结构钢的焊接性.ppt
《结构钢的焊接性.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《结构钢的焊接性.ppt(51页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第一节 合金结构钢的分类和性能,第二节 热轧及正火钢的焊接,第三章 合金结构钢的焊接,第三节 低碳调质钢的焊接,第四节 珠光体耐热钢的焊接,第五节 低温钢的焊接,1 合金结构钢的分类和性能,合金结构钢是在碳素钢的基础上有目的地加入一种或几种合金元素的钢。常用的合金元素有:锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼等。加入合金元素可使钢的性能产生预期的变化,如提高其强度,改善其韧性,或使其具有特殊的物理、化学性能,如耐热性和耐蚀性等。,1.按合金元素总含量的多少分:1)低合合钢,一般w(Me)5;2)中合金钢,w(Me)=510;3)高合金钢,w(Me)10。2.按用途和性能分:强度用钢和低中合金特殊用
2、钢,1.1 合金结构钢的分类,强度用钢,即高强结构钢,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。,低中合金特殊用钢,主要用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构。除了要满足常规力学性能外,还必须适应特殊环境下工作的要求。,1.2 合金结构钢的基本性质,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:控制钢材强度、硬度的重
3、要元素,每1C可增加抗拉强度约980MPa。Si:也是增大强度、硬度的元素,每1Si可增加抗拉强度约98MPa。Mn:增加淬透性,提高韧性,降低 S 的危害等。Al:细化钢材组织,控制冷轧钢板退火织构。Nb:细化钢材组织,增加强度、韧性等。V:细化钢材组织,增加强度、韧性等。Cr:增加强度、硬度、耐腐蚀性能。,用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一般10%。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:A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi 5wMn 10wNi 3wV,(3-1)由上述公式可见:Si、Cr、Co和Ti等元素能提高下临界点A1的温度(缩小区
4、),而Mn、Ni和V则降低A1点温度(扩大区)。,化学成分:,以Ni元素为代表(Ni组元素,扩大区):Ni、Mn、Co以Cr元素为代表(Cr组元素,缩小区):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。,加入合金元素能细化晶粒,而且各种合金元素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。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素能提高钢的淬硬倾向,而Ti、Nb、Ta等碳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,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
5、下列经验公式进行计算:,s=122+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 h为板厚(mm)。,N 元素对钢的性能的影响,氮在钢中的作用与碳相似,当它溶解在铁中时,将扩大区。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,提高钢的屈服点和抗脆断能力。氮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
6、素的种类和数量。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。,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
7、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。,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.力学性能强度,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,
8、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比为冲击韧度。,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
9、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50100MPa,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。,3.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、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织,导致具有不同的硬度、强度性能、塑性和韧性。几种典型组织(特别是贝氏体组织)对低合金钢强度和韧性的影响如图3-3所示。,低合金结构钢为了获得满意的强度和
10、韧性的组合,晶粒尺寸必须细小、均匀,而且应是等轴晶。经调质处理后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。,1.热轧及正火钢的成分和性能,第二节 热轧及正火钢的焊接,2.热轧及正火钢的焊接性,3.热轧及正火钢的焊接工艺,1.热轧及正火钢的成分和性能,微合金控轧钢是热轧及正火钢中的一个分支,是近年来发展起来的一类新钢种。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。微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似,它是在低碳的
