金属材料及热处理基本知识.doc

第一章 金属材料及热处理基本知识1.1 概述：金属材料是制造特种设备最常用的材料，因此了解和掌握金属材料性能是十分必要的，通常所指的金属材料性能是指金属材料的使用性能和工艺性能。如力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）、化学性能（耐腐蚀性、热稳定性等）等使用性能和冷、热加工（铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等）的工艺性能。1.2 材料力学的基本知识1.2.1金属材料在加工和使过程中的基本特征 都要承受不同形式外力的作用；都会产生抵抗这些外力作用的能力（这种能力称为材料的力学性能如s、HB、k、5等）直至能力消失而发生变形以至断裂破坏；1.2.2应力与应变 内力：是指材料内部各部分之间的相互作用的力，在未受外力作用时，材料内部相互平衡并保持其固有的形状。当受到外力时，这种固有的平衡被打破，相互之间作用力会改变，材料会发生形变，这是由于材料在外力作用下产生的附加内力的结果，通常简称它为内力。应变与应力：物体在外力作用下，其形状尺寸所发生的相对改变称为应变；物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力大小通常称为应力；方向垂直于截面的应力称为正应力。1.2.3强度 定义：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力，材料强度可以通过拉伸试验测出。金属材料拉伸试验弹性阶段：此阶段内应力与应变成正比（即材料符合虎克定律），该段称为弹性阶段。该段中应力的最高值所对应的应变值e，称为比例极限p 。屈服阶段：此阶段外加应力不再增加而应变仍在持续增加（主要是塑性变形），材料已失去抵抗继续变形的能力，此时的应力称为屈服极限或曰屈服强度b 。若以材料塑性伸长0.2作为屈服极限，则其屈服强度用0.2表示。强化阶段：当变形超过屈服阶段，材料又恢复了对继续变形的抵抗能力，为使材料继续变形必须增加应力值，这种现象称为加工硬化现象，或曰强化阶段。颈缩阶段：当外加应力达到材料抗拉强度s后，试件某一局部开始变细，出现颈缩现象称之颈缩阶段。应用：抗拉强度s、屈服强度b是评价材料性能的两个主要指标。一般特种设备金属材料构件都是在弹性状态下工作的，不允许发生塑性变形，所以在特种设备设计中都选择了适当的安全系数来保证。一般设计若以抗拉强度s作为指标时，锅炉规范规定安全系数Ns1.5，压力容器规范规定安全系数Ns1.6；若采用屈服强度b作为指标时，锅炉规范规定安全系数Nb2.7，压力容器规范规定安全系数Ns3.0。1.2.4塑性 定义：塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定与计算：材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率，伸长率可用右式确定：（L1L0）/L0100；L0试件原标距长度， L1拉断后试件标距长度。断面收缩率可用右式确定：（A0A1）/A0100式中：A0试件原来截面积，A1拉断后试件颈缩处的截面积应用：锅炉压力容器对材料塑性要求是有一定限度的，并不是越大越好，应合理选择。单纯追求塑性会限制材料的使用能力，造成材料的极大浪费。1.2.5硬度定义：是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。试验：通常有以下几种试验形式：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、里氏硬度HL。应用：HB主要用于测定硬度较低的材料，如退火、正火、调质处理的钢材。HR主要用于测定硬度较高的材料，其中HRB测定同HB，HRA和HRC用于测定淬火钢、硬质合金、渗碳层等。HV主要用于测定金属表面硬度，如测定金相组织中不同区域的硬度，测定焊缝不同区域的硬度。HL主要用于现场构件材料表面硬度的测定，测后可以直接读出硬度值，并能及时转换为布、洛、维等各种硬度值。1.2.6冲击韧性 定义：是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。试验：通常是在摆式冲击试验机上测定的。冲击韧性Kv（ku）AkSN 。应用：材料冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力，冲击韧性高的一般都有较高的塑性，但塑性较高的材料却不一定都有较高的冲击韧性。冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标，同时也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标。1.3金属学与热处理基本知识1.3.1金属的晶体结构 定义：内部原子呈规则排列的物质称为晶体，原子的排列方式称为晶体结构。晶体结构种类：有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，实际使用的金属是由许多晶粒组成的，又叫多晶体。应用：金属材料在冶炼过程中是由高温的液态金属冷却转变为固态金属的结晶过程，结晶总是从晶核开始（晶核通常是依附于液态金属中固态微粒杂质而形成），液体中原子不断向晶核聚集，使晶核长大，直至所有的晶粒长大到互相接触，结晶即告结束。