第八章_焊接金相學

1、,第八單元 焊接金相學介紹基本金屬結構 焊接的冶金考慮 普通材料的焊接金相學 總結 主要術語及其定義,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,介紹冶金是一門有關金屬內部結構以及這些結構與金屬所展現的性能之間關系的科學。涉及到焊接冶金，它所關注的是當接頭是由焊接來完成時， 發(fā)生在金屬內部的各種變化，特別是那些影響機械性能的變化。對于焊接檢驗師來講對焊接冶金基礎知識的了解是非常有幫助的。當然，這不等于焊接檢驗師要

2、負責母材及焊縫金屬合金以及他們的熱處理有關的規(guī)范及技術條件。然而，了解焊接冶金基礎不僅對焊接檢驗師有幫助，而且也經常是檢驗工作的要求。其中之一的原因是因為由于焊接引起的冶金轉變，會影響諸如強度、硬度、延展性、韌性、疲勞強度以及耐磨等機械性能。這些性能受到各種冶金因素的影響。它包括合金的添加、熱處理以及機械處理。焊接檢驗師了解這些特性，對于生產過程中為何要采用某種制造方法有一個良好的感知。某種制造要求諸如預熱、后熱、層溫控制、熱輸入控制

3、、錘擊、熱應力釋放以及其它的熱處理都會引起冶金變化，進而影響機械性能。所以，本章將主要描述鐵基焊接冶金的幾個方面，并著重在控制冶金變化所需的制造方法。由于焊接冶金涉及諸多方面，本章的討論不可覆蓋所有方面，所以我們將限于那些發(fā)生于焊接過程中的較重要的方面，這些變化可以概述并分為兩個種類。第一類，包括那些由于金屬從室溫加熱到較高溫度后冷卻至較低溫而引起的變化。第二類是溫度變化率對金屬性能的影響。最主要的是冷卻速率，既從高溫冷卻至室溫的快

4、慢。我們的討論將從金屬被均勻加熱和冷卻開始，然而，應該注意到由于焊接的局部加熱，將呈現各種不同的問題，這種不均勻加熱/冷卻將需進一步考慮。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,基本金屬結構為了增加對金屬冶金性能的了解，有必要先討論組成各種物質形式的粒子。這些組成固體、液體或氣體物質的基本粒子叫做原子。這些原子很小，即使用最高倍數的光學顯微鏡也無法觀測到，然而，通過討論和解釋這些原子的特性以及他們的結構，我們將能夠更好的了解

5、我們從顯微鏡或肉眼觀察到的現象。這些原子一個最重要的特性就是在某一溫度范圍內，他們將形成具有特定形狀的物質。這是因為原子之間在一定距離范圍，受彼此內力的相互作用，這些力或相斥或相吸，原子間彼此相吸引，同時又被其它的原子推開或排斥，所以，單個的原子由于彼此相抵消的力使其停留在他們特定的位置相對于周圍其它的原子：這些原子在其特定的位置一排排、一層層在三維方向形成對稱的晶格結構或形式。然而他們不一定固定在某一位置，事實上，他們在一平衡位置

6、上振動，從而保持一個相對平衡的空間：在某個給定的溫度下，他們將停留在一個平衡空間，吸引力和排斥力彼此平衡，此時，我們說金屬內部能量呈現為一個穩(wěn)定水平。任何使原子靠近的力將會被排斥力抵消。而且該排斥力將隨著原子的靠近而增加。這一行為被金屬所顯示的相當高的壓縮強度所證實。類似地，任何將原子分開的力將會導致一個相抵消的吸引力。這些吸引力將隨著原子被拉遠而減小。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,后者的行為可在拉伸試驗中得到證實，

7、在金屬屈服點以下，加負載拉長拉伸試樣，單個原子之間的空間增大，取消負載，試樣將呈現彈性性能，也就是，從宏觀角度來講,它將恢復到原尺寸，這意味著原子回到它的原始平衡位置。如果加在拉伸試樣上的負荷超過了金屬的屈服強度：試樣將呈現塑性性能。此時它將不再恢復到它原來的尺寸或原子間的距離、這是因為原子被迫彼此遠離，以至于吸引力不足以保持原子停留在其原來的位置，隨著原子間的距離進一步增大到晶格空間吸引力不足以保持原子在一起，金屬將失效。.如上所

8、述，金屬原子之間在給定的溫度或內部能量下呈現一定的距離。由于熱是一種能量形式，當溫度升高時，內部能量將增加，增加的能量將導致原子的振動加劇，這種振動加劇會增加原子間的間隔，通過肉眼，我們可以觀測到這種能量增加所導致的結果，因為當原子運動分開的時候，金屬件的整體尺寸將增加。相反，溫度的降低將導致原子間的靠攏。也就是我們所觀察到的金屬收縮。當金屬加熱時,原子的振動不斷增加，引起原子間距增加,金屬膨脹，它增加一直到某一程度時，原子間距是如此

9、之大以至于原子再也無法吸引在一起呈現為特定的結構, 此時固態(tài)金屬將轉變?yōu)橐簯B(tài)（見圖8.2）。此時的溫度叫熔點。進一步的加熱最終將使液體轉變?yōu)闅怏w，此時溫度即為蒸發(fā)點。固態(tài)金屬具有最低的內能和最小的原子間距，液態(tài)金屬具有較高的能量和較大的原子間距，并且被認為是無固定形狀，也就無固定結構。氣態(tài)金屬具有最高能量和最大的原子間距，而且也是無固定結構。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,當然,所有這些很有趣，作為一個焊接檢驗師

