熔化焊与热切割第二章基础知识上课讲义.ppt
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1、熔化焊与热切割第二章基础知识第一节焊接与切割的基本原理及分类一、基本原理:一、基本原理:1 1、焊接:是通过对物体加热、加压或、焊接:是通过对物体加热、加压或两者并用,使焊件连接处达到原子力两者并用,使焊件连接处达到原子力的相互作用,使分离的物件连接成一的相互作用,使分离的物件连接成一个整体的加工工艺。个整体的加工工艺。11/20/202222 2、焊接的特点、焊接的特点:、焊接与其它连接方法有本质的区别、焊接与其它连接方法有本质的区别,不仅不仅在宏观上建立了永久性的联系在宏观上建立了永久性的联系,在微观上也建在微观上也建立了组织之间的原子级的内在联系立了组织之间的原子级的内在联系.、焊接比其
2、它连接方法具有更高的强度、焊接比其它连接方法具有更高的强度,密密封性封性,且质量可靠且质量可靠,生产率高生产率高,便于实现自动化便于实现自动化、节省金属、节省金属,工艺简单工艺简单,可以很方便的采用锻可以很方便的采用锻-焊焊,铸铸-焊等复合工艺焊等复合工艺,生产大型复杂的机械结生产大型复杂的机械结构和零件构和零件.、焊接是一个不均匀加热的过程、焊接是一个不均匀加热的过程,焊后的焊焊后的焊缝易产生焊接应力缝易产生焊接应力,易引起变形易引起变形.11/20/20223第一节焊接与切割的基本原理及分类二、焊接的种类二、焊接的种类:根据焊接的过程可分为三类根据焊接的过程可分为三类:1 1、熔化焊、熔化
3、焊:将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法的焊接方法.主要有电弧焊主要有电弧焊,气焊气焊,电渣焊电渣焊,等离子弧焊等离子弧焊,电子束电子束焊焊,激光焊等激光焊等.2 2、压力焊、压力焊:通过加压和加热的综合作用通过加压和加热的综合作用,以实现金以实现金属接合的焊接方法属接合的焊接方法.主要包括电阻焊主要包括电阻焊,摩擦焊摩擦焊,爆炸焊等爆炸焊等.3 3、钎焊、钎焊:以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接头形成焊缝的焊接方法头形成焊缝的焊接方法主要包括软钎焊和硬钎焊主要包括软钎焊和硬钎焊.11/20/2022411/20/2022
4、5三、切割的方法和分类:三、切割的方法和分类:1 1、火焰切割、火焰切割:(气割)操作简单:(气割)操作简单2 2、电弧切割:、电弧切割:、等离子弧切割:设备比较简单,易普及、等离子弧切割:设备比较简单,易普及、碳弧气割:主要用于中高碳钢、碳弧气割:主要用于中高碳钢3 3、冷切割:变形小、冷切割:变形小、激光切割:、激光切割:、水射流切割:、水射流切割:高压水(高压水(200200兆帕兆帕200200兆帕)兆帕)11/20/20226特种作业是指容易发生人员伤亡事故,对操特种作业是指容易发生人员伤亡事故,对操作者本人、他人的生命健康及周围设施的安作者本人、他人的生命健康及周围设施的安全可能造成
5、重大危害的作业。全可能造成重大危害的作业。直接从事特种作业的人员称为特种作业人员。直接从事特种作业的人员称为特种作业人员。焊接作业具有高危险性焊接作业具有高危险性火灾火灾爆炸爆炸触电触电中毒中毒烫伤烫伤11/20/20227上海静安区住宅楼上海静安区住宅楼导致导致5353人死亡,另人死亡,另有有7070人正在医院接人正在医院接受治疗,其中受治疗,其中1717人人伤势严重。伤势严重。11/20/20228第二节 金属材料及热处理常识一、纯金属的构造:一、纯金属的构造:晶体:原子在空间是按一定的几何规晶体:原子在空间是按一定的几何规律排列。律排列。首先想到的是:宝石、钻石首先想到的是:宝石、钻石晶
6、体:盐、冰、雪花、金属制品(外晶体:盐、冰、雪花、金属制品(外形不规则)形不规则)非晶体:木材、玻璃、棉花非晶体:木材、玻璃、棉花 原子在空间是无秩序而杂乱排列。原子在空间是无秩序而杂乱排列。11/20/20229纯金属的晶体结构:纯金属的晶体结构:1 1、体心立方晶格:、体心立方晶格:致密度(致密度(68%68%):):68%68%原子占据,原子占据,32%32%间隙间隙常温下的纯铁(常温下的纯铁(铁)铁)、钼、钨、钒、钼、钨、钒2 2、面心立方晶格:、面心立方晶格:致密度(致密度(74%74%)温度在温度在91091013901390的纯铁(的纯铁(铁)铁)、铜、镍铜、镍11/20/202
