復(fù)旦大學(xué) 《金屬材料制備與加工》

1、金屬材料制備與加工目錄金屬材料制備與加工冶金鑄造壓力加工熱處理焊接冶金冶金的基本概念冶金是指從礦石或其他原料中提取金屬或金屬化合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的過程。鋼鐵冶金：鐵、鋼及鐵合金(如錳鐵、鉻鐵)的生產(chǎn)有色金屬冶金：各種有色金屬的生產(chǎn)冶金方法火法冶金：在高溫下礦石經(jīng)熔煉與精煉反應(yīng)及熔化作業(yè)，使其中的金屬和雜質(zhì)分開，獲得較純金屬。分為原料準(zhǔn)備、冶煉和精煉三個(gè)工序。濕法冶金：在常溫或低于100下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的金屬溶解于溶液中，而其他雜質(zhì)不溶解，然后再?gòu)娜芤褐袑⒔饘偬崛『头蛛x出來。包括浸出、分離、富集和提取等工序。電冶金：利用電能提取和精煉金屬。電熱冶

2、金：利用電能轉(zhuǎn)變成熱能，在高溫下提煉金屬，本質(zhì)上與火法冶金相同。電化學(xué)冶金：用電化學(xué)反應(yīng)使金屬?gòu)暮饘俚柠}類的水溶液或熔體中析出，前者稱為溶液電解，如銅的電解精煉；后者稱為熔鹽電解，如電解鋁。冶金生鐵冶煉高爐法：鐵礦石、焦炭和熔劑從高爐爐頂裝入，熱風(fēng)從高爐下部風(fēng)口鼓入，隨著風(fēng)口前焦炭的燃燒，熾熱的煤氣流高速上升，下降的爐料受到上升煤氣流的加熱作用，首先吸附水蒸發(fā)，然后被緩慢加熱至8001000。鐵礦石被爐內(nèi)煤氣CO還原，直至進(jìn)入1000以上的高溫區(qū)，轉(zhuǎn)變成半熔融的黏稠狀態(tài)，在12001400的高溫下進(jìn)一步還原，得到金屬鐵。金屬鐵吸收焦炭中的碳，進(jìn)行部分滲碳之后，熔化成鐵水。鐵水中除含有4%左右

3、的碳外，還含有少量的Si、Mn、P、S等元素。鐵礦石中的脈石也逐步熔化成爐渣。鐵水和爐渣穿過高溫區(qū)焦炭之間的間隙滴下，積存于爐缸，再分別由鐵口和渣口排出爐外。高爐煉鐵過程示意圖1 料車；2 上料斜橋；3 高爐；4鐵渣口；5 風(fēng)口；6 熱風(fēng)爐；7重力除塵器；8 文氏管；9 洗滌塔；10 煙囪冶金生鐵冶煉高爐冶煉基本原理鐵氧化物還原為金屬鐵，是高爐內(nèi)最主要的化學(xué)反應(yīng)。其他元素Fe、P、Zn幾乎能全部被還原。Si、Mn、V、Ti、Cr、Cu、Pb等只能部分被還原。Ca、Mg、Al等完全不能被還原。還原反應(yīng)：還原劑X奪取金屬氧化物MeO中的氧。MeO+X=Me+XOMeO-被還原氧化物；Me-金屬；X

4、-還原劑。還原反應(yīng)發(fā)生的熱力學(xué)條件是還原劑生成的產(chǎn)物XO穩(wěn)定性比被還原氧化物MeO強(qiáng)。氧化物的穩(wěn)定性可用氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能大小來表示。還原劑主要有固定碳(C)，CO和H2。冶金生鐵冶煉高爐內(nèi)氧化物的還原遵循逐級(jí)還原規(guī)律，對(duì)鐵氧化物而言，其還原順序?yàn)椋簻囟却笥?70時(shí)，3 Fe2O32Fe3O46FeO6Fe溫度小于570時(shí)，3 Fe2O32Fe3O46Fe(1) 用CO和H2還原礦石加入爐內(nèi)后，在溫度沒有超過900、1000時(shí)，用煤氣中CO和H2奪取氧化鐵中的氧，生成CO2和H2O。在高爐冶煉中，凡是以CO作為還原劑，生成CO2的還原反應(yīng)稱為間接還原。以H2為還原劑生成H2O的還原反

5、應(yīng)也歸于間接還原。鐵氧化物的間接還原反應(yīng)式：(a)小于570，用CO作還原劑時(shí)，3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+4CO= 3Fe+4CO2(b)大于570，用CO作還原劑時(shí)，3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO= Fe+CO2(c)小于570，用H2作還原劑時(shí)，3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+4H2=3Fe+4H2O(d)大于570，用H2作還原劑時(shí)，3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O鐵氧化物的間接還原以放熱為主，低溫有利于間接還原，主要發(fā)

