金属材料地分类及牌号.docx

1、金属材料地分类及牌号金属材料的分类及牌号焊接基础、热处理葛兆祥1 2江苏省电力试验研究院有限公司江苏省电机工程学会金属材料与焊接专委会 金属材料分类及牌号金属材料的种类很多，常用的有钢、铁，铝及其合金，铜及其合金，钛及其合金，镁及其合金，锆及其合金，镍及其合金等。在我们电力系统，应用最多的还是钢和铁。所以，今天我们主要讨论钢和铁的有关内容。一、铸铁1、特点 铸铁与钢相比强度较低，塑性、韧性较差。但是具有良好的： 耐磨性 吸震性 铸造性、 可切削性铸铁的焊接性差，因此，影响了它的发展。但是随着焊接技术的发展，铸铁（设备）的焊接也取得了很大的成功，获得了很大的经济效益。2、铸铁的分类铸铁是含碳量为

2、24.5的铁碳合金。在铸铁的化学成分中还有Si、Mn及S、P等杂质。为了改善铸铁的性能，常在铸铁中加入Ni、Cr、Mn、Si、V、Ti、Mg等元素，成为合金铸铁。按照C在铸铁中存在的状态和形式的不同，可将铸铁分为五类： 白口铸铁 C在铁中绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈白色而得名。渗碳体硬而脆，无法加工，故应用不广。主要用于轧辊、不需要加工的耐磨件等。 灰口铸铁 C以片状石墨存在，其断口呈暗灰色而得名。普通灰铁石墨较粗，如在浇注之前的铁水中加入少量的硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理，促使石墨自发形核，可使粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。 可锻铸铁 C团絮状石墨存在，是将白口铁经长时

3、间石墨化退火，使渗碳体分解形成石墨并呈团絮状分布于基体内，因其韧性较好故称可锻铸铁。可锻铸铁是由炼钢生铁在9001000的温度下经过29天长时间的退火形成。 球墨铸铁 C以球状石墨存在，故称球墨铸铁。这是铁水中加入纯镁或稀土镁合金等球化剂而获得，具有较高的强度和韧性，可通过热处理改善力学性能，可制造强度高，形状复杂的铸件。 蠕墨铸铁 C以蠕虫状石墨存在，浇注前在铁水中加入稀土硅铁、稀土镁钛等蠕化剂，促使C形成蠕虫状。 铁合金 铁合金是Fe和其它一定量的合金元素组成的合金。它是炼钢原料之一，也是焊接冶金必不缺少原材料。炼钢和焊接时作为脱氧剂或渗合金剂加入，起到脱氧、渗合金等作用，改善钢材和焊缝的

4、性能。 常用铁合金SiFe 硅铁分别有含硅95、75、45的几种，也有12的贫硅铁、硅铝合金、硅钙合金，硅锰合金。MnFe 按含碳量分为碳素锰铁（含碳量7），中碳锰铁（C1.51.0），低碳锰铁（C0.50）。CrFe 按含碳量分为碳素铬铁（C84），中碳铬铁（C40.5），低碳铬铁（0.50.15），微碳铬铁（C0.06），超微碳铬铁（C0.03），金属铬、硅铬合金。3、铸铁组织铸铁组织与化学成分和冷却速度有关化学成分影响 有些元素能促使石墨化，如C、Ni、Si、Al、Cu等； 有些是阻止石墨化元素，如S、V、Cr等。在铸铁中，C以石墨形式析出的过程称为石墨化。冷却速度的影响 冷却速度很快时

5、，便形成以珠光体和渗碳体（为基体），构成白口铁； 冷却速度足够慢时，便形成以铁素体为基体的片状石墨分布的灰口铸 介于两者之间，形成以珠光体为基体和石墨组成灰口铁或珠光体和铁素体为基体灰口铁。4、铸铁的牌号和力学性能铸铁的牌号在GB/T5612-1985中作了相应的规定。规程对化学成分不做明确规定，仅规定力学性能。 灰口铸铁牌号和力学性能由代号和抗拉强度组成，以灰铁的汉语拼音第一个大写字母作代号，代号后面紧跟一组数据表抗拉强度。例如 HT 250，其中HT表示灰口铸铁，250表示抗拉强度为250MPa。 球墨铸铁牌号和力学性能由代号、抗拉强度值、和伸长率组成。例如 QT 40018，其中QT表示