11、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。控轧钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。,微合金控轧钢,2.热轧及正火钢的焊接性,2.1 冷裂及影响因素,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。,(1)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。,,(IIW公式:wt%),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
12、低温下焊接时应考虑预热。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,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,(2)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,16Mn 的SHCCT图
13、,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,低碳钢SHCCT图,大量F+少量P+部分B,(3)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。,2.1 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3-8,3-9,2
14、.2 热裂和再热裂纹,(1)热裂 热轧及正火钢一般碳含量较低、而Mn含量较高,因此这类钢的Mn/S比能达到要求,具有较好的抗热裂性能,焊接过程中的热裂纹倾向较小。但是若钢中C、S、P等元素含量偏高或偏析严重,导致Mn/S低于要求,也可能出现裂纹。P56页:C:影响结晶裂纹的主要元素。由FeC相图,C含量增加,初生相可由相转为相,而S、P在相中的溶解度比在相中低很多,析出的S、P就会富集在晶界,增加结晶裂纹倾向。所以C加剧了S,P的危害。Mn:脱S:FeO-FeS熔点940,纯MnS熔点1610,FeO-MnS熔点1164Si:是相形成元素,有利于消除结晶裂纹;但是含量超过0.4%,易形成硅酸盐
15、夹杂,增加裂纹倾向。,2.2 热裂和再热裂纹,(2)再热裂 原因:焊后热处理时,残余应力松弛过程中,粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过该部分的塑性变形能力,就会产生再热裂纹。较大的焊接残余应力。特点:粗晶区沿晶开裂,遇细晶裂纹停止扩展;存在残余应力且应力集中;存在温度敏感区(A不锈钢700-900;沉淀强化的低合金钢500-700);含一定沉淀强化元素的材料才具有SR敏感性,碳素和固溶强化钢不会产生SR(一次焊接热时,合金元素固溶,冷后未充分析出,再热时,在晶界写出,脆化晶界)。Mo、Cr元素及含量对SR倾向的影响见3-10图(随Mo、Cr,SR倾向性)预防工艺措施:提高预热温度、焊后立即
16、热处理等措施来防止再热裂纹的产生。,2.3 层状撕裂,原因:轧制钢材内部存在不同程度的分层夹杂物(硫化物和氧化物),在焊接时产生垂直于钢板表面的拉应力,致使热影响区附近或稍远的部位,沿轧制方向产生呈“台阶”形的层状开裂,并可穿晶扩展。位置:主要发生于要求熔透的角接接头或T形接头的厚板结构中(图3-16)。说明:(1)层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制,与板厚有关,板厚在16mm以下一般不会产生层状撕裂。(2)从本质来说,主要取决于钢的冶炼质量,钢中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内的氧化物夹杂都使Z 向塑性降低,导致层状撕裂的产生,其中层片状硫化物的影响最为严重。(3
17、)硫含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。,2.4 焊缝组织及韧性,韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。影响因素:显微组织、夹杂和析出物等。低合金高强钢焊缝金属的组织主要包括:先共析铁素体PF、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、上贝氏体Bu、珠光体P等,马氏体较少。焊缝韧性取决于针状铁素体(AF)和先共析铁素体(PF)组织所占的比例。焊缝中针状铁素体组织比例高时,韧性显著升高,韧脆转变温度(vTrs)降低,如图3-11a所示(针状铁素体晶粒细小,晶粒边界交角大且相互交叉,每个晶界都对裂纹的扩展起阻碍作用)焊缝中先共析铁素体组织比例增多则韧性下降,韧脆转变温度上
18、升,如图3-11b所示(先共析铁素体沿晶界分布,裂纹易于萌生、也易于扩展,导致韧性较差)。,2.4 焊缝组织及韧性,以AF为主的焊缝金属,屈强比(s/b)一般大于0.8;以PF组织为主的焊缝金属,屈强比多在0.8以下;焊缝金属中有上贝氏体存在时,屈强比小于0.7。焊缝金属中AF越多,韧性越好;合金化程度越高,韧性越低 Eg-Mn、Si 既是氧化元素,又是合金元素(1)Si是铁素体形成元素,焊缝中Si含量增加,将使晶界铁素体增加。Mn是扩大奥氏体区的元素,推迟转变,所以增加焊缝中的Mn含量,将减少先共析铁素体的比例。但Si、Mn含量的增加,都将使焊缝金属的晶粒粗大。(2)当Mn、Si含量较少时,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 结构钢 焊接
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6373680.html