CWI培训 焊接检验工艺学008.pdf

American Welding Society&Moody International 1 of 15 Module008 第八单元第八单元第八单元第八单元 焊焊焊焊 接接接接 金金金金 相相相相 学学学学 目 录 介绍 .2 基本金属结构 3 焊接的冶金考虑 9 普通材料的焊接金相学 12 总结 13 主要术语及其定义 14 American Welding Society&Moody International 2 of 15 Module008 第八单元第八单元第八单元第八单元 焊接金相学焊接金相学焊接金相学焊接金相学 介绍介绍介绍介绍 冶金是一门有关金属内部结构以及这些结构与金属所展现的性能之间关系的科学。涉及到焊接冶金，它所关注的是当接头是由焊接来完成时，发生在金属内部的各种变化，特别是那些影响机械性能的变化。对于焊接检验师来讲对焊接冶金基础知识的了解是非常有帮助的。当然，这不等于焊接检验师要负责母材及焊缝金属合金以及他们的热处理有关的规范及技术条件。然而，了解焊接冶金基础不仅对焊接检验师有帮助，而且也经常是检验工作的要求。其中之一的原因是因为由于焊接引起的冶金转变，会影响诸如强度、硬度、延展性、韧性、疲劳强度以及耐磨等机械性能。这些性能受到各种冶金因素的影响。它包括合金的添加、热处理以及机械处理。焊接检验师了解这些特性，对于生产过程中为何要采用某种制造方法有一个良好的感知。某种制造要求诸如预热、后热、层温控制、热输入控制、锤击、热应力释放以及其它的热处理都会引起冶金变化，进而影响机械性能。所以，本章将主要描述铁基焊接冶金的几个方面，并着重在控制冶金变化所需的制造方法。由于焊接冶金涉及诸多方面，本章的讨论不可覆盖所有方面，所以我们将限于那些发生于焊接过程中的较重要的方面，这些变化可以概述并分为两个种类。第一类，包括那些由于金属从室温加热到较高温度后冷却至较低温而引起的变化。第二类是温度变化率对金属性能的影响。最主要的是冷却速率，既从高温冷却至室温的快慢。我们的讨论将从金属被均匀加热和冷却开始，然而，应该注意到由于焊接的局部加热，将呈现各种不同的问题，这种不均匀加热/冷却将需进一步考虑。基本金属结构基本金属结构基本金属结构基本金属结构 为了增加对金属冶金性能的了解，有必要先讨论组成各种物质形式的粒子。这些组成固体、液体或气体物质的基本粒子叫做原子。这些原子很小，即使用最高倍数的光学显微镜也无法观测到，然而，通过讨论和解释这些原子的特性以及他们的结构，我们将能够更好的了解我们从显微镜或肉眼观察到的现象。这些原子一个最重要的特性就是在某一温度范围内，他们将形成具有特定形状的物质。这是因为原子之间在一定距离范围，受彼此内力的相互作用，这些力或相斥或相吸，原子间彼此相吸引，同时又被其它的原子推开或排斥，所以，单个的原子由于彼此相抵消的力使其停留在他们特定的位置相对于周围其它的原子：这些原子在其特定的位置一排排、一层层在三维方向形成对称的晶格结构或形式。然而他们不一定固定在某一位置，事实上，他们在一平衡位置上振动，从而保持一个相对平衡的空间：在某个给定的温度下，他们将停留在一个平衡空间，吸引力和排斥力彼此平衡，此时，我们说金属内部能量呈现为一个稳定水平。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。这一行为被金属所显示的相当高的压缩强度所证实。类似地，任何将原子分开的力将会导致一个相抵消的吸引力。这些吸引力将随着原子被拉远而减小。American Welding Society&Moody International 3 of 15 Module008 后者的行为可在拉伸试验中得到证实，在金属屈服点以下，加负载拉长拉伸试样，单个原子之间的空间增大，取消负载，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：试样将呈现塑性性能。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晶格空间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至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更有意义。很明显，焊接和切割都对金属输入热量，加热会导致金属的膨胀.假如我们使金属均匀受热，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，每种金属都有其特定的膨胀热值，这个数值描述了当金属加热时，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，临近的金属还处于较低的温度。导致了焊接区域内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。由于加热的部分的比较弱(部分实际上已成为液体而且更弱)，不可能使板条弯曲得更多。