材料加工理论-焊接-第四章
材料科学基础 第4章 点缺陷和扩散
空位迁移也要克服一定的“势垒”，也即空位迁移能Qfv。 迁移速率为: j=zexp(Sc/k)exp(-Qfv/kT)
金属熔点越高，空位形成能和迁移能越大。所以，在相 同条件下，高熔点金属形成的空位数比低熔点金属少。
24
5.材料中空位的实际意义
空位迁移是许多材料加工工艺的基础。
晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高 温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。
④体缺陷：
在任意方向上的缺陷区尺寸都可以与晶体或晶粒的线度 相比拟，那么这种缺陷就是体缺陷，包括沉淀相、空洞、 气泡、层错四面体等缺陷。
4
第二节 点缺陷
一.晶体中的空位和间隙原子
1.点缺陷的热力学分析 2.空位的形成 3.聚合物晶体中的空位 4.点缺陷的运动 5.材料中空位的实际意义 6.点缺陷对材料性能的影响 7.产生过饱和点缺陷的方法
《材料科学基础》
第四章 点缺陷和扩散 (1)
1
第一节 前言
晶体缺陷的产生 在实际晶体中，由于原子(或离子、分子)的热
运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它 辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列 不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构 的情况，即晶体缺陷。
2
晶体缺陷的作用 晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏
感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、 磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、 相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切 关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际 意义。
3
分类
①点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；
②线缺陷： 是一维缺陷，即位错；
焊接工艺评定
第四章焊接工艺评定在焊接产品制造过程中，产品的焊接工艺是否合理、先进，关系到产品的质量。
通过金属焊接性试验或根据有关焊接性能的技术资料，可以制定产品的焊接工艺，然而，这样制定的焊接工艺不能直接用于焊接施工。
为了确保产品的质量，在正式焊接施工之前，还必须进行焊接工艺评定。
不仅如此，对于已经评定合格并在生产中应用的很成熟的工艺，若因某种原因需要改变一个或一个以上的焊接工艺参数，也需要重新进行焊接工艺评定。
世界上许多国家，对于重要的焊接结构都制定了焊接工艺评定标准或法规，我国也制定了一些焊接产品的焊接工艺评定标准，如JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》、《蒸汽锅炉安全技术监察规程》中的附录Ⅰ“焊接工艺评定”、GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》、JGJ81-2002《建筑钢结构焊接工艺规程》中的第五章“焊接工艺试验”、SY/T0452-2002《石油天然气金属管道焊接工艺评定》等，这些标准由于是针对不同的产品或者制定的部门不同，在一些细节上有一些差异，但其基本要求都是相同的。
另外，在JB4745《钛制压力容器》和JB4734《铝制压力容器》也有相应的焊接工艺评定内容，在施工中涉及到铝和钛材料的焊接，应该按其中的相应的规定执行。
一、焊接工艺评定概述(主要以JB4708-2000中的描述的)1．基本概念焊接工艺评定是指为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。
（有一些出入，参照JB4708-2000中的描述）焊接工艺评定验证施焊单位拟定的焊接工艺的正确性，并评定施焊单位能力。
主要含意有两点：①要验证焊接工艺的准确性，通过测定焊接接头是否具有所要求的使用性能来评价；如何来测定焊接接头是否具有所要求的使用性能，在本标准中规定了三类焊接接头焊缝的考核原则与方法，三类焊接接头焊缝的检验考核要求是不一样的：对接接头（对接焊缝）：力学性能（拉伸、弯曲，必要时冲击试验）；角焊缝与组合焊缝（主要是要求截面全焊透的T型接头和角接接头组合焊缝，如人孔、筒体接管）：主要是型式试验从焊接工艺上解决一个是管板角接头的焊透问题，；角焊缝也要焊透，在理论上是存在的，但实际施工中意义不大，要求焊透而采取角焊缝形式的情形不多见，一般采取组合焊缝。
