第3章合金结构钢的焊接.

第3章合金结构钢的焊接_3.1合金结构钢的分类和性能_3.2热轧及正火钢的焊接_3.3低碳调质钢的焊接_3.4中碳调质钢的焊接_3.5珠光体耐热钢的焊接_3.6低温钢的焊接_1.铁碳相图δ-Feγ-Feα-Fe知识回顾：纯铁铁的同素异构转变1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Feγ-Fe铁素体碳在体心立方α-Fe中形成的间隙固溶体（简称Ｆ铁素体)；它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃)，室温时几乎为0，因此性能与纯铁接近，强度和硬度低，塑性和韧性高，并具有铁磁性。σb：180~280MPa、硬度~80HB，δ：30%~50%，αk：160~200J/㎝2碳在高温δ-Fe中形成的间隙固溶体(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。α铁素体δ铁素体奥氏体碳在面心立方γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，溶碳量较高，1148℃时为2.11％，727℃时为0.77％奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”。力学性能：σb=400MPa、δ=40%~50%、170~220HB渗碳体渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用Fe3C表示，其含碳量wc=6.69%，硬度高、脆性大，力学性能指标为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。珠光体珠光体P是共析铁素体F和渗碳体Fe3C的一种机械混合物，强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间铁素体渗碳体钢铁的“四把火”知识回顾：钢铁的“四把火”退火：加热到临界点以上或以下温度，保温一定时间，然后随炉冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺目的：使化学成分均匀，消除内应力和加工硬化，改善加工性能，并为淬火做准备。知识回顾：钢铁的“四把火”正火：加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类组织目的：改善切削加工性能，消除应力，均匀成分低碳钢和中碳钢知识回顾：钢铁的“四把火”淬火：加热到临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界淬火速度冷却，得到马氏体或贝氏体组织目的：使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火，获得各种所需的性能知识回顾：注意：钢在任何情形下都不能以单淬火状态使用，淬火残余应力会使钢材变形或剥裂钢铁的“四把火”回火：将淬火钢在A1以下温度加热保温，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温目的：消除淬火应力；提高组织稳定性；提高塑性和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配知识回顾：调质处理：淬火＋高温回火高温回火是指在500~650℃之间进行的回火。通过调质处理，可以使钢的组织和性能得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能3.1钢铁的分类碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，含有极少量的Si、Mn和微量的S、P等元素，其含碳量大于0.0218%而小于2.11%。按碳含量分：低碳钢，含碳量＜0.25％中碳钢，含碳量：0.25％~0.6%高碳钢，含碳量＞0.6％合金结构钢的分类合金钢：指在炼钢过程中有意识地加入一种或多种合金元素来改善钢材性能。常用合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B按合金元素总含量分：低合金钢，合金元素总含量＜5％中合金钢，合金元素总含量＝5％~10%高合金钢，合金元素总含量＞10％性能：强度高，韧性好，具有特殊的物理、化学性能，如耐热性和耐蚀性等应用：压力容器、石油化工、桥梁、船舶等机械零件和工程结构合金结构钢的分类按用途和性能分：强度用钢（高强钢）和低中合金特殊用钢1、强度用钢：强度：σs≥295MPa，高强钢应用：常规条件下要求能承受静载和动载的机械零件和工程结构主要性能是力学性能，合金元素的加入是为了保证足够的塑性和韧性的前提下，获得不同的强度等级，同时也可改善焊接性非调质钢合金结构钢调质钢热轧钢正火钢控轧钢σb≥600MPaσb＜600MPa低碳调质钢中碳调质钢热轧钢：把钢锭加热到1300℃左右，经热轧成板材，然后空冷后即成热轧钢。正火钢：钢板轧制和冷却后，再加热到900℃附近，然后空冷。调质钢：轧制冷却后再在900℃附近加热后放入淬火设备中水淬，然后在600℃左右回火处理。新发展钢种：微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）、焊接大热输入钢等。主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。表3-1国内外常见的合金结构钢的牌号类型类别屈服点/MPa国内外常用钢牌号高强度钢热轧及正火钢295～490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q390、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳调质钢490～98014MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳调质钢880～117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoA特殊用钢珠光体耐热钢265～64012CrMo、15CrMo、2.25Cr1Mo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、12Cr5Mo、12Cr9Mo1、12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB低温钢343～58509Mn2V、06AlCuNbN、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni低合金耐蚀钢-12MnCuCr、09MnCuPTi、09CuPCrNi、12AlMoV、12AlMo、15Al3MoWTi类型类别屈服点/MPa国内外常用钢牌号高强度钢热轧及正火钢295～490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q390、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳调质钢490～98014MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳调质钢880～117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoAQ295屈服强度295MPa1.Q屈服点18CrMoVA0.18%C2.