焊接冶金与焊接性

《焊接冶金与焊接性》一书是《不锈钢焊接冶金及焊接性》原作者Lippold教授的又一力作，主要包括以下内容：1）概述了包括焊缝凝固行为的焊接冶金原理。2）介绍了制造和服役过程中通常会遇到的各种焊接裂纹的开裂机制。3）提供了关于如何选择可焊性试验的建议，这些试验方法可以定量评价材料的焊接性，包括可变拘束试验、应变致开裂试验和热塑性试验。4）章节中的实例是作者30多年的实际经验。 

《焊接冶金与焊接性》从材料焊接性和焊接冶金角度，为工程师重点描述了焊接失效机理，分为与加工和与服役相关两种类型。本书在描述焊接裂纹的形成机理过程中，提供了推荐的预防措施，同时还描述了与腐蚀相关的失效、断裂与疲劳失效的概念，尤其珍贵的是，本书还提供了焊接失效分析指南以及多种焊接性试验方法。总之，本书既包括深入细致的理论分析基础，又展示清晰生动的实际图片，使得读者能够很好地理解和掌握相关知识。另外，该书也包含了相关研究的新成果。

作 者 简 介Lippold博士现任美国俄亥俄州立大学焊接工程专业教授，他是焊接与连接冶金研究团队的负责人，也是俄亥俄州立大学工程杰出教授学院的一名教授。他在美国伦斯勒理工学院取得学士、硕士和博士学位，师从Warren F. Savage博士。他完成正规教育后，在加利福尼亚州Livermore市的圣地亚国家实验室（Sandia National Lab）工作了7年，作为一名技术人员主要从事不锈钢和高合金钢的焊接性研究。从1985年到1995年，Lippold博士在美国爱迪生焊接研究所（Edison Welding Institute，EWI）工作。1995年，他加入俄亥俄州立大学焊接工程专业教研组。在过去的35年，Lippold博士一直从事科学研究，研究项目的主要内容被确定为对工程材料的性能和焊接冶金学的深入挖掘。他的研究领域涉及基础研究和应用研究两个方面，与工业应用领域高度相关。他一直致力于对焊接性试验方法的技术评价，还开发了多种适用于工程应用的焊接性试验方法。基于这些研究，Lippold博士已经发表了300多篇学术论文和研究报告。他是国际上公认的不锈钢和高合金钢焊接冶金学及焊接性研究领域的知名专家。自从1995年加入俄亥俄州立大学后，他已指导了60多名硕士研究生和博士研究生。2005年，与他人合著《不锈钢焊接冶金学及焊接性》一书，2009年又与他人合著其姊妹篇专著《镍基合金焊接冶金学及焊接性》。在此之前，他已经获得多种奖项，如1977年、1980年和2005年获Charles HJennings纪念奖；1979年、1992年和2012年获William Spraragen纪念奖；1993年、1999年、 2010年、 2011年、 2012年和2014年获Warren F.Savage纪念奖；1994年和 2011年获McKayHelm奖；1983年获Lincoln金奖； 2001年获A.FDavis银奖；2011年获Hobart纪念奖；2002年获Irrgang奖和美国焊接学会（AWS）颁发的Plummer纪念教育讲座奖。1985年和1989年他获得了国际金相学会颁发的Buehler技术论文杰出奖。1997年，他出席美国焊接学会（AWS）在洛杉矶举行的Comfort AAdam纪念大会，并做了公开演讲。2008年他获得了Jaeger演讲奖；2009年获国际焊接学会（IIW）的Yoshiaki Arata奖。 Lippold博士1994年成为美国金属学会的院士，1996年成为美国焊接学会的院士。目前，他是国际焊接学会出版发行的Welding in the World（《世界焊接》）国际期刊的编辑之一。

