机械加工焊缝及其热影响区的组织和性能

1、12第一节第一节 焊接及其冶金特点焊接及其冶金特点3焊接：焊接：通过加热或加压，或者两者并用，用或不用通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件填充材料，使两个分离的工件(同种或异种金属或非同种或异种金属或非金属，也可以是金属与非金属金属，也可以是金属与非金属)产生原子产生原子(分子分子)间结间结合而形成永久性连接的工艺工程。合而形成永久性连接的工艺工程。物理本质：物理本质：独立工件实现原子独立工件实现原子(分子分子)间结合，对金间结合，对金属材料实现金属键的结合。属材料实现金属键的结合。从金属学的观点来看：从金属学的观点来看：两个被焊金属连接件处与焊两个被焊金属连接件处

2、与焊缝金属形成共同晶粒。缝金属形成共同晶粒。4焊接方法依据焊接方法依据工艺特点工艺特点分为：熔焊、压焊和钎焊。分为：熔焊、压焊和钎焊。熔焊熔焊(fusion welding)：局部加热使连接处达熔化状态，：局部加热使连接处达熔化状态，冷却结晶形成晶粒。冷却结晶形成晶粒。压焊：压焊：加压、摩擦、扩散等物理作用克服表面的不平加压、摩擦、扩散等物理作用克服表面的不平度，挤出氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。度，挤出氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。钎焊：钎焊：用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热温度用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热温度仅是钎料熔化而母材并不熔化。是钎料与母材的粘合。仅是钎料熔

3、化而母材并不熔化。是钎料与母材的粘合。硬钎焊硬钎焊(熔点高于熔点高于450)和和软钎焊软钎焊(熔点低于熔点低于450)之分。之分。除加热温度较高的除加热温度较高的扩散焊扩散焊之外，无需保护措施。之外，无需保护措施。5熔焊焊接接头的形成及其冶金过程 熔焊焊接接头的形成经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接头。 亦可归纳为焊接热过程、焊接化学冶金过程和焊接物理冶金过程三个相互交错进行且彼此联系的局部过程。见图7-2(p137) 焊接热过程：整个焊接过程自始至终都是在焊接热作用过程发生和发展的。 焊接化学冶金过程：液态金属、熔渣及气相之间进行一系列化学冶金反应，如金属的氧化、还原

4、、脱磷、脱硫、合金化等。这些反应可以直接影响焊缝金属、组织和性能。 6熔焊焊接接头的形成及其冶金过程 近年在化学冶金方面的研究重点：1 控制焊缝金属中夹杂物的种类、直径大小，作为形核质点细化焊缝金属晶粒，提高焊缝的强度与韧性；2 向焊缝中加入微量合金元素(如ti、mo、nb、v、zr、b和re等) 进行变质处理；3 适当降低焊缝的含碳量，最大限度的排出焊缝中s、p、o、n、h 等杂质，提高焊缝的韧性。4 计算机模拟 如对焊缝的化学成分和力学性能进行优化设计，建立数学模型。 7 焊接物理冶金过程：焊接热源作用焊材及母材局部熔化热源移走金属凝固结晶(原子近程有序远程有序) 温度降低，同素异构金属固

5、态相变 热影响区(heat affected zone, haz)：焊接过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生显微组织和力学性能变化的区域。该区主要发生物理冶金过程。 焊接接头由焊缝(weld metal)、热影响区(haz)、熔合区(fusion zone)和母材(base metal)组成。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程8保证焊接接头的措施：1 选择合适的母材；2选择合适的焊材；3 控制焊接热过程，保证焊缝金属达到成分和组织要求及焊接接头的力学性能；4控制haz的组织转变，使接头满足设计和使用要求；5 控制使焊接接头性能下降且在局部加热和冷却过程中产生的成分偏析、夹杂、气孔、

6、裂纹、催化等缺陷。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程9焊接温度场见“第二章凝固的温度场”“第三节第三节 熔焊过程温度熔焊过程温度场场”10第二节第二节 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能11 一一 焊接熔池的结晶焊接熔池的结晶 见见“第五章第五章 铸件铸件凝固组织及其控制凝固组织及其控制”“”“第五节第五节 焊接熔焊接熔池凝固及控制池凝固及控制” 二二 焊缝金属的组织焊缝金属的组织 焊缝金属在连续冷却过程中发生固态相焊缝金属在连续冷却过程中发生固态相变的类型取决于化学成分及冷却条件。变的类型取决于化学成分及冷却条件。 对碳钢和低合金钢焊缝，对碳钢和低合金钢焊缝，高温奥氏体在高温奥氏体在不同温

7、度区间转变为铁素体、珠光体、不同温度区间转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。贝氏体及马氏体。12编辑本段生产过程和工艺过程生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。 在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。例如毛坯的铸造、锻

8、造和焊接；改变材料性能的热处理1；零件的机械加工等，都属于工艺过程。工艺过程又是由一个或若干个顺序排列的工序组成的。 工序是工艺过程的基本组成单位。所谓工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者，而且工序的内容是连续完成的。例如图32-1中cc1的零件，其工艺过程可以分为以下两个工序： 工序1：在车床上车外圆、车端面、镗孔和内孔倒角； 工序2：在钻床上钻6个小孔。 在同一道工序中，工件可能要经过几次安装。工件在一次装夹中所完成的那部分工序，称为安装。在工序1中，有两次安装。第一次安装：用三爪卡盘夹住 外圆，车端面c，

