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一金属材料的基本知识1、什么是金属？常用金属材料如何分类？1.1金属是一种具有特殊光泽，富有延展性又不透明的结晶物质。具有较高的强度，优良的导电性、导热性和延展性。1.2常用金属可分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指铁、铬等及其合金。有色金属是指除黑色金属之外的金属及其合金，如铜、铝、钛、镁。2、什么是钢？什么是铁？2.1钢是指碳的质量分数（含碳量）小于2.11%,并含有少量Si、Mn、S、P等为碳钢而渗入合金，如：Mo、W、V、Cr、Ni为合金钢，五大元素是指C、Si、Mn、S、P。2.2铁是指C2.11%的铁碳合金(C：2.5%-4.5%),同样铁也含有Si、Mn、S、P等元素。3、什么是低碳钢、中碳钢和高碳钢？按含C量多少分：低碳钢(C0.25%,中碳钢(0.25-0.60%),高碳钢(C0.60%)。4、什么是合金钢？为获得特定的性能（强度、硬度、耐腐蚀等）冶炼时加入一种或多种合金元素而炼成的钢称为合金钢。常用的合金元素有Ni、Si、Cr、Mn、W、Mo、V、Ti、Al。5、合金钢编号： 一般采用“二位数字+化学元素符号+数字”的方法 表示该合金平均含量，以百分之几表示。凡含量1.5%不标含量,含量1.5%如:1.5%、2.5%、3.5%相应以2、3、4表示。钢的平均碳质量分数以万分之几表示如：60Si2Mn表示为C为0.6%左右,Si1.5%,Mn1.5%,如S、P较低的高级优质合金钢,还在后面加“A”或“高”,如20Cr2Ni14A。6、什么是金属材料的力学性能?它包括哪些? 金属在力的作用下,材料所表现的一系列力学性能指标,反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力,包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度。焊接区内的气体1、气体的主要来源及成份1.1焊接材料:如焊条药皮焊丝药芯中造气剂、陶质焊剂。1.2热源周围的气体介质：如空气占3%左右。1.3焊丝和母材表面的杂质,如油污、锈、油漆、吸附的水分。1.4高温蒸发产生的气体,如金属和熔渣的蒸气。1.5酸性焊条焊接时,气相成分为CO、H2、H2O还有少量CO2、O2、N2 ；碱性焊条焊接时，气相成分为CO、CO2 还有少量H2O、H2 其中气相成分数量随焊接方法、规范、药皮或焊剂的种类不同而变化，对焊接质量影响最大的是N2 、H2、O2、CO2 、H2O。2、氮（N）对金属的作用（主要因保护不好从空气中来的） 2.1 根据N与金属的反应分两种情况：第一种是不与氮发生作用的金属如：Cu、Ni.焊接时可以用N2 作保护气体；第二种是与氮发生作用的金属如Fe 、Ti、Mn、Si、Cr，既能溶解，又能形成稳定氮化物。氮的溶解以原子、NO、离子形式。2.2：N对焊接质量的影响：在碳钢焊缝，N是有害的杂质且是促使焊缝产生气孔的主要原因之一，在高温下溶解度很大，在低温下很低，当结晶速度大于气体逸出速度时会形成气孔。氮是提高强度，降低塑性和韧性，形成的Fe4N随着时间的延长而造成焊缝塑性、韧性大大降低。但氮不总是有害的，可作为合金元素加入提高强度，不降低塑性和韧性，在铬镍钢或镍锰钢中，N是能够提高稳定性的合金元素，如C12A 、4A、6A。2.3：控制方法：1) 弧长 保护变坏N采用短弧焊。2) 碳钢：IN（N的溶解是吸热）；不锈钢IN（N的溶解是放热）。3) 直流正极性比反极性大。4) （焊丝焊芯直径）N（同样的电流前提下）。5) 多层焊时N含量单层焊时期N 含量。6) 增加焊丝或药皮C含量可降低N含量（C能降低N溶解，同时生成CO、CO2 气体，加强保护，降低了N的分压）。7) Ti、Al、Zr、Zn对N有强的亲和力形成稳定N化物，故能降低N。 3、氢对金属的作用：3.1 氢的主要来源：焊条药皮、焊剂、焊丝、药芯中的水分，药皮中的有机物，焊件和焊丝表面上的杂质（铁锈、油污），空气中的水分。