6、生于高爐小于800的區(qū)域。鐵氧化物中Fe2O3發(fā)生的間接還原為不可逆反應(yīng)，不可逆轉(zhuǎn)地被還原成Fe3O4，而其他鐵氧化物發(fā)生的間接還原為可逆反應(yīng)，所需還原劑濃度較高。在高爐冶煉條件下，鐵氧化物不可能由間接還原全部還原成金屬鐵，還需要直接還原共同作用，才能將鐵氧化物中的鐵全部還原。冶金生鐵冶煉(2) 用固定碳還原用碳作還原劑還原鐵氧化物，生成CO的還原反應(yīng)稱為直接還原。礦石在到達(dá)高爐下部高溫區(qū)之前，都已進(jìn)行了相當(dāng)程度的間接還原，殘留下來的鐵氧化物主要以FeO形式存在。用固定碳還原，在高爐內(nèi)有實(shí)際意義的只有FeO+C=Fe+CO的反應(yīng)。但是高爐內(nèi)固定碳與礦石的接觸面很小，直接進(jìn)行反應(yīng)的可能性不大。通

7、常認(rèn)為直接還原要通過兩步法進(jìn)行，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)如下：FeO+CO =Fe+CO2CO2+C=2CO即FeO+C=Fe+CO在上述反應(yīng)中，雖然FeO仍與CO反應(yīng)，但氣體產(chǎn)物CO2在高爐下部高溫區(qū)幾乎100%和碳發(fā)生氣化反應(yīng)，直接消耗碳。高爐內(nèi)出現(xiàn)間接還原和直接還原兩種方式碳的氣化反應(yīng)控制了間接還原過程中氣相的平衡成分。高爐內(nèi)煤氣流速很大，碳的氣化很難達(dá)到平衡，一般要在1100以上才開始劇烈進(jìn)行，所以高爐下部大于1100區(qū)域才是直接還原區(qū)。間接還原和直接還原以碳?xì)饣磻?yīng)開始溫度劃分。I間接還原區(qū)：小于800III 直接還原區(qū)：大于1100II過渡區(qū)：8001100高爐內(nèi)直接還原與間接還原的區(qū)域分布冶金

8、煉鋼鋼和生鐵都是鐵基合金，都含有碳、硅、錳、硫、磷五種元素。鋼和生鐵最根本的區(qū)別是含碳量不同，生鐵中含碳量大于2%，鋼中含碳量小于或等于2%。含碳量的變化引起鐵碳合金質(zhì)的變化。鋼的綜合性能，特別是機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度、韌性、塑性)比生鐵好得多，因而用途也比生鐵廣泛得多。因此，除約占生鐵總量10%的鑄造生鐵用于生產(chǎn)鐵鑄件外，約占生鐵總量90%的煉鋼生鐵要進(jìn)一步煉成鋼。煉鋼：通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質(zhì)，再根據(jù)對(duì)鋼性能的要求加入適量的合金元素。煉鋼的基本任務(wù)：脫碳：在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行氧化熔煉，把生鐵中的碳氧化降低到所煉鋼號(hào)規(guī)格范圍內(nèi)。去磷和去硫：把生鐵中的有害雜質(zhì)磷和硫降低到所煉鋼號(hào)規(guī)格范

9、圍內(nèi)。去氣和去非金屬夾雜物：把熔煉過程中進(jìn)入鋼液中的有害氣體(氫和氮)及非金屬夾雜物(氧化物、硫化物和硅酸鹽等)排除掉。脫氧與合金化：把氧化熔煉過程中生成的對(duì)鋼質(zhì)有害的過量的氧(以FeO形式存在)從鋼液中排除掉；同時(shí)加入合金元素，將鋼液中的各種合金元素的含量調(diào)整到所煉鋼號(hào)規(guī)格范圍內(nèi)。調(diào)溫：按照熔煉工藝的需要，適時(shí)地提高和調(diào)整鋼液溫度到出鋼溫度。澆注：把熔煉好的合格鋼液澆注成一定尺寸和形狀的鋼錠或連鑄坯，以便下一步軋制成鋼材，包括鑄錠或連續(xù)鑄鋼。煉鋼過程主要是氧化過程。冶金煉鋼基本原理元素的氧化順序：氧化順序與各元素與氧的親合力有關(guān)，與氧親和力強(qiáng)的元素可以?shī)Z得更多的氧，首先大量氧化；反之，被氧化

10、得慢。元素與氧親和力的強(qiáng)弱，常用該元素的氧化物分解壓力表示(PO2)，PO2越低，說明氧化物越穩(wěn)定，即生成該氧化物的元素越容易被氧化。T1400：Si、Mn、C、P、Fe1400T1530：C、Si、Mn、P、Fe實(shí)際生產(chǎn)中元素開始大量氧化的順序，并不完全由元素與氧親和力的大小順序決定，還受元素在鋼液中濃度的影響；當(dāng)供氧量不足時(shí)，它們被氧化的可能性與氧親和力的影響很大；如果供氧很足，每個(gè)與氣泡接觸的元素有機(jī)會(huì)與氧結(jié)合，因此，元素的含量多，被氧化的機(jī)會(huì)就多。在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼中供氧很充分，元素含量對(duì)元素氧化順序的影響就十分明顯。由吹煉過程中的金屬成分可知，吹煉一開始Fe、Si、Mn即大量氧化，而

