1、 焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性 n主讲教师：李亚江主讲教师：李亚江 （山东大学教授、博士生导师）（山东大学教授、博士生导师） 第第1章章 概概 述述 n关于关于焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性课程课程一、研究对象一、研究对象 （从焊接角度）研究材料的特性，包括焊接性、（从焊接角度）研究材料的特性，包括焊接性、焊接工艺、焊接材料、焊接工程应用；焊接工艺、焊接材料、焊接工程应用；重点讲述：重点讲述：4大传统材料的焊接大传统材料的焊接二、学习方法二、学习方法 采用启发式教学。只讲述要点、难点、突出重点；采用启发式教学。只讲述要点、难点、突出重点；启发学生们多思考、扩大视野，培养学
2、生独立归纳启发学生们多思考、扩大视野，培养学生独立归纳整理和独立分析的能力。整理和独立分析的能力。关于所用的教材关于所用的教材n本课程教材的演变本课程教材的演变19801989，金属熔焊原理及工艺金属熔焊原理及工艺上、下册（张文钺、周振丰）上、下册（张文钺、周振丰）19901999，焊接冶金及金属焊接性焊接冶金及金属焊接性 张文钺、周振丰张文钺、周振丰20002005，焊接冶金学焊接冶金学基本原理基本原理 张文钺（天津大学）张文钺（天津大学）焊接冶金学焊接冶金学金属焊接性金属焊接性周振丰（吉林工业大学）周振丰（吉林工业大学）2006 至今，至今，焊接冶金学焊接冶金学基本原理基本原理 杜则裕（天
3、津大学）杜则裕（天津大学）焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性李亚江（山东大学）李亚江（山东大学）本课程的任务、内容和要求本课程的任务、内容和要求n教学目的和任务教学目的和任务 本课程是普通高校本课程是普通高校“材料成形与控制工程、材材料成形与控制工程、材料加工工程（焊接方向）料加工工程（焊接方向）”教学体系中的主干课程，教学体系中的主干课程，是一门重要的专业课。是一门重要的专业课。培养学生对主要工程材料进行焊接性分析的基培养学生对主要工程材料进行焊接性分析的基本方法，为学生从事本方法，为学生从事“材料成形与控制工程、材料材料成形与控制工程、材料加工工程（焊接方向）或其他相关学科加工工程（
4、焊接方向）或其他相关学科”领域的技领域的技术工作打下坚实的专业基础。术工作打下坚实的专业基础。n教学内容教学内容 从焊接性角度研究工程材料的基本特性，了从焊接性角度研究工程材料的基本特性，了解材料焊接的基本原理解材料焊接的基本原理和和概念，分析四大传统材概念，分析四大传统材料和先进材料的焊接性特点和工艺要点。针对具料和先进材料的焊接性特点和工艺要点。针对具体材料，了解选择焊接方法、焊接材料和制定焊体材料，了解选择焊接方法、焊接材料和制定焊接工艺的基本原则及方法。接工艺的基本原则及方法。教学要求教学要求1）学生应在完成有关基础课和专业基础课的基础上，）学生应在完成有关基础课和专业基础课的基础上，
5、进行本课程的学习。进行本课程的学习。2）培养学生独立学习、归纳整理和分析问题的能力。）培养学生独立学习、归纳整理和分析问题的能力。使学生结合具体材料了解基本的焊接工艺要求，初使学生结合具体材料了解基本的焊接工艺要求，初 步具备分析和解决焊接技术问题的能力。步具备分析和解决焊接技术问题的能力。3）保证课时要求、认真听课和作笔记、完成教学实验）保证课时要求、认真听课和作笔记、完成教学实验 和考试（考查）要求。和考试（考查）要求。1.1 材料的发展及应用材料的发展及应用n历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以材料为标志划分的。材料为标志划分的。n
6、但人们要把材料结合成整体结构才能更好地使用。因但人们要把材料结合成整体结构才能更好地使用。因此，材料和结合手段就一直密不可分，而且彼此相互此，材料和结合手段就一直密不可分，而且彼此相互促进，不断地发展。促进，不断地发展。n20世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结构应用出现了质的飞跃。构应用出现了质的飞跃。n进入进入21世纪仅短短几年，我国钢产量已突破世纪仅短短几年，我国钢产量已突破5亿吨，亿吨，成为世界第一大产钢国。钢的品种和质量也在迅速发成为世界第一大产钢国。钢的品种和质量也在迅速发展和提高，对焊接质量和效率提出了更高的要求，材展和提高，对
