第6章低合金钢的焊接

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1、第6章低合金钢的焊接,6.1低合金钢的种类和性能 低合金钢实在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素冶炼而成的，其合金元素的质量分数一般不超过5%（10%-中合金），加入合金元素的目的，是保证足够的塑性和韧性的基础上获得较高的强度或满足结构工作条件。 6.1.1 合金元素对钢的影响 1、 合金元素在钢中存在的形式 合金元素在钢中存在的形式 存在形式决定于元素的性质和数量。其中关键在于元素与碳的亲和力。 （1）非碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁弱，常用元素主要有Mn 、Si 等。它们在低温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。,碳化物,固溶解到碳钢原有的相中,与碳之外的其他元素的结合,由于

2、固溶强化的结果，均提高材料的强度和硬度。 Mn 、Si少量溶入时，对塑性影响不大，而因强度的提高了材料的韧性；当数量过多或其他一些元素的加入会对材料的塑性带来少量的下降。 （2）碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁强，常用元素主要有Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等。量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,M)3C，一般合金渗碳体都比Fe3C稳定，在奥氏体中的溶解和聚集长大比Fe3C难。当钢中合金元素和碳量都较高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。 （

3、3）与碳之外的其他元素的结合 合金元素与非金属元素N、O、S结合，生产夹杂物，钢中常见的有TiN、AlN、SiO2、Al2O3、MnS、Ni3Al、Ni3Ti等。此外Pb、Cu、C(石墨)以游离态的方式存在于钢中。,2、 对铁碳相图的影响,（1）扩大相区 合金元素的加入，使A3线下移，而A4上扬，扩大了相区。这类元素有 Mn、Ni、Co、N等，也称为相稳定化元素。当它们的含量增加，A1线也下移。当它们的含量超过一定量后，以致在室温下只有单相的奥氏体存在，即A1点降到室温以下。 （2）缩小相区 合金元素的加入，使A3线上移，而A4下移，为缩小相区，这类元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、

4、 B、Nb、Zr等，也称为相稳定化元素。 （3）影响共析点S的成分 合金元素的加入，随着对相区的缩小或扩大，除造成A1温度的上升或下降外，对S点还会造成左右移动，即改变S点的成分。统计表明，几乎所有的元素都使S点左移，同时E点也随之左移。例如在Mo、W、Ti含量高的钢中，0.30.4%的碳量已是过共析钢。 合金元素对铁碳相图的影响 如图6-1所示,图6-1 Mn和Cr对铁碳相图的影响,3、 对相变过程的影响,（1）加热转变 1）奥氏体形成速度 a、 合金元素与碳的亲和力明显的影响碳的迁移速度。其中非碳化物元素中部分，Co、Ni可加速奥氏体化，另一些作用不明显，但不会减慢； b、 碳化物元素中部

5、分，Cr、Mo、W、V、Ti大大减慢奥氏体的形成，另一些作用不明显，但不会加速。 c、所有元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的时间必需加长。 2）奥氏体的晶粒度 a、与碳的结合力的增加，表现出阻碍作用。强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；一般碳化物形成元素，如W、Mo、Cr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长； b、非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu对奥氏体晶粒几乎不发生影响； c、Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。,（1）合金元素对过冷奥氏体分解的影响（图6-2）,4、 对过冷奥氏体分解 的影响,淬透性 Co使C曲线左移，降低钢的淬透性。 其它元素都使C曲线

6、右移，提高淬透性。 马氏体点 除Si、Al外，这些元素还会使钢的马氏体点的温度下降。降低钢的马氏体点，在淬火到室温时的残余奥氏体增加。,图6-2 合金元素对过冷奥氏体分解的影响,（2）对C曲线的形状 的影响,对C曲线的形状 的影响见图6-3。 C曲线右移， 其中铬表现为C曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变各对应一个，严重的造成这两个转变曲线分离，中间出现一亚稳区，有的对其中某一种转变有抑制作用，两个鼻尖一前一后，而严重时，其中的某一中转变受抑制，而只能发生一种转变，如出现贝氏体钢。,图6-3,（3）对回火转变的影响 （图6-4）,对回火转变的影响 见图6-4。 1） 提高了钢的回火稳

