焊接金相学Word文档下载推荐.docx
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当吸引力和排斥力彼此平衡，我们说金属内部能量在一个稳定水平。
任何使原子靠近的力将会被排斥力抵消。
而且该排斥力将随着原子的靠近而增加。
这一行为被金属的相当高的压缩强度所证实。
类似地，任何将原子拉开的力将会导致一个相抵消的吸引力。
然而这些吸引力将随着原子被拉远而减小。
后者的行为可在拉伸试验中得到证实，在金属的屈服点以下，加负荷拉长拉伸试样，单个原子之间的空间增大，取消负荷，试样将呈现弹性性能，也就是，从宏观角度来讲，它将恢复到原尺寸，这意味着原子回到它的原始平衡位置。
如果加在拉伸试样上的负荷超过了金属的屈服强度：
试样将呈现塑性。
此时它将不再恢复到它原来的尺寸或原子间的距离,这是因为原子被迫彼此远离，以至于吸引力不足以保持原子停留在其原来的位置。
随着原子间的距离进一步增大到吸引力不足以保持原子在一起，金属将失效.
如上所述，金属原子之间在给定的温度或内部能量下呈现一定的距离。
由于热是一种能量形式，当温度升高时，内部能量将增加，增加的能量将导致原子的振动加剧，这种振动加剧会增加原子间的间隔。
通过肉眼，我们可以观测到这种能量增加所导致的结果，因为当原子运动分开的时候，金属件的整体尺寸将增加。
相反，温度的降低将导致原子间的靠拢，也就是我们所观察到的金属收缩。
当金属进一步加热时,原子的振动不断增加，引起原子间距增加,金属膨胀。
它增加一直到某一程度时，原子间距是如此之大以致于原子再也无法吸引在一起呈现为特定的结构,此时固态金属将转变为液态（见图8.2）。
此时的温度叫熔点。
进一步的加热最终将使液体转变为气体，此时温度即为蒸发点。
固态金属具有最低的内能和最小的原子间距，液态金属具有较高的能量和较大的原子间距，并且被认为是无固定形状，也就无固定结构。
气态金属具有最高能量和最大的原子间距，而且也是无固定结构。
当然,所有这些很有趣，作为一个焊接检验师认识到它为什么对你来讲是重要的和更有意义。
很显然，焊接和切割都对金属输入热量，加热会导致金属的膨胀。
假如我们认为金属均匀受热，我们是能够测量到受热金属件在长度和尺寸上的变化的，这是因为，每种金属合金都有其特定的热膨胀系数，这个数值描述了当金属温度上升时，它会膨胀多少。
然而对于焊接来讲，热量是不均匀的，这是因为，部分金属被加热到一个较高的温度时，临近焊缝区的金属还处于较低的温度。
导致了金属相对于焊接区域的不同点热膨胀量不同，被直接加热的部分金属趋于膨胀，而这种膨胀又被处于较低温度的金属牵制着。
图8.3描述了发生在一直板条上因一端被电弧加热而产生的尺寸变化（见图8.3A）.在图8.3B中，电弧点燃并开始给板条加热。
被加热的部分开始膨胀（见图8.3C），并且，受到其它未被加热区域地限制，板条在远离热源的两个端部趋于弯曲。
由于加热的部分的限制力较小（部分为液体限制力更小），不能使板条更趋弯曲。
加热部分由于在侧面几乎无限制使得受热一侧变得更宽。
当电弧熄灭，热的熔化部分开始变冷收缩.由于热量总是从热的区域流向冷的区域，所以在冷却过程中，热量流入冷的区域并使其温度上升。
现在，当热的膨胀部分变冷，板条收缩，并把主要使板条顶部伸长的变形力的方向反转，最终引起板条两端长度变短，向上翘起，使板条呈内凹形状（见图8.3E）。
所以,焊接就像我们给部件不均匀加热一样，结果是所产生的热应力引起尺寸变化，当它冷却时，部件变形或形成卷曲.图8.3表述了带有残余应力的冷却的板条，应力源由图中的“弹簧圈”表示。