实际晶体的原子排列并非完美无缺，在排列中常常会出现空位、间隙原子、置代原子、位错等微观缺陷。晶格缺陷会使材料的物理、化学性能发生改变，例如空位、间隙原子、置代原子的存在引起周围晶格畸变，导致金属材料屈服强度和抗拉强度增高，而位错的存在则会材料容易塑性变形，强度降低。1.3.2铁碳合金的基本组织 定义：通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，一般把碳含量0.022.0的称为钢，含碳量大于2.0的称为铸铁。锅炉压力容器压力管道用钢含碳量一般低于0.25。基本组织形式铁素体：碳溶于铁或铁中的固溶体（铁和铁都是体心立方晶格），用“F”表示，在770以下它具有铁磁性。奥氏体：碳溶于铁中的固溶体，用“A”表示。仅存在于727以上的高温范围内，它不具有铁磁性。渗碳体：铁和碳的金属化合物，含碳量为6.67，符号为“Fe3C”。珠光体：层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。它有较高的硬度和强度，塑性泛较好。应用：从铁碳合金状态图中可知，含碳量为0.77的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100珠光体，称为共析钢。含碳量0.77的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P渗碳体Fe3C；含碳量0.77的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F珠光体P。组织中铁素体F的含量越多，表明碳含量越低，则材料的塑性和韧性就越好，但强度和硬度就随之降低。1.3.3热处理的一般过程 定义：热处理是将固态金属及合金按预定的要求进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织从而获得所要求性能的一种工艺过程。热处理过程：热处理过程主要是由加热、保温（时间）、冷却三个阶段构成的，温度和时间是影响热处理的主要因素，因此热处理过程都可以用温度时间曲线来表述。应用：热处理的加热目的是使珠光体P向奥氏体A的转变，使剩余铁素体F向奥氏体A溶解，直至组织为单一奥氏体A。保温的目的是使晶粒内的成分扩散均匀，获得均匀的奥氏体A。冷却的目的是使加热转变的奥氏体A分解，随着冷却速度的不同，奥氏体分解的产物的形态、分散度及性能都将发生不同的变化。1.3.4锅炉压力容器压力管道用钢常用的热处理工艺 退火定义：将钢试件加热到适当的温度，保温一定的时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。根据材料化学成分和热处理的目的的不同，退火又可分为完全退火、不完全退火、消除应力退火、等温退火、球化退火等。应用A完全退火又称重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上3050，保温后在炉内缓慢冷却。目的是在于细化组织，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。主要用于各种亚共析钢中的碳钢和合金钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。不完全退火是将工件加热到Ac1以上3050，保温后缓慢冷却的方法。其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。应用于低合金钢、中高碳钢的锻件和轧制件。消除应力退火是将工件加热到Ac1以下100200，保温后缓慢冷却使工件产生塑性变形或蠕变变形带来的应力松弛的方法。目的是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力。 B.正火：正火是将工件加热到Ac3或Acm以上3050，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。目的是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，易使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小，所以正火后的钢强度、硬度、韧性都比退火的钢高。许多锅炉压力容器用的钢板都是以正火状态供货的。 C.淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上（一般情况是：亚共析钢为Ac3以上3050；过共析钢为Ac1以上3050），经过适当的保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。目的是通过淬火获得马氏过组织，以提高材料硬度和强度。如轴承、模具等工件。锅炉压力容器材料和焊缝的组织不希望有马氏体。 D.回火：回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的工艺。目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可以获得不同的硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外回火还可以稳定工件的尺寸，改善加工性能。按回火的温度不同可将回火分为低度、中温和高温回火三种。 E.奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理：把奥氏体不锈钢加热到10501100（此温度下碳能在奥氏体中固溶），保温一定时间（约每25mm厚度不小于1小时），然后快速冷却至427以下（要求从925至538冷却时间小于3分钟），以获得均匀的奥氏体组织的工艺称为固溶处理。目的是保证其强度、硬度低而韧性好，并具有很高的耐腐蚀性和良好的高温性能。对于含有钛或铌的铬镍奥氐体不锈钢，为防止晶间腐蚀，必须使钢中的碳全部固定在碳化钛或碳化铌中，以此为目的的热处理称为稳定化处理。即把铬镍奥氐体不锈钢加热到850900，保温6小时，在空气中冷却或缓冷。1.4锅炉压力容器常用材料1.4.1一般要求应有足够的强度，即有较高的屈服极限和强度极限，以保证安全性和经济性；应有良好的韧性，以保证在承受外加载荷时不发生脆性破坏；应有良好的加工工艺性能，包括冷热加工成型性能和焊接性能；应有良好的低倍组织和表面质量，不允许有裂纹和白点；用于高温元件的材料应具有良好的高温性能，包括足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性，有良好的高温组织稳定性和高温抗氧化性；与腐蚀介质接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。1.4.2钢的分类和命名方法分类方法：钢的分类方法有“按化学成份分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两种。碳钢的分类和命名按含碳量分类：可分为低碳钢，C0.25；中碳钢，C0.250.6；高碳钢，C0.6；按钢的质量（即S、P含量）分类：可分为普通碳素钢，S0.050；P0.045；优质碳素钢，S0.040；P0.040；高级优质碳素钢，S0.030；P0.035；按冶炼时脱氧程度分类：可分为沸腾钢用“F”表示；镇静钢，用“Z”表示；半镇静钢，用“b”表示；按冶炼方法分类：可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。按炉衬里材料又可分酸性和碱性两类。碳钢的牌号及表示方法碳素结构钢A.普通碳素结构钢表示方法：QXXXXX，其中Q是“屈服极限”汉语拼音第一个字母大写，XXX为钢的屈服强度值（单位MPa），XX中第一个X表示质量等级（分为A、B两级），第二个X表示脱氧方法（分为沸腾钢F、镇静钢Z和半镇静钢b）；B.优质碳素结构钢表示方法：其牌号用钢平均含碳量的万分比两位数字表示，如08钢表示平均含碳量为0.08。优质碳素结构钢又可分为有意加锰（即Mn0.71.2）的，用牌号后附加“Mn”表示；C.专门用途的碳素钢表示方法：在牌号尾部加代表用途的符号，锅炉用钢加“g”、压力容器用钢加“R”，如20g、20R等。D.碳素铸钢表示方法：用“铸钢”的汉语拼音字首ZG表示，其后两组数字分别表示铸钢的S、b值，如ZG200400，ZG270500等。碳素工具钢表示方法：用碳字汉语拼音首“T”表示，之后的数字表示平均含碳量的千分比，数字后的“A、B”表示材料质量等级（B级优于A级），如T8、T12A分别表示含碳量为0.8碳素工具钢和1.2高级碳素工具钢。合金钢的分类和命名定义：在钢中特意加入了除铁碳以外的其他合金元素（如：锰、铬、镍、钼、铜、铝、硅、钨、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等）以改善钢的性能，这一类钢称为合金钢。分类A.按合金元素加入量分类：可分为低合金钢，合金元素总量5；中合金钢，合金元素总量510；高合金钢，合金元素总量10。B.按用途分类：可分为专用于制造各种工程结构和机器零件的钢种，专用于制造各种工具的钢种，特殊性能合金钢（具有特殊物理、化学性能的）如：耐酸、耐热和电工钢等。C.按钢的组织分类：可分为珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢等。D.按所含主要合金元素分类：可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅钢等。合金钢牌号表示方法：我国合金钢牌号是按碳含量、合金元素种类和含量、质量级别和用途来编排。牌号首部用数字表明碳含量，牌号第二部分用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字表明，牌号尾部加A表示钢的质量等级，加“R”表示压力容器用钢。例如：16MnR表示平均碳含量为0.16，平均锰含量1.5，是压力容器专用钢。1.4.3低碳钢定义：碳含量0.25的碳素钢统称为低碳钢。低碳钢主要化学成分：碳是碳素钢中的主要合金元素，除了碳以外，还有少量的锰、硅、硫、磷以及氮、氧、氢等杂质。各种元素对钢的性能的影响：碳含量增加会增加钢的强度，降低塑性和韧性，使焊接性能变差，淬硬倾向变大；碳素钢中其他少量元素均属无意加入，视为杂质。其中锰Mn若是冶炼中仅作为脱氧去硫加入的，即Mn含量0.8时，对钢的性能影响并不大，当Mn含量0.8时，属为改变性能有意加入，锰在钢中有增加强度、细化组织、提高韧性的作用；硅Si若是冶炼中仅作为脱氧加入的，即Si含量0.4时，对钢的性能影响并不大，当Si含量0.4时，属为改变性能有意加入，硅在钢中有增加强度、硬度、弹性的作用，但会使钢的塑性、韧性降低。