造船材料与船舶焊接技术发展的教案.doc

造船材料与船舶焊接技术发展的教案课题一 绪论 目的与要求：介绍船舶材料及船舶焊接技术的发展概况；本课程的学习内容及方法课堂组织：多媒体讲授教学时数：1学时现代文明和科技的进步极大地促进了造船业的发展，同时也增大了造船业的用钢量，扩大了钢材品种以及非铁金属材料的应用，尤其是钢材的强度级别出现明显增高的趋势，船舶材料的发展与更新直接推动了船舶焊接技术的发展，使焊接技术成为现代船舶工业的基础工程技术之一。焊接技术是现代工业的基础技术之一，造船焊接技术是现代船舶制造的关键工艺技术，在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30%40%，焊接质量是评价造船质量的重要指标，焊接效率直接影响到造船周期和船舶建造成本。因此，焊接技术进步对推动造船发展具有十分重要的意义。 一、我国船舶焊接技术的发展概况（一）船舶焊接技术在造船中的巨大作用1焊接技术的发展促进了船舶建造的大型化、多样化； 2焊接技术的发展为我国海洋开发和建设提供了技术支持；3焊接技术的发展拓展了船厂的经营范围 。（二）船舶焊接技术的最新发展1新材料、新钢种，尤其是高强度钢在船舶建造中的不断应用，促进了焊接新工艺的发展。2推广应用了CO2气体保护自动、半自动、气电垂直 自动焊，以及各种衬垫单面焊等高效焊接技术。3提高了船舶分段制造的焊接自动化、半自动化率和焊接生产流水线作业水平。4缩短了造船周期，在船台等现场焊接中全面推广应用衬垫单面焊技术。5在新建的平面分段流水线上全面应用CO2气体保护焊接技术。6加强了军品焊接技术研究，提高军品焊接自动化率，改善军品焊接质量。二、船舶焊接技术的特点船舶焊接有着与铆接无法比拟的巨大优越性：1焊接船舶结构形式合理，性能优良，封密性好；2船舶焊接结构节省材料，增加效益；3船舶焊接技术适应性强，特别适合船舶结构的复杂性；4船舶焊接工艺生产率高，设备投资少；5船舶焊接结构劳动条件较好。不足：焊接结构的刚性大，整体性强，结构中存在应力集中区，往往诱发裂纹，一旦裂纹扩展，就会导致船舶破损、开裂，从而造成海损事故。因此，在建造船舶时，也要根据船舶的特点，采用合理的焊接方法，焊接工艺，以减少焊接应力和变形以及焊接缺陷。所以确定先进的船舶焊接工艺，必须首先熟悉各种焊接材料和焊接方法及其特点，才能真正发挥焊接技术的优越性，建造更多的优质船舶。三、本课程的学习内容及方法（一）本课程的学习内容：船舶材料基础 船舶用钢 船用非铁金属材料及其它材料 电弧焊的基本理论 船舶焊接方法 船用金属材料的焊接 船舶结构的焊接工艺 船舶焊接检验 理论授课学时：52学时（二）本课程的学习方法1明确的学习目的和激发强烈的求知欲；2做好学习笔记，寻求焊接技术在造船中应用的知识点；3认真阅读教材，抓住各章节的重点，积极参加教学讨论、答疑等活动；4广泛阅读课外参考书和相关科技杂志及专业网站，扩大知识面。向学生推荐的参考教材有：1船用材料与加工工艺 顾善明 编 人民交通出版 2005.1.2金属工艺学 丁德全 主编 机械工业出版社 2004.2.3金属学与热处理 丁建生 主编 机械工业出版社 2006.14金属熔焊原理 李建国 主编 机械工业出版社 2004.15焊接方法与设备 雷世明 主编 机械工业出版社 2004.26焊接结构生产 邓洪军 主编 机械工业出版社 2004.27焊接生产管理与检验戴建树 主编 机械工业出版社 2004.28船舶焊接工艺 陈倩清 主编 哈尔滨工程大学出版社 2005.109焊接手册第一卷焊接方法与设备（第2版）中国机械机械工程学会焊接学会编，机械工业出版社，200110焊接手册第三卷材料的焊接（第2版）中国机械机械工程学会焊接学会编，机械工业出版社，2001向学生推荐的国内外电子网：1中国新材料网 （/）2中国船舶网 （/）3中国船舶工业网 （/）4中国焊接材料网 （/）5中国焊接技术网 （/）6中国焊接网 （/）7中国焊接信息网 （/）8国际焊接学会（/）9美国爱迪生焊接研究所（/）10英国焊接研究所（http:/www.twi.co.uk/）11澳大利亚焊接技术研究所（.au/）12日本溶接学会（http:/wwwsoc.nii.ac.jp/jws/ ）13巴顿焊接研究所（乌克兰）（http:/www.paton.kiev.ua/）向学生推荐的参考文献有：我国造船焊接技术进步浅析 世界先进造船技术和管理方式对我国造船业的影响中国焊接年鉴金属结构行业概况对21世纪焊接材料发展趋势的探讨 我国焊接技术的发展及其在国家建设中的作用 焊接生产技术的现状和发展中的几个问题 中国焊接材料的生产与应用2004-7-10 西气东输管道工程中管道焊接过程的质量控制药芯焊丝的研究与实践 焊接行业现状和存在问题课题二 船舶材料基础目的与要求：1、一般理解与掌握金属材料的力学性能试验方法；2、一般理解与掌握金属的晶体结构与结晶；3、深刻理解与熟练掌握铁碳合金相图及其应用；4、深刻理解与熟练掌握钢的热处理基本原理与工艺。教学重点、难点：1、理解与掌握常用金属材料的力学性能指标；2、铁碳合金相图的意义及应用；3、热处理基本原理与工艺。课堂组织：多媒体讲授。教学时数：7学时。材料是造船工业的基础。在造船生产中使用的材料特别是金属材料主要具有满足船舶结构所需的力学性能与工艺性能要求；而这些性能与金属内部原子结构及合金化有着密切的关系，还可以通过热处理强化和改善它们的性能。第一节 金属的力学性能 引言：1金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。 2金属材料力学性能指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 一、强度和塑性 （一）拉伸实验与拉伸曲线1拉伸试样GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样；长试样：L0=10d0，短试样：L0=5d0。2拉伸过程：在拉伸试验机上进行。