无论何时，金属在一个小的局部区域被熔化，如焊接，都会产生收缩应力。
即使得板条在加热和冷却循环过程中，被外部约束。
这个冷却的部件依然存在由不同的加热和冷却引起的应力,我们称之为残余应力。
残余应力试图使板条呈弯曲形状。
然而，板条不会弯得的更多，因为此时，它已冷却至室温，其本身强于残余应力所施加的外力。
除非采取某种方法释放残余应力，否则它将保留在板条中。
有几种方法能够减少或消除残余应力。
通过加热整个部件或含有焊缝区域的大板条，并在规定的时间内保温的热处理方法来消除残余应力。
该方法是让均匀加热使金属强度降低，从而允许残余应力得到释放。
缓慢、均匀的冷却到室温将使工件产生较低的残余应力。
还有几种应力释放的方法。
如振动、机械处理方法。
这些方法都在许多方面被证明是行之有效的。
第三种降低应力、并能够与焊接同时进行的方法叫做“锤击”（见图8.4）。
这也是一种机械处理方法。
锤击包括使用重汽锤（不是除渣用的锤子），是用于锤击多层焊的中间层的表面的。
这种锤击试图使金属层表面变形，并使层间厚度减小。
该变形扩展了焊缝表面的长度和宽度，由于金属被轻微的扩展，因而其残余应力被减小了。
当重锤用于释放应力时，应注意防止由该机械处理方法引起的焊缝开裂。
不能用该方法锤击根部焊道，这样很容易引起断裂，通常，最终焊层也不能采用，但从另一角度，大力的锤击焊缝表面，会掩盖所存在的不连续，从而使检验变得困难。
采用适当的锤击是一种有效降低残余应力的方法，特别是对于原结面或者是焊缝被刚性固定的场合。
晶体结构CrystalStructure
在固态金属中，原子自己排成有秩序的列、行和层形成三维晶体结构。
金属被定义为晶体。
不讨论结晶过程是不对的.当金属凝固时，它总是呈晶体形式。
晶体的破裂表面被错误地称为典型疲劳断裂或脆性断裂形貌。
可以被称为有序排列的最小量原子叫做“单位晶格”。
认识到“单位晶格”并不是独立存在，而是以三维空间方向与其它临近的单位晶格共用原子是非常重要的。
最常见的晶体结构，或者相，是体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、四角体心结构（BCT）和六角密排结构（HCP）。
如图8.5所示，一些金属，如铁，在室温下以一种固态相存在，当温度升高时，又以另一种相存在。
这种固体金属随着温度从一种相转变为另一种相，叫“同素异形或固态相变”。
一种具有相同的化学成份，不同的晶体结构的金属叫做“同素异形”体。
这将在以后详细讨论。
BBC（体心立方）可以描述为一个立方体的八个角和单元体的中心各有一个原子。
通常的体心立方金属是铁、碳钢、铬、钼和钨。
FCC（面心立方）可以想象为在立方体的八个角和其六个面的中心各有一个原子。
如铝、铜、镍和奥氏体不锈钢。
BCT单位晶格就是以BCC为基础，只是沿一轴线方向伸长变为矩形，并在中心有一原子。
由迅速淬火形成的钢的一种相-马氏体就是BCT结构。
而HCP单位晶格是六方棱体。
它可以想象为在棱体的上下顶面有二个六角形（六边形），而中心有一原子，并在每个六角点上均有一原子。
在三角形每个顶点的上三个原子位于上下六角形之间。
通常具有HCP结构的金属为锌，镉及镁。
金属的固化SolidificationofMetal
金属是由众所周知的晶核成形并长大的过程凝固成晶状结构的。
直到冷却，原子团在晶格掺杂处或液固交界处，如熔化焊接金属与较冷的未熔化热影响区之间的交界处，形成晶核。
