本書以船舶工程材料所需的力學(xué)性能為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地介紹了材料的力學(xué)性能、制造工藝和焊接性。本書主要內(nèi)容包括材料和焊接接頭的力學(xué)性能、金屬的顯微組織與力學(xué)性能、船舶工程用鋼的合金化、船舶工程用鋼的固態(tài)相變與塑性加工、船舶工程結(jié)構(gòu)熔化焊的工藝焊接性、船舶工程材料力學(xué)性能與焊接性、造船材料與焊接數(shù)字化技術(shù)。本書按照由理論到工程實(shí)踐的順序編排，內(nèi)容全面系統(tǒng)，實(shí)用性和針對(duì)性強(qiáng)，并提供了相關(guān)知識(shí)拓展內(nèi)容，方便讀者閱讀學(xué)習(xí)。
1）本書以船舶工程材料所需的力學(xué)性能為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地介紹了材料的力學(xué)性能、制造工藝和焊接性。
2）本書歸納和引用金屬顯微組織狀態(tài)與力學(xué)性能關(guān)系的前沿研究成果，如強(qiáng)韌性、斷裂韌度與合金化、第二相的關(guān)系等，突出船舶工程行業(yè)材料技術(shù)的力學(xué)性能特點(diǎn)；歸納了材料顯微組織中第二相的表面能、原子擴(kuò)散以及相變臨界速度等與力學(xué)性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，為讀者掌握當(dāng)今材料和焊接學(xué)新近研究進(jìn)展和判斷材料性能發(fā)展的趨勢提供了參考；【知識(shí)拓展】環(huán)節(jié)展示了相關(guān)機(jī)理和相關(guān)行業(yè)背景，可幫助讀者理解機(jī)理和拓寬視野；本書還融入了新型生產(chǎn)力（如數(shù)字化技術(shù)）在造船行業(yè)材料與焊接技術(shù)上應(yīng)用的內(nèi)容，為焊接熱力學(xué)數(shù)值研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
3）本書按照由理論到工程實(shí)踐的順序編排，內(nèi)容全面系統(tǒng)，實(shí)用性和針對(duì)性強(qiáng)，并提供了相關(guān)知識(shí)拓展內(nèi)容，方便讀者閱讀學(xué)習(xí)。
材料的各種性能有導(dǎo)熱的熱物理性能，導(dǎo)電的電物理性能，導(dǎo)磁的磁物理性能，反射和透射的光物理性能，耐腐蝕的化學(xué)性能以及強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能，壓電效應(yīng)的電力性能，熱脹冷縮的熱力性能等。作為水上結(jié)構(gòu)物的船舶和海洋結(jié)構(gòu)物，為抵御奔涌的風(fēng)浪和承受貨物的重力，力學(xué)性能為其首要性能。木質(zhì)船以“古者觀落葉因以為舟”“古人見窾木浮而知為舟”伊始，至15世紀(jì)著于《明史 鄭和傳》和《瀛涯勝覽》的“寶船”以“修44丈，廣18丈”而馳騁西洋。1879年第一艘鋼質(zhì)船問世，迄今船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)已有高強(qiáng)度鋼材和有色合金的綜合應(yīng)用。
材料力學(xué)性能不斷提高的背后是科學(xué)技術(shù)和理論的不斷發(fā)展。在傳統(tǒng)熱和熱力作用基礎(chǔ)上，現(xiàn)代電熱磁力優(yōu)化應(yīng)用使材料力學(xué)性能呈多樣化。在深厚的理論底蘊(yùn)中，把握影響材料力學(xué)性能及其熱穩(wěn)定性的理論主線，避免耗時(shí)的復(fù)雜理論，以滿足相關(guān)工程技術(shù)人員的懂材、識(shí)材和用材的需求，是本書的編寫目的和任務(wù)。因此，本書從工程結(jié)構(gòu)的視角，以材料加工工藝和焊接工藝、顯微組織狀態(tài)和力學(xué)性能三個(gè)內(nèi)容為主線，闡述了船舶工程材料要求的力學(xué)性能、材料力學(xué)性能的來源和影響因素、熔化焊對(duì)材料力學(xué)性能的影響，以及船舶工程材料的種類及其焊接性，分別對(duì)應(yīng)于第1、2～4、5和6章。第7章介紹了造船材料與焊接數(shù)字化技術(shù)。本書強(qiáng)化了材料力學(xué)性能的理論基礎(chǔ)，弱化了材料顯微組織狀態(tài)中顯微組織和焊接冶金的內(nèi)容。