3金属材料的拉伸曲线l F图12 低碳钢的拉伸曲线op段：比例弹性变形阶段。 pe段：非比例弹性变形阶段。平台或锯齿（s段）：屈服阶段，明 显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。 sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。 。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。（二）常用强度性能指标强度：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程上常用的强度指标有0.2（s），b 表示，单位为MPa。(1)屈服点与屈服强度：屈服点：产生明显塑性变形的最低应力值. s = Fs/S0 符号：s：材料产生屈服现象时的最小应力 Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm） 屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标，大多数合金都没有屈服现象，屈服强度以0.2 ( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形) 表示。0.2= F0.2/ S 0 0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力；S 0：试样原始横截面( mm2)。 屈服强度0.2 （s）是金属工程结构设计和选材的主要依据。也是评定金属强度的重要指标之一。 (2)抗拉强度：金属材料在载荷作用下，断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度（曾称强度极限），以b表示，单位为MPa。 b = Fb / S0 式中：Fb试样断裂前的最大载荷(N) S0试样原始横截面( mm2)。当材料的内应力b时，材料将产生断裂。b常用作脆性材料的选材和设计的依据。也是评定金属强度的重要指标之一。（三）塑性性能指标金属材料在载荷作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力就是塑性。常用的塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。 1断后伸长率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以表示。 l 1 - l0 = 100% l0式中：L1试样拉断后的标距（mm）； LO试样原始标距（mm）。2断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面缩率，以表示。其数值按下式计算： S0 - S 1 = -100% S0式中：S0试样原始面积（mm2）；S1试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）。或数值越大，则材料的塑性越好。除常温试验之外，还有金属材料高温拉伸试验方法（GB/T433895）和低温拉伸试验方法（GB/T1323991）供选用二、硬度 引言：1定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料表面软硬程度的指标，因此硬度不是一个单纯的确定的物理量，不是基本的力学性能指标，而是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等系列不同力学性能组成的综合性能指标，所以硬度所表示的量不仅决定于材料本身，而且还取决于 试验方法试验条件。 2硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度（一）布氏硬度HB ( Brinell-hardness )布氏硬度试验 1原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 2布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 如：120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000k（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。3优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）；（2）可测的硬度值不高； （3）不测试成品与薄件； （4）测量费时，效率低。4测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。（二）洛氏硬度HR ( Rockwll hardness )洛氏硬度试验1原理：用顶角为120金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试 样表面，经规定时间后卸除试验力，用测 量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。 2洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出，如：50HRC。3优缺点（1）试验简单、方便、迅速； （2）压痕小，可测成品，薄件； （3）数据不够准确，应测三点取平均值； （4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。4测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.