10、認識到它為什么對你來講是重要的更有意義。很明顯，焊接和切割都對金屬輸入熱量，加熱會導致金屬的膨脹. 假如我們使金屬均勻受熱，我們是能夠測量到受熱金屬件在長度和尺寸上的變化的，這是因為，每種金屬都有其特定的膨脹熱值，這個數值描述了當金屬加熱時，它會膨脹多少。然而對于焊接來講，熱量是不均勻的，這是因為，部分金屬被加熱到一個較高的溫度時，臨近的金屬還處于較低的溫度。導致了焊接區(qū)域內不同點熱膨脹量不同，被直接加熱的部分金屬趨于膨脹，而這種膨脹

11、又被處于較低溫度的金屬牽制著。圖8.3描述了發(fā)生在一直板條上因一端被電弧加熱而產生的尺寸變化（見圖8.3A）. 在圖8.3B中，電弧給板條加熱、被加熱的部分開始膨脹（見圖8.3C），并且，受到其它未被加熱區(qū)域地限制。板條在遠離熱源的兩個端部趨于彎曲。由于加熱的部分的比較弱(部分實際上已成為液體而且更弱)，不可能使板條彎曲得更多。加熱部分由于在側面限制較小使得受熱一側變得更寬。當電弧熄滅，熱的熔化部分開始變冷收縮. 由于熱量總是從熱的

12、區(qū)域流向冷的區(qū)域，所以在冷卻過程中，熱量流入冷的區(qū)域并使其溫度上升?，F在，當熱膨脹的部分變冷，板條收縮，并把主要使板條頂部伸長的變形力的方向反轉，最終引起板條兩端長度變短，向上翹起，使板條呈內凹形狀（見圖8.3E）。所以,焊接就像我們給部件不均勻加熱一樣, 結果是所產生的熱應力引起尺寸變化，當它冷卻時，部件變形或形成卷曲. 圖8.3表述了帶有殘余應力的冷卻的板條，應力源由圖中的“彈簧圈”表示。無論何時，金屬在一個小的局部區(qū)域被熔化，如焊

13、接，都會產生收縮應力，即使板條在加熱和冷卻循環(huán)過程中，被外部約束。冷卻的部件依然存有因這種不同的加熱和冷卻而引起的應力，我們稱這種應力為殘余應力。殘余應力試圖使板條呈彎曲形狀。然而，板條不會彎得的更多，因為此時，它已冷卻至室溫，其本身強于殘余應力所施加的外力，除非采取某種方法釋放殘余應力，否則它將保留在板條中。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,有幾種方法能夠減少或消除殘余應力。通過加熱整個焊接部件。在規(guī)定的時間內保溫，該方

14、法均勻加熱金屬使金屬強度降低，從而允許殘余應力得到釋放。緩慢、均勻的冷卻到室溫將使工件產生較低的殘余應力。還有幾種應力釋放的方法。如振動、機械處理方法、這些方法都被證明是行之有效的。第三種降低應力、并能夠與焊接同時進行的方法叫做“錘擊”（見圖8.4），這也是一種機械處理方法。錘擊包括使用重汽錘（不是除渣用的錘子），錘擊多層焊的中間層的表面。這種錘擊使金屬層表面變形，并使層間厚度減小，該變形擴展了焊縫表面的長度和寬度，由于金屬被輕微的

15、擴展，因而其殘余應力被減小了。當重錘錘擊用于釋放應力時，應注意防止由該機械處理方法引起的焊縫開裂。不能用該方法錘擊根部焊邊，這樣很容易引起斷裂，通常，最終焊層也不能采用。某種程度上，大力的錘擊焊縫表面，會掩蓋缺陷，從而使檢驗很困難，采用適當的錘擊是一種有效降低殘余應力的方法，特別是對于厚截面或者是焊縫被剛性固定的場合。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,晶體結構在固態(tài)金屬中，原子自己排成有秩序的列、行和層形成三維晶體結構

16、。金屬被定義為晶體。不討論結晶過程是不對的. 當金屬凝固時，它總是呈晶體形式。晶體斷裂表面被錯誤地稱為典型疲勞斷裂或脆性斷裂形貌?？梢酝暾枋鲇行蚺帕蟹绞降淖钚×吭咏凶鳌皢卧Ц瘛?，認識到“單位晶格”并不是獨立存在，而是與三維空間方向與其它臨近的單位晶格共用原子是非常重要的。最常見的晶體結構或者相是體心立方(BCC)、面心立方(FCC)、四角體心結構(BCT)和六角密排結構(HCP)，如圖8.5所示. 一些金屬，如鐵在室溫下以一種

17、固態(tài)相存在，當溫度升高時，又以另一種相存在。這種在一種固體金屬中隨著溫度的變化從一種相轉變?yōu)榱硪环N相，叫“同素異形或固態(tài)相變”，一種具有相同的化學成份，不同的晶體結構的金屬叫做“同素異形”體。這將在以后討論。BBC（體心立方）可以描述為一個立方體的八個角和單元體的中心有一個原子，如鐵、碳鋼、鉻、鉬和鎢。 FCC（面心立方）可以想象為在立方體的八個角和其六個面的中心均有一個原子。如鋁、銅、鎳和奧氏體不銹鋼。BCT單位晶格就像基本BC

