第1章 金属材料概述PPT课件
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C %≤0.03%，明显改善了钢的焊接性 管线钢：X52→X80
C %:0.1%~0.14%→0.01%~0.04%
Ceq:0.45%→0.35% 显微组织：F+P→极低碳B 抗氢致裂纹能力提高，缺口冲击韧度提高， 抗应力腐蚀要求提高
钢的强化方式：固溶强化、沉淀强化、位错强化、 热处理强化、细晶强化等
焊接冶金学
——材料焊接性
第1章 概述_ 第2章 焊接性及其试验评定_ 第3章 合金结构钢的焊接_ 第4章 不锈钢及耐热钢的焊接_ 第5章 有色金属的焊接_ 第6章 铸铁焊接_ 第7章 先进材料的焊接_ 第8章 异种材料的焊接_ 补充：堆焊
第1章 概 述_
1.1 材料在工程中的发展及应用_
1.1.1 钢结构的发展及应用_ 1.1.2 有色金属的的发展及应用_ 1.1.3 先进材料的发展及应用_
2、合金结构钢的应用
特点：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
1）低合金钢 应用领域：建筑、桥梁、工程机械等 a）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 大气温度环境下，冲击吸收功（0℃， V型缺 口试样）≥27J
b）车辆、船舶、工程机械等运行结构：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。 c）焊接无裂纹钢：制造液化气罐
结构中用量最大的一类工程材料 预计在今后依然是主要的工程材料
焊接结构发展特点：高参数、轻量化、大型化
1、低合金钢的发展(三个阶段): 1) 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：抗拉强度 钢的强化：碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等 质量分数达到2%~3% 2) 20世纪20~60年代：
细晶强化：同时提高强度和韧性 细晶强化的理论依据：
Hall-Petch关系式 σs =σ0 + Kd-1/2 σ0—铁素体晶格摩擦力 K —常数 d—晶粒直径（广义） 铁素体：晶粒直径 贝氏体和板条马氏体：板条尺寸
随着d↘→σs↗；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。
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。
低合金钢的发展趋势： 1、高强度
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，用于海 军潜艇及核潜艇的耐压壳体。
WCF-80钢：焊接裂纹敏感性小的高强度焊接 结构钢，具有高抗冷裂性和低温韧性，用于 大型水电站、石化、漏天煤矿
d）低碳调质钢： σb=700MPa，具有较好缺口冲击韧度，用于低温
服役焊接结构 σb=800MPa，用于工程机械、矿山机械制造中 σb≥1000MPa，工程机械高强耐磨件、核动力装置
及航海、航天装备
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
钢的纯净化显著提高了钢的冲击韧度和焊接接头 的抗裂性，焊接性得到明显提高，相应的要求焊缝 金属不仅要实现洁净化，而且也要实现细晶化。
焊缝的细晶化可通过合金化完成细化晶粒的目的， 使焊缝中出现足够量的针状铁素体是提高焊缝金属 强韧性的关键。焊缝中加入多种微量元素可抑制高温 奥氏体晶粒的长大，促使针状铁素体的形成。
最近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
大幅提高材料性能所依靠的先进工艺和制造技术： 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
TMCP钢：晶粒直径达到10~15µm d=1µm：超细晶粒钢， σs：400MPa →800MPa
钢的纯净化（WP+S+O+N+H＜0.005%）、均匀化和晶 粒超细化（约1µm），可使钢的强韧性获得大幅提高。 防止晶粒长大的元素：Nb和Ti 低合金结构钢的生产：
过去着重于钢材本身性能，偏重于脱氧提纯、 加工成形和相变热处理。
逐步采用：焊接技术 设计参数：考虑材料屈服强度、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
3) 20世纪70年代以后: 碳的质量分数：0.1%以下，向超低碳含量发展 合金元素： Ti、V、Nb等微合金元素引起关注 向多元复合合金化方向发展
钢铁材料的研究和开发受到重视
合金结构钢近30年来受到世界各国的普遍重视， 并将成为今后若干年材料发展的基本方向。
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
工程 主导：金属材料 结构 发展：超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢 ※合金结构钢：综合性能优异，经济效益显著，是焊接
日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN 系列钢，σs：600~1000MPa 2、提高耐热性
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 发展主线：改善焊接性 重要标志：含碳量的降低
淬火-回火(Quenching-Tempering)钢：多元微合金化 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢：控轧控冷
1. 2 本课程的任务、内容及特点_
1.2.1 本课程的目的和任务 1.2.2 本课程的内容和教学任务
1.1 材料在工程中的发展及应用
材料和结合手段密不可分，相互促进，不断发展
20世纪初，电弧技术用于钢铁产品
焊接与钢结构飞速发展
2005年：3亿T﹥（美＋俄＋日）
钢种
பைடு நூலகம்
1.1.1 钢结构的发展及应用
品质
