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IWE材料复习提纲

材料部分复习提纲

材料及材料焊接行为在基础课程和主课程中都涉及到，此部分需要掌握金属材料的基本知识和焊接冶金基本知识，更需要掌握常用的金属材料性能及其焊接性。

基本知识内容包括：

铁碳相图及相关知识、焊接裂纹及焊接性、材料及接头热处理、金属材料特性及其试验方法。

具体金属材料要从以下几个方面了解这种材料：

标准、标记方法、典型钢种、化学成分、机械性能、材料特性、焊接性、焊接材料的选择、焊接工艺要点。

本部分涉及到的标准有：

材料的分类和标记体系、每种材料的标准和标记方法、焊接填充材料的标准和标记。

1、材料基础知识

——金属结构、铁碳合金、铁碳相图

金属材料中常见的晶格形式

纯铁的结晶过程

置换固溶体、间隙固溶体、金属化合物

共晶相图、包晶相图

铁碳合金相图中各特征点的意义

铁素体、奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体、莱氏体、渗碳体，魏氏组织

共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁

钢的冷却转变，TTT曲线，CCT曲线

——焊接冶金

焊接接头构成和各区的特点

焊接裂纹的种类和形成机理

焊接接头断裂形式和裂纹试验

——热处理

热处理种类、作用

正火、淬火、回火、调质、消除应力退火、时效强化、固溶处理

——金属材料性能，试验方法，材料特征值

强度、塑性、韧性、硬度、导热性、热膨胀性、耐腐蚀性

2、钢的工业生产

——高炉炼铁过程

还原过程，焦碳既作为燃料又作为还原剂，成品为生铁。

——炼钢过程

基本氧化过程，由生铁炼成钢要求去除不期望存在的铁的伴生杂质，如碳、硅、锰、磷和硫。

精炼方法：

酸性转炉炼钢法、平炉炼钢法、电炉炼钢法

——钢的浇注

浇注的钢水中仍含有大量氧的成份。

应进行脱氧，这一过程为还原。

沸腾钢

镇静钢（在钢水中添加约0.15%的硅和少量的锰和铝）

特别镇静钢（在钢水中添加约0.2%的硅，约0.02%的铝和少量的锰）

——合金元素对钢性能的影响

性能

抗拉强度

（－）

硬度

屈服极限

延伸率

－

＜2%（－）

（－）

－

（－）

－

（－）

－

冲击韧性

－

（－）

－

（－）

冷变形性

－

（－）

－

（+）

－

（－）

深冲性

－

－－

（－）

－

（－）

－

（+）

－

（－）

锻造

－

（－）

－

（－）

压力焊能力

－

（+）

－

（+）

（－）

－

熔化焊能力

－

（－）

热脆性

－－

淬硬性

（+）

热强性

+至400

－

（+）同C

临界冷却速度

－

（－）

耐腐蚀性

（+）

－

（+）同C

（+）

抗高温氧化性

（+）

冷作硬化性

（+）

疲劳性能

（+）间接

（+）同C

3、钢的分类，EN10020标准，

——按合金元素的含量分类

碳钢（非合金钢）

低合金钢

∑合金元素含量<5%例如13CrMo4-5

高合金钢

∑合金元素含量≥5%例如X6CrNi16-13

——按使用要求分类

普通钢

优质钢

特殊优质钢

4、钢的标记体系，EN10027

EN10027-2材料的数字标记

×××××××

①②③④⑤

①－材料分组：

0=纯铁1=钢2=重金属如Cu、Ni3=轻金属如Al

②－分类组别见表2

③－不同品种的数字编号

④⑤－钢种的数量有要求时的标记数字

例：

1．0116

按EN10025-2对S235J2钢的数字编号

01=一般结构钢Rm<500N/mm2

材料类别号：

1=钢材分类号

按EN10027-1和ECISSIC10标准：

材料符号标记

主要符号（EN10027-1）

（钢种）

附加符号（ECISSIC10）

对于钢

对于钢的制造

*主要符号标记:

