10MnCrNiMo焊接性分析课程设计解析

1、焊接冶金学课程设计10MnCrNiMo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学 生：学 号：指导老师：湖北工业大学焊接冶金学课程设计-2 -目录一. 本课程设计的基本内容和要求 .3.(1). 基本内容.3(2). 基本要求.3二.10MnCrNiMc的化学成分及力学性能分析.3(1). 钢号及化学成分.3.(2). 主要合金元素作用分析.4.三.SHCC图分析.6 .四.10MnCrNiMc的焊接性分析.7.(1) 冷裂纹. 7.(2). 热裂纹及消除应力裂纹(再热裂纹) .8(3). 热影响区的性能变化8.五. 焊接工艺特点10(1). 焊接方法和焊接材料的选择

2、.10.(2). 焊缝化学成分的计算11(3). 焊接参数的选择 .11(4) 焊接工艺确定.12.(5) 焊后质量检测 .13.湖北工业大学焊接冶金学课程设计-3 -本课程设计的基本内容和要求(1)基本内容：查阅板厚为 5mm 勺母材材料的成分、力学性能、用途及其 SHCCT 对母材进行焊接性理论分析；选用焊接材料，以熔合比为 0.3 计算焊缝的化学成分；根据 SHCC 图分析 HAZ 的组织；初步探讨材料的焊接工艺的特点，采用对接接头；查询文献、综合分析及标注的方法。(2)基本要求：掌握焊接性理论分析方法；掌握 SHCC 图的分析方法；初步分析材料的焊接工艺特点；标注所引用的文献来源。二.

3、10Mn CrNiMo 的化学成分及力学性能分析(1)钢号及化学成分表一【1】化学成分(%CSiMnSPCrNiMoCu湖北工业大学焊接冶金学课程设计-4 -0.110.380.990.0140.0150.540.860.300.12由上表可知，合金元素总质量分数为 3.2%，为低合金结构钢表二【1】机械强度（N/mm2临界温度C）临界冷却时间（s）cbcSA1A3MsczCfCpCr50%M7166516857854403.84.818.8测定条件：Tm=135（T原始状态：淬火+回火（调质）由上表可知，一定温度条件下，经过调质处理后，屈服强度为cs=651Mpa 抗拉 强度为cb=716M

4、pa,故属于低碳调质钢，且为高强钢。故 10MnCrNiMo 为低合金 高强度的低碳调质钢。用途：10MnCrNiMo 常制造成圆钢，用于系泊链的制造如煤机链条、圆环链。（2）主要合金元素作用分析：【2】锰（Mn ）:在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在碳素钢中加入 0.70% 以上时就算 锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度， 提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊 接性能。锰元素细化焊缝区组织晶粒大小； 增加焊缝的屈服强度和抗拉强度， 减 少钢的时效倾向增强冲击韧性。铬（Cr）:铬能显著提高焊缝的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑

5、性和韧 性，热处理后韧性更低，铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高 的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。镍的加入可以提高焊缝的硬度，屈 服强度，抗拉强度及冲击性能。消除应力处理对锰镍匹配焊缝的韧性几乎没有影 响，但在镍与锰含量不匹配时产生严重脆化。钼（Mo）：细化焊缝粗晶区与细晶区的晶粒，提高淬透性和热强性能，在高 温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变）。 结构钢中加入钼，能提高机械性能，使焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度提高。湖北工业大学焊接冶金学课程设计-5 -硅（Si）:硅会导致焊缝金

6、属脆性降低，从韧性考虑硅有害。从防止焊缝气孔 考虑，焊缝金属至少应含有 0.2%的硅，能作为脱氧剂并防止 CO 气孔形成，所湖北工业大学焊接冶金学课程设计-6 -以焊缝应含有一定的硅，但作为脱氧产物谷易形成硅酸而夹渣， 低熔点的硅酸盐 还可能导致结晶裂纹。硅能使焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度呈非线性增加， 但缺口韧性下降，其损害程度与含锰量有关。硫（S）:硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性 和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以 通常要求硫含量小于 0.055%，选用母材符合要求。磷（P）:在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，

7、使焊接性能 变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，选用母材符合要求。铜（Cu）:铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。当Cu、Mo 联合添加时，可显著提高淬透性。但是过量的铜会引起残余奥氏体增多，影响材料耐磨性。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于 0.50%对焊接性无影响选用的母材符合要求不会对焊接性产生影响。 其中，Mn、Si 为固溶强化作用，Mo 为沉淀强化和细晶强化。三.SHCC 图分析图 2.1【1】AaTOSy-AJJT if湖北工业大学焊接冶金学课程设计-7 -图 2.2湖北工业大学焊接冶金学课程设计-8

8、-c；jiLg-L性押”二一丄i6 8102060 100 2(10 iOfl BOO机械强度（N/mm2临界温度（C）临界冷却时间（s）(T b(T SA1A3MsczCfCpCr50%M7166516857854403.84.818.8如图 2.1 中，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， 除了曲线 1、2、3 以外的每条曲线都表示以 A3 为起点的冷却过程，A 表示奥氏 体组织区域，F 表示铁树体组织转变区域，Zw 表示中间组织转变区域，M 表示马氏体组织转变区域，图中曲线 1 为奥氏体开始析出铁素体的区域，曲线 2 为从 奥氏体析出中间组织的区域，同时曲线 2 为铁