第四章 工件材料的切削加工性
二二、、金金属属材材料料化化学学成成分分的的影影响响
铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。 当含铬量小于0.5％，对切削加工性的影响 很小。含铬量进一步增加，则钢的硬度、强 度提高，切削加工性有所下降。
镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的强度 和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削 加工性变差。当含镍量大于8％后，形成了 奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性就更 差了。
3.普通铸铁：与具有相同基体组织的碳素 钢相比，切削加工性好
其金相组织是金属基体加游离态石墨。 石墨：降低了铸铁的塑性，切屑易断，有
润滑作用，使切削力小，刀具磨损小。 但石墨易脱落，使已加工表面粗糙。切削
铸铁时形成崩碎切屑，造成切屑与前刀面 的接触长度非常短，使切削力、切削热集 中在刃区，最高温度在靠近切削刃的后刀 面上。
二、金属材料化学成分的影响
氮：它在钢中会形成硬而脆的 氮化物，使切削加工性变差。
各种元素在小于2％的含量时对钢的切削加工性的影响
三、金属材料热处理状态和金相组织的影响
铁素体 ： 由于铁素体含碳很少，故其性能接近
于纯铁，是一种很软而又很韧的组织。在 切削铁素 体时，虽然刀具不易被擦伤， 但与刀面冷焊现象严重，使刀具产生冷焊 磨损。又容易产生积屑瘤，使加工表面质 量恶化。故铁素体的切削加工性并不好。 通过热处理(如正火)或冷作变形，提高其 硬度，降低其韧性，可使切削加工性得到 改善。
二、金属材料化学成分的影响
钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度， 降低塑性。含钼量在0.15％—0.4％范围内， 切削加工性略有改善。大于0.5％后，切削 加工性降低。
钒：钒能形成碳化物，并能使钢的 组织细密，提高硬度，降低塑性。当 含量增多后使切削加工性变差，含量 少时对切削加工性略有好处。
金属工艺学复习题库
18.金属的塑性变形是在切应力作用下，主要通过滑移来进行的；金属中的位错密度越高，则其强度越高，塑性越差。
19.金属结晶的必要条件是一定的过冷度，金属结晶时晶粒的大小主要决定于其形核率。
20.用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢，零件渗碳后，一般需要经过淬火+低温回火才能达到表面硬度高而且耐磨的目的。
21.珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物22.冷变形金属在加热时随加热温度的升高，其组织和性能的变化分为3个阶段，即回复、再结晶、晶粒长大。
23.在实际生产中，常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性，这种工艺操作称为再结晶退火。
24.从金属学的观点来看，冷加工和热加工是以再结晶温度为界限区分的25.随着变形量的增加，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象叫做加工硬化。
26.实验室里开了六个电炉，温度分别为910℃、840℃、780℃、600℃、400℃、200℃，现有材料15钢、45钢、T12钢。
问：若要制作轴，一般选用45钢；进行调质处理（淬火+高温回火）；获得回火索氏体；淬火为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度和耐磨性，高温回火是为了去除淬火应力，得到稳定的组织，提高综合力学性能，保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。
27.Fe-Fe3C相图ECF、PSK的含义，亚共析钢从液态缓慢冷却到室温时发生的组织转变过程：L、L+A、A、A+F、P+F 塑性变形阻力增强，强度、硬度提升，固溶强化。
低碳钢的拉伸曲线：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度之差为过冷度。
冷却速度越大，过冷度越大。
第二章铸造1.灰铸铁的组织是钢的基体加片状石墨。
它的强度比σb比钢低得多，因为石墨的强度极低，可以看作是一些微裂纹，裂纹不仅分割了基体，而且在尖端处产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度不如钢。
2.灰铸铁为什么在生产中被大量使用？灰铸铁抗压强度较高，切削加工性良好，优良的减摩性，良好的消振性，低的缺口敏感性，优异的铸造性能。
