焊接技术基础

011焊接技术基础 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 130 第一章 焊接与切割基础知识 第一节 焊接与切割概述 焊接技术实际上属于连接技术的一种。它的历史非常悠久，可以上溯到春秋战国时期甚至更早。当我们的祖先掌握了金属冶炼技术的同时，焊接技术就随着诞生了。大家在马王堆博物馆可以看到很多形状极其复杂的青铜制品，有些根本不可能用一套模具进行一次铸造成型，肯定是用一种连接技术把多个青铜部件连接起来的。这种技术叫做“铸焊”。我们湖南有个著名歌唱家李谷一，她当年曾经演唱花鼓戏“补锅”而一举成名。这种修补损坏的铸铁锅的技术也是“铸焊”技术，而且是比连接或修补青铜器更先进的铸焊技术。铸焊就是把少量金属熔化，然后浇铸到需要连接或者修补的金属构件部位，使之连成一体的过程。这项技术是我们的祖先发明的，曾经领先世界2000年。直到今天，我们将要学到的熔焊技术，也还是一个微型的金属铸造过程。中国历史上还有一种焊接技术叫做“锻焊”，就是把两块金属加热到红软状态，然后通过锻打使之连成一体的焊接方法。它的历史几乎跟铸焊一样久远，而且到今天仍然在使用。比如农民使用的锄头，锄头板和安装锄头把的铁环之间就是用锻焊的方法连接起来的。截止到西方工业革命之前的很长的历史时期内，连接金属构件，就只能用这两种焊接方法。当然，随着螺纹的发明，诞生了螺栓接，随着金属麻花钻的发明，在金属板上实现了钻孔，随之产生了铆接。交流电，电动机和变压器的发明，最终诞生了现代的焊接技术：电弧焊。这也是我们即将学到的最主要的焊接技术。 一焊接与切割的基本原理及分类 1 焊接的基本原理：焊接就是通过加热或加压，或者两者并用，同时使用或不使用填充材料，使得工件 达到结合的方法。 注：上述焊接的基本原理，也是焊接的定义。包括了对于金属，非金属材料的焊接过程。由于我们主要学习的是对金属的焊接，特别是熔化焊。因此，我们会在后面的课程中对于熔化焊给出更精确的定义。 2焊接方法的分类： a熔化焊：通过局部加热的方法让需要连接的部位升温至熔化状态，并与外部填充金属一起形成熔池，而后冷却成为具有共同晶粒的焊接接头的过程称为熔化焊。对于我们来说，最常用的熔化焊包括焊条电弧焊，气体保护焊和气焊。其中又以气体保护焊和焊条电弧焊最为常用。熔化焊的特点是只对焊接接头加热但是不加压。教材中提到的几种熔化焊，简单介绍如下： 气焊OFW：利用可燃气体如乙炔(C2H2)，以及成分主要是丙烷(C3H8)和丁烷(C3H8)的石油气，氢气(H2)与助燃的氧气混合燃烧产生大约3000的高温火焰对金属进行熔化焊接。不过这种焊接方法效率很低，加热面积大，被焊构件变形大，通常只在维修的情况下使用。 焊条电弧焊SMAW：这是目前最常用的两种熔化焊当中的一种，通过焊条与工件之间的高温电弧加热并熔化工件，药皮产生二氧化碳气体保护电弧和熔池用熔渣保护焊道的电弧焊，焊接质量好，仍在发展中。 埋弧焊SAW：用熔炼的焊剂保护电弧熔池和焊道的电弧焊，电弧在焊剂层下燃烧，焊接效率高，质量非常好。需要说明的是，埋弧焊按照国际通用的标准不能称为自动焊，只能称为机器焊。 活性气体保护焊GMAW：用具备氧化性的二氧化碳作为保护气体的电弧焊。也就是教材中提到的氧化性气体保护焊。这一类气体保护焊中，CO2气体保护焊最具代表性，此外ArCO2，CO2O2，等等混合气体保护焊用途日渐广泛。英文符号表示为GMAW或者MAG。 惰性气体保护焊GMAW：用惰性气体作为保护气体的电弧焊。熔化极氩弧焊最具代表性，并由此而派生出ArO2，ArHeCO2，ArHeCO2O2等混合气体的保护焊。英文符号表示为GMAW或者MIG。 电渣焊ESW：由垂直位置的埋弧焊发展起来的一种电弧焊。开始时电弧在焊剂层下燃烧，相当于埋弧焊，当电弧把焊剂融化到足够多的时候，电弧熄灭，焊丝插入渣池中依靠电阻热继续熔化并将两侧壁板表面熔化形成巨大的焊缝。焊接效率极高，设备简单，通常用来焊接重型机械的巨大构件。 电子束焊：几万伏特高压电子枪发射的电子流，经过聚焦线圈磁场的约束，形成能量密度极大的电子束，电子束打击在工件表面，巨大的动能转为热能，将工件熔化，形成窄而深的焊缝。焊接质量极好。 激光焊：利用激光器发射的激光束进行焊接。焊缝很窄，焊接质量好。通常用于薄金属板的焊接。 b压力焊：压力焊是通过施加压力完成焊接过程的工艺方法。有两大类， 第一类是将被焊金属接触部分加热到塑性状态或者熔化状态，然后加压形成共同晶粒，实现原子间紧密结合的焊接方法；他们有： 电阻焊：包括点焊，缝焊，这都是在飞机工业，汽车工业极其常用的焊接方法； 闪光对焊：常用于船舶工业中的锚链的焊接以及建筑工业的钢筋焊接； 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 230 凸焊：在工件表面制成若干个凸起，然后在凸起处通电造成局部熔化，再加压形成接头。焊接效率很高。常常用来完成电阻焊无法焊接的较厚金属板的局部焊接。比如汽车的刹车蹄片一类产品。 超声波焊：经常用于热塑型塑胶也就是塑料件的焊接。塑料虽然遇热变软，但是不导电，也怕火烧，因此电加热和火焰加热都不能使用，只能利用超声波的高频振动引起接头部位的剧烈摩擦产生热量使得塑胶软化，然后加压把接头焊在一起。 摩擦焊：通过工件高速的相对旋转产生摩擦热将接头处加热到红软状态，然后加压形成焊接接头。由于工件没有熔化，不能形成完全的共同结晶，所以接头强度比熔化焊要差。 气压焊：野外装配管道，钢轨，钢筋等缺少电源的场合经常采用。