7、210第二节 金属材料及热处理常识3 3、密排六方晶格:、密排六方晶格:致密度(致密度(74%74%)锌、镁、钡锌、镁、钡液体金属结晶过程:液体金属结晶过程:结晶:金属由液体凝固为固体的过程。结晶:金属由液体凝固为固体的过程。晶核的形成与长大。晶核的形成与长大。1 1、晶核的形成:、晶核的形成:2 2、晶核的长大:、晶核的长大:3 3、晶粒的边界:、晶粒的边界:11/20/202211第二节 金属材料及热处理常识二、合金的晶体构造及铁碳平衡相图二、合金的晶体构造及铁碳平衡相图、合金的晶体构造、合金的晶体构造合金的晶体构造分三类:固溶体、金属化合物和合金的晶体构造分三类:固溶体、金属化合物和共析
8、体(机械混合物)。共析体(机械混合物)。(1 1)、固溶体:)、固溶体:所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶,固态也所组成的合金相。两组元在液态下互溶,固态也相互溶解,且形成均匀一致的物质。形成固溶体相互溶解,且形成均匀一致的物质。形成固溶体时,含量大者为溶剂,含量少者为溶质;溶剂的时,含量大者为溶剂,含量少者为溶质;溶剂的晶格即为固溶体的晶格。晶格即为固溶体的晶格。11/20/202212A A、固溶体的分类、固溶体的分类按溶质原子在晶格中的位置不同可分为按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体
9、。置换固溶体和间隙固溶体。、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大,溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大,一般在一般在1515以内时,易于形成置换固溶以内时,易于形成置换固溶体。体。铜镍二元合金即形成置换固溶体,镍原铜镍二元合金即形成置换固溶体,镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子子可在铜晶格的任意位置替代铜原子(铜、镍无限互溶)。(铜、镍无限互溶)。锌在铜中溶解极限:锌在铜中溶解极限:39%39%11/20/202213另外,另外,按溶质元素在固溶体中的溶解度,可按溶质
10、元素在固溶体中的溶解度,可分为有限固溶体和无限固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。固溶体有可能成为无限固溶体。、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属,而溶质是直径很小的是直径较大的过渡族金属,而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于溶剂原子直径之比必须小于0.590.59。如铁碳合金中,。如铁碳合金中,铁和碳所形成的
11、固溶体铁和碳所形成的固溶体铁素体和奥氏体,皆铁素体和奥氏体,皆为间隙固溶体。为间隙固溶体。B B、固溶体的结构:、固溶体的结构:、晶格畸变、晶格畸变 、偏聚与有序、偏聚与有序11/20/202214、有序固溶体(更接近化合物)、有序固溶体(更接近化合物)硬度及脆性增加、塑性和电阻降低硬度及脆性增加、塑性和电阻降低C C、固溶体的性能、固溶体的性能当溶质元素含量很少时,固溶体性能与溶剂金属当溶质元素含量很少时,固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多,会使性能基本相同。但随溶质元素含量的增多,会使金属的强度和硬度升高,这种现象称为固溶强化。金属的强度和硬度升高,这种现象称为固溶强
12、化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。适当控制溶质含量,可明显提高强度和硬度,同适当控制溶质含量,可明显提高强度和硬度,同时仍能保证足够高的塑性和韧性,所以说固溶体时仍能保证足够高的塑性和韧性,所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料,几乎都以固溶体作为基本力学性能的结构材料,几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法,在相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法,在工业生产中得以广泛应用的原因。工业生产中得以广泛应用的原因。11/20/2022152
