毕业论文低温钢及其焊接性研究2.2

江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）继续教育学院毕业论文（设计）论文题目：低温钢及其焊接性研究专业：焊接技术与工程姓名：陈爽学号：133111671042指导教师：王学明二零一五年五月江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）低温钢及其焊接性研究摘要低温钢是指适于在-20℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。GB150.3-2011附录E规定：“碳素钢和低合金钢制低温容器（设计温度低于-20℃）的设计。对于奥氏体型钢材制低温容器压力容器（设计温度低于-196℃）的设计，按相关规范标准处理”。随着石油和天然气工业、煤化工等现代工业的发展，新工艺、新设备不断出现，气体液化、分离、贮存及应用在各国已很普遍，这些低温技术和设备的开发促进了低温压力容器用钢的发展以及这些低温钢焊接性的研究。关键词:低温钢；焊接性；焊接工艺；低温韧性江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）目录0课题背景...................................................................................................错误!未定义书签。1低温钢的分类..........................................................................................错误!未定义书签。2影响材料低温脆性的因素...................................................................错误!未定义书签。2.1晶体结构的影响................................................12.2化学成分影响..................................................22.3显微组织结构..................................................32.4加工硬化的影响................................................32.5应力状态的影响................................................32.6加载速率的影响................................................33低温钢焊接工艺...........................................................................................................................43.1焊前准备......................................................43.2焊接过程......................................................53.3焊后热处理....................................................64低温钢的焊接方法......................................................................................................................753.5Ni钢的焊接试验.................................................................................................................75.1焊条电弧焊....................................................75.2埋弧自动焊....................................................85.3钨极氩弧焊....................................................85.4焊后热处理及冲击试验数据......................................9结论..................................................................................................................................................10致谢..................................................................................................................................................11参考文献.........................................................................................................................................12江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）10课题背景20世纪30年代以来,国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。分析表明,金属或合金在低于某个临界温度的条件下,韧性急剧降低、材质变脆。随着科学技术的发展,为了适应低温的要求,人们研制了各种低温钢。它的出现是对能源和现代化的一大贡献。1932年美国发明了在-46℃低温下使用的2.5％镍钢。之后，又发展了在-101℃低温下使片的3.5％镍钢，并纳入ASTM标准。