这些晶核称为核子并大量出现。
在焊缝金属中，核子试图粘附在焊缝交界处热影响区的已有的颗粒上。
原子继续凝固，并粘附到核子上。
随着原子按照可以用单位晶格来描述的排列结合在一起，每个核子均沿其优先定向增长，并形成不规则形状的颗粒或晶体。
图8.6所示的是当焊缝金属固化时，焊缝金属颗粒是如何形成。
在图8.6A中可见，最初晶体在焊缝交界处形成。
图8.6B是当这最初的晶核增长时，固体颗粒形成。
因为核子方位不同，当相近颗粒长在一起时，就形成了颗粒的边界。
图8.6C是焊缝金属完成了固化。
颗粒边界可以被考虑为不连续，因为它们是打破原子统一排列。
从前面的讨论中我们可知，在固化的金属中，存在着残余应力。
金属机械性能取决于颗粒的大小，小晶格的金属将会有更高的室温拉伸强度，因为当材料受应力时，晶格边界会试图阻止单个颗粒的变形。
然而当温度升高，在边界上的原子更容易移动，并从另一个原子旁滑过，所以造成了高温下材料强度下降。
所以，细小晶粒的材料更适用于室温和低温环境。
而粗晶粒材料适用于高温条件。
总的来说，细晶粒金属具有更好的延伸性，缺口韧性及疲劳性能。
在进一步讨论前，让我们迅速回顾一下。
金属就是由原子有秩序地排列形成的晶状结构。
这种有序形式或排列就是我们所知的“相”，可由一单位晶格来描述。
金属从许多方位迅速固化，并且以优先定向增长并形成晶粒。
单个颗粒间的结合处被称为晶界。
颗粒的大小说明了晶界的数量，如此也在一定程度上确定该金属机械性能。
合金化Alloying
金属元素的特性可因其它元素的加入而改变。
这些其它元素可以是也可以不是金属。
这种技术叫炼制合金。
这种技术产生的金属称为合金。
例如，将金属元素锌加入到金属铜中，形成铜合金。
非金属碳是加入铁到中形成钢合金的一种合金元素。
合金元素根据原子相对尺寸以各种方式包含在母材晶格中（单个原子的普通排列）。
小原子如碳，氮及氢会在占居原子间的位置形成母材的晶格。
这就是间隙合金化，在图8.7中以二维空间图显示。
少量碳占居在钢中的铁原子间的晶格上就是这样的例子。
如果合金元素的原子与母材原子尺寸接近，合金元素就会占居并取代。
就是说它们取代母材在晶格结构上的原子，这称为替代合金化，如图8.8所示。
铜在镍中及镍在铜中就是这种合金的例子。
就像晶界的存在一样，合金元素的加入在晶体结构中形成不规则。
正如图8.7和8.8所示，由于合金元素的存在使得原子的吸引和排斥在某种程度上变化，导致了晶格排列的变形。
这会使得金属内部的能量增加，并能改善金属的机械性能。
几乎所有的工程金属都是合金，都是由一主要元素加入不同量的一种或几种元素形成的。
通常，合金通常是由许多随机取向的晶粒组成，每种晶粒都按其特殊方式排列并包含该合金所具有的一个或多个特性金相。
如果有多个金属相存在，每个金属相将会有自己的特性晶状结构。
碳钢的微观组织构成Micro-structuralConstituentsofCarbonSteel
呈现在金属合金中的晶粒的排列、晶界和存在的各种相叫微观组织，微观组织是形成合金性能的主要因素。
该组织受合金的成份,含量以及其它因素，如成型和热处理的影响。
焊接操作极大地影响微观组织，从而影响合金的性能。
虽然，各种金属呈现不同的微观结构，本章仅讨论发生在普碳钢中的变化，普碳钢是铁与碳的合金。
它也可能包括其它合金元素，但在微观组织中它们产生的影响远不及碳那么大。
为了介绍本章，了解铁和钢在他们结晶过程中由于温度改变所经历的变化是非常重要的。
即，当铁-碳合金被加热或冷却时，相变发生了。