11、碳的氧化少量發(fā)生，碳的大量氧化是在Si、Mn基本氧化完了，熔池的溫度上升之后。另外P、C不能同時(shí)氧化，但在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐操作中P往往與C同時(shí)氧化，并且吹煉前期P就被大量氧化去除，這是因?yàn)榍捌跍囟炔惶?，碳的氧化受到抑制，這時(shí)渣中(FeO)高，并有一定的堿度，且爐渣的流動(dòng)性好，這有利于P的去除。冶金煉鋼基本原理脫碳反應(yīng)貫穿于煉鋼全過程中的一個(gè)重要反應(yīng)。作用：生成的CO氣體排出時(shí)能夠攪動(dòng)熔池，促進(jìn)化渣和傳熱，均勻溫度和成分，加速金屬和爐渣之間的物化反應(yīng)，并能帶走鋼中的有害氣體，如氮，氫和非金屬夾雜物。C+O=CO+Q1 2C+O2=2CO+Q2 C+(FeO)=Fe+CO-Q3條件：提高溫度能促進(jìn)碳

12、與(FeO)的反應(yīng)，主要發(fā)生在熔煉的中期，此時(shí)，熔池溫度顯著升高；加入大量的礦石、含氧化鐵較多的氧化鐵皮或吹入氧氣等；改善爐渣的流動(dòng)性。冶金煉鋼基本原理硅的氧化和還原在煉鋼過程中，初期原料中的硅將迅速氧化，放出大量的熱，其反應(yīng)為：Si+2O=(SiO2) Si+O2=(SiO2) Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe堿性煉鋼法，加入石灰造渣，其反應(yīng)為：2(CaO)+(SiO2)=(Ca2SiO4)此時(shí)，隨渣(CaO)和(FeO)含量的增加，硅被迅速氧化至微量。相反在酸性鋼渣及高溫條件下，硅可從爐渣或爐襯中被還原而進(jìn)入金屬液體中。酸性煉鋼的爐渣主要是(FeO)-(MnO)-(SiO2)，其中

13、SiO2的含量為50%，處于飽和程度。則發(fā)生硅的還原反應(yīng)：2C+(SiO2)=Si+2CO降低爐渣的流動(dòng)性，減少爐渣中的氧化鐵的含量；增加金屬中碳、錳量；提高熔池的溫度，對(duì)硅的還原有利。冶煉過程中，鋼液中的含硅量取決于兩個(gè)相反過程的速度差：金屬液中硅被O或渣中(FeO)氧化速度；硅從爐渣或爐襯被還原進(jìn)入金屬液體中速度。冶金煉鋼基本原理錳的氧化和還原和硅一樣，錳與氧有強(qiáng)的親和力，很易被氧化。錳也通過與溶解在鋼液中的氧、氣相中的氧和爐渣中的氧化鐵發(fā)生相互作用而被氧化： Mn+O=(MnO)Mn+1/2O2=(MnO） Mn+(FeO)=(MnO)+Fe 煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐表明：在酸性渣煉鋼時(shí)，金屬液的氧

14、化較為完全，不會(huì)被還原，這是因?yàn)?MnO)屬于堿性氧化物，大部分(MnO)將與渣中的酸性氧化物(SiO2)反應(yīng)生成硅酸鹽(2MnSiO3)，使MnO降低，相反在堿性爐渣中大部分(MnO)多以自然狀態(tài)存在，所以錳易被還原。溫度越高，錳還原越明顯，煉鋼末期鋼液中的殘錳較高。鋼中碳也將促進(jìn)錳的還原： (MnO)+C=Mn+CO2煉鋼末期，往往用錳的還原情況來判斷熔池的溫度高低。冶金煉鋼基本原理脫磷反應(yīng)磷是有害元素，普通鋼0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼0.040%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼vk)冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。目的：為了得到馬氏體組織提高工件的硬度和耐磨性，如工具、模具、滾動(dòng)軸承等一些工件的淬火。提高彈簧

15、鋼的彈性極限?？筛纳颇承╀摰奈锢硇阅芎突瘜W(xué)性能，如提高不銹鋼的耐蝕性，增強(qiáng)磁鋼的永磁性等。淬火工藝淬火溫度選擇鋼的淬火溫度主要根據(jù)鋼的臨界溫度來確定。一般情況下，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上3050；共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上3050。在這樣的溫度范圍內(nèi)加熱，奧氏體晶粒不會(huì)顯著長(zhǎng)大，并溶有足夠的碳。淬火后可以得到細(xì)晶粒、高強(qiáng)度和高硬度的馬氏體組織。加熱時(shí)間的確定加熱時(shí)間包括兩個(gè)階段，即升溫階段和保溫階段。通常把鋼件入爐后爐溫達(dá)到淬火溫度的時(shí)間作為升溫階段，并以此作為保溫時(shí)間的開始；保溫階段是指鋼件完全熱透并完成奧氏體化所需的時(shí)間。加熱時(shí)間受鋼的化學(xué)成分、工件尺寸、形狀、裝

16、爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質(zhì)等因素的影響，可根據(jù)熱處理手冊(cè)中介紹的經(jīng)驗(yàn)公式來估算，也可由實(shí)驗(yàn)來確定。淬火冷卻方法為了保證淬火質(zhì)量，減少淬火應(yīng)力、變形與開裂的傾向，選擇淬火的冷卻方式是關(guān)鍵。為了獲得比較理想的淬火效果，需選擇適宜的淬火介質(zhì)和適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒?。淬火常用的冷卻介質(zhì)有水、鹽水、堿水和油等。淬火方法：?jiǎn)我捍慊痣p液淬火分級(jí)淬火等溫淬火預(yù)冷淬火冷處理不同淬火方法示意圖 1單液淬火；2雙液淬火；3，4分級(jí)淬火；5等溫淬火；6預(yù)冷淬火回火回火：將淬火后的鋼件重新加熱到Ac1線以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻至室溫的工藝。淬火后的工件硬度高，脆性大。淬火后工件組織中的馬氏體和殘余奧氏體都是不