2）锅炉和压力容器用钢 要求：较高的高温强度、常温和高温冲击性能， 抗时效性、抗氢和硫化氢性能、抗氧化性 合金系：以提高钢材高温性能的合金元素（如 Mn、Mo、Cr、V等）为基础
C %:0.1%~0.14%→0.01%~0.04%
Ceq:0.45%→0.35% 显微组织：F+P→极低碳B 抗氢致裂纹能力提高，缺口冲击韧度提高， 抗应力腐蚀要求提高
钢的强化方式：固溶强化、沉淀强化、位错强化、 热处理强化、细晶强化等
焊接冶金学
——材料焊接性
第1章 概述_ 第2章 焊接性及其试验评定_ 第3章 合金结构钢的焊接_ 第4章 不锈钢及耐热钢的焊接_ 第5章 有色金属的焊接_ 第6章 铸铁焊接_ 第7章 先进材料的焊接_ 第8章 异种材料的焊接_ 补充：堆焊
第1章 概 述_
1.1 材料在工程中的发展及应用_
1.1.1 钢结构的发展及应用_ 1.1.2 有色金属的的发展及应用_ 1.1.3 先进材料的发展及应用_
2、合金结构钢的应用
特点：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
1）低合金钢 应用领域：建筑、桥梁、工程机械等 a）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 大气温度环境下，冲击吸收功（0℃， V型缺 口试样）≥27J
b）车辆、船舶、工程机械等运行结构：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。 c）焊接无裂纹钢：制造液化气罐
结构中用量最大的一类工程材料 预计在今后依然是主要的工程材料
焊接结构发展特点：高参数、轻量化、大型化
1、低合金钢的发展(三个阶段): 1) 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：抗拉强度 钢的强化：碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等 质量分数达到2%~3% 2) 20世纪20~60年代：
细晶强化：同时提高强度和韧性 细晶强化的理论依据：
Hall-Petch关系式 σs =σ0 + Kd-1/2 σ0—铁素体晶格摩擦力 K —常数 d—晶粒直径（广义） 铁素体：晶粒直径 贝氏体和板条马氏体：板条尺寸
随着d↘→σs↗；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。
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。
低合金钢的发展趋势： 1、高强度
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，用于海 军潜艇及核潜艇的耐压壳体。
WCF-80钢：焊接裂纹敏感性小的高强度焊接 结构钢，具有高抗冷裂性和低温韧性，用于 大型水电站、石化、漏天煤矿
d）低碳调质钢： σb=700MPa，具有较好缺口冲击韧度，用于低温
服役焊接结构 σb=800MPa，用于工程机械、矿山机械制造中 σb≥1000MPa，工程机械高强耐磨件、核动力装置
及航海、航天装备
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
钢的纯净化显著提高了钢的冲击韧度和焊接接头 的抗裂性，焊接性得到明显提高，相应的要求焊缝 金属不仅要实现洁净化，而且也要实现细晶化。
焊缝的细晶化可通过合金化完成细化晶粒的目的， 使焊缝中出现足够量的针状铁素体是提高焊缝金属 强韧性的关键。焊缝中加入多种微量元素可抑制高温 奥氏体晶粒的长大，促使针状铁素体的形成。
最近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
大幅提高材料性能所依靠的先进工艺和制造技术： 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
TMCP钢：晶粒直径达到10~15µm d=1µm：超细晶粒钢， σs：400MPa →800MPa
钢的纯净化（WP+S+O+N+H＜0.005%）、均匀化和晶 粒超细化（约1µm），可使钢的强韧性获得大幅提高。 防止晶粒长大的元素：Nb和Ti 低合金结构钢的生产：
过去着重于钢材本身性能，偏重于脱氧提纯、 加工成形和相变热处理。
逐步采用：焊接技术 设计参数：考虑材料屈服强度、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
3) 20世纪70年代以后: 碳的质量分数：0.1%以下，向超低碳含量发展 合金元素： Ti、V、Nb等微合金元素引起关注 向多元复合合金化方向发展
钢铁材料的研究和开发受到重视
合金结构钢近30年来受到世界各国的普遍重视， 并将成为今后若干年材料发展的基本方向。
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
工程 主导：金属材料 结构 发展：超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢 ※合金结构钢：综合性能优异，经济效益显著，是焊接
日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN 系列钢，σs：600~1000MPa 2、提高耐热性
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 发展主线：改善焊接性 重要标志：含碳量的降低
淬火-回火(Quenching-Tempering)钢：多元微合金化 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢：控轧控冷
1. 2 本课程的任务、内容及特点_
1.2.1 本课程的目的和任务 1.2.2 本课程的内容和教学任务
1.1 材料在工程中的发展及应用
材料和结合手段密不可分，相互促进，不断发展
20世纪初，电弧技术用于钢铁产品
焊接与钢结构飞速发展
2005年：3亿T﹥（美＋俄＋日）
钢种
பைடு நூலகம்
1.1.1 钢结构的发展及应用
品质
2）锅炉和压力容器用钢 要求：较高的高温强度、常温和高温冲击性能， 抗时效性、抗氢和硫化氢性能、抗氧化性 合金系：以提高钢材高温性能的合金元素（如 Mn、Mo、Cr、V等）为基础