1G－铸钢如GS-35，GG-灰口铸铁

2根据钢的使用及其机械性能和物理性能的主要符号：

S－普通结构用钢P－压力容器用钢

L－管道用钢E－机器制造用钢

B－钢筋用钢Y－应力钢

R－钢轨用钢H－高强度拉伸性能的冷轨钢板

例如：

EN10025-2S235J2

3按化学成分含量标记:

i）碳素钢和锰<1%的碳锰钢（不含易切削钢），标记为：

CXX。

例如：

C25，C45

ii）锰>1%的碳锰非合金钢、非合金钢的易切削钢、合金元素<5%的合金钢（不含高速钢），用数字+化学元素符号+数字来标记。

例如：

13CrMo4-5

13---C=0.13%Cr---Cr=1%Mo---Mo=0.5%

钢的合金系数

元素

Co,Cr,Mn,Ni,Si,W

Al,B,Be,Cu,Mo,No,Pb,Ta,Ti,V,Zr

100

C,Ce,N,P,S

iii）合金元素总含量≥5%的合金钢

用X+数字+化学元素+数字来标记，例如：

X5CrNi18-10

X---高合金钢Cr---Cr=18%Ni---Ni=10%

按欧洲标准材料标记示例

机械性能一致的钢的标记、按欧洲EN标准非合金结构钢对S、E、P、L、B钢的标记

an..

+an+an…1）

按EN10027标准主要符号

按钢铁IC10附加符号

字母

性能

对于钢

的制造

1组³）

2组

G=铸钢

（如必要）

S=结构用钢

nnn=最小产品厚度的最小屈服强度N/mm²

冲击功（焦耳）

试验温度

C=具有特别的冷变形能力

D=液浸镀层

E=瓷漆F=锻压

H=空心型材

L=用于低温

M=热机械轧制

N=正火或正火轧制

O=海上用

P=钢板桩

Q=调质

S=钢结构用钢

T=管材W=热强钢

an=用于规定的附加元素如Cu的符号,如需要带一个一位的数字,它乘以10为规定的含量

27J

40J

60J

℃

+20

－20

－30

－40

－50

－60

M－热机械轧制

N－正火或正火轧制

Q－调质

G－其它特性，如有必要用1或2个数字

5、碳钢碳锰钢

——应用

广泛应用于民用建筑、地下工程、桥梁工程、水利工程、车辆制造和机器制造。

——标准

欧洲标准EN10025-2

——标记

－标准号（EN10025-2）；

－标记S（结构钢）或者E（机器制造用钢）；

－厚度≤16mm的最低屈服强度的标识，用MPa表示

－如果适用，关于冲击功数值的等级标记；

－如果适用，表示特殊要求的附加标记C

－标明“＋N或者＋AR”

示例：

一种适于冷弯边（C）的结构钢（S）,其在室温条件下的最低屈服强度为355Mpa1），在0℃（J0）条件下的最低冲击功数值为27J，供货状态为正火轧制（或者轧制状态）

钢材EN10025-2-S355J0C＋N（或者＋AR）

——化学成分

——机械性能

——可焊性

*碳当量CEV:

CEV=C＋

＋

Cr＋Mo＋V

＋

Ni＋Cu

非合金结构钢的焊接：

普通结构钢熔化焊时的焊接性主要受它的淬硬倾向、脆断倾向、时效倾向以及它的偏析性能等因素的影响。

这些影响都是由钢的化学成分所确定，尤其是由钢中的含碳量、含氮量、含硫量和含磷量所确定。

含碳量不大于0.22%的结构钢是可焊接钢种，并且可在不予热的情况下施焊。

——耐侯钢

含有一定数量的合金元素的钢材，如添加P、Cu、Cr、Ni、Mo、…到钢材中在温度条件下通过在母材金属上形成自保护的氧化膜可以增强其抗大气腐蚀性。

耐侯钢标记：

－标准号（EN10025-5）；

－标记S（结构钢）；

－厚度≤16mm的最低屈服强度的标识，用MPa表示；

－相关冲击功数值的质量标识；

－字母W表示钢材抗大气腐蚀；

－如必要，字母P表示高磷含量等级（只适用于级别S355）；

－标明“＋N或者＋AR”