目录

作者简介

译丛序

译者序

前言

第1章绪论1

1.1与加工制造相关的缺陷3

1.2与服役相关的缺陷4

1.3缺陷的防止与控制5

参考文献5

第2章焊接冶金原理6

2.1引言6

2.2熔焊接头的区域划分7

2.3熔化区9

2.3.1金属的凝固10

2.3.2焊缝凝固的宏观描述17

2.3.3焊缝凝固的微观描述21

2.3.4溶质再分配24

2.3.5熔化区的显微组织举例29

2.3.6过渡区30

2.4未混合区32

2.5部分熔化区34

2.5.1渗透机制35

2.5.2偏析机制38

2.5.3部分熔化区形成举例42

2.6热影响区44

2.6.1再结晶和晶粒长大45

2.6.2同素异构转变47

2.6.3析出反应50

2.6.4热影响区显微组织举例51

2.7固态焊接52

2.7.1摩擦搅拌焊53

2.7.2扩散焊56

2.7.3爆炸焊57

2.7.4超声波焊58

参考文献59

第3章热裂纹62

3.1引言62

3.2焊缝凝固裂纹62

3.2.1焊缝凝固裂纹理论63

3.2.2元素影响的预测69

3.2.3脆性温度范围和凝固裂纹温度范围71

3.2.4焊缝凝固裂纹的影响因素75

3.2.5焊缝凝固裂纹的判定82

3.2.6焊缝凝固裂纹的防止措施86

3.3液化裂纹87

3.3.1热影响区的液化裂纹87

3.3.2焊缝金属的液化裂纹89

3.3.3液化裂纹敏感性的影响因素90

3.3.4热影响区和焊缝金属的液化裂纹判定92

3.3.5液化裂纹的防止措施93

参考文献93

第4章固态裂纹96

4.1引言96

4.2失塑裂纹96

4.2.1已提出的形成机制98

4.2.2失塑裂纹的影响因素小结102

4.2.3失塑裂纹的定量化评价105

4.2.4失塑裂纹的判定106

4.2.5失塑裂纹的防止措施107

4.3再热裂纹109

4.3.1低合金钢中的再热裂纹110

4.3.2不锈钢中的再热裂纹114

4.3.3堆覆焊道下裂纹117

4.3.4松弛裂纹118

4.3.5再热裂纹的判定119

4.3.6再热裂纹敏感性的定量化评价121

4.3.7再热裂纹的防止措施123

4.4应变时效裂纹125

4.4.1应变时效裂纹的形成机制127

4.4.2应变时效裂纹敏感性的影响因素133

4.4.3应变时效裂纹敏感性的定量化评价137

4.4.4应变时效裂纹的判定142

4.4.5应变时效裂纹的防止措施143

4.5层状撕裂144

4.5.1层状撕裂的形成机制144

4.5.2层状撕裂的定量化评价146

4.5.3层状撕裂的判定149

4.5.4层状撕裂的防止措施150

4.6铜污染裂纹152

4.6.1铜污染裂纹的形成机制152

4.6.2铜污染裂纹的定量化评价154

4.6.3铜污染裂纹的判定155

4.6.4铜污染裂纹的防止措施156

参考文献157

第5章氢致裂纹164

5.1引言164

5.2氢脆理论164

5.2.1平面压力理论166

5.2.2表面吸附理论166

5.2.3分离理论166

5.2.4氢富集局部塑性理论167

5.2.5Beachem的应力强度模型167

5.3氢致裂纹的影响因素169

5.3.1焊接接头中的氢169

5.3.2显微组织的影响172

5.3.3拘束度176

5.3.4温度176

5.4氢致裂纹敏感性的定量化评价177

5.4.1Jominy端部淬火试验法177

5.4.2CTS试验179

5.4.3斜Y坡口（小铁研）试验180

5.4.4带间隙的平板堆焊试验182

5.4.5插销试验183

5.4.6拉伸拘束裂纹试验186

5.4.7增强应变裂纹试验188

5.5氢致裂纹的判定189

5.6氢致裂纹的防止措施191

5.6.1碳当量法193

