金属材料及其焊接

金属材料及其焊接性课件一、碳素钢1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响1.2碳钢的分类1.3碳钢的牌号和应用二、合金钢2.1合金钢的分类2.2合金钢的牌号2.3合金结构钢2.4合金工具钢2.5特殊性能钢三、金属的焊接性3.1金属的焊接性概念3.2金属的焊接性评价3.3碳钢的焊接3.4热轧钢及正火钢的焊接3.5低碳调质钢的焊接3.6中碳调质钢的焊接3.7奥氏体不锈钢的焊接目录一、碳钢改善钢的质量；提高钢的强度和硬度；减轻硫的危害；是有益元素，一般WMn＝0.25%～0.80%。1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响1、锰的影响2、硅的影响消除FeO对钢的不良影响；产生固溶强化；是钢中有益元素，一般Wsi＜0.4%。一、碳素钢使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；使钢低温时脆性严重（冷脆）；是有害元素，应严格控制磷含量。1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响3、磷的影响4、硫的影响与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元素，应严格控制硫含量。分为低碳钢(Wc＜0.25%)、中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%)和高碳钢(Wc＞0.60%)。1.2碳钢的分类1、按含碳量分类2、按质量分类1）普通质量碳钢（Ws＞0.045%、Wp＞0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2）优质碳钢需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。1.2碳钢的分类3、按用途分类1）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等1.3碳钢的牌号和应用1、碳素结构钢牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws≤0.050%、Wp≤0.045%；B表示Ws≤0.045%、Wp≤0.045%；C表示Ws≤0.040%、Wp≤0.040%；D表示Ws≤0.035%、Wp≤0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235－AF。1.3碳钢的牌号和应用2、优质碳素结构钢牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：45钢。又分为普通含锰量（WMn≤0.7%）和较高含锰量（WMn=0.7%～1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。1.3碳钢的牌号和应用3、碳素工具钢牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。1.3碳钢的牌号和应用4、铸钢牌号：用“ZG”表示。牌号有两种表示方法：以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“－”隔开。例：ZG230－450。以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量＞1％时不标出,平均碳含量＜0.1％时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。例：ZG15Cr1MolV。2.1合金钢的分类1．按用途分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢二、合金钢2．按合金元素总含量分类低合金钢：合金元素总含量＜5％。中合金钢：合金元素总含量5％～10％高合金钢：合金元素总含量＞10％2.2合金钢的牌号两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示。前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素。后面的数字表示该元素的含量。合金元素含量小于1.5％时不标，平均含量为1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…时，则相应地标以2，3…。1．合金结构钢40Cr（合金结构钢）主要合金元素为铬，含量在1.5％以下平均含碳量为0.40％60Si2Mn（合金结构钢）平均含硅量为2％平均含碳量为0.60％主要合金元素为锰，含量小于1.5％例：2．合金工具钢与合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用1位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量≥1.0％时，则不予标出。3．高速钢含碳量均不标出，如W18Cr4V钢的平均含碳量为0.7％～0.8％。4．特殊性能钢牌号和合金工具钢的表示方法相同。当含碳量为0.03％～0.10％时，含碳量用0表示，含碳量小于等于0.03％时，用00表示。不锈钢2Cr13表示含碳量为0.20％，平均含铬量为13％。0Cr18Ni9钢的平均含碳量为0.03％～0.10％。00Cr30Mo2钢的平均含碳量小于0.03％。例如：一些特殊专用钢为表示其用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。5．特殊专用钢例如：易切钢也是在牌号前冠以拼音字母“Y”，如Y15表示含碳量为0.15％的易切钢。滚动轴承钢前面标“G”，如GCr15。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素仍用百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5％，硅、锰含量均小于1.5％的滚动轴承钢。滚动轴承钢6．高级优质合金钢在牌号的最后标上“A”。如38CrMoAlA表示含碳量为0.38％高级优质合金结构钢。2.3合金结构钢一、低合金结构钢二、合金渗碳钢三、合金调制钢四、合金弹簧钢五、滚动轴承钢合金结构钢——用于各类工程结构件和制造各种机器零件的钢。1、低合金结构钢在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素就形成了低合金结构钢。常加入的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。低合金结构钢的含碳量较低，一般为0.10％～0.25％。热轧退火或正火状态下使用，一般不再进行热处理。