金属材料焊接及热处理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,金属材料焊接及热处理,第一节 金属材料的分类,金属材料分为：黑色金属材料与有色金属材料。,通常黑色金属的颜色是灰黑的，有色金属的颜色是灰白或红色（或近似红色）,黑色金属只有三种：铁Fe、锰Mn、铬Cr及其合金；,应用较广的主要是钢铁（C%大于2.11%是铁、C%小于2.11%是钢）产品，钢铁产品又分为碳钢、合金钢、铸铁、硬质合金；,按用途可以分为结构用钢（包括碳素钢、合金钢、耐侯钢和建筑用钢、易切钢、冷镦钢、弹簧钢、轴承钢等）、工具钢（刃具、量具、模具钢等）、特殊性能钢（不锈钢、耐热钢等）、焊接材料等；,有色金属有：不锈钢，铝Al、铜Cu及其合金等。,1碳钢,1.1碳钢的分类,1）碳素钢按含碳量多少可分为,低碳钢（C%0.25%）、中碳钢（C%=0.25%0.60%）、高碳钢（C%0.6%）,2）合金钢按合金元素的含量又可分为低合金钢（合金元素总量10%）三类。,3）按品质分类,按钢中所含有害杂质硫S、磷P的多少，可分为普通钢（S%0.055%，P%0.045%）、优质钢（S%、P%0.040%）和高级优质钢（S%0.030%，P%0.035%）三类。,此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。,1）普通碳素结构钢（力学性能）,Q+数字+质量等级符号（A、B、C、D）+脱氧方法（F、b、Z）,2）优质碳素结构钢（力学性能和化学成分）,a、正常含锰量：两位数字（万分含碳量）,b、含较高锰量：两位数字+Mn,3）碳素工具钢,T+数字（千分含碳量）如：T12、T8,合金钢：,数字+化学元素+数字 0Cr18Ni9Ti,铸铁：(按石墨形态分类),灰铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；,HT150、HT250、HT400,“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度,可锻铸铁中石墨呈团絮状；,KT350-10、KTZ600-3铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,球墨铸铁中的石墨呈球状；,QT400-15、QT600-3、QT800-2球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。,蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。,RuT300、RuT420,蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。,有色金属通常指除去铁（有时也除去锰和铬）和铁基合金以外的所有金属。有色金属可分为四类：,（1）重金属：一般密度在4.5g/cm3以上，如铜、铅、锌等；,（2）轻金属：密度小（0.534.5g/cm3），化学性质活泼，如铝、镁等。,（3）贵金属：地壳中含量少，提取困难，价格较高，密度大，化学性质稳定，,如金Au、银Ag、铂Pt等；,（4）稀有金属：如钨W、钼Mo、锗Ge、锂Li、镧Lan、铀U等。,由于稀有金属在现代工业中具有重要意义，有时也将它们从 有色金属中划分出来，单独成为一类。而与黑色金属、有色金属并列，成为金属的三大类别。,2铝及其合金,物理性能：密度小、无磁性、导电及导热性能好(热交换器的盘管)、无打击火花。,化学性能：抗大气腐蚀性好,力学性能：塑性高、强度低,工艺性：易塑性变形，加工性良好,铝锭：Al99.7、Al99.6、Al99.5、Al99.0、Al98.0,纯度依次降低,变形铝：1070 1060 1050（L1 L2 L3）,变形铝表示方法：四位数字,“四位数字”体系表示规则,例如：1070表示纯度为99.70%的工业纯铝,铝合金分类依据,分类依据铝合金相图,1、变形铝合金种类,（1）防锈铝合金（代号LF）,（2）硬铝合金（代号LY）,（3）超硬铝合金（代号LC）,（4）锻铝合金（代号LD）,2、变形铝合金牌号表示方法,用四位字符表示,四位字符表示规则,例如：2A11表示主要合金元素为铜的11号Al-Cu 原始铝合金,防锈铝合金(LF):,成分：Al Mn（锰）系：例如:LF21,Al Mg（镁）系：例如:LF2、LF6,性能：不能用时效强化，加镁或锰固溶强化提高铝合金的强度抗蚀性比纯铝好。,防锈铝合金应用：,用于高耐腐蚀性的薄板容器（如焊接油箱）、防锈蒙皮、客车装饰条、窗框、灯具等用于制造受力小、轻质、耐腐蚀的结构件，如油管、铆钉,铝合金门窗（一般用材6063）,硬铝合金(LY):,成分：Al Cu Mg，常用LY1、LY11、LY12,性能：能通过时效强化提高强度,耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性,成分：Al Cu Mg Zn，常用LC4、LC9,性能：通过时效强化显著提高强度，耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性。,硬铝和超硬铝应用：,中等强度的轻质结构零件，如飞机铆钉、大梁、桁条、隔框、蒙皮、空气螺旋桨叶片等。,成分：Al Mg Si Cu。