9、素体析出结束曲线，曲线 3 是中间 组织转变结束曲线，同时 Ms 表示马氏体开始转变形成的温度。图中的 CZ Cf分别表示从 A3温度冷却到 500C开始出现的中间组织（即 各种贝氏体类组织）、铁素体，以及记得到贝氏体和铁素体的临界冷却时间（s）。 这些特征值对分析焊接热影响区的组织很有意义，只要结合图 2.2 在实际焊接过程中热影响区所要研究部位的金属从 A3 冷却到 500E的时间，对照临界冷却时 间，就可以判断热影响区的显微组织。拿图中最右边的冷却曲线来说，最终室温下的组织成分为55%的 F，40%的Zw 和 5%的 M，平均维氏硬度为 224HV。如图 2.2 所示，Cz和 Cf 对应

10、的冷却曲线的冷却速度分别为Vz=Vz= （A3-500A3-500） / /!0M80加紳妙40规2OM血0帥 02湖北工业大学焊接冶金学课程设计-9 -CZ7575 C /s/s；和 Vf=（ A3-500A3-500） / / Cf=59.4Cf=59.4 C /s/s，Vz 和 Vf 分别为室温组织全部为回火马氏 体的临界速度和室温组织中不含铁素体的临界速度。说明图 2.1 往右的曲线表示的冷却 速度越慢，对于低碳调质钢来说，焊接后得到的理想的组织为回火马氏体和下贝 氏体（10%30%）的混合组织。故冷却速度在 Vz 和 Vf 之间的冷却曲线较为理 想。即在室温下得到的组织全为回火马氏体

11、和贝氏体。在冷却时要求马氏体转变时的冷却速度不能太快， 使马氏体有一个自回火的 过程，从而有利于形成回火马氏体，采用多层多道焊接方法时，后一道焊缝对前 一道焊缝有一个回火热处理的过程，这也有利于回火马氏体的形成。大致冷却过程为：从 785C开始冷却，开始的组织为奥氏体，冷却到约 650C时，从奥氏体中开始析出铁素体，随着冷却过程的进行铁素体的量增加，冷却到约 570E时，开始析出中间组织（即各种贝氏体组织），随着冷却过程的进一步 进行，在440C时，开始析出马氏体，最后的室温组织为 马氏体+下贝氏体。四.10Mn CrNiMo 的焊接性分析由表一、表二分析可知，10MnCrNiMo 为低碳调质

12、钢，低碳调质钢碳的质量 分数不超过 0.18%，焊接性能远优于中碳调质钢，这类钢焊接热影响区形成的是 低碳马氏体，马氏体开始转变温度 Ms 较高，所形成的马氏体具有“自回火”特 性，使得焊接冷裂纹倾向比中碳调质钢小。低碳调质钢的一般为 441980MPa,在调质态供货和使用。其特点是含碳 量更低，淬火组织为低碳马氏体，不仅强度高，并且兼有良好的塑性和韧性，可 以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需要进行调质处理。这类钢由于强度高，主要用于高压设备。调质钢中最简单的一类，就是将os 343MPa 的 Mn-Si 钢进行调质处理后达到的$441490MPa。但当板厚加大或强度级别要求更高时，就需

13、添加一些其他的合金元素，如 Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Zr 和 Cu 等元素，来 保证达到足够的淬透性和抗回火性。【3】（1 1）冷裂纹这类钢的合金化原理，就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金 元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织。钢的淬硬倾向主要取决于化学成分， 其中碳元素的影响元素最大，而中碳钢 含碳量较高， 冷裂倾向较大， 可以通过碳当量公式来大致估算钢的冷裂敏感性。通常碳当量越高，淬硬性越大，冷裂敏感性也越大。选用日本JIS 标准规定：湖北工业大学焊接冶金学课程设计-10 -Ceq=C+Mn/6 + Si/24 +Ni/40 +Cr/

14、5 +Mo/4 +V/14(%)【4】由表一中各个元素含量代入公式算出：Ceq=0.495% ,可查下表三知钢材淬硬倾向较大，需要焊前 预热 100C以防止冷裂纹的产生。表三：根据钢材强度和碳当量确定预热温度钢材强度级别( (T b/Mpa碳当量界限 Ceq( JIS) (% )工艺措施5000.46焊接时不需预热6000.52焊前预热 75C7000.52焊前预热 100C8000.62焊前预热 150C由于这类钢的淬硬倾向大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降 的倾向。但由于这类钢的特点是马氏体含量很低，它的转变温度Ms 点较高，如果在该温度下冷却较慢，则生成的马氏体还能来的及进行