加热部分由于在侧面限制较小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 American Welding Society&Moody International 4 of 15 Module008 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，当热膨胀的部分变冷，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，即使板条在加热和冷却循环过程中，被外部约束。冷却的部件依然存有因这种不同的加热和冷却而引起的应力，我们称这种应力为残余应力。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。通过加热整个焊接部件。在规定的时间内保温，该方法均匀加热金属使金属强度降低，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），锤击多层焊的中间层的表面。这种锤击使金属层表面变形，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。当重锤锤击用于释放应力时，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边，这样很容易引起断裂，通常，最终焊层也不能采用。某种程度上，大力的锤击焊缝表面，会掩盖缺陷，从而使检验很困难，采用适当的锤击是一种有效降低残余应力的方法，特别是对于厚截面或者是焊缝被刚性固定的场合。晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构 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。晶体断裂表面被错误地称为典型疲劳断裂或脆性断裂形貌。可以完整描述有序排列方式的最小量原子叫作“单元晶格”，认识到“单位晶格”并不是独立存在，而是与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。这种在一种固体金属中随着温度的变化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有一个原子，如铁、碳钢、铬、钼和钨。American Welding Society&Moody International 5 of 15 Module008 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均有一个原子。如铝、铜、镍和奥氏体不锈钢。BCT 单位晶格就像基本 BCC 一样，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态马氏体就是 BCT 结构。而 HCP 单位晶格是六方棱体。它可以想像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。每个顶上的各有一个原子的三角形位于上下六角形顶之间。通常具有HCP 结构的金属为锌，镉及镁。图图图图 8.5-金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构金属和合金的普通晶体结构 金属的固化金属的固化金属的固化金属的固化 金属是由众所周知的晶核成形并增长的过程凝固成晶状结构的。一旦冷却，原子簇在晶格掺杂处或液固交界处，如熔化焊接金属与冷却的未熔化的热影响区之间的交界处凝固。这些原子簇称为晶核并大量出现。在焊缝金属中，核试图附着在焊缝交界处的热影响区中已有的颗粒上。原子继续凝固，并附着到晶核上。每个晶核沿着可能的方向长大，同时原子按照一定的晶格结构进行排列并形成不规则形状的晶粒或晶体。图 8.6 所示的是当焊缝金属凝固时焊缝金属晶粒形成的过程。在图 8.6A 中可见，最初的晶体是在焊缝交界处形成的。图 8.6B 随着初始晶核的长大，固相晶粒形成。因为晶核取向方位不同，当相近晶粒长在一起时，就形成了颗粒的边界。图 8.6C 是焊缝金属完成了固化。晶粒边界可以被认为是不连续。因为它代表原子统一排列的中断。从前面的讨论中我们可知，残余应力存在于固化的金属中。金属机械性能取决于晶粒的大小，小晶粒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晶粒的变形。然而当温度升高，在边界上的原子更容易移动，并滑过另一个原子。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底温环境。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。American Welding Society&Moody International 6 of 15 Module008 在进一步讨论前，让我们迅速回顾一下。金属就是由原子以有秩序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。金属从许多位置迅速固化，并且以可能的方向长大并形成晶粒。单个晶粒间的结合处被称为晶界。晶粒的大小决定了晶粒边界区的数量，进而某种程度上决定了金属机械性能。合金化合金化合金化合金化 金属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。这种技术叫合金化。这种技术产生的金属称为合金。例如，金属元素锌加入金属铜，形成铜合金。