第三节常用金属材料的一般知识

第三节常用金属材料的一般知识

一、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。

（一）金属材料的物理化学性能

1．密度

物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P 表示。利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。常用金属材料的密度如下：铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g ／cm3。

2．导电性金属传导电流的能力叫做导电性。各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和铝。

3．导热性

金属传导热量的性能称为导热性。一般说导电性好的材料，其导热性也好。若某些零件在使用中需要大量吸热或散热时，则要用导热性好的材料。如凝汽器中的冷却水管常用导热性好的铜合金制造，以提高冷却效果。

4．热膨胀性

金属受热时体积发生胀大的现象称为金属的热膨胀。例如，被焊的工件由于受热不均匀而产生不均匀的热膨胀，就会导致焊件的变形和焊接应力。衡量热膨胀性的指标称为热膨胀系数。

5．抗氧化性

金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。热力设备中的高温部件，如锅炉的过热器、水冷壁管、汽轮机的汽缸、叶片等，易产生氧化腐蚀。一般用作过热器管等材料的抗氧化腐蚀速度指标控制在≤0．1mm／a。

6．耐腐蚀性

金属材料抵抗各种介质（大气、酸、碱、盐等）侵蚀的能力称为耐腐蚀性。化工、热力设备中许多部件是在腐蚀条件下长期工作的，所以选材时必须考虑钢材的耐腐蚀性。

（二）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、硬度和韧性等。

1．强度金属材料的强度性能表示金属材料对变形和断裂的抗力，它用单位截面上所受的力（称

为应力）来表示。常用的强度指标有屈服强度及抗拉强度等。

（1）屈服强度钢材在拉伸过程中，当拉应力达到某一数值而不再增加时，其变形却继续增加，这个拉应力值称为屈服强度，以σs表示。σs值越高，材料的强度越高。

（2）抗拉强度金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。σb值越大金属材料

抵抗断裂的能力越大，强度越高。

强度的单位是MPa（兆帕）。

2．塑性

塑性是指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有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。

(1) 伸长率金属材料受拉力作用破断时，伸长量与原长度的百分比叫做伸长率，以

δ表示。

式中L0——试样的原标定长度，mm ；L1——试样拉断后标距部分的长度，mm 。

(2) 断面收缩率金属材料受拉力作用破断时，拉断处横截面缩小的面积与原始截面积的百分比叫做断面收缩率，以甲表示。

式中F——试样拉断后，拉断处横截面面积，mm2 ；

F0——试样标距部分原始的横截面面积，mm2 。

(3) 冷弯角冷弯角也叫弯曲角，一般是用长条形试件，根据不同的材质、板厚，按规定的弯曲半径进行弯曲，在受拉面出现裂纹时试件与原始平面的夹角，叫做冷弯角，以α表示。冷弯角越大，说明金属材料的塑性越好。

3．冲击韧性

冲击韧性是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。冲击值是冲击韧性的一个指标，以ak 表示。ak 值越大说明该材料的

韧性越好。

式中Ak——冲击吸收功，J；

F——试验前试样刻槽处的横截面积，cm2 ；ak——冲击值，J／cm2。

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HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV 三种。

(三) 金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指承受各种冷热加工的能力。

1．切削性能切削性是指金属材料是否易于切削的性能。切削时，若切削刀具不易磨损，切削力较小且被切削工件的表面质量高，则称此材料的切削性能好。一般灰口铸铁具有良好的切削性，钢的硬度在

HB180～200 范围内时具有较好的切削性能。

2．铸造性能金属的铸造性能主要是指金属在液态时的流动性以及液态金属在凝固过程中的收缩和偏析程度。金属的铸造性能是保证铸件质量的重要性能。

3．焊接性能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。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

焊接性评定方法有很多，其中广泛使用的方法是碳当量法。这种方法是基于合金元素对钢的焊接性不同程度的影响，而把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当含

量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳当量法用于对碳钢和低合金钢淬硬及冷裂倾向的估算。

常用碳当量的计算公式

式中元素符号表示它们在钢中所占的百分含量，若含量为一范围时，取上限。

经验证明：当CE<0．4％时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热；当CE＝0．4％～0．6％时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需采取适当预热和控制线能量等工艺措施；当CE>0．6％时，钢材的淬硬倾向强，属于较难焊的材料，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

二、钢材和有色金属的分类、编号及性能随着生产和科学技术的发展，各种不同焊接结构的金属材料越来越多。为了保证焊接结构安全可靠，焊工必须掌握常用金属材料的基本性能和焊接特性。

