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第一篇 绪论 3

第1章 熔化焊接工艺方法 3

1.1 概述 3

1.1.1 熔化焊接工艺方法 3

1.1.2 焊接热源的能量密度 4

1.1.3 焊接方法和材料 6

1.1.4 焊缝接头和焊接位置的种类 7

1.2 氧乙炔焊 8

1.2.1 焊接过程 8

1.2.2 三种类型火焰 9

1.2.3 氧乙炔焊的优缺点 10

1.3 焊条电弧焊 10

1.3.1 焊接过程 10

1.3.2 药皮的作用 11

1.3.3 优缺点 12

1.4 钨极气体保护焊 12

1.4.1 焊接过程 12

1.4.2 极性 13

1.4.3 钨极 14

1.4.4 保护气体 14

1.4.5 优缺点 15

1.5 等离子弧焊 16

1.5.1 焊接过程 16

1.5.2 引弧 17

1.5.3 穿孔 17

1.5.4 优缺点 18

1.6 熔化极气体保护焊 18

1.6.1 焊接过程 18

1.6.2 保护气体 20

1.6.3 熔滴过渡模式 20

1.6.4 优缺点 21

1.7 药芯焊丝电弧焊 21

1.8 埋弧焊 22

1.8.1 焊接过程 22

1.8.2 优缺点 23

1.9 电渣焊 23

1.9.1 焊接过程 23

1.9.2 优缺点 25

1.10 电子束焊接 26

1.10.1 焊接过程 26

1.10.2 优缺点 27

1.11 激光束焊接 28

1.11.1 焊接过程 28

1.11.2 反射率 30

1.11.3 保护气体 30

1.11.4 激光-电弧复合焊接 31

1.11.5 优缺点 31

参考文献 32

拓展阅读文献 33

思考题 33

第2章 焊接过程中的热传导 35

2.1 热源 35

2.1.1 热源效率 35

2.1.2 熔化效率 41

2.1.3 热源的功率密度分布 43

2.2 焊接过程中热传导分析 45

2.2.1 Rosenthal方程 45

2.2.2 Adams方程 49

2.2.3 计算机模拟 49

2.3 焊接参数的影响 50

2.3.1 熔池形状 50

2.3.2 冷却速度和温度梯度 51

2.3.3 功率密度分布 53

2.3.4 工件的散热影响 54

2.4 焊接热模拟 54

2.4.1 设备 54

2.4.2 应用 55

2.4.3 局限性 56

参考文献 56

拓展阅读文献 59

思考题 59

第3章 焊接中的化学反应 61

3.1 概述 61

3.1.1 氮、氧和氢的影响 61

3.1.2 避免空气有害作用的保护措施 62

3.2 气体-金属反应 64

3.2.1 化学反应的热力学 64

3.2.2 氮 66

3.2.3 氧 68

3.2.4 氢 71

3.3 熔渣-金属反应 76

3.3.1 热化学反应 76

3.3.2 焊剂对焊缝金属成分的影响 77

3.3.3 焊剂的类型、碱度指数和焊缝金属性能 79

3.3.4 碱度指数 80

3.3.5 电化学反应 83

参考文献 86

拓展阅读文献 88

思考题 88

第4章 焊接中的流体流动和金属蒸发 91

4.1 电弧中的流体流动 91

4.1.1 流体流动的驱动力 92

4.1.2 钨极端部几何形状的影响 92

4.2 熔池中的流体流动 97

4.2.1 流体流动的驱动力 97

4.2.2 浮力对流 98

4.2.3 洛伦兹力驱动的强制对流 99

4.2.4 Marangoni对流 100

4.2.5 等离子射流驱动的强制对流 105

4.2.6 紊流的影响 106

4.3 金属蒸发 107

4.3.1 合金元素的损失 107

4.3.2 金属熔滴的爆破 108

4.4 活性剂钨极气体保护焊 108

参考文献 109

拓展阅读文献 112

思考题 112

第5章 残余应力、变形与疲劳 115

5.1 残余应力 115

5.1.1 残余应力的形成过程 115

5.1.2 残余应力分析 117

5.2 变形 120

5.2.1 原因 120

5.2.2 预防措施 121

5.3 疲劳 123

5.3.1 机理 123

5.3.2 断口 124

5.3.3 S-N曲线 125

5.3.4 接头几何形状的影响 127

5.3.5 缺口效应的影响 127

5.3.6 腐蚀的影响 128

5.3.7 防止措施 128

5.4 实例 129

5.4.1 钢管道组件的失效 129