硫S、磷P都是由矿石、生铁或燃料中代入钢中的有害杂质，硫会由于低熔共晶体熔化而导致钢材沿晶界开裂的“热脆”现象；少量磷会溶于铁素体中，由于磷原子直径远远大于铁原子，从而使铁素体晶格畸变严重致使钢塑性、韧性大大降低，特别是在低温时韧性降低会有更加严重的“冷脆”现象；氮在钢中会形成气泡和疏松，会使低碳钢出现时效现象，即钢的强度、硬度和塑性，特别是冲击韧性在一定的时间内自发改变的现象。含氮高的低碳钢特别不耐腐蚀。氧存在会使钢的强度、塑性降低，热脆现象加重，疲劳强度下降。氢会引起钢的氢脆，产生白点等缺陷、1.4.4低合金钢 低合金结构钢特点：有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，使用低合金钢代替碳素结构钢，可在相同承载条件下，使结构重量减轻2030。低合金钢中合金元素含量少，价格较低，冷、热成型及焊接工艺性能良好，锅炉压力容器制造应用广泛。锅炉压力容器常用的低合金钢牌号锅炉用低合金钢牌号：有16Mng、15MnVg、18MnMoNbg等，压力容器用低合金钢：有16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、07MnCrMoVR等A. 16Mng 和16MnR：具有良好的力学性能，可焊性好，对大气的耐腐蚀性能优于低碳钢，该材料的缺口敏感性大于碳素钢，在有缺口存在时，疲劳强度下降，且易产生裂纹。B. 15MnVR和15MnVg：在热轧状态下使用，具有良好的力学性能，但塑性和低温冲击韧性比16MnR低。可焊性良好，过热倾向较小，淬硬倾向也不严重，焊后冷裂倾向稍大于16MnR。低温用钢要求：应有良好的低温韧性。影响材料的低温韧性因素：有材料晶体结构、晶粒尺寸、冶炼的脱氧方法、热处理状态、钢板厚度及合金元素，其中以合金元素的影响为显著。合金元素与低温韧性：碳强烈地影响钢的低温韧性，随着碳含量增加，钢的冷脆转变温度急剧上升，因此低温钢C含量0.2。锰对改善钢的低温韧性十分有利，随着锰含量增加，钢的冷脆转变温度下降。镍具有与锰相似的功能，钢中镍含量每增加1，冷脆转变温度约可降低10。硫、磷、砷、锑、锡、铅等微量元素和氮、氢、氧等气体对钢的低温韧性都会产生不良影响。低温压力容器及用钢：我国目前规范标准规定，低温压力容器与非低温压力容器的温度界限为20，低温压力容制用钢的冲击试验温度应低于或等于该容器的最低设计温度，冲击试验采用夏比V型缺口，三个试样冲击功平均值应大于标准规定的数值。低合金耐热钢要求：应能在中等温度（400600）时具有良好的耐热性，且所含的合金元素量不多，价格低廉。应用：主要用于制造石油化工压力容器和高压锅炉，如钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢。这类钢在使用时间较长后，会发生影响力学性能的组织结构变化，包括珠光体球化、石墨化、合金化再分配等。1.4.5奥氏体不锈钢不锈钢的分类：以铬为主加元素的铁素体不锈钢（0Cr13、1Cr17特）和马氏体不锈钢（1Cr13、2Cr13等）；以铬、镍为主加入元素的奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、00Cr18Ni10等）。奥氏体不锈钢特点：奥氏体不锈钢的力学性能与铁素体类相比较，其屈服强度低，但屈服后的加工硬化性高，塑性、韧性好，不会发生低温脆性，且有较好的高温性能。奥氏体不锈钢在冷加工时，亚稳的奥氏体在塑性变形过程中形成马氏体，所以奥氏体不锈钢只能采用冷加工方法进行强化处理。奥氏体不锈钢常用牌号及性能：常用牌号是1Cr18Ni9，它具有良好的化学稳定性，在氧化性和某些还原性介质中耐蚀性很高，但在敏化状态，存在晶间腐蚀的敏感性，在高温氯化物溶液中极易发生应力腐蚀开裂。第二章 焊接基本知识2.1锅炉压力容器常用的焊接方法2.1.1焊接定义与特点焊接定义：通过加热或加压，或者并用，并且用或不用填充材料，使两种分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法，称之焊接。焊接的优点（主要是与螺钉连接、铆接、铸件及锻件相比较而言）节省金属材料、减轻构件重量、且经济效益好。简化了加工与装配工序，生产周期短、效率高。构件强度高，接头致密性和密封性能好。为设计提供较大的灵活性和选择空间。如两构件的连接，衬里堆焊等。用拼焊方法可以大大突破铸锻能力的限制，可以生产特大锻焊、铸焊结构件，提供特大、特大重型设备、毛坯，促进国民经济的发展。焊接工艺过程容易实现机械化和自动化。焊接的局限性易产生较大的焊接变形和焊接残余应力，从而影响结构件的承载能力、加工精度和尺寸的稳定性。同时由于焊缝与连接件交界处形状的不连续性会产生应力的不连续和应力集中效应，将对构件的疲劳强度产生较大的影响。焊接接头中会存着一定数量的缺陷，如裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等。这些缺陷的存在会降低构件的强度，引起应力集中，损坏了焊缝的致密性，它是造成构件破坏的主要原因之一。焊接接头具有较大的“组织和性能”的不均匀性。焊接过程会产生高温、强光（紫外线）及一些有毒有害气体，它们会对人身体产生一定的损伤。2.1.2焊接方法的分类分类：按工艺特点可分为熔焊、压焊和钎焊三类。三类焊接方法的基本特征熔焊：使被连接的构件接头处局部加热熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的方法称为熔焊。如气焊、电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和铝热焊。