材料焊接性合金结构钢PPT学习教案

1、会计学1 材料焊接性合金结构钢材料焊接性合金结构钢PPT课件课件 合金结构合金结构 钢的分类钢的分类 化学化学 成分成分 合金合金 系统系统 组织组织 状态状态 用途或使用途或使 性能等性能等 第1页/共72页 按合金元素按合金元素 总含量的多总含量的多 少分有少分有 低合合钢低合合钢 一般一般w (Me)w (Me)5 5； 中合金钢中合金钢 w (Me)=5w (Me)=51010 高合金钢高合金钢 w (Me)w (Me)1010。 第2页/共72页 第3页/共72页 表表3-3-1 1 国内外常见的合金结构钢国内外常见的合金结构钢 第4页/共72页 基基 本本 性性 能能 化学成分化学

2、成分 力学性能力学性能 显微组织显微组织 第5页/共72页 1.2 合金结构钢的基本性质 1. 化学成分： 低合金结构钢是在低碳钢基础上（低碳钢的化学成分为： wC=0.10%0.25%，wSi0.3%，wMn=0.5%0.8%）添加一定量 的合金元素构成的。低合金钢加入的元素有Mn、Si、Cr、Ni 、Mo、V、Nb、B、Cu等，杂质元素P、S的含量要限制在较 低的程度。 C C： 控制钢材强度、硬度的重要元素，每1C可增加抗拉强度约980MPa。 SiSi：也是增大强度、硬度的元素，每1Si可增加抗拉强度约98MPa。 MnMn：增加淬透性，提高韧性，降低 S 的危害等。 AlAl：细化钢

3、材组织，控制冷轧钢板退火织构。 NbNb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。 V V： 细化钢材组织，增加强度、韧性等。 CrCr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。 第6页/共72页 用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一 般般10%。各种元素对合金结构钢下临界点温度的综合影响。各种元素对合金结构钢下临界点温度的综合影响 可用下述公式表示：可用下述公式表示： A1 = 720 + 28wSi + 5wCr + 6wCo + 3wTi 5wMn 10wNi 3wV ， （3-1） 由上述公式可见：由上述公式可见：Si、Cr、Co和和Ti等元素能提高

4、下临界等元素能提高下临界 点点A1的温度（缩小的温度（缩小区），而区），而Mn、Ni和和V则降低则降低A1点温度（点温度（ 扩大扩大区）。区）。 1.化学成分：化学成分： 以以Ni元素为代表（元素为代表（Ni组元素，扩大组元素，扩大区）：区）：Ni、Mn、Co 以以Cr元素为代表（元素为代表（Cr组元素，缩小组元素，缩小区）：区）：Cr、Si、P、 Al、Ti、V、Mo、W。 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它合金元素的性质和含量。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它合金元素的性质和含量。 第7页/共72页 加入合金元素能加入合金元素能细化晶粒

5、细化晶粒，而且各种合金元素在不同程度上改变，而且各种合金元素在不同程度上改变 了钢的了钢的奥氏体转变动力学奥氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。如，直接影响钢的淬硬倾向。如C、Mn、Cr、 Mo、V、W、Ni和和Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb、Ta等碳等碳 化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。（图化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。（图3-1） 各元素对钢的性能的影响各元素对钢的性能的影响 合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按下列合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按下列 经验公式进行计算：经验公式进行计算： s = 122 +

6、274wC + 82wMn + 55wSi + 54wCr + 44wNi + 78wCu + 353wV + 755wTi + 540wP + 30-2(h-5), MPa b = 230 + 686wC + 78wMn + 90wSi + 73wCr + 33wNi + 56wCu + 314wV + 529wTi + 450wP + 21-1.4(h-5), MPa 式中式中 h为板厚（为板厚（mm）。）。 第8页/共72页 图图3-1 3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响 第9页/共72页 N 元素对钢的性能的影响元素对钢