5.4.2 球磨机失效 131

参考文献 132

拓展阅读文献 133

思考题 133

第二篇 熔化区 137

第6章 凝固过程的基本概念 137

6.1 凝固过程中的溶质再分配 137

6.1.1 相图 137

6.1.2 在固相和液相中的完全扩散 139

6.1.3 固相无扩散与液相完全扩散 141

6.1.4 固相中无扩散与液相中有限扩散 143

6.2 凝固方式和成分过冷 146

6.2.1 凝固方式 146

6.2.2 成分过冷 148

6.3 显微偏析和区域偏析 150

6.3.1 显微偏析 150

6.3.2 区域偏析 152

6.4 冷却速率的影响 153

6.5 凝固路径 155

参考文献 157

拓展阅读文献 158

思考题 158

第7章 焊接金属凝固Ⅰ：晶粒结构 159

7.1 熔化边界的外延生长 159

7.1.1 形核理论 159

7.1.2 焊接过程中的外延生长 161

7.2 熔化边界的非外延生长 163

7.3 熔化区的竞争生长 164

7.4 焊接参数对晶粒结构的影响 165

7.5 焊缝金属形核机制 168

7.5.1 枝晶破碎 170

7.5.2 晶粒分离 170

7.5.3 异质形核 171

7.5.4 表面形核 174

7.5.5 焊接参数对异质形核的影响 174

7.6 晶粒组织的控制 176

7.6.1 变质处理 176

7.6.2 外能作用 178

7.6.3 受激表面形核 181

7.6.4 柱状晶的控制 182

7.6.5 重力 183

参考文献 183

拓展阅读文献 185

思考题 185

第8章 焊缝金属凝固Ⅱ：晶粒的显微组织 189

8.1 凝固方式 189

8.1.1 温度梯度和生长速率 190

8.1.2 焊缝金属生长方式的演变 192

8.2 枝晶和胞晶间距 195

8.3 焊接参数的影响 196

8.3.1 凝固方式 196

8.3.2 枝晶和胞晶间距 197

8.4 晶粒内部细化的微观结构 199

8.4.1 电弧摆动 200

8.4.2 电弧脉动 203

参考文献 203

拓展阅读文献 204

思考题 204

第9章 焊缝金属的固态相变 207

9.1 奥氏体不锈钢焊接中的铁素体向奥氏体的转变 207

9.1.1 基本的凝固模式 207

9.1.2 铁素体的形成机制 212

9.1.3 铁素体含量的预测 214

9.1.4 冷却速度的影响 217

9.1.5 重新加热时铁素体的分解 222

9.2 低碳钢和低合金钢焊缝中奥氏体向铁素体的转变 222

9.2.1 微观组织演变 222

9.2.2 影响微观组织的因素 225

9.2.3 焊缝金属的韧性 228

参考文献 229

拓展阅读文献 231

思考题 231

第10章 焊缝金属的化学不均匀性 233

10.1 微观偏析 233

10.1.1 固相扩散的影响 234

10.1.2 枝晶尖端过冷的影响 237

10.2 层状偏析 239

10.2.1 成分和微观组织的变化 239

10.2.2 原因 240

10.3 夹杂物和气孔 240

10.4 熔化边界附近区域的不均匀性 242

10.4.1 成分分布 242

10.4.2 非均匀性的影响 245

10.5 整体焊缝金属的宏观偏析 246

10.5.1 单道焊 246

10.5.2 多道焊缝 247

参考文献 249

拓展阅读文献 251

思考题 251

第11章 焊缝金属结晶裂纹 253

11.1 结晶裂纹的特点、形成原因以及试验评定方法 253

11.1.1 晶间裂纹 253

11.1.2 裂纹敏感性试验 255

11.2 冶金因素 258

11.2.1 凝固温度区间 258

11.2.2 凝固后期液相的含量及分布 261

11.2.3 凝固焊缝金属的延性 266

11.2.4 初生相 268

11.2.5 晶界液相的表面张力 270

11.2.6 焊缝金属结晶形态 272

11.3 力学因素 273

11.3.1 收缩应力 273

11.3.2 拘束度 273

11.4 抑制结晶裂纹 274

11.4.1 焊缝金属成分的控制 274

11.4.2 控制凝固组织 280

11.4.3 采用合适的焊接条件 282

11.5 具体实例：大型排气扇的失效 284

参考文献 285

拓展阅读文献 288

思考题 288

第三篇 部分熔化区 293

第12章 部分熔化区的形成 293

12.1 液化存在的证据 293