（三）维氏硬度HV( diamond penetrator hardness )维氏硬度试验1原理：用夹角为136的金刚石四棱锥体压头使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2维氏硬度值用压痕对角线长度表示。如：640HV。3优缺点 （1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）；（2）可测成品与薄件； （3）试样表面要求高，费工。4测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。HVHBS三、冲击吸收功机械零部件在工作过程中不仅受到静载荷或交变载荷作用，而且受到不同程度的冲击载荷作用，如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。目前最常见的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验，其试验原理如图1-5所示。如图所示。 图1-5 冲击实验原理图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为： A k = m g Hm g h (J)冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。 K =AK / SN式中：AK 试样冲断时所消耗的冲击功； SN 试样缺口处单位截面积。对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功AK越大，材料的韧性越好。实验表明，AK随温度的降低而减小；在某一温度范围，材料的AK值急剧下降，表明材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。 四、 疲劳极限( fatigue strength )许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等许多工程结构都是交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力或交变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳破坏。 疲劳破坏与静载荷下的破坏不同，断裂前没有明显的塑性变化，发生断裂也较突然。这种断裂具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。因此，工程上十分重视对疲劳规律的研究。疲劳极限：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值（或当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力值 ）称为材料的疲劳极限 。 通常在对称应力循环条件下的纯弯曲疲劳极限用-1表示。 钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取 N = 108图1-6 疲劳曲线示意图钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b第二节 金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能；即使是成分相同的材料，当经过不同的冷热加工后性能也会有很大差异。材料性能上的差异主要取决于金属内部原子排列规律和结构缺陷。一、晶体的基本知识 （一）晶体与非晶体 固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类。 晶体的特点是： 1原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列； 2具有一定的熔点，如铁的熔点为1538，铜的熔点为1083； 3晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。 一般情况下固态金属都是晶体。最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施，也可使固态金属呈非晶态。本教材中主要研究金属的晶体性质与结构。非晶体的特点是： 1原子在三维空间呈不规则的排列； 2没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变 为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等； 3各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。（二）晶体结构的基本概念工程上便于描述晶体内部原子排列的规律，人为地将原子视为一个几何质点，并用一些假想的线条将各原子连接起来，便形成一个空间格子，简称晶格（见图1-8b）。由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，由最少数目的原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞（见图1-8）。 a）晶体 b）晶格 c）晶胞图1-8 简单立方晶格与晶胞示意图（三）常见金属的晶格类型在金属材料中，常见晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格三种。1体心立方晶格 图1-9 体心立方晶胞示意图每个晶胞原子数n=81/8+1=2(个)；属于体心立方晶格类型的金属有-Fe（912以下的钝铁）、铬、钼、钨等 2面心立方晶格图1-10 面心立方晶胞示意图每个晶胞中的原子数为n=81/8+61/2=4(个)；属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912的铁）、铝、铜、银等。