常用LD5、LD6、LD10,性能：固溶+时效处理后力学性能与硬铝合金相当,经软化退火后热 塑性和耐腐蚀良好，适合于锻造成形，,锻铝合金应用：形状复杂的中等负荷零件，如压缩机叶片，飞机桨叶,1、分类,（1）铸造AlSi（硅）合金,（2）铸造AlCu（铜）合金,（3）铸造AlMg（镁）合金,（4）铸造AlZn（锌）合金,2、代号,铸造AlSi合金：ZL1，如ZL102表示2号铸造铝硅合金,铸造AlCu合金：ZL2，ZL201表示1号铸造铝铜合金,铸造AlMg合金：ZL3，ZL303表示3号铸造铝镁合金,铸造AlZn合金：ZL4，ZL401表示4号铸造铝锌合金,3、牌号,例：ZAlMg10 表示铸造铝镁合金，镁的质量分数为10,铸造铝硅合金（俗称硅铝明）,4、特性,（1）铸造性能优良（流动性好、收缩率小、热裂倾向小）；,（2）密度小、强度较高；,（3）耐腐蚀性和导热性良好。,5、变质处理,变质剂：氟化钠和氯化钠的复合盐。,目的：使共晶体中的硅呈细密分布，细化组织，提高强度。,变质处理性能变化：变质后强度可提高30%40%。,6、常用牌号（ZL102）、应用,制造质量轻、形状复杂、耐蚀、但强度要求一般的结构件，如汽车发动机活塞、气缸头及油泵壳体。,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102未变质 ZL102变质后,7、其他铸造铝合金应用,汽缸头,（铝铜合金,）,3铜及其合金,化学：化学性能稳定，在大气、淡水中具有良好的耐腐蚀性能。,力学：强度、硬度并不高，塑性、韧性良好。低温性能好。,工艺性：焊接性良好，适宜于进行各种冷热加工。,未加工产品（铜锭或电解铜）：代号为Cu-1、Cu-2,加工产品：T1、T2、T3,纯度依次降低,应用于电气工业，制造电线、电缆、电刷、铜管及通信器材,深冷冻的主要材料,纯铜金相组织,纯铜金相组织,单相相,1、按化学成分,黄铜:Cu Zn,白铜:Cu Ni,青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金,2、按制造方法,加工铜合金,铸造铜合金,Cu-Zn二元合金，性能与含锌量有关,与纯铜相比具有良好力学性能,易加工成形,另外它还具有价格低廉、色泽美丽等优点。,常用牌号及应用,H80、H92：艺术装饰品、纪念章、镀层、散热器、双金属片,H68：冷冲压管、套类零件，如弹壳、冷凝器管、散热器管,H62：工业上应用较多，散热器、油管、垫片、螺钉、弹簧等,法兰阀,闸阀,冷凝器管,制造质量轻、形状复杂、耐蚀、但强度要求一般的结构件，如汽车发动机活塞、气缸头及油泵壳体。,焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层次等因素。,黄铜:Cu Zn,A 最典型的奥氏体不锈钢是1Cr18Ni9Ti钢。,质量好，可焊异种材料；,撞击时不产生火花等特性。,应用：用于重要工件的焊接。,冲击韧度（KU）试验,常用的牌号有：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al等。,焊前将焊件整体或局部预热至600700并施焊，焊后缓冷。,铸造铝硅合金（俗称硅铝明）,（3）耐腐蚀性和导热性良好。,优质碳素结构钢，钢的品质较高，出厂时既保证化学成分，又保证力学性能。,焊接必须在内焰中进 行，一般焰心应当距离金属表面23mm。,应用：主要用来制造重要用途的弹性元件、耐磨元件等。,撞击时不产生火花等特性。,4）采用焊前刚性固定法。,（1）铸造AlSi（硅）合金,在铜中主要加入锌，还加入铅、锡、铝、锰、硅等合金元素的铜合金。,特性：优良的切削加工性能、耐腐蚀性、铸造性能,常用特殊黄铜：,海军黄铜-HSn62-1,易切削黄铜-HPb59-1,普通青铜(锡青铜),特殊青铜(铝青铜、铍青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜等),表示方法,1、特性,熔点低、硬度大、可塑性强、色泽光亮等特点，非常适用于铸造各种器具。,2、应用,主要用于耐磨、耐蚀及弹性元件，如滑动轴承、弹簧、蜗轮、丝杠螺母等。,1、铝青铜:QAl7,特性：比锡青铜具有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，还能进行热处理强化，铝青铜的价格也比较低，可作为锡青铜的代用品,应用：制作高强度的耐磨、耐蚀件和弹性元件,2、铍青铜:QBe2,特性：铍青铜具有很好的综合性能，弹性极限、疲劳极限、耐磨性、耐腐蚀性都较好；还具有良好的导电、导热、抗磁性；撞击时不产生火花等特性。,应用：主要用来制造重要用途的弹性元件、耐磨元件等。如精密仪器、仪表的弹簧，钟表齿轮、电接触器、航海罗盘等。,第二节 金属材料的力学性能,1引言,1、金属材料的性能,使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，,主要包括力学性能、物理性能(密度、热膨胀性、导电、导热、磁性）和化学性能。,工艺性能：,指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,2、金属材料力学性能,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,2成分组织性能,1、op段：直线、弹性变性,2、pe段：曲线、弹性变形+塑性变形,b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。,3、es段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,4、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形。,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。,1、抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力。,其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,2、屈服点,b=Fb/S0,当材料的内应力b时，材料将产生断裂。