本書在內(nèi)容組織上力求按照由理論到工程實(shí)踐、各工藝的并列結(jié)構(gòu)的邏輯順序，方便讀者深入淺出地理解；歸納和引用金屬顯微組織狀態(tài)與力學(xué)性能關(guān)系的前沿研究成果，如強(qiáng)韌性、斷裂韌度與合金化、第二相的關(guān)系等，突出船舶工程行業(yè)材料技術(shù)的力學(xué)性能特點(diǎn)；歸納了材料顯微組織中第二相的表面能、原子擴(kuò)散以及相變臨界速度等與力學(xué)性能相關(guān)的數(shù)據(jù)，為讀者掌握當(dāng)今材料和焊接學(xué)新近研究進(jìn)展和判斷材料性能發(fā)展的趨勢提供了參考；【知識(shí)拓展】環(huán)節(jié)展示了相關(guān)機(jī)理和相關(guān)行業(yè)背景，可幫助讀者理解機(jī)理和拓寬視野；本書還融入了新型生產(chǎn)力（如數(shù)字化技術(shù)）在造船行業(yè)材料與焊接技術(shù)上應(yīng)用的內(nèi)容，為焊接熱力學(xué)數(shù)值研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
本書由陳章蘭、熊云峰任主編，戴樂陽主審，其中第1、2章由熊云峰編寫，第3、4章由劉建閩編寫，第5章由張曉瑩編寫，第6章由陳章蘭編寫，第7章由邱海君、王軍偉編寫，附錄由陳章蘭編寫。廈門船舶重工股份有限公司的國家級(jí)焊接大師邱海君高級(jí)工程師不僅參與了第7章的編寫工作，還為全書的編寫提供了大量有價(jià)值的材料。書稿的整理得到了李宗民、劉濤兩位老師的大力支持和幫助，在此表示衷心感謝！
衷心希望本書能使讀者受益，成為焊接工程師和高等院校相關(guān)專業(yè)在校師生的良師益友。
由于作者水平有限，書中可能存在不妥之處，敬請讀者不吝賜教，予以糾正。
陳章蘭
陳章蘭，集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院教授。主要從事船體建造焊接熱過程數(shù)值仿真、焊接性數(shù)值仿真技術(shù)研究與教學(xué)工作。
前言
第1章材料和焊接接頭的力學(xué)性能1
1.1船舶工程材料和焊接接頭的力學(xué)性能要求1
1.1.1船舶工程結(jié)構(gòu)的載荷種類2
1.1.2力學(xué)性能要求2
1.2強(qiáng)度、塑性及其測量3
1.2.1單向拉伸試驗(yàn)與性能3
1.2.2Z向拉伸試驗(yàn)和Z向性能8
1.3硬度及其測量8
1.3.1布氏硬度8
1.3.2洛氏硬度9
1.3.3維氏硬度10
1.4沖擊性能及其測量11
1.4.1沖擊試驗(yàn)11
1.4.2沖擊性能12
1.5斷裂韌度及其測量13
1.5.1斷裂韌度14
1.5.2裂紋尖端張開位移16
1.6疲勞強(qiáng)度及其測量17
第2章金屬的顯微組織與力學(xué)性能19
2.1金屬晶格和晶格缺陷19
2.1.1晶格結(jié)構(gòu)20
2.1.2晶面和晶向指數(shù)22
2.1.3多晶體結(jié)構(gòu)23
【知識(shí)拓展】位錯(cuò)26
2.2合金的相結(jié)構(gòu)27
2.2.1固溶體27
2.2.2化合物29
2.2.3船舶工程用鋼的相結(jié)構(gòu)30
【知識(shí)拓展】晶界32
2.3金屬顯微組織狀態(tài)與力學(xué)性能的關(guān)系34
2.3.1顯微組織狀態(tài)與強(qiáng)度關(guān)系34
2.3.2顯微組織狀態(tài)與硬度關(guān)系40
2.3.3顯微組織狀態(tài)與韌性關(guān)系40
【知識(shí)拓展】顯微組織狀態(tài)的觀察與測量41
第3章船舶工程用鋼的合金化43
3.1結(jié)晶43
3.1.1結(jié)晶熱力學(xué)條件43
3.1.2結(jié)晶過程46
3.1.3純金屬鑄態(tài)顯微組織形態(tài)46
【知識(shí)拓展】細(xì)化顯微組織方法48
3.2合金相圖48
3.2.1相圖48
3.2.2連續(xù)冷卻對(duì)鑄態(tài)顯微組織與合金相圖的影響50
3.2.3典型合金相圖51
3.2.4相圖的意義53
3.3碳素鋼的相圖、顯微組織與力學(xué)性能54
3.3.1碳素鋼的鑄態(tài)相54
3.3.2Fe-Fe3C相圖55
3.3.3Fe-Fe3C凝固過程與顯微組織57
3.3.4船舶工程用鋼含碳量和碳素鋼的力學(xué)性能59
3.4船舶工程用鋼的合金元素60
3.4.1鋼的雜質(zhì)60
3.4.2鋼的合金元素64
3.4.3合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響64
3.4.4船舶工程用鋼的合金化及其力學(xué)性能65
第4章船舶工程用鋼的固態(tài)相變與塑性加工67
4.1固態(tài)相變67
4.1.1概述67
4.1.2相變熱力學(xué)68
4.1.3相變產(chǎn)物的顯微組織狀態(tài)與力學(xué)性能70
【知識(shí)拓展】可熱處理性與原子擴(kuò)散70
4.2加熱時(shí)鋼的相變73
4.2.1奧氏體的形成74
4.2.2加熱時(shí)的顯微組織狀態(tài)75
