金属材料的分类及牌号

1金属材料的分类及牌号焊接基础、热处理葛兆祥12江苏省电力试验研究院有限公司江苏省电机工程学会金属材料与焊接专委会金属材料分类及牌号金属材料的种类很多，常用的有钢、铁，铝及其合金，铜及其合金，钛及其合金，镁及其合金，锆及其合金，镍及其合金等。在我们电力系统，应用最多的还是钢和铁。所以，今天我们主要讨论钢和铁的有关内容。一、铸铁1、特点铸铁与钢相比强度较低，塑性、韧性较差。但是具有良好的：▇耐磨性▇吸震性▇铸造性、▇可切削性铸铁的焊接性差，因此，影响了它的发展。但是随着焊接技术的发展，铸铁（设备）的焊接也取得了很大的成功，获得了很大的经济效益。2、铸铁的分类铸铁是含碳量为2％～4.5％的铁碳合金。在铸铁的化学成分中还有Si、Mn及S、P等杂质。为了改善铸铁的性能，常在铸铁中加入Ni、Cr、Mn、Si、V、Ti、Mg等元素，成为合金铸铁。按照C在铸铁中存在的状态和形式的不同，可将铸铁分为五类：▇白口铸铁C在铁中绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈白色而得名。渗碳体硬而脆，无法加工，故应用不广。主要用于轧辊、不需要加工的耐磨件等。▇灰口铸铁C以片状石墨存在，其断口呈暗灰色而得名。普通灰铁石墨较粗，如在浇注之前的铁水中加入少量的硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理，促使石墨自发形核，可使粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。2▇可锻铸铁C团絮状石墨存在，是将白口铁经长时间石墨化退火，使渗碳体分解形成石墨并呈团絮状分布于基体内，因其韧性较好故称可锻铸铁。可锻铸铁是由炼钢生铁在900～1000℃的温度下经过2～9天长时间的退火形成。▇球墨铸铁C以球状石墨存在，故称球墨铸铁。这是铁水中加入纯镁或稀土镁合金等球化剂而获得，具有较高的强度和韧性，可通过热处理改善力学性能，可制造强度高，形状复杂的铸件。▇蠕墨铸铁C以蠕虫状石墨存在，浇注前在铁水中加入稀土硅铁、稀土镁钛等蠕化剂，促使C形成蠕虫状。▇铁合金铁合金是Fe和其它一定量的合金元素组成的合金。它是炼钢原料之一，也是焊接冶金必不缺少原材料。炼钢和焊接时作为脱氧剂或渗合金剂加入，起到脱氧、渗合金等作用，改善钢材和焊缝的性能。○常用铁合金――SiFe硅铁分别有含硅95％、75％、45％的几种，也有12％的贫硅铁、硅铝合金、硅钙合金，硅锰合金。――MnFe按含碳量分为碳素锰铁（含碳量7％），中碳锰铁（C1.5～1.0％），低碳锰铁（C0.50％）。――CrFe按含碳量分为碳素铬铁（C8～4％），中碳铬铁（C4～0.5％），低碳铬铁（0.5～0.15），微碳铬铁（C0.06），超微碳铬铁（C＜0.03），金属铬、硅铬合金。3、铸铁组织铸铁组织与化学成分和冷却速度有关――化学成分影响▇有些元素能促使石墨化，如C、Ni、Si、Al、Cu等；▇有些是阻止石墨化元素，如S、V、Cr等。在铸铁中，C以石墨形式析出的过程称为石墨化。――冷却速度的影响▇冷却速度很快时，便形成以珠光体和渗碳体（为基体），构成白口铁；▇冷却速度足够慢时，便形成以铁素体为基体的片状石墨分布的灰口铸▇介于两者之间，形成以珠光体为基体和石墨组成灰口铁或珠光体和铁素体为基体灰口铁。4、铸铁的牌号和力学性能铸铁的牌号在GB/T5612-1985中作了相应的规定。规程对化学成分不做明确规定，仅规3定力学性能。▇灰口铸铁牌号和力学性能由代号和抗拉强度组成，以灰铁的汉语拼音第一个大写字母作代号，代号后面紧跟一组数据表抗拉强度。例如HT250，其中‘HT’表示灰口铸铁，250表示抗拉强度为250MPa。▇球墨铸铁牌号和力学性能由代号、抗拉强度值、和伸长率组成。例如QT400－18，其中‘QT’表示球墨铸铁，400为抗拉强度，18为伸长率。5、灰口铸铁的焊接▇灰口铸铁的特性――成分●在灰口铸铁中，C含量2.6～3.6％、Si含量1.2～3.0％、Mn含量0.4～1.2％、P≤0.3％、S≤0.15。其中硅、锰是有益元素，硫、磷是有害元素。