此后德国、法国比利时和日本等国家也将3.5％镍钢分别纳入各自标准中。1944年美国国际镍公司研制出可使用-196℃的9％镍钢。经过长时期的研制和应用，逐渐形成了含有0.5％、2.5％、3.5％、5％、9％镍等完整镍钢系列。低温钢的出现.有力地推动了低温领域科等和技术的进步。国内低温钢的研究起步较早,从1958年起,就开始研究具有中国特色的铁锰铝钢。在60年代为了节省资源,立足本国,曾按照节镍铬的主导思想。研究出不少低温钢种,可分别工作于-70～-90℃及更低的温度。我国低温钢现行标准GB3531《低温压力容器用低合金钢板》。1低温钢的分类低温钢主要包括镍铬合金钢、碳锰硅钢。通常根据合金化原理、环境温度、组织及合金系统中的镍、铬元素含量将低温钢进行分类。按合金化原理分类有低温铝镇静钢、镍系低温钢、低温奥氏体不锈钢；按温度等级分类有-20℃~-40℃、-50℃~-80℃、-100℃~-110℃、-196℃~-269℃；按组织及合金系统的有低合金铁素体钢、中合金低碳马氏体钢、高合金奥氏体钢；按是否含镍元素又可以分为有镍低温钢和无镍低温钢。2影响材料低温脆性的因素2.1晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温脆性，而面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。屈服强度σs随温度的变化与材料本性有关。具有体心立方结构或密排六方结构的金属或合金的屈服强度σs对温度变化十分敏感，温度降低，σs急剧升高，江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）2故与抗拉强度σc相交于一点，该点对应的温度既为Tk。高于Tk时，σc﹥σs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；低于Tk时，外加应力首先达到σc，材料表现为脆性断裂。面心立方结构材料的σs′随温度的下降变化不大，故脆性断裂现象不明显。如图1图1σs、σc和σs′随温度变化示意图2.2化学成分影响钢的纯净度是影响韧性的关键因素，微量的磷、硫、砷、锡、铅、锑等元素及氮、氧、氢等气体的存在，对钢的韧性起有害作用。其中磷、硫最为常见，在钢材相应的标准中基本都规定了磷、硫的最大含量。磷、硫可以显著的降低钢材的低温韧性，倘若母材和焊接材料中磷、硫含量很低的话，不管拘束条件如何苛刻，都不至于产生裂纹。碳对低温韧性影响影响明显，随着碳含量增加，钢的韧脆转变温度急剧上升。因此，低温钢的碳含量多限制在0.2％以下。国外有一种发展低碳（小于0.15％）或微碳（小于0.06％）的趋势。锰是扩大奥氏体区的元素，在钢种加入锰元素可明显改善脆性。降低碳含量，提高锰碳比（Mn/C），钢的韧脆转变温度降低。已经研制出了多种高锰无镍奥氏体不锈钢，来节约镍元素。镍提高钢材低温韧性的作用优于锰。钢中含镍量（质量分数）每增加1%,韧脆转变温度约降低10%。含镍3.5%的钢在-100℃仍保持良好的韧性，含镍9%的钢可以耐-196℃低温。综合说能扩大奥氏体相区的元素都能提高钢的低温韧性，而与碳亲和力强的江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）3元素能形成碳化物，起到细化晶粒的作用也能提高钢的低温韧性。（Ti、Zr、Nb、V、Mo、Cr、Mn、Fe等称为碳化物元素，Ni、Mm、Co、C、N、Cu为扩大奥氏体相区的元素）2.3显微组织结构1、晶粒的大小。细化晶粒可以使材料韧性增加。韧脆转变温度与铁素体晶粒直径d½成线性关系，晶粒直径d½越小，韧脆转变温度越低。这是因为晶界存在杂质和脆性相，往往成为裂纹源。细化晶粒，一方面使单位面积上的脆性相相对减少，表面能提高，裂纹形核和扩展的概率就降低，从而提高了钢的抵抗低温脆断的能力；另一面细化晶粒钢的性能比较均匀，降低了韧脆转变温度。2、热处理和晶相组织。在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度以调质组织最佳，正火次之，热轧和退火状态最差。此外球化处理能改善钢的韧性。钢的退火组织比正火组织大，其低温韧性远不如经正火或调质组织，所以低温压力容器用钢都不进行退火处理。需焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，在任何情况下，焊后热处理温度都不应超过钢材的回火温度。2.4加工硬化的影响加工硬化降低了钢材的韧性，同时使韧脆转变温度提高，这种影响随钢材类型的不同及加工硬化量的大小而变。冷压封头的韧脆转变温度高于热压封头，且冲击韧性数值也有所减小。容器制作过程中的冷弯、冷压、焊接变形等都会导致脆化，这也就是为什么GB150和HG/20584都规定了最小变形量或最小伸长量，故受压元件超出这个变形量就要进行恢复性能热处理。2.5应力状态的影响容器结构设计不合理应力集中明显，容易产生低应力脆断；容器母材中存在裂纹或缺口时，容易产生低应力脆断；缺口越尖锐，预制裂纹尺寸越大，也容易产生低应力脆断。当焊接接头中有裂纹存在，又具有残余应力时，低应力脆断就更为明显。2.6加载速率的影响提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。加载速江苏科技大学继续教育学院毕业论文（设计）4率对钢脆性的影响与钢的强度水平有关。一般中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆转变温度则对加载速率的敏感性较小。3低温钢焊接工艺由于铬镍奥氏体不锈钢在-196℃仍然有很好的低温韧性。这里就不做过多的讨论，本文主要讨论的是非奥氏体不锈钢的焊接性。焊接工艺方面的影响因素一般包括焊前准备、焊接过程、焊后热处理等几个方面。3.1焊前准备焊前准备中主要以坡口设计为主，其中最常见的坡口有V型、X型、I型，局部还有U型。坡口的大小反映了熔敷金属填充量的大小，改变坡口的角度也就改变了焊道的数目。以3.5%Ni钢V型坡口为例，说明坡口角度对焊缝低温冲击韧性的影响如表1。由表1可以看出随着坡口的角度增大，焊缝低温冲击韧性随之增大，直到坡口角度为90°时达到最大，以后坡口再增大，焊缝金属的低温冲击韧性减小。但是NB/T47014中除了等离子焊其余焊接方法将坡口放在次要因素里，从上表可以看出坡口改变他的平均冲击吸收功改变幅度不大，还有GB150、HG/T2058