18、C一樣，只是沿一軸線方向伸長變?yōu)榫匦?，并在中心有一原子。由迅速淬火形成的鋼的一種相態(tài)馬氏體就是BCT結構。而HCP單位晶格是六方棱體。它可以想像為在棱體的上下頂面有二個六角形（六邊形），而中心有一原子，并在每個六角點上均有一原子。每個頂上的各有一個原子的三角形位于上下六角形頂之間。通常具有HCP結構的金屬為鋅，鎘及鎂。圖8.5-金屬和合金的普通晶體結構,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-

19、11-12,金屬的固化金屬是由眾所周知的晶核成形并增長的過程凝固成晶狀結構的。一旦冷卻，原子簇在晶格摻雜處或液固交界處，如熔化焊接金屬與冷卻的未熔化的熱影響區(qū)之間的交界處凝固。這些原子簇稱為晶核并大量出現。在焊縫金屬中，核試圖附著在焊縫交界處的熱影響區(qū)中已有的顆粒上。原子繼續(xù)凝固，并附著到晶核上。每個晶核沿著可能的方向長大，同時原子按照一定的晶格結構進行排列并形成不規(guī)則形狀的晶粒或晶體。圖8.6所示的是當焊縫金屬凝固時焊縫金屬晶粒形

20、成的過程。在圖8.6A中可見，最初的晶體是在焊縫交界處形成的。圖8.6B隨著初始晶核的長大，固相晶粒形成。因為晶核取向方位不同，當相近晶粒長在一起時，就形成了顆粒的邊界。圖8.6C是焊縫金屬完成了固化。晶粒邊界可以被認為是不連續(xù)。因為它代表原子統(tǒng)一排列的中斷。從前面的討論中我們可知，殘余應力存在于固化的金屬中。金屬機械性能取決于晶粒的大小，小晶粒的金屬將會有更高的室溫拉伸強度。因為當材料受應力時，晶格邊界會試圖阻止單個晶粒的變形。然而

21、當溫度升高，在邊界上的原子更容易移動，并滑過另一個原子。造成了高溫下材料強度下降。所以，細小晶粒的材料更適用于室溫和底溫環(huán)境。而粗晶粒材料適用于高溫條件。總的來說，細晶粒金屬具有更好的延伸性，缺口韌性及疲勞性能。在進一步討論前，讓我們迅速回顧一下。金屬就是由原子以有秩序排列形成的晶狀結構。這種有序形式或排列就是我們所知的“相”，可由一單位晶格來描述。金屬從許多位置迅速固化，并且以可能的方向長大并形成晶粒。單個晶粒間的結合處被稱為晶界。

22、晶粒的大小決定了晶粒邊界區(qū)的數量，進而某種程度上決定了金屬機械性能。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,合金化金屬的特性可因其它元素的加入而改變。這些其它元素可以是也可以不是金屬。這種技術叫合金化。這種技術產生的金屬稱為合金。例如，金屬元素鋅加入金屬銅，形成銅合金。非金屬碳是加入鐵中形成鋼合金的一種合金元素。 合金元素根據原子相對尺寸以各種方式包含在母材晶格點陣中（單個原子的

23、普通排列）。小的原子如碳，氮及氫會在占居原子間的位置。這就是間隙合金化。在圖8.7中以二維空間圖顯示。少量碳占居鋼中的鐵原子的間隙就是這樣的例子。如果合金元素的原子與母材原子在大小上接近，合金元素就會占居并取代。就是說它們取代母材在晶格點陣上的原子，這稱為替代合金化。如圖8.8所示，銅在鎳中及鎳在銅中就是這種合金的例子。就象晶粒邊界一樣，合金元素的加入在晶格點陣中形成不規(guī)則。如圖8.7和8.8所示，由于合金元素的存在使得原子的吸引和

24、排斥在某種程度上變化，導致了晶格排列的變形。這使得金屬內部的能量增加，并能改善金屬的機械性能。幾乎所有的工程金屬都是合金，都是由一主要元素加入不同量的一種或幾種元素形成的。通常，合金由許多任意方向的晶粒組成，每一個晶粒以其特定的方式排列并且含有一個或幾個特有的相，如果有多個相存在，每個相將會有其自己的特有的晶體結構。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,碳鋼的微觀組織構成呈現在

25、金屬合金中的晶粒的排列、晶界和存在的各種相叫微觀組織，微觀組織是形成合金性能的主要因素。該組織受合金的成份及含量以及其它因素，如成型和熱處理的影響、焊接操作極大地影響微觀組織，從而影響合金的性能。雖然，所有金屬呈現不同的微觀結構，本章僅討論發(fā)生在普碳鋼中的變化，普碳鋼是鐵與碳的合金，它也可能包括其它合金元素，但在微觀組織中它們產生的影響遠不及碳那么大。為了介紹本章，了解鐵和鋼在他們結晶過程中由于溫度改變所經歷的變化是非常重要的。即，

26、當鐵-碳合金被加熱或冷卻時、相變發(fā)生了。這一現象的發(fā)生使我們知道了某些合金的機械性能可通過不同的熱處理來改變。為了解所發(fā)生的相變，金屬學家用一個圖表或者是相圖、圖解展示了鐵-碳系統(tǒng)各種微觀結構的范圍，也叫“鐵-碳相圖”。如圖8.9所示。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,觀看相圖，會注意到豎線代表溫度變化而橫線表示碳含量。所以，對于一給定的含碳量，一條垂直線可以在橫軸的交叉點拉出并向上延伸，可以確定不同溫度下的各種微觀結構。

