一、金属材料的性能

金属材料的性能通常包括物理性能、力学性能、化学性能和工艺性能等。

1.金属材料的物理性能

(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：钢为7.8g/cm，灰铸铁为7.2g/cm，铜为8.9g/cm，铝为2.7g/cm。

(2)导电性

金属传导电流的能力称为导电性。各种金属的导电性不同，银的导电性最好，其次是金、铜和铝。

(3)导热性

金属传导热量的能力称为导热性。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，则要用导热性能好的材料。如汽车水箱散热器、燃气热水器管常用导热性好的铜和铝合金制造，以提高导热效果。

(4)热膨胀性

金属升高温度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勾的热膨胀，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。

2.金属材料的力学性能

金属材料承受外部负荷时，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、硬度和韧度等。

(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、抗拉强度等。

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Rel表示。Rel值越高，材料的强度越高。

抗拉强度：金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以Rm表示。Rm值越大，金属材料抵抗断裂的能力越大，强度越高。

(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的指标有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。

(3)冲击韧度

冲击韧度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。

(4)硬度

硬度是金属材料抵抗外物压人产生表面变形的能力。

常用的硬度有布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC(HRA、HRB)和维氏硬度HV三种。

3.金属材料的化学性能

(1)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/d。

(2)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材料的耐腐蚀性。

4.金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指冷热可加工性。

(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，若切削力较小且被切削工件的表面质量高，且切削刀具不易磨损，则称此材料的切削性能号。一般灰铸铁具有良好的切割性，钢的硬度在HBW~范用内且有较好的的切割性能。磷硫含量高的钢易切削，黄铜易切削。

(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全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

焊接性能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。碳当量可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

二、钢材和有色金属的焊接性能

可焊接的金属材料很多。焊接和热切割作业人员必须掌握的常用金属材料主要有钢材和有色金属。

1.钢材的焊接特点

(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Q、20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～℃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

中碳钢的含碳量比低碳钢高，强度较高，焊接性较差，常用的有35、45、55钢。中碳钢焊条电弧焊及其铸件焊补的主要特点如下:

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

由于母材金属含碳量较高，所以焊缝的含碳量也较高，容易产生热裂纹。

为了预防焊接裂纹，需将焊件预热至~℃左右。

由于含碳量的增高，对气孔的敏感性增加，因此对焊接材料的脱氧性、母材金属的除油除锈、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:

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。

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。

为了预防焊接裂纹，需将焊件预热至～℃。

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。

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、锐、铜、硼、磷、稀土等，一般合金元素总的质量分数不超过3.5%。钢中有一种或几种这样的元素后，使它具有强度高、韧性好等优点，由于加人的合金元素不多，故称为低合金高强度钢。

常用的普通低合金高强度钢有16Mn、16MnRe、16MnNb、15MnVN、15MnV、15MnTi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。

影响热影响区的淬硬程度的因素有：材料及结构型式，钢材的种类、板厚、接头型式及焊缝尺寸等；工艺因素，如加工方法、焊接规范、坡口附近的起焊温度(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裂纹形态。

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。

(5)铸铁的分类及焊补特点

工业中常用的铸铁含碳量为2.5%~4.0%(质量分数，下同)，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，使焊缝温度升高，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洗择、焊补工艺的正确采用尤为重要。

焊补铸铁的方法有手弧焊、气焊、纤爆，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(~C)、半热焊(℃)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。

2.有色金属及合金的焊接特点

有色金属是指除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，例如强度高、导电性好、耐蚀性及导热性好等。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。

(1)铝及铝合金的焊接特点

铝及铝合金的焊接特点是：表面容易氧化，生成致密的氧化膜，影响焊接；容易产生气孔；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)铜及铜合金的焊接特点

铜及铜合金的焊接特点是：难熔合及易变形；容易产生热裂纹；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，并采用大线能量热输人焊接。钨极氩弧焊采用直流正接。气焊时，纯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。