17、穩(wěn)定相，而且淬火工件內(nèi)部殘留著淬火應(yīng)力。所以除某些特殊情況外，鋼在淬火后都要進(jìn)行回火?；鼗鹉康模航档痛嘈?，減小或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件產(chǎn)生變形與開裂。通過回火，可使馬氏體和殘余奧氏體充分分解，從而起到穩(wěn)定工件組織和尺寸的作用，以保證工件在使用過程中不再發(fā)生尺寸和形狀的變化。對(duì)于退火難以軟化的某些合金鋼，可在淬火或正火后采用高溫回火，使鋼中碳化物聚集長(zhǎng)大而降低硬度，以利于切削加工。淬火工件通過不同溫度的回火，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性，以滿足各種工件的需要?；鼗鸹鼗鸷箐摰慕M織與性能變化馬氏體分解在100以下回火時(shí)，淬火鋼的顯微組織沒有變化，但馬氏體中的碳原子已經(jīng)發(fā)生了偏聚，但未開始分解。

18、在100200回火時(shí)，馬氏體發(fā)生分解，固溶在馬氏體中的過飽和碳原子脫溶沉淀而析出分子式為Fe2.4C的碳化物。這種碳化物以細(xì)小的薄片形式均勻彌散地分布在馬氏體的基體上。由于加熱溫度低，馬氏體中的碳并未全部析出，仍含有過飽和碳(w(C)0.2%0.3%)。所以，在200以下回火后，鋼的組織是由過飽和的固溶體和碳化物組成，這種組織稱為回火馬氏體。殘余奧氏體的分解在200300回火時(shí)，主要轉(zhuǎn)變是殘余奧氏體分解，一般轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為下貝氏體或回火馬氏體。與此同時(shí)，馬氏體的分解繼續(xù)進(jìn)行，在300時(shí)，固溶體中仍含有約0.1% C。但值得注意的是這一階段的反應(yīng)僅在高碳鋼及合金鋼中進(jìn)行，低碳鋼中則不明顯。回火回火后

19、鋼的組織與性能變化滲碳體的形成在300400回火時(shí)，在低溫析出的亞穩(wěn)相碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的Fe3C，剛形成的滲碳體呈細(xì)條狀，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細(xì)顆粒。同時(shí)，碳從過飽和固溶體中繼續(xù)析出，達(dá)到平衡狀態(tài)，成為鐵素體。這時(shí)鋼的組織為在鐵素體基體上彌散地分布著細(xì)粒狀滲碳體，這種組織稱為回火屈氏體。在350500溫度范圍內(nèi)回火，組織一般都是回火屈氏體。滲碳體的聚集長(zhǎng)大及固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶在400以上回火，滲碳體顆粒逐漸發(fā)生球化和聚集長(zhǎng)大。在450以上回火，鐵素體開始發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀晶粒。500600回火時(shí)，滲碳體全部球化，且顆粒較粗，彌散度較小，這時(shí)鋼的組織為在鐵素體基體上分布著球狀滲

20、碳體，這種組織稱為回火索氏體。回火回火后鋼的組織與性能變化回火后的力學(xué)性能回火的本質(zhì)是由不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織。這種變化受到原子擴(kuò)散的制約，而擴(kuò)散能力的大小是由溫度來決定的，所以回火的溫度不同，獲得的組織不同，造成力學(xué)性能上的差異，從而滿足各種零件所要求的性能。淬火鋼回火后的力學(xué)性能取決于基體相和第二相的性質(zhì)。一般的說，隨著回火溫度的升高，硬度、強(qiáng)度降低，塑性、韌性提高。但回火溫度大于650，由于組織變得過分粗大又導(dǎo)致塑性降低?；鼗鸶鶕?jù)回火溫度分為低溫回火(150250)、中溫回火(350500)和高溫回火(500650)三種。低溫回火后獲得以回火馬氏體為主的組織。降低應(yīng)力和脆性，韌性有所提

21、高，保持工件具有高的硬度和耐磨性。應(yīng)用于各種工具、模具、量具以及其他要求硬而耐磨的零件等。中溫回火后所獲得的組織是回火屈氏體。具有高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性，主要應(yīng)用于各種彈簧、熱鍛模等。高溫回火獲得的組織是回火索氏體。目的是為了得到強(qiáng)度與塑、韌性良好配合的綜合力學(xué)性能。一般將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，簡(jiǎn)稱調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)鋼零件，特別是交變載荷下工作的零件，如汽車和拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、連桿螺栓、齒輪及軸等，也應(yīng)用于一些重要和精密工件的預(yù)先熱處理。調(diào)質(zhì)處理后鋼的硬度取決于回火溫度，并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)。同正火相比，在硬度相同的情況

