02，2A50，形状复杂，强度高：叶轮，框架，内燃机活塞 铸造铝合金(ZAl+其他元素+其他元素质量分数) Al-Si 铝硅明：轻质，耐蚀，形状复杂，强度不高发动机气缸 ZL108 17. 典型铜及铜合金 a) 纯铜：耐蚀，导电，抗磁。 b) 主要分类 H 黄铜（
14、Zn） 单相黄铜：冷变形零件，塑性好，H80 H70 双相黄铜：受力件，热塑性好强度高，H62，H59 特殊黄铜： 白铜（Ni） 普通白铜：精密器械 特殊白铜：康铜，考铜 Q 青铜（黄铜、白铜外） 锡青铜：抗腐蚀（大气，海水） ，耐磨 QSn4-3QSn6.5-0.4 特殊青铜 铝青铜耐磨 QAl11-6 螺旋桨 铍青铜强度 QBe2 航海罗盘 c) 与船舶制造相关的典型牌号、性能与用途 特殊黄铜：锡黄铜（海军黄铜）抗蚀，螺旋桨 HSn62-1，HSn70-1 ZHMn55-3-1（铸造锰铁黄铜）民用中小型螺旋桨 ZHAl67-5-2-2（高强度铸造铝黄铜） ：大型螺旋桨，高速小艇 H68（黄
15、铜）不接触海水的零件，导管，衬套，散热器 H62（黄铜）海水蒸汽低于 200，淡水热交换器，螺钉，垫圈 18. 钛及钛合金 a) 钛：熔点高，密度小，抗蚀性能好；纯钛在 350温度下工作 b) 钛合金分类： ：TA 不能热处理强化，500以下工作 ：TB 紧固件 ，难焊接 +：TC 时效强化 c) 钛及钛合金抗腐蚀性能 优良的耐腐蚀性能 加入少量氧化剂：不发生孔蚀、晶间腐蚀 加入钯，锆，钼：提高耐腐蚀能力 d) 造船业应用 深潜器（屈服强度） 高速，大型快艇（抗蚀，强度高） 其他：螺旋桨，管系，阀门（抗疲劳腐蚀，屈强比高，质量轻） 19. 焊接的基本分类 熔焊（气焊，电弧焊(焊条、埋弧、气体、
16、等离子)，电渣焊） ， 压焊（固态，塑性变形，再结晶，扩散） ， 钎焊（钎料融化母材不熔化） 20. 焊接与造船业相关焊接工艺的原理、工艺过程。 （重点） 21. 电弧 a) 电弧的本质：电弧是气体导电（也称气体放电）的一种形式 b) 电弧磁特性：磁偏吹的方向总是偏问磁力线较稀疏的一方。 22. 坡口的基本形式 23. 主要焊接工艺的基本原理（会画原理图） 、工艺过程、特点，应用场合，焊材及选取规则 手工焊条电弧焊 用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。 它利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧， 使焊 条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头。药皮：分解、熔化生成气体及熔渣，保护焊条端部、电弧、 熔池及其附近区域，防止大气对熔化金属污染。焊
