第3章合金结构钢焊接课件.ppt
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- 合金 结构钢 焊接 课件
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1、第第3章章 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接_ _3.1 合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能_3.2 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接_3.3 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接_3.4 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接_3.5 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接_3.6 低温钢的焊接低温钢的焊接_1.铁碳相图铁碳相图-Fe-Fe-Fe知识回顾:知识回顾:纯纯铁铁1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe - Fe铁素体碳在体心立方碳在体心立方-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间
2、隙固溶体(简称(简称铁素铁素体体);它的溶碳量很小,它的溶碳量很小,最多只有最多只有0.0218%(727),室,室温时几乎为温时几乎为0 ,因此性能与纯铁接近,因此性能与纯铁接近,强度和硬度低,强度和硬度低,塑性和韧性高塑性和韧性高,并具有铁磁性。,并具有铁磁性。b:180280MPa、硬度硬度80HB,:30%50%,k:160200J/2 碳在高温碳在高温-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体(),最大溶碳量,最大溶碳量为为1495时的时的0.09。铁素体铁素体铁素体铁素体奥氏体碳在面心立方碳在面心立方-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A),溶碳量较高溶
3、碳量较高,1148时为时为2.11, 727时为时为0.77奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为7271394,故奥氏体的,故奥氏体的硬度低,塑性较高硬度低,塑性较高,通常在,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造、热轧等时,都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,所谓应将其加热成奥氏体状态,所谓“趁热打铁趁热打铁” 。力学性能:力学性能:b=400MPa、=40%50%、170220HB渗碳体渗碳体渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵,化学式近是指晶体点阵为复杂正交点阵,化学式近似于似于Fe3C的一种间隙式化合物,的
4、一种间隙式化合物,用用Fe3C表示,表示,其含碳量其含碳量wc=6.69%,硬度高、脆性大硬度高、脆性大,力学性能,力学性能指标为:硬度指标为:硬度800HB、抗拉强度、抗拉强度(b)30MPa、伸、伸长率长率()0、冲击韧度、冲击韧度(k)0。珠光体珠光体珠光体P是共析铁素体是共析铁素体F和渗碳体和渗碳体Fe3C的一种机械的一种机械混合物混合物,强度较高,强度较高, 塑性、塑性、韧性和硬度介于渗碳体和韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间铁素体之间铁素体铁素体渗碳体渗碳体钢铁的“四把火”知识回顾:知识回顾:钢铁的“四把火”退火退火:加热到临界点以上或以下温度,保温一定时间,然加热到临界点以上或以下
5、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后随炉冷却,以获得接近平衡状态组织的热处理工艺目的:目的:使化学成分均匀,消除内应力和加工硬化,改善使化学成分均匀,消除内应力和加工硬化,改善加工性能,并为淬火做准备。加工性能,并为淬火做准备。知识回顾:知识回顾:钢铁的“四把火” 正火正火:加热到:加热到Ac3或或Accm以上适当温度,保温一定时间,使以上适当温度,保温一定时间,使之之完全奥氏体化完全奥氏体化,然后在,然后在空空气中气中冷冷却,得到却,得到珠光体珠光体类组织类组织目的目的:改善切削加工性能,消除应力,均匀成分改善切削加工性能,消除应力,均匀成分 低碳钢低碳钢和