7、焊接质量和效率提出了更高的要求，材料加工、焊接工作者的任务将更加繁重和光荣。料加工、焊接工作者的任务将更加繁重和光荣。“二战二战”中，美国在制造钢船时用焊接代替了铆接，以至中，美国在制造钢船时用焊接代替了铆接，以至“二战二战”结结束后，美国海军部长在总结报告中说：束后，美国海军部长在总结报告中说：“若没有焊接，就不可能在若没有焊接，就不可能在这样短的时间内建造一支为赢得这场战争起到重要作用的庞大舰这样短的时间内建造一支为赢得这场战争起到重要作用的庞大舰队。队。”材料焊接的重要性还可以引伸到其他装备，例如坦克、飞机材料焊接的重要性还可以引伸到其他装备，例如坦克、飞机等。等。n低合金钢的发展及焊接
8、应用低合金钢的发展及焊接应用 普通低合金钢、低合金高强钢、不锈钢及耐热钢普通低合金钢、低合金高强钢、不锈钢及耐热钢n有色金属的的发展及焊接应用有色金属的的发展及焊接应用 铝、铜、钛及其合金铝、铜、钛及其合金n先进材料的发展及焊接应用先进材料的发展及焊接应用 先进陶瓷、金属间化合物、复合材料先进陶瓷、金属间化合物、复合材料 1.低合金钢的发展及焊接应用低合金钢的发展及焊接应用n热轧及正火钢、控轧钢、低（中）碳调质钢等热轧及正火钢、控轧钢、低（中）碳调质钢等n锅炉压力容器用钢、舰船用低合金钢锅炉压力容器用钢、舰船用低合金钢n桥梁、建筑、工程机械用低合金钢桥梁、建筑、工程机械用低合金钢n管线钢、低温
9、钢和低合金耐热钢管线钢、低温钢和低合金耐热钢 低合金钢的发展大体经历了三个阶段低合金钢的发展大体经历了三个阶段n20世纪世纪20年代以前，钢结构制造主要采用铆接，设计年代以前，钢结构制造主要采用铆接，设计参数是参数是b。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等，含量等，含量2%3%，甚至更高些。，甚至更高些。n20世纪世纪2060年代，钢结构制造逐步采用了焊接技术，年代，钢结构制造逐步采用了焊接技术，设计参数要考虑材料设计参数要考虑材料s、AKV和焊接性。为了防止焊接和焊接性。为了防止焊接裂纹，钢的成分向低碳多元合金化方向发展，裂纹，钢的成分
10、向低碳多元合金化方向发展，C含量含量0.2%以下，含以下，含24个有利于焊接性的合金元素并辅以个有利于焊接性的合金元素并辅以热处理强化等工艺措施。热处理强化等工艺措施。n20世纪世纪70年代以后，低合金高强钢得到快速发展，钢年代以后，低合金高强钢得到快速发展，钢中中C含量降低到含量降低到0.1%以下，有的钢向超低碳含量发展。以下，有的钢向超低碳含量发展。Ti、V、Nb等微合金元素引起关注，向多元复合合金等微合金元素引起关注，向多元复合合金化方向发展。化方向发展。n还在低合金钢发展的第二阶段，人们就已认识到，单靠还在低合金钢发展的第二阶段，人们就已认识到，单靠合金化的作用改善低合金钢的性能是有限
11、的。合金化的作用改善低合金钢的性能是有限的。n随着社会发展，低合金高强钢的使用范围不断扩大，经随着社会发展，低合金高强钢的使用范围不断扩大，经济性问题日益突出。济性问题日益突出。n采用新技术是提高低合金钢综合性能和改善性价比的有采用新技术是提高低合金钢综合性能和改善性价比的有效途径。但是，技术进步的作用只有在低合金钢发展的效途径。但是，技术进步的作用只有在低合金钢发展的第三阶段才明显地发挥出来。第三阶段才明显地发挥出来。钢的强化方式有多种，主要有：固溶强化、沉淀强化、钢的强化方式有多种，主要有：固溶强化、沉淀强化、位错强化、热处理强化、细晶强化等。位错强化、热处理强化、细晶强化等。n在这些强化
12、方式中，除了细晶强化是同时提高强度和在这些强化方式中，除了细晶强化是同时提高强度和韧性的强化手段外，其他的强化方式都是在强度提高韧性的强化手段外，其他的强化方式都是在强度提高到一定程度后，韧性往往会下降。到一定程度后，韧性往往会下降。nHall-Petch关系式是细晶强化的理论依据，即，关系式是细晶强化的理论依据，即，n式中：式中：0为铁素体晶格摩擦力；为铁素体晶格摩擦力；K为常数，为常数，d为晶粒直为晶粒直径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。n上式表明，随着晶粒细化，屈