6、球墨铸铁，400为抗拉强度，18为伸长率。5、灰口铸铁的焊接 灰口铸铁的特性成分在灰口铸铁中，C含量2.63.6、Si含量1.23.0、Mn含量0.41.2、P0.3、S0.15。其中硅、锰是有益元素，硫、磷是有害元素。石墨80的C以片状石墨存在基体除石墨外的基体为铁素体、珠光体或铁素体珠光体特性脆性大，伸长率几乎为零良好的铸造性、流动性好、机加工性 高的抗耐磨性、抗震性 焊接性 焊接性差白口组织 （焊缝白口 熔合区白口）防止措施 控制焊接起始温度、层间温度和焊后缓冷增加石墨化元素选用铸铁型焊条淬硬组织防止措施 采用低碳钢和合金钢焊条焊接 缓冷少母材熔化量焊接裂纹 （冷裂纹、热裂纹）冷裂纹（4

7、00以下，焊缝和热影响区）产生原因强度低塑性几乎为零加热不均匀 温差应力大接头产生白口组织和淬硬组织焊材选用不当工艺选用不当结构刚性大材质差防止措施铸铁型焊缝 预热、缓冷非铸铁型焊缝 选用塑性好的焊条小破口分段焊接锤击条件允许加热（缓焊、栽丝）热裂纹 主要出现在焊缝 异质焊缝更易出现，尤其是第一层焊缝更易出现母材的S、P含量高，熔入量较高； 同质焊缝焊接时，石墨析出，体积增加，有助于减小焊接应力，但也出现热裂倾向，这是第一层焊缝同样由于母材的熔入引起的。 焊接 焊接方法焊条电弧焊气焊 焊接材料冷焊 非同质焊条 不预热热焊 同质焊条 需局部预热600700，400以上焊接，焊后600700保温消

8、除焊接应力。半热焊 预热400，采用铸铁型焊条二、钢材的分类及牌号钢材的种类很多，分类方法也很多。通常按照化学成分、用途、强度等级等进行分类。目前，世界各国都有自己分类方法，不尽相同。本章根据我国钢材的常用分类方法进行讨论。1、碳钢碳钢又称碳素钢钢，是Fe和C的合金。钢中还有Mn和Si以及杂质S、P，钢材的性能主要取决C的含量。 碳钢的分类1)按照含碳量分类 低碳钢（C.0.25） HRB6090， 主要用于冷加工和合金结构；广泛用于厂房、桥梁、锅炉、船舶等行业。中碳钢（C0.250.6） 主要用于强度要求较高的结构，根据强度要求的不同可进行淬火和回火；高碳钢（C0.6） 主要用来制造弹簧钢和

9、耐磨部件。2）按照品质分类 （以杂质含量分）普通碳素钢 S0.05，P0.045优质碳素钢 S0.035，P0.035高级优质碳素钢 S0.03，P0.0353）按照脱氧程度分类沸腾钢 脱氧不完全的钢，一般用锰铁或铝脱氧，脱氧后钢水中还剩有相当量的氧（FeO），FeO和C起作用放出CO，使钢水在钢模中呈沸腾现象，故称沸腾钢。用作钢板，加工性能好，表面质量好，化学成分不均匀，便宜。镇静钢 脱氧完全的钢，先用锰铁后用硅铁再用铝脱氧。由于钢中含氧量少，没有沸腾现象，故称镇静钢。成分均匀，力学性能均匀，焊接性好，抗腐蚀性能好。表面质量差缩孔，价高。半镇静钢 性能介于上述两种钢之间，生产过程较难，很少生

