Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Lippold, John C./ Kotecki, Damian J.

出品人:

页数:376

译者:

出版时间:2005-3

价格:1196.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471473794

丛书系列:

图书标签:

• 材料学
• Welding
• Stainless Steel
• Metallurgy
• Weldability
• Materials Science
• Welding Metallurgy
• Corrosion
• Heat Treatment
• Joining
• Engineering

钢铁世界的深层奥秘：高合金材料的熔合与性能重塑 导论：超越传统钢铁的性能极限 在现代工程领域，从深海钻探平台到核能反应堆，再到尖端的航空航天结构，对材料性能的要求已经远远超出了传统碳素钢的能力范围。高合金材料，特别是那些设计用于极端腐蚀环境、高温高压载荷或需要卓越抗蠕变性能的应用，成为了支撑这些前沿技术的核心要素。本书旨在深入探讨一类具有独特应用价值和复杂冶金行为的材料家族——非不锈钢类高合金材料，并聚焦于它们在制造过程中所面临的关键挑战：连接工艺与服役性能的内在关联。 本书将系统地梳理并剖析那些在性能上超越传统奥氏体和铁素体不锈钢的特殊合金体系，例如：镍基高温合金（Superalloys）、高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）、高性能复合钢材，以及特种耐腐蚀合金如哈氏合金（Hastelloy）和英科镍合金（Inconel）。我们的核心关注点在于这些材料的基础冶金学、特定的制造约束，以及如何通过精确的连接技术来维持甚至提升其设计性能。 --- 第一部分：高合金材料的冶金基础与微观结构控制 本部分将构建理解这些复杂材料的基础框架，重点区分它们与标准不锈钢在化学成分、相变规律和微观结构形成上的根本差异。 第1章：特种高合金的元素设计与相稳定性 我们将深入研究那些决定高性能的关键元素，如铌（Nb）、钼（Mo）、钨（W）、钴（Co）、钛（Ti）和铝（Al）在高合金体系中的作用。不同于不锈钢中铬和镍的主导地位，这些元素在镍基和钴基合金中形成了复杂的金属间化合物（如$ ext{Ni}_3( ext{Al}, ext{Ti})$）和稳定相（如$ ext{Laves}$相、$ ext{Sigma}$相等）。 相图的复杂性：解析多组分系统的相平衡图，理解在不同热处理和冷却速率下，脆性相的析出与溶解机制。如何通过精确控制冷却速率来抑制有害脆性相的形成，是实现材料长期可靠性的关键。 微观结构与力学性能的耦合：探讨固溶强化、沉淀强化和晶界强化在高熵合金和镍基合金中的具体实现方式。例如，分析$gamma'$相在镍基高温合金中的体积分数、尺寸和分布对蠕变寿命的决定性影响。 第2章：高合金材料的铸造、凝固行为与宏观缺陷控制 高合金，尤其是镍基和钴基合金，往往具有较窄的凝固区间和较高的熔点，这带来了独特的凝固挑战。 凝固区间与偏析：研究在高热输入连接过程中，合金元素（特别是高扩散性的元素如Nb、Ti）的快速分离（偏析）现象。偏析不仅降低了宏观力学性能的均匀性，还可能成为后续开裂的萌芽点。 定向凝固与晶体取向：在涡轮叶片等关键部件的制造中，定向凝固技术被广泛应用。本书将详细阐述如何通过控制凝固前端的温度梯度和冷却速率，实现沿特定晶体学方向的生长，从而最大化抗蠕变性能。 孔隙与欠填充的控制：针对高粘度熔池的特点，分析如何通过优化熔池动力学和气体保护策略，有效消除因气体卷入或熔池流动不畅导致的宏观孔隙。 --- 第二部分：高合金材料的连接技术与热影响区（HAZ）冶金 本部分是本书的核心，聚焦于如何安全有效地连接这些对热循环极其敏感的高合金材料，并详细分析连接过程中热影响区（HAZ）的冶金变化。 