27、如橫軸下的標注所示。鋼包括含碳量從0.008％到2％的鐵-碳合金，在此范圍內，以共析點（0.8%的碳含量）為分界線，鋼又分為低碳亞共析體，共析體和過共析體。亞共析體是那些含碳量低于0.8％的鋼，在室溫下以珠光體和鐵素體的共熔體存在，與之相對應的過共析體是含碳量大于0.8％的鋼，在室溫下以珠光體和滲碳體形式存在。共析鋼（準確的0.8%碳含量）室溫均衡微觀組織為純珠光體，珠光體是滲碳體和鐵素體層狀混合物，通過拋光和酸蝕技術揭示了圖8.10

28、-8.12所示的微觀組織。圖8.10 為典型的工業(yè)純鐵的結構，幾乎不含碳。圖8.11為典型的珠光體的外貌特征。拋光，酸蝕后，在高倍顯微鏡（1500℉X）下觀察，亮的區(qū)域為鐵素體，黑的為滲碳體，,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,發(fā)生在鋼中的一個重要轉變就是室溫下各種相（鐵素體，珠光體，滲碳體或混合物）轉變?yōu)閵W氏體，它是鐵和碳的面心立方結構。一旦被加熱，這種轉變將在1333°F開始。代表相變溫度的橫線為A1，除含

29、碳量為0.8%的共析百分點外，這種相變發(fā)生在溫度超出一定范圍時。而且，相變只有在超出稱為A3線斜線以上才能全部完成。工業(yè)純鐵，轉變在1670°F完成，而共析鋼將在1333°F完成。一旦很慢地冷卻，相同轉變將會反向發(fā)生，這一轉變的存在允許我們利用各種熱處理方法硬化或軟化鋼材。當鋼被加熱到奧氏體范圍時，然后緩慢地冷卻，通過這個相變區(qū)域，最終形成的微觀組織將會有珠光體。這種結構只有當時間充足，使原子擴散到晶格排列中才能形

30、成。擴散是原子在固態(tài)金屬結構中的簡單遷移。溫度越高，原子在晶格點陣中的移動越容易。當從奧氏體以足夠慢的速度冷卻，珠光體將形成。被熱處理產生珠光體的鋼，通常都比較軟且延展性好。當從奧氏體區(qū)域以較快速度冷卻時，對給定的合金將會有一個重要的相變。首先，這一轉變將發(fā)生于較低的溫度。其次，微觀組織發(fā)生劇烈的變化，導制鋼的硬度和拉伸強度明顯增加，相應地延展性降低。在較快的冷卻速度下，所產生的基本微觀組織包括細珠光體、貝氏體和馬氏體。冷卻速度的輕微

31、增加，相變溫度有某種程度的下降。產生一種較細的、層次距離較近的珠光體結構。這種結構比粗大的珠光體硬度高，而延展性有某種程度地降低。冷卻速度繼續(xù)增加，相變溫度更低，珠光體不再形成，代之為貝氏體，這種結構是針狀碳化鐵以羽毛狀排列于鐵素體的混合物。貝氏體具有明顯的高強度、硬度和較低的延展性，并且很難在顯微鏡下觀察到。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,一旦冷卻速度很快或者是淬火，沒有足夠的時間發(fā)生擴散。導制一些碳原子被網格所捕獲。

32、如果冷卻速度足夠地快，碳含量足夠地高，將形成馬氏體：馬氏體的形成是一種非擴散過程。（冷卻速度是如此之快，以至于原子沒有時間向周圍運動）。奧氏體到馬氏體的轉變是由于剪切型的或機械作用的結果。所導致的晶格結構叫做四角體心結構。它是體心立方扭曲成為直角的結果，由于這種網格扭曲排列的存在，馬氏體呈現出較高的內能或應變，從而引起非常高的硬度和拉伸強度，同時，馬氏體具有低的延展性和韌性。圖8.12顯示了在高倍放大鏡（500X）下的形貌。,第八單元

33、焊接金相學 2011-11-12,為了在不明顯降低硬度和拉伸強度的情況下改善馬氏體的延展性和韌性。一種叫做回火的工藝被采用，這種熱處理方法由下列步驟組成。重新加熱淬過火的馬氏體結構到低于低相變點的溫度（1333?F），這種工藝使碳通過沉淀形成碳微粒，使淬火態(tài)的不穩(wěn)定的馬氏體轉變成回火態(tài)馬氏體?？刂苹鼗饻囟群蜁r間可以得到理想的強度和延展性，較高的回火溫度導致較軟的和更具延展性的特性。淬火和回火熱處理經常用于增強工具鋼的性能，與軋制、退火

34、或正火的特性比較，因為它提高了屈服強度和拉伸強度，屈服強度與拉伸強度比，并改善了缺口沖擊韌性。 對于特殊的合金鋼，回火溫度不同產生的影響在圖8.13中說明。為了幫助確定快速冷卻所導致的微觀結構，冶金學家用另外一種叫做TTT圖，或是叫時間-強度-相變曲線。他們也叫做絕熱相變圖（IT）。顧名思義，它描述了特定的鋼的成分在特定溫度下經過一定的時間產生的微觀產物。類似的圖CCT或者叫連續(xù)冷卻相變曲線，顯示了從奧氏體區(qū)域連續(xù)冷卻所發(fā)生的變化。