这一现象的发生使我们知道了某些合金的机械性能可通过不同的热处理来改变。
为了解所发生的相变，金属学家用一个图表或者是相图来表达铁-碳系统各种微观结构的范围，也叫“铁-碳相图”。
如图8.9所示。
该图描述了铁-碳合金中在“近似均衡”状态下，如非常缓慢的加热及冷却时各种相的自然状态。
需要说明的是，这些微观组成有多个名称并且互换。
例如，室温下的纯铁叫α（alpha）铁或铁素体。
碳化铁在室温下出现的叫“渗碳体”或Fe3C。
在中间温度出现的面心立方结构叫奥氏体或γ（gamma）铁。
观看相图，会注意到竖轴代表温度变化而横轴表示碳含量。
所以，对于一给定的含碳量，一条垂直线可以拉出并与横轴的交叉点，向上延伸，可以确定不同温度下的各种微观结构。
如横轴下的标注所示。
钢包括含碳量从0.008%到2%的铁-碳合金。
在此范围内，以共析点（0.8%的碳含量）为分界线，钢又分为低碳亚共析体，共析体和过共析体。
亚共析体是那些含碳量低于0.8%的钢，在室温下以珠光体和铁素体的共熔体存在，与之相对应的过共析体是含碳量大于0.8%的钢，在室温下以珠光体和渗碳体形式存在。
共析钢（准确的0.8%碳含量）室温均衡微观组织为纯珠光体。
珠光体是渗碳体和铁素体隔层混合物。
抛光和酸蚀技术描述了图8.10-8.12所示的微观组织。
图8.10所示的几乎无碳含量的工业纯铁的典型微观结构；
图8.11为典型的珠光体的外貌特征。
是在抛光，酸蚀后，在高倍显微镜（1500X）下观察到的。
亮的区域为铁素体，黑的为渗碳体。
发生在钢中的一个重要转变就是室温下各种相（铁素体，珠光体，渗碳体或混合物）转变为奥氏体，它是铁和碳的面心立方结构。
一旦被加热，这种转变将在1333℉（723℃）开始。
代表相变温度的横线为A1。
除含碳量为0.8%的共析百分点外，这种相变发生在温度超出一定范围时。
而且，相变只有在超出称为A3线斜线以上才能全部完成。
工业纯铁，转变在1670℉（910℃）完成，而共析钢将在1333℉（723℃）完成。
一旦冷却很慢，这些相同的变化将会反向发生。
这一转变的存在允许我们利用各种热处理方法硬化或软化钢材。
当钢被加热到奥氏体范围时，然后缓慢地冷却，通过这个相变区域，最终形成的微观组织将会有珠光体。
这种结构当有充足时间，使原子扩散到晶格排列中才能形成。
扩散是原子在固态金属结构中的简单迁移。
温度越高，活动的原子越容易形成网格状结构。
当从奥氏体以足够慢的速度冷却，珠光体将形成。
钢被热处理产生珠光体，通常都比较软而且延展性好。
当从奥氏体区域以较快速度冷却时，对给定的合金将会有一个明显的相变。
首先，这一转变将发生于较低的温度。
其次，所产生的微观组织变化剧烈，导致钢的硬度和拉伸强度明显增加，相应地延展性降低。
在更快的冷却速度下，所产生的基本微观组织包括细珠光体、贝氏体和马氏体。
略微增加冷却速度，相变温度有某种程度的下降，就产生一种较细的、层次距离较近的珠光体结构。
这种结构比粗大的珠光体硬度高，而延展性有某种程度地降低。
冷却速度继续增加，相变温度更低，珠光体不再形成，代之为贝氏体，贝氏体结构是针状碳化铁以羽毛状排列于铁素体的混合物。
贝氏体具有明显的高强度、硬度和较低的延展性，并且很难在显微镜下观察到。
一旦冷却速度很快或者是淬火，没有足够的时间发生扩散。
导制一些碳原子被网格所捕获。
如果冷却速度足够地快，碳含量足够地高，将形成马氏体：
马氏体的形成是一种非扩散过程。
（冷却速度是如此之快，以致于原子没有时间向周围运动）。
奥氏体到马氏体的转变是由于剪切型的或机械作用的结果。