压焊：利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服两个连接件表面的不平度，除去（挤掉）氧化膜及其它污染物，使两个构件连接表面上的原子相互接近到晶格距离（即原子引力作用范围内），从而在固态条件下实现的连接统称固相焊接。这种固相焊接通常是在加压下完成，故又称压焊。如将被金属的接触部位加热至塑性状态或局部熔化状态，然后加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头，如锻焊、摩擦焊、气压焊、电阻焊和高频焊；或是不加热焊，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助压力引起的褪 塑性变形使原子相互接近，从而获得牢固的压挤接头。如冷压焊、超声波焊、爆炸焊和扩散焊等。钎焊：采用熔点比母材低的金属材料作钎料，将构件和钎料加热至高于钎料熔点，但低于构件熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料润湿构件接触表面直至填充两构件接头间隙，并与构件相互扩散连接的方法称为钎焊。如以熔点低于450的铅、锡合金为主体钎料的烙铁杆焊、火焰钎焊、电阻钎焊等软钎焊，和以熔点高于450的铜、银、镍为主体钎料的电弧钎焊、火焰钎焊、炉中钎焊、感应钎焊等。 应用：锅炉压力容器焊接方法主要采用的是熔化焊，因为它具有强度高、致密性好，工艺成熟可靠，对构件材质、厚度适应范围大，焊接工作量巳约占整个锅炉压力容器制造工作量的30以上。2.1.3手工电弧焊手工电弧焊及其特点原理：是利用焊条与焊件之间的电弧热，将焊条及部分焊件熔化而形成焊缝的焊接方法。特点：设备简单，便于操作，适用于室内外各种位置的焊接。但效率低，劳动强度大，对焊工技术水平及操作技能要求较高。 手工电弧焊设备种类：交流电焊机、旋转式直流电焊机、砖硅整流式直流电焊机、可 逆变电焊机等。要求：能保证电弧稳定燃烧，并在一定的范围内调节焊接电流的大小。设备结构应简单、成本低、效率高、节省电能、噪声小。手工电弧焊焊条特点：手工电弧焊焊条主要是由焊芯、药皮（其成分有稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、稀渣剂、粘结剂和增塑剂八种）组成。焊芯作用一是作为电极产生电弧，二是在电弧作用下熔化并作为填充金属与熔化了母材混合形成焊缝。药皮作用一是稳弧作用；二是保护作用，药皮熔化时产生大量气体笼罩着电弧区和熔池，保证熔池及熔融金属与空气隔绝开，药皮熔化后形成的熔渣可防止焊缝表面金属不被氧化并减缓冷却速度，改善焊缝成形；三是冶金作用，药皮形成熔渣并通过熔渣与熔池中熔化金属的化学化应，以减少氧、硫等有害物质对焊缝金属的危害，使焊缝金属获得符合要求的力学性能；四是掺合金元素，通过在药皮中加入某些铁合金或纯合金元素，以弥补焊接过程中某些合金元素的烧损，达到提高焊缝金属的力学性能；五是改善焊接的工艺性能，可通过调整药皮成分实现此目的。种类A.按用途分：可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铬和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、堆焊焊条、铝及铝合金焊条、镍肢镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铸铁焊条和特殊用途焊条等、B.按药皮形成人熔渣的酸碱性分：可分为碱性焊条（熔渣碱性1.5）和酸性焊条（熔渣碱性1.5）两大类。C.应用：酸性焊条工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水等敏感度不大，抗气孔能力强，但对合金元素烧损较大，氮、氧含量高，不易脱硫磷，熔渣粘性较强，不易脱渣，焊缝金属的力学性能（特别是冲击韧性）较低，故只适用于一般结构件的焊接；碱性焊条脱氧、脱硫磷性能好，熔渣流动性好，在冷却过程中渣粘度增加很快（称为“短渣”），.熔敷金属含氢量低，所以又称“低氢焊条”，其形成的焊缝金属抗裂性能好，有较高的力学性能，特别是冲击韧性较高。但在焊接过程中对锈、油、水较敏感，易产生气孔，在深坡口中施焊脱渣性不好，电弧稳定性差，一般只适用于直流电源施焊。碱性焊条多用于焊接重要结构件、高压锅炉和压力容器制造。 手工电弧焊的焊接位置及特点位置：熔焊时，焊接接头所处的空间位置称为焊接位置，它可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种基本焊接位置。特点A.平焊：焊件坡口处于地表的水平位置，焊条熔化过程熔滴主要靠自重过渡，操作技术容易掌握，大多采用月牙形运条，可采用较大直径焊条和较大的焊接电流施焊，成形美观，表面呈匀称细腻的月牙纹，生产效率高，但若焊接参数选择不当或操作不当，也易产生未焊透或焊瘤类缺陷。B.立焊：焊件坡口处于地表的直立垂直位置，一般宜采用小直径焊条和较小的焊接电流、采用锯齿形运条进行施焊，成形不太美观，表面多为鱼鳞状或三角状波纹。主要焊接缺陷是焊道与母材之间、焊道与焊道之间的夹渣和未熔合等。C.横焊：焊件坡口处于地表的横向垂直位置，一般宜采用小直径焊条和较小的焊接电流、采用直线形运条进行施焊，成形不太美观，易产生焊道与母材之间、焊道与焊道之间的夹渣和未熔合等。D.仰焊：焊件坡口处于燃烧电弧的上方，焊工在仰视位置进行施焊的方法称之仰焊。