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AmericanWeldingSociety&MoodyInternational1of15Module008第八单元第八单元第八单元第八单元焊焊焊焊接接接接金金金金相相相相学学学学目录介绍…………………………………………………………………………………………..2基本金属结构……………………………………………………………………………………3焊接的冶金考虑…………………………………………………………………………………9普通材料的焊接金相学…………………………………………………………………………12总结………………………………………………………………………………………………13主要术语及其定义………………………………………………………………………………14AmericanWeldingSociety&MoodyInternational2of15Module008第八单元第八单元第八单元第八单元焊接金相学焊接金相学焊接金相学焊接金相学介绍介绍介绍介绍冶金是一门有关金属内部结构以及这些结构与金属所展现的性能之间关系的科学。涉及到焊接冶金，它所关注的是当接头是由焊接来完成时，发生在金属内部的各种变化，特别是那些影响机械性能的变化。对于焊接检验师来讲对焊接冶金基础知识的了解是非常有帮助的。当然，这不等于焊接检验师要负责母材及焊缝金属合金以及他们的热处理有关的规范及技术条件。然而，了解焊接冶金基础不仅对焊接检验师有帮助，而且也经常是检验工作的要求。其中之一的原因是因为由于焊接引起的冶金转变，会影响诸如强度、硬度、延展性、韧性、疲劳强度以及耐磨等机械性能。这些性能受到各种冶金因素的影响。它包括合金的添加、热处理以及机械处理。焊接检验师了解这些特性，对于生产过程中为何要采用某种制造方法有一个良好的感知。某种制造要求诸如预热、后热、层温控制、热输入控制、锤击、热应力释放以及其它的热处理都会引起冶金变化，进而影响机械性能。所以，本章将主要描述铁基焊接冶金的几个方面，并着重在控制冶金变化所需的制造方法。由于焊接冶金涉及诸多方面，本章的讨论不可覆盖所有方面，所以我们将限于那些发生于焊接过程中的较重要的方面，这些变化可以概述并分为两个种类。第一类，包括那些由于金属从室温加热到较高温度后冷却至较低温而引起的变化。第二类是温度变化率对金属性能的影响。最主要的是冷却速率，既从高温冷却至室温的快慢。我们的讨论将从金属被均匀加热和冷却开始，然而，应该注意到由于焊接的局部加热，将呈现各种不同的问题，这种不均匀加热/冷却将需进一步考虑。基本金属结构基本金属结构基本金属结构基本金属结构为了增加对金属冶金性能的了解，有必要先讨论组成各种物质形式的粒子。这些组成固体、液体或气体物质的基本粒子叫做原子。这些原子很小，即使用最高倍数的光学显微镜也无法观测到，然而，通过讨论和解释这些原子的特性以及他们的结构，我们将能够更好的了解我们从显微镜或肉眼观察到的现象。这些原子一个最重要的特性就是在某一温度范围内，他们将形成具有特定形状的物质。这是因为原子之间在一定距离范围，受彼此内力的相互作用，这些力或相斥或相吸，原子间彼此相吸引，同时又被其它的原子推开或排斥，所以，单个的原子由于彼此相抵消的力使其停留在他们特定的位置相对于周围其它的原子：这些原子在其特定的位置一排排、一层层在三维方向形成对称的晶格结构或形式。然而他们不一定固定在某一位置，事实上，他们在一平衡位置上振动，从而保持一个相对平衡的空间：在某个给定的温度下，他们将停留在一个平衡空间，吸引力和排斥力彼此平衡，此时，我们说金属内部能量呈现为一个稳定水平。任何使原子靠近的力将会被排斥力抵消。而且该排斥力将随着原子的靠近而增加。这一行为被金属所显示的相当高的压缩强度所证实。类似地，任何将原子分开的力将会导致一个相抵消的吸引力。这些吸引力将随着原子被拉远而减小。