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第一讲,压力容器与化工设备常用材料,1,主要内容,1、金属学及热处理知识2、焊接工艺基础知识,2,第一节焊接与切割简介,在金属结构及其它机械产品的制造中常需将两个或两个以上的零件按一定的形式和尺寸联接在一起，这种联接通常分两大类，一类是可拆卸的联接，就是不必损坏被联接件本身就可以将它们分开、如螺栓联接等。另一类联接是永久性联接，即必须在毁坏零件后才能拆卸，如焊接。,3,什么是焊接？,焊接就是通过加热或加压，或两者并用，并且使用或不用填充材料，使工件达到结合的方法。为了获得牢固的结合，在焊接过程中必须使被焊件彼此接近到原子间的力能够相互作用的程度。为此，在焊接过程中，必须对需要结合的地方通过加热使之熔化，或者通过加压(或者先加热到塑性状态后再加压)，使之造成原子或分子间的结合与扩散，从而达到不可拆卸的联接。,4,焊接方法的分类,按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。,5,1、熔化焊,熔化焊是利用局部加热的方法将联接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法。在加热的条件下，增强了金属原子的功能，促进原子间的相互扩散，当被焊接金属加热至熔化状态形成液态熔池时，原子之间可以充分扩散和紧密接触，因此冷却凝固后，即可形成牢固的焊接接头。常见的气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊、等离子弧焊等均属于熔化焊的范畴。,6,2、压力焊,压力焊是利用焊接时施加一定压力而完成焊接的方法。这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，燃后施加一定压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊；摩擦焊和气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等。,7,3、钎焊,钎焊是把比被焊金属熔点低的钎料金属加热熔化至液态，然后使其渗透到被焊金属接缝的间隙中而达到结合的方法。焊接时被焊金属处于固体状态，工件只适当地进行加热，没有受到压力的作用，仅依靠液态金属与固态金属之间的原子扩散而形成牢固的焊接接头。钎焊是一种古老的金属永久联接的工艺，但由于钎焊的金属结合机理与熔焊和压焊是不同的，并且具有一些特殊的性能，所以在现代焊接技术中仍占有一定的地位，常见的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊、感应钎焊等多种方法。,8,第二节金属材料简介,纯金属的构造合金的晶体构造及鉄碳平衡相图钢的热处理,9,第三节钢材和有色金属的分类、编号及性能,钢材的分类钢材的编号钢材的性能及焊接特点铸铁的分类及焊补特点有色金属及合金的分类及焊接特点,10,一、纯金属的结构,1、晶体与非晶体晶体：晶体的原子按一定几何形状作有规律的重复排列。非晶体:非晶体的原子是无规律地堆积在一起的。,（一）纯金属的晶格结构,11,2、晶格与晶胞晶格：抽象的用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间几何图形，称为晶格。,晶胞：晶格是由最基本的几何单元重复堆砌而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。,12,1）体心立方晶格从晶格中取出一个单位立方体，立方体中心有一个原子，八个顶角各排列着一个原子，但每个顶角上的原子是8个单位立方体所共有。,13,2）面心立方晶格从晶格中取出一个单位立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子，但每个顶角上的原子是8个单位立方体所共有，每个面上的原子是2个单位立方体所共有。,14,3）密排六方晶格从晶格中取出一个单位六方柱体，六方柱体的各个顶角上和上下底面中心各排列着一个原子，但每个顶角上的原子是6个棱柱体所共有，上下底面上的原子是2个棱柱体所共有；在顶面和底面之间还有三个原子。,15,（二）液体金属的结晶过程,结晶:金属由液态凝固为固体的过程，叫做结晶。晶核：当液态金属冷却到熔点以后，金属内部就有一些原子（难熔的质点）开始稳定下来，成为结晶的核心，简称晶核。