仰焊是最难焊的一种焊接位置，由于熔化金属在重力的作用下较易下淌，熔池大小和形状均不易控制，多采用圆圈形运条施焊，易产生咬边、未熔合或焊瘤等缺陷。2.1.4埋弧自动焊自动焊和埋弧自动焊：焊接过程中，主要焊接操作如引燃及熄灭电弧、送进焊条（焊丝）、移动焊条（焊丝）或工件等都由机械自动完成，叫自动电弧焊。自动电弧焊中，电弧被埋在焊剂层下面燃烧并实施焊接的，叫埋弧自动焊。特点A.能采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，焊丝可以连续送进而不象焊条那样频繁更换，所以效率比手工焊高510倍；B.焊剂和熔渣能严密包围着焊接区，空气难以入侵，高的焊速可以大大减小热影区范围，同时自动操作使焊接规范参数稳定，焊缝成分均匀，外形光滑美观，焊接质量良好、稳定。C.热量集中，焊缝金属没有飞溅损失，没有废弃的焊条头，工件厚度小时可以不开坡口，从而节省金属材料和电能。D.光弧不可见，烟雾少，机械化操作，劳动强度小，劳动条件大大改善。但设备复杂昂贵，对工件接头加工与装配要求严格，焊接位置受到一定的限制，一般总是在平焊位置焊接。应用：常用于焊接长的直线焊缝及大直径圆筒形容器的环焊缝。2.1.5氩弧焊氩弧焊：是以惰性气体氩气作为保护气体的一种电弧焊接方法。方法分类：依照电极是否熔化可分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊（又称钨极氩弧焊）。特点适于焊接各种钢材、有色金属及合金，焊接质量优良；电弧和熔池用气体保护，清晰可见、易控制，便于实现全位置自动化焊接；电弧在保护气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，焊接速度较快，热影响区较小，工件焊接变形较小；电弧稳定，飞溅少，焊缝致密性好，成形美观；应用：适用于工件厚度较小、接头根部质量要求严格的、或是材质对焊接方法有特殊要求的焊接接头的焊接。2.1.6二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊：以二氧化碳气体作为保护气体的电弧焊接方法，叫二氧化碳气体保护焊。它是以焊丝作为电极，靠焊丝与土件之间产生的电弧热熔化焊丝和工件，形成焊接接头。特点：成本低、质量好、效率高、操作性能好。但当采用较大焊接电流时，飞溅大而多，烟雾多，弧光强，焊缝表面成形不够光滑美观，操作不当时，易产生气孔，设备比较复杂。应用：常用于低碳钢、低合金钢压力容器的接头的焊接，如球形容器的现场组焊。2.2焊接接头2.2.1焊接接头形式接头形式：接头形式有对接接头、搭接接头、角接接头和T型接头。坡口形式的选择：一是要保证焊透；二是要尽量减少填充接头的焊缝金属；三是要便于施焊，改善劳动条件，尽量减少在容器内的焊接工作量；四是要能减少焊接变形量，对较厚的工件应选用沿厚壁开对称的坡口。应用对接接头及应用：将两金属构件位于同一平面内（或曲面内），使其边缘相对，沿边缘直线（或曲线）进行焊接的接头叫对接接头。主要应用于锅炉压力容器壳体的A、B类焊缝及压力管道对接焊缝。其坡口形式主要有字型、V型、X型、单U型和双U型。搭接接头及应用：两块金属构件相叠，而在其端部（或侧面）进行角焊的接头称搭接接头。它是现场大型薄壁常压储罐制造时常选用的一种接头形式。压力容器一般很少采用。角接接头和T型接头及应用：两金属构件成直角或成一定的角度，而在其连接端边缘进行焊接的接头称角接接头，当两构件成T字型焊接在一起的接头称T型接头。锅炉压力容器的平端盖与筒体的连接部位、管板与筒体的连接部位常采用这种接头形式。常采用的坡口形式有V型、单边V型、U型、K型等。2.2.2焊接接头的组成接头组成：包括焊缝、熔合区和热影响区三部分。焊缝：是构件经焊接后形成的结合部分，通常是由熔化的母材和焊材组成，有时全部由熔化的母材组成。熔合区和熔合线：熔合区是焊接接头中焊缝焊材金属与母材金属交界的结合区域，又称不完全熔化区域。熔合区域混合金属与焊缝纯焊材金属分界线称为熔合线。其接头横断面，经3硝酸酒精溶液腐蚀可显示出焊缝金属轮廓线。 热影响区：焊接接头在焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生的金相组织和力学性能变化的区域。其区域的宽度与焊接方法、焊接工艺及参数（线能量）、构件厚度等有关。通常情况下，不同焊接方法热影响区宽度是：真空电子束焊0.85mm，手工电弧焊8.5mm，埋弧自动焊4mm，电渣焊30mm，氧、乙炔气焊27mm。2.2.3焊接接头的组织和性能焊接接头组织形成的两次结晶过程：焊接接头中，焊缝金属是高温液态冷却至常温固态的。即从液相转变为固相的一次结晶过程和在固相状态下发生组织转变的二次结晶过程。不易淬火钢（低碳钢和低合金钢）熔合区、热影响区的组织和性能熔合区（不完全熔化区）：此区为熔合线附近焊缝金属到母材金属的过渡部分，温度处于固相线和液相线之间，金属处于局部熔化状态，晶粒粗大，组织和化学成分不均匀，冷却后的组织属于过热组织。该区域很小，但对接头的强度、塑性影响较大。熔合区附近是产生裂纹和局部脆性破坏的发源地。热影响区A.过热区（晶粒粗大区）：此区段金属处于1100以上，晶粒粗大，冷却后会出现粗大的魏氏组织（铁素体呈针状不规则交叉），使材料塑性和韧性大大降低。该区域大小取决于焊接方法和焊接规范，焊接速度越快，过热区越小。其力学性能取决于冷却速度，冷却速度提高，过热区强度、硬度则增高，塑性及韧性则降低。B.正火区（重结晶区）：此区加热温度在Ac3以上至1100，此间铁素体和珠光体全部转变为晶粒较小的奥氏体，冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体。