焊絲及選用-山東大學課程中心課件

焊接冶金學－材料焊接性

主講教師：李亞江

（山東大學教授、博士生導師）yajli@

第1章概述

關(guān)于《焊接冶金學——材料焊接性》課程一、研究對象（從焊接角度）研究材料的特性，包括焊接性、焊接工藝、焊接材料、焊接工程應用；重點講述：4大傳統(tǒng)材料的焊接二、學習方法采用啟發(fā)式教學。只講述要點、難點、突出重點；啟發(fā)學生們多思考、擴大視野，培養(yǎng)學生獨立歸納整理和獨立分析的能力。

關(guān)于所用的教材本課程教材的演變1980－1989，《金屬熔焊原理及工藝》上、下冊（張文鉞、周振豐）1990－1999，《焊接冶金及金屬焊接性》張文鉞、周振豐2000－2005，《焊接冶金學—基本原理》張文鉞（天津大學）

《焊接冶金學—金屬焊接性》周振豐（吉林工業(yè)大學）2006—至今，《焊接冶金學—基本原理》杜則裕（天津大學）

《焊接冶金學—材料焊接性》李亞江（山東大學）

本課程的任務、內(nèi)容和要求教學目的和任務本課程是普通高?！安牧铣尚闻c控制工程、材料加工工程（焊接方向）”教學體系中的主干課程，是一門重要的專業(yè)課。

培養(yǎng)學生對主要工程材料進行焊接性分析的基本方法，為學生從事“材料成形與控制工程、材料加工工程（焊接方向）或其他相關(guān)學科”領(lǐng)域的技術(shù)工作打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。

教學內(nèi)容

從焊接性角度研究工程材料的基本特性，了解材料焊接的基本原理和概念，分析四大傳統(tǒng)材料和先進材料的焊接性特點和工藝要點。針對具體材料，了解選擇焊接方法、焊接材料和制定焊接工藝的基本原則及方法。

教學要求1）學生應在完成有關(guān)基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)上，進行本課程的學習。2）培養(yǎng)學生獨立學習、歸納整理和分析問題的能力。使學生結(jié)合具體材料了解基本的焊接工藝要求，初步具備分析和解決焊接技術(shù)問題的能力。3）保證課時要求、認真聽課和作筆記、完成教學實驗和考試（考查）要求。

1.1材料的發(fā)展及應用歷史上，石器時代、青銅器時代、鐵器時代，都是以材料為標志劃分的。但人們要把材料結(jié)合成整體結(jié)構(gòu)才能更好地使用。因此，材料和結(jié)合手段就一直密不可分，而且彼此相互促進，不斷地發(fā)展。20世紀初，電弧技術(shù)用于鋼鐵產(chǎn)品，促使焊接和鋼結(jié)構(gòu)應用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。進入21世紀僅短短幾年，我國鋼產(chǎn)量已突破5億噸，成為世界第一大產(chǎn)鋼國。鋼的品種和質(zhì)量也在迅速發(fā)展和提高，對焊接質(zhì)量和效率提出了更高的要求，材料加工、焊接工作者的任務將更加繁重和光榮。

“二戰(zhàn)”中，美國在制造鋼船時用焊接代替了鉚接，以至“二戰(zhàn)”結(jié)束后，美國海軍部長在總結(jié)報告中說：“若沒有焊接，就不可能在這樣短的時間內(nèi)建造一支為贏得這場戰(zhàn)爭起到重要作用的龐大艦隊?！辈牧虾附拥闹匾赃€可以引伸到其他裝備，例如坦克、飛機等。

低合金鋼的發(fā)展及焊接應用普通低合金鋼、低合金高強鋼、不銹鋼及耐熱鋼有色金屬的的發(fā)展及焊接應用鋁、銅、鈦及其合金先進材料的發(fā)展及焊接應用先進陶瓷、金屬間化合物、復合材料

1.低合金鋼的發(fā)展及焊接應用熱軋及正火鋼、控軋鋼、低（中）碳調(diào)質(zhì)鋼等鍋爐壓力容器用鋼、艦船用低合金鋼橋梁、建筑、工程機械用低合金鋼管線鋼、低溫鋼和低合金耐熱鋼

低合金鋼的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段20世紀20年代以前，鋼結(jié)構(gòu)制造主要采用鉚接，設(shè)計參數(shù)是σb。鋼的強化主要靠碳以及單一合金元素，如Mn、Si、Cr等，含量2%~3%，甚至更高些。20世紀20~60年代，鋼結(jié)構(gòu)制造逐步采用了焊接技術(shù)，設(shè)計參數(shù)要考慮材料σs、AKV和焊接性。為了防止焊接裂紋，鋼的成分向低碳多元合金化方向發(fā)展，C含量0.2%以下，含2~4個有利于焊接性的合金元素并輔以熱處理強化等工藝措施。20世紀70年代以后，低合金高強鋼得到快速發(fā)展，鋼中C含量降低到0.1%以下，有的鋼向超低碳含量發(fā)展。Ti、V、Nb等微合金元素引起關(guān)注，向多元復合合金化方向發(fā)展。