所产生的晶格结构叫做四角体心结构。
它是体心立方扭曲成为直角的结果，由于这种网格扭曲排列的存在，马氏体呈现出较高的内能或应变，从而引起非常高的硬度和拉伸强度。
然而，马氏体具有低的延展性和韧性。
图8.12显示了在高倍放大镜（500X）下的马氏体的轮廓。
F,为了在不明显降低硬度和拉伸强度的情况下改善马氏体的延展性和韧性。
一种叫做回火的工艺被采用。
这种热处理方法就是重新加热淬过火的马氏体结构到低于低相变点的温度（1333723℃）。
这种工艺通过碳沉淀形成细碳微粒，使得淬火态的不稳定的马氏体转变成回火态马氏体。
控制回火温度和时间可以得到理想的强度和延展性，较高的回火温度导致较软的和更具延展性的特性。
淬火和回火热处理经常用于增强工具钢的性能，与轧制、退火或正火的特性比较，因为它提高了屈服强度和拉伸强度、屈服强度与拉伸强度比，并改善了缺口冲击韧性。
图8.13说明了不同回火温度对特殊的合金钢影响。
为了帮助确定快速冷却所导致的微观结构，冶金学家用另外一种叫做TTT图，或是叫时间-温度-相变曲线。
他们也叫做绝热相变图（IT）。
顾名思义，对特殊钢的组成在特定温度下经过一定的时间产生的微观结构。
类似的图CCT或者叫连续冷却相变曲线，显示了从奥氏体区域连续冷却所发生的变化。
这两种图吻合地很好。
图8.14描述了8630钢的连续冷却相变特性。
此图表示微观结构是温度和时间的产物。
所显示的不同的冷却速率说明了如何使用曲线图。
最终的相变结构依赖于冷却曲线所经过的区域以及冷却曲线通过那些区域所需的时间。
例如，曲线“A”仅通过奥氏体到马氏体区域，所以最终微观组织为100%的马氏体。
较慢的冷却曲线“D”显示了最终微观组织组成主要部分是铁素体加上少量的贝氏体和马氏体。
因为马氏体只能从奥氏体转变而成，任何由奥氏体转变成的铁素体和贝氏体不能转变成马氏体。
焊接冶金的考虑MetallurgicalConsiderationsforWelding
因为焊接能引起金属温度和从升高的温度冷却的速率的极大变化，了解冶金变化对焊接过程的影响非常重要。
图8.15描述了焊接过程中各个区的峰值温度及铁-碳相图之间的关系。
可以看出，根据靠近或在焊缝上点的位置，将产生各种不同的金相组织。
在焊缝中的最高温度区，金属能够从液态经过各种不同的相区冷却下来。
临近焊缝的地方，在热影响区，虽然没有熔化发生，但可以达到高温。
热影响区就是这样一个区域，它靠近焊缝金属并从低于相变温度点到低于钢的熔点被升温。
由于众所周知的接触淬火现象，热影响区的冷却速度在最快冷却速率之中。
焊接条件的改变对各种相的形成具有很大的影响，由于不同的焊接条件对焊缝的冷却速度有显著的影响。
一些焊接条件如热输入量、预热的使用、母材的碳当量以及母材厚度都可能导致金相组织改变。
随着热输入的增加，冷却速度的减小。
使用较小直径的焊条、较低的焊接电流、快的运行速度将会降低热输入，因此增加了冷却速率。
对于任何电弧焊接工艺，热输入是可以计算的。
它仅取决沿接头的纵向轴线测得的电流、电压和行走速度。
焊接热输入的公式如下：
热输入=焊接电流x焊接电压x60/焊接速度（in/min）
对于这个公式，热输入以J/in表达，而焊接速度以每分钟英寸计。
焦尔可以以瓦/秒来表示。
所以，公式中的60是将焊接速度的分钟转换成了秒。
焊接检验师可以通过监测焊接热输入从而达到最终控制发生在热影响区微观组织特性的目的。
另一项显著影响最终热影响区微观结构的因素是预热，通常来讲，使用预热将减小焊缝及热影响区的冷却速度，并改善延展性，当不做预热，热影响区相对变窄，并显示高的硬度。