13、2、金属化合物、金属化合物两种元素,按一定的原子数量之比相化合两种元素,按一定的原子数量之比相化合金属化合物是两组元相互作用形成的新相,它金属化合物是两组元相互作用形成的新相,它的晶体结构与两组元都不相同,并具有金属性的晶体结构与两组元都不相同,并具有金属性质。金属化合物有多种,它们的共同特点是熔质。金属化合物有多种,它们的共同特点是熔点高、硬度高,一般都作为合金中的硬化相。点高、硬度高,一般都作为合金中的硬化相。如碳钢中的如碳钢中的Fe3CFe3C,合金钢中的,合金钢中的TiCTiC、VCVC、W2CW2C等。等。正常价化合物正常价化合物MgMg、MnMn与与S S、SnSn、SiSi、Pb
14、Pb化合化合、电子化合物(可以看作是以化合物为基的、电子化合物(可以看作是以化合物为基的固溶体)熔点、硬度、脆性高固溶体)熔点、硬度、脆性高11/20/202216间隙相间隙相高熔点、高硬度具有明显的金属特性高熔点、高硬度具有明显的金属特性3 3、共析体、共析体合金中以单相的固溶体或金属化合物的形合金中以单相的固溶体或金属化合物的形式存在的情况很少,大多以两相的机械混式存在的情况很少,大多以两相的机械混合物形式存在。如碳钢中的珠光体,就是合物形式存在。如碳钢中的珠光体,就是由固溶体(铁素体)和金属化合物(渗碳由固溶体(铁素体)和金属化合物(渗碳体体Fe3CFe3C)组成的机械混合物。)组成的机
15、械混合物。11/20/20221711/20/20221811/20/202219a奥氏体奥氏体b铁素体铁素体c亚共析钢亚共析钢d共析钢共析钢e过共析钢过共析钢f亚共晶亚共晶白口铸铁白口铸铁g共晶共晶白口铸铁白口铸铁h过共晶过共晶白口铸铁白口铸铁11/20/202220u铁碳平衡图释义:铁碳平衡图释义:纯铁有两种同素异构体纯铁有两种同素异构体,在在912912以下为体心立方以下为体心立方的的FeFe;在;在91291213941394为面心立方的为面心立方的-Fe;-Fe;在在139413941538(1538(熔点熔点)又呈体心立方结构又呈体心立方结构,即即FeFe。当碳溶于当碳溶于FeFe
16、时形成的固溶体称铁素体时形成的固溶体称铁素体(F)(F)、溶、溶于于-Fe-Fe时形成的固溶体称奥氏体时形成的固溶体称奥氏体(A)(A),碳含量超,碳含量超过铁的溶解度后,剩余的碳可能以稳定态石墨形过铁的溶解度后,剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在,也可能以亚稳态渗碳体式存在,也可能以亚稳态渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)形式存在。形式存在。FeFe3 3C C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的;即使加热到室温下是极其缓慢的;即使加热到700700,Fe Fe3 3C C分解成稳定相也需几年分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨合
17、金中含有硅等促进石墨化元素时化元素时,Fe,Fe3 3C C稳定性减弱稳定性减弱),石墨虽然在铸铁,石墨虽然在铸铁(2(24 4C)C)中大量存在中大量存在,但在一般钢但在一般钢(0.03(0.031.51.5C)C)中却较难形成这种稳定相。中却较难形成这种稳定相。11/20/202221珠光体马氏体魏氏体11/20/202222有色金属的基本知识有色金属的基本知识1、铜及其合金、铜及其合金纯铜:又称紫铜纯铜:又称紫铜晶格类型晶格类型面心立方面心立方原子量原子量63.54密度密度8.9克克/cm3熔点熔点1083导电率导电率100-103%ACS电阻率电阻率0.01673欧姆欧姆.mm2/m线