体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。3密排六方晶格图1-11 密排六方晶胞示意图密排六方晶胞中的原子数n=121/6+21/23=6(个)；属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Cd、-Ti等。（四）晶体结构的致密度 晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。 在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2（43）r3，式中r为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为： 2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。这表明在体心立方晶格中，有68的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。二、金属的实际晶体结构 （一）单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得（单晶硅、单晶锗等）。实际使用的金属材料都是由许多晶格位向不同的微小晶体组成的：每个小晶体都相当于是一个单晶体，晶体内部的晶格位向是一致的；小晶体之间的位向却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 图112 多晶体的晶粒与晶界示意图 （二）晶体的缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为三类：点缺陷 、线缺陷、面缺陷。 1点缺陷空位和间隙原子 点缺陷是指点状的，即在所有方向上尺寸都很小的晶体缺陷。主要由空位和间隙原子等形成。在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子，如图1-13所示。图1-13 晶格点缺陷示意图由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度增加。2线缺陷位错 线缺陷是指在三维空间的两个方向上尺寸都很小的晶体缺陷，在晶体中呈线状分布。晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错，如图1-14所示。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。 图1-14刃型位错几何模型 a）立体 b）平面 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。 3面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域如图116，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。图1-16大角晶界的过渡结构模型总而言之，在实际的多晶体金属中，由于种种原因的干扰和破坏，将会出现各种不同的晶体缺陷，他们可以产生、发展、运动和交互作用，而且也能合并和消失。都将不同程度地造成晶格畸变，使常温下金属的强度、硬度提高；同时还将对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等产生重要影响。三、纯金属的结晶（一）结晶的基本概念1凝固：物质由液态转变成固态的过程。2结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质都有一个平衡结晶温度（熔点），液体低于这一温度时才能结晶，固体高于这一温度时便发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，处于平衡状态。 3纯金属结晶时的冷却曲线纯金属的结晶一般可通过热分析的方法测定，即将液态金属放在坩埚中并以极其缓慢的速度进行冷却，在冷却过程中观察记录温度T随时间t的变化数据，并将其绘制成图119a所示的冷却曲线。 图119纯金属结晶的冷却曲线示意图a）理论结晶温度b）实际结晶温度冷却曲线中平台所对应的温度To即为金属的结晶温度，称为理论结晶温度或平衡结晶温度（在此温度下结晶与熔化速度相等，固体和液体处于平衡状态）。实际生活中，金属的冷却结晶不可能无限缓慢进行。常常是快速冷却至To以下某一温度时开始结晶（图119b），图119b中T1称为实际结晶温度，To与T1之差T=(ToT1)，称为过冷度，其大小与冷却速度、金属性质和纯度有关，过冷是金属结晶的必要条件。（二）结晶的一般规律纯金属的结晶是在冷却曲线上水平段所对应的时间内完成的，它由不断形成晶核和晶核不断长大的过程组成。1晶核形成的方式根据结晶条件的不同，可将形核方式分为自发形核和非自发形核两种。（1）自发形核将很纯净的液体金属快速冷却，在足够大的过冷条件下（纯铁的过冷度可达259K），液体会不断产生许多类似晶体中原子排列的小集团，形成结晶核心，即为自发形核。（2）非自发形核实际金属液体中常常会存在一些杂质或异类质点，结晶时他们优先成为结晶核心，这种方式称为非自发形核。2晶核长大的方式晶核形成之后，会不断吸收周围液体中的金属原子逐渐长大。开始时，因其内部原子规则排列的特点，外形比较规则，但由于晶核长大需要不断散热，所以在散热条件比较优越的棱边和顶角处就会优先长大。工业纯铁的显微组织实际金属结晶时，如果纯度很高，过冷度很小，结晶时又能不断得到体积收缩所需液体的补充，那么结晶后就看不到树枝晶生长的痕迹。如上图为工业纯铁结晶后的多晶体显微组织，其中每一个由晶界围成的小晶块均为一个晶粒。 用金相方法观察到的金属及合金的内部组织称为金相组织，可分为：（1）宏观组织、（2）显微组织。