材料加工原理课件
随着个性化需求的增加，未来材料加工将更加注重个性化与定制化， 满足不同用户的需求。
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04
材料加工设备与、落砂机、抛丸机等，用于生产砂型铸件。
特种铸造设备
如金属型铸造机、离心铸造机、连续铸造机等，适用于特定类型的铸件生产。
焊接设备
手工焊接设备
包括焊枪和焊条，适用于手工焊接金属材料。
自动焊接设备
如焊接机器人、焊接专机等，能够实现自动化焊接，提高生产效率。
电子信息产业
医疗器械制造
材料加工在电子信息产业中广泛应用，涉 及芯片制造、电子封装、PCB板制造等领域， 是现代电子产品的核心技术之一。
材料加工在医疗器械制造中具有重要作用， 如钛合金、医用不锈钢等材料的加工制造， 对医疗技术的发展起到关键作用。
材料加工新技术与新工艺
增材制造
增材制造技术通过逐层堆积材料来制造三维实体，具有个 性化定制、高效、节能等优点，是现代制造技术的重要发 展方向。
对流换热定律
在流体流动过程中，流体与固体壁面之间的热量 交换速率与表面积、温差及流体的性质有关。
辐射换热定律
物体之间相互辐射和吸收热量，其交换速率与物 性、温度、波长等因素有关。
传质学原理
扩散定律
物质在静止或缓慢流动的流体中传递 的速率与该物质的浓度梯度和扩散系 数成正比。
对流传质定律
在流动的流体中，溶质传递的速率与 浓度梯度、流体流动的速度、扩散系 数及质量作用系数成正比。
钎焊
使用熔点低于母材的金属作为钎料，将母材连接在一起。
塑性加工技 术
轧制
01
通过旋转轧辊将金属板材轧制成各种形状和尺寸的板材和管材。
锻造
第4章 聚合物流体的流变性
它们都是三维空间的二阶对称张量。 总的应变张量和应变速率张量也可以分为各向同性张量和偏张量。 各向同性张量引起体积改变， 偏张量引起形状改变。
三.材料函数和本构方程
材料函数是指在外界作用下，应力分量和应变（或应变速率）分量
之间的具体关系。
材料函数可由试验测量，并表达为实验数据或代表这些实验数据的函 数。
Eη↑
聚合物本性的影响：链刚性↑极性↑ M的影响：M>103， E η=k
Eη
T的影响：T 的影响：
E η↓ E η↑
溶剂的影响
聚合物浓度的影响:C↑
的影响：↑
E η↓
E η反映聚合物流体流动的难易程度，更重要的是反映了材料黏度 随温度变化的敏感性。 例：PLLA熔体的Eη为123kJ/mol, PET熔体的Eη为80kJ/mol. 所以PLLA熔体在纺丝过程中对温度极其敏感，应严格控制纺丝温 度.
a ↓
聚乙烯熔体的流动曲线
2.大分子链段取向效应
↑， 链段取向↑
流层间牵曳力↓
a ↓
a ↓
3.大分子链的脱溶剂化(浓溶液情况)
聚合物浓溶液： σ ↑， 脱溶剂化↑ 大分子链有效尺寸↓
(四) 切力增稠的原因
增加到某数值时,流体中有新的结构的形成。
大多数胀流型流体为多分散体系，固体含量较多，且浸润性不好。 静止时，流体中的固体粒子堆砌得很紧密，粒子间空隙小并充满了液 体。 当
lg 3.4 lg M w
17 .44 (T Tg ) 51 .6 T Tg
C
2.温度对流动曲线的影响
T↑
流动曲线下移 cr ↑ 0 ↓ a ↓
(四)溶剂性质对黏度的影响
焊接结构制造工艺大纲
焊接结构制造 工艺大纲惠生（南通）重工第一章材料1.1 原材料和焊接材料的认定及不同材质的标示方法1.2 原材料和焊接材料的复验及母材探伤1.3 材料的表面预处理1.4 材料管理1.5 关于麻点、剥落、夹层等缺陷修补标准1.6 切割边缘的休整第二章 工艺文件和图表制作2.1 图纸的工艺性审查原则及工艺流程制订原则2.2 工作管理图表2.3 基准的选择2.4 工艺吊耳2.5 焊接施工工艺指导书第三章 加工作业3.1 放样3.2 下料3.3 切割3.4 加工第四章 装焊作业4.1 拼板和两次下料4.2 预制件施工和装配4.3 部装工艺4.4 预热、层间温度及后热4.5 焊接顺序4.6 焊接变形及应力第五章 除锈及涂装5.1 除锈标准5.2 涂装中常用漆漆膜厚度5.3 施工注意事项5.4 施工中常见弊病防止及处理5.5 施工状态记录第六章 金属结构件的质量管理6.1 焊接结构件施工的质管体系6.2 钢材预处理的质量管理6.3 放样、下料过程中的质量管理6.4 切割、加工的质量管理6.5 装配过程中的质量管理6.6 焊接施工的质量管理6.7 质检站的专检第一章 材料分析港口机械钢结构破坏的例子，约有60%的破坏是从结构的应力集中区发生的。
作为裂纹发生的原因——制造上的缺陷，往往又同焊接接头及材料本身缺陷有关，因此材料的使用是施工中一个不容忽视的关键工序点。
本章主要讨论四个问题：材料的认定及标示；材料的复验及探伤；材料的表面处理；材料的管理及缺陷修补。
