本书主要介绍熔化焊接过程中的冶金过程(物理冶金和化学冶金)基本原理和基本理论,其内容主要包括:焊接热过程、焊接化学冶金、熔池凝固、焊缝的固态相变、焊接热影响区的组织与性能、焊接裂纹等。本书可作为本科焊接专业(方向)必修课“焊接冶金学”(或称“焊接冶金原理”)教材,也可作为高职院校相关专业“焊接冶金学”课程的教学参考书。
焊接冶金原理(学)是焊接专业(方向)主干课之一,在焊接专业人才的知识构建和培养中具有重要的地位,国内外高等院校凡与材料焊接相关的专业几乎都将该课程列为核心课程。国内上世纪90年代中后期实施宽口径专业目录后,培养方案中涉及焊接方向的材料成形与控制工程专业一般仍将焊接冶金原理(学)列为专业必修课。 本书是作为高等院校焊接专业(方向)焊接冶金原理(学)课程教材而编写的,主要讨论熔化焊接的基本冶金原理与理论,包括焊接的化学冶金和物理冶金。 尽管逻辑上焊接教育工作者共享着大体相同的焊接冶金原理(学)知识内容,但他们对于这些知识不同部分的认识——重要性和必要性,以及如何才能更好地传授这些知识的看法因人而异,且随着焊接技术自身的发展,也因时间而异。以下是本书编写过程中的着力点及编者认为需要说明的事项。 近30年以来,熔化焊接技术格局发生了巨大变化——气体保护电弧焊和高能束焊接技术应用显著增加,焊条电弧焊应用份额不断下降。基于该类观察和认识,本书编写过程中,在焊接方法上除渣保护电弧焊(焊条电弧焊和埋弧焊)之外,着力增加了其他现代熔化焊接方法的素材和内容,如各种气体保护电弧焊、电子束焊和激光焊等;在被焊材料方面则尽可能增加了有色金属及合金的素材和内容,如铝及铝合金、钛及钛合金、高温合金等。如此,一方面希望学生能准确地理解本课程,避免学生对本课程形成误解或错觉,即将焊接冶金原理片面地理解为钢的渣保护电弧焊甚至是焊条电弧焊的冶金原理,另一方面更希望教材的内容能确切地体现课程的基本内涵——熔化焊接的冶金原理,并真实地反映当前熔化焊接技术的发展水平。 “热”是熔化焊接的手段和条件,“热”与保护方式共同决定了各种熔化焊接方法的基本特征——化学冶金和物理冶金过程的基本特征。事实上,对“热”特征的调控已经成为近年来熔化焊接方法发展最活跃的路径之一,如各种复合热源焊接等。为了适应新的发展需要,使学生对焊接热过程和特征与焊接质量的关系有更清楚的认识,本书在相关章节加强了对焊接热过程与焊接冶金过程关系的讨论,并将焊接热过程恢复为独立章节进行讨论,但在内容上弱化了纯粹的数学推导和解析,加强了对数值方法的介绍和讨论。 焊接接头熔合区的尺度虽小,但焊接过程中该区域是“热”“质”和“力”的交汇或过渡区域,所发生的物理冶金过程往往更加复杂、剧烈而微妙,因此,焊接熔合区的行为对焊接接头的性能和材料的焊接性具有重要影响。尤其值得注意的是,随着科学技术的发展,各种物理单元(部件、构件或器件)的性能要求越来越多样化,单一材料已很难完成其制造并满足性能要求;另一方面,随着现代社会“绿色环保”“可持续”意识的不断增强,“材”尽其用、节能减排等日益成为现代制造技术的基本理念。在这些需求的强烈驱动下,近年来异种材料的焊接与连接需求显著增加,焊接熔合区的物理冶金问题显得越来越重要。基于这些认识,本书将焊接熔合区的物理冶金问题也作为独立章节专门讨论,并充分吸收该领域国内外近年来的最新研究成果。 作为高等院校的专业课教材,为了策应对学生分析、解决问题的能力和创新意识的培养,本书在编写风格上,注重方法和原理,并加强了对问题“所以然”层面的分析讨论,在内容安排和素材处理方面,着力吸收焊接冶金领域近年来的最新研究进展和成果,尽可能选用新近的照片并设计更新示图,力求素材新、问题典型,体系完整,体现当前国内外焊接冶金领域的理论和应用水平。 本书在章节的编写思路和逻辑结构方面,力求知识板块之间逻辑清晰、结构合理,便于学生理解和掌握。仅以第4章为例,关于熔池凝固与焊缝组织的问题,编写过程中力求探索厘清凝固与熔池凝固、熔池的形核与晶核长大、熔池凝固与焊缝组织等之间的关系(联系和界限),并强化了熔池凝固和焊缝组织与焊接热过程(即第2章)的关系。 本书绪论部分是课程的预备和统领性章节,是作为正式教学内容来编写的,对学生理解和掌握课程内容非常重要,故列为正式章节,建议教学时正规讲授。但是,如果学生在学习本课程前对熔化焊接方法已有基本的了解,其中的12节亦可不讲授。需要指出的是,编者并不建议本书内容全部采用课堂讲授,有些内容应该也可以根据学时的情况安排学生自学,如12、21、223、224、23、34(尤其341)、421、441、55、64等。这并不完全是课程学时有限的无奈之举,而更重要的是培养学生自我学习能力、为学生个性发展提供适当空间——因材施教的需要。 为了尽可能使学生学习时对课程内容能够融会贯通,以便更好地掌握课程内容,本书每一章之后附有“本章小结”和“思考题”。 本书由北京科技大学黄继华教授主编,北京钢铁研究总院田志凌教授主审。第1章、第3章之31节和34节、第4章和第7章由黄继华教授编写,第2章、第5章和第6章之61—63节由北京科技大学陈树海副教授编写,第3章之32、33节和第6章之64节由北京科技大学赵兴科副教授编写。本书编写过程中得到北京科技大学“十二五”规划教材项目的支持,本校材料科学与工程学院研究生程志和许方钊同志分别承担了部分章节的文献检索和绘图工作,在此一并表示感谢。 本书可作为高等院校焊接专业(方向)本科生焊接冶金原理(学)的专业课教材,也可作为从事焊接工作的研究人员和工程技术人员的参考书。由于编者水平有限,书中错误和不当之处在所难免,恳请读者批评指正。 编者
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