還在低合金鋼發(fā)展的第二階段，人們就已認識到，單靠合金化的作用改善低合金鋼的性能是有限的。隨著社會發(fā)展，低合金高強鋼的使用范圍不斷擴大，經(jīng)濟性問題日益突出。采用新技術(shù)是提高低合金鋼綜合性能和改善性價比的有效途徑。但是，技術(shù)進步的作用只有在低合金鋼發(fā)展的第三階段才明顯地發(fā)揮出來。鋼的強化方式有多種，主要有：固溶強化、沉淀強化、位錯強化、熱處理強化、細晶強化等。在這些強化方式中，除了細晶強化是同時提高強度和韌性的強化手段外，其他的強化方式都是在強度提高到一定程度后，韌性往往會下降。Hall-Petch關(guān)系式是細晶強化的理論依據(jù)，即，式中：σ0為鐵素體晶格摩擦力；K為常數(shù)，d為晶粒直徑，此時晶粒直徑是廣義的，對鐵素體是晶粒直徑，對貝氏體和板條馬氏體則是板條尺寸。上式表明，隨著晶粒細化，屈服強度σs提高。隨著晶粒變細，鋼材的屈服強度隨其-1/2次方增加。同時，韌性也明顯增加。

按傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的低合金結(jié)構(gòu)鋼，著重于鋼材本身的性能，偏重于脫氧提純、加工成形和相變熱處理。近十幾年來，國內(nèi)外特別注重從冶金角度入手從根本上解決鋼的焊接性問題。通過采用低碳微合金化、控軋控冷（TMCP）等冶金和工藝措施，可以生產(chǎn)強韌性好、焊接性優(yōu)良的管線鋼、橋梁鋼、壓力容器鋼等，并獲得應用。

當前鋼鐵材料的發(fā)展已經(jīng)達到相當高的水平，單純采用傳統(tǒng)的調(diào)整化學成分和熱處理工藝來提高鋼的性能和發(fā)展新材料的潛力不大，必須依靠先進的工藝和制造技術(shù)，以達到大幅度提高材料性能的目的。

這些先進的工藝和制造技術(shù)主要包括：1)采用控軋控冷、控制雜質(zhì)含量和多元微合金化生產(chǎn)新型高強度鋼；2)采用定向結(jié)晶、微晶化控制凝固過程生產(chǎn)用于制造渦輪葉片的高溫合金；3)采用機械合金化生產(chǎn)具有優(yōu)異性能的新型合金，如高熔點氧化物彌散強化的超級合金，壽命比同類高溫合金延長10倍以上。2008奧運會主體育場（鳥巢），用鋼4.19萬噸，采用Q460E-Z35厚板鋼結(jié)構(gòu)，厚度達110m，在國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中應用屬首例。

衛(wèi)星燃料箱

精密不銹鋼零部件的焊接

2.有色金屬的發(fā)展及焊接應用鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金

有色金屬種類很多，在制造業(yè)和經(jīng)濟建設(shè)中應用十分廣泛。全世界金屬材料的總產(chǎn)量約8億t，其中有色金屬材料約占5％，處于補充地位。但有色金屬的特殊作用卻是鋼鐵材料無法代替的。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，有色金屬的應用越來越多，從原來的航空航天部門逐漸擴展到電子、信息、汽車、交通、輕工等民用領(lǐng)域。有色金屬焊接結(jié)構(gòu)也引起人們越來越多的關(guān)注。地殼中含量最高的鋁、鎂均為有色金屬，其他有色金屬還有銅、鈦、鋅、錫、鎳、鉬等，涉及到結(jié)構(gòu)材料、功能材料、環(huán)境保護材料和生物材料等。

鋁制油冷器鋁制散熱器

時速300高速列車銅-鋼EBW

新世紀對材料提出新的要求資源豐富環(huán)境保護節(jié)約能源

輕質(zhì)高強新材料

三大工程材料的可開采年限

MgAl鋼鐵

可開采年限鎂的規(guī)模開發(fā)應用是實現(xiàn)材料領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢

鎂合金的應用

汽車、摩托車零部件

3.先進材料的發(fā)展及焊接應用先進材料是指除常規(guī)鋼鐵和有色金屬之外已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金屬間化合物和復合材料等。先進材料的開發(fā)和應用是發(fā)展高新技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，先進材料的研發(fā)是多學科相互滲透的結(jié)果，世界各發(fā)達國家都對先進材料的研發(fā)非常重視。焊接技術(shù)對其推廣應用起著至關(guān)重要的作用。先進材料根據(jù)其使用性能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。許多高性能新型結(jié)構(gòu)材料主要為開發(fā)能源、海洋、空間技術(shù)、交通以及冶金、電力、石化等工業(yè)所需而研制的，這些材料具有高強度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點。

工程材料的發(fā)展趨勢

近年來備受關(guān)注的三類先進材料陶瓷材料（特別是高技術(shù)陶瓷）金屬間化合物（Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al）復合材料（金屬基、陶瓷基、C/C復合材料等）

（1）先進陶瓷先進陶瓷在組成、性能、制造工藝和應用等方面都與傳統(tǒng)陶瓷截然不同。組成已由原來的SiO2、Al2O3、MgO等發(fā)展到了Si3N4、SiC、ZrO2等。粉末制備工藝已由簡單的磨制發(fā)展為物理、化學方法制備的超細粉末。燒結(jié)方法已由普通的大氣燒結(jié)發(fā)展到在控制氣氛（N2）中熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和微波燒結(jié)等先進的燒結(jié)方法，使之具有特定的精細組織結(jié)構(gòu)和性能。先進陶瓷是現(xiàn)代工程中不可缺少的重要材料，焊接技術(shù)對于推動先進陶瓷在工程中的應用起著極為重要的作用。先進陶瓷突出的優(yōu)點是能耐更高的溫度，是一種非常好的高溫材料。但由于其固有的脆性而使其應用受到很大的限制，焊接難度很大。目前，陶瓷已用于制做個別的機械零件和切削刀具，但其發(fā)展?jié)摿艽?，特別是在新能源、航天以及海洋開發(fā)等特殊領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

（2）金屬間化合物

（一種很有發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料）

特殊的晶體結(jié)構(gòu)使金屬間化合物具有獨特的物理、化學和力學性能，作為高溫結(jié)構(gòu)材料獨具特點，特別是Ni3Al金屬間化合物的強度隨溫度的升高不是連續(xù)下降，而是逐漸升高后才開始下降。這種反常的強度－溫度關(guān)系引起了眾多研究者的興趣。由于金屬間化合物的脆性問題未得到解決，對這種材料的實用性開發(fā)在相當長的時間內(nèi)停滯不前。20世紀70年代后期，日本發(fā)現(xiàn)加入B可以大大提高Ni3Al金屬間化合物的塑性，這使人們重新看到了研究金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的希望和前景，并取得了較大進展。其中Ni-Al系、Ti-Al系和Fe-Al系金屬間化合物的開發(fā)正逐步趨于成熟，應用也日益廣泛。近年來，Ni3Al、Ti3Al的合金化、制備工藝、組織結(jié)構(gòu)控制等取得了較大的進展，為在航空、航天工業(yè)中的應用奠定了良好的基礎(chǔ)。Fe3A1金屬間化合物的制備工藝、結(jié)構(gòu)和性能也獲得進展。Fe3A1的塑性和強度得到改善，并能滿足在發(fā)動機零部件、電磁元件、熔爐高溫裝置以及航空航天、電力等產(chǎn)業(yè)部門中的應用要求。

（3）先進復合材料復合材料的開發(fā)應用克服了單一材料所固有的局限性。自20世紀40年代玻璃纖維增強樹脂的玻璃鋼問世以來，復合材料已經(jīng)發(fā)展了三代。航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展推動了高比強、高彈性模量、高韌性和耐高溫的先進復合材料的發(fā)展。第三代先進復合材料除了高性能的樹脂基復合材料外，還包括了金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳纖維增強的碳-碳復合材料等。金屬基復合材料正在逐步工業(yè)化和應用。其中鋁基復合材料發(fā)展較成熟，已成功應用于航空、航天和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域。SiC顆粒增強的鋁合金由于質(zhì)量輕（僅為鋼1/3），彈性模量比鋁合金高很多，價格與鋁合金相當，僅為鈦合金的1/5，因此，在金屬基復合材料中發(fā)展最快，應用最廣，如汽車工業(yè)和機械工業(yè)都已大規(guī)模應用。但鋁基復合材料的焊接技術(shù)還難以滿足要求。發(fā)展陶瓷復合材料是解決陶瓷本身脆性的有效措施。在陶瓷復合材料中纖維通過分散裂紋前端的應力集中，改變裂紋的走向和終止裂紋的擴展，起補強增韌作用。由于陶瓷復合材料要求能在更高的溫度下使用，因此對增韌材料、成形工藝和界面設(shè)計等要