35、這兩種圖吻合地很好。圖8.14描述了8630鋼的連續(xù)冷卻相變特性。此圖表示了溫度和時間共同作用下的微觀產物。圖中所顯示的不同的冷卻速率說明了怎樣使用曲線圖，最終的相變產物依賴于冷卻曲線所經過的區(qū)域以及冷卻曲線通過此區(qū)域所需的時間。例如，曲線“A”僅通過奧氏體到馬氏體區(qū)域，所以最終微觀組織為100％的馬氏體。較慢的冷卻曲線“D”顯示了最終微觀產物組成是鐵素體加上少量的貝氏體和馬氏體。 因為馬氏體只能從奧氏體轉變而成，任何由奧氏體轉變成的

36、鐵素體和貝氏體不能轉變成馬氏體。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,焊接冶金的考慮因為焊接將導致母材溫度升高以及冷卻速率的變化，了解焊接過程會導至怎樣的微觀產物是很重要的。 圖8.15描述了焊縫各個區(qū)的峰值溫度與鐵-碳化鐵相圖之間的關系。正如所見的，根據靠近或在焊縫上點的位置，將產生各種不同的金相組織，在焊縫中的最高溫度區(qū)，金屬能夠從液態(tài)經過如前所述各種不同的相區(qū)冷卻下來，臨

37、近焊縫的地方，在熱影響區(qū)，雖然沒有熔化發(fā)生，但可以達到的高溫。熱影響就是這樣一個區(qū)域，它靠近焊縫金屬并且溫度升高從低于相變點到低于鋼的熔點。由于眾所周知的接觸淬火現象，熱影響區(qū)的冷卻速度處于最快冷卻速率之中。焊接條件的改變對各種相的形成具有很大的影響，由于不同的焊接條件對焊縫的冷卻速度有明顯的影響，一些焊接條件如熱輸入量、預熱的使用、母材的碳當量以及母材厚度都可能導致金相組織改變。隨著熱輸入的增加、冷卻速度的減小. 使用較小直徑的焊條

38、、較低的焊接電流、快的運行速度將會降低熱輸入. 對任何弧焊工藝，熱輸入是可以計算的，它只要有電流、電壓和行走速度、沿接頭的縱向軸線測得的熱輸入的公式如下：熱輸入=焊接電流 x 焊接電壓 x 60 / 焊接速度 (in/min)對于這個公式，熱輸入以J/in表達。如果焊接速度以in/分計，焦爾可以以瓦/秒來表示。所以，橫線上方的60將焊接的分轉換成了秒，焊接檢驗師可以通過監(jiān)測焊接熱輸入從而達到最終控制發(fā)生在熱影響區(qū)微觀組織特性的目的。

39、,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,另一項顯著影響最終熱影響區(qū)微觀產物的因素是預熱，通常來講，使用預熱將減小焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，并改善延展性， 當不使用預熱，熱影響區(qū)相對變窄，并顯示高的硬度，在某種情況下，依靠添加合金可以形成馬氏體。然而采用預熱時，熱影響區(qū)變寬，同時由于較低的冷卻速率允許形成鐵素體，珠光體甚至貝氏體代替馬氏體最終導致硬度明顯下降。所以，對特定焊接過程，焊接檢

40、驗師需監(jiān)測預熱，這一要求主要是為了降低熱影響區(qū)的冷卻速度，并產生具有理想性能的微觀結構。另一個有關焊接的重要因素是碳當量，因為碳對鋼的硬化能力具有顯著的影響（淬硬性既 金屬從奧氏體溫區(qū)冷卻硬化或形成馬氏體的能力），我們最關心的是在特殊合金中硬化的概率，鋼中碳含量越高越容易硬化。從某種程度上，其他合金元素，也會促進淬硬性，因此，碳當量成為一種經驗性的表達方式，用來確定合金元素對鋼的淬硬性的綜合影響，碳當量公式如下 ：C.E. =

41、%C + %Mn/6 + %Ni/15 + %Cr/5 + %Cu/13 + %Mo/4這一公式適用于碳和合金元素不超0.5％的碳、1.5％的錳、3.5％的鎳、1％的銅和0.5％的鉬的碳鋼及合金鋼，,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,一旦碳當量確定，我們可以預測一個合適的預熱范圍，從而得到最佳的焊接效果。下面的表列出了針對各種范圍的碳當量所建議的預熱溫度。碳當量建議預熱溫度到0.45可選0.45 到

42、0.60 200到400?F0.60以上400到700?F參考上述數據和公式，焊接工程師會粗步決定采用多大的預熱溫度達到目的，雖然其它因素也會影響這一決定，但至少提供了一個起點。母材厚度對冷卻速度也有影響，一般來講，厚板中的焊縫其冷卻速度大于薄板，較大的熱容量或熱衰退與較厚的截面對焊道產生快速冷卻，所以當焊接較厚截面時，各種焊接要求，如預熱被用來減小冷卻速度，改善最終的熱影響區(qū)的機械性

43、能。所以，當焊接厚截面時，通常增加預熱和層間溫度的要求有助于降低最終冷卻速度。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,熱處理前面已提到的一些金屬的熱處理方法，他們可以在焊接前用于母材，也可以用于已完成的焊縫從而達到特定機械性能，作為一個焊接檢驗師，工作之一就是監(jiān)測熱處理的操作并保證時間和溫度要求可以被監(jiān)測到。基本的熱處理包括退火、正火、淬火、回火、預熱、焊后熱處理和應力釋放熱處理。退火是一種軟化處理用于增加金屬的延展性，但