非金属碳是加入铁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点阵中（单个原子的普通排列）。小的原子如碳，氮及氢会在占居原子间的位置。这就是间隙合金化。在图8.7中以二维空间图显示。少量碳占居钢中的铁原子的间隙就是这样的例子。如果合金元素的原子与母材原子在大小上接近，合金元素就会占居并取代。就是说它们取代母材在晶格点阵上的原子，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。就象晶粒边界一样，合金元素的加入在晶格点阵中形成不规则。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，合金由许多任意方向的晶粒组成，每一个晶粒以其特定的方式排列并且含有一个或几个特有的相，如果有多个相存在，每个相将会有其自己的特有的晶体结构。碳钢的微观组织构成碳钢的微观组织构成碳钢的微观组织构成碳钢的微观组织构成 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及含量以及其它因素，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，所有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。American Welding Society&Moody International 7 of 15 Module008 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、图解展示了铁-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”状态下即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子并相互穿插。例如，室温下的纯铁叫 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 gamma铁。观看相图，会注意到竖线代表温度变化而横线表示碳含量。所以，对于一给定的含碳量，一条垂直线可以在横轴的交叉点拉出并向上延伸，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层状混合物，通过抛光和酸蚀技术揭示了图 8.10-8.12 所示的微观组织。图 8.10 为典型的工业纯铁的结构，几乎不含碳。图 8.11 为典型的珠光体的外貌特征。抛光，酸蚀后，在高倍显微镜（1500X）下观察，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 1333F 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 1670F 完成，而共析钢将在 1333F 完成。American Welding Society&Moody International 8 of 15 Module008 一旦很慢地冷却，相同转变将会反向发生，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。这种结构只有当时间充足，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，原子在晶格点阵中的移动越容易。当从奥氏体以足够慢的速度冷却，珠光体将形成。被热处理产生珠光体的钢，通常都比较软且延展性好。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重要的相变。首先，这一转变将发生于较低的温度。其次，微观组织发生剧烈的变化，导制钢的硬度和拉伸强度明显增加，相应地延展性降低。在较快的冷却速度下，所产生的基本微观组织包括细珠光体、贝氏体和马氏体。冷却速度的轻微增加，相变温度有某种程度的下降。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，这种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，以至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。所导致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，同时，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）下的形貌。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，这种热处理方法由下列步骤组成。重新加热淬过火的马氏体结构到低于低相变点的温度（1333F），这种工艺使碳通过沉淀形成碳微粒，使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。American Welding Society&Moody International 9 of 15 Module008 对于特殊的合金钢，回火温度不同产生的影响在图 8.13 中说明。