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。