7、的性能的影响 氮氮在钢中的作用与碳相似，当它溶解在铁中时，将在钢中的作用与碳相似，当它溶解在铁中时，将 扩大扩大区。氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物区。氮能与钢中的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，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。提高钢的屈服点和抗脆断能力。 氮氮的影响既决定于其含量，也决定于在钢中存在的其的影响既决定于其含量，也决定于在钢中存在的其 他合金元素的种类和数量。他合金元素的种类和数量。Al、Ti和和V等合金元素对氮具等合金元素对氮具 有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物。因此，为有较

8、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和和Ti等氮化物形成元素。等氮化物形成元素。 第10页/共72页 合金元素的作用合金元素的作用 合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除Ti 、Nb和Ta外），都产生了延迟奥氏体分解的作用并由此 提高了钢的淬硬倾向。各种元素对钢的力学性能和工艺 性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其他合金元 素。 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

9、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。 第11页/共72页 强度(strength)：在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂 的能力 。 屈强比：屈服强度与抗拉强度之比（s /b） 说明： 钢材的强度越高，屈强比增大，屈服强度与抗拉强度之 差越小。 不同温度下，钢材的强度不同。（图3-2） 低碳钢的屈强比约为0.7左右，控轧钢板的屈强比约为 0.700.85，800MPa级高强钢的屈强比约为0.95。 2. 力学性能力学性能强度强度 第12页/共72页 第13页/共72页

10、 图图3-2 3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（低合金高强钢的低温拉伸性能（a,ba,b） 第14页/共72页 说明： 试验（GB/T 229-2007）：取10mm10mm 55mm的长方形试样，在试样中央开深度2mm的 V形缺口，尖端半径为0.25mm。将摆锤置于一定的 高度释放，冲断试件，然后刹车，读出试件冲断时 消耗的功。 不同温度，Ak值不同。 2. 力学性能力学性能韧性韧性 韧性（toughness）：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸 收能量的能力。 冲击韧性(impact toughness)：材料冲击载荷作用下的断裂 时的冲击吸收功Ak ， Ak 与试样缺口底部处横截面积之

11、比为冲击韧度。 第15页/共72页 合金结构钢具有较高的强度和良好的塑性和韧性，采用不 同的合金成分和热处理工艺，可以获得具有不同综合性能的低 中合金结构钢。 1. Mn的固溶强化作用很显著，wMn1.7%时可提高韧性、降低脆性转 变温度 2. Si虽然显著固溶强化但降低塑性、韧性，一般wSi0.6%； 3. Ni是惟一既固溶强化又同时提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的 元素， 常用于低温钢。 4. V、Ti、Nb强烈形成碳化物，Al、V、Ti、Nb形成氮化物，析出的 微小VC、TiC、NbC及及AlN、VN、TiN、Nb（C、N）产生明显的沉淀强 化作用，在固溶强化的基础上屈服强度提高501

12、00MPa，并保持了韧性。 （微量加入） 5.微合金化元素还有B，主要作用是在晶界上阻止先共析铁素体生成及 长大，从而改善韧性。 第16页/共72页 低合低合 金钢金钢 热影热影 响区响区 中的中的 显微显微 组织组织 低碳马氏体低碳马氏体 贝氏体贝氏体 M-AM-A组元组元 珠光体类珠光体类 导致具有不同导致具有不同 的硬度、强度的硬度、强度 性能、塑性和性能、塑性和 韧性韧性 第17页/共72页 3. 显微组织显微组织 低合金钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、低合金钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、 贝氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织，导致具有不同的硬度组元和珠光体类组织

13、，导致具有不同的硬度 、强度性能、塑性和韧性。几种典型组织（特别是贝氏体、强度性能、塑性和韧性。几种典型组织（特别是贝氏体 组织）对低合金钢强度和韧性的影响如图组织）对低合金钢强度和韧性的影响如图3-3所示。所示。 低合金结构钢为了获得满意的强度和韧性的组合，晶低合金结构钢为了获得满意的强度和韧性的组合，晶 粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。经粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。经调质处理调质处理后后 的钢材具有较高的强度、韧性和良好焊接性，裂纹敏感性的钢材具有较高的强度、韧性和良好焊接性，裂纹敏感性 小，热影响区组织性能稳定。小，热影响区组织性能稳定。 第18页/共72页 图图3-33