低合金结钢的应用2、合金渗碳钢合金渗碳钢在经渗碳+淬火+低温回火的处理后，具有外硬内韧的性能，用来制造既要有优良的耐磨性和耐疲劳性、又能承受冲击载荷作用的零件，含碳量在0.10％～0.25％之间，加入合金元素主要是为了提高钢的淬透性，并防止钢因在长时间渗碳而造成晶粒粗大。其典型热处理工艺为：渗碳+淬火+低温回火。合金渗碳钢的应用3、合金调质钢含碳量一般为0.25％～0.50％，属于中碳合金钢。常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。热处理工艺是调质（淬火+高温回火）。合金调制钢的应用4、合金弹簧钢含碳量一般为0.45％～0.70％。可加入的合金元素有锰、硅、铬、钒和钨等。合金弹簧钢的应用5、滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针），也可用来制造各种工具和耐磨零件。滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。轴承钢都是高级优质钢。滚动轴承钢的热处理包括预先热处理和最终热处理。预先热处理采用球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。滚动轴承钢的应用2.4合金工具钢1、合金刃具钢2、合金模具钢3、合金量具钢1、合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。1．1低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。加入铬、锰、硅等元素，目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，目的是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。低合金刃具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理为：淬火+低温回火。低合金刃具钢的应用1.2高速钢高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳（0.7％～1.50％）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。高的含碳量：保证形成足够量的合金碳化物，并使高速钢具有高的硬度和耐磨性。W、Mo：提高钢红硬性的主要元素。铬：提高钢的淬透性。钒：提高钢的硬度、耐磨性和红硬性，并能细化晶粒。高速合金钢的应用2、合金模具钢用于制作模具的钢称为模具钢。1．1冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。1.2热作模具钢热作模具钢是用来制造使金属在高温下成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。热作模具钢要具备较高的强度、韧性、高温耐磨性及热稳定性，并具有较好的抗热疲劳性能。热作模具钢的最终热处理是淬火+中温回火（或高温回火），以保证其具有足够的韧性。热锻模、压铸模和挤压模3、合金量具钢2.5特殊性能钢1、不锈钢2、耐热钢3、耐磨钢1、不锈钢不锈钢主要是指在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称，能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢，而在一些化学介质（如酸类）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。常用不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等。按金相组织特点分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等。1．1奥氏体不锈钢含碳量很低（≤0.15％），含铬量为18％，镍为9％，这种不锈钢习惯上称为18－8型不锈钢，属于镍铬不锈钢。常用的奥氏体不锈钢有1Cr18Ni9、0Cr18Ni9N等。1.2马氏体不锈钢钢中含碳量为0.10％～1.20％，淬火后能得到马氏体，属于铬不锈钢。淬火、回火后使用。马氏体不锈钢的耐蚀性、塑性和焊接性都不如奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢，但由于它具有较好的力学性能与一般的耐蚀性相结合，故应用广泛。马氏体不锈钢锻造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在冲压后也需进行退火，以消除硬化、提高塑性，便于进一步加工。1.3铁素体不锈钢含碳量＜0.12％，含铬量在11.50％～30％之间，属于铬不锈钢。铬是缩小奥氏体相区的元素，可使这类钢获得单相铁素体组织。抗大气与耐酸能力强，具有良好的高温抗氧化性，特别是抗应力腐蚀性较好，但力学性能不如马氏体不锈钢，塑性不及奥氏体不锈钢。2、耐热钢耐热钢——在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度，能较好适应高温条件的特殊性能钢。钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个指标。在高温下具有抗高温介质腐蚀能力的钢称为抗氧化钢；在高温下仍具有足够力学性能的钢称为热强钢。耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称。常用的抗氧化钢有4Cr9Si2、0Cr13Al等。典型的热强钢是4Cr14Ni14W2Mo。3、耐磨钢耐磨钢——在巨大压力和强烈冲击载荷作用下能发生硬化的高锰钢。耐磨钢的典型牌号是ZGMn13，它的化学成分特点是高碳（含碳量为0.9%～1.4%），高锰（含锰量为11%～14%）。为使高锰钢获得单相的奥氏体组织，须对其进行“水韧处理”。所谓水韧处理，就是将高锰钢加热至1000℃～1100℃，保持一定时间，使碳化物全部溶入奥氏体中，然后水冷，得到单相奥氏体。耐磨钢的应用缺陷降低了某些必要的性能3.1焊接性的概念三、金属的焊接性1、焊接性的定义金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性2、评价标准焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何焊接热循环对HAZ组织结构的影响焊接接头满足规定性能的可能性——使用焊接性工艺焊接性3.1定义某种材料在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力3.2影响工艺焊接性的因素★材料因素★设计因素★工艺因素★使用因素3、工艺焊接性3.工艺焊接性的分类热焊接性–在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度–评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关冶金焊接性–冶金反应对