晶粒：由于每个小晶体外形不规则，且呈颗粒状，故称“晶粒”。,16,焊接熔池熔化金属的结晶特征,1、晶核的形成熔池液态金属中常有难熔金属质点，作初始的晶核，然后长大为晶粒。熔合线上局部熔化的母材晶粒（称半熔化晶粒）成为熔池金属的结晶核心，形成焊缝金属与母材金属生长在一起的“联生结晶”。,17,2、晶粒长大晶粒长大的方向是由边缘指向熔池中心（温度最高点），由于熔池体积小，散热快，结晶速度很快。结晶从母材金属的半熔化晶粒上开始，柱状晶较发达，而且柱状晶的成长方向基本上与熔池界面相垂直，只有在熔池中心处或火口处，才有可能出现等轴晶。,18,3、晶粒边界晶粒与晶粒的交界面叫做晶粒边界，简称边界。熔池在结晶过程中凝固较快，焊件母材中有许多元素和少量夹杂物，熔池结晶时，高熔点的成分先析出，最后易熔夹杂物被留在柱状晶粒之间。,19,二、合金的晶体构造及铁碳平衡相图,（一）合金的晶体构造,合金：是指由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的，具有金属特性的新物质。组元：组成合金最基本的独立物质称为组元。相：金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。,20,1、固溶体是指合金在固态下，组元之间能互相熔解而形成的均匀相。在各组元中，与固溶体晶格类型相同的组元称为溶剂，其他组元为溶质。一种物质均匀地熔解在另一种固体物质之中，所形成的熔合体叫做固溶体。,21,1）置换固溶体溶质原子占据了部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。某一元素晶格上的原子，部分地被另一元素的原子所取代的固溶体，叫置换固溶体。,22,2）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。如果某一元素晶格上的原子没有减少，而另一元素的原子挤入其原子的间隙中形成的固溶体，叫间隙固溶体。,23,2、金属化合物是指合金组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用分子式表示。如铁碳合金中的渗碳体（Fe3C)。合金中的两种元素，按一定的原子数量之比相化合，而形成一种新的化合物。,24,3、共析体是由两种或两种以上的晶体结构混合而成的，在显微镜下呈非均匀组织结构。例如，常温下铁素体和渗碳体，是互相不溶解的两种晶体结构，它们在钢中形成一种共析体（或称机械混合物），称为珠光体。,25,（二）金属的同素异构转变,同素异构转变：金属在固态下的结晶构造的现象随温度的变化而转变的现象，叫同素异构转变。,26,27,（三）铁碳平衡状态图,1、铁碳合金相图：是指在极缓慢加热（或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下具有的状态或组织的图形。2、铁碳合金相图的作用：、是研究和选用合金的工具；、对于金属的加工和热处理具有指导意义。,28,1600140012001000800600400200100,00.20.40.60.81.21.52.03.04.04.55.06.0,Wc/%,WFe3C/%,L,L+A,A,C,E,D,F,K,S,Q,P,G,A,F+A,F+P,P+Fe3C,A+Fe3C,727,1148,A+Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,P+Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,简化的Fe-Fe3C相图,温度t/,L+Fe3C,F,A3,Acm,A1,Fe3C,P,Ld,Ld,29,3、钢中常见组织,30,4、简化的Fe-Fe3C相图特性点,912,1148,727,31,5、简化的Fe-Fe3C相图特性线,32,33,（四）典型铁碳合金及组织,1、铁碳合金的分类（1）工业纯铁Wc0.0218%，显微组织为铁素体。（2）钢0.0218%Wc2.11%，分以下三种：共析钢，Wc=0.77%，组织为珠光体；亚共析钢，0.0218%Wc0.77%，组织为珠光体+铁素体；过共析钢，0.77%Wc2.11%，组织为珠光体+二次渗碳体。