14、-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响 第19页/共72页 表表3-3-2 2 常见金相组织及不同混合组织的硬度常见金相组织及不同混合组织的硬度 第20页/共72页 热热 轧轧 及及 正正 火火 钢钢 屈服强度为屈服强度为294294490M490MP Pa a 的低合金高强钢的低合金高强钢 一般是在热轧或正火状态一般是在热轧或正火状态 下供货使用下供货使用 属于非热处理强化钢属于非热处理强化钢 第21页/共72页 表表3-3 3-3 热轧及正火钢的化学成分热轧及正火钢的化学成分 注：括号中的成分选择加入。注：括号中的成

15、分选择加入。 第22页/共72页 表表3-4 3-4 热轧及正火钢的力学性能热轧及正火钢的力学性能 第23页/共72页 热热 轧轧 钢钢 屈服强度为屈服强度为295-390M295-390MP Pa a的的 普通低合金钢都属于热轧钢普通低合金钢都属于热轧钢 这类钢的这类钢的基本成分为：基本成分为： w wC0.2%C0.2%，w wSi0.55Si0.55%， wMn 1.5% 热轧钢通常为铝镇静热轧钢通常为铝镇静(Al脱氧脱氧)的细晶的细晶 粒铁素体珠光体组织的钢粒铁素体珠光体组织的钢 一般在热轧状态下使用一般在热轧状态下使用 Q345Q345（16Mn16Mn）是我国于）是我国于2020

16、世纪世纪5050年代研制和生产应年代研制和生产应 用最广泛的热轧钢用最广泛的热轧钢 第24页/共72页 正正 火火 钢钢 正火状态下使用的钢：主要正火状态下使用的钢：主要 是含是含V V、NbNb、TiTi的钢，如的钢，如 Q390Q390、Q345Q345等，主要特点是等，主要特点是 屈强比（屈强比（s s/ /b b）较高）较高 正正火回火状态使用的火回火状态使用的 含含MoMo钢：如钢：如14MnMoV14MnMoV、 1818MnMoNbMnMoNb等等 抗层状撕裂的抗层状撕裂的Z向钢，向钢， 屈服强度屈服强度s343MPa 第25页/共72页 类别类别热轧钢热轧钢正火钢正火钢 s/

17、MPa294392 390 成分成分 wC0.2%，wSi0.55%， wMn 1.5%。 在Q345的基础上加入V，Nb，Ti 、 Mo等元素（沉淀强化） 组织组织/状态状态 热轧态（非热处理强化钢） 一般为铝镇静的细晶粒FP 正火（含V，Nb，Ti） 正火+回火（含Mo） 强化机理强化机理 Mn、Si合金固溶强化； V、Nb 、 Ti ( 形成碳化物和氮 化物 ) 细晶强化，沉淀强化。 在固溶强化的基础上，加入促C、N 化合物形成元素（如V、Nb、Ti和 Mo等），通过沉淀强化和细化晶粒 进一步提高钢材的强度和保证韧性。 典型钢种典型钢种Q345(16Mn) Q390，Q345 （s/b

18、高） 14MnMoV、18MnMoNb（中温性能 好），Z向钢（抗撕裂） 第26页/共72页 微微 合合 金金 控控 轧轧 钢钢 加入质量分数为加入质量分数为0.1%0.1%左右左右 对钢的组织性能有显著或对钢的组织性能有显著或 特殊影响的微量合金元素特殊影响的微量合金元素 的钢，称为微合金钢的钢，称为微合金钢 多种微合金元素（如多种微合金元素（如Nb、 Ti、Mo、V、B、RE）的共）的共 同作用称为多元微合金化同作用称为多元微合金化 单一微合金元素的质量分数单一微合金元素的质量分数 通常在通常在0.25%0.25%以下。以下。 第27页/共72页 u 微合金控轧钢是热轧及正火钢中的一个分支