用环形加热枪(20号气焊枪改制)火焰加热，待接头温度上升到塑性温度时，顶锻加压完成连接。 第二类是只加压不加热，这是通过金属的严重变形造成局部再结晶形成接头的方法。 冷压焊：不需热源，只靠强大压力使得工件受压最强烈的部位产生严重塑性变形，通过接触表面间的原子扩散和再结晶的形式形成接头。设备简单，生产率很高。野外电力工程中铝导线或者铝铜导线连接常用。 爆炸焊：生产钛复合板，镍复合板等产品的主要生产方法。依靠炸药爆炸的冲击波将两块材质不同的金属板贴合在一起。也是一种借助压力实现局部塑性变形，造成原子间互相接近形成牢固接头的焊接方法。 在这里需要着重提一句的是，压力焊领域最近十年产生了一种新的焊接方法：搅拌摩擦焊。1991年由英国人首先发明，现在已经成功地在铝合金焊接领域得到广泛应用。钢的搅拌摩擦焊也在积极地研究之中。搅拌摩擦焊的焊缝晶粒比基本金属还要小，焊缝成型相当美观，焊缝内部质量优良，而且对于焊接接头的准备工作要求不高，允许存在少量氧化物，同时它的变形小于任何一种熔化焊。是一种非常有前途的焊接新工艺。 c钎焊：把熔点低于被焊金属的钎料金属加热熔化成液态，然后通过毛细作用渗透到被焊金属之间的狭小缝隙中凝固，使得被焊金属连接起来的焊接方法。其种类非常多。 钎焊分为硬钎焊和软钎焊。主要是根据钎料（以下称焊料）的熔化温度来区分的，一般把熔点在450以下的焊料叫作软焊料，使用软焊料进行的焊接就叫软钎焊；把熔点在450以上的焊料叫作硬焊料，使用硬焊料进行的焊接就叫硬钎焊。在美国MIL SPEC军用标准中，是以800（429）的金属焊料的熔点作为区分硬钎焊和软钎焊的标准。 烙铁钎焊：电子行业常用，不多谈了。 火焰钎焊：最常见的钎焊方法。用气焊枪火焰加热，填入焊剂和铜钎料，操作方法与气焊十分相似。 高频感应钎焊：高频大电流流向被绕制成环状或其它形状的加热线圈（通常是用紫铜管制作）。由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物质放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物质，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身的温度迅速上升，这就是感应加热的原理。钎料被感应电流产生的热量熔化，渗入零件缝隙中，冷却凝固，完成钎焊过程。 电阻钎焊：加热方式跟电阻焊相类似，电极直接接触零件，通过电流，利用电阻热加热零件并熔化钎料，完成钎焊过程。不过电阻钎焊经常要通入还原性气体比如氨分解或者氮基气氛保护高温接头部位。 盐浴钎焊：把零件浸泡在熔化的活性盐或者中性盐当中，依靠熔化的液体盐直接加热零件，完成钎焊。操作时间短，一般30秒以内完工。工作效率高，一次可同时钎焊多个零件。隔绝空气，防止零件氧化。适用于结构复杂，精度要求高，生产批量大的产品。比如飞机蜂窝结构件，自行车车架，炮弹头等。 炉中钎焊：把工件和钎料放入真空炉或者充有保护气的加热炉中，均匀加热，完成钎焊。某些特大型工件，必须采用这样的方法才能钎焊。一次可以同时完成数百处甚至上千处钎焊。大型板翅式换热器常用这种钎焊方法。 3切割方法的分类 按照金属切割过程中加热方法的不同大致可分为火焰切割，电弧切割，冷切割 a火焰切割：最为常用的切割方法 气割：利用氧气和可燃气体的预热火焰把碳钢加热到熔点附近并能够在纯氧中剧烈燃烧，产生大量熔渣的同时放出热量，继续加热金属，从而实现切割。气割的氧化放热反应，参与反应的物质单位都是摩尔： Fe+O=FeO+267kJ 3Fe+2O2=Fe3O4+1120kJ 2Fe+1.5O2=Fe2O3+825kJ 2.9立方米的氧与乙炔反应能够把1kg的铁氧化成Fe3O4。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 330 可燃气体可以是乙炔(C2H2)，丙烷(C3H8)和丁烷(C3H8)，后两者又称特利气。成本比乙炔要低，也更安全。但是需要注意的是，使用特利气切割需要不同的割嘴，操作时割嘴几乎贴近工件表面，加热速度较慢，同时，特利气往往含水量较多，工件易锈蚀。 b电弧切割： 等离子弧切割：最常见的就是空气等离子弧切割。操作比火焰切割简单。就只有一个电源开关按钮操作。利用高温高速等离子弧射流将被切割金属熔化并吹除来完成切割。为了减小零件变形，等离子弧切割经常在水下进行。不仅变形小，而且切口不会形成坚硬的氮化物。缺点是切割速度稍慢些。 碳弧气割：工厂习惯称之为碳弧气刨。用专用的碳棒与工件之间产生电弧，熔化金属，用压缩空气将其吹除。通常用于焊缝的清根。 c冷切割 激光切割：利用激光束切割工件，精度高，效率高。对钢材的切割厚度可达68毫米，对于有机玻璃，皮革等非金属也能顺利切割。已经成为一种越来越普通的切割方法。 水射流切割：高压水射流切割的原理是将水增至超高压100400MPa，经节流小孔（0.150.4mm），使水压热能转变为射流动能（流速高达900mm/s）。用这种高速密集的水射流进行切割。纯水射流切割能力有限，所以磨料水射流切割应运而生。就是再往水射流中混入磨料粒子，经混合管形成磨料射流进行切割。在磨料水射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，磨料水射流较之纯水射流其射流动能更大，切割效能更强。它可以切割各种金属和非金属材料，各种硬，脆，韧性材料，如钛镍合金，陶瓷，玻璃，复合材料等。是目前世界上先进的切割工艺方法之一。 