,34,（3）白口铸铁2.11%Wc6.69%，分以下三种：共晶白口铸铁，Wc=4.3%，组织为变态（低温）莱氏体（Ld）;亚共晶白口铸铁，2.11%Wc4.3%，组织为珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体；过共晶白口铸铁，4.3%Wc6.69%，组织为变态莱氏体+一次渗碳体。,35,2、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响任何成分的铁碳合金室温时均是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量增加，铁素体的相对量减少，渗碳体的相对量增多，同时渗碳体的形状和分布也有所不同，因而形成不同的组织。室温时，随着含碳量的增加，铁碳合金组织变化如下：,F+P,P,P+FeC,P+FeC+Ld,Ld+FeC,Ld,36,3、含碳量对铁碳合金力学性能的影响当Wc0.9%时，由于沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整，故强度开始明显下降，但硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。为保证工业用的碳钢具有足够的强度、一定的塑性和韧性，一般钢的Wc1.3%1.4%。,37,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,HBS,250,200,150,100,50,b/MPa,/%,0.20.40.60.81.01.2,Wc/%,Ak/J,0,10,15,20,25,30,40,35,120,80,40,0,含碳量对钢的力学性能的影响,38,三、钢的热处理,热处理原理主要是研究钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律。根据这些规律确定加热温度、保温时间等参数和冷却介质，这就是热处理工艺。,39,（一）、钢的固态相变1、加热时的转变从鉄碳平衡状态图可以看出，亚共析钢当加热温度超过A3线时，珠光体中的铁素体与渗碳体首先形成奥氏体，但晶粒很细小，所形成的奥氏体晶粒，把珠光体外的铁素体吸收。,40,2、冷却时的转变当温度降至A3线以下，亚共析钢将沿着奥氏体晶粒边界首先析出铁素体，这时奥氏体中的含碳量就增高了。当奥氏体中的含碳量高至0.77%时，渗碳体和铁素体就会产生各自间的小片状晶粒，成为珠光体。而铁素体和珠光体颗粒，却与原来奥氏体晶粒相差不多。,41,（二）、钢的热处理热处理：通过对钢在固态下的加热、保温、冷却、来改变钢的内部组织从而改变性能的工艺方法。,42,热处理,普通热处理,表面热处理,退火正火淬火回火,表面淬火（感应及火焰加热等）化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗等）,43,1、退火将钢加热到A1或A3线以上3050，并保温一段时间，然后缓慢均匀地冷却到室温，或冷却到A1线以下的某一温度，并停留一段时间后，再在空气中冷却，这一过程叫退火。,退火,完全退火等温退火球化退火去应力退火,44,1）、完全退火和不完全退火完全退火适用场合：各种中碳钢、中碳合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构，常作为一些不重要零件的最终热处理，或作为某些重要件的预备热处理。目的：在于细化组织，降低硬度，改善切削加工性，消除内应力。,45,不完全退火适用场合：应用于晶粒并未粗化的中、高碳钢和低合金钢的锻轧件等。目的：是降低硬度，改善切削加工性，消除内应力。它的优点是加热温度低，消耗热能少，降低工艺成本。,46,2）、等温退火适用场合：应用于中碳合金钢、经渗碳处理的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸锻件及冲压件等。目的：与完全退火相同，且能得到更为均匀的组织和硬度，有效缩短退火时间。对某些奥氏体比较稳定的合金钢，完全退火往往需要数十小时，甚至几天时间，所以生产中常用等温退火来代替完全退火。,47,3）、球化退火适用场合：应用于共析钢及过共析钢的锻轧件，以及结构钢的冷挤压件等。目的：在于降低硬度、改善切削加工性、改善组织、提高塑性等。生产中常常用于制造刀具、量具、模具等用的过共析碳钢及合金工具钢。,48,4）、去应力退火去应力退火时组织不发生变化，残余应力主要是在500650保温后的缓冷过程中消除。目的：是为了去除由于形变加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接等所产生的残余应力。