18、性膨胀数线性膨胀数17.610-6/导热率导热率0-100399W/mk0.94卡卡/cm.s.c电阻温度系数电阻温度系数0.00393/磁化率磁化率-0.08610-3/kg比热比热0.092卡卡/克克.湿度湿度20软态软态280MPA延伸性延伸性40%11/20/202223黄铜:简单黄铜:铜锌合金特殊黄铜黄铜.doc白铜:白铜.doc青铜:青铜.doc11/20/202224铝及其合金、银白色轻金属。有延展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧,并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠
19、和氢氧化钾溶液,难溶于水。相对密度2.70。熔点660。沸点2327。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位,是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展,要求材料特性具有铝及其合金的独特性质,这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。应用极为广泛。11/20/202225三、钢的热处理:三、钢的热处理:、钢的固态相变、钢的固态相变如图如图3 3所示:所示:在缓冷、缓慢加热的条件下:在缓冷、缓慢加热的条件下:A A1 1:加热时(珠光体)向:加热时(珠光体)向(奥氏体奥氏体)转变的开转变的开始转变温度;冷却时向转变的开始温度;始转变温度;冷却时向转变的开始温度;72772
20、7A A3 3:亚共析钢加热时全部转变为:亚共析钢加热时全部转变为A A温度,冷却时先温度,冷却时先共析铁素体的开始析出温度;共析铁素体的开始析出温度;A Acmcm:过共析钢加热时:过共析钢加热时FeFe3 3C C全部溶入温度,冷却全部溶入温度,冷却时从中析出时从中析出FeFe3 3C C开始温度;开始温度;碳钢在加热或冷却过程中越过上述临界碳钢在加热或冷却过程中越过上述临界点,就会发生固态相变,所以可以进行热处理;点,就会发生固态相变,所以可以进行热处理;11/20/2022261 1、加热时转变:、加热时转变:亚共析钢加热温度超过亚共析钢加热温度超过A3A3,珠光体,珠光体奥氏奥氏体体
21、+铁素体铁素体全部转变为奥氏体。全部转变为奥氏体。亚共析钢加热温度超过亚共析钢加热温度超过10501050以上,并停以上,并停留较长的时间时,奥氏体晶粒便会迅速长留较长的时间时,奥氏体晶粒便会迅速长大,析出针状铁素体,形成大,析出针状铁素体,形成魏氏体魏氏体,强度,强度提高,塑性、韧性下降,易裂。提高,塑性、韧性下降,易裂。2 2、冷却时的转变:、冷却时的转变:过冷奥氏体:过冷奥氏体:在临界点以下存在的,不稳定的,处于过冷在临界点以下存在的,不稳定的,处于过冷态,将要发生转变的奥氏体称为态,将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏过冷奥氏体体。11/20/202227过冷奥氏体的转变类型:高温、缓冷(
22、铁、碳均扩散)炉冷或空冷退火或正火珠光体转变。(扩散型)粒状或片状,小颗粒(高强度、塑性、韧性)低温、冷速较快到Ms以下转变(铁、碳均不扩散)马氏体。(非扩散型)脆、硬11/20/202228、钢的热处理:、钢的热处理:是指将钢在固态下加热到预定的是指将钢在固态下加热到预定的温度,保温一定的时间后,以一定温度,保温一定的时间后,以一定的冷却速度冷却下来,通过改变钢的冷却速度冷却下来,通过改变钢的内部组织结构来改善钢的性能的的内部组织结构来改善钢的性能的操作。操作。焊接时焊缝热影响区受到焊接热循焊接时焊缝热影响区受到焊接热循环的作用,实质上经受了热处理环的作用,实质上经受了热处理11/20/20
23、2229种类:种类:普通热处理(退火、正火、淬火和回火)普通热处理(退火、正火、淬火和回火)表面热处理(表面淬火和化学热处理)表面热处理(表面淬火和化学热处理)形变热处理形变热处理1 1、退火:、退火:可作为:预备热处理和最终热处理;可作为:预备热处理和最终热处理;钢加热到临界点钢加热到临界点A A3 3以上或以下,保温以上或以下,保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的工艺。工艺。目的:目的:消除铸、锻、焊件的内应力;消除铸、锻、焊件的内应力;均匀成分、组织,细化晶粒;均匀成分、组织,细化晶粒;消除内应力和加工硬化;消除内应力和加工硬化;11/20/202
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