5.6.2美国焊接学会法195

参考文献199

第6章腐蚀204

6.1引言204

6.2腐蚀形式204

6.2.1全面腐蚀205

6.2.2电化学腐蚀205

6.2.3缝隙腐蚀207

6.2.4选择腐蚀207

6.2.5磨损腐蚀208

6.2.6点蚀208

6.2.7晶间腐蚀211

6.2.8应力腐蚀裂纹214

6.2.9微生物诱导腐蚀216

6.3腐蚀试验218

6.3.1大气腐蚀试验218

6.3.2浸泡试验218

6.3.3电化学试验220

参考文献222

第7章断裂和疲劳223

7.1引言223

7.2断裂224

7.3断裂韧性的定量化评价227

7.4疲劳230

7.5疲劳行为的定量化评价235

7.6疲劳裂纹的判定236

7.6.1贝壳纹花样237

7.6.2河流花样237

7.6.3疲劳辉纹237

7.7疲劳失效的防止措施239

参考文献239

第8章失效分析241

8.1引言241

8.2断口金相学241

8.2.1断口金相学的历史242

8.2.2扫描电子显微镜243

8.2.3断裂模式244

8.2.4焊接接头失效的断口金相学247

8.3工程师失效分析指南257

8.3.1现场勘察258

8.3.2收集背景资料259

8.3.3取样和试验方案260

8.3.4试样的截取、清理和保存260

8.3.5化学分析261

8.3.6宏观分析262

8.3.7微观分析试样的选择262

8.3.8失效分析方法的选择262

8.3.9力学试验263

8.3.10模拟试验264

8.3.11无损评价方法264

8.3.12结构完整性评估264

8.3.13咨询专家264

8.3.14终报告265

8.3.15支持诉讼的专家证词265

参考文献266

第9章焊接性试验268

9.1引言268

9.2焊接性试验方法的类型269

9.3可变拘束试验269

9.3.1焊缝凝固裂纹的定量化评价方法271

9.3.2热影响区液化裂纹的定量化评价方法274

9.4铸销撕裂试验276

9.5热塑性试验279

9.6应变致断裂试验282

9.7再热裂纹试验283

9.8热影响区氢致裂纹的插销试验285

9.9焊缝金属氢致裂纹的带间隙的平板堆焊试验286

9.10其他焊接性试验方法288

参考文献288

附录290

附录A290

附录B291

附录C298

附录D303

参考文献309

前言本书与2005年和2009年分别出版的《不锈钢焊接冶金学及焊接性》和《镍基合金焊接冶金学及焊接性》这两本书为姊妹篇。回想一下，应该先出版本书，因为本书提供了前两本书中描述的许多冶金和焊接概念的基础知识，本书涉及的内容基于1986年以来作者在俄亥俄州立大学焊接工程专业讲授的课程。本书内容可为工程师理解焊接冶金的基本概念提供必要的背景知识，也可用于解释焊接构件的失效。本书的主题是材料的“焊接性”。正如第1章中所述，关于焊接性这一术语的定义和其所涉及的内涵，还存在着相当大的分歧。本书旨在描述与加工制造或与服役相关的焊接接头的失效机制。此外，所描述的失效机制与焊接构件的显微组织有关，而对相关的非冶金缺陷未做说明，如未熔合、气孔、设计缺陷或其他与设计、工艺相关的问题。在第2章中概述了一些基本原理，将有助于对焊接冶金不是十分熟悉的读者理解后续章节中出现的概念。焊接性问题分为与加工制造和与服役相关的失效。第3～第5章重点讲述了材料在初加工制造或修复时出现的热裂纹、温（固相）裂纹和冷裂纹，重点强调了基本的裂纹形成机制，并推荐了相应的防止措施。第6章重点论述了与腐蚀相关的失效。第7章讨论了与断裂和疲劳相关的一些总体概念。第8章提供了失效分析指南，其中包括有助于确定失效机理的扫描电子显微镜断口分析，以及断口分析结果的大量实例。