1.1 原材料及焊接材料的认定及不同材质的标示方法1.1.1 用于制造焊接结构件的原材料应符合GB700-88（碳素结构钢）、GB1591-88（低合金结构钢）和GB712-88（船体用结构钢）的技术条件。
1.1.2 用于焊接结构件的焊条应符合GB5117-85（碳钢焊条）、GB5118-85（低合金钢焊条）、GB983-85（不锈钢焊条）的规定。
1.1.3 用于焊接结构件的焊丝应符合GB1300-77的规定，焊剂应符合JB5293-85的规定。
高分子材料加工原理(第四章)
从动态实验不仅能表征粘弹流体的频率依赖性 粘度，而且能表征其弹性。测定值是复数粘度。
* () i ()
( )
G ( )
G ( ) ( )
——非牛顿流体粘性的表征 ——弹性的表征
第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
（3）可预示某些聚合物流体的可纺性
d lg a d 1 / 2
2 10
结构黏度指数▣可用来表 征聚合物浓溶液结构化的 程度。▣越大，表明聚合 物流体的结构化程度越大。
第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
②切力增稠的原因： 增加到某数值时，流体中有新的结构的形成。 大多数胀流型流体为多分散体系，固体含量较多，且浸润 性不好。静止时，流体中的固体粒子堆砌得很紧密，粒子 间空隙小并充满了液体，这种液体有一定的润滑作用。 较低时，固体粒子就在剪切力的作用下发生了相对滑 当 动，并且能够在原有堆砌密度大致保持不变的情况下，使 得整个悬浮体系沿力的方向发生移动，这时候表现为牛顿 流动； 增加到一定值时，粒子间碰撞机会增多，阻力增大； 当 同时空隙增大，悬浮体系总体积增加，液体已不能再充满 空隙，粒子间移动时的润滑作用减小，阻力增大，所以 a 增大。
点；
3、掌握聚合物流体切力变稀的原因；
本节作业
1、P118-1（1、2、3、5、9）、2、4、7
第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
【教学内容导读】 流体的粘性和牛顿粘性定律 非牛顿流体的流动行为及粘性表征
影响聚合物流体剪切粘性的因素
【课时安排】4课时
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第四章 焊接缺欠
4.4焊接裂纹的分类
再热裂纹：厚板结构，并含有某些沉淀强化合金元素 的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役 的过程中，在焊接热影响区粗晶区部位发生的裂纹。 冷裂纹：焊后冷至较低温度下产生的裂纹。
延迟裂纹：不在焊后立即出现，而是有一个孕育期，具有延迟 现象。 淬硬淬化裂纹：一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发， 仅在拘束应力作用下，也能导致开裂。 低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收 缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变 脆而产生的裂纹
[C]+[O]=CO, [FeO]+[C]=CO+[Fe]
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.1气孔的分类
CO气孔
高温时生成的CO会以气泡的 形式从液态金属中高速逸出 形成飞溅，而不形成气孔。 热源离开后，熔池开始凝固 时，CO形成的气泡来不及逸 出时便产生了气孔。 由于CO形成的气泡是在结晶 面上产生的，因此形成了沿 结晶方向条虫状的内气孔。 CO气孔的特征
1、析出型气孔
因气体在液、固金属 中的溶解度差造成过饱 和状态的气体析出所形 成的气孔。
氢与氮在Fe中溶解度的变化
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.1气孔的分类
1、析出型气孔
氢气孔
对低碳钢和低合金钢焊接 而言，在大多数情况下， 气孔出现在焊缝的表面上。 对于铝、镁合金时，由于 液态金属中氢溶解度随温 度下降而急剧降低，析出 气体，在凝固时来不及上 浮而残余在焊缝中。 气孔的断面形状如同螺钉 状，在焊缝的表面上堪称 喇叭口形，气孔的四周有 光滑的内壁。
防止焊缝形成气孔的措施
消除气孔来源
表面处理 焊接材料的防潮和烘干 加强保护
正确选用焊接材料 控制焊接工艺条件
第四章 焊接缺欠
4.4焊接裂纹的分类
焊接裂纹的宏观形态及其分布
第四章 焊接缺欠
4.4焊接裂纹的分类
热裂纹：焊接时高温下产生的裂纹
