材料基础知识王敏廷 兰州设计院Word格式.docx

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上屈服强度ReH、下屈服强度ReL。

　　②抗拉强度——试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力。

Rm

2、塑性——断裂前材料发生不可逆永久变形能力。

常用的塑性判据是伸长率A和断面收缩率Z。

①伸长率——原始标距的伸长（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率。

断后伸长率　

　Lu-Lo为断后标距的残余伸长。

②断面收缩率——断裂后试样横断面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。

⒊冷弯性能——用于衡量材料在室温时的塑性。

是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷，分面弯、背弯、侧弯三种。

⒋韧性——金属在断裂前吸收变形能量的能力。

金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。

冲击韧度（冲击值）——冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。

⒌蠕变——在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。

①蠕变极限——在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。

②持久强度——在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂的持续时间的强度。

⒍疲劳——材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积性损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

①高周疲劳——材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经105以上循环次数而产生的疲劳。

②低周疲劳——材料在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，经102～105塑性应变循环次数而产生的疲劳。

③热疲劳——温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。

④腐蚀疲劳——腐蚀环境和循环应力（应变）的复合作用所导致的疲劳。

四、金属材料分类（以钢材为主）：

1、按化学成分分类：

①碳素钢：

简称碳钢。

除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：

低碳钢——含碳量小于0.25%

中碳钢——含碳量等于0.25%～0.6%

高碳钢——含碳量大于0.6%

②合金钢：

碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：

Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量不同分类：

低合金钢——合金元素含量小于5%

中合金钢——合金元素含量等于5%～10%

高合金钢——合金元素含量大于10%

⒉按用途分类：

①结构钢——碳钢、低合金钢等。

②工具钢

③特殊用途用钢——不锈钢、耐候钢、耐热钢、磁钢等。

⒊按冶炼中的脱氧方式分类：

①沸腾钢F

②镇静钢Z

③半镇静钢b

④特殊镇静钢TZ

⒋按品质分类：

P、S杂质含量分类：

①普通钢

②优质钢

③高级优质钢　　A

④特级优质钢　　E

举例说明：

　Q235-A·

F，　16MnR，　0Cr18Ni9　

Q235-B

Q235-C

Q235-D

五．特种设备对材料方面的要求：

主要包括低碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等。

⒈使用条件（服役条件）——设计温度、设计压力、介质特性和操作要点等。

①设计温度——选材类别及[б]t。

②设计压力——受压元件厚度。

③介质特性——选材类别。

④操作要点—频繁启动，疲劳作用等—选材类别及状态。

⒉材料的焊接性能：

焊接性良好。

⒊制造工艺要求：

冷、热加工能力，设备、设施、热处理能力等。

⒋经济合理性。

六．特种设备常用材料标准：

①钢板：

GB/T699-1999优质碳素结构钢

GB/T700-1988碳素结构钢

GB3274-1988碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带

GB/T710-1991优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带

GB/T711-1988优质碳素结构钢热轧厚钢板和宽钢带

GB/T912-1989碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带

GB/T713-1997锅炉用钢板

GB/T13237-1991优质碳素结构钢冷轧薄钢板和钢带

GB6654-1996压力容器用钢板

GB4237-1992不锈钢热轧板

GB3280-1992不锈钢冷轧板

GB4238-1992耐热钢板

GB/T3531-1996低温压力容器用低合金钢板