由显微组织可研究金属的内部组织以及在形变、热处理等过程中的组织变化，以获得评定金属材料性能的依据。3结晶的过程:形核、长大及不断形核和不断长大的过程。图1-21金属结晶过程示意图 4晶核的长大方式树枝状 图1-22树枝状晶体示意图（三） 金属结晶后的晶粒大小及控制 1影响晶核的形核率和晶体长大率的因素（1）过冷度的影响图1-23形核率N及长大率G与过冷度T之间的关系（2）未熔杂质的影响:外来杂质能增加金属的形核率,并阻碍晶核的生长。2细化晶粒的途径 金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织。晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。细晶粒组织的金属强度、硬度高，而且塑性、韧性也好；而粗晶粒金属的耐蚀性好。 1）提高冷却速度；2）变质处理；3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。四、合金的相结构1合金的基本概念 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。 组织是指用肉眼或借助于放大镜、显微镜等观察到的材料内部的具有一定形貌特征的物质结构。一般将用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏观组织，在显微镜下观察到的组织称为显微组织。组织的含义包括组成物“相”的种类、形状、大小及不同“相”之间的相对数量和相对分布。 2合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 （1）固溶体溶质原子溶于溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。图124 两种固溶体结构示意图 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。 固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。 （2）金属化合物 金属化合物是合金元素间发生相互作用而生成的具有金属性质的一种新相，其晶格类型和性能不同于合金中的任一组成元素，一般可用分子式来表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。 金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。 第三节 铁碳合金相图 钢和铸铁是工业上广泛应用的金属材料，主要有铁和碳两种元素组成，统称铁碳合金。不同成分的铁碳合金在不同的温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。铁碳合金相图是研究铁碳合金的成分、温度和组织三者关系的图形。在铁碳合金中，铁和碳可以形成Fe3C、 Fe2C、FeC等一系列的金属化合物，因此整个的Fe C合金状态图应由Fe Fe3C、Fe Fe2C、Fe FeC等一系列相图组成。Fe3C中碳的质量分数为6.69%，由于碳的质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大没有使用价值，所以工程中深入研究的只有Fe Fe3C部分。 一、铁碳合金的基本组织在固态的铁碳合金中，铁和碳有两种基本结合形式：一种是碳固溶于铁中形成间隙固溶体，另一种是铁和碳按一定比例形成金属化合物。铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。（一）铁素体铁素体是碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。它仍保持-Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格体中的间隙较小，故碳在-Fe中的溶解度较小。在727时为0.0218%，在20时为0.0008%。铁素体的性能与纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。低碳钢中含有较多的铁素体，故具有较好的塑性。（二） 奥氏体奥氏体是碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格原子间的间隙比体心立方晶格大，因此碳在-Fe中的溶解度要大，在1148时c=2.11%,在727时c=0.77%。奥氏体一般在高温时存在，具有很好的塑性，很适合于锻造。所以绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。（三）渗碳体渗碳体是具有复杂晶格的间隙化合物，用符号Fe3C表示。其c=6.69%,熔点为1227。渗碳体具有很高的硬度，约为800HBW，而韧性很差、极脆。渗碳体是钢中的主要强化相。渗碳体在钢和铸铁中的存在形式有：球状、粒状、网状和片状，它的数量、形状、大小和分布情况对钢和铸铁的性能影响很大。（四）珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。其c=0.77%，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，缓冷时硬度约为180200HBS。（五）莱氏体碳的质量分数为4.3%的铁碳合金液，冷却到1148时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶体，该共晶体称为高温莱氏体。用符号Ld表示。在727以下由珠光体和渗碳体所组成的莱氏体，称为低温莱氏体。用符号Ld表示，莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。