――石墨●80％的C以片状石墨存在――基体●除石墨外的基体为铁素体、珠光体或铁素体＋珠光体――特性●脆性大，伸长率几乎为零●良好的铸造性、流动性好、机加工性●高的抗耐磨性、抗震性▇焊接性焊接性差●白口组织（焊缝白口熔合区白口）――防止措施○控制焊接起始温度、层间温度和焊后缓冷○增加石墨化元素○选用铸铁型焊条●淬硬组织――防止措施○采用低碳钢和合金钢焊条焊接4○缓冷○少母材熔化量●焊接裂纹（冷裂纹、热裂纹）●冷裂纹（400℃以下，焊缝和热影响区）○产生原因――强度低――塑性几乎为零――加热不均匀温差应力大――接头产生白口组织和淬硬组织――焊材选用不当――工艺选用不当――结构刚性大――材质差○防止措施――铸铁型焊缝预热、缓冷――非铸铁型焊缝选用塑性好的焊条――小破口――分段焊接――锤击――条件允许加热（缓焊、栽丝）●热裂纹主要出现在焊缝异质焊缝更易出现，尤其是第一层焊缝更易出现――母材的S、P含量高，熔入量较高；――同质焊缝焊接时，石墨析出，体积增加，有助于减小焊接应力，但也出现热裂倾向，这是第一层焊缝同样由于母材的熔入引起的。▇焊接●焊接方法――焊条电弧焊――气焊●焊接材料――冷焊非同质焊条不预热5――热焊同质焊条需局部预热600～700℃，400℃以上焊接，焊后600～700℃保温消除焊接应力。――半热焊预热400℃，采用铸铁型焊条二、钢材的分类及牌号钢材的种类很多，分类方法也很多。通常按照化学成分、用途、强度等级等进行分类。目前，世界各国都有自己分类方法，不尽相同。本章根据我国钢材的常用分类方法进行讨论。1、碳钢碳钢又称碳素钢钢，是Fe和C的合金。钢中还有Mn和Si以及杂质S、P，钢材的性能主要取决C的含量。▇碳钢的分类1)按照含碳量分类――低碳钢（C＜.0.25％）HRB60～90，主要用于冷加工和合金结构；广泛用于厂房、桥梁、锅炉、船舶等行业。――中碳钢（C0.25～0.6％）主要用于强度要求较高的结构，根据强度要求的不同可进行淬火和回火；――高碳钢（C≥0.6）主要用来制造弹簧钢和耐磨部件。2）按照品质分类（以杂质含量分）――普通碳素钢S≤0.05，P≤0.045――优质碳素钢S≤0.035，P≤0.035――高级优质碳素钢S≤0.03，P≤0.0353）按照脱氧程度分类――沸腾钢脱氧不完全的钢，一般用锰铁或铝脱氧，脱氧后钢水中还剩有相当量的氧（FeO），FeO和C起作用放出CO，使钢水在钢模中呈沸腾现象，故称沸腾钢。用作钢板，加工性能好，表面质量好，化学成分不均匀，便宜。――镇静钢脱氧完全的钢，先用锰铁后用硅铁再用铝脱氧。由于钢中含氧量少，没有沸腾现象，故称镇静钢。成分均匀，力学性能均匀，焊接性好，抗腐蚀性能好。表面质量差缩孔，价高。――半镇静钢性能介于上述两种钢之间，生产过程较难，很少生产。▇普通碳钢的表示方法6按照GB/T700-1988《碳素结构钢》的规定，用屈服强度第一个拼音字母＋材料屈服点值＋质量等级＋脱氧方法，表示如下：例如QXXX-XX――Q为材料屈服点的“屈”字拼音字母首字大写，代表碳素钢。――XXX表示材料的屈服点值，通常为N/mm2――X（前）表示质量等级，共分A、B、C、D四级，D级质量质量最好，A级最差――X（后）表示脱氧方法，表示如下：F－沸腾钢，b－半镇静钢，Z－镇静钢（通常不标注），TZ－特殊镇定钢▇碳素结构钢（也叫优质碳素结构钢）表示方法优质碳素结构钢表示方法执行GB/T699-1999标准，含碳量＜0.8％，除个别含碳量很低的钢用沸腾钢炼以外，基本上都用镇定钢熔炼。镇静钢分为正常含锰量（0.25～0.8）和较高含锰量（0.7～1.2％)两种钢。后者具有较高的力学性能和加工性能。优质碳素结构钢的表示方法是：含碳量＋脱氧方法或化学符合＋质量等级例如50MnFA――50材料的平均含碳量，以万分之几的数值表示，此为含碳量0.5％――Mn表示合金元素，当Mn含量为0.7～1.0时，须标出“Mn”字，否则不标――F表示脱氧方法，此钢为沸腾钢。无此号为镇定钢，b为半镇静钢――A表示质量等级，无此号为优质，有“A”表示为高级优质例如12Cr1MoV▇专用碳素结构钢▇锅炉用碳素钢锅炉用碳素钢执行GB713-1997标准，只有20g一种钢，20表示含碳量≤0.20％，g表示锅炉钢。