19、，是近年来发展起来的一 类新钢种。 u采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制轧制等技术达到细化晶 粒和沉淀强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹 杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶 铁素体基体。 u微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在低碳的C-Mn钢基础上 通过V、Nb、Ti微合金化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，获得细化 晶粒和综合力学性能良好的微合金钢。 u控轧钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。 第28页/共72页 低合金钢低合金钢 的焊接性的焊接性 化学化学 成分成分 轧制轧制 工艺工艺 第29页/共72页 冷裂冷裂 纹及纹及

20、影响影响 因素因素 碳当量碳当量 （C Ceqeq） 淬硬淬硬 倾向倾向 热影响区热影响区 最高硬度最高硬度 热轧钢的热轧钢的 淬硬倾向淬硬倾向 正火钢的正火钢的 淬硬倾向淬硬倾向 第30页/共72页 类别类别热轧钢热轧钢正火钢正火钢微合金控扎钢微合金控扎钢 焊接焊接 性特性特 点点 合金元素少， Ceq小， 冷裂倾向小 合金元素较多，淬硬 倾向增加。 级别及Ceq低时，冷 裂纹倾向不大； 随Ceq及增加，淬硬 性及冷裂倾向增加 Wc%小 Ceq低 冷裂倾向小 低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和组织状态。随着钢 材强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接性也随之发生变化。 第31页/共7

21、2页 （1）碳当量（）碳当量（Ceq） 淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。可以通过 碳当量公式来大致估算不同钢种的冷裂敏感性。通常碳当量越高，冷裂敏 感性越大。 5156 VMoCrNiCuMn CCeq ， (IIW公式：wt%) p Ceq0.4%时，淬硬倾向不明显，焊件一般不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。 p Ceq=0.4%0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊性较差。焊前预热，焊后缓冷， p Ceq0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接区易产生冷裂，焊接性不好。焊前须较高温度预热到，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要

22、进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。 2.1 冷裂及影响因素冷裂及影响因素 第32页/共72页 (2) 淬硬倾向：淬硬倾向： 焊接热影响区产生淬硬的M或M+B+F混合组织时，对氢致裂纹敏感； 而产生B或B+F组织时，对氢致裂纹不敏感。 淬硬倾向可以通过HAZ的SHCCT或母材的CCT图来进行分析（图3-4）。 结论：Q345与低碳钢比较： 2.1 冷裂及影响因素冷裂及影响因素 类别类别热轧钢热轧钢正火钢正火钢 特点特点快冷时，淬硬倾向大 合金元素含量、强度级别越大，淬 硬倾向大 原因原因 V冷大时，HAZ的组织：少 量F+B+大量M。（低碳钢： 大量F+少量B+M。 ） V冷小时，和低碳钢

23、类似 Me%越大，冷却组织中B+M多，淬 硬倾向大 第33页/共72页 16Mn 的的SHCCT图图 当冷却速度VVc时，F析出后剩下的富碳A来不及转变为P，直接转变为高碳B和M，硬度增加，淬硬倾向增加。 少量F+大量B+大量M 第34页/共72页 低碳钢低碳钢SHCCT图图 大量F+少量P+部分B 第35页/共72页 （3）热影响区最高硬度）热影响区最高硬度 HAZ最高硬度允许值就是刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。即若实际HAZ的硬度高于HAZ最高硬度允许值，那么这个接头有可能产生冷裂纹；若在最高硬度允许值内，一般认为此接头不会产生冷裂。 HAZ最高硬度值与材料的强度、成分、工艺都有关。 2.