该区段相当于热处理的正火组织，晶粒细小均匀，既有较高的强度，又有较好的塑性。C.部分相变区：此区加热温度范围在Ac1Ac3之间，在此温度下，珠光体及部分铁素体转变为晶粒较小的奥氏体，另一部分铁素体在升温中晶粒长大成为粗大的铁素体。冷却后，既有经过重结晶的细晶粒铁素体和珠光体，又有晶粒大小极不均的铁素体，其力学性能较差。焊接接头的力学性能评价：焊缝：由于焊缝金属的化学成份较合理，二次结晶的晶粒较细，所以焊缝部位的金属具有较好的力学性能，加上余高使焊缝部位受力截面增大（但余高不能增加整个接头的强度），故焊缝不是接头力学性能薄弱部位。熔合区：熔合区是结构和应力不连续的部位，是应力集中严重区段、是产生裂纹和局部脆性破坏的发源地，是接头最薄弱部位。热影响区：此区段是晶粒粗大且不均匀，易出现粗大的魏氏组织（铁素体针状不规则交叉），力学性能较差，又是结构和应力不连续的部位，是应力集中严重区段，其薄弱程度仅次于熔合区。2.4锅炉压力容器常用钢材的焊接2.4.1钢材的焊接性钢材的焊接性：是指被焊钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接规范参数及结构形式的条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性的评价：一是工艺焊接性，主要是评价接头的抗裂性；二是使用焊接性，主要是评价接头使用的可靠性，如接头的力学性能（强度、塑性、韧性、硬度以及抗裂纹扩展能力等）和其他特殊性能（耐热、耐腐蚀、耐低温、抗疲劳、抗时效等）。2.4.2低碳钢的焊接低碳钢的焊接性有较好的塑性，没有淬硬倾向，对焊接加热或冷却不敏感，焊缝及热影响区不易产生裂纹。一般焊前不需要预热，但对大厚度构件或在低温环境下焊接，应适当预热。平炉镇静钢杂质少，偏析小，不易产生低熔共晶，产生裂纹机率小。沸腾钢杂质多，产生裂纹机率大。 焊接工艺不合理时，可能会出现热影响区粗晶现象，且随着温度提高和停留时间的延长，晶粒粗大现象更严重。可采用交、直流电源，各种位置的焊接，且工艺简单。低碳钢焊接方法：有手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊等。2.4.3低合金钢的焊接低合金钢的焊接特点热影响区有淬硬倾向，易出现脆性的马氏体，硬度明显提高，塑性和韧性降低。其淬硬倾向程度取决于构件材质和结构，焊接方法及规范参数，构件预热温度和环境温度。易产生焊接冷裂纹。冷裂纹具有延迟性，是焊接接头焊后冷却到300至室温范围所产生的裂纹。随着构件材质强度等级的提高，其产生冷裂纹的倾向也增大。通常是出现在热影响区、焊缝根部和焊趾处。冷裂纹发生机率一是取决于热影响区的氢含量，二是取决于热影响区的淬硬程度，三是取决于接头刚度和焊接应力的大小。2.4.4奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接性奥氏体不锈钢的焊接性较好，一般不需要采取特殊的工艺措施。焊接工艺选择不合理时，会出现晶间腐蚀及热裂纹等缺陷。晶间腐蚀及热裂纹原因分析晶间腐蚀原因分析：不锈钢在450850的范围内停留（焊接必然过程），钢中的碳会向奥氏体晶界扩散，并在晶界处与铬化合析出碳化铬，使晶间附近成为“贫铬区”而产生晶间腐蚀。大多出现在接头热影响区及熔合区的表面。热裂纹原因分析：主要是由于奥氏体不锈钢焊缝中枝晶方向性很强，枝晶间有低熔点杂质的偏析，加之奥氏体不锈钢导热系数小（仅为低碳钢的1/2），而膨胀系数比低碳钢大50左右，使焊缝区产生较大的温差和收缩内应力，所以焊缝中易产生热裂纹。2.5焊接缺陷2.5.1外观缺陷（形状缺陷）咬边：沿焊趾的母材部位被电弧熔化时所形成的沟槽或凹陷。焊瘤：即熔敷金属在焊接时流淌到焊缝之外的母材表面而未与母材熔合在一起所形成的球状金属物。凹坑：未焊满：指焊缝表面熔敷金属填充厚度不够所形成的连续或断续的低洼。烧穿：焊接过程中，熔化金属由焊缝背面流出后所形成的空洞。其他表面缺陷：如成形不良、错边、塌陷、表面气孔、弧坑及缩孔、各种焊接变形等。2.5.2气孔和夹渣气孔：焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴。气孔的分类：从形态分有球状、针孔、柱孔、条虫状；从分布状态有均匀分布状、密集群状和链状之分；按孔内成分有氮气孔、氢气孔、二氧化碳和一氧化碳气孔。形成机理：熔池金属在凝固过程中，有大量的气体要从金属中逸出来，当金属凝固速度大于气体逸出速度，就会形成气孔。产生原因：一是工艺因素，主要是焊接规范、电源电流种类、电弧长短和操作技巧。二是冶金因素，这是由于母材和填充金属表面的锈、油污、焊剂中的水分等在高温下分解为各种成分的气体进入熔池中而致。危害性：气孔存在会减小焊缝承载的有效截面积，破坏了焊缝金属的致密性而导致泄漏，降低接头的强度和塑性，氢气孔还会引起氢脆产生冷裂纹，成排气孔、八字气孔会引起应力集中效应。防止措施：清除构件及填充金属（焊丝及焊条）表面锈斑、油污和水分，如焊前对填充金属进行烘烤、对构件进行预热等措施。并选用偏高点的焊接线能量、采用短弧焊的工艺。夹渣：指焊后残留在焊缝中的熔渣。分类：按渣的成分可分为金属夹渣（如钨夹渣、铜夹渣）和非金属夹渣（如药皮焊剂形成的熔渣、金属非金属夹杂偏析引起的夹杂等）；按形状可分为点块状和条状；按分布可分为单个点或条状、密集点块状和链状。