22、下，調(diào)質(zhì)后鋼的屈服強(qiáng)度、塑性和韌性明顯地提高，因此重要的零件不采用正火，而要進(jìn)行調(diào)質(zhì)。焊接把兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件(或毛坯)連接成所需要的結(jié)構(gòu)(或零件)。連接方法主要有焊接、螺栓連接、鉚釘連接、膠接等。焊接：通過加熱或加壓，或兩者并用，使用或不使用填充材料，使焊件達(dá)到原子間結(jié)合的加工方法。焊接方法可分為熔化焊、壓力焊和釬焊三類。熔化焊：使被連接的構(gòu)件局部加熱熔化成液體，然后冷卻結(jié)晶成一體的方法。為實(shí)現(xiàn)熔化焊，關(guān)鍵是要有一個(gè)能量集中、溫度足夠高的加熱熱源。它是目前應(yīng)用最廣泛的一類焊接方法，按熱源形式不同，熔化焊的基本方法有：氣焊、電弧焊、電渣焊、電子束焊及激光焊等。壓力焊：焊接過程中，必須對(duì)焊接施

23、加壓力(加熱或不加熱)以完成焊接的方法。壓力焊接的基本方法有：電阻焊、冷壓焊、摩擦焊、超聲波焊、爆炸焊、鍛焊等。釬焊：采用熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料(填充金屬)熔化之后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。釬焊常用的方法有銅焊、錫焊及銀焊等。焊接冶金基礎(chǔ)電弧焊為例：焊接區(qū)在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，要?jīng)受加熱、熔化、冶金反應(yīng)、結(jié)晶、冷卻、固態(tài)相變等一系列復(fù)雜的過程，這些過程又是在溫度、成分及應(yīng)力極不平衡的條件下發(fā)生，就像在小型電弧爐中煉鋼一樣，熔化的金屬在熔池中進(jìn)行著氧化、還原、造渣、合金化等一系列的物理化學(xué)過程。焊接冶金過程特點(diǎn)：溫度遠(yuǎn)高于一般的冶煉溫度：在焊接碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度

24、結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，熔滴的平均溫度約2300，熔池在1600以上，高于普通冶金溫度。使金屬元素強(qiáng)烈蒸發(fā)，并使電弧區(qū)的氣體分解成原子狀態(tài)，增大了氣體的活潑性，導(dǎo)致金屬燒損或形成有害雜質(zhì)。冷卻速度快：熔池體積小，周圍又是冷金屬，熔池處于液態(tài)的時(shí)間很短，一般在10s以下，各種化學(xué)反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài)，致使化學(xué)成分不均勻，氣體和雜質(zhì)來不及浮出，從而易產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。焊接冶金基礎(chǔ)在焊接過程如果不加以保護(hù)，空氣中的氧、氮和氫等氣體就會(huì)侵入焊接區(qū)，并在高溫作用下分解成原子狀態(tài)的氧、氮和氫，與金屬元素發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，其反應(yīng)式如下：Fe+OFeO4FeOFe3O4+FeC+OCO C+FeOFe+COMn

25、+OMnO Mn+FeOFe+MnOSi+2OSiO2Si+2FeO2Fe+SiO2反應(yīng)的結(jié)果是鋼中的一些元素被氧化，熔池中碳、錳、硅等大量燒損形成FeO、SiO2、MnO、SiO2等熔渣，當(dāng)熔池迅速冷卻后，一部分氧化物殘留在焊縫中形成夾渣，顯著降低焊縫的力學(xué)性能。氫和氮在高溫時(shí)能溶于液態(tài)金屬內(nèi)，氮和鐵還可形成Fe2N、Fe4N。冷卻后，一部分氮保留在鋼中，F(xiàn)e4N則呈片狀?yuàn)A雜物留在焊縫中，使焊縫的塑性和韌性下降。氫的存在則引起氫脆，促進(jìn)冷裂紋的產(chǎn)生，并容易形成氫氣孔。焊接冶金基礎(chǔ)焊接過程中必要措施。造成有效的保護(hù)，限制空氣侵入焊接區(qū)。焊條藥皮、埋弧自動(dòng)焊的焊劑以及保護(hù)氣體都能起到這個(gè)作用，如

26、焊條藥皮能產(chǎn)生CO2氣體和熔渣，將熔化金屬和空氣隔絕以防止空氣的侵入。氣體保護(hù)焊的保護(hù)氣體雖然不能補(bǔ)充合金元素，但能起到良好的保護(hù)作用。滲入有用合金元素以保證焊縫的化學(xué)成分。如在焊條藥皮(或焊劑)中加入錳鐵等鐵合金和金屬粉，焊接時(shí)可過渡到焊縫金屬中、以彌補(bǔ)有用合金元素的燒損，甚至可增加焊縫金屬的某些合金元素，以提高焊縫金屬的性能。進(jìn)行脫氧、脫硫和脫磷。焊接時(shí)熔化金屬除可能被空氣侵入外，還可能被工件表面的鐵銹、油污、水分或保護(hù)氣中分解出來的氧所氧化，所以在焊前必須清除工件表面的鐵銹、油污和水分，同時(shí)還應(yīng)在焊條藥皮(或焊劑)中加入錳鐵、硅鐵等進(jìn)行脫氧、脫硫和脫磷。焊接接頭的組織與性能焊接接頭由焊縫