24、1 冷裂及影响因素冷裂及影响因素 1.Ceq越高，热影响区最高硬度越大，HAZ淬硬倾向越大，图3-7 2.冷却速度越大，热影响区最高硬度越大，HAZ淬硬倾向越大 ，图3-8，3-9 第36页/共72页 5156 VMoCrNiCuMn CCeq (%) 第37页/共72页 体或体或M+B+FM+B+F 混合组织时混合组织时 而产生而产生B B或或 B+FB+F组织时组织时 焊焊 接接 热热 影影 响响 区区 对氢致对氢致 裂纹敏感裂纹敏感 对氢致裂对氢致裂 纹不敏感纹不敏感 第38页/共72页 第39页/共72页 图图3-4 3-4 热轧钢（热轧钢（Q345Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织

25、转变图（）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHSHCCT） a a) Q345 ) Q345 T Tm 1350m 1350 b b) ) 低碳钢低碳钢 T Tm 1300)m 1300) 第40页/共72页 第41页/共72页 图图3-5 3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCTSHCCT） 第42页/共72页 图图3-6 3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关系热影响区最高硬度与裂纹率的关系 第43页/共72页 图图3-7 3-7 热影响区最高硬度与碳当量的关系热影响区最高硬度与碳当量的关系 Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+

26、(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40) ) 第44页/共72页 图图3-8 3-8 热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 第45页/共72页 图图3-9 3-9 冷却时间冷却时间t t8/58/5对热影响区最高硬度的影响对热影响区最高硬度的影响 （钢材成分：（钢材成分：w wC 0.12%, C 0.

27、12%, w wMn 1.40%, Mn 1.40%, w wSi 0.48%, Si 0.48%, w wCu 0.15%, Cu 0.15%, 板厚板厚h h=20mm=20mm） 第46页/共72页 裂裂 纹纹 再热裂纹再热裂纹 焊缝热裂纹焊缝热裂纹 第47页/共72页 图图3-10 3-10 再热裂纹敏感性与再热裂纹敏感性与CrCr、MoMo含量的关系含量的关系A ASRSR裂纹裂纹 敏感区敏感区 B B随随CrCr、MoMo含量增加，含量增加，SRSR裂纹增加裂纹增加 第48页/共72页 焊缝焊缝 韧性韧性 针状铁素体针状铁素体 (AF)(AF) 先共析铁素体先共析铁素体 (PF)组

28、织组织 所占的比例所占的比例 第49页/共72页 图图3-11 3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a a) AF) AF对对v vT Trsrs的影响的影响 b b) PF) PF对对v vT Trsrs的影响的影响 第50页/共72页 图图3-12 3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系高强钢焊缝韧性与强度的关系 第51页/共72页 表表3-5 Mn-Si3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系系焊缝组织与韧性的关系 显见，中等程度的显见，中等程度的MnMn、SiSi含量，例如含量，例如w wMn=0.8%Mn=0.8% -1.0%-1.0%，

29、w wSi=0.15%-0.25%Si=0.15%-0.25%，Mn/SiMn/Si比约比约4-74-7的情的情 况下，可得到针状铁素体况下，可得到针状铁素体+ +细晶粒铁素体的混合细晶粒铁素体的混合 组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。 第52页/共72页 脆脆 化化 粗晶区脆化粗晶区脆化 热应变脆化热应变脆化 第53页/共72页 图图3-14 3-14 S S、P P对热影响区韧性的影响对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊（低合金钢三丝埋弧焊） 第54页/共72页 图图3-15 3-15 N N对热影响区韧性的影响对热影响区韧性的影响（Mn-Si

30、Mn-Si系低合金钢系低合金钢 ） 第55页/共72页 图图3-16 3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式产生层状撕裂的一些典型接头形式 a a) ) 角接角接T T形接头形接头 b b) ) 对接对接T T形接头形接头 c c) ) 对接角接头对接角接头 第56页/共72页 坡口坡口 加工加工 装配装配 及定及定 位焊位焊 坡口加工可采用机械加工，其坡口加工可采用机械加工，其 加工精度较高，也可采用火焰加工精度较高，也可采用火焰 切割或碳弧气刨。切割或碳弧气刨。 焊接件的装配间隙不应过焊接件的装配间隙不应过 大，尽量避免强力装配，大，尽量避免强力装配， 减小焊接应力。减小焊接应力。 定位焊应选用同类型的焊接定位焊应选用同类型的焊