7、定性 回火稳定性是表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。许多合金元素可以使回火过程中各个转变速度减慢，或完成或达到同样的回火效果需要更高的温度。这是由于它们减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温下碳化物的长大速度也被减缓。同样温度下回火的硬度就较高。 2） 产生二次硬化效果 一些含W、Mo、V较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，一般在500600中出现一硬度的高峰值，这种现象称为“二次硬化”。,图6-4,淬火后的残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发生转变，而内应力大大减小，在冷却时这些奥氏体又部分的发生马氏体转变，材料的硬度得到提高； 在500600下，马氏体才出现分解，析

8、出的高硬度的碳化物弥散细小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。 3）出现第二类回火脆性 回火脆性是钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧性出现谷值，或表现出明显的脆化现象称为回火脆性。 一般的碳钢和合金钢在350附近回火都出现这种现象，称为第一类回火脆性，通常是不可避免的。部分合金钢在500650回火后缓冷时，也出现韧性下降，称为第二类回火脆性，通常认为是部分合金元素如Ni、Cr、Mn或杂质S、P等在晶界处出现偏聚有关，只要在回火后采用较快的速度冷却，如在水或油中冷却，就可以避免第二类回火脆性的产生。,合金结构钢 (按用途),低合金高强钢 (强度用钢 ),热轧及正火钢,低碳调质钢,中碳调质

9、钢,低合金特殊用钢 （专用钢）,珠光体耐热钢,低温钢,低合金耐蚀钢,6.1.2 低合金钢的种类和性能 合金结构钢的应用领域很广，种类繁多，可按化学成分、合金系统、组织状态、用途或使用性能等方面进行分类。,表6-1 常用低合金结构钢,高强度钢 2 、 热轧及正火钢 （1） 热轧及正火钢的成分和性能 1） 热轧钢 通过加Si和Mn产生固溶强化获得高强度，一般在热轧状态下使用，属于非热处理强化钢。在特殊状态下加入了少量的V、Nb和V-形成碳化物或氮化物沉淀强化的合金元素 基本成分：C0.2%，Si0.55%，Mn1.5% 屈服强度：（343490）MPa 典型钢种：16Mn，（345MPa）；15M

10、nV ，（390MPa）。 2）正火钢： 成分特点：热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb 强化机理： 固溶强化 + 沉淀强化+细化晶粒正火钢,通过正火热处理，使这些合金元素的化合物以细小的质点从固溶体中析出弥散分布在晶内及晶界，并细化晶粒，使其力学性能得到进一步改善。 屈服强度：这类钢根据热轧及正火钢的屈服点分为295MPa 、 345MPa 、 390MPa 420MPa 、490MPa 五个强度等级。 使用状态分：正火；正火+回火状态（含Mo钢）；微合金化控轧钢 3种。 这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。 常用热轧及正火钢

11、的化学成分和力学性能见表6-2、表6-3 。,表6-2 常用热轧及正火钢 的化学成分和力学性,表6-3 常用热轧钢和正火钢的力学性能(GB/T 15911994),3 调质钢 （1）低碳调质钢 1）供货状态 低碳调质钢的合金元素含量超过正火钢，为了避免钢材的韧性下降，需进行调质热处理，在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用。属于热处理强化钢。 2）化学成分和力学性能特点 屈服点为490980MPa，其特点是含碳量较低（碳的质量分数一般低于0.22%）合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。 这类钢主要用于大型机械工程、压力