焊接方法术语英文缩写 AWARC WELDING电弧焊 AHWatomic hydrogen welding原子氢焊 BMAWbare metal arc welding无保护金属丝电弧焊 CAWcarbon arc welding碳弧焊 CAW-Ggas carbon arc welding气保护碳弧焊 CAW-Sshielded carbon arc welding有保护碳弧焊 CAW-Ttwin carbon arc welding双碳极间电弧焊 EGWelectrogas welding气电立焊 FCAWflux cored arc welding药芯焊丝电弧焊 FCW-Ggas-shielded flux cored arc welding气保护药芯焊丝电弧焊 FCW-Sself-shielded flux cored arc welding自保护药芯焊丝电弧焊 GMAWgas metal arc welding熔化极气体保护电弧焊 GMAW-Ppulsed arc熔化极气体保护脉冲电弧焊 GMAW-Sshort circuiting arc熔化极气体保护短路过度电弧焊 GTAWgas tungsten arc welding钨极气体保护电弧焊 GTAW-Ppulsed arc钨极气体保护脉冲电弧焊 MIAWmagnetically impelled arc welding磁推力电弧焊 PAWplasma arc welding等离子弧焊 SMAWshielded metal arc welding焊条电弧焊 SWstud arc welding螺栓电弧焊 SAWsubmerged arc welding埋弧焊 SAW-Sseries横列双丝埋弧焊 RWRWSISTANCE WELDING电阻焊 FWflash welding闪光焊 RW-PCpressure controlled resistance welding压力控制电阻焊 PWprojection welding凸焊 RSEWresistance seam welding电阻缝焊 RSEW-HFhigh-frequency seam welding高频电阻缝焊 RSEW-Iinduction seam welding感应电阻缝焊 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 430 RSEW-MSmash seam welding压平缝焊 RSWresistance spot welding点焊 UWupset welding电阻对焊 UW-HFhigh-frequency 高频电阻对焊 UW-Iinduction感应电阻对焊 SSWSOLID STATE WELDING固态焊 CEWco-extrusion welding CWcold welding冷压焊 DFWdiffusion welding扩散焊 HIPWhot isostatic pressure diffusion welding热等静压扩散焊 EXWexplosion welding爆炸焊 FOWforge welding锻焊 FRWfriction welding摩擦焊 FRW-DDdirect drive friction welding径向摩擦焊 FSWfriction stir welding搅拌摩擦焊 FRW-Iinertia friction welding惯性摩擦焊 HPWhot pressure welding热压焊 ROWroll welding热轧焊 USWultrasonic welding超声波焊 SSOLDERING软钎焊 DSdip soldering浸沾钎焊 FSfurnace soldering炉中钎焊 ISinduction soldering感应钎焊 IRSinfrared soldering红外钎焊 INSiron soldering烙铁钎焊 RSresistance soldering电阻钎焊 TStorch soldering火焰钎焊 UUSultrasonic soldering超声波钎焊 WSwave soldering波峰钎焊 BBRAZING软钎焊 BBblock brazing块钎焊 DFBdiffusion brazing扩散焊 DBdip brazing浸沾钎焊 EXBexothermic brazing反应钎焊 FBfurnace brazing炉中钎焊 IBinduction brazing感应钎焊 IRBinfrared brazing红外钎焊 RBresistance brazing电阻钎焊 TBtorch brazing火焰钎焊 TCABtwin carbon arc brazing双碳弧钎焊 OFWOXYFUEL GAS WELDING气焊 AAWair-acetylene welding空气乙炔焊 OAWoxy-acetylene welding氧乙炔焊 OHWoxy-hydrogen welding氢氧焊 PGWpressure gas welding气压焊 OTHER WELDING AND JOINING其他焊接与连接方法 ABadhesive bonding粘接 BWbraze welding钎接焊 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 530 ABWarc braze welding电弧钎焊 CABWcarbon arc braze welding碳弧钎焊 EBBWelectron