（一）钢材的分类钢和铁是黑色金属的两大类，都是以铁和碳为主要元素的合金。含碳量在2．11％以下

的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。

钢中除了铁、碳以外还含有少量其它元素，如锰、硅、硫、磷等。锰、硅是炼钢时作为脱氧剂而加入的，

称为常存元素；硫、磷是由炼钢原料带入的，称为杂质元素。

1．按化学成分分类

（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，这些元素的总量一般不超过2％。

按含碳量多少，碳素钢又可分为：

1）低碳钢含碳量小于0．25％。

2）中碳钢含碳量为0．25％～0．60％。

3）高碳钢含碳量大于0．60％。

（2）合金钢这种钢中除碳素钢所含有的各元素外，尚还有其它一些元素，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％时，这种

钢也称为合金钢。

根据合金元素的多少，合金钢又可分为：普通低合金钢（普低钢），合金元素总含量小于5％；中合金钢，合金元素总含量为5％～10％；高合金钢，合金元素总含量大于10％。

此外，合金钢还经常按显微组织进行分类，如根据正火组织的状态，分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢，有些含合金元素较多的高合金钢，在固态下只有铁素体组织，不发生铁素体向奥氏体转变，称为铁素体钢。

2．按用途分类

（1）结构钢

（2）工具钢

（3）特殊用途钢如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等。

3．按品质分类

（1）普通钢含硫量不超过0．045％～0．050％，含磷量不超过0．045％。

（2）优质钢含硫量不超过0．030％～0．035％，含磷量不超过0．035％。

（3）高级优质钢含硫量不超过0．020％～0．030％，含磷量不超过0．025％～0．030％。根据需要，钢材的几种分类方法可以混合使用。按照使用性能和用途综合分类如下：

（二）钢材的编号我国的钢材编号方法是采用国际化学符号和汉语拼音字母并用的原则。即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn 、Cr、W、Mo 等，其中只有稀土元素由于含量

不多但种类不少，不易全部一一标注出来，因此用“Re”表示其总含量。钢材的名称、

用途、冶炼和浇注方法等，则用汉语拼音字母表示，如沸腾钢用“F”（沸），锅炉钢用“g”（锅），容器用钢用“ R” （容），焊接用钢用“ H”（焊），高级优质钢用“ A”，特级优质碳素钢用“ E” 等。

1．碳素钢的编号

（1）碳素结构钢 一般结构钢和工程用热轧钢板、型钢均属此类。按照

GB700—88 的规定，钢的牌

号由 代表屈服强度的字母、屈服强度值、 质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成，如 Q235—A ．F ，Q235—B 等。

符号的规定为：

Q ——钢材屈服点 （屈服强度 ）“屈”字汉语拼音首位字母；

A 、

B 、

C 、

D ——分别为质量等级；

F ——沸腾钢； b ——半镇静钢；

例如 Q235，A ． F 的意义为：

GBT00—88 与 GBT00—79 所规定的碳素结构钢的牌号、 技术要求和内容形式均有变化， 新旧 GB700

标准牌号对照如表 1—1，供参考。

（2）优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如 45 号钢表示钢

中平 均含碳量为 0．45％， 08 钢表示平均含碳量为 0．08％。优质碳素结构钢在供应时既保证化 学成分又保证机械性能，而且钢中含的有害元素及非金属夹杂物比普通碳素钢的少。

含锰量较高的钢， 须将锰元素标出， 如平均碳含量为 0．50％，锰含量为 0．7％～ 1．0％ 的钢，其钢号为“ 50 锰”或“ 50Mn ”。

沸腾钢、半镇静以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标明，如“ 20g ”即

为平均碳含量为 0．20％的锅炉用钢。 “20R ”即为平均碳含量为 0． 20％的压力容器用钢。 表 1—1 新旧 GB700 标准牌号对照

GB700—88

GB700—79

（抗拉强度、伸长率和冷弯 ）均须保证，但轧制薄板和 根据产品特点和使用要求， 可在有关标准中另行规定。 1 号钢

Q195 化学成分与本标准 1 号钢的乙类钢 B1 同，力学性能 （抗拉强度、 伸长率和冷弯 ）与甲类 钢 A1同（A1 的冷弯试验是附加保证条件 ）。 1号钢没有特类钢。

Q215 A 级

B 级 （ 做常温冲击试验， V 形缺口 ）

A2

C2

Q235 A 级（不做冲击试验 ）

B 级 （做常温冲击试验， V 形缺口 ）

C 级 （作为重要焊接结构用 ）

D 级 （作为重要焊接结构用 ）

Q195 不分等级，化学成分和力学性能 盘

条之类产品， 力学性能的保证项目，

A3（附加保证常温冲击试验，U形缺口）

C3（附加保证常温或－20℃冲击试验，U 形缺口）

Q255 A 级

B 级（做常温冲击试验，V 形缺口）

A4

C4（附加保证冲击试验，U 形缺口）

Q275 不分等级、化学成分和力学性能均须保证

C5

2．合金结构钢的编号

合金结构钢的钢号由三部分组成：数字+化学元素符号+数字。前面的两位数字表示平均碳含量的万分之几，合金元素以汉字或化学元素符号表示，合金元素后面的数字，表示合金元素的百分含量。当元素的平均含量<1．5％时，则钢号中只标出元素符号而不标注含量；