例：

防大气腐蚀（W）的结构钢（S）在355MPa1）的室温下使用最低屈服强度，在0℃（J0）条件下使用27J的最低冲击功，正火轧制（或轧制）供货：

钢材EN10025-5-S355J0W＋N（或者＋AR）

耐侯钢焊接性

如果使用无抗大气腐蚀的填充金属则应该确保焊缝本身是耐候的。

在焊接之前，应该将已形成的表面层清除至接头边缘10mm到20mm的距离。

焊接钢材级别S355J0WP和S355J2WP采用的磷含量很高时，应该采用特殊的预防措施

6、细晶粒结构钢

——提高金属材料强度的机理

1）析出强化

2）固溶强化

3）晶界强化

4）热处理强化

5）冷作硬化

——细晶粒钢的分类

正火细晶粒结构钢，标准EN10025-3（2004）

热机械轧制细晶粒结构钢，标准EN10025-4（2004）

调质细晶粒结构钢，标准EN10025-6（2004）

——细晶粒钢的应用

主要是用于受较高载荷的焊接构件，如桥梁、闸门、容器、水罐、吊车以及用于低温情况下。

——正火和热机械轧制细晶粒钢的标记

－标准号（EN10025-3，-4）；

－标记S（结构钢）；

－厚度≤16mm的最低屈服强度的标识，用MPa表示；

－供货条件（N，M）；

－大写字母L用于表示在温度不低于－50℃下按照所说明的最低冲击功数值的性质。

不带L的表示在不低于－20℃的温度下按照所说明的最低冲击功数值

例如EN10025-3S355NL或者钢材EN10025-4S355ML。

——调质细晶粒结构钢的标记

－标准号（EN10025-6）；

－标记S（结构钢）；

－厚度≤50mm的最低屈服强度的标识，用Mpa表示；

－供货条件Q；

－大写字母L或者L1用于在不低于－40℃或者－60℃的温度下的最低冲击功数值。

不带L的表示在不低于－20℃的温度下按照所说明的最低冲击功数值

例如EN10025-6S460QL

——化学成份

——机械性能

——正火细晶粒结构钢的焊接

正火钢的冷裂倾向

HAZ区脆化

——热机械轧制细晶粒钢焊接特性

少量珠光体钢对于不同的焊接方法，在不同的焊接条件下均可以无困难地进行焊接。

其特殊的优点在于：

这种钢在恶劣的焊接条件下也不要求予热或焊后热处理。

——调质细晶粒结构钢的焊接

冷裂纹

再热裂纹

HAZ区的脆化

HAZ区的软化

——细晶粒结构钢填充材料的选择

按等强匹配的原则选择填充材料

熔敷金属的屈服强度的小于500MPa的焊接材料，以EN10025-3S460N为例

ISO2560-AE464B即EN499E464B

ISO14341-AG465MG3Si1即EN440G465MG3Si1

ISO17632-AT4631NiBM即EN758T4631NiBM

熔敷金属的屈服强度的大于500MPa的焊接材料，以EN10025-6S620Q为例：

ISO18275-AE627Mn1NiBT即EN757E627Mn1NiBT

EN12534G625Mn4NiMo

ISO18276-AT625Mn1.5NiBT即EN12535T625Mn1.5NiBT

7、热强钢

——对热强钢的要求

１）具有足够的热强性，包括高温持久强度或蠕变强度。

２）具有足够的抗腐蚀性和抗氧化性。

３）具有良好的可加工性能，包括冷、热成形性能，热切割性和焊接性等。

——蠕变及其影响因素

通过固溶强化对晶格造成约束

通过弥散强化阻碍位错运动

通过减少钢中的有害伴生元素净化晶界

通过正火处理使晶粒分布均匀

通过改变金属的晶格结构提高热强性

——热强钢分类，标准（EN10028）

碳钢系列

低合金钢系列

高合金系列

——热强钢化学成分

——热强钢性能（常温和高温）

——低合金热强钢的焊接工艺

焊接方法

坡口加工准备

焊接材料选择原则

焊接金属的合金成分与强度应基本上与母材相应指标一致或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。

低合金热强钢的焊前预热和焊后热处理

——低合金热强钢焊接材料

焊条电弧焊用药皮焊条ISO3580

ISO3580-A（EN1599）ECrMo1B44H5

气体保护焊、焊丝、棒、埋弧焊焊丝EN12070

EN12070GCrMo1

EN12070WCrMo1

EN12070SCrMo1

气体保护焊药芯焊丝ISO17634

ISO17634-A（EN12071）TCrMo1BM

8、低温钢