27、區(qū)和焊接熱影響區(qū)組成。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域的組織焊接接頭不同區(qū)域所獲得的組織：左下部是焊件的橫截面，上部是相應(yīng)各點(diǎn)在焊接過程中被加熱達(dá)到的最高溫度曲線。顯然，距焊縫中心越遠(yuǎn)，溫度越低。1-2、2-3、3-4等各段組織性能的變化可用右側(cè)所示的部分Fe-Fe3C合金狀態(tài)圖來對(duì)照分析。焊接接頭的組織與性能焊接接頭由焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)組成。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域的組織焊縫區(qū)：在焊接接頭橫截面上測(cè)量的焊縫金屬的區(qū)域。焊接熱源向前移去后，熔池液體金屬迅速冷卻結(jié)晶，結(jié)晶從熔池底部未熔化的半個(gè)晶粒開始，垂直熔合線向熔池中心生長(zhǎng)，呈柱狀樹枝晶。焊縫組織是液體金屬結(jié)晶的鑄態(tài)組織，晶粒粗大、成分偏析且組織不致密

28、。但由于熔池小、冷卻快，化學(xué)成分控制嚴(yán)格，碳、硫、磷都較低，并含有一定合金元素，故可使焊縫金屬的力學(xué)性能不低于母材。對(duì)低碳鋼而言，冷卻速度越大，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度越低，熔池結(jié)晶后的組織就越細(xì)，珠光體的含量增多而鐵素體的含量卻減少，加之焊條添加合金元素，結(jié)果焊縫金屬的強(qiáng)度和硬度都有所提高，而塑性和韌性卻略有降低。焊接接頭的組織與性能焊接接頭由焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)組成。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域的組織熱影響區(qū)：焊接或切割時(shí)，材料因受到焊接熱的作用(未熔化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)。以低碳鋼為例，熱影響區(qū)可分為：熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)等。熔合區(qū)：又稱半熔化區(qū)，是焊縫向熱影響

29、區(qū)過渡的區(qū)域。其加熱溫度處于液相線和固相線之間。焊接過程中，部分金屬被熔化。熔化的金屬凝固成鑄態(tài)組織，未熔化的金屬因加熱溫度過高而形成過熱的粗晶組織，所以此區(qū)域塑性和沖擊韌性很差，常常是裂紋和局部脆性破壞的發(fā)源地。在低碳鋼焊接接頭中，這一區(qū)域較窄(約0.11 mm)。過熱區(qū)：又稱粗晶區(qū)，是鄰近熔合區(qū)外側(cè)的區(qū)域。其溫度為固相線至1100之間。由于溫度高，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，冷卻后得到過熱的粗晶組織，因此塑性和沖擊韌性急劇降低，也是焊接接頭的一個(gè)薄弱的區(qū)域。正火區(qū)(完全重結(jié)晶區(qū))：熱影響區(qū)內(nèi)相當(dāng)于受到正火熱處理的區(qū)域，處于過熱區(qū)外側(cè)。其溫度為1100至A3線之間。冷卻后，得到細(xì)小均勻的鐵素體和珠光

30、體組織，其力學(xué)性能優(yōu)于母材，是焊接接頭力學(xué)性能最好的區(qū)域。但從整個(gè)焊接接頭來看，由于此區(qū)狹窄，對(duì)提高焊接接頭性能作用不大。部分相變區(qū)(不完全重結(jié)晶區(qū))：熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生部分相變的區(qū)域，處于正火區(qū)外側(cè)。其溫度為A3線至A1線之間。此區(qū)域在受到焊接加熱時(shí)，原始組織中的珠光體和部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體，并殘留一部分未轉(zhuǎn)變的鐵素體。冷卻以后，未轉(zhuǎn)變的鐵素體部分成為粗大的鐵素體，奧氏體部分則轉(zhuǎn)變成細(xì)小的鐵素體和珠光體。由于組織不均勻，力學(xué)性能比正火區(qū)稍差。焊接接頭的組織與性能焊接熱影響區(qū)的金相組織和力學(xué)性能直接影響到焊接接頭的性能。正火區(qū)性能最好，部分相變區(qū)次之，熔合區(qū)和過熱區(qū)性能最差。一些焊接結(jié)構(gòu)的破壞事

31、故中，斷裂部位多數(shù)都發(fā)生在熱影響區(qū)的熔合區(qū)或過熱區(qū)，而并不是發(fā)生在焊縫上。在熔化焊中，通過選擇焊接方法、焊接規(guī)范、接頭形式及焊后的冷卻速度等途徑，控制熱影響區(qū)的范圍大小和組織性能的變化程度，把不利影響降低到最小范圍。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域的組織焊接接頭的組織與性能改善焊接熱影響區(qū)組織和性能方法對(duì)于低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，由于材料本身塑性良好，只要結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，又不承受過大的載荷，則焊接熱影響區(qū)的存在并不影響使用性能。對(duì)于低碳合金焊接結(jié)構(gòu)或用電渣焊焊接的結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)較大，焊后必須進(jìn)行熱處理。通?？捎谜鸬姆椒?，細(xì)化晶粒，均勻組織，改善焊接接頭的質(zhì)量。對(duì)于焊后不能進(jìn)行熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，只能通過正確選擇焊接