44、要損失強度，為了完成退火，金屬被加熱到奧氏體區(qū)域，保溫按1小時/英寸（工件厚度）或最低1小時，然后緩慢地冷卻。，冷卻通常是通過關掉能源，讓工件保留在爐內冷卻到室溫。正火也是軟化金屬，但不如退火明顯，它被認為是均勻化熱處理，即使工件的金屬結構均勻，正火處理通過提高金屬溫度到其奧氏體區(qū)域，保溫較短的時間，然后讓其在靜止的空氣中冷卻，這種冷卻比爐冷快，所以最終的性能與退火相比，硬度和強度稍高一些而延展性有所降低，正火處理的碳鋼和低合金鋼通常

45、可焊性是較好的。淬火處理與退火和正火不同點主要是前者最終的機械性能中強度和硬度明顯增高，而延展性有所降低。這種硬化處理是通過加溫到奧氏體區(qū)，保溫一段時間，然后馬上將部件浸入一淬火介質，諸如水、油、鹽水，使其快速冷卻，淬火產物主要是馬氏體結構，該結構具有高的硬度、強度和低的延展性，為了改善延展性，同時不明顯降低金屬的強度，通常采用回火處理，回火是通過加熱工件到低相變點，保溫短暫時間，讓高應力馬氏體結構有某種程度上應力釋放，然后冷卻。采

46、用預熱，正如前面所討論的，降低了鄰近焊縫的母材的冷卻速度，讓一個非馬氏體結構成分得以生成。預熱是在焊接前適用。焊后熱處理是用減小殘余應力并使在冷卻和淬火過程中產生的硬的、脆的相得到緩和，焊后熱處理在焊后采用，一般地講其溫度高于預熱。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,剩下的熱處理是應力釋放熱處理，屬于后熱處理的種類，這是前面所討論的一種降低殘余應力的方法，熱應力釋放是在低于相變點（1333°F）溫度下進行的，通過逐

47、步地并均勻地提高焊縫和母材的溫度。將焊接過程中因局部加熱產生的熱應力得以釋放。當溫度提高時，金屬強度降低，應力因而得到釋放。讓殘余應力得到釋放，并使金屬性能得到恢復，部件在應力在得到適放后以適中的速率冷卻，這種方法有助于消除變形所帶來的問題。還有兩個有關焊接冶金方面的問題，應該進行討論，這對焊接檢驗師了解各種冶金變化的基本物理原理很有幫助，這就是擴散和固溶。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,擴散我們知道，原子在液態(tài)下

48、更容易運動，然而在某種情況下，原子即使在固態(tài)中也能改變位置，事實上，任何原子都可以從其原來的位置一步步地漫游離開，在固態(tài)中原子位置的改變叫擴散。一個擴散的例子可以觀測到，如果光滑，扁平的鉛和金的板條被緊密地夾在一起（見圖8.16），如果他們在室溫下被夾在一起幾天時間，當夾子去掉后，這兩個金屬薄板依然還粘附在一起，這種粘附是由于鉛、金兩種原子彼此遷移擴散到對方并形成了很弱的金屬鍵的結果，這種鍵很弱，在其結合面上使勁吹一下就會使其分開，如

49、果兩種金屬溫度增加，，擴散也會增加，當溫度高于兩者的熔點，完全的混合就會發(fā)生。另一種擴散發(fā)生在當含氫氣體，存在于熔化金屬的附近時，如焊縫，通常的氫來自于潮濕空氣（H2O），或者是被焊接的表面上的有機物質，金屬上發(fā)現的許多污染物通常是有機化合物，像油、脂等等。他們的化學組成中含有氫，焊接產生的熱會打破水或有機污染物成為單個的原子，其中包括氫原子（H+）。氫原子很小，很容易擴散到母材金屬結構中，當他們進入母材中，氫原子重新組合成氫分子（

50、H2），兩個原子的結合大于單個氫原子，這些大的氫分子常會被金屬中的不連續(xù)，諸如晶界或夾雜捕獲，氫分子由于尺寸較大，因而在金屬結構內會產生較高的應力，這對于低延展性的金屬很容易產生裂紋，氫致裂紋常叫做焊道下裂紋或延遲裂紋?？朔渲铝鸭y的主要方法是消除氫的來源，首先要清理所有焊接表面，其次是規(guī)定低氫焊條用于碳鋼和合金鋼，這些低合金鋼焊條通常含很低的氫，但他們也需要進一步處理，避免在密封包裝箱內打開后吸潮，在消除吸氫的方法中，預熱也是一種有

51、效的方法，因為氫在200° ~450°F時會從金屬中逸出，這些方法對于降低裂紋敏感性以及鋼中的氫致裂紋有所幫助。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,固熔我們大多數人都知道一般的固體溶于液體的現象，加入一勺鹽到一杯水中攪拌，鹽會溶于水中，然而，我們大多數人對一種固體溶入另一種固體并不熟悉，如前面舉的鉛和金例子，兩種金屬通過擴散，從而彼此固溶。返回到我們所舉的水