beam braze welding电子束钎焊 EXBWexothermic braze welding热反应钎焊 FLBflow brazing波峰钎焊 FLOWflow welding波峰焊 LBBWlaser beam braze welding激光钎焊 EBWelectron beam welding电子束焊 EBW-HVhigh vacuum高真空电子束焊 EBW-MVmedium vacuum中真空电子束焊 EBW-NVnon vacuum非真空电子束焊 ESWelectroslag welding电渣焊 ESW-CGconsumable guide eletroslag welding熔嘴电渣焊 IWinduction welding感应焊 LBWlaser beam welding激光焊 PEWpercussion welding冲击电阻焊 TWthermit welding热剂焊 THSPTHERMAL SPRAYING热喷涂 ASParc spraying电弧喷涂 FLSPflame spraying火焰喷涂 FLSP-Wwire flame spraying丝材火焰喷涂 HVOFhigh velocity oxyfuel spraying高速氧燃气喷涂 PSPplasma spraying等离子喷涂 VPSP-Wvacuum plasma spraying真空等离子喷涂 TCTHERMAL CUTTING热切割 OCOXYGEN CUTTING气割 OC-Fflux cutting熔剂切割 OC-Pmetal powder cutting金属熔剂切割 OFCoxyfuel gas cutting氧燃气切割 CFC-Aoxyacetylene cutting氧乙炔切割 CFC-Hoxyhydrogen cutting氢氧切割 CFC-Noxynatural gas cutting氧天然气切割 CFC-Poxypropanne cutting氧丙酮切割 OACoxygen arc cutting氧气电弧切割 OGoxygen gouging气刨 OLCoxygen lance cutting氧矛切割 ACARC CUTTING电弧切割 CACcarbon arc cutting碳弧切割 CAC-Aair carbon arc cutting空气碳弧切割 GMACgas metal arc cutting熔化极气体保护电弧切割 GTACgas tungsten arc cutting钨极气体保护电弧切割 PACplasma arc cutting等离子弧切割 SMACshielded metal arc cutting焊条电弧切割 HIGH ENERGY BEAM CUTTING高能束切割 EBCelectron beam cutting电子束切割 LBClaser beam cutting激光切割 LBC-Aair空气激光切割 LBC-EVevaporative蒸气激光切割 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 630 LBC-IGinert gas惰性气体激光切割 LBC-Ooxygen氧气激光切割 第二节 金属学及热处理基本知识 我们所焊接的材料主要是金属，特别是钢材。钢材的性质不仅取决于它的化学成分，还跟它的内部组织有直接关系。由于所有的金属都是晶体，所以我们如果要了解金属的特性，就要对晶体的性质进行研究。 在这里把晶体分成金属晶体和非金属晶体。 一金属晶体结构的一般知识 1晶体的特点： 晶体的定义：原子，分子或者离子在较大范围内按照一定的规则排列时，由它们所形成的物质就叫做晶体。 需要说明的是，金属晶体与非金属晶体相比，在结构和性质上都有很大的不同。各种非金属晶体，比如 离子晶体：NaCl，KNO3，Na2O，是依靠离子键(原子通过得失电子而生成离子，正负离子之间的化学结合力)相结合的离子晶体。 分子晶体：Cl2，CO2，NH3，H2O等是依靠分子间作用力也就是范德瓦尔斯力相结合的分子晶体。 原子晶体：SiO2，钻石，是依靠共价键(原子间形成共用电子对而产生的结合力)结合的原子晶体。 上述三类非金属晶体，他们的有一个共同特点就是某一个或者几个离子，分子，原子总是跟固定的另外一个或者几个离子，分子，原子相结合。但是，金属晶体跟它们有很大的不同。 金属晶体：由于金属原子的外层电子非常少，金属原子很容易失去外层电子而变成金属离子。金属离子按照一定的规律排列堆积，而释放的电子可以在整个晶体中自由移动。称为自由电子。自由电子不属于某一个或某几个特定的金属离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体中，被许多金属离子所共有。这种通过金属离子和自由电子之间的较强作用结合在一起的单质晶体称为金属晶体。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 730 晶体最基本的十四种晶格 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 830 不同晶系的晶格类型 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 930 2 典型的金属晶体结构 晶体的最小单位是晶格，不同的晶格，原子排列方式不一样。每一种元素的金属晶体，都有自己特定的金属晶格。各种金属当中最常见的晶格有体心立方，面心立方和密排六方，此外还有体心正方。 