YB（T）40-1987压力容器用碳素钢和低合金厚钢板

YB（T）41-1987锅炉用碳素钢及低合金厚钢板

②钢管

GB/T8163-1999输送流体用无缝钢管

GB3087-1999低中压锅炉用无缝钢管

GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管

GB6479-2000高压化肥设备用无缝钢管

GB/T9948-1988石油裂化用无缝钢管

GB/T13296-1991锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管

③焊接材料：

GB/T983-1995不锈钢焊条

GB/T984-1985堆焊焊条

GB/T5117-1995碳钢焊条

GB/T5118-1995低合金钢焊条

GB/T14957-1994熔化焊用钢丝

GB/T14958-1994气体保护焊用钢丝

GB/T5293-1999埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂

GB/T8110-1995气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝

GB/T12470-1990低合金钢埋弧焊用焊剂

GB/T17854-1999埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂

GB/T10045-1988碳钢药芯焊丝

GB/T17493-1998低合金钢药芯焊丝

④锻件：

JB4726-2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件

JB4727-2000低温压力容器用低合金钢锻件

JB4728-2000压力容器用不锈钢锻件

第二部分　　焊接基础知识

一．常用的焊接方法分类：

按工艺特点分为熔焊、压焊及钎焊。

熔焊——将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。

压焊——焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。

钎焊——采用比母材熔点低的金属材料做钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔化温度,利用液体钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。

软钎焊——熔点低于450℃的钎料进行焊接。

硬钎焊——熔点高于450℃的钎料进行焊接。

焊接

—熔焊

—气焊、气割

—电弧焊

—手弧焊（焊条电弧焊）

—埋弧焊

—气保焊

—惰性气保焊—氩弧焊

—CO2气保焊（粗丝、细丝）

—混合气保焊

—药芯焊丝气保焊

—等离子弧焊与切割

—电渣焊

—电子束焊（微弧）

—激光焊与切割

—太阳能焊

—铝热焊

—压焊

—锻焊

—摩擦焊（T、P）

—气压焊

—电阻焊

—点焊

—缝焊

—对焊

—凸焊

—冷压焊

—超声波焊

—爆炸焊

—扩散焊

—高频焊

—钎焊

G、R主要选用手弧焊、埋弧焊、及气保焊等方法。

⒈焊条电弧焊—手弧焊—手持焊矩、焊枪、或焊钳进行操作的焊接方法。

焊条电弧焊特点：

能源—电加热，电能→热能

保护方式—气渣联合保护

适用位置—任意焊缝空间位置

施焊材料—大部分钢材及部分有色金属

缺点:

生产率低,劳动强度大,劳动条件恶劣,对焊工操作技能水平要求高。

⒉埋弧焊——电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法

埋弧焊特点：

焊接过程中引弧、熄弧，送进焊丝。

移动焊缝或工件由机械自动完成的为自动焊。

①优点：

与手弧焊相比：

1）生产率高：

2-5倍，I↑Q集中，熔深↑，连续送给。

2）焊接接头组织与性能好：

保护效果好，熔渣保护，焊接质量稳定，焊缝成分均匀，成形美观。

3）节约金属与电能，工艺损失少，不开坡口。

4）改善劳动条件：

无弧光、烟尘少，机械操作。

②缺点：

1）设备昂贵，辅助设备、设施要求高。

2）装配要求严格。

3）焊接位置受限制。

⒊氩弧焊——用氩气做保护气体的气保焊。

氩弧焊特点：

优点:

①保护效果好，焊缝质量好。

②电弧稳定，易实现单面焊双面成形。

③可全位置焊。

④设备简单，操作灵活。

　缺点：

①生产率较低（T1G），适用薄板。

②成本较高。

二．常见焊接接头型式及坡口型式。

⒈焊接接头——由两个或两个以上零件要用焊接组合或已经焊合的接点。

检验焊接接头性能时应考虑焊缝、熔合区及热影响区甚至母材等不同部位的相互影响。

（GB/T3375焊接术语）

焊缝——焊件经焊接后所形成的结合部分.

熔合区——焊缝与母材交接的过渡区,即熔合线处微观显示的母材半熔化区

热影响区——焊接与切割过程中,材料因受热影响（但未熔化）而发生的金相组织与力学性能变化的区域.

⒉常见焊接接头型式

①对接接头两件表面构成

≥135°

≤180°

夹角的接头。

②角接接头两件表面构成

＞30°

＜135°

③搭接接头两部件重叠构成的接头。

④丁字接头一一件端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头.

⑤塞焊结构

焊缝型式——对接焊缝或角焊缝。

⒊常见坡口型式

坡口——根据设计或工艺需要,在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽.