,b常用作脆性材料的选材和设计的依据。,符号：s 材料产生屈服现象时的最小应力,s=Fs/S0,Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）,除低碳钢种中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%,塑性变形时的应力作为条件屈服强度0.2可以替代s，称条件（名义）屈服强度。屈服强度标志着材料对起始塑性变形的抗力，是工程技术中最重要的机械性能指标之一，设计零件时常以s 或0.2作为选用金属材料的依据。,抗拉强度表示试件在拉断前能承受的最大应力。显然，材料不能在承受b的载荷条件下工作，这样会导致金属构件和零件的破坏。另外，抗拉强度和屈强比s/b 也是设计和选材的重要依据。,许用应力,塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,评定指标是断后伸长率和断面收缩率。,（1）断后伸长率,（2）断面收缩率,指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。,指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,=(L1-L)/L x 100%（5%界定脆性与塑性）,L:标距L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。,=(A0-A1)/A0 x 100%,A0:试件原横截面积。,A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。,刚度指标,金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性.,弹性模数是反映金属材料刚性的指标,是材料在弹性极限范围内的应力,与应变（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=/=tg 式中为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。,（1）定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,（2）硬度的测试方法,（a）布氏硬度,（b）洛氏硬度,（c）维氏硬度,（d）肖氏硬度,布氏硬度试验（,布氏硬度计,）,原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,布氏硬度,HBS值的大小取决于压痕直径d，d值越大表明金属材料的变形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。,HBS值的大小取决于压痕直径d，d值越大表明金属材料的变形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。,布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS(淬火钢球）500HBW（硬质合金球）,测量范围,用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。,优缺点,（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低,加初载荷,加主载荷,卸除主载荷,读硬度值,原理：,布氏硬度计,0-0为压头与试样不接触位置；,1-1为压头受初载P0后压入试样深度h0的位置；,2-2为加主载P1后压头压入试样的位置；,3-3为去主载荷后压头由于试样弹性变形的恢复而略提高的位置，此时实际压入试样深度为h1，则压头受主载荷而压入试样深度为h1-h0。,h1-h0的数值越大，表示试样越软，反之越硬。,洛氏硬度,1、应用范围,常用于检测淬火后钢件的硬度。根据试样的硬度，按下表选择载荷及压头。,硬度符号,压头,总载荷（kg）,常用范围,应用举例,HRA,金刚石圆锥,60,7085,碳化物、硬质合金、表面淬火钢等,HRB,1.588mm钢球,100,25100,退火钢、铜合金等,HRC,金刚石圆锥,150,2067,淬火钢、调质钢等,缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。,优点：操作简便、迅速、效率高、可直接测量成品件及高硬度的材料。,韧性,金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。,通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料韧性的好坏用冲击韧度值衡量。,冲击韧度（KU）试验,KUA/F,A=(GH1-GH2)9.8 J/cm2,其中：KU（J/cm2）H（m）A（m2）G（kg）,第三节 金属材料热处理,在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分组织性能”的原则。,热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。,钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包括热处理原理及热处理工艺两大方面。,1钢的热处理,钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。,钢的热处理原理,钢的热处理相变温度,钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。