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焊接冶金学课程设计17CrMn2SiVBN的焊接性分析 学 院：机械工程学院 专业班级：材料成型及控制工程专业08级焊接班学 生：明彬 学 号：0810141226 指导老师：卜志翔博士 王志伟博士 焊接冶金学课程设计目的：通过对指定材料（母材）的焊接性分析，选择合适的焊接材料，分析焊缝化学成分和HAZ组织要求：1、掌握焊接性理论分析方法2、掌握SHCCT图的分析方法3、初步分析材料的焊接工艺特点内容：1、 查阅材料的成分、力学性能及其SHCCT2、 对母材进行焊接性分析3、 选用焊接材料，以熔合比为0.3计算焊缝的化学成分4、 根据SHCCT图分析HAZ的组织5、 初步探讨材料的焊接工艺的特点17CrMn2SiVBN的焊接性分析1.17CrMn2SiVBN的化学成分17CrMn2SiVBN是低合金结构钢的一种，低合金结构钢要求钢中碳的质量分数不大于0.22%（实际上Wc0.18%）。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，具体的化学成分如下表。表1成分编制钢号C（%）Si（%）Mn（%）S（%）P（%）Cr（%）Ni（%）Mo（%）Cu（%）Al（%）V（%）其他（%）17GrMn2SiVBN0.170.61.510.0250.0180.650.0030.17N20.023合金元素的作用：17CrMn2SiVB是在低碳钢基础上添加一定量的合金元素构成的。碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂纹，所以在保证强度的条件下，碳的加入量越少越好。元素对合金结构钢下临界点温度A1（）的综合影响可用下述公式表示，即A1=720+28Wsi+5Wcr+6Wco+3WTi-5WMn-10WNi-3WV (2-1)此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低。低合金调质高强钢由于含碳量低，所以淬火后得到低碳马氏体，而且发生“自回火”现象，脆性小，具有良好的焊接性。2.17CrMn2SiVBN的力学性能17CrMn2SiVBN具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性，特别是裂纹敏感度低，工程结构制造中有广阔的应用前景，它的具体力学性能见下表：机械强度（N/mm2）临界温度（）临界冷却温度（）bsAtA常MsCzCfCpCe783389800900420-测定条件：Tm=1330 1350 原始状态：正火合金元素对低合金钢屈服强度s（MPa）和拉抗强度b（MPa）的综合影响，可按下列经验公式计算，即s =122+274WC+82WMn+55WSi+54WCr+44WNi+78WCu+353WV+755WTi+540WP+30-2(h-5) (3-1)b =230+686 WC +78 WMn +90 WSi +73 WCr +33 WNi +56 WCu +314 WV +529 WTi +450 WP +21-1.4(h-5) (3-2)式中h为板厚。17GrMn2SiVBN中碳的质量分数在0.18%以下，且含有较高的Ni和Cr，具有高强度，特别是具有优异的低温缺口韧性。3根据SHCCT图分析HAZ的组织图1 图中纵坐标以正常刻度表示温度，横坐标以对数刻度表示时间，A表示奥氏体组织区域，F表示铁树体组织转变区域，P表示珠光体组织转变区域，Zw表示中间组织转变区域，M表示马氏体组织转变区域，图中f-g为奥氏体开始析出铁素体的区域，z-f-g为从奥氏体析出中间组织的区域，其中f-g为铁素体析出结束曲线，z-h是中间组织转变结束曲线，最下面一条为马氏体转变结束曲线。图中的CZ、Cf、Cp、Ce分别表示从A3温度冷却到500开始出现的中间组织（即各种贝氏体类组织）、铁素体、珠光体，以及记得到铁素体和珠光体的临界冷却时间（s）。CZ、Cf、Cp、Ce分别是由通过z、f、p、e点的临界冷却曲线与500等温线的交点CZ、Cf、Cp、Ce向时间坐标轴投影得到的时间值。这些特征值对分析焊接热影响区的组织很有意义，只要知道在实际焊接过程中热影响区所要研究部位的金属从800冷却到500的时间t8/5，对照临界冷却时间，就可以判断热影响区的显微组织。图2最想得到的组织：马氏体+中间组织，即低碳马氏体+下贝氏体，可以获得较高的屈服强度，而且还有良好的塑性，韧性，耐磨性，对焊接有利。4.17CrMn2SiVBN的焊接性及分析 1.焊接性分析（1） 焊缝强韧性匹配保证接头区的强度性能是17CrMn2SiVBN是焊接性分析中首先要考虑的问题。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（s/b）,是一个选择材料的重要参数，低的屈强比有利于加工成形，高的屈强比使钢材的强度潜力得以较大的发挥。 焊缝强度匹配系数S=（b）w/（b）b，是表征接头力学非均质性的参数之一，（b）w为焊缝强度，（b）b为母材强度。当（b）w/（b）1时，称为“超强匹配”；（b）w/（b）b=1时，称为“等强匹配”；（b）w/（b）b1时，称为“低强匹配”。 