铁属于立方晶格金属。随着温度的变化，铁可以由一种晶格变换成另一种晶格。如果铁中的杂质含量很低，而且温度变化又很缓慢的话，那么它可以随着温度在体心立方和面心立方两种晶格之间转换。 纯铁的结晶过程：现在假如我们把纯铁加热到1650，铁在这个温度下是完全的液体。 假如我们把纯铁加热到1650，使它完全成为液体，然后再让它缓慢地冷却下来直到室温。在冷却过程中，每隔1分钟记录一次铁的温度，一直从1650记录到室温。那么这就是铁的温度随时间变化的记录。以温度为纵坐标，时间为横坐标，构成直角坐标系，那么我们每隔一分钟所得到的温度数值，都对应着这个坐标系中的一个点。把所有的点都绘制在这个坐标系中，并且把各个点圆滑地连接起来，就得到一条曲线。这就是铁的冷却曲线。现在我们来看一下，这条冷却曲线是什么样子。 纯铁从1650冷却下来的时候，随着时间的延长，温度不断下降。因此，从1650到1538之间的一段，是一条连续下降的曲线。 在1538，液态的铁凝固成为固态的铁。液态的铁原子按照一定的规律结晶成具有体心立方晶格的晶体。由于结晶的过程要放出潜热，所以，结晶过程中，随时间的延长温度保持一定，并不下降。亦即，纯金属的结晶是在固定的温度下进行的。纯铁是在1538。这一温度便是纯液态铁冷却时的结晶温度，也就是铁的凝固点。这一过程是可逆的。如果把铁从固态铁加热到1538，铁将在这一固定的温度上熔化成液体。从加热的角度来说，1538是铁的熔点。 由于结晶是在1538这一固定温度下进行，所以冷却曲线上出现一段水平线段。直到结晶终了。结晶终了后，得到的是具有体心立方晶格的铁的晶体。我们把在1538获得的体心立方的铁晶体称之为-Fe。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1030 结晶终了后，结晶潜热释放完毕，温度继续下降。 温度下降到大约1394，冷却曲线又出现水平线段。说明纯铁晶体又在发生变化，释放潜热。这个变化就是体心立方晶格的铁转变成为具有面心立方晶格的铁晶体，面心立方的铁又称为-Fe。 同素异晶转变：金属随温度变化发生晶格结构的变化现象叫做同素异晶转变。 铁的这种性质非常重要，如果铁中含有适量的碳，而温度变化按照特定的路径进行的话，那么它内部组织的变化将是丰富多彩的。 第一， 我们可以通过热处理极大地改变钢的力学性能和内部组织。 第二， 焊接热影响区各个区域中将产生各不相同的组织。 现在让我们继续观察铁的冷却曲线。 我们注意到，1394的水平线段较短，这说明在这个温度下，-Fe转变成-Fe放出的潜热比较少。 转变完成后，温度继续下降。 温度下降到912，冷却曲线又出现了水平线段。这说明铁又发生了一次同素异晶转变。这一次是面心立方的铁晶体转变成为体心立方的铁晶体。但是，在912极其以下温度的体心立方的铁晶体，被称之为-Fe，以便同1394时结晶的体心立方的铁晶体相区别。随后我们可以知道，虽然-Fe和-Fe都是体心立方晶格，但是它们有一些特性相当不同。 同素异晶转变完成，温度继续下降。 温度下降到大约770，冷却曲线第四次出现水平线段。体心立方晶格的-Fe晶型没有发生变化，但是发生了磁性转变并放出潜热。就是说，在这个温度，铁晶体开始有磁性了。 磁性转变完成后，体心立方的-Fe一直降温到室温。 二合金的组织，结构及铁碳合金的基本知识 1合金的组织 合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其他方法合成并具有金属特性的物质。 从这个定义出发，实际上几乎所有的金属都是合金。因为不含一点杂质的金属是非常难以获得的。 需要说明的是，合金的定义有很多种。 a固溶体：一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质原子的晶格内所形成的单相晶体结构。 置换固溶体：某一元素晶格上的原子部分地被另一种元素的原子所取代所形成的单相晶体结构。 当两种元素原子的尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。 r=(rA-rB)/rA ，当r<15%时，有利于大量互溶，甚至无限互溶。 比如铁和铬，铜和镍，都可以形成无限互溶。也就是无论按照什么比例熔炼上述两组金属，都能结晶成单相的固溶体，而决不会有金属化合物出现。 影响置换固溶体溶解度的因素除了原子尺寸因素以外还有晶体结构因素，电负性因素和电子浓度因素。在此就不讨论了。 间隙固溶体：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间隙形成的固溶体。 比如碳原子溶入铁原子晶格的间隙之中，形成间隙固溶体。 固溶强化：溶入晶格的溶质原子造成晶格结构的畸变和扭曲，金属塑性变形阻力增大，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。特别是原子半径相差较大的原子固溶，强化效果更加明显。 比如，固溶了适量C原子的-Fe，属于间隙固溶体。它的强度就比纯铁晶体要高的多。纯铜的b 为220Mpa， 硬度为40HB， 断面收缩率为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后，这是一种置换固 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1130 溶体， 强度升高到390Mpa， 硬度升高到70HB， 而断面收缩率仍有50%。 