3.2 氢（H）在钢中溶解度与钢的组织结构有关：一般在面心立方晶格的奥化体中溶解度比在体心立方晶格的珠光体钢的溶解度要大，在焊接过程中，液态金属所吸收的大量氢，其中有一部分在熔池结晶过程中可以逸出，但V结晶 V逸出 H2 所以仍有一部分进入焊缝中。3.3 氢对焊接质量的影响： 1) 氢脆：塑性严重下降，延伸率及断面收率下降。2) 白点：在碳钢或低合金钢焊缝中通过拉伸试件断面出现光亮圆形局部脆性断裂点，像鱼眼状约0.53mm；在纯铁素体或铬镍奥氏体焊缝中不出现白点，但碳钢及用Cr、V、Ni、Mo合金化的焊缝尤其是这些元素含量较大时，对白点很敏感。3) 形成气孔。（H是奥化体稳定化元素 氢 过冷奥化体马氏体）4) 组织发生变化和显微斑点（脆）。5) 产生冷裂纹（以后再讲）3.4 氢的控制措施： 1) 限制焊接材料中含氢量、药皮、焊剂、焊丝药芯以各种形式存在的水（如结晶水，化合水，吸附水等）是氢的主要来源。2) 清除焊件、焊丝表面上的杂质，焊件坡口和焊丝表面上的铁锈、油污吸附的水分以及其它含氢物。在焊接Cu、Al、AlMg合金、Ti 等时应用化学或机械方法清除其表面的Al(OH)2、Mg(OH)2 否则易产生气孔或裂纹。 3) 冶金处理：降低气相中氢的分压可减少氢的液态金属中的溶解度。4) 控制焊接规范：采用小电流直流反接进行焊接，因为I H ，ACHDCH 、DC+DC-5) 焊后脱氢处理：加热350保温1小时左右，对于易裂件应为300400保温若干小时。4、氧对金属的作用：4.1 金属氧化的主要途径：1) 气相中氧化性气体（O2、CO2 、H2O）与金属作用。2) 氧化性熔渣与金属相互作用。3) 焊接坡口和填充金属表面上氧化物与金属作用。 4.2 氧的溶解度：氧与Mg、Al不发生溶解,但能与之发生激烈氧化反应，产生氧化物形成夹杂，未溶透等缺陷。氧在Fe、Ni、Cu、Ti等金属中能有限溶解，同时也能氧化。 4.3 氧对焊接质量的影响：1) 氧在焊缝金属中以两种形式存在，溶解状态和氧化物夹杂两种形式，绝大部分是以氧化物的形式存在。不论以何种形式存在对性能都有很大影响，使硬度、强度、塑性冲击下降。另外，还造成红脆，冷脆和时效硬化，还使导电性、导磁性、抗腐性下降。2) O + C = CO 形成气孔。3) 使合金烧损。4) 氧的有利作用：铸铁冷焊时加入氧化剂降低C以便于焊接，另O H4.4 控制氧的措施：1) 纯化焊接材料，采用低氧化或无氧焊条、焊剂。2) 控制焊接工艺规范，短弧焊、小电流、直流反接。3) 冶金脱氧：通过焊条药皮或焊剂造渣脱氧。熔渣对熔化金属的作用1、熔渣在焊接过程中的作用：1) 机械保护作用。2) 改善焊接工艺性能：在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃，并稳定连续燃烧，减少飞溅，保证焊缝具有良好的成型等。3) 冶金处理作用：熔渣和液态金属能够发生一系列物理、化学反应，使焊缝金属的成份给予很大的影响。如脱O、S、P、H 还可向焊缝中过渡合金。2、熔渣的性能与结构：2.1 熔渣的酸碱度：1) 熔渣中酸性氧化物按酸性由强到弱排序：SiO2、TiO2、P2O5、V2O5。2) 熔渣中碱性氧化物按碱性由强到弱排序：K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO3) 中性氧化物：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、V2O3、ZnO。其中两种氧化物发生作用时某氧化物提供电子为酸性氧化物反之为碱性氧化物。4) 熔渣的酸碱度用B1表示： 碱性氧化物% B1 = B1 1.3为碱性，反之为酸性。同样 酸性氧化物%温度下，一般酸性渣的粘度大于碱性渣，而且随温度的升高粘度降低。3、熔渣对焊缝金属的氧化： 3.1 扩散氧化：FeO既溶于液态钢上，熔渣中FeO (FeO) 在相同温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配，也就是说，在熔渣中FeO相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣大。