13、服强度上式表明，随着晶粒细化，屈服强度s提高。随着晶提高。随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其粒变细，钢材的屈服强度随其-1/2次方增加。同时，次方增加。同时，韧性也明显增加。韧性也明显增加。n按传统方式生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的按传统方式生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。n近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本上解决钢的焊接性问题。上解决钢的焊接性问题。n通过采用低碳微合金化、控轧控冷（通过采用低碳微合金化、控轧控冷（TMCP）等冶金）等冶金和
14、工艺措施，可以生产强韧性好、焊接性优良的管线和工艺措施，可以生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器钢等，并获得应用。钢、桥梁钢、压力容器钢等，并获得应用。n当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采用传统的调整化学成分和热处理工艺来提高钢的性能用传统的调整化学成分和热处理工艺来提高钢的性能和发展新材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制和发展新材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。这些先进的工艺和制造技术主要包括：这些先进的工艺和制造技术主要包括：n1)采
15、用控轧控冷、控制杂质含量和多元微合金化生产采用控轧控冷、控制杂质含量和多元微合金化生产新型高强度钢；新型高强度钢；n2)采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造涡轮叶片的高温合金；涡轮叶片的高温合金；n3)采用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如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合金延长10倍以上。倍以上。n2008奥运会主体育场（鸟巢），用钢奥运会主体育场（鸟巢），用钢4.19万吨，采用万吨，采用Q460E-Z35厚板钢结构，厚度达
16、厚板钢结构，厚度达110m，在国内建筑钢结构工程中应用属首例。，在国内建筑钢结构工程中应用属首例。卫星燃料箱卫星燃料箱n 精密不锈钢零部件的焊接精密不锈钢零部件的焊接 2.有色金属的发展及焊接应用有色金属的发展及焊接应用n铝及铝合金铝及铝合金n铜及铜合金铜及铜合金n钛及钛合金钛及钛合金n镁及镁合金镁及镁合金 n有色金属种类很多，在制造业和经济建设中应用十分广有色金属种类很多，在制造业和经济建设中应用十分广泛。全世界金属材料的总产量约泛。全世界金属材料的总产量约8亿亿t，其中有色金属材，其中有色金属材料约占料约占5，处于补充地位。但有色金属的特殊作用却，处于补充地位。但有色金属的特殊作用却是钢铁
17、材料无法代替的。是钢铁材料无法代替的。n随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原来的航空航天部门逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、来的航空航天部门逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、轻工等民用领域。轻工等民用领域。n有色金属焊接结构也引起人们越来越多的关注。有色金属焊接结构也引起人们越来越多的关注。n地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等。能材料、环境保护材
18、料和生物材料等。铝制油冷器铝制油冷器铝制散热器铝制散热器 时速时速300高速列车高速列车铜铜-钢钢EBW 新世纪对材料提出新的要求新世纪对材料提出新的要求资源丰富资源丰富环境环境保护保护节约节约能源能源 轻质高强新材料轻质高强新材料 三大工程材料的可开采年限三大工程材料的可开采年限 02004006008001000MgAl 钢铁钢铁 可开采年限可开采年限 镁合金的应用镁合金的应用 汽车、摩托车零部件汽车、摩托车零部件 3.先进材料的发展及焊接应用先进材料的发展及焊接应用n先进材料先进材料是指除常规钢铁和有色金属之外已经开发或正在是指除常规钢铁和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用