b金属间化合物：两种元素的原子按照一定比例结合，并且其生成物具有不同于其中任何一种元素的晶体结构，在晶格中各元素原子的位置保持固定的晶体，叫做化合物。 金属间化合物具有与形成的各元素晶格完全不同的特殊晶格，其中各元素的原子呈有序排列。金属间化合物具有一定的熔化（分解）温度，形成化合物的元素在某种条件下能溶解或者被其它元素替换形成新的化合物。化合物可以是全部金属元素，也可以是金属和非金属元素组成（例如碳化物，氮化物等）。 化合物不能单独构成合金（单一化合物一般硬而脆，不能单独应用），而只能是作为一个组元，弥散分布在固溶体或纯金属的基体组织中，使合金的塑性变形抗力增高，或者增高抗磨性等，能有效地改善合金的机械性能和热处理性能。 c机械混合物：当构成合金的两个组元在固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物时，就构成了机械混合物。 机械混合物中各组元各自保持自己的晶格和性能，其形状，大小，分布状况对合金的性能有明显影响。 机械混合物可由纯金属之间形成，也可由纯金属和化合物，纯金属和固溶体，固溶体和固溶体以及固溶体和化合物之间形成。 相(phase)：合金中具有相同的化学成分，相同的聚集状态，并有界面互相分开的，各个均匀的组成部分叫做合金中的相。 可由纯物质组成也可由混合物和固溶体组成，可以是气，液，固等不同形式的聚集态，相与相之间有分界面存在。液态铁，固态铁，-Fe，-Fe，-Fe都可称为铁的液相，固相，相，相，相。 -Fe，-Fe是两种今后常见的固溶体，也叫做固溶体相。 金属元素与非金属元素还可以形成化合物，也称之为金属化合物相。比如Fe3C。 Fe3C和-Fe可以构成片层状的混合物，也称之为机械混合物相。 固溶体相：晶体结构与其某一组元相同的相。比如含碳的-Fe，其晶体结构与Fe的体心立方结构相同。 化合物相：组成原子有固定比例，其晶体结构与组成组元均不相同的相。如Fe3C。它的结构与铁和碳都不同。铁是体心立方晶格，而碳是金刚石晶格或者石墨晶格，但是Fe3C却是一种斜方晶格。 机械混合物相：由固溶体相和化合物相机械混合而成。 相变：在金属学中，把金属的结晶和同素异晶转变以及磁性转变都叫做相变。 组织：由不同形态，大小，数量和分布的相组成的综合体称为组织。如单相，两相，多相合金。 金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。 2钢中常见的显微组织 a铁素体：碳溶于Fe中形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号F（或）表示。 600 溶碳量0.008% 727 溶碳量0.0218% 性能：与纯铁相似，强度，硬度低，而塑性和韧性好。 组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。 b奥氏体：碳溶于Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号A（或）表示。 727 溶碳量0.77% 1148 溶碳量2.11% 性能：有一定的强度和硬度，塑性和韧性好，适于进行锻压加工。 组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但晶界较铁素体平直 c渗碳体：铁和碳形成的具有复杂斜方晶格的间隙化合物，用化学分子式Fe3 C 表示。 Wc=6.69% 熔点为1227 性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。 组织：常以片状，球（粒）状和网状等不同形态存在。 d珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 Wc=0.77% 727以下方能存在 性能：介于铁素体与珠光体之间，即综合性能良好。 组织：常以铁素体和渗碳体片层的形式存在。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1230 e莱氏体：Wc=4.3%的合金，缓慢冷却到1148时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织， 用符号Ld表示。常温呈现出白亮的渗碳体基体中分布着分散的珠光体的组织。 性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。 f马氏体：含碳量足够高的奥氏体急速冷却到大约220以下，由面心立方晶形转变成为含碳过饱和的 体心正方晶形的晶体，这就是马氏体。符号M。 性能：硬度非常高，塑性极差。但回火处理后具备良好的综合力学性能。 组织：粗大白亮的薄片状形态，在显微镜下呈针状。针和针之间呈60度或120度的夹角。 g魏氏体：晶粒粗大的奥氏体冷却时从奥氏体晶面上析出的相互具有60度夹角的粗大片状铁素体组织。 魏氏体组织在金属过热时容易产生，粗大的魏氏体使得金属塑性下降。在钢材经过焊接后，在 焊缝区容易出现魏氏组织。 3 铁碳合金平衡状态图： 表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织，性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。是研制新材料，制定合金熔炼，铸造，焊接，压力加工和热处理工艺的重要工具。 