12、容器及舰船等焊接结构中。 常用低碳调质钢的化学成分和力学性能见表6-4和表6-5.,表6-4 典型低碳调质钢的化学成分,表6-5 典型低碳调质钢的力学性能,（2） 中碳调质钢 1）供货状态 在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用。属于热处理强化钢。 2）化学成分和力学性能特点 屈服点一般在8801176MPa或以上，钢中含碳量比低碳调质钢高（碳的质量分数为0.25%0.5%）。 中碳调质钢淬硬性比低碳调质钢高，有很高的强度和硬度。但韧性较低。 中碳调质钢一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所要求的强度和硬度。 这类钢主要用于强度要求很高的产品或部件，如飞机起落架、火箭发动机壳体等

13、。 常用中碳调质钢的化学成分何力学性能见表6-6和表6-7.,表6-6 常用中碳调质钢的化学成分,表6-7常用中碳调质钢的力学性能,4 专用钢 专用钢是指专门用于在特定条件下工作的机械零件和工程结构的钢。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。 （1）低合金耐热钢。 1）性能特点 具有较好的高温强度和高温抗氧化性，其最高工作温度为500600。 2）化学成分和组织特点 低合金耐热钢的基体为珠光体或贝氏体组织的低合金耐热钢。主要有Cr-Mo、 Cr-Mo-V系列，随着使用温度的提高，钢中往往还加入W、V、Nb、B等复合合金化的钢种。但一般合金元素总量最多为5左右，其组织除珠光体外，也包

14、括贝氏体钢。 3）性能及应用,这类钢在450620有良好的高温蠕变强度及工艺性能，且导热性好，膨胀系数小，价格较低。广泛用于制作电站用锅炉钢管，汽轮机叶轮、转子、紧固件、炼油及化工用的高压容器、废热锅炉、加热炉管及热交换器管等。 我国主要的牌号有12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、12CrlMoV、12Cr2MoWVTiB，依次用于480620范围内，热处理一般采用正火、回火处理。 （2）低合金低温钢 在010以下使用的钢，称为低温钢。低温钢分为铁素体低温钢和奥氏体低温钢，低合金耐低温钢属于铁素体低温钢。 钢铁材料，尤其是铁素体低温钢，温度降至某个临界点或某个区域，就会出现韧性的明显或

15、突然的降低，因此这类钢不宜在这个转变区间及以下温度下使用，这个温度称之为钢的韧脆性转变温度。,1） 低温用钢分4个温度级别：2040、5080、100110、196269。 2）常用低温钢的种类及应用： 可用于各种低温容器（液化石油气-45 -162）、严寒地区的工程结构（桥梁、管道等）、露天矿山机械以及海洋石油工程结构、无限航区船舶等。 09Mn2V钢，适用于-70；09MnTiCuRE钢，适用于-70；06MnNb钢，适用于-90；06AlNbCuN钢，适用于-120；25Ni钢，正火状态，用于液化丙烯(-477)设备；35Ni钢，正火状态，用于液化乙烷(-883)设备；调质状态，用于液化

16、乙烯(-104)设备；50Ni钢，调质状态，用于液化乙烯(-104)设备； （3）低合金耐蚀钢 除具有一般的力学性能外，还必须满足耐腐蚀性能的特殊要求，主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀性介质中工作的各种零件和结构。,1）耐大气腐蚀钢 耐大气腐蚀钢主要含铜、磷为主，还有的加入铬、钼、镍等合金元素结合国家资源开发的中国的锰铜系钢和磷系钢。前者有16锰铜、10锰铜硅、09锰铜钛及15锰铜等钢。后者有磷铌、磷钒、磷稀土等钢。 2）耐海水腐蚀低合金钢 中国主要是结合国内资源条件研制出了铜系和磷一钒、磷一铌系钢、锰铜磷、铝铜磷、镍铜磷等；。此外还有中国的磷铌，磷钒、镍铜砷等。 制盐工业耐盐卤腐蚀的铬一铝一钼系钢。 3） 耐硫化物应力腐蚀低合金钢 当前世界上通用的钢主要是锰钢和铬钼钢两大系列。,在锰钢系列中包括中国的30Mn2、35MnSi、40MnMoNb、40MnMoCrv和中国的12CrMoV、