这就所谓碱性条对铁锈和氧化皮敏感性大的基本原理，但是不应当由此误认为碱性焊条的焊缝含氧量高恰恰相反，碱性焊条焊缝较酸性焊条焊缝含氧量低（因药皮氧化性小的原故） 3.2 置换氧化： （SiO2）+ 2Fe = Si + FeO FeO/ (FeO) 3.3 焊件表面氧化物的氧化，焊接时氧化皮和锈对金属有氧化作用 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O(水份增加了气相的氧化性)同时 Fe2O3（铁锈）+ (Fe) =3FeO Fe3O4(氧化皮) +Fe = 4FeO 为此，焊前必须清理焊接边缘及坡口。4、脱氧反应（金属的还原）：所谓脱氧就是通过焊丝或药皮加入某些元素，使它本身在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属及其合金不被氧化的过程。其目的：1) 减少焊缝中含氧量。2) 排除氧化物，常用的脱氧剂有C、Al、Ti、Mn、Si。 4.1 先期脱氧：在药皮加热阶段，处于固态的药皮中进行的脱氧叫先期脱氧。 Fe2O3 + Mn(脱氧剂) = MnO +2FeO , FeO + Mn = Mn + Fe MnO2 + Mn = 2MnO , CaCO3 + Mn = MnO + CaO + CO ,2CaCO3 + Si = SiO2 + 2CaO + 2CO 其结果使药皮氧化性降低。 4.2 沉淀脱氧：在熔滴和熔池中利用溶解在液态金属中的脱氧剂直接与液态金属中FeO作用把Fe还原。1) C+ FeO = Fe + CO;2) Mn +FeO=Fe + (MnO) 酸性渣中含有大量的SiO2、TiO2。（SiO2）+（MnO）= (MnOSiO2); (TiO2) + (MnO) = (MnOTiO2) 从而使上式中的（MnO）浓度降低，促使反应的进行。3) Si+ 2FeO= 2Fe + (SiO2)4) Si/Mn联合脱氧：Mn/ Si = 37时效果很好，生成物MnO、SiO2 比重小。 4.3 扩散脱氧： LgL= 5014/T -1.980 (CaO饱和的碱性渣中) TL LgL= 4906 / T -1.877（SiO2饱和酸性渣中）TL由L = (FeO) /FeO从而可知当温度T下降时发生如下过程 FeO（FeO）即钢水中的FeO向渣中过渡（扩散）如果渣中有强酸性氧化物SiO2、TiO2 等那么它们可以与FeO生成复合物：（SiO2）+（FeO）= FeOSiO2 (TiO2) + (FeO) = FeOTiO2. 结果使渣中自由的（FeO）减少从而促使钢水中FeO向渣中扩散达到脱氧的作用。5、焊缝金属的合金化： 5.1 合金化的目的：1) 补偿焊接过程中由蒸发、氧化等原因造成合金元素烧损；2) 获得特殊性能的堆焊金属；3) 消除缺陷；4) 改善焊缝金属组织和性能。例如：为消除因S引起的热裂向焊缝中过渡Mn FeS + Mn = (MnS) + Fe某些结构钢焊接时加入Ti、Al以细化晶粒改善一次结晶提高韧性，为增加耐磨、红硬性、耐蚀性、堆焊Cr、Mo、W、Mn等。5.2 合金化的方式：1) 应用合金焊丝、带极；2) 应用药芯焊丝或药芯焊条；3) 应用合金药皮或陶质焊剂；4) 应用合金粉末。6、焊缝金属的脱硫、磷（S、P）：6.1 焊缝金属中的S及其危害： 焊缝金属中的S通常以MnS 、FeS两种形式存在于钢水中，其中可以无限互溶，而在固态时溶解度急剧下降，仅为0 .015%0.02%。因此在熔池结晶时，它容易发生偏析，以低熔点共晶物FeS + Fe (熔点985)或FeS + FeO (熔点940)的形式呈片状或链状分布于晶界，这就增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时还降低冲击韧性和耐腐性，在焊接合金钢，尤其是高镍合金钢时，S的影响更为严重，因为S与Ni形成NiS，而NiS与Ni又形成熔点更低的共晶物Ni + NiS（熔点644）故产生结晶裂纹倾向更大。