二、铁碳合金相图分析（一） 简化的铁碳合金相图图1-26简化后的Fe Fe3C相图二、Fe - Fe3C 相图的分析（一）图中主要的特性点和线及其意义 五个重要的成份点：P表示碳在 -Fe中的最大溶解度； S共析点 727，c=0.77%； E碳在-Fe中的最大溶解度； C共晶点，1148，c=4.3%； K渗碳体的成分。四条重要的线：EF共晶线； ES碳在Fe中的溶解度曲线； GS奥氏体和铁素体的相互转变线； PK共析线。 两个重要转变：共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度：1148 、727 。（二）铁碳合金的分类 在铁碳合金相图中，各种不同成分的铁碳合金，根据其组织和性能的特点以及在相图中位置，可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。1）工业纯铁 成分在P点左面，碳的质量分数小于0.0218% 的铁碳合金。2）钢 成分在P 点与E点之间，碳的质量分数0.0218%2.11%的铁碳合金，根据其室温组织的特点，又可以S点为界分为三类：共析钢：c=0.77%; 亚共析钢：c=0.0218%0.77%; 过共析钢：c=0.77%2.11%.3）白口铸铁 成分在E点和F点之间，碳的质量分数为2.11%6.69%的铁碳合金。白口铸铁组织的特点，也可以C点为界分为三类：共晶白口铸铁： c=4.30%; 亚共晶白口铸铁： c=2.11%4.30%; 过共晶白口铸铁： c=4.30%6.69%.三、钢的结晶过程（一）共析钢 ( Wc = 0.77% ) LL+AAP（二）亚共析钢 ( Wc = 0.45% )LL+AAA+FP+F（三）过共析钢 ( Wc = 1.2% )LL+AAA+Fe3CP+ Fe3C四、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系及应用（一）碳的质量分数对平衡组织的影响（二）碳的质量分数对力学性能的影响图131 碳的质量分数对缓冷钢力学性能的影响（三）铁碳合金相图的应用1选择材料方面的应用工程设计中，对金属材料有不同的要求：如金属构件用的钢材，可选用碳含量较低的钢；各种机器零件，可选用碳含量适中的钢；各种工具，则选择碳含量较高的钢。2在制定工艺规范方面的应用 在铸造工艺方面的应用。根据相图可以确定合适的浇注温度；在锻造工艺方面的应用。奥氏体的强度很低，塑性较好，便于塑性变形。3在焊接工艺方面的应用焊接时,由焊缝到母材各区域加热温度不同,随后的冷却也就可能出现不同的组织与性能,这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。4在热处理工艺各种热处理工艺与Fe-FeC3相图更有密切关系.退火、正火、淬火的温度选择都需要参照铁碳合金相图.第四节 钢的普通热处理工艺引言：1热处理的概念 将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。2热处理的目的 （1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能 一、钢的热处理工艺（一）分类根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：1整体热处理 退火、正火、淬火、回火。2表面热处理 表面淬火、气相沉积。3化学热处理 渗碳、氮化、碳氮共渗。本节主要介绍钢的整体热处理。（二）钢的普通热处理工艺1钢的退火 （1）退火：将钢件加热到A3（对亚共析钢）或 A1 （对过共析钢）线以上某一温度范围，保温一段时间后，在炉中或埋入导热性较差的介质中，使其缓慢冷却的热处理方法 （2）退火的目的： 1）降低硬度，以利于切削加工 ； 2）细化晶粒，改善组织，提高力学性能； 3）消除内应力（加热到A1线以下即可）。 2钢的正火（1）正火：正火是将钢加热到A3或Acm线以上某一温度范围，保温一段时间后，从炉中取出在空气中冷却的热处理方法。正火是置于空气中冷却。晶粒变细，韧性可显著提高。（2）正火的目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。 另外，正火是炉外冷却，不占用设备，生产效率高，所以正火工艺应用广泛。 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。3钢的淬火（1）淬火：将钢加热到A3或A1线以上某一温度范围，保温一段时间，在水中或油中急剧冷却的热处理方法 淬火可使钢获得马氏体组织。马氏体是钢的基体组 织中强度与硬度最高的组织。 （2）淬火的目的： 1）对于工具或耐磨零件来说，是提高硬度和耐磨性； 2）对于一般结构零件来说，能使强度和韧性得到良好的配合，以适应不同工作条件的需要。 4钢的回火（1）回火：将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保 温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺 。（2）回火的目的： 1）是为了消除因淬火冷却速度过快而产生的内应力，防止工件变形和开裂，并减小脆性； 2）回火可使淬火组织趋于稳定，使工件获得适当的硬度、稳定的尺寸和较好的综合力学性能等，故回火总是伴随在淬火后进行。 （3）回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种：1）低温回火（150250）C 目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力, 减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。 主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。