材料基础知识 王敏廷

1第一部分材料基础知识一、金属材料的性能：包括使用性能和加工工艺性能两个方面。⒈使用性能——金属材料在使用条件下所表现的性能。它包括材料的物理、化学和力学性能。⑴物理、化学性能——密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性、抗氧化性、耐腐蚀性等。⑵力学性能——是指金属在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，或金属在外力作用时表现出来的性能。它是反映金属抵抗各种损伤作用能力的大小，是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能指标主要包括强度、塑性、韧性、硬度和断裂力学等。⒉加工工艺性能：材料承受各种冷、热加工的能力。⑴冷加工：切削性能等。达到规定的几何形状和尺寸，公差配合，表面粗糙度等的要求。⑵热加工：铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理等。（液态成形）（塑性变形）（连接）（性能潜力）二、影响金属材料性能的因素：化学成分、组织结构及加工工艺等的影响。⒈化学成分⑴含碳量C%增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。⑵合金元素各有不同的作用：Mn增加可提高强度（但应控制1.9%），强化元素。V、Ti、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性及材料致密度。Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。⑶有害元素：P、S形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。⑷微量元素Re、稀土元素，综合力学性能有所提高。⒉组织结构、晶粒度及供贷状态等。①常见的显微组织：2℃液液＋奥奥＋渗奥0.772.11ECK铁＋奥铁＋珠珠＋渗723P1535A972G奥氏体（A）——强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。铁素体（F）——强度硬度低，塑性韧性好。渗碳体（Fe3C）——硬而脆，随C%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。珠光体（P）——性能介于F与Fe3C之间。马氏体（M）——具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。魏氏组织——粗大的过热组织，塑性韧性下降，使钢变脆。带状组织——双相共存的金属材料在热变形时沿主伸长方向呈带状或层状分布的组织。②晶粒度：常见1～8级。8级细小而均匀、综合力学性能好。③热轧、调质、正火状态供货，以正火状态组织性能最好。⒊加工工艺对组织性能影响冷作变形会带来纤维组织、加工硬化及残余内应力。热变形会提高材料塑性变形能力及降低变形抗力。三、金属材料性能方面的名词术语：⒈强度——金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。①屈服强度——当金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。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。Rm2、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。3断后伸长率LoLoLuA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。SoSuSoZ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：4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F②镇静钢Z③半镇静钢b④特殊镇静钢TZ⒋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A④特级优质钢E举例说明：Q235-A·F，16MnR，0Cr18Ni9Q235-BQ235-CQ235-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：5①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6GB/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7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。8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9G、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)10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°夹角的接头。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=6～26mmX型坡口(XK):δ=12～60mm焊缝热影响区母材熔合区11U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