6.2 防止措施：1) 限制焊接材料中含S量，控制在0.025%0.03%（合金钢）0.030.04%(碳钢)。2) 冶金脱硫：如Ce、Ca、Na、Mg的加入使之与S反应进行脱硫。3) 利用碱性氧化物脱硫：FeS + (MnO) = (MnS) + (FeO) ; FeS + (CaO) = CaS + (FeO) 6.3 焊缝中的P及其危害：P在固态钢中溶解度极小，在钢中以Fe3P，Fe2P形式存在，它们与Fe、Ni形成低熔点共晶物如：Fe3P + Fe （熔点1050） Ni3P +N（熔点880）。磷化铁常分布于晶界，减弱了晶粒向的结合力，同时，它本身硬而脆。因此P钢冷脆同时冲击韧性Ak。 6.4 防止措施：1) 限制母材、焊材、保护气中含P量。2) 冶金脱P： 2Fe3P + 5(FeO) =P2O5 + 11CFeP2O5 + 3(CaO)=(CaO)3P2O5) , P2O5 + 4(CaO)=(CaO)4P2O5) 合金为：2Fe3P + 5(FeO) + 3(CaO)=(CaO)3P2O5) + 11Fe 2Fe3P + 5(FeO) + 4(CaO) =(CaO)3P2O5) + 11Fe 另外： (CaF2) + (P2O5(CaO)4)=(CaF2P2O5(CaO)4) 因碱性焊条中含CaO较多且有CaF2，故有利于脱P，酸性焊条脱P差。、焊逢中的气孔1、 气孔的类型及害处： 焊缝中主要有氢气孔、CO气孔、气孔削弱了焊缝的有效工作截面，带来应力集中，显著降低焊缝的强度和塑性。2、气孔形成原因：第一类：高温时某些气体溶解于熔池金属中，在结晶或相变时气体的溶解度突然下降而残留在焊缝金属内部的气体，如氢、氮。第二类：由于熔池结晶过程中造成成份偏析而产生气孔（不溶于金属的气体），如CO和H2O等。C+O =CO ，FeO + C =CO + Fe,MnO + C = CO + Mn , SiO2 + 2C = 2CO + Si 然而CO是不溶于金属且CO是在高温下形成的故CO在熔池中高速逸出，不会造成气孔，但是，随着热源离开，在熔池开始结晶时，由于铁碳合金溶质浓度偏析的结果（即先结晶的较纯，后结晶的溶质浓度偏高杂质较多）可使溶池中各种氧化物和碳的浓度在某些局部地方偏高，有利于下列反应进行 FeO + C CO + Fe Q 。因结晶时粘度大此时CO不易逸出且是吸热反应结果使结晶速度加快，要使CO不易逸出而造成气孔。铁锈及水份对产生气孔的影响：3Fe2O3 = 2Fe3O4 + O2 2Fe3O4 + H2O = 3Fe2O3 + H2 Fe + H2O = FeO + H23、防止措施：1) 调整熔渣氧化性，氧化性大易产生CO气孔，氧化性小产生H2气孔，合适的氧化性有利于避免任何气孔。2) 调整焊条药皮和焊剂如加入CaF2 ：CaF2 + H2O = CaO + 2HF ，CaF2 +H= CaF + HF CaF2 +2H = Ca +2HF 因HF不溶于钢水一方面降低了H2分压 ，同时大量的H被HF占据。3） 合适的电流采用直流反接，短弧焊。4） 焊前仔细清除焊件、焊丝表面锈、油质、焊条烘干。、焊接时的结晶裂纹1、裂纹的危害性：略2、裂纹的种类：、热裂纹：热裂纹是在高温下产生的，而且都是沿奥氏体晶界开裂可分为结晶裂纹，液化裂纹和多边化裂纹等三类。a)、结晶裂纹：焊缝在结晶过程中，固相线附近由于凝固金属收缩时残余液相不足致使沿晶开裂现象，结晶裂纹主要表现在含杂质较多的碳钢焊缝中（特别是含S、P、Si、C较多的钢种焊缝）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。b)、高温液化裂纹：在焊接热循环峰值温度作用下，母材近缝区和多层焊缝的层间金属中，由于含有低熔点共晶物（如S、P、S、Ni等）而被重新熔化，在收缩应力作用沿奥氏体晶界发生开裂。c)、多边化裂纹：焊接时，焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的物理及化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界而所谓“多边化边界”，这个“边界”上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织疏松，高温时的温度和塑性都很低，只要此时受少量的拉伸变形，就会沿着多边化的边界开裂，产生所谓多边化裂纹，又称高温低塑性裂纹。