17GrMn2SiVBN的屈服强度s为389Mpa，强度较低，无论是母材或焊缝都有较高的韧性储备，所以按等强匹配选用焊接材料，既可保证接头区具有较高的强度，也不会损害焊缝的韧性。（2） 冷裂纹17CrMn2SiVBN是在低碳基础上加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳“自回火”马氏体和部分下贝氏体的混合组织。由于它淬硬性大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。但热影响区的淬硬组织为Ms点较高的低碳马氏体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。 17CrMn2SiVBN钢的开始转变温度Ms点较高，在该温度下冷却较慢，生成的马氏体来得及进行一个“自回火”处理，因而实际冷却冷裂纹倾向并不大，在此条件下，即保证马氏体转变的冷却速度较慢，得到强度和韧性比较高的回火马氏体和回火贝氏体，焊接冷裂纹可以避免；反之则增大其倾向。此外，限制焊接含氢量在超低水平对于防止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。（3） 热裂纹及消除应力裂纹 17CrMn2SiVBN钢中含碳量较低、Mn含量高，而且S、P控制比较严格，因此热裂纹倾向较小。但是因为汗Ni量比较高的钢种有一定的热裂纹敏感性，主要产生于热影响区和过热区（称为液化裂纹）。避免热裂纹关键在于控制C和S的含量，保证高的Mn、S比，和采用较小的热输入的焊接方法并注意控制熔池形状、减小熔池凹度等。 V对消除应力裂纹的影响最大，Mo次之，而当V和Mo同时加入就更为敏感。（4） 热影响区性能变化17CrMn2SiVBN钢的热影响区是组织性能不均匀的部位导致力学性能不均匀，接头区强韧性下降，同时存在脆化和软化现象，受焊接热循环影响热影响区可能存在强化效果的损失现象（称为软化或失强）。 焊接热影响区主要组织类型有：马氏体（ML、M）、贝氏体（BL、Bg、Bu）、铁素体(F)和珠光体（P)。热影响区脆化M-A组元一般只在一定的冷却速度时形成，它的存在导致脆化，组元数量越多脆化越严重，调整工艺参数可以控制热影响区M-A组元的产生。控制焊接热输入和采用多层多道焊接工艺，使17CrMn2SiVBN热影响区避免出现高硬度的马氏体或M-A混合组织，可改善抗脆能力，对提高热影响区韧性有利。（5） 碳当量计算 由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向于钢种的化学成分有密切的关系，因此可以用化学成分间接地评估钢材的冷裂纹的敏感性。把钢种的合金元素的含量相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹倾向的参数指标，即所谓碳当量（CE或Ceq）。 17CrMn2SiVBN 碳当量的计算可以通过日本工业标准（JIS）的碳当量公式： Ceq(JIS)=C +Mn /6+Ni /40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)来求解出Ceq(JIS)0.5416，由下表可知所以焊前需要预热150度。2. 焊接材料选用及焊缝化学成分计算 17CrMn2SiVBN屈服强度s为389Mpa980Mpa,抗拉强度为783Mpa540Mpa,选择E7518M型号焊条，焊接方法选择气体保护焊，保护气体选择Ar+2%CO2混合气体。 计算，在熔合比为0.3的情况下，焊缝的化学成分。熔合比是指熔焊时，被融化的母材在焊道金属中所占的百分比，根据表1可计算化学成分。 Wc=0.17%*0.3=0.051% WSi=0.6%*0.3=0.018% WMn=1.51%*.0.3=0.453% Ws=0.025%*0.3=0.0075% Wp=0.018%*0.3=0.0072% WGr=0.65%*0.3=0.0195% Wv=0.17%*0.3=0.051% WN2=0.023%*0.3=0.0069% WB=0.003%*0.3=0.0009%3.焊接工艺特点1.焊接热输入的确定 焊接热输入增大是热影响区晶粒粗化，同时也促使形成上贝氏，甚至形成M-A组元，使韧性降低。当热输入过小时，热影响区的淬硬性明显增强，也使韧性下降。 焊接热输入E的确定以抗裂性和对热影响区韧性要求为依据。从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但对防止脆化来说却要求冷却快较好，因此应兼顾两者冷却速度范围。这个范围的上限取决于不产生冷裂纹，下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。因此，所选的焊接热输入应保证热影响区的冷却速度刚好在该区域内。2. 17CrMn2SiVBN焊接要解决的问题：一是防止裂纹；二时在保证满足高强度要求的同时提高焊缝金属及热影响区的韧性。为了消除裂纹和提高焊接效率，一般采用熔化极基体保护焊（MIG）或活性气体保护焊（MAG）等自动化或半自动机械化焊接方法。3.17CrMn2SiVBN的碳含量低于0.18%，不会出现高碳马氏体，因此可以提高冷却速度（减小热输入）以形成低碳马氏体，保证韧性。为了限制过大的焊接热输入，17CrMn2SiVBN不宜采