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-强度-相变曲线。他们也叫做绝热相变图（IT）。顾名思义，它描述了特定的钢的成分在特定温度下经过一定的时间产生的微观产物。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。此图表示了温度和时间共同作用下的微观产物。图中所显示的不同的冷却速率说明了怎样使用曲线图，最终的相变产物依赖于冷却曲线所经过的区域以及冷却曲线通过此区域所需的时间。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”显示了最终微观产物组成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。焊接冶金的考虑焊接冶金的考虑焊接冶金的考虑焊接冶金的考虑 因为焊接将导致母材温度升高以及冷却速率的变化，了解焊接过程会导至怎样的微观产物是很重要的。图 8.15 描述了焊缝各个区的峰值温度与铁-碳化铁相图之间的关系。正如所见的，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如前所述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，但可以达到的高温。热影响就是这样一个区域，它靠近焊缝金属并且温度升高从低于相变点到低于钢的熔点。由于众所周知的接触淬火现象，热影响区的冷却速度处于最快冷却速率之中。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明显的影响，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.对任何弧焊工艺，热输入是可以计算的，它只要有电流、电压和行走速度、沿接头的纵向轴线测得的热输入的公式如下：热输入=焊接电流 x 焊接电压 x 60/焊接速度(in/min)对于这个公式，热输入以 J/in 表达。如果焊接速度以 in/分计，焦尔可以以瓦/秒来表示。所以，横线上方的 60 将焊接的分转换成了秒，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产物的因素是预热，通常来讲，使用预热将减小焊接热影响区的冷却速度，并改善延展性，当不使用预热，热影响区相对变窄，并显示高的硬度，在某种情况下，依靠添加合金可以形成马氏体。然而采用预热时，热影响区变宽，同时由于较低的冷却速率允许形成铁素体，珠光体甚至贝氏体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（淬硬性既 American Welding Society&Moody International 10 of 15 Module008 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。碳当量碳当量碳当量碳当量 建议预热温度建议预热温度建议预热温度建议预热温度 到 0.45 可选 0.45 到 0.60 200 到 400F 0.60 以上 400 到 700F 参考上述数据和公式，焊接工程师会粗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，但至少提供了一个起点。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，较大的热容量或热衰退与较厚的截面对焊道产生快速冷却，所以当焊接较厚截面时，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，当焊接厚截面时，通常增加预热和层间温度的要求有助于降低最终冷却速度。热处理热处理热处理热处理 前面已提到的一些金属的热处理方法，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，作为一个焊接检验师，工作之一就是监测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。退火是一种软化处理用于增加金属的延展性，但要损失强度，为了完成退火，金属被加热到奥氏体区域，保温按 1 小时/英寸（工件厚度）或最低 1 小时，然后缓慢地冷却。，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一淬火介质，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，回火是通过加热工件到低相变点，保温短暂时间，让高应力马氏体结构有某种程度上应力释放，然后冷却。采用预热，正如前面所讨论的，降低了邻近焊缝的母材的冷却速度，让一个非马氏体结构成分得以生成。预热是在焊接前适用。焊后热处理是用减小残余应力并使在冷却和淬火过程中产生的硬的、脆的相得到缓和，焊后热处理在焊后采用，一般地讲其温度高于预热。剩下的热处理是应力释放热处理，属于后热处理的种类，这是前面所讨论的一种降低残余应力的方法，热应力释放是在低于相变点（1333F）温度下进行的，通过逐步地并均匀地提高焊缝和母材的温度。