结晶裂纹：焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于 凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充， 在应力作用下发生沿晶开裂。 高温液化裂纹：近缝区或多层焊的层间部位，在焊 接热循环作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点 共晶而重新被熔化，在拉伸应力的作用下，沿奥氏 体晶界发生开裂。 多边化裂纹：焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的 高温区，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及 严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力 作用下，这些晶格和缺陷的迁移和聚集，便形成了 二次边界，即“多边化边界”。因边界上堆积了大 量的晶格缺陷，所以强度和塑性都很差，只要轻微 的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂。
氢气孔的特征
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.1气孔的分类
1、析出型气孔
氮气孔
对低碳钢和低合金钢焊接而言，在大多数情况下， 气孔出现在焊缝的表面上。 气孔成堆出现，如蜂窝相似。
2、反应型气孔：熔池中由于冶金反应产生 不熔于液态金属的CO，H2O而生成的气孔
CO气孔
在焊接碳钢时，当液态金属中 的碳含量较高而脱氧不足时会 通过冶金反应生成CO：
第四章 焊接缺欠
4.2焊缝中的偏析和夹杂物
1、焊缝中的偏析
（2）层状偏析
焊缝金属截面经浸蚀，可 看到颜色深浅不同的分层 结构 （3）区域偏析（宏观偏析）
焊缝柱状晶晶体从熔合线联 生向焊缝中心外延结晶生长 过程中，结晶界面杂质含量 升高，形成偏析。
焊缝中的层状结构 a)焊条电弧焊 b)电子束焊
快速焊时柱状晶的成长
第417-1986
裂纹 孔穴 固体夹杂 未熔合 未焊透 形状缺欠 其他缺欠
焊接缺欠的分类IIWSST-1157-1990
不连续缺欠 裂纹 气孔 夹渣 未熔合 几何偏差缺欠 错边 角变形
第四章 焊接缺欠
4.2焊缝中的偏析和夹杂物
1、焊缝中的偏析：焊缝金属 非平衡凝固导致焊缝金属 的化学成分不均匀性
（1）显微偏析（微观偏析、晶 界偏析）
发生在柱状晶晶内以及柱状 晶晶界。 常见于液相线与固相线温度 区间较宽的钢或合金焊缝中。 C、S、P是最易偏析的元素， 焊接过程中需要严格控制。 合金元素的交互作用，往往 促进偏析。当钢中w（C） 由0.1%增加到0.47%时， 可使S偏析增加65%-70%。
HY80钢TIG自熔 焊缝中Ni的偏析
rc 气泡临界半径。
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.2气孔的形成机理
3、气泡的逸出 （1）脱离表面 （2）上浮
气泡脱离现成表面示意图
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.2气孔的形成机理
4、熔池的结晶速度
气孔的形成示意图 a)小结晶速度 b)大结晶速度
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔
第四章 焊接缺欠
4.4焊接裂纹的分类
层状撕裂：焊接板厚较 大的结构时，有时出现 平行于轧制方向的阶梯 形裂纹。
T型接头的层状撕裂
第四章 焊接缺欠
4.4焊接裂纹的分类
应力腐蚀裂纹：焊结 构件在腐蚀介质和拉 伸应力的共同作用下， 产生一种延迟破坏的 现象。
应力腐蚀开裂 （Inconel合金在氯离子的高温水中）
第四章 焊接缺欠
第四章 焊接缺欠
4.1概述
焊接缺欠及焊接缺陷
焊接接头中的不连续性、不均匀性以及其 他不健全性的欠缺，统称为焊接缺欠。 用于质量管理的标准为QA，适 合于使用目的的质量标准为QB 。 已使具体焊接产品不符合其使 用性能要求的焊接缺欠，即不 符合QB 水平要求的缺欠，称为 焊接缺陷。
IIW第V委员会提出的 焊接缺欠容限标准
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.2气孔的形成机理
1、气泡的生核 两个条件：存在过饱和气体、满足气泡 能量生核的能量消耗。 2、气泡的长大
2σ PG > Pa + Pc = Pa + rc
PG 气泡中各种气体分压的总和； Pa 大气压力； Pc 由表面张力构成的附加压力；
σ 金属与气泡间的界面张力；
第四章 焊接缺欠
4.2焊缝中的偏析和夹杂物
2、焊缝中的夹杂物
氧化物：主要是SiO2、MnO、 TiO2、CaO和Al2O3，主要危 害：降低焊缝韧性。 氮化物:Fe4Ni，降低焊缝塑 性、韧性。 硫化物:FeS、MnS，增加热 裂纹敏感性。
第四章 焊接缺欠
4.3焊缝中的气孔/4.3.1气孔的分类