a铁碳平衡图中的相：铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。因为碳原子是不能在铁素体晶格中或者奥氏体晶格中置换铁 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1330 原子的。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 液相：液相是铁与碳的液溶体。 相：相又称高温铁素体，是碳在Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，在1394以上存在，在1495时溶碳量最大，为0.09%。 相：相也称铁素体，用符号F或表示，是碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.008%，600时为0.0057%，在727时碳溶量最大，为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低，硬度低，塑性好。 相： 相常称奥氏体，用符号A或表示，是碳在Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度极大，在1148时碳溶量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 Fe3C相：Fe3C相是一个化合物相，根据生成条件不同有条状，网状，片状，粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。 bFe- Fe3C相图中的特性点 上是Fe- Fe3C相图。图中各点的温度，含碳量及其意义示于下表中。Fe- Fe3C相图中的特性点均采用固定的字母表示。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1430 二次渗碳体：从含碳量高于共析成分的铁碳合金中析出的渗碳体。 三次渗碳体：从低碳钢的铁素体中析出的渗碳体，极其微量，通常忽略不计。 6个典型的铁碳合金结晶过程分析(忽略包晶反应) 工业纯铁结晶过程：Wc0.0218的铁碳合金，从1538以上穿过ABCD液相线的AB段进入奥氏体单相区结晶成为奥氏体(略去高温铁素体的结晶过程)，冷却穿越GS线，进入奥氏体铁素体双相区，从奥氏体中析出铁素体，穿越GP线，生成全部铁素体。最后冷却穿越PQ线到室温，形成铁素体三次渗碳体组织。三次渗碳体极其微量，忽略不计，工业纯铁的室温组织是铁素体。F。 亚共析钢结晶过程：0.0218Wc0.77的铁碳合金，从1538以上冷却穿过ABCD液相线进入奥氏体单相区，结晶成为奥氏体，冷却穿越GS线，从奥氏体中析出铁素体。在这个两相区中，奥氏体和铁素体的质量百分数可以通过杠杆定理求出。冷却到727共析线，发生从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的共析反应，共析反应生成的组织是珠光体。冷却至室温，形成铁素体珠光体的组织。FP。 例如：含碳量Wc0.2的20号钢，求在727附近的两相区中铁素体和奥氏体的质量百分数；在室温铁素体和珠光体的质量百分数以及在室温铁素体和渗碳体的质量百分数。 解： 1727附近两相区中，相的相对量为(0.77-0.2)(0.77-0.0218)310076 727附近两相区中，相的相对量为(0.2-0.0218)(0.77-0.0218)310024% 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1530 2在室温，其组织组成物是F铁素体P珠光体，其质量百分数为： P珠光体(0.2-0.0218)(0.77-0.0218)310023.8 F铁素体123.876.2 3在室温F铁素体和Fe3C渗碳体的质量百分数为： F铁素体(6.67-0.2)(6.67-0.0218)310097.3 Fe3C渗碳体(0.2-0.0218)(6.67-0.0218)31002.7 共析钢结晶过程：Wc0.77的铁碳合金，从1538以上的液态冷却穿过ABCD液相线进入L即液相和奥氏体相双相区，从液相中产生奥氏体结晶。继而冷却穿过AHJECF固相线，进入奥氏体单相区。液相全部凝结成含碳量0.77的奥氏体晶体。冷却到727，在PSK共析线上，发生： 共析反应 A FFe3C (奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体晶体) 以片层的形式析出F铁素体和Fe3C渗碳体，即P珠光体。所以，在室温，共析钢的组织全部是珠光体P。 过共析钢结晶过程：0.77Wc2.11的铁碳合金，从1538以上的液态冷却进入L即液相和奥氏体相双相区，从液相中越来越多地凝结出奥氏体结晶，继而冷却穿过AHJECF固相线，进入奥氏体单相区。液相全部凝结成含碳量0.77Wc2.11的奥氏体晶体。然后冷却穿过Acm线，从奥氏体晶界中析出二次渗碳体Fe3CII。最后冷却至727共析线，剩余的奥氏体在这个温度上全部发生共析相变，生成片层状的铁素体渗碳体，亦即珠光体。在室温，过共析钢的组织是珠光体二次渗碳体。PFe3CII。 亚共晶白口铸铁结晶过程：2.1Wc4.3的铁碳合金，从1538以上的液相冷却穿过ABCD液相线的BC段进入L双相区。凝结出高碳奥氏体A，温度降低，高碳奥氏体逐渐增加，液相减少。