10、产。 普通碳钢的表示方法按照GB/T700-1988碳素结构钢的规定，用屈服强度第一个拼音字母材料屈服点值质量等级脱氧方法，表示如下：例如 Q XXX-X XQ为材料屈服点的“屈”字拼音字母首字大写，代表碳素钢。XXX表示材料的屈服点值，通常为N/mm2X（前）表示质量等级，共分A、B、C、D四级，D级质量质量最好，A级最差X（后）表示脱氧方法，表示如下：F沸腾钢，b半镇静钢，Z镇静钢（通常不标注），TZ特殊镇定钢 碳素结构钢（也叫优质碳素结构钢）表示方法优质碳素结构钢表示方法执行GB/T699-1999标准，含碳量0.8，除个别含碳量很低的钢用沸腾钢炼以外，基本上都用镇定钢熔炼。镇静钢分为正

11、常含锰量（0.250.8）和较高含锰量（0.71.2)两种钢。后者具有较高的力学性能和加工性能。优质碳素结构钢的表示方法是：含碳量脱氧方法或化学符合质量等级例如 50 Mn F A50材料的平均含碳量，以万分之几的数值表示，此为含碳量0.5Mn表示合金元素，当Mn含量为0.71.0时，须标出“Mn”字，否则不标F表示脱氧方法，此钢为沸腾钢。无此号为镇定钢，b为半镇静钢A表示质量等级，无此号为优质，有“A”表示为高级优质例如 12Cr1MoV 专用碳素结构钢 锅炉用碳素钢锅炉用碳素钢执行GB713-1997标准，只有20g一种钢，20表示含碳量0.20，g表示锅炉钢。 压力容器用碳素钢压力容器用

12、钢有多种，其中碳素钢只有20R一种，20表示含碳量0.20，R表示压力容器用钢。执行GB6654-1996标准。 焊接结构用碳素钢铸件焊接结构用碳素钢铸件，执行GB/T76591987标准。共有三种分别为：ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H。ZG是铸钢两字拼音字母的首字，200为屈服强度值，400为抗拉强度值，H为焊字拼音字母的首字，表示焊接用钢。三、碳钢的焊接 低碳钢焊接焊接性好，通常不会出现焊接裂纹等缺陷为了提高抗裂性能通常使焊缝的含碳量略低于母材冷却速度的快慢会直接影响到焊缝的强度提高焊缝的强度通常提高焊缝中的Si、Mn含量，焊缝强度提高会影响到塑性和韧性的

13、下降 焊接时应注意如下要点 采用减小的冷却速度 单层厚板角焊缝时焊脚尺寸不宜过小 多层焊时尽量连续施焊 焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸 结构刚性较大时应进行预热或采用低氢型焊接材料 采用适当的焊缝形状系数 中碳钢的焊接含碳量接近下限时焊接性良好随着含碳量增加，焊接性变差，淬硬倾向增加热影响区易出现马氏体组织结构刚性较大和焊接材料选择不当时会产生焊接冷裂纹焊接第一层焊缝时易出现热裂纹焊接过程中易出现气孔焊接材料的选择选择低氢型焊接材料除了要求焊缝和母材等强外，选择比焊缝低一级别碱性焊条减小熔合比无法预热时可选用奥氏体焊条CO2焊接时（C0.4）可选用低碳钢焊丝强度要求高时选用ER502、E

14、R503、ER507实芯焊丝或药芯焊丝当用Ar20CO2焊接时，选择GHS-60焊丝焊接要点预热保持层间温度，不低于预热温度小熔合比（小直径焊条、小电流、多层焊焊后热处理（及时）600650，焊后不能热处理，要后热150，2h无法热处理时，可锤击消应力 高碳钢焊接特点淬硬性高，易出马氏体焊后和热影响区易出热裂纹材料的高效率是通过热处理获得的，焊前要退火，焊后重新热处理焊接材料要求焊缝等强是很困难的，选择J707、J607焊条，要求低时可选J506、J507焊条也可选择A302、A307焊条要求不高时，可选低碳钢焊条焊接要点先退火采用结构钢焊条时，预热350，层间温度不低于预热温度减小熔合比焊条