,通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。,临界冷却速度：,是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火速度。,将钢加热到一定温度进行保温,缓冷至600以下，再空冷至室温的热处理工艺。,名称,目的,工艺制度,组织,应用,完全,退火,细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性,加热到AC32050，炉冷至550 左右空冷,FP,亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件,球化,退火,降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备,加热到AC12040，然后缓冷,片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状,共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等,扩散,退火,改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化,加热到Tm-100200，先缓冷，后空冷,粗大组织（组织严重过烧）,合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件,再结晶退火,消除加工硬化，提高塑性,加热到再结晶温度，再空冷,变形晶粒变成细小的等轴晶,冷变形加工的制品,去应力退火,消除残余应力，提高尺寸稳定性,加热到500650 缓冷至200 空冷,无变化,铸、锻、焊、冷压件及机加工件,各种退火和正火的一般加热范围,常用退火工艺制度小结,正火将钢加热到AC3以上温度并保温，出炉空冷至室温的热处理工艺。,由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。,正火的应用：,用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。,亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。,过共析钢的正火可消除网状碳化物。,1、,定义：淬火是将钢加热到AC1或 AC3以上温度并保温，出炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。,2、,钢的加热温度 将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。,3、钢的淬火工艺,2）淬火保温时间,淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。,（a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；,（b）零件尺寸越大，保温时间越长；,（c）生产中常根据经验确定保温时间；,3）淬火冷却速度,淬火冷却介质选择的原则：,（a）为保证获得马氏体组织，要求V冷却V临界；,（b）为保证零件不因淬火应力而开裂，要求V冷却不应太大，应该选择合适的冷却介质。,采用有机物和无机物等配制而成的水溶性聚合物淬火介质和淬火油改性添加剂，由于冷却能力可调整，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，不锈蚀、免清洗、无味、无烟雾、不着火，使用温度高，环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的40%等特点，因而在国外已普及推广应用。,但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化钠水溶液、碱溶液及硝盐溶液为冷却介质。因而造成严重的污染。,4、钢的淬透性和淬硬性,钢的淬透性,是指钢在淬火时获得马氏体的能力。,其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。,淬透性的应用：,（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；,（2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的淬火介质以减小淬火应力。,（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。,（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用低淬透性钢。,钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。,1、定义,：回火是把淬火后的钢件，重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。,2、目的：,淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。,第二阶段（230280）：马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和固溶体与碳化物，得到回火马氏体组织。,第三阶段（260360）：马氏体继续分解，碳原子继续析出使过饱和固溶体转变为铁素体；回火马氏体中的FexC 转变为稳定的粒状渗碳体，得到铁素体和极细渗碳体的机械混合物，即回火屈氏体。