冷却至1148，在ECF线上，发生： 共晶反应 L AFe3CII (液相同时结晶出渗碳体和奥氏体晶体) 剩余的液相同时凝结出渗碳体Fe3C和奥氏体A。这两种共晶反应生成的晶体形成了莱氏体组织，也就是在渗碳体基体上分布着块状或者粒状奥氏体A晶体。继续冷却到共晶温度以下，奥氏体A晶界上将会析出二次渗碳体Fe3CII。冷却到共析温度，发生共析反应，所有奥氏体都转变成珠光体。所以，在室温，亚共晶白口铸铁的组织组成物是珠光体莱氏体二次渗碳体。PFe3CIILd。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1630 共晶白口铸铁的结晶过程：Wc4.3的铁碳合金，从液相冷却到1148，发生 共晶反应 L4.3 A2.11Fe3CII (液相全部结晶成高温莱氏体组织) 继续冷却到727共析温度，高温莱氏体中的块状或者粒状奥氏体发生： 共析反应 A2.11 F0.0218Fe3CII (莱氏体中的奥氏体全部转化为珠光体) 所以，共晶白口铸铁的室温组织组成物全部是莱氏体Ld。黑色条状或粒状珠光体与白色渗碳体。 过共晶白口铸铁结晶过程：4.3Wc6.67的铁碳合金，从1538以上的液相冷却到ABCD液相线的CD段，结晶出一次渗碳体Fe3CI，进入LFe3CI双相区。1148共晶温度线上，剩余液相发生 共晶反应 L AFe3CII (液相全部结晶成高温莱氏体组织) 冷却至727共析线，发生 共析反应 A F0.0218Fe3CII (莱氏体中的奥氏体全部转变成珠光体组织) 所以，过共晶白口铸铁的室温组织组成物是 渗碳体莱氏体 Fe3CII Ld 铁素体基体片状石墨 珠光体基体片状石墨 灰口铸铁显微组织 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 17 30 简化的铁碳平衡图 铁碳平衡图的设备 三钢的热处理 将金属加热到一定温度，并保持一段时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。 1淬火：把过共析钢和亚共析钢分别加热到A1线和A3线以上3050，保温一定时间，让珠光体组织全部相变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或者油冷)，使得奥氏体来不及发生共析反应以及合金元素的扩散，在Ms线以下相变成为马氏体，称为淬火。 淬火可以提高钢的强度和硬度。 索氏体S：奥氏体快冷到650600左右形成的片层更薄的珠光体组织，1000倍光学显微镜可见。 屈氏体T：奥氏体快冷到600550左右形成的片层更薄的珠光体组织，电镜可见。 贝氏体B：奥氏体快冷到240550等温保持，形成羽毛状或者针叶状铁素体与点状渗碳体的机械混合物。与珠光体型组织有很大不同。 上贝氏体：形成温度400550，光学显微镜下呈现暗灰色羽毛状组织，塑性较差。 下贝氏体：形成温度240400，光学显微镜下呈现黑色针叶状组织，综合力学性能极好。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1830 钢的连续冷却转变： 钢在淬火的快速冷却(又称连续冷却)过程中，温度与时间的关系形成上述C曲线图。只有当奥氏体冷却速度足够快的时候，才能避开C曲线的鼻部，穿过Ms线，相变成为马氏体。 2回火：把淬火过后的钢重新加热到共析温度727以下的某一温度，保温一定时间缓慢冷却，使得碳从马氏体和残余奥氏体中析出，恢复钢的塑性，降低钢的强度和硬度。 a低温回火：加热到150220，得到回火马氏体，多用于高碳钢，工具钢。 b中温回火：加热到350450，得到回火屈氏体(更加细密的铁素体与渗碳体片层状组织) c高温回火：加热到500650，得到回火索氏体(细密的铁素体与渗碳体片层状组织) 3正火：又叫正常化。钢加热到A3温度线或者Acm温度线以上3070，保温后空冷，称为正火。 重结晶：铁碳合金加热全部奥氏体化，在稍高于奥氏体温度线处生成细小的奥氏体结晶，冷却后形成细晶粒的珠光体组织，钢的晶粒得以细化，力学性能得到明显改善。 再结晶：冷变形金属在一定温度下加热，等轴晶取代原来的变形晶粒的过程。 4 退火：钢加热到A3温度以上或者A1温度左右的一定范围，保温一段时间随炉冷却，称为退火。退火 可以降低硬度，去除应力。焊接后的退火处理加热温度在A1线以下，600650，保温随炉冷。 关于铁碳平衡图：铁碳平衡图是使用专门的设备，针对每一种含碳量的钢液，通过极其缓慢的冷却速 度得到的。只要钢的含碳量一定，通过缓慢冷却一定可以得到固定不变的组织。每一种含碳量的钢液，从高温缓慢冷却到室温，各种相变在图中相应含碳量的位置留下几个点。把各种含碳量的钢液，从高温分别缓慢冷却到室温，在图中留下各自的相变点。把这些点圆滑的连接起来，就成了铁碳平衡图中的各条相变线。所以，一张铁碳平衡图可以表示出不同含碳量的钢液从高温缓慢冷却到室温所产生的各种不同的组织。 关于连续冷却C曲线图：在实际的生产过程中，钢从高温都是连续冷却到室温的。每一种含碳量的钢， 如果冷却速度不同，在室温得到的组织可能不相同。所以，每一种含碳量的钢，都必须制作各自不同的连续冷却C曲线图。不同含碳量的钢的热处理工艺，也必须根据各自不同的连续冷却C曲线图来编制。上图所表示的，是一种高碳钢的连续冷却C曲线图。 金属焊接与切割作业安全技术 第一章 焊接与切割基础知识 讲义 1930 5 焊接接头的热循环：如图为典型的熔化焊焊接接头的热循环过程。 a 焊缝区：金属完全熔化的部分