15、小直径、小电流，连续焊，低焊速高温回火，缓冷根据需要是否热处理四、合金结构钢1、概述合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入一种或几种合金元素（Mn、Mo、Ni、Cr、V、Ti、B、Al、Nb、N、Cu、W）和稀土，使其具有特殊的物理性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能。世界各国都根据自己的资源，设计自己的合金系钢。国外通常Cr、Ni系为主；我国则以Si、Mn、V、Ti、Nb、B、Al、稀土为合金系。合金结构钢可按化学成分、合金系统、组织状态、用途、使用性能的方法进行分类。如按合金系统分类，可分为： 低合金钢 （合金元素含量5） 中合金钢 （合金元素含量510） 高合金钢 （合金元素含量10）按照用途和

16、性能分类，可分为： 强度用钢 （高强度用钢） 特殊用途用钢 （耐高温、低温、硫腐蚀）2、合金结构钢牌号表示方法合金结构钢的表示方法按照GB/T221-2000规程执行，表示方法是：前面两位数表示平均含碳量的万分数（不锈钢和耐热钢是千分数），后面的元素代号表示该钢所含的合金元素，元素代号的后面数字该元素平均含量的百分数，若不注出数字则表示该元素的质量分数为1.5，1.5按照四舍五入相应注上2、323。属专门用途的在尾部注专用符号，属高级优质钢，则最好加注“A”。例如 16Mn 表示平均含碳量为0.16，Mn含量1.5低合金结构钢例如 16MnR 表示专门用于压力容器的16Mn钢例如 0Cr18N

17、i9A 表示平均含碳量为0.07、Cr含量为18、Ni含量为9的高级优质不锈钢 合金结构钢中低合金高强度钢牌号按照GB/T1591-1994的规定例如 Q345表示屈服点为345MPa低合金高强度钢，16Mn钢属于这一类钢。 五、耐热钢 1、概述 耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称，它在高温下能抵抗氧化和其它介质侵蚀，并有一定的强度，工作温度达9001100，热强钢在高温下具有较高的强韧性和一定的抗氧化性，其工作温度可达到600800。 2、分类 按用途和特性分为抗氧化钢用于高温抗氧化介质侵蚀热强钢具有一定的高温强度蠕变极限持久强度 按合金体系分Cr系CrMo系CrMoV系CrNi系 按合金元素总

18、量分5的低合金耐热钢512中合金耐热钢12为高合金耐热钢 按金相组织分珠光体耐热钢马氏体耐热钢铁素体耐热钢奥氏体耐热钢3、性能 高温抗氧化和耐腐蚀 使钢表面生成致密的氧化层 提高钢电极电位 （加Cr） 使钢形成单相固溶体（减少微电池量） 高温力学性能 持久强度 蠕变极限 高温脆化 475脆性 12Cr钢在此温度下变脆，原因高Cr相沉淀析出， 相脆化 16Cr钢在500800长期使用或加热，析出相4、珠光体钢焊接 珠光体钢焊接性 合金含量57，属于低、中合金钢冷裂纹再热裂纹 （500700）回火脆性 P、Sb、Sn、As杂质和合金元素有关，在晶界偏聚，降低断裂强度 焊接要点 适用多种焊接方法 焊

19、接材料 与母材同成分、同强度 小热输入、小电流、多层多道、不摆动或小摆动 预热 热处理（不但消除应力，更改善焊缝组织、降低热影响区硬度）5、马氏体钢焊接 马氏体钢的焊接性 马氏体钢分为两大类，一类是Cr13型，另一类是Cr12为基多元合金型冷裂纹 遵循三原则 淬硬 氢扩散 拘束度 含有Cr、Mo、V的Cr12型有晶粒粗化现象热影响区软化带 调质状态下焊接在热影响区的Ac1上温度附近出现软化带，高温强度下降，原始组织的硬度越高，软化的程度越严重。使持久强度降低，提前失效。回火脆性Cr13型马氏体钢在550附近有回火脆性，钢Mo、W可以回火脆性。 焊接要点可以用各种焊接方法焊接马氏体钢裂纹倾向大对