将焊接过程中因局部加热产生的热应力得以释放。当温度提高时，金属强度降低，应力因而得到释放。让残余应力得到释放，并使金属性能得到恢复，American Welding Society&Moody International 11 of 15 Module008 部件在应力在得到适放后以适中的速率冷却，这种方法有助于消除变形所带来的问题。还有两个有关焊接冶金方面的问题，应该进行讨论，这对焊接检验师了解各种冶金变化的基本物理原理很有帮助，这就是扩散和固溶。扩散扩散扩散扩散 我们知道，原子在液态下更容易运动，然而在某种情况下，原子即使在固态中也能改变位置，事实上，任何原子都可以从其原来的位置一步步地漫游离开，在固态中原子位置的改变叫扩散。一个扩散的例子可以观测到，如果光滑，扁平的铅和金的板条被紧密地夹在一起（见图 8.16），如果他们在室温下被夹在一起几天时间，当夹子去掉后，这两个金属薄板依然还粘附在一起，这种粘附是由于铅、金两种原子彼此迁移扩散到对方并形成了很弱的金属键的结果，这种键很弱，在其结合面上使劲吹一下就会使其分开，如果两种金属温度增加，扩散也会增加，当温度高于两者的熔点，完全的混合就会发生。另一种扩散发生在当含氢气体，存在于熔化金属的附近时，如焊缝，通常的氢来自于潮湿空气（H2O），或者是被焊接的表面上的有机物质，金属上发现的许多污染物通常是有机化合物，像油、脂等等。他们的化学组成中含有氢，焊接产生的热会打破水或有机污染物成为单个的原子，其中包括氢原子（H+）。氢原子很小，很容易扩散到母材金属结构中，当他们进入母材中，氢原子重新组合成氢分子（H2），两个原子的结合大于单个氢原子，这些大的氢分子常会被金属中的不连续，诸如晶界或夹杂捕获，氢分子由于尺寸较大，因而在金属结构内会产生较高的应力，这对于低延展性的金属很容易产生裂纹，氢致裂纹常叫做焊道下裂纹或延迟裂纹。克服氢致裂纹的主要方法是消除氢的来源，首先要清理所有焊接表面，其次是规定低氢焊条用于碳钢和合金钢，这些低合金钢焊条通常含很低的氢，但他们也需要进一步处理，避免在密封包装箱内打开后吸潮，在消除吸氢的方法中，预热也是一种有效的方法，因为氢在 200 450F 时会从金属中逸出，这些方法对于降低裂纹敏感性以及钢中的氢致裂纹有所帮助。固熔固熔固熔固熔 我们大多数人都知道一般的固体溶于液体的现象，加入一勺盐到一杯水中搅拌，盐会溶于水中，然而，我们大多数人对一种固体溶入另一种固体并不熟悉，如前面举的铅和金例子，两种金属通过扩散，从而彼此固溶。返回到我们所举的水和盐例子中，如果盐加多了，我们会发现无论我们如何搅拌，一部分盐都不会溶解。这是因为，那些体积的水在当时的温度下，已经达到了临界溶解极限，无论怎样搅拌也不会溶解更多的盐，为了溶解更多的盐，无论是水的体积还是温度都需要增加，这就是我们所看到的，对于固体溶解于液体，其临界溶解度依赖于液体浓度和温度，金属的属性与其相似，除了通过扩散，两种固体会彼此互溶。但是就象盐和水，一种固体溶解于另一固体也有限度，并且该限度也受影响、金属温度越 American Welding Society&Moody International 12 of 15 Module008 高，溶解的第二种元素越多，这样，我们可以得到两种金属结合而成的合成金属，当然，随着 增加扩散和溶解都会增加。我们利用固体相溶的例子是利用它来增加钢的表面硬度，如果钢被置入碳颗粒的床中，然后加热到大约 16001700F，这一温度低于碳和钢的熔点，一些碳滲入（溶解）钢的表面，增加的碳使钢的表面变硬、提高耐磨性，这一工艺叫渗碳，达到硬化的目的，同上，在与渗碳相同温度时，如果钢被暴露在氨水环境中，氨水被分解成独立的氮和氢原子，氮原子进入钢表面，这一工艺叫渗氮，这两种工艺均显示了金属的扩散和固溶。扩散和固溶的知识可以帮助焊接检验师了解焊前清理的重要性，以及焊接中适当的保护的重要性。常用材料的焊接金相学常用材料的焊接金相学常用材料的焊接金相学常用材料的焊接金相学 针对这一点，主要以碳钢和低合金钢来进行讨论，最后一部分将回顾三种常用材料的焊接冶金：不锈钢，铝、铜和彼此间的合金。不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢“不锈”一词用于不锈钢的分类有点用词不当，因为通常指的是抗腐蚀，然而在严重的腐蚀环境下，许多不锈钢腐蚀的很厉害。不锈钢指的是具有至少 12的铬。有许多种不锈钢，焊接检验师讨论他们的时候应该认识到使用适当的牌号，主要有五种不锈钢：铁素体、马氏体、奥氏体、沉淀硬化和双相钢，头三种指的是稳定的室温相，第四种通常叫“PH”不锈钢，指的是通过时效热处理使之硬化，沉淀强化机理相对于淬火和回火叫相变硬化。最后一种双相钢，在室温下是近似相等的半铁素体半奥氏体，是一种改良型耐氯化物应力腐蚀开裂的钢种。不锈钢中稳定的室温相依赖于钢的化学成分，一些不锈钢可以包含不同相的组合，最常用的是奥氏体不锈钢，标识为“200”“300”系列，304 和 316 不锈钢是奥氏体。A416 是马氏体，430 是铁素体，常用的“PH”钢有 17-4PH。常用的双相钢是 AL-6XN。可想而知，这些类别的可焊接性大不相同，对奥氏体来讲，目前的填充金属具有良好的可焊性，当金属温度很高时，这些钢种易产生微型热裂纹，这个问题可通过控制母材和填充金属化学成分，促使铁素体的形成，这样可以帮助消除热裂纹。