32、方法，合理制定焊接工藝來減小焊接熱影響區(qū)，以保證焊接質(zhì)量。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域的組織常用焊接方法手工電弧焊埋弧自動(dòng)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊氬弧焊電渣焊電阻焊釬焊手工電弧焊手工電弧焊：利用電弧放電時(shí)產(chǎn)生的熱量來熔化焊條和焊件，從而獲得牢固接頭的焊接過程。焊接電?。涸趦呻姌O之間的氣體介質(zhì)中強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。為產(chǎn)生電弧，必須使兩電極氣體空間導(dǎo)電，焊接電弧的引燃是一個(gè)使電極發(fā)射電子并使氣體介質(zhì)電離的過程。接觸引?。合葘㈦姌O(碳棒、鎢極或焊條)和焊件接觸形成短路，此時(shí)在某些接觸點(diǎn)上產(chǎn)生很大的短路電流，溫度迅速升高，為電子的逸出和氣體電離提供能量條件；而后將電極提起一定距離(5mm)，在電場(chǎng)力的作用下，

33、被加熱的陰極有電子高速逸出，撞擊空氣中的中性分子和原子，使空氣電離成陽(yáng)離子、陰離子和自由電子。這些帶電粒子在外電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)：陽(yáng)離子奔向陰極，陰離子和自由電子奔向陽(yáng)極。在它們的運(yùn)動(dòng)過程中，不斷碰撞和復(fù)合，產(chǎn)生大量的光和熱，形成電弧。非接觸引弧焊接電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)三部分組成。陰極區(qū)溫度約為2400K，放出的熱量占電弧總熱量的36%左右；陽(yáng)極區(qū)溫度約為2600K，放出的熱量占電弧總熱量的43%左右；弧柱區(qū)中心溫度最高，可達(dá)到60008000K，放出的熱量占電弧總熱量的21%左右。手工電弧焊手工電弧焊過程：用手持焊鉗夾持焊條與工件之間產(chǎn)生的電弧將焊條和工件局部加熱熔化，焊芯端部熔化后

34、的熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池，焊條藥皮熔化后形成熔渣并放出氣體。在氣、渣的聯(lián)合保護(hù)下，可防止空氣的侵入，有效地排除了周圍空氣的有害影響。當(dāng)焊條向前移動(dòng)時(shí)，焊條和工件在電弧熱作用下繼續(xù)熔化形成新的熔池，原先的熔池液態(tài)金屬則逐步冷卻結(jié)晶形成焊縫，覆蓋在熔池表面的熔渣也隨之凝固形成渣殼。手工電弧焊主要應(yīng)用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、低溫用鋼、銅及銅合金等金屬材料的焊接以及鑄鐵補(bǔ)焊和各種材料的堆焊。手工電弧焊過程示意圖1焊縫；2渣殼；3熔池；4保護(hù)氣體；5焊條藥皮；6焊芯；7熔滴；8工件手工電弧焊焊條藥皮的作用：保護(hù)作用：在電弧熱的作用下，藥皮熔化形成熔渣并產(chǎn)生某些氣體。熔渣和這些氣體聯(lián)

35、合起來使熔滴、熔池和焊接區(qū)與空氣隔離，防止氫氣等有害氣體侵入的保護(hù)作用。冶金作用：焊接過程中，熔渣與熔池金屬相互作用進(jìn)行冶金反應(yīng)，其結(jié)果是去除有害雜質(zhì)(如氧、氫、硫、磷等)，并向焊縫中添加有益的合金元素(如錳、鈦、鋁、釩、鈮等)，使焊縫具有較為理想的化學(xué)成分，較高的力學(xué)性能和良好的抗氣孔及抗裂性能。使焊條具有良好的工藝性能：焊條藥皮可以使電弧容易引燃并能穩(wěn)定地連續(xù)燃燒；焊接飛濺少；焊縫成形美觀；焊縫易于脫渣及可適用于各種空間位置的施焊。手工電弧焊過程示意圖1焊縫；2渣殼；3熔池；4保護(hù)氣體；5焊條藥皮；6焊芯；7熔滴；8工件焊條由藥皮和焊芯兩部分組成。藥皮是焊條中壓涂在焊芯外表面的涂料層。焊芯

36、就是焊條中被藥皮包覆的金屬芯。焊接時(shí)，焊芯既是電極，又可填充金屬，因此，焊芯的化學(xué)成分和性能對(duì)焊縫金屬有著直接的影響。根據(jù)被焊金屬的種類，選擇相應(yīng)牌號(hào)的焊絲作為焊芯。埋弧自動(dòng)焊埋弧焊：電弧埋在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接。應(yīng)用最多的是埋弧自動(dòng)焊。埋弧自動(dòng)焊的焊接過程：焊接時(shí)，先在焊接接頭上面覆蓋一層顆粒狀焊劑，自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭將光焊絲自動(dòng)送入電弧區(qū)并保證一定的弧長(zhǎng)；電弧引燃以后，在焊劑層下燃燒，使焊絲、母材和部分焊劑熔化，形成熔渣和熔池并進(jìn)行冶金反應(yīng)。同時(shí)少量焊劑和金屬蒸發(fā)形成蒸氣，并具有一定的蒸氣壓力，在蒸氣壓力作用下形成一個(gè)封閉的熔渣泡，包圍著電弧和熔池，使之與空氣隔絕，對(duì)熔滴和熔池起到保護(hù)作用，同時(shí)