6、和中碳钢中碳钢知识回顾:知识回顾:钢铁的“四把火” 淬火淬火:加热到临界点加热到临界点Ac3或或Ac1以上一定温度,保温后以以上一定温度,保温后以大于临界淬火速度大于临界淬火速度冷却,得到冷却,得到马氏体马氏体或或贝氏体贝氏体组织组织目的目的:使使奥氏体化后奥氏体化后的工件获得尽量多的的工件获得尽量多的马氏体马氏体,然后配以不同温度的回火,获得各种所需的性能然后配以不同温度的回火,获得各种所需的性能知识回顾:知识回顾:注意注意:钢在任何情形下都钢在任何情形下都不能以单淬火状态使用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淬火残余应力会使钢材变形或剥裂钢铁的“四把火”回火回火:将淬火钢
7、在将淬火钢在A1以下温度加热保温,使淬火组织转以下温度加热保温,使淬火组织转 变为变为稳定的回火组织稳定的回火组织,然后以适当的方式冷却到室温,然后以适当的方式冷却到室温目的目的:消除淬火应力;提高组织稳定性;提高塑性消除淬火应力;提高组织稳定性;提高塑性和韧性,获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配和韧性,获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配知识回顾:知识回顾:调质处理调质处理:淬火高温回火淬火高温回火 高温回火是指在高温回火是指在500650之间进行的回火。之间进行的回火。 通过调质处理,可以使钢的组织和通过调质处理,可以使钢的组织和 性能得到很大程度的调整,性能得到很大程度的调整,其其强度强度、塑
8、性塑性和和韧性韧性都较好,具有都较好,具有良好的综合机械性能良好的综合机械性能 3.1 钢铁的分类碳素钢碳素钢简称碳钢,是最基本的铁碳合金。它是简称碳钢,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,含有极少指在冶炼时没有特意加入合金元素,含有极少量的量的Si、Mn和微量的和微量的S、P等元素,其含碳量大等元素,其含碳量大于于0.0218%而小于而小于2.11%。 按碳含量分:按碳含量分: 低碳钢低碳钢,含碳量,含碳量0.25 中碳钢中碳钢,含碳量:,含碳量:0.250.6% 高碳钢高碳钢,含碳量,含碳量0.6 合金结构钢的分类合金钢合金钢:指在炼钢过程中有意识地加入一种或多种:指在
9、炼钢过程中有意识地加入一种或多种合金元素合金元素来改善钢材性能。来改善钢材性能。常用合金元素有:锰、硅、铬、镍、钼、常用合金元素有:锰、硅、铬、镍、钼、 钨、钒、钛、硼钨、钒、钛、硼 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、 Ti、 B按合金元素总含量分:按合金元素总含量分: 低合金钢低合金钢,合金元素总含量,合金元素总含量5 中合金钢中合金钢,合金元素总含量,合金元素总含量510% 高合金钢高合金钢,合金元素总含量,合金元素总含量10 性能性能:强度高,韧性好,具有特殊的物理、化学性能,: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如耐热性和耐蚀性等应用应用:压力容器、石油化
10、工、桥梁、船舶等:压力容器、石油化工、桥梁、船舶等机械零件机械零件和和工程结构工程结构合金结构钢的分类按用途和性能分按用途和性能分:强度用钢(高强钢):强度用钢(高强钢)和和低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢1、强度用钢、强度用钢: 强度:强度:s295MPa,高强钢,高强钢 应用:常规条件下要求能承受应用:常规条件下要求能承受静载静载和和动载动载的机械零件和工程结构的机械零件和工程结构主要性能是主要性能是力学性能力学性能,合金元素的加入是为了保证,合金元素的加入是为了保证足够的足够的塑性和韧性塑性和韧性的前提下,获得不同的的前提下,获得不同的强度强度等级,等级,同时也可同时也可改善焊接性改善焊
11、接性非调质钢非调质钢合合金金结结构构钢钢调质钢调质钢热轧钢热轧钢正火钢正火钢控轧钢控轧钢b600MPab600MPa低碳调质钢低碳调质钢中碳调质钢中碳调质钢热轧钢:把钢锭加热到热轧钢:把钢锭加热到1300 左右,经左右,经热轧热轧成板材,成板材, 然后然后空冷空冷后即成热轧钢。后即成热轧钢。正火钢:钢板正火钢:钢板轧制轧制和冷却后,和冷却后,再加热再加热到到900 附近,然附近,然 后后空冷空冷。调质钢:调质钢:轧制轧制冷却后再在冷却后再在900 附近附近加热加热后放入后放入淬火淬火设设 备中水淬,然后在备中水淬,然后在600 左右左右回火回火处理。处理。新发展钢种:微合金化控轧钢、焊接无裂纹
12、钢(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(钢)、抗层状撕裂钢(Z向钢)、焊接大向钢)、焊接大 热输入钢等。热输入钢等。 主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大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。工程中。表表3-1 3-1 国内外常见的合金结构钢的牌号国内外常见的合金结构钢的牌号 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa国内外常用钢牌号国内外常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q3