19、途的材料，如新型陶瓷、金属间开发的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等。化合物和复合材料等。n先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，先进材料的研发是多学科相互渗透的结果，世界各发达国先进材料的研发是多学科相互渗透的结果，世界各发达国家都对先进材料的研发非常重视。焊接技术对其推广应用家都对先进材料的研发非常重视。焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用。起着至关重要的作用。n先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料。许先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料。许多高性能新型结构材料主要为开发能源、海
20、洋、空间技术、多高性能新型结构材料主要为开发能源、海洋、空间技术、交通以及冶金、电力、石化等工业所需而研制的，这些材交通以及冶金、电力、石化等工业所需而研制的，这些材料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。工程材料的发展趋势工程材料的发展趋势 近年来备受关注的三类先进材料近年来备受关注的三类先进材料 n陶瓷材料（特别是高技术陶瓷）陶瓷材料（特别是高技术陶瓷）n金属间化合物（金属间化合物（Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al）n复合材料（金属基、陶瓷基、复合材料（金属基、陶瓷基、C/C复合材料等）复合材料等）（1）先进陶瓷）先进陶瓷n先进陶瓷在组成、
21、性能、制造工艺和应用等方面都与传统陶瓷截然不先进陶瓷在组成、性能、制造工艺和应用等方面都与传统陶瓷截然不同。组成已由原来的同。组成已由原来的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了等发展到了Si3N4、SiC、ZrO2等。等。n粉末制备工艺已由简单的磨制发展为物理、化学方法制备的超细粉末。粉末制备工艺已由简单的磨制发展为物理、化学方法制备的超细粉末。烧结方法已由普通的大气烧结发展到在控制气氛（烧结方法已由普通的大气烧结发展到在控制气氛（N2）中热压烧结、）中热压烧结、热等静压烧结和微波烧结等先进的烧结方法，使之具有特定的精细组热等静压烧结和微波烧结等先进的烧结方法，使之具有特定的精细组织结构和性
22、能。织结构和性能。n先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊接技术对于推动先进先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊接技术对于推动先进陶瓷在工程中的应用起着极为重要的作用。陶瓷在工程中的应用起着极为重要的作用。n先进陶瓷突出的优点是能耐更高的温度，是一种非常好的高温材料。先进陶瓷突出的优点是能耐更高的温度，是一种非常好的高温材料。但由于其固有的脆性而使其应用受到很大的限制，焊接难度很大。但由于其固有的脆性而使其应用受到很大的限制，焊接难度很大。n目前，陶瓷已用于制做个别的机械零件和切削刀具，但其发展潜力很目前，陶瓷已用于制做个别的机械零件和切削刀具，但其发展潜力很大，特别是在新能源、航天
23、以及海洋开发等特殊领域具有广阔的应用大，特别是在新能源、航天以及海洋开发等特殊领域具有广阔的应用前景。前景。（2）金属间化合物）金属间化合物（一种很有发展前景的高温结构材料）（一种很有发展前景的高温结构材料）n特殊的晶体结构使金属间化合物具有独特的物理、化学和力学性能，特殊的晶体结构使金属间化合物具有独特的物理、化学和力学性能，作为高温结构材料独具特点，特别是作为高温结构材料独具特点，特别是Ni3Al金属间化合物的强度随温金属间化合物的强度随温度的升高不是连续下降，而是逐渐升高后才开始下降。这种反常的度的升高不是连续下降，而是逐渐升高后才开始下降。这种反常的强度温度关系引起了众多研究者的兴趣。