37、也防止了金屬的飛濺，減少了電弧熱量的損失，阻止了弧光散射。隨著自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭向前移動(dòng)(或者自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭不動(dòng)，工件勻速運(yùn)動(dòng))，焊絲、焊劑和母材不斷熔化，熔池后面的金屬不斷冷卻凝固形成連續(xù)焊縫，浮在熔池上部的熔渣冷凝成渣殼。未熔化的焊劑經(jīng)回收處理后可繼續(xù)使用。埋弧自動(dòng)焊示意圖1工件；2焊劑；3焊劑漏斗；4送絲滾輪；5焊絲；6導(dǎo)電嘴；7渣殼；8焊縫埋弧自動(dòng)焊縱截面1焊縫；2熔池；3工件；4電??；5焊絲；6焊劑；7已熔化的焊劑；8渣殼二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊：簡(jiǎn)稱CO2焊，利用CO2氣體作為保護(hù)氣體焊接。用焊絲作為電極，靠焊絲和工件之間產(chǎn)生的電弧熔化焊絲和焊件，以自動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行焊接。目

38、前應(yīng)用較多的是半自動(dòng)焊，即焊絲送進(jìn)靠送絲機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行，由焊工手持焊具進(jìn)行焊接操作。CO2焊的焊接裝置和焊接過程：焊絲由送絲機(jī)構(gòu)通過軟管經(jīng)導(dǎo)電嘴送出，CO2氣體從噴嘴中以一定流量噴出，電弧引燃后，焊絲末端、熔滴及熔池被CO2氣體所包圍，防止空氣侵入，可對(duì)焊接區(qū)域起保護(hù)作用。CO2氣體密度較大，被電弧加熱分解成CO和O，發(fā)生體積膨脹，所以可隔絕空氣，對(duì)熔化金屬起到良好的保護(hù)作用。但CO2是氧化性氣體，所分解的CO和O使鋼中的碳、錳、硅及其他合金元素嚴(yán)重?zé)龘p，影響焊縫的力學(xué)性能。同時(shí)溶解在金屬液中的氧和碳反應(yīng)生成的CO氣體在高溫下劇烈膨脹易造成強(qiáng)烈的飛濺，且CO殘留在焊縫中可能形成氣孔。為了保證焊縫

39、的合金化，防止氣孔和飛濺，需采用含錳、硅較高的低碳鋼焊絲或含有相應(yīng)合金元素的合金鋼焊絲及專用的直流電源。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接裝置1焊炬噴嘴；2導(dǎo)電嘴；3送絲軟管；4送絲機(jī)構(gòu)；5焊絲盤；6流量計(jì)；7減壓器；8 CO2氣瓶；9電焊機(jī)氬弧焊氬弧焊：以氬氣作為保護(hù)氣體的焊接方法。氬氣是一種惰性氣體，高溫下它既不與金屬起化學(xué)反應(yīng)，也不溶于金屬中。因此可以避免焊縫金屬中的合金元素?zé)龘p及由此帶來的其他焊接缺陷，使冶金反應(yīng)變得簡(jiǎn)單和容易控制，為獲得高質(zhì)量的焊縫提供了良好的條件。根據(jù)所用的電極不同，氬弧焊可分為非熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊兩種。氬弧焊示意圖 1焊絲或電極；2導(dǎo)電嘴；3噴嘴；4進(jìn)氣管；5氬氣流；

40、6電??；7工件；8填充焊絲；9送絲滾輪非熔化極氬弧焊：以高熔點(diǎn)的鎢棒作為電極，又稱為鎢極氬弧焊。焊接時(shí)鎢極不熔化，只作一個(gè)電極以產(chǎn)生電弧。填充金屬(焊絲)從電弧前方送入。熔化極氬弧焊：以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為電極及填充金屬。由于不存在鎢極熔化問題，可以采用高密度電流，因而母材熔深大，填充金屬熔敷速度快，焊接厚板時(shí)生產(chǎn)率高，變形小。非熔化極氬弧焊熔化極氬弧焊電渣焊電渣焊：利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源來熔化金屬進(jìn)行焊接。焊接過程：焊件接頭垂直放置(呈立焊縫)，中間留有2040 mm間隙，兩側(cè)裝有水冷銅塊(強(qiáng)迫成形裝置)，底部加裝引弧板，頂部加裝引出板，這樣在焊接部位就組成了一個(gè)封閉的空間。焊接時(shí)，先將部分顆粒狀焊劑放進(jìn)焊接接頭間晾中，然后送進(jìn)焊絲并與引弧板短路起弧，電弧將不斷加入的焊劑熔化成熔渣。當(dāng)熔渣液面升到一定高度時(shí)，迅速送進(jìn)焊絲，并降低焊接電壓，使電弧熄滅，于是轉(zhuǎn)入電渣焊過程。此時(shí)，焊接電流從焊絲端部經(jīng)過熔渣時(shí)產(chǎn)生大量的電阻熱(溫度可達(dá)到16002000)，將連續(xù)送進(jìn)的焊絲和焊件接頭邊緣金屬迅速熔化，形成熔池。隨著焊絲不斷送進(jìn)，熔池逐漸上升，冷卻銅塊上移，熔池底部逐漸凝固形成焊縫，