,第四阶段（400以上）：碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大，得到粒状碳化物与铁素体的机械混合物，即回火索氏体。,回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（HRC60）,4、回火的种类：,1）低温回火（150250）,2）中温会火（250 500 ）,3）高温回火（500650）,回火的目的,是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。,一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。（28HRC33）,钢的表面淬火,表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。,2、感应表面淬火：,感应加热表面淬火的特点：,淬火温度高于一般淬火温度。,淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高23HRC。,表层存在很大的残余压应力。,不易产生变形和氧化脱碳。,易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170200低温回火。,感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。,钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。,基本过程：,钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；,活性原子被钢件表面吸附和溶解；,原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。,将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子。,1、钢的渗碳：,渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合。,气体渗碳示意图,2、钢的渗氮：,渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。,2）渗氮后的组织,碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要领域。早期使用的NaCN等氰盐均有剧毒，现已禁用。新一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。,3、钢的碳氮共渗（氰化）：,碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。,1.4钢的热处理新工艺介绍,利用可控气氛，即通过精确计量和微机控制技术对炉内的气体组分加以控制。如含碳液体或气体的分解和裂解的碳浓度的控制。,1、保护气氛加热：,在真空炉中受真空气氛保护，可防止工件氧化、减小变形；但容易引起元素挥发。适于中小型零件的处理。,2、超细化处理：,超细化处理是指将钢在一定的温度条件下，通过数次快速加热和冷却等方法以获得极细组织，从而达到强韧化的目的。,3、真空热处理：,强韧化处理,强韧化处理是指同时提高钢件强度和韧性的热处理。,离子轰击热处理：在真空气氛下，将含C、N、S等离子束高速轰击到工件表面，工件迅速受热升温至碳化或氮化温度，同时原子进入工件表面形成渗碳层或渗氮层等。,离子轰击热处理示意图如右图所示,待处理的有色金属铸件,固溶时效处理的一般步骤,1、固溶处理：,将合金通过加热到固溶线以上、固相线以下温度保温，获得成分均匀的固溶体组织。,时效时间对性能的影响,时效时间对性能的影响,第四节 常见金属材料及其热处理方法,1 Q235钢,普通碳素结构钢，这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。,Q+数字 表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-AF,表示屈服点为235的A级沸腾钢。,通常Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。,2 45钢,优质碳素结构钢，钢的品质较高，出厂时既保证化学成分，又保证力学性能。,45钢表示平均含碳量为0.45%，属于中碳钢，须经调质后使用，其综合性能优良，宜制承受力较大的零件，如连杆、曲轴、主轴、活塞杆、齿轮。,3 20CrMnTi钢（20铬锰钛）,中淬透性渗碳钢主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。,20表示碳含量约为0.2%，主要的合金元素为：Cr、Mn、Ti其含量小于1.5%。,其热处理方法为：因其为本质粗晶粒钢及对性能要求很高，所以渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火（880、870）并低温回火（200）。以获得高硬度的表层及强而韧的心部。,4 W18Cr4V（钨18铬4钒）,工具钢，高速钢，用于制造一般高速切削刀具。,含碳量为：0.7-0.8%；W含量：18%；Cr含量：4%；V含量小于1.5%；,其工艺路线是：,下料锻造退火机加工淬火回火喷砂磨削加工,A.锻造的目的是消除莱氏体中粗大的且不均匀的碳化物。,W18Cr4V的铸态组织如图所示。,B,退火的目的是消除应力，降低硬度,。退火后的组织如图所示。,C 淬火温度应取1280，因为高速钢达到此温度时，奥氏体中才能溶解78%的钨，4%的铬和1%的钒，如图所示。