当选取的填充金属的铁素体含量在 410时，可以避免奥氏体不锈钢裂纹的产生，这个百分比常称为铁素体含量，可以用磁性探测仪测量。因为铁素体是体心立方并带有磁性，用磁性探测仪可以测量。奥氏体是面心立方无磁性。铁素体不锈钢也具有可焊性，只要选用适当的填充金属。马氏体不锈钢是最难焊的，经常需要预热及焊后热处理。“PH”和双相不锈钢钢也是可焊的，但是要注意焊接过程中引起的机械性能的改变。奥氏体不锈钢焊接中一个常见的问题是碳化物沉淀或叫敏化，当工件被加热到焊接温度，部分母材被加热到8001600F。在此范围内，碳和铬结合形成碳化铬，形成这一产物最敏感的温度大约在 1250F，并且这一温度在每一个焊接热循环中被出现两次、一次在加热过程，一次在冷却过程。这些碳化铬主要在微观结构的晶界中出现，碳化铬的形成使晶粒内临近晶界部分的铬含量减少，这一现象叫“贫铬”导致铬含量低于抗腐蚀所需的含量，最终结果降低了晶粒的耐腐蚀性，在一定的腐蚀环境下，晶粒的边界腐蚀率较高，叫作晶间腐蚀开裂，或 IGA（见图 8.17）。有几种方法可以防止奥氏体不锈钢由于焊接而产生的敏化。第一种方法是重新加热已完成 American Welding Society&Moody International 13 of 15 Module008 的结构至 19502000F，这种固溶退火打破了碳化铬。从而允许碳重新溶解于结构，然而，该热处理会引起结构的严重变形，紧跟着，工件必须快速在水中淬火避免碳化铬的再次形成（见图 8.18）。第二种方法是增加母材和填充金属的稳定性。两种最常用的增加稳定性的方法是添加钛和铌，在 300 系列中加入相当于 810 倍碳含量的钛和铌，这些合金稳定剂优先与碳结果从而减少了形成碳化铬的碳含量。加入钛后，奥氏体不锈钢成为 321。加入铌后成 347（见 8.19）。第三种方法是减少母材及焊材中的碳含量，最后这些低碳奥氏体不锈钢叫超低碳，或叫 ELC。今天，它们被冠以字母“L”，意思是碳含量小于0.03（标准钢级小于 0.08）通过减小合金碳含量，较少的碳与铬结合，焊接引起的敏感性降低了（图 8.19）。这些低碳钢级，由于较低的碳而轻微地降低机械性能，因此在选择这些合金时间要注意，特别是使用于高温情况下。铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金 铝合金在其表面有一层坚硬的氧化膜，这是当裸露的铝暴露于空气中快速形成的。当工件处于腐蚀环境时，这些氧化膜提供了保护。这些氧化物防碍了焊接，为了进行钎焊这些合金，焊剂被用来破坏氧化膜，以使部件能够被焊接。焊接时，一般选用交流电源，并利用交流焊接的反极性破坏氧化膜，并且用氦或氩气保护防止进一步形成氧化膜的交流焊接方法有时又叫作表面清理方法。铝及铝合金的金属冶金很复杂，特别是针对于大量的合金和热处理。对大多数可焊的系列和热处理状态，与之相配合的填充金属可在 AWS 5.10。铝及铝合金焊条和焊棒技术条件中查到。铜及其合金铜及其合金铜及其合金铜及其合金 纯铜和其许多合金无法象钢一样通过淬火和回火来硬化，这些合金经常在成形过程中，产生的冷作被加强和硬化。焊接行为软化了冷作硬化的材料，而且在焊接冷作硬化的铜合金之前必须考虑这一点，一系列铜合金被时效强化一种类似于用于“PH”不锈钢的沉淀硬化处理。当焊接这些合金时，通常要规定焊后热处理以恢复原来的机械性能。焊接铜及铜合金的一个主要问题是由于他们相对低的熔点和高的导热能力。大量的热要用于克服热散失由于高速的热传导，而相对低的融点又使其早于预期时间熔化而流出接头，多数铜合金在采用适当的工艺和技巧的情况下是可焊的。总结总结总结总结 焊接冶金是焊接任何部件都必须考虑的一个重要因素，因为这些冶金变化对焊缝和母材的最终性能有着极大的影响。由于冶金专家和焊接工程师希望控制焊缝的最终性能。因而存在许多焊接工艺要求。所以，焊接检验师要监测这些要求并保证最终的生产是满足要求的。金属加 American Welding Society&Moody International 14 of 15 Module008 热量或金属降温速率，都会使金属性能发生改变，你已经了解这些因素是怎样影响 金属性能的改变。所以，现在可以明白哪些焊接变素是重要的并且为什么要在焊接过程中进行控制。主要名词及术语主要名词及术语主要名词及术语主要名词及术语“铁”碳固溶于铁中形成的体心立方结构。在室温下是稳定的，又叫铁素体。退 火 一种热处理方法，它用来软化和降低金属材料强度。奥氏体 当材料被加热 A3 相变线以上时，碳固溶在铁中形成的面心立方结构。也是 300系列不锈钢室温稳定相，又叫 铁。自熔式 在焊接过程中，焊缝不用填充金属而是靠熔化部分母材作填充而形成的。贝氏体 铁的种相。与珠光体比较，它形成于冷却过程。在光学显微镜下，它的细小晶粒结构很难被分离。BCC 体心立方。BCT 体心正方。碳当量 由单个或多个不同比式相加的一组计算，用于确定所须预热温度。渗碳 一种硬化工艺，通过加热与含碳材料接触的金属使碳元素渗入铁合金中。有两种形式的渗碳工艺：固体渗碳和气体渗碳。渗碳体 碳化铁，Fe3C 传导 在热传导过程中，粒子之间热的传递。对流 在传热过程中，通过大量被加热粒子运动的导热过程。晶体 或叫晶粒，独立的单位存在于凝固过程中，并与其它晶粒之间由晶界分