2）中温回火（350500）C 目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35-45HRC. 主要用于：弹性零件及热锻模具等。3）高温回火（500650）C 目的：获得良好的综合力学性能。又称调质处理。硬度为25-35HRC. 主要用于：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。 5钢的表面热处理1）表面淬火：表面淬火是将工件的表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它主要是改变零件的表面层组织。常用的表面淬火方法有： 火焰表面淬火 ； 感应加热表面淬火。2）钢的化学热处理：化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、保温、使介质中的某些元素渗入工件表面，以改变表面层的化学成分和组 织，从而改变工件表面层性能的热处理方法。常见的化学热处理有：渗碳、渗氮、渗铝和渗铬等，其中，以渗碳和渗氮应用最多。课题三 船舶用钢目的与要求：1、一般理解与掌握杂质元素和合金元素在钢中的作用；2、一般理解与掌握船体结构钢分类、化学成分、力学性能；3、特殊性能钢；4、深刻理解与熟练掌握钢的分类和牌号；5、深刻理解与熟练掌握船体结构钢的性能要求。教学重点、难点：1、钢的分类和牌号；2、船体结构钢的性能要求；3、船用结构钢的选用与代用。课堂组织：多媒体讲授。教学时数：7学时。 第一节 钢的分类和牌号 船用金属材料主要以钢为主。船舶用钢为工业用钢中的一种专用钢。由于船体结构的要求，船舶用钢主要采用低碳钢和低合金高强钢，在特定的使用条件下，可采用特殊性能钢种，并按国际标准的表示钢号。一、钢的分类 (一) 传统的分类方法 1按钢的用途 可分为建筑及工程用钢、机械制造用结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢（如桥梁钢、锅炉用钢）等，每一大类又可分为许多小类。 2按钢的冶金质量（有害杂质硫、磷含量） 可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢。 3、按冶炼方法 可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢；根据炼钢时所用脱氧方法，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 4按钢中含碳量 可分为低碳钢（C0.25%）、中碳钢（ C=0.25%0.60%）、高碳钢（ C0.60%）。 5合金钢按钢中合金元素总含量 可分为低合金钢（Me5%）、中合金钢（ Me=5%10%）、高合金钢（ Me10%）。6根据钢中合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等。7按合金在空气中冷却后所得到的组织 可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢、莱氏体钢等。 8工业用钢材按最终加工方法 可分为热轧材或冷轧材、拉拔材、锻材、挤压材、铸件等。 （二）新的钢分类方法国家标准GB/T1330491钢分类是参照国际标准制定的钢的分类分为“按化学成分分类” 、“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两部分。 1按化学成分分类 根据各种合金元素规定含量界限值，将钢分为非合钢、低合钢、合金钢三大类。 2按主要质量等级、主要性能及使用特性分类(包括非合金钢、低合金钢、合金钢)。 （1）普通质量钢 对生产过程中控制质量无特殊规定 （2）优质钢 在生产过程中需要按规定控制质量 （3）特殊质量钢 在生产过程中需要严格控制质量和性能 (二)工业用钢牌号表示方法按GB/T2212000的规定，我国钢铁产品采用汉语拼音字母、化学元素符号与阿拉伯数字相结合的原则表示钢的牌号。 1非合金结构钢和低合金高强度结构钢的牌号表示（1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢 牌号用“Q+数字”表示，其中“Q”为“屈”字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值。若牌号后面标注A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，其中A级最低，D级最高。若在牌号后标注字母F(沸腾钢)、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。 例如：Q235-AoF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢 用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。（2）优质碳素结构钢 牌号开头的两位数字表示钢的平均含碳量，以平均含碳量100表示，Mn含量较高的优质碳素结构钢数字后面应标出“Mn”。例如：45Mn表示钢中平均含碳量为0.45%且MnMn含量较高的优质碳素结构钢。 用途：用作各种较重要的机器零件，如：齿轮、主轴等。（3）易切削结构钢 牌号冠以“Y”，以区别优质碳素结构钢；例如Y30表示平均含碳量0.3%的易切削结构钢。用途：主要用在自动机床上加工大批量的零件，如螺钉，螺母等。（4）碳素工具钢 牌号冠以“T”，后面的数字表示平均含碳量10； 例如T8，表示平均C=0.80%的碳素工具钢。Mn含量较高者在钢号的数字后标出“Mn”，高级优质碳素工具钢钢号后加注“A”。 用途：用来制作各种刀具、量具和模 具。 2合金钢的牌号一般牌号的首部是表示碳的平均质量分数的数字；对于结构钢，以平均含碳量10表示，对于工具钢以平均含碳量100表示。当钢中某合金元素的平均质量分数Me1.5时，牌号中只标