——提高低温钢韧性的措施

固溶强化和晶粒细化

增加钢材中的镍含量

提高钢材的纯净度

热处理方法

——低温用钢分类、典型钢种和应用范围

低温用钢分为无Ni钢和有Ni钢两类。

无Ni的低温用钢，加入提高强度的合金元素和使晶粒细化的微量元素，如Ｍn、Al、Ti、Nb、Ｖ等元素。

含Ni的低温用钢，按EN10028-4（2003年版）标准规定的低温韧性镍合金钢见化学成分和机械性能。

低温韧性钢的应用范围

钢种

屈服极限

N/mm2

冲击功ISO-V

纵向试验

温度（℃）（J）

丁烷

丙烷

丙烯

CO2

乙烷

乙烯

甲烷

氧气

氩气

氮气

沸点温度（℃）

-42

-47

-78

-89

-104

-181

-183

-186

-196

TSTE355

355

-5027

TSTE420

420

-5027

11MnNi53

285

-6040

13MnNi63

355

-6040

10Ni14

355

-10040

12Ni19

390

-12040

X7NiMo6

490

-16040

X8Ni9

490

-19640

——低温用钢的焊接工艺要求

低温用钢具有良好的焊接性，焊接关键是保证焊缝和粗晶区的低温韧性。

低温时，由于钢材随温度降低，材料变脆，对缺陷和应力集中的敏感性较大，易造成产品的低温脆性破坏；低温用Ni钢具有回火脆性倾向。

焊接方法

预热及层间温度

焊后热处理

焊后检查

——焊接材料选择

含镍低合金钢焊接时，所选焊接填充材料含镍量应与母材相同或高于母材，高镍钢如9%Ni钢最好采用Ni基、Fe-Ni基或Ni-Cr奥氏体不锈钢焊接材料。

9、高合金钢

——金属的腐蚀

化学腐蚀

电化学腐蚀

——金属腐蚀的形式

均匀腐蚀（表面腐蚀）

选择性腐蚀

1）晶间腐蚀

2）点状腐蚀

3）应力腐蚀开裂

——舍夫勒组织图

铬当量和镍当量

——不锈钢的分类

1）铁素体不锈钢

2）马氏体及沉淀硬化型不锈钢

3）奥氏体不锈钢

4）奥氏体—铁素体不锈钢

——不锈钢物理性能

与碳钢相比，奥氏体不锈钢的密度、电阻、热导率、线膨胀系数等物理性能与焊接之间的关系

——不锈钢化学成分和力学性能（EN10088）

主要是奥氏体不锈钢的合金化特点

——奥氏体不锈钢焊接

*奥氏体不锈钢焊接性

1）对焊接热裂纹敏感，易产生弧坑裂纹、液化裂纹

2）易出现晶间腐蚀

*热裂纹防止措施

1）限制焊缝中杂质含量，控制焊材中的碳、硫、磷等含量

2）产生双向组织焊缝，δ铁素体占3～8%

3）适当加入Mn（4～6%）

4）合理的工艺措施（如短弧，低线能量，窄焊道）

*晶间腐蚀的防止措施

1）固溶退火

2）稳定化处理

3）降低碳含量

4）加入稳定化元素Ti、Nb

5）工艺上应采用低的热输入量，避免在500℃～850℃区间长时间停留或做焊后热处理

——奥氏体不锈钢焊接工艺要点

1）焊接方法：

TIG焊、MIG焊、焊条电弧焊等

2）不需予热

3）控制层间温度，Max200℃，最好＜100℃

4）快速冷却，尽量减少在450℃～850℃的停留时间

5）工艺上，采用低线能量（小电流、快速焊）

6）操作上，采用窄焊道、多道焊、不摆动技术，注意填满弧坑。

7）正确选用焊接材料，选用低含碳量和含稳定化元素的焊材，含适量铁素体促进元素（Cr、Mo、Si等）的焊材，限制焊缝中杂质含量。

8）背面气体保护

9）清理时，采用奥氏体不锈钢钢丝刷

10）加工场地，材料、工具要清理，与其他材料分开存放。

11）焊后颜色处理及酸洗

——其它类型不锈钢的焊接

铁素体不锈钢的焊接主要是焊接接头的脆化问题

马氏体不锈钢的焊接主要是易产生冷裂纹

铁素体—奥氏体双相不锈钢的焊接主要是获得合理的相比例及防止脆化相的析出

——不锈钢焊接用填充材料

ISO3581不锈钢和耐热钢焊条电弧焊用焊条

例：

ISO3581-A（EN1600）E19122R34

ISO14343不锈钢和耐热钢电弧焊用焊丝、焊棒

例：

ISO14343-A（EN12072）G20103

ISO14343-A（EN12072）S20103

ISO14343-A（EN12072）W20103

ISO17633不锈钢和耐热钢金属电弧焊带或不带气体保护用药芯焊丝

例：

ISO17633-A（EN12073）T19123LRM3

10、铸钢铸铁

——铸造材料分类和性能比较

按石墨的状态和存在形式对铸造材料分类