20、氢敏感用低氢或超低氢焊材和环境拘束度大的工件TIG或MIG焊接 焊接材料化学成分力求和母材相近最好焊缝中没有铁素体存在Cr13型马氏体钢，焊材成分与母材相同，严格控制C、S、P、和Si含量，可增加Ti、N、Al，条件允许可选用奥氏体焊条焊接预热 焊条（250400），TIG（150250） 保持层间温度热处理 （680780）6、奥氏体耐热钢焊接主要有两个系列 18-8系列 主要用作耐腐蚀 25-20系列 主要用作抗氧化 焊接性热裂纹 （焊缝结晶裂纹 液化裂纹）焊缝金相组织的影响1） 单相奥氏体组织含镍量较高，随着含镍量的提高，奥氏体稳定化程度提高，对S、P、Pb、等杂质更为敏感，且与极限溶解

21、度小的元素Al、Si、Ti、Pb、Ni等易形成低熔点共晶，降低了金属的实际结晶温度，增大了结晶温度区间。2） 奥氏体钢热导率小，线膨胀率大，易形成较大的焊接拉应力。3）单相的奥氏体焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于杂质和上述元素偏析，从而形成连续的晶间液态夹层。4）焊缝中增加少量的组织（25），大大的提高了焊缝的抗结晶裂纹的能力，这是因为少量的组织能阻止奥氏体晶粒的长大，细化凝固亚晶组织，打乱了枝晶的方向，增加了晶界和亚晶界的面积使液态薄膜更为分散地分布晶界和亚晶界上，且被相分隔成不连续状，减弱了低熔点共晶的作用。5）相能改变晶界夹层的成分和性能，起到冶金净化作用。6）Ni15奥氏体耐

22、热钢，焊缝不宜采用双相组织。相增加必需增加铁素体元素，减小奥氏体元素，这样焊缝和母材的成分有一定的差异，导致性能的差异，焊缝塑性和韧性降低。7）如果钢中有了足以防止结晶裂纹的相，则不能防止在高温长期工作的相析出脆化，所以对高Cr、Ni奥氏体钢需用其它双相组织来改善抗裂性能。研究表明可用C1或B1的双相组织。焊缝化学成分的影响1) Ni15的奥氏体耐热钢焊缝，增加适量铁素体化元素（Cr、Si、Ti、Nb、Mo、Al、V）可以增多焊缝中的相数量，能显著提高其抗裂性能。2）Ni15单相奥氏体耐热钢焊缝，加入适量的Mn（57）、Mo（22.5）、W（22.5）、N（0.10.18）、V（0.40.8）

23、，均可提高焊缝的抗裂性能。晶间腐蚀和应力腐蚀晶间腐蚀 焊缝区的晶间腐蚀在多层焊的前层焊缝的敏化温度（6001000）区域，晶界上易析出Cr的碳化物，形成贫铬晶界，如果该区恰好暴露在表面并与腐蚀介质接触，则会产生晶间腐蚀。防止方法：1) 焊缝超低碳。2) 选用有Ti、Nb等稳定化元素奥氏体焊接材料。Ti/（C-0.02)8.59.5或Nb8C3) 使焊缝中存在少量铁素体（）相。 相散布在晶界上，不致形成贫铬层。 相富铬，有良好供应Cr的条件，可以减少晶粒形成贫铬层焊缝中最佳相为412。 热影响区的晶间腐蚀在敏化温度区间，仍是贫铬层造成。1) 小热输入2) 快速冷却 熔合区的晶间腐蚀沿着熔合区线的