数字+合金元素+A/B/C/D(碳含量的万分之几）优质A等级最低，D最高X60：管线钢WCF62：焊接无裂纹钢HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110：低碳调质钢高强钢1）热轧及正火钢σs=294~490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。应用：常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等高强钢2）低碳调质钢σs=490~980MPa，在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。特点：含碳量较低（＜0.22%），高强度，良好塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理。应用：大型工程机械、压力容器及舰船制造等。高强钢3）中碳调质钢σs=880~1176MPa以上，热处理强化钢特点：含碳量较高（0.25%~0.5%），淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性相对较低，焊接困难。一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所要求的强度和硬度。应用：强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。低合金特殊用钢应用：一些特定条件下工作的机械零件和工程结构要求：常规力学性能，必须适应特殊环境可分为：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢等低合金特殊用钢1）珠光体耐热钢元素：以Cr、Mo为基础，随工作温度提高，加入V、W、Nb、B等合金元素特点：具有较好的高温强度和高温抗氧化性应用：工作温度在500~600℃的高温设备，如热动力设备和化工设备等。低合金特殊用钢2）低温钢一些含Ni或无Ni的低合金钢，一般在正火或调质状态使用。应用：各种低温装置（-40~-196℃）和在严寒地区的一些工程结构，如液化石油气、天然气、液氮、液氢等生产储运设备。特点：与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。低合金特殊用钢3）低合金耐蚀钢要求：具有一般力学性能，必须具有耐腐蚀性能。应用：像大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的各种机械设备和焊接结构。所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同，耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。3.1.2合金结构钢的基本性能1）化学成分低碳钢：WC=0.10%~0.25%，WSi≤0.3%，WMn=0.5%合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu杂质元素：P、S含量限制在较低程度碳：最能提高强度的元素，但易于引起淬硬和焊接裂纹，所以在保证强度的前提下，碳的含量越少越好（C%≤0.22%，实际C%＜0.18%）3.1.2合金结构钢的基本性能Ⅰ、合金元素对组织转变的影响：①Ni组元素：以Ni元素为代表，Ni、Mn、Co、Cu、（C、N、H）奥氏体元素（在γ晶格中具有较大溶解度，扩大奥氏体区，形成并稳定奥氏体）②Cr组元素：以Cr元素为代表，Cr、Si、Al、Ti、V、Mo、W、B、(O、P、S）铁素体元素（在α-Fe中具有较大溶解度，缩小奥氏体区，形成并稳定铁素体）2）合金元素的影响3.1.2合金结构钢的基本性能1）细化晶粒2）在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。提高钢的淬硬倾向：C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素降低钢的淬硬倾向：Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素合金元素的作用：淬硬倾向：马氏体含量越多，硬度越高，淬硬倾向越大，淬硬性主要取决于马氏体中碳的过饱和度3.1.2合金结构钢的基本性能合金元素N的作用：氮（N）：在钢中的作用与碳相似，奥氏体元素1）当它溶解在铁中时，将扩大γ区。2）能与钢中其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆断能力。3）Al、Ti和V等合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物。因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。3.1.2合金结构钢的基本性能Ⅱ、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响：σs=122+274C+82Mn+55Si+54Cr+44Ni+78Cu+353V+755Ti+540P+[30-2(h-5)]σb=230+686C+78Mn+90Si+73Cr+33Ni+56Cu+314V+529Ti+450P+[21-1.4(h-5)]式中h为板厚（mm）3.1.2合金结构钢的基本性能Ⅲ、合金元素对塑性和韧性的影响：热轧及正火条件下，合金元素的强化效果越大，塑性和韧性的降低越多，当钢中合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性的大幅度下降。抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。3.1.2合金结构钢的基本性能Ⅳ、合金元素对淬透性的影响：淬透性：钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力。淬硬层（马氏体层）深度越大，则钢的淬透性越好。提高淬透性的元素：Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等凡是能够增加过冷奥氏体稳定性，或者说使Ｃ曲线位置右移，降低马氏体转变临界冷却速度，都能提高钢的淬透性3.1.2合金结构钢的基本性能各种合金元素的影响程度不仅取决于它的含量，还取决于同时存在的其他合金元素的性质和含量低碳调质钢的综合性能除了取决于化学成分外，