——球墨铸铁和可锻铸铁标记（DIN1693，DIN1692）

球墨铸铁EN-GJS-350-22-LT

脱碳退火的可锻铸铁（GTW）EN-GJMW-350-4

非脱碳退火的可锻铸铁（GTS）EN-GJMB-300-6

——球墨铸铁的焊接工艺要点

用同类填充材料焊接（热焊）

用异类填充材料焊接（冷焊）

——ISO1071焊接非合金和低合金铸造材料的填充材料

铸棒ISO1071-RCFeC-1

焊丝ISO1071-SCNiFe-2

药芯焊丝ISO1071-TCNiFe-1M

11、铜及其合金

——铜的性质和用途

——铜材的种类、特性、焊接性

纯铜、铝青铜、锰青铜、硅青铜、黄铜、白铜

——铜材的种类及符号表示（EN1173）

——铜材的焊接工艺要点

焊前准备

铜易氧化，工件表面会有氧化膜，此外油、水份、污物等亦妨碍焊接，必须清理干净。

焊接工艺条件的一般要求（弧焊为主）

（1）因其导热快，要求采用大电流。

（2）合理设计坡口形式以尽量减少拘束和收缩应力。

（3）合理的焊接顺序。

（4）推荐采用TIG焊（填丝容易控制）。

（5）采用Ar或富Ar的（Ar+He）混合气体保护。

焊接参数

（1）铜及其合金的TIG焊，一般多采用直流正接。

（2）铍青铜和铝青铜，采用反接；亦可用交流，能清除氧化膜同时减少钨极过热。

（3）熔化极氩弧焊采用反接。

——焊接质量的相关问题及予防措施

纯铜及铜合金焊接区的主要缺陷：

裂纹、气孔。

裂纹主要是热裂纹、氢蚀裂纹

措施：

A）采用含有脱氧剂（Mn、Si、Ti等）的焊丝；B）高温预热；C）焊后缓冷；D）磁力搅拌熔池

焊接中应注意的问题：

预热、防止气孔、焊接用焊丝、防止变形、防止未熔合/未焊透、HAZ强度下降

12、镍及其合金

——镍的性质和用途

——镍及镍合金，特性

纯Ni、Ni-Fe合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Mo-Cr-Fe合金、高温时效硬化Ni合金

——镍及镍合金的焊接

镍的焊接特性

（1）镍合金具有较好的焊接性。

（2）Ni、Ni-Cu对S敏感，加热到400℃以上时，形成NiS，渗入晶界，导致热裂纹。

（3）无填充材料时，易形成气孔（N2、CO、O2），但对氢不敏感；有填充材料时，填丝中含有Ti、Al或Nb则形成无害的N化物、C化物、O化物，可防止气孔。

（4）含Ni量低的镍合金（如30%~40%）易产生裂纹。

焊接材料

（1）作为填充材料，

（2）希望填充材料中含有Ti/Al/Nb，可防止气孔，同时Ti细化晶粒的作用较好。

（3）ISO18274是镍和镍合金熔化焊用实芯焊丝、带极和焊棒的分类标准

焊接方法

镍合金焊接中的问题与予防措施

（1）热裂纹

（2）应变时效裂纹

（3）气孔

同种金属的焊接

（1）镍最常用TIG焊，焊条电弧焊。

焊接材料中含有Ti、Al，有利于减少气孔，细化晶粒；控制材料中的杂质，有利于防止热裂纹。

（2）蒙乃尔（monel）Ni-Cu合金TIG、MIG、焊条电弧焊常用，焊材中含有Ti、Al、Nb等，抗气孔、抗裂；控制层间温度。

（3）因科镍（inconel）Ni-Cr、Ni-Cr-Fe合金焊接方法常用TIG、MIG、焊条电弧焊。

焊接时易出火口裂纹，厚板易出显微裂纹。

要低控热输入/层间温度。

（4）因科洛依（incoloy）Fe-Ni-Cr合金焊接性差。

焊接材料主要使用因科镍合金。

（5）哈斯特洛依（hastelloy）Ni-Mo、Ni-Cr-Mo。

一般采用TIG焊，焊接材料可用同种合金。

抗热裂纹性能较好。

异种金属的焊接、堆焊及复合板的焊接

（1）异种金属的焊接

焊接材料亦常选用因科镍

（2）堆焊

常在碳钢和低合金钢堆焊中采用镍、蒙乃尔、因科镍。

堆焊常用工艺方法为焊条电弧焊、MIG、TIG焊，亦可采用带极堆焊，堆焊的关键点是控制母材的稀释率，以防止降低镍合金堆焊金属的耐腐蚀性。

（3）复合板的焊接

以镍基合金为耐蚀面。

焊接要点为：

①先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层；②定位焊焊在基层面内；③过渡层、复层的焊接－多层焊，小电流，浅熔深。

13、铝及铝合金

——铝及铝合金的特性

——铝合金分类

——铝

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