其合金元素的平均含量≥1．5％、≥2．5％、≥3．5％,, 时，则在元素后面相应标出2、3、4、,, 如“16Mn ”钢，从钢号可知：其平均含碳量为0．16％，平均含锰量为<1．5％。

钢中的一些特殊合金元素如V、Al、Ti、B、Re 等，虽然它们的含量很低，但由于在钢

中起到很重要的作用，所以也标注在钢号中。如“20MnVB ”钢的大致成分为：C：0．20％，

Mn<1 ．5％，同时含有少量的钒和硼。

3．不锈钢与耐热钢的编号化学元素符号前面的数字表示平均含碳量的千分之几，如“9Cr17”表示平均含碳量为

0．9％；“1Cr18Ni9”表示平均含碳量为0．1％，平均含铬量18％左右，平均含镍量9％左右。

当碳含量小于0．03％时，在钢号前标以“00”，如“ 00Cr19Ni10”钢；当碳含量小于0．08％时，则在钢号前冠以“ 0”，如“ 0Cr19Ni9 ”钢等。

（三）钢材的性能及焊接特点

1．低碳钢的焊接特点低碳钢由于含碳量低，强度、硬度不高，塑性好，所以应用非常广泛。焊接常用的低碳钢有Q235、20号钢、20g和20R等。

由于低碳钢含碳量低，所以焊接性好。其焊接具有下列特点：

（1）淬火倾向小，焊缝和近缝区不易产生冷裂纹。可制造各类大型构架及受压容器。

（2）焊前一般不需预热，但对大厚度结构或在寒冷地区焊接时，需将焊件预热至100～150℃ 左右。

（3）镇静钢杂质很少，偏析很小，不易形成低熔点共晶，所以对热裂纹不敏感。沸腾钢中硫、磷等杂质较多，产生热裂纹的可能性要大些。

(4) 如工艺选择不当，可能出现热影响区晶粒长大现象，而且温度越高，热影响区在高温停留时间越长，则晶粒长大越严重。

(5) 对焊接电源没有特殊要求，可采用交、直流弧焊机进行全位置焊接，工艺简单。2．中碳钢的焊接特

点

中碳钢含碳量比低碳钢高，强度较高，焊接性较差。常用的有35、45、55 号钢。中碳

钢焊条电弧焊及其铸件焊补的主要特点如下：

(1) 热影响区容易产生淬硬组织。含碳量越高，板厚越大，这种倾向也越大。如果焊接材料和工艺规范选用不当，容易产生冷裂纹。

(2) 由于基本金属含碳量较高，所以焊缝的含碳量也较高，容易产生热裂纹。

(3) 由于含碳量的增高，所以对气孔的敏感性增加。因此对焊接材料的脱氧性，基本金属的除油除锈，焊接材料的烘干等，要求更加严格。

3．高碳钢的焊接特点高碳钢由于含碳量高，焊接性能很差。其焊接有如下特点：

(1) 导热性差，焊接区和未加热部分之间产生显著的温差，当熔池急剧冷却时，在焊缝中引起的内应力，很容易形成裂纹。

(2) 对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体组织。由于组织应力的作用，使近缝区产生冷裂纹。

(3) 由于焊接高温的影响，晶粒长大快，碳化物容易在晶界上积聚、长大，使焊缝脆弱，焊接接头强度降低。

(4) 高碳钢焊接时比中碳钢更容易产生热裂纹。

4．普通低合金钢的焊接特点

普通低合金高强度钢(简称普低钢)。与碳素钢相比，钢中含有少量合金元素，如锰、硅、钒、钼、钛、铝、铌、铜、硼、磷、稀土等。钢中有了一种或几种这样的元素后，使它具有强度高、韧性好等优点，由于加入的合金元素不多，故称为低合金高强度钢。常用的普通低合金高强度钢有16Mn、16MnR 、15MnVN 等。

其焊接特点如下：

(1)热影响区的淬硬倾向热影响区的淬硬倾向，是普低钢焊接的重要特点之一。随着强度等级的提高，热影响区的淬硬倾向也随着变大。为了减缓热影响区的淬硬倾向，必须采取合理的焊接工艺规范。

影响热影响区淬硬程度的因素有：材料及结构形式，如钢材的种类、板厚、接头型式及焊缝尺寸等；工艺因素，如工艺方法、焊接规范、焊口附近的起焊温度(气温或预热温度)。

焊接施工应通过选择合适的工艺因素，例如增大焊接电流，减小焊接速度等措施来避免热影响区的淬硬。

(2)焊接接头的裂纹焊接裂纹是危害性最大的焊接缺陷，冷裂纹、再热裂纹、热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹是焊接中常见的几种形态。