GB985《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》

GB986《埋弧焊焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》

I型坡口（不开坡口）:

δ≤6mm,

V型坡口（Y）:

δ=6～26mm

X型坡口（XK）:

δ=12～60mm

U型坡口（U）:

δ=20～60mm

组合坡口（U）δ≥30mm,

不等厚板坡口组合时,须按规定削薄。

坡口几何尺寸作用:

坡口角度α—保证焊透,便于清渣。

钝边P—防止焊穿、焊瘤。

间隙b—保证焊透。

U型增大坡口根部空间,保证根部焊透，节约填充金属。

⒋坡口选用原则

1板厚

2保证焊透

3节约金属，填充金属尽量少，提高效率

4便于施焊，改善劳动条件

5不同焊接工艺方法

6加工条件:

加工可能性，U、X加工对设备要求高

7减少焊后变形量:

双面坡口对称焊接

坡口加工——气割、等离子切割、刨边机、车削、碳弧气刨等。

⒌常用对焊接接头：

A、B类对接焊缝,结构连续平稳,承载后应力分布均匀.但接头截面改变时－余高－造成应力集中，焊缝过渡处的应力集中。

⒍焊接接头是焊接结构中的薄弱环节。

1焊缝金属存在缺陷:

破坏金属的连续性和致密性

2接头区性能下降（塑性、韧性↓）→脆性破坏

3结构应力水平提高:

焊后残余拉伸应力、局部应力集中,使应力水平↑→断裂

⒎焊接接头系数——焊接接头强度系数φ（容规43条，GB1503.7条）根据接头型式及无损探伤长度确定。

①双面对接接头或相当于双面焊（单面焊）的焊透对接接头

.　　100%无损检测φ=1

　　20%无损检测φ=0.85

②单面焊对接接头（沿焊缝根部有紧贴基本金属的垫板）

　　100%无损检测φ=0.9

　　20%无损检测φ=0.8

三．焊接接头的组织与性能及其影响因素：

⒈焊接热循环——在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程。

①主要特点：

㈠急剧加热且温度高，发生过热，热影响区晶粒长大。

㈡急速冷却且速度快，易发生淬硬，形成淬硬组织，导致冷裂纹。

②影响焊接热循环的因素：

焊接方法、焊接工艺参数、预热、层间温度、焊件厚度、接头型式和材料导热性等。

热输入（线能量）——熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量。

⒉焊接接头的组织与性能及其影响因素。

对焊缝金属有害的元素:

H2、N2、02（有害气体），P、S（杂质）

⑴焊缝金属的组织与性能:

焊缝金属结晶时冷却速度大,过热状态及运动状态下结晶,形成晶粒长大和柱状晶的特点:

一次结晶——焊接溶池从液相向固相的转变过程。

二次结晶——焊缝金属的固态相变过程。

金属的性能取决于化学成分和组织结构。

以低碳钢为例（不易淬火钢）

1焊缝金属:

大量F+少量P,T↑→魏氏组织,粗大状晶粒

2热影响区:

1）不完全熔化区:

液相线～固相线,极窄,熔合区。

　2）过热区:

固相线～1100℃,粗大A→过热组织使

　　塑性↓,韧性↓↓是接头中最危险的区域。

3）正火区—1100℃～A3线,细小而均匀的晶粒,正火组织,

　　综合力学性能好。

　4）部分相变区（不完全结晶区）:

A3～A1线，晶粒大小与

　　分布不均匀使强度稍↓。

　5）再结晶区:

A1～500℃，进行再结晶,力学性能影响不大

　6）蓝脆区（热应变脆化区）500～200℃强度稍↑塑性

　　　稍↓发生蓝脆现象。

合金钢（淬火钢）:

淬火区,不完全淬火区，回火区,不变化区。

⑵影响焊接接头的性能的因素及质量控制:

1材料匹配:

母材—焊材。

2焊接工艺方法:

焊条电弧焊、埋弧焊、气保焊等。

3熔合比（坡口型式和尺寸）。

4焊接规范及热输入。

5操作方法——多层多焊道，单焊道。

6焊后热处理——目的。

四、焊接应力与变形

㈠焊接应力与变形的概念:

焊接应力——焊接构件由焊接而产生的内应力。

焊接变形——焊接构件由焊接而产生的变形。

⒈焊接应力分类:

1引起应力的基本原因

1）热应力——温度分布不均匀

2）组织应力——组织结构变化

2应力存在时间

1）瞬间应力——在一定的温度及刚性条件下,某一瞬间存在的应力

2）残余应力——焊接结束后和完全冷却后仍然存在的应力

3应力作用方向

1）纵向应力——与焊缝轴线相平行

2）横向应力——与焊缝轴线相垂直

4应力在空间的方向

1）单向应力——在焊件上沿一个方向存在

2）双向应力——应力作用在一个平面内不同方向上,亦称平面应力

3）三向应力——应力沿空间所有方向存在,亦称体积应力

⒉焊接变形分类

纵向收缩—平行焊缝长度方向的变形

1

收缩变形

横向收缩—垂直焊缝长度方向的变形

2弯曲变形:

纵向、横向变形叠加而成

3扭曲变形:

纵向、横向收缩无规律

4角变形:

厚度方向上,横向收缩不一致

5波浪形变形:

薄板δ＜10mm

㈡焊接应力与变形的形成

1焊接接头不均匀加热与冷却—温度分布不均匀（热应力）

2焊接结构本身或外加刚性拘束条件（拘束应力）

拘束度——衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标。

3通过力、温度和组织结构等因素变化（相变应力）

㈢焊接应力的防止措施:

主要基点是：

温度分布均匀,焊缝能自由收缩：

1合理装配焊接顺序:

自由收缩

2焊前预热:

减小温差,降低焊后冷却速度

3结构设计:

对称分布,小坡口空间,短焊缝,减应法,小热输入等

㈣消除焊接应力的方法:

1热处理法:

高温回火—消除应力退火（焊后热处理）

2加载法（机械法）:

产生塑变

1机械拉伸法:

加载使塑变区拉伸

2温差拉伸法:

低温消除应力法

3振动法:

低频振动

㈤控制焊接变形的措施:

1设计措施

2预留收缩余量法——收缩变形

3反变形法——角变形

4合理装配焊接顺序:

先纵后环、先短后长

5刚性固定法:

外加刚性拘束

6热调整法——热输入↓

7锤击法:

补偿收缩、锤击伸长

㈥矫正焊接变形的措施

1机械矫正——冷加工

2火焰矫正——热加工

㈦焊接应力与变形带来的危害

1降低装配的焊接质量

2降低接头性能及结构承载能力，缩短设备使用寿命

3增加制造成本

4导致裂纹和低应力脆性破坏事故的产生

五、焊接工艺、预热、后热和热处理的作用

1、焊接工艺——制造焊件所有关的加工方法和实施要求，包括焊接准备、材料选用、焊接方法选定，焊接参数、操作要求等。

2、焊接工艺规范（程）——制造焊件所有关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工或操作工操作时质量的再现性。

3、预热——焊接开始前，对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施。

目的——降低焊后冷却速度，防止裂纹产生。

预热温度因材料不同而异。

4、后热——焊接后立即对焊件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。

目的——消除应力。

5、焊后热处理——焊后，为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理。

六、常见焊接缺陷的产生原因、危害和防止措施。

焊接缺陷—焊接过程中在焊接接头中产生的不连续性、不致密性或连接不良的现象。

根据在接头中所处的位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。

GB6417《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》将焊接缺陷分为六类.