13、90、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳低碳调质钢调质钢49098014MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳中碳调质钢调质钢880117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoA特特 殊殊用用钢钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢26564012CrMo、15CrMo、2.25Cr1Mo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、12Cr5Mo、12Cr9Mo1
14、、12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB低温钢低温钢34358509Mn2V、06AlCuNbN、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢-12MnCuCr、09MnCuPTi、09CuPCrNi、12AlMoV、12AlMo、15Al3MoWTi 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa国内外常用钢牌号国内外常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q390、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳低碳调质钢调质钢49098014MnMoV
15、N、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳中碳调质钢调质钢880117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoAQ295屈服强度屈服强度295MPa1. Q屈服点屈服点18CrMoVA0.18%C2. 数字数字+合金元素合金元素+A/B/C/D(碳含量的万分之几)碳含量的万分之几) 优质优质A等级最低,等级最低,D最高最高X60:管线钢:管线钢WCF62:焊接无裂纹钢:焊接无裂纹钢HQ70、HQ80、HQ100、T-1、
16、HY80、HY110:低:低碳调质钢碳调质钢高强钢1)热轧及正火钢)热轧及正火钢 s =294490MPa,在热轧或正火状态下使用,在热轧或正火状态下使用,属于属于非热处理强化钢非热处理强化钢。 包括包括微合金化控轧钢微合金化控轧钢、抗层状撕裂的、抗层状撕裂的Z向钢向钢等。等。应用:应用:常温下常温下工作的一些受力结构,如压力容器、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)低碳调质钢 s = 490980MPa,在调质状态下供货使用,属于,在调质状态下供货使用,属于热处理强化钢。热处理强化钢。特点
17、:含碳量较低(特点:含碳量较低(0.22%),),高强度高强度,良好塑良好塑 性和韧性性和韧性,可以直接在,可以直接在调质状态下进行焊接调质状态下进行焊接, 焊后不需进行调质处理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。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)中碳调质钢 s = 8801176 MPa 以上,热处理强化钢以上,热处理强化钢特点:含碳量较高(特点:含碳量较高(0.25%0.5% ),), 淬硬性淬硬性比低碳调质钢高得多,具有很比低碳调质钢高得多,具有很高的硬度高的硬度 和强度和强度,但,但韧性韧性相对相对较低较低,焊接困难焊接困难。
18、一般是在一般是在退火状态下焊接退火状态下焊接,焊后再进行整体热焊后再进行整体热 处理处理来达到所要求的强度和硬度。来达到所要求的强度和硬度。应用:应用:强度要求很高的产品或部件,如强度要求很高的产品或部件,如火箭发动机火箭发动机 壳体壳体、飞机起落架飞机起落架等。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,必须适应要求:常规力学性能,必须适应特殊环境特殊环境可分为:可分为:珠光体耐热钢珠光体耐热钢、低温钢低温钢和和低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢等等低合金特殊用钢1)珠光体耐热钢)珠光体耐热钢元素:以元素:以Cr、Mo为