▇压力容器用碳素钢压力容器用钢有多种，其中碳素钢只有20R一种，20表示含碳量≤0.20％，R表示压力容器用钢。执行GB6654-1996标准。▇焊接结构用碳素钢铸件焊接结构用碳素钢铸件，执行GB/T76591987标准。共有三种分别为：ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H。7ZG是铸钢两字拼音字母的首字，200为屈服强度值，400为抗拉强度值，H为焊字拼音字母的首字，表示焊接用钢。三、碳钢的焊接▇低碳钢焊接――焊接性好，通常不会出现焊接裂纹等缺陷――为了提高抗裂性能通常使焊缝的含碳量略低于母材――冷却速度的快慢会直接影响到焊缝的强度――提高焊缝的强度通常提高焊缝中的Si、Mn含量，焊缝强度提高会影响到塑性和韧性的下降●焊接时应注意如下要点○采用减小的冷却速度○单层厚板角焊缝时焊脚尺寸不宜过小○多层焊时尽量连续施焊○焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸○结构刚性较大时应进行预热或采用低氢型焊接材料○采用适当的焊缝形状系数▇中碳钢的焊接――含碳量接近下限时焊接性良好――随着含碳量增加，焊接性变差，淬硬倾向增加――热影响区易出现马氏体组织――结构刚性较大和焊接材料选择不当时会产生焊接冷裂纹――焊接第一层焊缝时易出现热裂纹――焊接过程中易出现气孔●焊接材料的选择――选择低氢型焊接材料――除了要求焊缝和母材等强外，选择比焊缝低一级别碱性焊条――减小熔合比――无法预热时可选用奥氏体焊条――CO2焊接时（C≤0.4％）可选用低碳钢焊丝――强度要求高时选用ER502、ER503、ER507实芯焊丝或药芯焊丝――当用Ar＋20％CO2焊接时，选择GHS-60焊丝8●焊接要点――预热――保持层间温度，不低于预热温度――小熔合比（小直径焊条、小电流、多层焊――焊后热处理（及时）600～650℃，焊后不能热处理，要后热150℃，2h――无法热处理时，可锤击消应力▇高碳钢焊接●特点――淬硬性高，易出马氏体――焊后和热影响区易出热裂纹――材料的高效率是通过热处理获得的，焊前要退火，焊后重新热处理●焊接材料――要求焊缝等强是很困难的，选择J707、J607焊条，要求低时可选J506、J507焊条――也可选择A302、A307焊条――要求不高时，可选低碳钢焊条●焊接要点――先退火――采用结构钢焊条时，预热350℃，层间温度不低于预热温度――减小熔合比――焊条小直径、小电流，连续焊，低焊速――高温回火，缓冷――根据需要是否热处理四、合金结构钢1、概述合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入一种或几种合金元素（Mn、Mo、Ni、Cr、V、Ti、B、Al、Nb、N、Cu、W）和稀土，使其具有特殊的物理性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能。世界各国都根据自己的资源，设计自己的合金系钢。国外通常Cr、Ni系为主；我国则以Si、Mn、V、Ti、Nb、B、Al、稀土为合金系。合金结构钢可按化学成分、合金系统、组织状态、用途、使用性能的方法进行分类。――如按合金系统分类，可分为：9▇低合金钢（合金元素含量＜5％）▇中合金钢（合金元素含量5～10％）▇高合金钢（合金元素含量＞10％）――按照用途和性能分类，可分为：▇强度用钢（高强度用钢）▇特殊用途用钢（耐高温、低温、硫腐蚀）2、合金结构钢牌号表示方法合金结构钢的表示方法按照GB/T221-2000规程执行，表示方法是：前面两位数表示平均含碳量的万分数（不锈钢和耐热钢是千分数），后面的元素代号表示该钢所含的合金元素，元素代号的后面数字该元素平均含量的百分数，若不注出数字则表示该元素的质量分数为＜1.5％，≥1.5％按照四舍五入相应注上2、3…23…。属专门用途的在尾部注专用符号，属高级优质钢，则最好加注“A”。例如16Mn○表示平均含碳量为0.16％，Mn含量＜1.5％低合金结构钢例如