AmericanWeldingSociety&MoodyInternational3of15Module008后者的行为可在拉伸试验中得到证实，在金属屈服点以下，加负载拉长拉伸试样，单个原子之间的空间增大，取消负载，试样将呈现弹性性能，也就是，从宏观角度来讲,它将恢复到原尺寸，这意味着原子回到它的原始平衡位置。如果加在拉伸试样上的负荷超过了金属的屈服强度：试样将呈现塑性性能。此时它将不再恢复到它原来的尺寸或原子间的距离、这是因为原子被迫彼此远离，以至于吸引力不足以保持原子停留在其原来的位置，随着原子间的距离进一步增大到晶格空间吸引力不足以保持原子在一起，金属将失效。.如上所述，金属原子之间在给定的温度或内部能量下呈现一定的距离。由于热是一种能量形式，当温度升高时，内部能量将增加，增加的能量将导致原子的振动加剧，这种振动加剧会增加原子间的间隔，通过肉眼，我们可以观测到这种能量增加所导致的结果，因为当原子运动分开的时候，金属件的整体尺寸将增加。相反，温度的降低将导致原子间的靠拢。也就是我们所观察到的金属收缩。当金属加热时,原子的振动不断增加，引起原子间距增加,金属膨胀，它增加一直到某一程度时，原子间距是如此之大以至于原子再也无法吸引在一起呈现为特定的结构,此时固态金属将转变为液态（见图8.2）。此时的温度叫熔点。进一步的加热最终将使液体转变为气体，此时温度即为蒸发点。固态金属具有最低的内能和最小的原子间距，液态金属具有较高的能量和较大的原子间距，并且被认为是无固定形状，也就无固定结构。气态金属具有最高能量和最大的原子间距，而且也是无固定结构。当然,所有这些很有趣，作为一个焊接检验师认识到它为什么对你来讲是重要的更有意义。很明显，焊接和切割都对金属输入热量，加热会导致金属的膨胀.假如我们使金属均匀受热，我们是能够测量到受热金属件在长度和尺寸上的变化的，这是因为，每种金属都有其特定的膨胀热值，这个数值描述了当金属加热时，它会膨胀多少。然而对于焊接来讲，热量是不均匀的，这是因为，部分金属被加热到一个较高的温度时，临近的金属还处于较低的温度。导致了焊接区域内不同点热膨胀量不同，被直接加热的部分金属趋于膨胀，而这种膨胀又被处于较低温度的金属牵制着。图8.3描述了发生在一直板条上因一端被电弧加热而产生的尺寸变化（见图8.3A）.在图8.3B中，电弧给板条加热、被加热的部分开始膨胀（见图8.3C），并且，受到其它未被加热区域地限制。板条在远离热源的两个端部趋于弯曲。由于加热的部分的比较弱(部分实际上已成为液体而且更弱)，不可能使板条弯曲得更多。加热部分由于在侧面限制较小使得受热一侧变得更宽。当电弧熄灭，热的熔化部分开始变冷收缩.由于热量总AmericanWeldingSociety&MoodyInternational4of15Module008是从热的区域流向冷的区域，所以在冷却过程中，热量流入冷的区域并使其温度上升。现在，当热膨胀的部分变冷，板条收缩，并把主要使板条顶部伸长的变形力的方向反转，最终引起板条两端长度变短，向上翘起，使板条呈内凹形状（见图8.3E）。所以,焊接就像我们给部件不均匀加热一样,结果是所产生的热应力引起尺寸变化，当它冷却时，部件变形或形成卷曲.图8.3表述了带有残余应力的冷却的板条，应力源由图中的“弹簧圈”表示。无论何时，金属在一个小的局部区域被熔化，如焊接，都会产生收缩应力，即使板条在加热和冷却循环过程中，被外部约束。冷却的部件依然存有因这种不同的加热和冷却而引起的应力，我们称这种应力为残余应力。残余应力试图使板条呈弯曲形状。然而，板条不会弯得的更多，因为此时，它已冷却至室温，其本身强于残余应力所施加的外力，除非采取某种方法释放残余应力，否则它将保留在板条中。有几种方法能够减少或消除残余应力。通过加热整个焊接部件。在规定的时间内保温，该方法均匀加热金属使金属强度降低，从而允许残余应力得到释放。缓慢、均匀的冷却到室温将使工件产生较低的残余应力。还有几种应力释放的方法。如振动、机械处理方法、这些方法都被证明是行之有效的。第三种降低应力、并能够与焊接同时进行的方法叫做“锤击”（见图8.4），这也是一种机械处理方法。