19、基础为基础,随工作温度提高,加入,随工作温度提高,加入 V、W、Nb、B等合金元素等合金元素特点:具有较好的特点:具有较好的高温强度高温强度和和高温抗氧化性高温抗氧化性应用:工作温度在应用:工作温度在500600的的高温设备高温设备,如热动力,如热动力 设备和化工设备等。设备和化工设备等。低合金特殊用钢2)低温钢)低温钢 一些一些含含Ni或无或无Ni的低合金钢,一般在的低合金钢,一般在正火正火或或调质调质 状态使用。状态使用。应用:各种低温装置(应用:各种低温装置(-40-196)和在)和在严寒地区严寒地区的一的一 些工程结构,如些工程结构,如液化石油气液化石油气、天然气、液氮、液天然气、液氮
20、、液 氢氢等等生产储运设备。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 具有足够高的具有足够高的低温韧性低温韧性,对强度无特殊要求。,对强度无特殊要求。 低合金特殊用钢3)低合金耐蚀钢)低合金耐蚀钢 要求:具有一般力学性能,必须具有要求:具有一般力学性能,必须具有耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。应用:像应用:像大气大气、海水海水、石油化工石油化工等等腐蚀介质腐蚀介质中工作的中工作的 各种机械设备和焊接结构。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
21、广泛的是耐中应用最广泛的是耐大气大气和耐和耐海水海水腐蚀用钢。腐蚀用钢。3.1.2 合金结构钢的基本性能1)化学成分)化学成分低碳钢:低碳钢:WC=0.10%0.25%,WSi0.3%, WMn=0.5%合金元素:合金元素: Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu杂质元素:杂质元素:P、S含量限制在较低程度含量限制在较低程度碳碳:最能提高强度最能提高强度的元素,但易于引起的元素,但易于引起淬硬淬硬和和焊接裂焊接裂 纹纹,所以在,所以在保证强度保证强度的前提下,碳的含的前提下,碳的含量越少越量越少越 好好(C%0.22%,实际,实际C% 0.18%)3.1.2 合金结构钢的基本性能、合
22、金元素对组织转变的影响:、合金元素对组织转变的影响: Ni组元素组元素:以:以Ni元素为代表,元素为代表, Ni、Mn、Co、Cu、(C、N、H) 奥氏体元素奥氏体元素(在(在晶格中具有较大溶解晶格中具有较大溶解 度,扩大奥氏体区,形成并稳定奥氏体)度,扩大奥氏体区,形成并稳定奥氏体) Cr组元素组元素:以:以Cr元素为代表,元素为代表, Cr、Si、Al、Ti、V、Mo、W、B、(O、P、S) 铁素体元素铁素体元素(在(在-Fe中具有较大溶解度,中具有较大溶解度, 缩小奥氏体区,形成并稳定铁素体)缩小奥氏体区,形成并稳定铁素体)2)合金元素的影响)合金元素的影响3.1.2 合金结构钢的基本性
23、能1)细化晶粒)细化晶粒2)在不同程度上改变了钢的奥氏体)在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学转变动力学,直接影响钢的直接影响钢的淬硬倾向淬硬倾向。提高钢的淬硬倾向提高钢的淬硬倾向: C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和和Si等元素等元素降低钢的淬硬倾向降低钢的淬硬倾向: Ti、Nb、Ta等等碳化物形成元素碳化物形成元素合金元素的作用:合金元素的作用:淬硬倾向:淬硬倾向: 马氏体含量越多,硬度越高,淬硬倾向越大,淬马氏体含量越多,硬度越高,淬硬倾向越大,淬硬性主要取决于硬性主要取决于马氏体马氏体中中碳碳的的过饱和度过饱和度3.1.2 合金结构钢的基本性能合金元素合金元素N的作用:的作用:氮(
24、氮(N):在钢中的作用):在钢中的作用与碳相似与碳相似,奥氏体元素奥氏体元素 1)当它溶解在铁中时,将扩大)当它溶解在铁中时,将扩大区。区。 2)能与钢中其他合金元素形成稳定的)能与钢中其他合金元素形成稳定的氮化物氮化物,这,这些氮化物往往以些氮化物往往以弥散弥散的微粒分布,从而的微粒分布,从而细化晶粒细化晶粒,提提高高钢的钢的屈服点屈服点和和抗脆断能力抗脆断能力。 3)Al、Ti和和V等合金元素对氮具有较高的亲和力,等合金元素对氮具有较高的亲和力,并能形成较稳定的并能形成较稳定的氮化物氮化物。 因此,为了充分发挥氮作为合金元素的作用,钢因此,为了充分发挥氮作为合金元素的作用,钢中必须同时加入
25、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。3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响:s=122+274C+82Mn+55Si+54Cr+44Ni+78Cu+353V+755Ti +540P+30-2(h-5)b=230+686C+78Mn+90Si+73Cr+33Ni+56Cu+314V+529Ti +450P+21-1.4(h-5)式中式中 h为板厚(为板厚(mm)3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对塑性和韧性的影响:、合金元素对塑性和韧性的影响: 热轧及正火条件下,合金元素的热轧及正火条件下,合
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