4.2.3奧氏體組織狀態(tài)的影響因素76
4.2.4奧氏體的力學(xué)性能77
【知識(shí)拓展】非均勻形核與顯微組織的形狀78
4.3冷卻時(shí)鋼的擴(kuò)散型相變79
4.3.1珠光體的形成79
4.3.2珠光體轉(zhuǎn)變的影響因素80
4.3.3擴(kuò)散型相變的顯微組織狀態(tài)81
4.3.4船舶工程用珠光體類型鋼83
4.4冷卻時(shí)鋼的切變型相變83
4.4.1馬氏體的形成84
4.4.2馬氏體轉(zhuǎn)變的影響因素與鋼的淬透性85
4.4.3切變型相變的顯微組織狀態(tài)87
4.4.4淬火組織的穩(wěn)定化與鋼的回火90
4.4.5船舶工程用淬火回火鋼93
【知識(shí)拓展】鋼的淬火配分工藝93
4.5冷卻時(shí)鋼的混合型相變95
4.5.1貝氏體的形成95
4.5.2貝氏體轉(zhuǎn)變的影響因素95
4.5.3混合型相變的顯微組織狀態(tài)96
4.5.4船舶與海洋工程用貝氏體鋼99
【知識(shí)拓展】過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變99
4.6鋼的加工硬化100
4.6.1單晶體的變形100
4.6.2多晶體的塑性變形與加工硬化103
4.6.3形變熱處理鋼的顯微組織狀態(tài)105
4.6.4船舶工程用形變熱處理鋼106
【知識(shí)拓展】船用高強(qiáng)度鋼的發(fā)展108
第5章船舶工程結(jié)構(gòu)熔化焊的工藝焊接性110
5.1熔化焊熱輸入111
5.1.1電弧中的帶電粒子111
5.1.2焊接電弧的產(chǎn)生過程112
5.1.3電弧的溫度113
5.1.4焊接熱輸入114
5.1.5焊接溫度場114
5.1.6焊接熱循環(huán)115
【知識(shí)拓展】造船連接技術(shù)的發(fā)展117
5.2焊接接頭的組織狀態(tài)117
5.2.1焊縫的顯微組織狀態(tài)117
5.2.2熱影響區(qū)的顯微組織狀態(tài)120
5.3焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)122
5.3.1應(yīng)力的產(chǎn)生123
5.3.2應(yīng)力的分布125
5.3.3焊接殘余應(yīng)力對(duì)力學(xué)性能的影響129
5.3.4焊接殘余應(yīng)力的消除130
5.4焊接接頭的工作應(yīng)力狀態(tài)130
5.4.1焊縫的成形131
5.4.2焊接接頭的工作應(yīng)力狀態(tài)132
5.4.3接頭應(yīng)力集中對(duì)裂紋的影響133
5.5焊接變形134
5.5.1焊接變形分類134
5.5.2船體分段焊接變形控制特點(diǎn)136
5.5.3控制焊接殘余變形的措施136
5.6熔化焊的工藝焊接性138
5.6.1焊條電弧焊138
5.6.2埋弧焊141
5.6.3CO2氣體保護(hù)焊142
5.6.4熔化極氬弧焊144
5.6.5鎢極氬弧焊145
5.6.6電弧-激光復(fù)合焊146
5.6.7電子束焊147
5.6.8熔化焊方法的焊縫成形與熱影響區(qū)寬度148
【知識(shí)拓展】熔化焊工藝149
第6章船舶工程材料力學(xué)性能與焊接性152
6.1船舶工程結(jié)構(gòu)用鋼的分類與焊接性152
6.1.1鋼的強(qiáng)度級(jí)及其選用153
6.1.2鋼的韌性級(jí)及其選用153
6.1.3鋼的焊接性概念155
【知識(shí)拓展】斷口類型157
6.2船體結(jié)構(gòu)用鋼及其焊接159
6.2.1一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼及其焊接性160
6.2.2高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼及其焊接性161
6.3焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼、特殊性能鋼及其焊接164
6.3.1材料的力學(xué)性能164
6.3.2焊接用高強(qiáng)度鋼的焊接性167
【知識(shí)拓展】高強(qiáng)度鋼脆性斷裂機(jī)制分析173
6.4低溫韌性鋼及其焊接性175
6.4.1低溫韌性鋼的力學(xué)性能176
6.4.2低溫韌性鋼的焊接性176
6.5不銹鋼及其焊接性178
6.5.1不銹鋼的力學(xué)性能178
6.5.2不銹鋼的焊接性179
6.6鋁合金及其焊接性180
6.6.1鋁合金的力學(xué)性能180
6.6.2鋁合金的焊接性181
第7章造船材料與焊接數(shù)字化技術(shù)183
7.1焊接熱力過程的數(shù)值計(jì)算183
7.1.1理論基礎(chǔ)1
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