,49,2、正火把钢加热到A1或Acm线以上4060，保温一段时间，然后在空气中冷却，这一过程叫正火。正火和退火的不同之处，在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，由于正火和退火后钢的组织上不同，所以它们的性能也不相同。,45钢退火和正火状态的力学性能,50,正火与退火相比，不但力学性能高，而且操作简便，生产周期短，能量耗费少。故在可能条件下，应优先考虑采用正火处理。正火主要用于：改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性作为普通结构零件或一些大型及形状复杂零件的最终热处理作为中碳和低合金结构钢重要零件的预备热处理消除铸钢件的魏氏组织消除过共析钢中的网状二次渗碳体,51,3、淬火对于亚共析钢淬火时加热温度应高于A3线以上3050，并要在此温度下保温一段时间，使钢的组织全部转变为奥氏体，然后在油中火水中急冷，这一过程叫淬火。目的：钢的淬火多半是为了获得马氏体，提高它的硬度和强度。适用场合：各种工模具、滚动轴承的淬火，是为了获得马氏体以提高其硬度和耐磨性；飞机零件的淬火，通常是提高钢的强度。,52,在焊接含碳量较高的钢时，热影响区易出现这种组织，促使产生冷裂纹。而对低碳钢，则不易淬火成为马氏体，因此焊接也不易产生冷裂纹。在焊接有淬火倾向的钢时，常采用预热的焊后保温缓冷等措施，其目的就是为避免产生这种既硬又脆的马氏体组织。,53,4、回火淬火后的钢常采用回火来恢复一些塑性和韧性。其加热温度低于A1线。低温回火（150250）：回火后得到回火马氏体组织。目的：是保持高硬度和高耐磨性，降低淬火的内应力和脆性。适用场合：各种高碳钢的切削工具、冷冲模具、滚动轴承渗碳零件等，回火后硬度可达HRC5864。,54,中温回火（350450）：回火后获得回火屈氏体组织。目的：是获得高屈服强度、弹性极限和较高的韧性。适用场合：各种高弹簧和模具的处理，回火后硬度一般为HRC3550。,55,高温回火（450650）：回火后获得回火索氏体组织。通常将淬火+高温回火称为调质处理。目的：调质处理的目的是获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。适用场合：广泛用于飞机、汽车、拖拉机、机床等重要的结构零件，如连杆、螺栓、齿轮和各种轴等，回火后硬度一般为200330HBS。因此重要的结构零件，均进行调质而不用正火。,56,回火的重要意义：1）回火后的组织是零件使用时的组织，决定了零件的使用性能。2）通过回火可以调整强度，使其和韧性良好配合，而且消除应力，防止开裂。回火的保温时间1h4h在空气或油中冷却。,57,第二节钢材和有色金属的分类、编号及性能,钢材的分类钢材的编号钢材的性能及焊接特点铸铁的分类及焊补特点有色金属及合金的分类及焊接特点,58,一、钢材的分类,钢和铁的分界：含碳量在2.11%以下的鉄碳合金称为钢。含碳量在2.11%6.67%的鉄碳合金称为铸铁。钢中含有的元素：常存元素：锰、硅是炼钢时作为脱氧剂而加入的。杂质元素：硫、磷是由炼钢原料带入的，称为杂质元素。,59,（一）按化学成分分类,碳素钢,低碳钢：含碳量小于0.25%；中碳钢：含碳量为0.25%0.60%；高碳钢：含碳量大于0.60%。,合金钢,普通低合金钢：合金元素总含量小于5%；中合金钢：合金元素总含量为5%10%；高合金钢：合金元素总含量大于10%。,60,（二）按用途分类,结构钢：工具钢：特殊用途钢：如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢。,61,（三）按品质分类,含硫量不超过0.045%0.050%含磷量不超过0.045%,普通钢,优质钢,含硫量不超过0.030%0.035%含磷量不超过0.035%,含硫量不超过0.020%0.030%含磷量不超过0.025%0.030%,高级优质钢,62,普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢,普低钢合金结构钢弹簧钢轴承钢,合金工具钢高速钢,不锈钢、耐热钢等,碳素结构钢碳素工具钢,碳素钢,工具钢,合金结构钢合金工具钢特殊用途钢,钢,63,二、钢材的编号,我国的钢材编号方法是采用国际化学符号和汉语拼音字母并用的原则。