9、镗内孔，内孔倒角，车外圆。第二次安装：调头用三爪盘夹住外圆，车端面a和b，内孔倒角。编辑本段生产类型生产类型通常分为三类。 1单件生产 单个地生产某个零件，很少重复地生产。 2成批生产 成批地制造相同的零件的生产。 3大量生产 当产品的制造数量很大，大多数工作地点经常是重复进行一种零件的某一工序的生产。 拟定零件的工艺过程时，由于零件的生产类型不同，所采用的加方法、机床设备、工夹量具、毛坯及对工人的技术要求等，都有很大的不同。编辑本段加工余量加工余量概述为了加工出合格的零件，必须从毛坯上切去的那层金属的厚度，称为加工余量。加工余量又可分为工序余量和总余量。某工序中需要切除的那层金属厚度，称为该

10、工序的加工余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量，称为总余量，等于相应表面各工序余量之和。 机床在工件上留加工余量的目的是为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷，如铸件表面冷硬层、气孔、夹砂层，锻件表面的氧化皮、脱碳层、表面裂纹，切削加工后的内应力层和表面粗糙度等。从而提高工件的精度和表面粗糙度。 加工余量的大小对加工质量和生产效率均有较大影响。加工余量过大，不仅增加了机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具和电力消耗，提高了加工成本。若加工余量过小，则既不能消除上道工序的各种缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时的装夹误差，造成废品。其选取原则是在保证质量的前提下，使余量尽可能

11、小。一般说来，越是精加工，工序余量越小。机械加工余量标准1主题内容与适用范围 本标准规定了磨削加工的加工余量。 本标准适用于磨削各类材料时的加工余量。 机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。1设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。如图32-2所cc2示的轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面a是端面b、c的设计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。2工艺基准零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。

12、工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。 （1）装配基准 装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。 （2）测量基准 用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。如图32-2中的零件，内孔轴线是检验外圆径向跳动的测量基准；表面a是检验长度l尺寸l和的测量基准。 （3）定位基准 加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。编辑本段拟定工艺路线的一般原则机械加工工艺规程的制定，大体可分为两个步骤。首

13、先是拟定零件加工的工艺路线，然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的，应进行综合分析。 工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，主要任务是选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序，以及整个工艺过程中工序数目的多少等。 拟定工艺路线的一般原则1、先加工基准面零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。称为“基准先行”。2、划分加工阶段加工质量要求高的表面，都划分加工阶段，一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。主要是为了保证加工质量；有利于合理使用设备；便于安排热处理工序；以及便于时发

14、现毛坯缺陷等。3、先面后孔1对于箱体、支架和连杆等零件应先加工平面后加工孔。这样就可以以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置精度，而且对平面上的孔的加工带来方便。4、光整加工 光整加工后的工件独特作用也证实了二者的有机结合，具有肯定的临床疗效。编辑本段东西方医学交融（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，成为中西医在

15、新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）轴心时代中、西医学的峰巅之作。雅斯贝而斯曾说：“如果历史有一个轴心，那么我们就必须将这轴心作为一系列对全部人类都有意义的事件，发生于公元前800至200年间的这种精神历程似乎构成了这样一个轴心。 本文档下载后可以修改编辑，欢迎下载收藏。13低碳钢焊缝的室温组织 因含碳量较低，沿a晶界析出f，然后发生共析转变：ap(f+fe3c) 焊缝过热时，可能出现魏氏组织，其特征

16、是f在原a晶界呈网状或沿原a晶粒内部一定方向析出，具有长短不一的针状或片状，亦可直接插入p晶粒之中。 焊缝金属是一种多相组织，是晶界f、侧板条f和p混合组织的总称。141 铁素体(ferrite)低合金钢焊缝中f大体分为以下四类：(1) 先共析f (proeutectoid ferrite,pf)，亦称晶界或粒界f(grain boundary ferrite, gbf)，块状f-焊缝冷却到较低高温区间(770680)、沿a晶界首先析出的f。多以长条形沿晶界扩展，也以多边形状，互相连接沿晶分布。 是低屈服强度的脆弱相，使焊缝金属韧性下降。低合金钢焊缝的室温组织15(2)侧板条f (ferrit

17、e side plate,fsp)，亦称无碳贝氏体(carbon free binete, cfb) -焊缝冷却到较低高温区间(700550)、比pf形成温度稍低的f。多在晶界f的侧面以板条状向晶内生长，多呈镐牙状。有人认为其属魏氏组织，也有人由于其转变温度偏低称为无碳贝氏体。由于其位错密度比pf稍高，使焊缝金属韧性显著下降。低合金钢焊缝的室温组织16(3)针状f (acicular ferrite,af) -焊缝冷却到更低500左右、在中等冷速下得到的f。在原a晶内以针状分布，宽度约为2m,长宽比在3：15：1范围内常以弥散氧化物和氮化物夹杂物为形核质点并放射性成长。由于其位错密度更高，可以

