第三节 金属的性能及热处理基础知识

在焊接与切割作业中，金属的使用量极大，金属的性能会直接影响焊缝的性能，如果对金属的性能没有任何了解，在焊接与切割作业中就无法正确地选用合理的金属，焊接结构的实用性和安全性也就会直接受到影响，甚至无法使用，所以我们要对常用金属的性能有所了解。

一、常用金属的分类及性能

1.常用钢材的分类

钢和铁都是以铁和碳为主要元素的合金。

工业纯铁：碳的质量分数少于0.0218%的铁碳合金。

钢：碳的质量分数为0.0218%～2.11%的铁碳合金。

铸铁：碳的质量分数为2.11%～6.69%的铁碳合金。

钢中除了铁、碳以外还含有少量其他元素，如锰、硅、硫、磷等。锰、硅是炼钢时作为脱氧剂加入的，称为常存元素；硫、磷是由炼钢原料带入的，称为杂质元素。

钢按其化学成分可分为：

（1）碳素钢。这种钢中除铁以外，主要还含有碳、硅、锰、硫、磷等几种元素，这些元素总的质量分数一般不超过2%。

按碳含量多少，碳素钢又可分为：低碳钢（碳的质量分数小于0.25%），中碳钢（碳的质量分数为0.25%～0.60%），高碳钢（碳的质量分数大于0.60%）。

（2）合金钢。这种钢中除碳素钢所含有的各元素外，还有其他一些元素，如铬、镍、钛、钼、钨、钒、硼等。如果碳素钢中锰的含量超过0.8%，或硅的含量超过0.5%，这种钢也称为合金钢。

2.常用金属材料的性能

金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。其中物理和化学性能包括密度、导电性、导热性、热膨胀性、抗氧化性、耐腐蚀性等。

（1）金属材料的力学性能。金属材料受外部负荷时，从开始受力直至材料破坏的全部过程中所呈现的力学特征，称为力学性能。它是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能主要包括强度、塑性、冲击韧度和硬度等。

1）强度：金属材料对变形和断裂的抗力，用单位面积上所受的力来表示。常用的强度指标有屈服强度及抗拉强度等，可通过拉伸试验测得。

2）塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。表示金属材料塑性性能的指标有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。

3）冲击韧度：衡量金属材料抵抗动载荷或冲击力的能力，冲击试验可以测定材料在突加载荷时对缺口的敏感性。冲击吸收能量是冲击韧度的一个指标，值越大说明该材料的韧性越好。

4）硬度：金属材料抵抗表面变形的能力。常用的硬度有布氏硬度HBW、洛氏硬度HR、维氏硬度HV。

（2）金属材料的焊接性。焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性能受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

1）钢铁材料的焊接性：不同类型的钢铁材料因化学成分不同，其焊接性有较大差异，对各种焊接方法的适应性也各不相同。总体来说，钢铁材料是焊接性较好的金属材料。

2）铝及铝合金的焊接性：铝及铝合金表面容易氧化，生成致密的氧化膜，影响焊接性；容易产生气孔和热裂纹。

铝及铝合金焊接主要采用氩弧焊、气焊、电阻焊等，其中氩弧焊（钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊）应用最广泛。铝及铝合金焊前应用机械法或化学清洗法去除工件表面氧化膜。焊接时钨极氩弧焊（TIG焊）采用交流电源，熔化极氩弧焊（MIG焊）采用直流反接，以获得“阴极破碎”作用，清除氧化膜。

3）铜及铜合金的焊接性：铜及铜合金难熔合，易变形；容易产生热裂纹和气孔。

二、金属的热处理基本知识

热处理就是将固态金属或合金采用适当的方法和速度进行加热、保温和冷却，改变其内部组织以获得所需性能的一种工艺方法。

金属的热处理：将钢加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温的过程。它能在不改变工件形状和整体的化学成分的前提下，通过改变工件内部显微组织或表面的化学成分，改变工件的使用性能。

常用金属的热处理工艺方法有以下几种：

1.金属的退火

将金属加热到一定的温度范围，保温一段时间后，然后缓慢而均匀地冷却到室温的过程。

（1）退火的目的：降低硬度，提高塑性，使材料便于切削加工；消除内应力，防止工件变形或开裂；细化晶粒，均匀钢的组织和成分，提高钢的力学性能，为后道工序做好准备。

（2）退火的方法：有完全退火和消除应力退火两种常用方法。

完全退火：又称重结晶退火，是将工件加热到A₃以上30～50℃，保温一段时间后，随炉缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的工艺，主要用于中碳钢和铸件、锻件的热处理。

消除应力退火：焊接结构在焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。消除应力退火属于低温退火，一般采用600～650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，亦称焊后热处理。

2.金属的正火

金属的正火是将金属加热到一定温度后，保温一段时间，在空气中冷却的工艺。

正火的目的与退火基本相同，只是正火的冷却速度稍快，其组织更细，力学性能更佳。

3.金属的淬火

将金属（高碳钢和中碳钢等）加热到一定温度后，在此温度下保持一段时间，使金属的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织，称为淬火。淬火是为了获得马氏体组织，提高钢的硬度及耐磨性。

4.金属的回火

将经过淬火的钢再加热到某一温度，保温一段时间后，再冷却到室温的工艺称为金属的回火。回火可以使金属在保持一定强度的基础上恢复其韧性，降低工件脆性，减少或消除淬火钢的内应力，给予工件所要求的力学性能，稳定组织，保证工件的精度。

凡是重要的零件都应进行淬火和回火处理，按回火温度分为三种。

低温回火（150～250℃）：低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。

中温回火（350～450℃）：中温回火后得到回火托氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。

高温回火（500～650℃）：高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。

金属在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质处理。调质处理能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。