,D 淬火冷却多采用盐浴中分级淬火（580620中性盐浴），淬火后的组织为隐状马氏体+粒状碳化物+残余奥氏体。如图所示。,E 回火的目的是消除应力、稳定组织。应采用560回火，因为在此温度回火硬度最高，如图所示。,5常用不锈钢,马氏体不锈钢,A 常用的马氏体钢含碳量为0.10.45%，含铬量为1214%，如典型的钢号1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。,B 钢中铬的n/8规律：即含铬量达n/8原子分数时，电极电位呈台阶式跃增，腐蚀速度呈台阶式下降。铬的含量超过台阶值时，钢的耐磨性才明显提高。如n=1，换成重量百分数为12.5%(52/55.8)=11.7%。,C 含铬量超过11.7%，电化学腐蚀过程变缓，并可使金属表面形成一层钝化模。,D 为提高耐腐蚀性，不锈钢的含碳量一般不超过0.4%。,E 1Cr13和2Cr13钢具有抗大气等介质腐蚀的能力，常作为结构钢使用。热处理方式为淬火+高温回火（600700），用来制造汽轮机叶片、锅炉管附件等。,F 3Cr13、4Cr13钢耐腐蚀性能差些，通过淬火+低温回火（200300），可得到较高硬度和气度，常作为工具钢使用。,铁素体不锈钢,A 铁素体不锈钢含碳量低于0.15%，含铬量为1230%。钢号有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。,B 铁素体不锈钢在加热和冷却时不发生相变。,C 铁素体不锈钢在450550停留会引起钢的脆化，称为“475脆性”。,D 铁素体不锈钢在600800长期加热会产生硬而脆的相。,E 铁素体不锈钢强度低，主要用于制造腐蚀零件，广泛用于硝酸和氮肥工业中。,奥氏体不锈钢,A 最典型的奥氏体不锈钢是1Cr18Ni9Ti钢。,B 对奥氏体不锈钢，通常采用固溶处理方法，即把钢加热到1100后水冷，以得到单相的奥氏体组织。,C 奥氏体不锈钢的冷热加工性和焊接性也很好，广泛用于制造化工生产的某些设备及管道等。,D 奥氏体不锈钢具有一定的耐热性，可用于700。但会在晶界析出铬的碳化物，引起晶间腐蚀。因此在不锈钢中要加入稳定碳化物元素钛、铌等。,E 超低碳的不锈钢可防止晶间腐蚀，如0Cr18Ni9、00Cr18Ni9等。,F 奥氏体不锈钢的缺点是常产生应力腐蚀破裂。,其它类型不锈钢,A 复相不锈钢 由奥氏体和铁素体两相形成复相组织。具有抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗焊缝热裂作用。常用的有：0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5Mo3N等。,B 沉淀硬化不锈钢 奥氏体不锈钢难以用加工硬化进行强化，但沉淀硬化不锈钢则可以。常用的牌号有：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al等。,第五节 焊接基本知识,1概述,1.1 何为焊接？,焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。,1）熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。,2）压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。,3）钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。,1接头 牢固、密封性好。,2可化大为小、以小拼大。,3可实现异种金属的连接。,4重量轻、加工装配简单。,5焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。,2手工电弧焊,手工电弧焊的特点,1.设备简单、应用灵活方便。,2.劳动条件差、生产率低、质量不稳定。,A 焊接电弧,1.焊接电弧的概念,具备两个条件,使气体电离,阴极发射电子,电阻热：Q=I2Rt,在焊条末端和工件两极之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象。,焊接电弧的稳定燃烧 就是带点粒子产生、运动、复合所产生的动态平衡过程。,2.电弧的构造及热量分布,2400k 36%,2600k 42%,50008000k 21%,3.电弧的极性,直流电源正接极：,直流电源反接极：,工件正极（阳极）；焊条负极（阴极）。,工件负极（阴极）；焊条正极（阳极）。,用于薄板金属的焊接,B焊接接头金属的组织与性能,一、熔焊过程冶金特点,1.熔池金属温度高于一般冶金温度,2.熔池金属冷却快，处于液态的时间短2000k,使金属元素强烈蒸发、烧损。10s,化学成分不均匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。,3.空气对焊缝的影响严重,1）O2：氧化的结果,合金元素被烧损；,焊缝产生夹渣的缺陷；,形成CO气孔。,2）N2：使接头的塑性、韧性下降。,3）H2：氢气孔,二、熔焊冶金过程中必须采取的工艺措施,1.减少有害气体进入熔池；,2.渗入合金元素；,3.清除已进入熔池的有害元素。,目前广泛用于造船、机车车辆、汽车制造、农业机械等。,5）焊前预热（150 350）,焊缝的布置应便于焊接操作,2）生产率高，成本低。,(3)氧化焰 当氧气与乙炔的比值大于1.,焊前将焊件整体或局部预热至600700并施焊，焊后缓冷。,为了去除氧化皮、水分和油类，目前工厂常用的方法是用氧乙炔火焰烘烤。,特性：优良的切削加工性能、耐腐蚀性、铸造性能,硬钎焊用于硬质合金刀具、钻探钻头、换热器的焊接。,铸造铝硅合金（俗称硅铝明）,接头强度高，在200MPa以上，工作温度较高。,退火后的组织如图所示。