、再热裂纹：对于某些钢种（含有沉淀强化元素的）在进行消除应力热处理的过程中，在焊接热影响区的粗晶部位产生裂纹，这种裂纹是在重新加热（热处理）过程中产生的，故称“再热裂纹”又称“消除应力处理裂纹”，国外简称“SR裂纹”。产生再热裂纹的机理一般认为：含有沉淀硬化相的焊接接头中，如存在较大的残余应力，并有着不同程度的应力集中，在热处理温度作用下，由于应力松驰而导致较大的附加变形，与此同时，在某些方面焊接热影响区的粗晶部位析出沉淀硬化相（钼、钒、铌、钛等碳化物），如果粗晶部位的蠕变塑性不足以适应应力松驰所产生的附加变形时，则沿晶发生裂纹。、冷裂纹：在相当低的温度（大约在钢的马氏体转变温度即Ms点附近，550-650范围产生）由于拘束应力、硬组织和氢的作用下，在焊接接头产生的裂纹即属冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影响区。a)、延迟裂纹：延迟裂纹是冷裂纹中一种比较普遍的形态，它的特点不是在焊后立即出现，而是有一段孕育期，产生延迟现象，故称延迟裂纹。裂纹的成核与扩展决定于材料的塑料储备，焊接接头所处应力状态，以及焊缝金属中扩散氢含量三个因素交互作用的结果。b)、淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：有些钢种由于淬硬倾向较大，即便在没有氢的条件下，仅由拘束应力的作用也能导致开裂。如焊接马氏体不锈钢、工具钢以及工具钢等可能出现这种淬硬脆化裂纹，它基本上没有延迟时间，焊后可以立即发现。c)、低塑性脆化裂纹：某些材料（如铸件）焊接时，在比较低的温度下，由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹称为低塑性脆化裂纹。、层状撕裂：焊接结构的层状撕裂是属低温开裂，常用的低合金高强钢，撕裂温度不超过400。它主要是由于轧制钢材的内部存在分层的夹杂物（主要是S化物）和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力，致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶”状的层状开裂，并具有穿晶发展。3、防止结晶裂纹的措施：、控制焊缝中有害杂质的含量，主要是S、P、C，用碱性焊条。、改善一次结晶，细化晶粒可以提高焊缝金属的抗裂性，向焊缝中加入细化晶粒的元素如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al等。、采用预热或增加线能量以减少焊缝金属的变形率。、合理设计焊接接头形式。、妥善安排焊接次序。（原则就是尽量使大多数焊缝在较小刚度的条件下焊接，使各条焊缝都有收缩的可能。）4、防止延迟裂纹的措施：、冶金措施： 选用优质低氢焊接材料和低氢的焊接工艺方法。严格控制氢的来源：a、焊条、焊剂烘干；b、严格清理焊件和焊丝。用合金元素改善焊缝金属的性能。、工艺措施：正确选择焊接规范，焊前预热，焊后缓冷，焊后后热以及焊后热处理等。、降低焊接接头的拘束应力：、 防止焊缝分布过分密集，避免开单边半V型坡口。、 预热、缓冷、焊后热处理。、采用合适的焊接顺序。、焊 条一、焊条的组成：、组成药皮的物质：1、组成种类：（1）、矿物类：矿石、矿砂（2）、铁合金和金属粉类：铁合金是铁和各种元素的合金，常用有锰铁、硅铁（矽铁）、钛铁、钼铁、铬铁、钒铁、钨铁、铅铁、硼铁以及金属镍粉、金属铬粉、铅粉和铁粉等。（3）、有机物：焊条厚皮常用的有机物质有淀粉、糊精及纤维素等。（4）、化工产品：常用的有水玻璃、钛白粉、碳酸钾及纯碱等。2、药皮材料的作用：造气、造渣、脱氧、合金化、稳弧、粘结、成型3、常用的药皮材料： 金红石、钛白粉、锰矿、氧化铁矿、钛铁矿、石英砂、长石、白泥、粘土、高岭土、云母、大理石、萤石、纤维素、水