52、和鹽例子中，如果鹽加多了，我們會發(fā)現無論我們如何攪拌，一部分鹽都不會溶解。這是因為，那些體積的水在當時的溫度下，已經達到了臨界溶解極限，無論怎樣攪拌也不會溶解更多的鹽，為了溶解更多的鹽，無論是水的體積還是溫度都需要增加，這就是我們所看到的，對于固體溶解于液體，其臨界溶解度依賴于液體濃度和溫度，金屬的屬性與其相似，除了通過擴散，兩種固體會彼此互溶。但是就象鹽和水，一種固體溶解于另一固體也有限度，并且該限度也受影響、金屬溫度越 高，溶解

53、的第二種元素越多，這樣，我們可以得到兩種金屬結合而成的合成金屬，當然，隨著增加擴散和溶解都會增加。我們利用固體相溶的例子是利用它來增加鋼的表面硬度，如果鋼被置入碳顆粒的床中，然后加熱到大約1600°~1700°F，這一溫度低于碳和鋼的熔點，一些碳滲入（溶解）鋼的表面，增加的碳使鋼的表面變硬、提高耐磨性，這一工藝叫滲碳，達到硬化的目的，同上，在與滲碳相同溫度時，如果鋼被暴露在氨水環(huán)境中，氨水被分解成獨立的氮和氫原子，

54、氮原子進入鋼表面，這一工藝叫滲氮，這兩種工藝均顯示了金屬的擴散和固溶。擴散和固溶的知識可以幫助焊接檢驗師了解焊前清理的重要性，以及焊接中適當的保護的重要性。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,常用材料的焊接金相學針對這一點，主要以碳鋼和低合金鋼來進行討論，最后一部分將回顧三種常用材料的焊接冶金：不銹鋼，鋁、銅和彼此間的合金。不銹鋼“不銹”一詞用于不銹鋼的分類有點用詞不當，因為通常指的是抗腐蝕，然而在嚴重的腐蝕環(huán)境下，

55、許多不銹鋼腐蝕的很厲害。不銹鋼指的是具有至少12％的鉻。有許多種不銹鋼，焊接檢驗師討論他們的時候應該認識到使用適當的牌號，主要有五種不銹鋼：鐵素體、馬氏體、奧氏體、沉淀硬化和雙相鋼，頭三種指的是穩(wěn)定的室溫相，第四種通常叫“PH”不銹鋼，指的是通過時效熱處理使之硬化，沉淀強化機理相對于淬火和回火叫相變硬化。最后一種雙相鋼，在室溫下是近似相等的半鐵素體半奧氏體，是一種改良型耐氯化物應力腐蝕開裂的鋼種。不銹鋼中穩(wěn)定的室溫相依賴于鋼的化學成分

56、，一些不銹鋼可以包含不同相的組合，最常用的是奧氏體不銹鋼，標識為“200” “300”系列，304和316不銹鋼是奧氏體。A416是馬氏體，430是鐵素體，常用的“PH”鋼有17-4PH。常用的雙相鋼是AL-6XN?？上攵?，這些類別的可焊接性大不相同，對奧氏體來講，目前的填充金屬具有良好的可焊性，當金屬溫度很高時，這些鋼種易產生微型熱裂紋，這個問題可通過控制母材和填充金屬化學成分，促使?鐵素體的形成，這樣可以幫助消除熱裂紋。當選取

57、的填充金屬的?鐵素體含量在4~10％時，可以避免奧氏體不銹鋼裂紋的產生，這個百分比常稱為鐵素體含量，可以用磁性探測儀測量。因為?鐵素體是體心立方并帶有磁性，用磁性探測儀可以測量。奧氏體是面心立方無磁性。鐵素體不銹鋼也具有可焊性，只要選用適當的填充金屬。馬氏體不銹鋼是最難焊的，經常需要預熱及焊后熱處理?！癙H”和雙相不銹鋼鋼也是可焊的，但是要注意焊接過程中引起的機械性能的改變。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,奧氏體不銹

58、鋼焊接中一個常見的問題是碳化物沉淀或叫敏化，當工件被加熱到焊接溫度，部分母材被加熱到800°~1600°F。在此范圍內，碳和鉻結合形成碳化鉻，形成這一產物最敏感的溫度大約在1250°F，并且這一溫度在每一個焊接熱循環(huán)中被出現兩次、一次在加熱過程，一次在冷卻過程。這些碳化鉻主要在微觀結構的晶界中出現，碳化鉻的形成使晶粒內臨近晶界部分的鉻含量減少，這一現象叫“貧鉻”導致鉻含量低于抗腐蝕所需的含量，最終結果降低

59、了晶粒的耐腐蝕性，在一定的腐蝕環(huán)境下，晶粒的邊界腐蝕率較高，叫作晶間腐蝕開裂，或IGA（見圖8.17）。有幾種方法可以防止奧氏體不銹鋼由于焊接而產生的敏化。第一種方法是重新加熱已完成的結構至1950°~2000°F，這種固溶退火打破了碳化鉻。從而允許碳重新溶解于結構，然而，該熱處理會引起結構的嚴重變形，緊跟著，工件必須快速在水中淬火避免碳化鉻的再次形成（見圖8.18）。第二種方法是增加母材和填充金屬的穩(wěn)定性。兩種