某些钢材淬硬倾向大，焊后冷却过程中，由于相变产生很脆的马氏体，在焊接应力和氢的共同作用下引起开裂，形成冷裂纹。延迟裂纹是钢的焊接接头冷却到室温后，经一定时间(几小时，几天甚至几十天)才出现的焊接冷裂纹，因此具有很大的危险性。防止延迟裂纹可以从焊接材料的选择及严格烘干、工件清理、预热及层间保温、焊后及时热处理等方面进行控制。

(四) 铸铁的分类及焊补特点

工业中常用的铸铁含碳量在2．5％～4．0％还含有少量的锰、硅、硫、磷等元素。按碳存在的状态及形式的不同，分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁等。

铸铁在铸造过程中经常产生气孔、渣孔、夹砂、缩孔、裂缝、浇不足等缺陷和使用过程中产生超负荷、

机械事故及自然损坏等现象，应根据铸铁的特点，采取相应焊补工艺进行修复。铸铁焊接很少应用。

铸铁焊补主要是灰铸铁的焊补。

铸铁焊补特点：

(1)产生白口，使焊缝硬度升高，加工困难或加工不平，焊补区呈白亮的一片或一圈(指

熔合区)。

(2)产生裂缝，包括焊缝开裂、焊件开裂或焊缝与基本金属剥离。

由于铸铁的焊接性很差，因此焊接方法和焊接材料的选择、采用正确的焊补工：艺尤为重要。

焊补铸铁的方法有手弧焊、气焊、钎焊、CO2 气体保护焊和手工电渣焊等。焊缝成分可分为铸铁型焊缝和非铸铁型焊缝，因而焊接材料可分为同质材料和异质材料，种类很多。根据铸件预热的温度，可分为热焊(600～700℃ )、半热焊(400℃)和冷焊。热焊和半热焊采用同质焊接材料，大电流连续焊或气焊。冷焊要用

异质焊接材料，小电流、断续、分散焊、并采用焊后立即锤击焊缝，消除焊接应力等工艺措施。另外可用栽丝法防止焊缝剥离。

(五) 有色金属及合金的分类及焊接特点

有色金属是指钢铁材料以外的各种金属材料，所以又称非铁材料。有色金属及其合金具有许多独特的性能，例如比强度高、导电性好、耐蚀性及导热性好等。所以有色金属材料在机电、仪表，特别是在航空、航天以及航海工业中具有重要的作用。我们在此仅介绍常用的铝、铜及其合金。

1．铝及铝合金的分类

铝及合金可分为：

(1)纯铝：纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。焊接主要是工业纯铝，工业纯铝的纯度为99．7％～98．8％，其牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6 等六种。

(2)铝合金：往纯铝中加入合金元素就得到了铝合金。根据铝合金的加工工艺特性，可将它们分作形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金塑性好，适宜于压力加工。

形变铝合金按照其性能特点和用途可分为防锈铝(LF)、硬铝(LY)、超硬超(LC)和锻铝(LD)

四种。铸造铝合金按加入主要合金元素的不同，分为铝硅系(AL—Si)、铝铜系(Al—Cu)、铝镁

系(Al—Mg)和铝锌系(Al—Zn)四种。

焊接结构中应用最广泛的是防锈铝(Al—Mg 或Al—Mn 合金)。铝及铝合金的焊接特点是：

(1)表面容易氧化，生成致密的氧化膜，影响焊接。

(2)容易产生气孔。

(3) 容易产生热裂纹。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。

2．铜及铜合金的分类和焊接特点

(1)纯铜：纯铜常被称作紫铜。它具有良好的导电性、导热性和耐蚀性。纯铜用字母“T” (铜)表示，如T1、T2、T3等。氧的含量极低，不大于0．01％的纯铜称为无氧铜，用TU(铜无)表示，如TU1、TU2 等。

(2)黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜用“H” (黄)表示如H80、H70、

H68 等。

(3) 青铜：以前把铜与锡的合金称作青铜，现在则把除了黄铜以外的铜合金称作青铜。常用的有锡青铜、铝青铜和铍青铜等。青铜用“Q” (青)表示。

铜及铜合金的焊接特点是：

(1)难熔合及易变形

(2)容易产生热裂纹

(3) 容易产生气孔铜及铜合金焊接主要采用气焊、惰性气体保护焊、埋弧焊、钎焊等方法。铜及铜合金导热性能好，所以焊接前一般应预热，并采用大线能量焊接。钨极氩弧焊采用直流正接。气焊时，紫铜采用中性焰或弱碳化焰，黄铜则采用弱氧化焰，以防止锌的蒸发。