第1章：焊接材料.ppt

* * 金属焊接性 主讲人: 陈芙蓉 第1章 概述 1.1材料在工程中的发展及应用 历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以材料为标志划分。自古以来，材料和结合手段就一直密不可分，彼此相互促进，不断发展着。20世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结构出现了质的飞跃。 1.1.1 钢结构的发展及应用 先进的工业化国家都非常重视钢铁材料的研究和开发。合金结构钢近30年来受到世界各国的普遍重视，并仍将成为今后20-30年材料发展的基本方向。 国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例见表1-1。世界和中国主要工业部门对低合金钢的需求见表1-2。 表1-1 国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例 表1-2 主要工业部门对低合金钢的需求 低合金钢的发展大体经历了三个阶段 : 20世纪20年代以前 :工程钢结构的制造主要采用铆接，设计参数主要是抗拉强度。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等，质量分数达到2%~3%，甚至更高一些。 20世纪20-60年代:逐步采用了焊接技术，设计参数考虑材料的屈服强度、韧性和焊接性要求。钢的化学成分向低碳多元合金化方向发展，碳的质量分数一般在0.2%以下。含2~4个有利于焊接性的合金元素。 20世纪70年代以后: 低合金高强钢快速发展，钢中碳的质量分数降低到0.1%以下，有的钢向超低碳含量发展。Ti、V、Nb等微合金元素逐步引起关注，而且向多元复合合金化方向发展。 我国低合金钢的开发起步于20世纪50年代末、60年代初，正处于国际上低合金高强钢新的发展阶段。 20世纪70年代以后，美国开发出HY100钢（σs≥690MPa）和HY130钢（σs≥895MPa），以及具有更高抗破断性能的HY100(T)和HY130(T)高强钢。 日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN系列钢 。 提高耐热性是合金结构钢发展的一个趋势。当前开发的Cr-Mo耐热钢中增加Cr含量和添加V和W，使耐热性比9Cr-1Mo钢进一步提高。焊接性是影响合金结构钢推广应用的关键，日益受到高度重视 。 合金结构钢的发展中改善焊接性是一条主线，而含碳量的降低是一个重要标志。目前钢中碳的质量分数有的已下降到0.03%左右，明显改善了钢的焊接性。 钢的强化主要有固溶强化、沉淀强化、位错强化、细晶强化等。在这些强化方式中，除了细晶强化是同时提高强度和韧性的强化手段外，其他的强化方式都是在强度提高到一定程度后，冲击韧度会下降。 Hall-Petch关系式是细晶强化的理论依据 σs =σ0 + Kd-1/2 （1-1） 式中：σ0为铁素体晶格摩擦力；K为常数，d为晶粒直径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。 上式表明，随着晶粒细化，屈服强度σs提高。随着晶粒变细钢材的屈服强度随其 -1/2次方增加。同时，冲击韧度也明显增加。 过去生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。最近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本上解决钢的焊接性问题。通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器钢等。 当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采用传统的调整化学成分和改善热处理工艺来提高材料的性能和发展新型材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。这些先进的工艺和制造技术主要有： 1) 采用控扎控冷和控制杂质含量以及多元微合金化生产新型高强度钢； 2) 采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造涡轮叶片的高温合金； 3) 采用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高温合金延长10倍以上。 2 、合金结构钢的应用 合金结构钢在工业生产和国防建设的各个领域取得了十分明显的经济和社会效益。合金结构钢强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接结构自重创造了条件。以下是合金结构钢应用领域的几个例子。 (1) 低合金钢 低合金钢在建筑、桥梁、工程机械等产业部门得到广泛的应用。当低合金钢用于桥梁、海上建筑和起重机械等重要焊接结构时，应根据结构的最低工作温度提出冲击韧度的要求。 对于车辆、船舶、工程机械等运行结构，减轻自重可以节约能源、提高运载能力和工作效率。因此采用焊接性好的低碳调质钢可促进工程结构向大型化、轻量化和高效能方向发展。 (2) 锅炉和压力容器用钢 与普通结构钢相比锅炉和压力容器用的低合金钢应具有较高的高温强度，常温和高温冲击性能、抗时效性，抗氢和硫化