,割缝附近金属成分发生变化，某些金属元素被烧损了，这一区域的金属硬度提高，晶粒组织变粗，切割后的工件稍有变形。,3可实现异种金属的连接。,以获得高硬度的表层及强而韧的心部。,1.电焊条的组成及作用,组成：,（1）电焊条,（2）焊条芯,（3）药皮,（4）焊缝的填充材料 填充焊缝,（5）电极传导电流 导电,作用：,（1）机械保护的作用,（2）冶金的作用,（3）稳定电弧的作用,药皮的种类：,氧化钛型；氧化钛钙型；,钛铁矿型；氧化钛型；纤维素型；,低氢钾型；低氢钠型；,石墨型；盐基型。,电焊条烘干使用,酸性焊条：100-150，1-2h,碱性焊条：300-450，1-2h,保温箱内保存（150）,焊条型号编制方法如下：,字母”E表示焊条;,前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小;,第三位数字表示焊条的焊接位置.0及1表示焊要适用于全位置焊接（平、立、仰、横）,“2“表示焊条适用于平焊及及平面焊,“4“表示焊条适用于向下立焊；,第三位和第四位数组合时表示焊接电流种类及药皮类型。,在第四位数字后附加“R“表示耐吸潮焊条；,附加“M“表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加“1“表示冲击性能有特殊规定的焊条。,如：E4315（E：焊条；43：溶敷金属抗拉强度的最小值单位为kgf/mm2；1：焊条适用于全位置焊接；5：焊条药皮为低氢钠型，并可采用直流反接焊接）,2.电焊条的分类,结构钢焊条J；钼和铬耐热钢焊条R；,低温钢焊条W；不锈钢焊条A；,堆焊焊条D；铸铁焊条Z；,镍及镍合金焊条Ni；铜及铜合金焊条T；,铝及铝合金焊条L；特殊用途焊条TS,在熔渣中以酸性氧化物为主（TiO2、SiO2、Fe2O3）,在熔渣中以碱性氧化物为主（K2O、Na2O、CaO、MnO）,三、电焊条的选用,1.根据被焊工件的强度选用,2.根据被焊工件的化学成分选用,3.根据被焊工件工作条件和结构选用,4.根据实际生产状况选用,四、焊条直径的选择,焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层次等因素。,在一般情况下，可查表按焊件厚度选择焊条直径，并倾向于选择较大直径的焊条。,另外，在平焊时，直径可大一些；立焊时，所用焊条直径不超过5mm；横焊和仰焊时，所用直径不超过4mm；,开坡口多层焊接时，为了防止产生未焊透的缺陷，第一层焊缝宜采用直径为3.2mm的焊条。,焊条直径与焊件厚度的关系单位mm,焊件厚度 焊条直径,2 2,512 45,12 15,C 焊接接头金属组织与性能,焊接接头,焊缝区,焊接热影响区,1）焊缝区,熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。,2）焊接热影响区,焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。,熔合区,是焊缝和母材金属的交界区。（0.1-1mm）,加热温度：T液T固,强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。,过热区,加热温度：T固1100,塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。,在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm）,正火区,加热温度：,1100 AC3,在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm）,力学性能优于母材。,部分相变区,在热影响区内发生部分相变的区域。,加热温度：,AC3AC1,力学性能较母材稍差。,力学性能最差的区域：,熔合区和过热区,熔合区和过热区,减小和消除焊接热影响区的方法：,小电流、快速焊接；,采用先进的焊接方法；,焊前预热、焊后热处理（正火）,D焊接应力与变形,（一）焊接应力与变形产生的原因,焊接应力与变形产生的根本原因是：,焊件(工件）在焊接过程中受到局部加热和快速冷却。,应力的形成过程,焊接应力与变形,（二）焊接变形的基本形式,1.收缩变形,2.角变形,3.弯曲变形,4.扭曲变形,5.波浪形变形,（三）焊接应力与变形的防止,1.焊接应力的防止及消除措施,1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。,2）合理选择焊接顺序。,（）,（）（）,3）锤击或碾压焊缝,4）采用小能量、多层焊,5）焊前预热（150 350）,6）焊后热处理（去应力退火）,可消除应力80%左右,2.焊接变形的防止及矫正措施,1）设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。,2）合理选择焊接顺序。,1 4 3 2,3）反变形法。,4）采用焊前刚性固定法。,5）采用合理的焊接规范（小电流、快速焊接）。,6）焊接变形的矫正,机械矫正,火焰矫正,7）分段退焊的应用,E 金属材料的焊接性,1.金属材料的焊接性,指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。,焊接性,工艺焊接性：,使用焊接性：,焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性,焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能,2.影响焊接性的因素,1）焊接方法,4）工艺参数,2）焊接材料,3）焊件化学成分,3.焊接性的评定方法,1）实验法,小型抗裂试验法,1）碳当量估算法,C,影响最显著,基本元素,折合成碳的相当含量对焊接性的