第一类：

裂纹:

热裂、冷裂、再热裂纹、层状撕裂。

第二类：

孔穴：

气孔,缩孔等

第三类：

固态夹渣：

夹渣、氧化物、金属夹杂。

第四类：

未焊透，未熔合。

第五类：

形状缺陷：

咬边、缩沟、超标余高、焊缝外表形状不良、错边、焊瘤、烧穿、未焊满、焊脚不对称、根部收缩、接头处结合不良等。

第六类：

其它缺陷：

电弧擦伤、飞溅、表面撕裂、打磨过量、定位焊缺陷等。

缺欠——泛指对技术要求的偏离，广义名词。

有的缺欠未必危及产品的“使用适应性”。

而有的缺欠则可能对产品的结构构成危害，损及其质量，成为焊接缺陷，应判废或返修。

焊接缺欠——泛指焊接接头中的不连续性、不均匀性、不完善性及其它不健全的缺欠（原称焊接缺陷）。

焊接缺陷——不符合具体焊接产品性能要求的焊接缺欠。

焊接缺陷标志判废或必须返修。

㈠外观缺陷——表面缺陷，形状缺陷。

⒈咬边—由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。

焊趾——焊缝表面与母材的交接处。

产生原因：

①电流过大②运条速度不当③焊条角度及运条不当④电弧过长等。

防止措施：

⒉焊瘤——焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔合的母材上所形成的金属瘤。

①操作技能差②运条不当③电弧过长④速度慢⑤电流过大⑥单面焊钝边小、间隙大。

3.未焊满——由于填充金属不足，在焊缝表面形成的连续或断续的沟槽。

①热输入小②焊条过细③运条不当④层次安排不合理

4.凹坑——焊后在焊缝表面或焊缝背面形成的位于母材表面的局部低洼部分。

①操作技能差②电流过大③运条不当④层次安排不合理

5.烧穿——焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出形成穿孔的缺陷。

①电流过大②焊速过慢③坡口间隙大，钝边小④操作技能差。

6.成型不良：

对接焊缝：

余高超标，成型高低宽窄不均匀，圆滑过度不良。

角焊缝：

焊脚高不均匀。

7.错边——两工件在厚度方向上错开一定的距离。

8.下塌（塌陷）——单面熔化焊时，由于焊接工艺不当，造成焊缝金属过量，透过背面而使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象。

9.各种焊接变形—收缩（纵向、横向）、角变形、弯曲、扭曲、波浪变形等。

10.表面气孔

11.弧坑缩孔等。

㈡气孔——焊接时，溶池中的气体未在金属凝固前逸出，残留于焊缝中所形成的空穴。

⒈气体来源：

1周围大气或冶金反应产生。

2坡口不干净，铁锈、油污、水分等。

3焊条受潮没洪干。

⒉气孔分类：

1形状分类：

球状、条虫状

2数量分类：

单个、群状（均匀分布、密集状、链状之分）

3气孔内气体成分：

N2、H2、CO、CO2等。

⒊形成机理——液体金属的凝固速度大于气体逸出速度。

⒋产生原因：

1坡口未清理

2焊条受潮没烘干气体纯度不够,焊丝表面不干净。

3保护条件不好。

4操作运条不当电弧偏吹。

⑤焊接规范：

电流过大、过小，焊速过快，电弧过长等。

⒌防止措施：

工艺和冶金措施两方面。

㈢夹渣——焊后残余在焊缝中的焊渣。

1.分类：

①金属夹渣　②非金属夹渣

2.形状与分布：

单个点状、条状、链状和密集状。

3.产生原因：

①坡口型式和尺寸不合理。

　②坡口面不干净，多层焊清渣不干净。

　③电流小，焊速快，运条不当，操作技能差。

　④溶渣粘度大。

㈣未焊透、未熔合：

未焊透——焊接时接头根部未完全熔透的现象。

未熔合——熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分。

　①坡口未清理，尺寸形状不合格，钝边过大角度小、间隙小。

②磁偏吹，焊条偏心度大。

③热输入小。

④操作技能差。

⑤层间及焊根清理不彻底。

㈤裂纹——在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成新界面所产生的缝隙。

裂纹特征：

1尖锐缺口

2大的长宽比。

分类——产生原因及温度不同

⒈热裂纹——焊接过