24、强度温度关系引起了众多研究者的兴趣。n由于金属间化合物的脆性问题未得到解决，对这种材料的实用性开由于金属间化合物的脆性问题未得到解决，对这种材料的实用性开发在相当长的时间内停滞不前。发在相当长的时间内停滞不前。20世纪世纪70年代后期，日本发现加入年代后期，日本发现加入B可以大大提高可以大大提高Ni3Al金属间化合物的塑性，这使人们重新看到了研金属间化合物的塑性，这使人们重新看到了研究金属间化合物高温结构材料的希望和前景，并取得了较大进展。究金属间化合物高温结构材料的希望和前景，并取得了较大进展。n其中其中Ni-Al系、系、Ti-Al系和系和Fe-Al系金属间化合物的开发正逐步趋于成系金属间化
25、合物的开发正逐步趋于成熟，应用也日益广泛。熟，应用也日益广泛。n近年来，近年来，Ni3Al、Ti3Al的合金化、制备工艺、组织结构控制等取得的合金化、制备工艺、组织结构控制等取得了较大的进展，为在航空、航天工业中的应用奠定了良好的基础。了较大的进展，为在航空、航天工业中的应用奠定了良好的基础。nFe3A1金属间化合物的制备工艺、结构和性能也获得进展。金属间化合物的制备工艺、结构和性能也获得进展。Fe3A1的塑性和强度得到改善，并能满足在发动机零部件、电磁元件、熔的塑性和强度得到改善，并能满足在发动机零部件、电磁元件、熔炉高温装置以及航空航天、电力等产业部门中的应用要求。炉高温装置以及航空航天、
26、电力等产业部门中的应用要求。（3）先进复合材料）先进复合材料n复合材料的开发应用克服了单一材料所固有的局限性。复合材料的开发应用克服了单一材料所固有的局限性。自自20世纪世纪40年代玻璃纤维增强树脂的玻璃钢问世以来，年代玻璃纤维增强树脂的玻璃钢问世以来，复合材料已经发展了三代。复合材料已经发展了三代。n航空航天事业的迅速发展推动了高比强、高弹性模量、航空航天事业的迅速发展推动了高比强、高弹性模量、高韧性和耐高温的先进复合材料的发展。高韧性和耐高温的先进复合材料的发展。n第三代先进复合材料除了高性能的树脂基复合材料外，第三代先进复合材料除了高性能的树脂基复合材料外，还包括了金属基复合材料、陶瓷基
27、复合材料和碳纤维增还包括了金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳纤维增强的碳强的碳-碳复合材料等。碳复合材料等。金属基复合材料正在逐步工业化和应用。其中铝基复合金属基复合材料正在逐步工业化和应用。其中铝基复合材料发展较成熟，已成功应用于航空、航天和汽车制造材料发展较成熟，已成功应用于航空、航天和汽车制造业等领域。业等领域。nSiC颗粒增强的铝合金由于质量轻（仅为钢颗粒增强的铝合金由于质量轻（仅为钢1/3），弹性），弹性模量比铝合金高很多，价格与铝合金相当，仅为钛合金模量比铝合金高很多，价格与铝合金相当，仅为钛合金的的1/5，因此，在金属基复合材料中发展最快，应用最，因此，在金属基复合材料中发展最快
28、，应用最广，如汽车工业和机械工业都已大规模应用。但铝基复广，如汽车工业和机械工业都已大规模应用。但铝基复合材料的焊接技术还难以满足要求。合材料的焊接技术还难以满足要求。n发展陶瓷复合材料是解决陶瓷本身脆性的有效措施。在发展陶瓷复合材料是解决陶瓷本身脆性的有效措施。在陶瓷复合材料中纤维通过分散裂纹前端的应力集中，改陶瓷复合材料中纤维通过分散裂纹前端的应力集中，改变裂纹的走向和终止裂纹的扩展，起补强增韧作用。变裂纹的走向和终止裂纹的扩展，起补强增韧作用。n由于陶瓷复合材料要求能在更高的温度下使用，因此对由于陶瓷复合材料要求能在更高的温度下使用，因此对增韧材料、成形工艺和界面设计等要求更高，焊接难度
29、增韧材料、成形工艺和界面设计等要求更高，焊接难度也更大。也更大。先进材料的焊接应用先进材料的焊接应用 陶瓷与钢扩散焊陶瓷与钢扩散焊SiC焊接焊接Diffusion welding 小小 结结 n现代科学技术的发展，对焊接质量及结构性能的要现代科学技术的发展，对焊接质量及结构性能的要求越来越高。求越来越高。n先进材料开发正面临着一场重要的变革，焊接技术先进材料开发正面临着一场重要的变革，焊接技术也必须满足高新技术、新材料发展的需要。也必须满足高新技术、新材料发展的需要。n不同使用条件下的焊接结构对材料有不同的要求，不同使用条件下的焊接结构对材料有不同的要求，应从材料的焊接性特点、焊接结构载荷条件、工作应从材料的焊接性特点、焊接结构载荷条件、工作环境、材料工艺性能以及制造的经济性等方面综合环境、材料工艺性能以及制造的经济性等方面综合进行分析。进行分析。n这正是本课程所涉及和讨论的问题。这正是本课程所涉及和讨论的问题。