形成机理：熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度，当熔化金属凝固时，熔渣未能及时浮出熔池而形成。产生原因：坡口尺寸不合理、并有污物，多道多层焊时，焊道之间、焊层之间清渣不干净，焊接线能量过小、焊接速度过快，药皮焊剂有高熔点成分、且脱渣性不好，钨极有低熔点杂质或是电流密度过大致使钨极熔化滴落于熔池中，手工焊焊条摆动不良等。危害性：点状与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生应力集中，其尖端还会发展为裂纹源，其危害远比气孔严重。2.5.3裂纹：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成新的界面所产生的缝隙称之裂纹。 裂纹的分类按尺寸大小可分为宏观裂纹、微观裂纹和超显微裂纹（指晶间或晶内裂纹）。按产生的原因不同可分为热裂纹（产生于Ac3附近的裂纹）、冷裂纹（产生于马氏体转变温度M3点以下的裂纹）、再热裂纹（接头冷却后再加热至500700时产生的裂纹）、层状撕裂（金属中杂质偏析在施焊过程中在焊接应力或外拘束应力作用下沿金属轧制方向开裂）、应力腐蚀裂纹（在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹）。裂纹形成的原因：一是冶金因素，另一是力学因素。冶金因素是指由于焊缝产生不同程度的物理与化学状态的不均匀，如低熔共晶组成元素S、P、Si等偏析、富集导致的热裂纹。此外，在热影响区金属中，快速加热和冷却使金属中的空位浓度增加，同时由于材料的淬硬倾向降低了材料的抗裂性能，在一定的力学因素下，这些都是生成裂纹的冶金因素。力学因素是指由于快热快冷产生了不均匀的组织区域，由于热应变不均匀而导致不同区域产生不同的应力联系，造成焊接接头金属处于复杂的应力应变状态。内在的热应力、组织应力、外加的拘束应力以及应力集中相叠加构成了导致接头金属开裂的力学条件。危害性：裂纹特别是冷裂纹是焊缝中危害性最大的缺陷，大部分焊接构件的破坏是由此生。其他所有焊接缺陷如未焊透、未熔合、夹渣等都是通过转化成裂纹而致使构件破坏的。 典型裂纹特征分析热裂纹（结晶裂纹）A.形成机理：焊缝金属在凝固过程中（即在固相线附近的高温区内），结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界，形成“液态薄膜”，在特定的敏感温度区粗（又称脆性温度区）间，其强度极小，在焊缝金属凝固收缩而受到的拉应力作用下，最终开裂形成裂纹。如纵向裂纹、枝晶状横向裂纹和弧坑裂纹。B.影响因素：一是碳元素及有害杂质S、P的含量，随其增加而产生机率增大；二是随着冷却速度加快而增大；三是随着外加拘束应力增大而增大。C.防止措施：减小S、P等有害元素的含量，用含碳量较低的、并加入一定的合金元素（Mo、V、Ti、Nb等以减小柱状晶和偏析）的焊材焊接；采用合理的焊接工艺和焊接规范，如采用较小的线能量（熔深较小的），并改善散热条件，确保低熔点物质全部浮出焊缝金属；采用预热后热处理，减小冷却速度，以减小焊接应力。再热裂纹A.特征：再热裂纹是在焊后的热处理等再次加热（其加热温度：碳钢与合金钢是550650，奥氏体不锈钢约是300）的过程中，主要发生在热影响区的过热粗晶区，在焊接残余应力作用下沿晶界开裂，沉淀强化的钢种最易产生再热裂纹。B.产生机理：再热裂纹产生机理有多解释，其中楔形开裂理论是：近缝区（热影响区的过热粗晶区）金属在高温热循环（热交变应力）作用下，强化相碳化物（如碳化钛、碳化钒、碳化铌、碳化铬等）沉积雁晶内的位错区上，使晶内强化强度大大高于晶界强化强度，尤其是强化相弥散分布在晶粒内时，会阻碍晶粒内部调整，又会阻碍晶粒内部的整体变形，这样，由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担，于是晶界区金属会产生滑移，且在三晶粒交界处产生应力集中而导致沿晶开裂。C.防止措施：热处理工艺应尽量避开再热裂纹的敏感温度或缩短在此温度区停留时间，改善合金元素的强化作用和对再热裂纹的影响；采用适当的焊前预热和焊后的后热处理，控制冷却速度，以降低焊接残余应力和避免应力集中。冷裂纹 A.特征：产生于较低温度，且大多数在焊后一段时间之后出现在焊热影响区或焊缝上，并沿晶或穿晶、或是两者共存的开裂，又称延迟裂纹。 B.产生机理：这是因热影响区或焊缝局部存在淬硬组织（马氏体）减小了金属的塑性储备，或是接头内有一定的含氢量，且接头有较大焊接残余应力使接头处于较大的拉应力状态之下，淬硬组织会开裂，氢会发生氢致效应而产生裂纹。 C.防止措施：采用低氢碱性焊条，及时后热消氢处理，以减小含氢量；选择合理的焊接规范，提高预热温度，减慢冷却速度，防止出现淬硬组织；选择科学的焊接工艺，严格控制焊接程序，以减小焊接变形和焊接应力。2.5.4未焊透：焊接时，接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头根部所形成的缺陷称之。 产生原因：焊接电流小、熔深浅；坡口和间隙尺寸不合理，间隙小或坡口尺寸大；焊条药皮偏芯度大或是磁偏吹；焊根清理不良。危害性：一是减小了焊缝有效截面积，使接头承载能力降低；二是会引起应力集中，降低焊缝疲劳强度。未焊透是裂纹源，是构件破坏的主要原因之一。防止措施：采用较大的焊接电流，施焊过程中防止磁偏吹、采用短弧焊，合理设置坡口并注意清根质量。2.5.5未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分；点焊时