在某种情况下，依据合金含量可以形成马氏体。
当进行预热用时，热影响区变宽，同时由于较低的冷却速率使得铁素体，珠光体甚至可能是贝氏体形成代替马氏体最终导致硬度明显下降。
所以，对特定焊接过程，焊接检验师需监测预热，这一要求主要是为了降低热影响区的冷却速度，并产生具有理想性能的微观结构。
另一个有关钢焊接的重要因素是碳当量。
因为碳对钢的硬化能力具有显著的影响（淬硬性即金属从奥氏体温区冷却硬化或形成马氏体的能力），我们最关心的是在特殊合金中硬化的概率。
钢中碳含量越高越容易硬化。
从某种程度上，其他合金元素，也会促进淬硬性，因此，碳当量成为一种经验性的表达方式，用来确定合金元素对钢的淬硬性的综合影响，碳当量（CarbonEquivalentContent）公式如下：
C.E.=%C+%Mn/6+%Ni/15+%Cr/5+%Cu/13+%Mo/4
这一公式适用于碳和合金元素不超0.5％的碳、1.5％的锰、3.5％的镍、1％的铜和0.5％的钼的碳钢及合金钢，
一旦碳当量确定，我们可以预测一个合适的预热范围，从而得到最佳的焊接效果。
下面的表列出了针对各种范围的碳当量所建议的预热温度。
碳当量
建议预热温度
到0.45
任选
0.45F到0.60
200F（204℃）（93℃）到400
F（371℃）F（204℃）到7000.60以上
400
参考上述数据和公式，焊接工程师会初步决定采用多大的预热温度达到目的。
虽然其它因素也会影响这一决定，但至少提供了个起点。
母材厚度对冷却速度也有影响，一般来讲，厚板中的焊缝其冷却速度大于薄板。
较大的热容或热衰减和较厚端面将使得焊道更快的冷却。
所以当焊接较厚端面时，各种焊接要求，如预热被用来减小冷却速度，改善最终的热影响区的机械性能。
所以，当焊接厚端面时，对预热和层间温度的要求通常有助于降低最终冷却速度。
热处理HeatTreatments
前面已提到的一些用于金属的热处理方法，他们可以在焊接前用于母材，也可以用于已完成的焊缝从而达到特定机械性能，作为一名焊接检验师，你的工作之一就是监测这些热处理的操作并保证时间和温度要求可以被监测到。
基本的热处理包括退火、正火、淬火、回火、预热、焊后热处理和应力释放热处理。
退火（Annealing）是一种在强度损失基础上增加金属的延展性软化处理。
但为了完成退火，金属被加热到它的奥氏体区域，按每寸工件厚度保温1小时或最低1小时，然后缓慢地冷却。
热处理炉中，冷却通常是通过关掉能源，让工件保留在炉内冷却到室温。
正火（Normalizing）也是软化金属，但不如退火明显，它被认为是均匀化热处理，即使工件的金属结构沿着其截面均匀。
正火处理通过提高金属温度到其奥氏体区域，保温较短的时间，然后让其在静止的空气中冷却。
这种冷却比炉冷快，所以最终的性能与退火相比，硬度和强度稍高一些而延展性有所降低。
正火处理的碳钢和低合金钢通常可焊性是较好的。
淬火（Quenching）处理与退火和正火不同点主要是前者最终的机械性能中强度和硬度明显增高，而延展性有所降低。
这种硬化处理是通过加温到奥氏体区，保温一段时间，然后马上将部件浸入淬火介质，诸如水、油、盐水，使其快速冷却。
淬火产物主要是马氏体结构，该结构具有高的硬度、强度和低的延展性，为了改善延展性，同时不明显降低金属的强度，通常采用回火处理。
回火（Temper）是通过加热
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