第3章：热输入敏感性与连接工艺的选择 高合金材料，特别是沉淀强化型合金，对热循环的敏感度极高。不当的热输入管理是导致连接性能失效的首要原因。 热循环曲线与相变动力学：研究不同连接方法（如GTAW、EBW、LBW）产生的热输入速率如何影响HAZ内的过热和回火效应。对比分析对于奥氏体不锈钢中常见的敏化现象，高合金HAZ更易发生的是过时效（导致沉淀相粗大化或不均匀析出）和脆性相的形成。 钨极惰性气体保护焊（GTAW）的精细控制：讨论在焊接镍基合金时，如何利用脉冲电流和双喷嘴保护系统来精确控制熔池温度、减少氧化物的夹杂和控制冷却速率。 高能量密度束连接技术（EBW/LBW）的应用与挑战：解析电子束焊和激光焊在连接高厚度、高合金材料时的优势（窄焊缝、低热输入），并着重讨论如何处理其产生的超高冷却速率对微观结构的影响，例如在某些合金中可能形成非平衡组织。 第4章：热影响区（HAZ）的冶金演变与性能退化机制 HAZ是连接区域中最脆弱的环节。对于高合金而言，其退化机制往往是多相且复杂的。 脆性相析出与晶界弱化：在镍基高温合金的HAZ中，最关键的风险是$ ext{PAB}$（$ ext{Preferential}$ $ ext{Attack}$ $ ext{at}$ $ ext{Boundaries}$）区域的形成。详细分析在$850^{circ} ext{C}$至$1150^{circ} ext{C}$温度区间内，脆性$ ext{TCP}$相（如$ ext{Sigma}$、$ ext{Mu}$相）在晶界优先析出的机制，以及这些析出相如何提供裂纹的易萌生路径。 元素扩散与成分偏离：研究在焊接热循环下，合金化元素（如Ti、Al在$gamma'$相中的元素）在固态扩散和液态流动过程中的迁移规律。探讨如何通过选择具有相似扩散系数的填充金属，最小化成分梯度和后续的电化学腐蚀风险。 高熵合金HAZ的特殊问题：探讨高熵合金独特的“复杂性效应”在HAZ中的体现。由于其高数量的五种以上主元素，HAZ中可能出现多重局域相分离或非晶化，本书将提供相场模拟来辅助理解这些亚稳态结构的演变。 --- 第三部分：连接后性能评估与服役可靠性保障 本部分关注连接完成后的检验标准、后热处理的作用以及材料在实际复杂环境下的行为。 第5章：连接区域的残余应力与变形控制 高合金的热膨胀系数和较高的屈服强度使得连接后的残余应力管理成为一项挑战。 应力评估与释放技术：分析不同连接方法（尤其是激光焊）产生的扭曲和残余拉伸应力对疲劳寿命的负面影响。讨论如何通过优化夹具、采用预热和后热处理（Post-Weld Heat Treatment, PWHT）来重构应力分布。 PWHT的精确化：对于沉淀强化的镍基合金，PWHT不仅仅是释放应力，更是实现性能恢复的关键。详细说明如何通过精确控制温度曲线（例如，长时间的固溶和时效处理），确保$gamma'$相重新沉淀至最优尺寸和体积分数，从而恢复母材的蠕变和抗拉强度。 第6章：连接区域的耐腐蚀性与环境失效分析 高合金材料的首要应用往往是抗腐蚀。连接区域的冶金变化直接影响其在苛刻介质中的服役寿命。 晶间腐蚀的预防与修复：探讨在镍基合金中，HAZ中铬的耗尽（针对可能受敏化影响的特定体系）和脆性相的形成如何加剧晶间腐蚀的风险。分析如何通过富集元素（如Mo）的填充金属来补偿HAZ中的成分损失。 应力腐蚀开裂（SCC）的敏感性评估：在高氯离子或高温水蒸气环境中，连接区域的残余拉伸应力和微观结构不均匀性是SCC的主要驱动因素。本书将通过加速腐蚀试验的案例分析，展示如何通过消除脆弱的微观结构来提高抗SCC性能。 --- 结论：迈向下一代高合金连接的未来 本书最终将总结在高合金连接领域的前沿研究方向，包括：利用增材制造技术进行原位修复，以及开发新型“自修复”合金设计，使连接区域的冶金特性能够更好地适应环境变化，从而确保这些尖端材料在最严苛工程环境中的长期、可靠运行。

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