12.2 液化机制 296

12.2.1 机制1：AxBy与基体反应 296

12.2.2 机制2：共晶的熔化 298

12.2.3 机制3：残余AxBy与基体反应 298

12.2.4 机制4：残余共晶组织的熔化 302

12.2.5 机制5：基体的熔化 302

12.2.6 机制6：偏析诱导液化 303

12.3 液化金属的定向凝固 304

12.4 晶界偏析 305

12.5 晶界凝固模式 306

12.6 铸铁中的部分熔化区 307

参考文献 309

思考题 310

第13章 部分熔化区的相关问题 311

13.1 液化裂纹 312

13.1.1 裂纹敏感性试验 313

13.1.2 液化裂纹机理 315

13.2 强度与韧性的下降 319

13.3 氢致裂纹 320

13.4 防止措施 320

13.4.1 焊接材料 320

13.4.2 焊接热源 322

13.4.3 拘束度 323

13.4.4 母材 323

参考文献 327

思考题 328

第四篇 热影响区 333

第14章 加工硬化材料 333

14.1 背景 333

14.1.1 再结晶 334

14.1.2 晶粒长大 336

14.2 焊接中的再结晶和晶粒长大 337

14.2.1 显微组织 337

14.2.2 热循环 338

14.3 焊接工艺参数和方法的影响 340

参考文献 341

拓展阅读文献 342

思考题 342

第15章 沉淀强化材料Ⅰ：铝合金 343

15.1 背景 345

15.2 Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si合金 349

15.2.1 人工时效状态下的焊接 349

15.2.2 自然时效状态下的焊接 352

15.2.3 焊接工艺方法和参数的影响 355

15.3 Al-Zn-Mg合金 356

15.4 铝合金搅拌摩擦焊 359

参考文献 360

拓展阅读文献 361

思考题 361

第16章 沉淀强化材料Ⅱ：Ni基合金 365

16.1 背景 366

16.2 沉淀回复和强度损失 370

16.2.1 微观组织 370

16.2.2 硬度分布 372

16.3 焊后热处理裂纹 374

16.3.1 焊后热处理的原因 374

16.3.2 裂纹的扩展 374

16.3.3 化学成分的影响 376

16.3.4 裂纹形成机理研究结果 376

16.3.5 预防措施 376

参考文献 379

拓展阅读文献 381

思考题 381

第17章 相变强化材料：碳素钢和合金钢 383

17.1 相图和CCT图 384

17.2 碳素钢 386

17.2.1 低碳钢 386

17.2.2 中高碳钢 391

17.3 低合金钢 394

17.3.1 高强低合金钢 394

17.3.2 调质低合金钢 395

17.3.3 可热处理低合金钢 397

17.4 氢致裂纹 399

17.4.1 原因 399

17.4.2 形貌 401

17.4.3 敏感性测试 402

17.4.4 预防措施 403

17.5 再热裂纹 405

17.5.1 形貌 405

17.5.2 成因 406

17.5.3 敏感性测试 407

17.5.4 预防措施 407

17.6 层状撕裂 409

17.6.1 成因 409

17.6.2 敏感性测试 410

17.6.3 预防措施 411

17.7 实例研究 412

17.7.1 套接管接头失效 412

17.7.2 柴油机连杆的失效 413

17.7.3 水轮机高压管道失效 413

参考文献 414

拓展阅读文献 416

思考题 417

第18章 耐腐蚀材料：不锈钢 419

18.1 不锈钢的分类 420

18.1.1 铁素体不锈钢 421

18.1.2 马氏体不锈钢 422

18.1.3 奥氏体不锈钢 422

18.2 奥氏体不锈钢 423

18.2.1 敏化区腐蚀（晶间腐蚀） 423

18.2.2 刀状腐蚀 429

18.2.3 应力腐蚀开裂 433

18.3 铁素体不锈钢 435

18.3.1 相图 435

18.3.2 敏化 435

18.3.3 马氏体形成和晶粒长大 436

18.4 马氏体不锈钢 437

18.4.1 相图 437

18.4.2 焊道下裂纹 438

18.4.3 防治措施 438

18.5 实例研究：不锈钢钢管的破坏 440

参考文献 441

拓展阅读文献 442

思考题 442

索引 443