24、走向似刀削切口状向内腐蚀，故称刀状腐蚀。初期宽度只有35个晶粒，逐步扩展到11.5mm左右，主要发生188钢上，实质是在晶界有M23C6沉淀形成贫铬层所致。应力腐蚀 因为奥氏体不锈钢的热导率小、线膨胀系数大，焊接残余应力大，这些为应力腐蚀抗裂创造了必要的条件；另外，焊接热过程导致接头碳化物析出，促进了应力腐蚀的发生。防止办法 减小焊接残余应力1)热处理 18-8钢 850900退火，含奥氏体钢9001000退火 2)合理的焊接工艺措施选用抗应力腐蚀性能好的母材和焊材1)含碳量低的母材和焊材2)含镍量高的母材和焊材3)含铁素体相高的母材和焊材 对腐蚀表面进行喷丸和抛光 接头脆化对于接头在低温和高

25、温工作的工件防止脆化防止低温脆化选择单相组织减少相，不超过5；消除相10501100，保温1h水淬 奥氏体耐热钢的焊接方法焊条电弧焊氩弧焊埋弧焊等离子弧焊 焊接材料选用和母材相同和相近的焊材 焊接要点 焊接热输入小，比碳钢小2030，小电流、短弧、不摆动、低层间温度、急冷 防止污染 坡口清理，焊材清理，气体纯度 氧化膜去除 根部保护 低层间温度（250以下） 焊后通常不进行热处理 必需要进行热处理的固溶处理：10001050， 每mm保温2min，用水急冷，500900区间特快冷消除应力处理：8001000，每mm保温2min，空冷 高温合金 镍基高温合金在镍基中加入少量的Al、Ti、Cr、N

26、b、Ta（钽）、W、Mo、V、Zr（锆）合金元素及适量的稀土，形成以镍为主的合金。工作温度8001000。（燃汽轮机叶片） 铁镍高温合金镍含量高于20，Cr含量一般在15左右。工作温度700750。钴基高温合金 以钴为主的合金，同时加入各种合金元素。钴基合金中有530的Ni，2035Cr以及Al、Ti、Nb、Ta 合金。（燃汽轮机叶片）在高温下具有如下性能 足够的持久强 蠕变强度 热疲劳强度 高温韧性 高温组织的稳定性六 钢的热处理 热处理是将固态金属或合金，采用适当的方法进行加热、保温、和冷却，以获得需要的组织结构与性能的一种工艺。热处理工艺在机械行业中应用极为广泛，它提高零件的使用性能，充

27、分发挥材料的潜力，延长零件的使用寿命。同时，热处理还能改善工件的加工性能，提高加工质量，减少刀具的磨损。热处理在工业生产起着十分重要的作用，尤其是在机械行业中更是一项不可缺少的工艺。钢是金属和合金产品中采用热处理工艺最为广泛的金属材料。钢的热处理方法可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等若干种，如图1所示。图1热处理分类 热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用“温度时间”为坐标的曲线图表示，如图2所示，此曲线称为热处理工艺曲线。 图2热处理工艺曲线热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是由于铁有同素异构转变的特点，从而

28、使钢在加热和冷却过程中，其内部发生了组织与结构变化的结果。因此，要正确掌握热处理工艺，必须首先了解在不同的加热及冷却条件下，钢的组织变化的规律。1、钢在加热时的转变在热处理工艺中，钢的加热是为了获取奥氏体。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但它的晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后组织和性能有重要影响。因此，了解和掌握钢在加热过程中的组织结构的变化规律，是进行正确热处理的先决条件。由FeFe3C相图可知，A1、A3、Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象。即在加热时要高于临界点，在冷却时要低于临界点。为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用Ac1、Ac3、Accm来表示；冷却时的各临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm来表示，如图3所示。图3 钢在加热和冷却时的临界温度当钢加热到临界点以上时，钢的组织将发生变化。（1） 钢的奥氏体化将钢加热到Ac1、Ac3以上时，以获得完全（或者部分）奥氏体组织的操作称为奥氏体化。下面以共析钢为例来说明钢的奥氏体化过程。共析钢加热到Ac1以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变。这一转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的