60、最常用的增加穩(wěn)定性的方法是添加鈦和鈮，在300系列中加入相當于8~10倍碳含量的鈦和鈮，這些合金穩(wěn)定劑優(yōu)先與碳結果從而減少了形成碳化鉻的碳含量。加入鈦后，奧氏體不銹鋼成為321。加入鈮后成347（見8.19）。第三種方法是減少母材及焊材中的碳含量，最后這些低碳奧氏體不銹鋼叫超低碳，或叫ELC。今天，它們被冠以字母“L”，意思是碳含量小于0.03％（標準鋼級小于0.08％）通過減小合金碳含量，較少的碳與鉻結合，焊接引起的敏感性降低了（圖

61、8.19）。這些低碳鋼級，由于較低的碳而輕微地降低機械性能，因此在選擇這些合金時間要注意，特別是使用于高溫情況下。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,鋁及鋁合金鋁合金在其表面有一層堅硬的氧化膜，這是當裸露的鋁暴露于空氣中快速形成的。當工件處于腐蝕環(huán)境時，這些氧化膜提供了保護。 這些氧化物防礙了焊接，為了進行釬焊這些合金，焊劑被用來破壞氧化膜，以使部件能夠被焊接。焊接時，一般選用交流電源，并利用交流焊接的反極性破壞氧化膜，并

62、且用氦或氬氣保護防止進一步形成氧化膜的交流焊接方法有時又叫作表面清理方法。鋁及鋁合金的金屬冶金很復雜，特別是針對于大量的合金和熱處理。 對大多數可焊的系列和熱處理狀態(tài)，與之相配合的填充金屬可在AWS 5.10。鋁及鋁合金焊條和焊棒技術條件中查到。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,銅及其合金純銅和其許多合金無法象鋼一樣通過淬火和回火來硬化，這些合金經常在成形過程中，產生的冷作被加強和硬化。焊接行為軟化了冷作硬化的材料

63、，而且在焊接冷作硬化的銅合金之前必須考慮這一點，一系列銅合金被時效強化－一種類似于用于“PH”不銹鋼的沉淀硬化處理。當焊接這些合金時，通常要規(guī)定焊后熱處理以恢復原來的機械性能。焊接銅及銅合金的一個主要問題是由于他們相對低的熔點和高的導熱能力。大量的熱要用于克服熱散失由于高速的熱傳導，而相對低的融點又使其早于預期時間熔化而流出接頭，多數銅合金在采用適當的工藝和技巧的情況下是可焊的。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,總結

64、焊接冶金是焊接任何部件都必須考慮的一個重要因素，因為這些冶金變化對焊縫和母材的最終性能有著極大的影響。由于冶金專家和焊接工程師希望控制焊縫的最終性能。因而存在許多焊接工藝要求。所以，焊接檢驗師要監(jiān)測這些要求并保證最終的生產是滿足要求的。金屬加熱量或金屬降溫速率，都會使金屬性能發(fā)生改變，你已經了解這些因素是怎樣影響金屬性能的改變。所以，現在可以明白哪些焊接變素是重要的并且為什么要在焊接過程中進行控制。,第八單元 焊接金相學 2011-

65、11-12,主要名詞及術語“α鐵”碳固溶于鐵中形成的體心立方結構。在室溫下是穩(wěn)定的，又叫鐵素體。退 火 一種熱處理方法，它用來軟化和降低金屬材料強度。奧氏體當材料被加熱A3相變線以上時，碳固溶在鐵中形成的面心立方結構。 也是300系列不銹鋼室溫穩(wěn)定相，又叫 ? 鐵。自熔式在焊接過程中，焊縫不用填充金屬而是靠熔化部分母材作填充而形成的。貝氏體鐵的種相。與珠光體比較，它形成于冷卻過程。在光學

66、顯微鏡下，它的細小晶粒結構很難被分離。BCC 體心立方。BCT 體心正方。碳當量由單個或多個不同比式相加的一組計算，用于確定所須預熱溫度。滲碳 一種硬化工藝，通過加熱與含碳材料接觸的金屬使碳元素滲入鐵合金中。有兩種形式的滲碳工藝：固體滲碳和氣體滲碳。滲碳體碳化鐵，Fe3C傳導 在熱傳導過程中，粒子之間熱的傳遞。對

67、流 在傳熱過程中，通過大量被加熱粒子運動的導熱過程。晶體 或叫晶粒，獨立的單位存在于凝固過程中，并與其它晶粒之間由晶界分隔。δ鐵素體不銹鋼中的一種相，高溫下抗裂。脫氧劑元素或化合物，他們很容易被氧化，從而使氧與被加熱的母材或焊縫反應。露點 濕氣開始冷凝的溫度，用于檢測氣體的干臊程度。,第八單元 焊接金相學 2011-11-12,擴

68、散 溶液中原子的運動，它可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。不連續(xù)任何存在于均質的金屬中的間斷。雙相 金屬中一種近似地含有50％鐵素體和50％奧氏體的不銹鋼。共析鋼鋼類，碳含量剛好等于0.8％的合金鐵素體固溶于r鐵中的體心立方結構，又叫α鐵。FCC 面心立方結構。r鐵 碳固溶在鐵中的面心立方結構，也叫奧氏體。晶粒

69、 金屬在凝固狀態(tài)下的一個單一的晶體。見晶體。HAZ 熱影響區(qū)，臨近焊縫的金屬，雖然沒被熔化，但受到焊接熱量的影響。HCP 六角密方排列。熱缺陷當高溫時（1800?F），晶界中由于含有硫化鐵而導致熱裂紋的產生。過共析體鋼類，碳含量超過0.8％的合金。亞共析體鋼類，碳含量低于0.8％的合金。IGA 由于不銹鋼