即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn、Cr、W、Mo等，其中只有稀土元素由于含量不多，但种类不少，不易全部一一标注出来，因此用“Re”表示其总含量。钢材的名称、用途、冶炼和浇注方法等，则用汉语拼音字母表示。,64,（一）碳素钢的编号,1、碳素结构钢一般结构钢和工程用热轧钢板、型钢均属此类。按照GB700-88规定，钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成，如Q235-AF,Q235-B等。,A、B、C、D:分别为质量等级；F:沸腾钢；b:半镇静钢；Z镇静钢；g:锅炉用钢;R:容器用钢;H:焊接用钢;,65,66,2、优质碳素结构钢钢号用两位数字表示。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如45号钢表示钢中平均含碳量为0.45%，08钢表示平均含碳量为0.08%。优质碳素结构钢在供应时既保证化学成分又保证机械性能，而且钢中含的有害元素及非金属夹杂物比普通碳素钢的少。,67,含锰量较高的钢，须将锰元素标出，如平均碳含量为0.50%，锰含量为0.7%11.0%钢，其钢号为“50锰”或“50Mn”。沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标注，如“20g”即为平均含碳量为0.20%的锅炉用钢。“20R”即为平均碳含量为0.20%的压力容器用钢。,68,（二）合金结构钢的编号,合金结构钢的钢号由三部分组成：数字+化学元素符号+数字。,16Mn,1.5%时，不标注，1.5%时，标注2，2.5%时，标注3，,合金元素的平均含量,合金元素以汉字或化学符号表示,平均含碳量的万分之几,69,钢中的一些特殊合金元素如V,Al,Ti,B,Re等，虽然它们的含量很低，但由于在钢中起到很重要的作用，所以也标注在钢号中。如20MnVB钢的大致成分为C为0.20%，Mn1.5%，同时含有少量的钒和硼。,70,（三）不锈钢与耐热钢的编号,化学元素符号前面的数字表示平均含碳量的千分之几。,1Cr18Ni9,合金元素的百分含量18%，9%,平均含碳量的千分之几0.1%,0Cr19Ni9,含碳量小于0.08%,71,三、钢材的性能及焊接特点,（一）低碳钢的焊接特点,1、淬火倾向小，焊缝和近缝区不易产生冷裂纹。可制造各类大型构架及受压容器。2、焊前一般不需预热，但对大厚度结构或在寒冷地区焊接时，需将焊件预热至100150。3、镇静钢杂质少，偏析很小，不易形成低熔点共晶，所以对热裂纹不敏感；沸腾钢中硫、磷等杂质较多，产生热裂纹的可能性要大些。,72,热裂纹：是在熔池结晶后期发生的，因此又叫结晶裂纹。,在显微镜下观察这种裂纹具有晶间破坏性质，其断口则有氧化现象，呈现蓝色并失去金属光泽。热裂纹末端带有圆角并沿晶界分布，说明这种裂纹和结晶过程、晶界状态有关。有的宏观裂纹里还充满了熔渣，说明宏观裂纹形成时对温度很高。,73,4、如工艺选择不当，可能出现热影响区晶粒长大现象，而且温度越高，热影响区在高温停留时间越长，则晶粒长大越严重。5、对焊接电源没有特殊要求，可采用交、直流弧焊机进行全位置焊接，工艺简单。,74,（二）中碳钢的焊接特点,1、热影响区容易产生淬硬组织。含碳量越高，板厚越大，这种倾向也越大。如果焊接材料和工艺规范选用不当，容易产生冷裂纹。2、由于基本金属含碳量较高，所以焊缝的含碳量也较高，容易产生热裂纹。3、由于含碳量的增高，所以对气孔的敏感性增加。因此对焊接材料的脱氧性，基本金属的除油除锈，焊接材料的烘干等，要求更加严格。,75,冷裂纹：是在200300马氏体转变温度以下产生的。主要发生在低合金钢、中合金高强钢。中碳钢的热影响区部位。冷裂纹的断裂，有时沿晶界扩展，有时穿晶延伸。冷裂纹可以在焊后立即产生，有时要经过一段时间才出现。冷裂纹危害性也很大。,76,（三）高碳钢的焊接特点,1、导热性差，焊接区和未加热部分之间产生显著的温差，当熔池急剧冷却时，在焊缝中引起的内应力，很容易形成裂纹。2、对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体组织。由于组织应力的作用，使近缝区产生冷裂纹。3、由于焊接高温的影响，晶粒长大快，碳化物容易在晶界上积聚、长大，使焊缝脆弱，焊接接头强度降低。4、高碳钢焊接时比中碳钢更容易产生热裂纹。,77,（四）普通低合金钢钢的焊接特点,1、热影响区的淬硬倾向影响热影响区淬硬程度的因素有：材料及结构形式