锤击包括使用重汽锤（不是除渣用的锤子），锤击多层焊的中间层的表面。这种锤击使金属层表面变形，并使层间厚度减小，该变形扩展了焊缝表面的长度和宽度，由于金属被轻微的扩展，因而其残余应力被减小了。当重锤锤击用于释放应力时，应注意防止由该机械处理方法引起的焊缝开裂。不能用该方法锤击根部焊边，这样很容易引起断裂，通常，最终焊层也不能采用。某种程度上，大力的锤击焊缝表面，会掩盖缺陷，从而使检验很困难，采用适当的锤击是一种有效降低残余应力的方法，特别是对于厚截面或者是焊缝被刚性固定的场合。晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构在固态金属中，原子自己排成有秩序的列、行和层形成三维晶体结构。金属被定义为晶体。不讨论结晶过程是不对的.当金属凝固时，它总是呈晶体形式。晶体断裂表面被错误地称为典型疲劳断裂或脆性断裂形貌。可以完整描述有序排列方式的最小量原子叫作“单元晶格”，认识到“单位晶格”并不是独立存在，而是与三维空间方向与其它临近的单位晶格共用原子是非常重要的。最常见的晶体结构或者相是体心立方(BCC)、面心立方(FCC)、四角体心结构(BCT)和六角密排结构(HCP)，如图8.5所示.一些金属，如铁在室温下以一种固态相存在，当温度升高时，又以另一种相存在。这种在一种固体金属中随着温度的变化从一种相转变为另一种相，叫“同素异形或固态相变”，一种具有相同的化学成份，不同的晶体结构的金属叫做“同素异形”体。这将在以后讨论。BBC（体心立方）可以描述为一个立方体的八个角和单元体的中心有一个原子，如铁、碳钢、铬、钼和钨。AmericanWeldingSociety&MoodyInternational5of15Module008FCC（面心立方）可以想象为在立方体的八个角和其六个面的中心均有一个原子。如铝、铜、镍和奥氏体不锈钢。BCT单位晶格就像基本BCC一样，只是沿一轴线方向伸长变为矩形，并在中心有一原子。由迅速淬火形成的钢的一种相态马氏体就是BCT结构。而HCP单位晶格是六方棱体。它可以想像为在棱体的上下顶面有二个六角形（六边形），而中心有一原子，并在每个六角点上均有一原子。每个顶上的各有一个原子的三角形位于上下六角形顶之间。通常具有HCP结构的金属为锌，镉及镁。图图图图8.5-金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构金属的固化金属的固化金属的固化金属的固化金属是由众所周知的晶核成形并增长的过程凝固成晶状结构的。一旦冷却，原子簇在晶格掺杂处或液固交界处，如熔化焊接金属与冷却的未熔化的热影响区之间的交界处凝固。这些原子簇称为晶核并大量出现。在焊缝金属中，核试图附着在焊缝交界处的热影响区中已有的颗粒上。原子继续凝固，并附着到晶核上。每个晶核沿着可能的方向长大，同时原子按照一定的晶格结构进行排列并形成不规则形状的晶粒或晶体。图8.6所示的是当焊缝金属凝固时焊缝金属晶粒形成的过程。在图8.6A中可见，最初的晶体是在焊缝交界处形成的。图8.6B随着初始晶核的长大，固相晶粒形成。因为晶核取向方位不同，当相近晶粒长在一起时，就形成了颗粒的边界。图8.6C是焊缝金属完成了固化。晶粒边界可以被认为是不连续。因为它代表原子统一排列的中断。从前面的讨论中我们可知，残余应力存在于固化的金属中。金属机械性能取决于晶粒的大小，小晶粒的金属将会有更高的室温拉伸强度。因为当材料受应力时，晶格边界会试图阻止单个晶粒的变形。然而当温度升高，在边界上的原子更容易移动，并滑过另一个原子。造成了高温下材料强度下降。所以，细小晶粒的材料更适用于室温和底温环境。而粗晶粒材料适用于高温条件。总的来说，细晶粒金属具有更好的延伸性，缺口韧性及疲劳性能。AmericanWeldingSociety&MoodyInternational6of15Module008在进一步讨论前，让我们迅速回顾一下。金属就是由原子以有秩序排列形成的晶状结构。这种有序形式或排列就是我们所知的“相