第9章描述了多种焊接性试验方法，这些方法用于对不同种类焊接裂纹的敏感性进行定量化的评价。附录中包括了书中提到的填充金属和母材金属的化学成分，以列表形式给出，同时附录中也给出了金相分析常用的浸蚀剂和浸蚀方法。本书奉献给国际焊接冶金界的四位“巨匠”。Henri Granjon是法国焊接研究所焊接学院的院长，那些年，他提出了许多早期的焊接冶金学概念，尤其是关于钢铁焊接冶金方面。大家一致认为，他开发了用于评价氢致裂纹的插销试验方法，这种试验方法至今仍在使用。本人虽未有幸与Henri Granjon先生谋面，但他的工作成就和声望一直激励着我。英国焊接研究所（TWI）的Trevor Gooch先生是一位冶金学的天才，同时，他对腐蚀和氢脆也十分精通。我与Trevor先生的次接触是在1978年美国焊接学会（AWS）的学术年会上。当时我参加了一个分会场会议，在那次会议上，一个身材高大、戴着眼镜的男人在会议室后面站起来向论文发布者提问，说“我是英国焊接研究所的Gooch”。他开始对论文发布者提出许多问题，让其回答。从此以后，如果我预想到Gooch博士可能会出现在我发布论文的会场时，我就会格外警觉，并做好充分的准备。后来几年里，我逐渐与Trevor先生熟悉，并意识到他是一位谦卑和温柔的绅士，他喜爱美国的传统乡村音乐，对焊接冶金学有着让人难以置信的热情。Warren F.“Doc” Savage可以认为是现代焊接冶金学之父。从20世纪50年代到70年代，他和他的学生们定义了焊接冶金领域，并建立了当今仍在沿用的许多焊接冶金学原理。当我在美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute，RPI）读本科时，认识了“Doc”Savage先生，通过我的运作，他愿意指导我，我顺利成为他的研究生，我们之间有了终生的师生关系。他作为我的导师和良师益友，教给我许多处世技巧，包括喝苏格兰威士忌所增添的乐趣。我采纳了他放手指导研究生的风格，鼓励学生创造性地思维，“Doc” Savage先生对我的职业生涯产生了极其重要的影响。松田福久（Fukuhisa Matsuda）是日本大阪大学（Osaka University）的一名终身教授，他曾在美国伦斯勒理工学院焊接冶金试验室待了一年时间。通过利用焊接性试验方法和先进的表征技术，他拓展了Savage提出的一些基本概念。他的成就之一就是发展了焊接凝固裂纹的基础理论，该理论至今仍被广泛接受。他的研究成果给人印象深刻，极大地影响了我的思维。他的研究成果在本书中多处被引用。也感谢许多上过我这门课程的学生，当时的教案就是本书的蓝本。作为课堂教学的一部分，要求学生准备以焊接性为主题的各种专题综述报告。这些综述报告是我写作本书过程中非常有价值的资料，我衷心地感谢这些勤奋的学生们。我也衷心感谢我的许多研究生和博士后，他们帮助我准备书稿，尤其是提供了一些微观照片和其他图表，用于说明焊接冶金和焊接性原理。 在此特别感谢Xiuli Feng（冯秀丽）、Xin Yue（岳鑫）、Adam Hope以及David Tung。我也衷心感谢我现在和以前的学生们，他们在忙碌的工作之余，花时间检查本书中的每一个章节。他们是Adam Hope和David Tung（两位均为俄亥俄州立大学的博士生)、Jeff Sowards（在NIST工作)、Jeremy Caron（在Haynes国际公司工作)、Seth Norton（在BP公司工作)、Xin Yue（岳鑫）（在Exxonmobil公司工作）、Morgan Gallagher（在Shell公司工作), 以及 Mikal Balmforth (在LLC 材料和工程集团工作），他们周全和偶尔苛刻的意见和建议，让本书增色不少。后，我衷心感谢俄亥俄州立大学（The Ohio State University）提供的机会，并支持我撰写本书。本书的绝大部分工作是在专业学术假期（即公休假）期间完成。对一个大学的终身教授，每7年可享用一次专业