18、显著改善焊缝的韧性，是提高焊缝金属韧性的理想组织。低合金钢焊缝的室温组织17(4)细晶f (fine grain ferrite,fgf) ，又称贝氏体f (binetic ferrite)-焊缝冷却到500以下、有细化晶粒的ti、b等元素存在、在原a晶内得到的f。如果在更低温度下转变(约450 )，可转变为上贝氏体。以上四种组织亦可在低碳钢焊缝中出现，只是所含比例不同而已。低合金钢焊缝的室温组织182 珠光体(pearite)在接近平衡状态(如热处理时的连续冷却)低合金钢中出现的组织，其转变温度大约在ar1550之间出现。依细密程度可分为层状p、粒状p及细p。在焊接非平衡条件下，原子扩散减缓

19、，p来不及转变，扩大了f和b的区域。当焊缝中有细化元素ti、b时，p可被完全抑制。低合金钢固态相变时很少得到p。p会增加焊缝金属强度，但其韧性往往下降。低合金钢焊缝的室温组织193 贝氏体(bainite)属中温转变，转变温度大约在550 ms。依形成温度区间及其特性可为上贝氏体(upper b)和下贝氏体(lower b)。上贝氏体的特征 光镜下呈羽毛状，多沿a晶界析出。电镜下相邻条状晶的位相接近于平行，且在平行的条状f间分布有fe3c。其韧性较差。下贝氏体的特征 光镜下与回火片状m相似。电镜下呈许多针状f和针状fe3c的机械混合物。转变温度大约在450 ms。下贝氏体具有强度和韧性均良好的

20、综合性能。低合金钢焊缝的室温组织204 马氏体(martensite)焊缝金属含碳量较高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，a过冷到ms温度以下发生该相的转变。依含碳量不同可为板条状m和片状m。(1)板条状m，又称位错型m，低碳m 常出现在低碳低合金钢焊缝金属中。其特征 在a晶粒内部平行生长成群的细条状m板条。因含碳量较低，具有较高强度和良好韧性，抗裂纹能力强，综合性能好。(2)片状m，又称孪晶m，高碳m 焊缝金属中wc0.4%时出现。该种相硬度高而脆，容易产生焊接冷裂纹，在焊缝中要避免。低合金钢焊缝的室温组织21 wm-cct图焊接工作者为了专门预测低合金钢焊缝制定的低合金钢焊缝金属连续冷却

21、组织转变图，即wm-cct(weld metal continuous cooling transformation)图。其分析原理及应用与热处理cct相同。 依此图(与成分有关)和焊接条件(决定冷却曲线)，可以推断焊缝金属的组织与性能；反之，由焊缝的性能要求可以确定其组织组成，选择母材与焊接材料，制定焊接参数。wm-cct图22三 焊缝金属性能的控制1 焊缝合金化与变质处理 合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度与韧性。常采用固溶强化(mn、si等元素)、细晶强化(ti、nb、v等元素)、弥散强化(ti、v、mo等元素)、相变强化等措施。在焊接熔池中加入ti、b、zr、re等元素起变质作用，有

22、效细化焊缝组织，提高韧性。2工艺措施 除上述冶金措施外，还可以通过调整焊接参数的方法提高焊缝性能，如采取振动结晶、焊后热处理等措施。23第三节第三节 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能24http:/ （df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）尽管目前中、西医学还不可能融合成为一种统一的医学模式，但可以独立发展，并存共荣，整合互补。（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）缘于现代信息论、（df肺25s血液f369血小板t5172红血球gdf55m白血球fd2）系统论和控制论的影响，西医学的发展趋势若仅仅是单纯地重视分析而忽略了整体结构和整体功能，无疑将渐行渐窄。

23、而中医讲究“感悟”，（4f肿瘤fbb癌症yuw3胃癌d65io肠癌.f2tr肺癌65ff）未免夹带有很多主观因素，难以客观地定量，定性。若中医的诊察疾病能参考现代医学的微观分析，将辨证与辨病相结合，实现宏观与微观的统一，使中医诊断客观化，即把分析与综合相结合的方法引入中医理、法、方、药的研究，使二者有机结合，互相借鉴、补充，避免各自的片面性、局限性，这将有利于中西医学的优势互补，（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr） “和而不同”，多元发展。近年来，中医药在防治非典、禽流感和艾滋病方面发挥的独特作用也证实了二者的有机结合，具有肯定的临床疗效。编辑本段东西方医学交融（df高血压958

24、心脏病983u6糖尿病87fr）不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）轴心时代中、西医学的峰巅之作机械加工是一种用加工机

25、械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理煅造铸造和焊接。另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。 机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加

26、工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。 机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（lathe machine）、铣床(milling machine)、钻床(driling machine)、磨床(grinding machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。1959年，richard p feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，

27、斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。 微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国mit、berkeley、stanfordat&t的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导

28、机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和mems作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国国家科学基金会把mems作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助mit，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的美国国防部技术计划报告，把mems列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持mems的研究和军事应用，现已建成一条mems标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(bsac)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立