15、一次“自回火”处理， 因而实际上冷裂倾向并不一定很大。即在马氏体形成后如果能从工艺上提供一个“自回火”处理的条件，即保证马氏体转变的冷却速度较慢， 则冷裂纹是有可能 避免的；若马氏体转变的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向就 必然会增大。同时，限制焊缝含氢量，可采用低氢型焊条。(2)热裂纹及再热裂纹1 低碳调质钢含碳量较低、Mn 含量较高，因此热裂纹倾向比较小，可以根 据化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响评估热裂纹倾向，采用热裂纹敏感性指数 法(简称 HCS)，其计算公式为：C (S S + + P+P+SiSi+ +NiNi)HCS25 1001033Mn +Cr+Mo+V由 10

16、MnCrNiMO 冈各元素的化学成分估算出 HCS=1.52 当 HCSC4 时,生热裂纹，因此 10Mn CrNiM 钢没有热裂纹倾向。2.从低碳调质钢的合金系统来看，在为加强淬透性和抗回火性而加的一些合 金元素中，大多数是属于能引起再热裂纹的元素，如Cr、Mo Cu V、Nb Ti和 B 等，其中 V 的影响最大，Mo 次之，而且 V 和 Mo 同时加入是就更严重。Cr 的影响与含【5】般不产湖北工业大学焊接冶金学课程设计-11 -量有关。在 Cr-Mo 和 Cr-Mo-V 钢中，当 Crv1%寸，随着含 Cr 量的增 加再热裂纹的倾向加大；当 Cr 1%t，继续增加含 Cr 量时再热裂纹

17、倾向减小。湖北工业大学焊接冶金学课程设计-12 -用AG 法判断: G=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C （% =0.63 1.5，故 10MnCrNiMo 对再热裂纹不敏感。【6】（3）热影响区的性能变化【4】1过热区的脆化这类钢的合金化原理是通过提高淬透性来保证获得高强度和高韧性的低碳 马氏体和下贝氏体。因此它的含 C 量很低，一般限制在 0.18%以下。一些强度 级别高的钢都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/5，这时刚好对应于马氏体+下贝氏体的组织。焊接热循环作用下，当 t8/5继续增加时，引起脆化的原因除了奥氏体 晶粒粗化引起脆化外，主要原因是由于 上贝氏体和 M-A 组元的形成。

18、这类钢中 上贝氏体转变的同时很容易出现 M-A 组元。当合金化程度增加，奥氏体稳定性 提高时，易在贝氏体组织中的铁素体之间形成一些M-A 组元。M-A 组元的存在导致脆化，数量越多脆化越严重成为潜在的裂纹源，起了应力集中的作用，对热影响区韧性有不利的影响。防止措施：母材中含有的Cr、Ni、Mn 合金元素可以提高淬透性；当含 Ni 量较高 时，形成的高 Ni 马氏体，甚至上贝氏体都是具有很好的韧性。因此，增加钢中 的含 Ni 量对近缝区的韧性有很大改善。因此要调整 t8/5来控制 M-A 组元的产生。 控制焊接热输入和采用多层多道焊工艺，使低碳调质钢热影响区避免出现高硬度 的马氏体或 M-A 混

19、合组织，改善抗脆能力。2焊接热影响区的软化这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内凡是加热温度高于母材回火 温度至AC1的区域，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，而且温度越接近于 AC1的区域，软化越严重，因此对焊后不再进行调质处理的低碳调质钢来说尤其 重要。从强度出发，这是焊接接头的一个薄弱环节，强度级别越高这一问题就越 突出。此外，软化的程度和软化区的宽度也与焊接工艺也有很大关系。因此，在 制定这类钢的焊接工艺时必须考虑到这一问题。防止措施：减小焊接热输入有利于缩小软化区宽度，软化程度有所降低。软化宽度一定，板厚越大，焊接热输入越小，初始预热温度越低，焊接接头强度就 可以越高。湖北工业大

20、学焊接冶金学课程设计-13 -五.焊接工艺特点(1)焊接方法和焊接材料的选择低碳调质钢焊接时要解决两个问题：1.防止裂纹；2.保证在满足高强度要求 的同时，提高焊缝金属及热影响区的韧性。低碳钢常用焊接方法有焊条电弧焊、CO 焊和 Ar+ CO 混合气体保护焊等。对 于屈服强度由于等于 980Mpa 大于等于 686Mpa 的低碳调质钢，焊条电弧焊或埋弧 焊或熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊都能采用。又因为焊接接头采用对接接头形 式，焊条电弧焊可应用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对接、搭接、 角接、T 形接头等各种接头形式的焊接，对接接头的装配精度要求低，适用于低 碳钢、低合金结构钢、等材

21、料的焊接。这里选择 焊条电弧焊。考虑到焊缝与母材强度的等强度原则， 由于之前考虑冷裂纹时有预热 100C的情况且要采用低氢型焊条，可采用“等强匹配“且化学成分要尽量与母材相近， 选用焊条牌号 J707NiW (E7015-G)。化学成分(质量分数%)(Tb(T SCMnSiWNiMo7206100.050.100.91.350.20.40.20.50.50.90.30.6其中，有 W分，钨熔点高，钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。不影响 形成的焊缝强度和性能。【7】【8】再由图 4.1 可知，母材为 5m 厚度，选择焊条直径为 3.2mm图 4.1【7】湖北工业大学焊接冶金学课程设计-14

22、 -湖北工业大学焊接冶金学课程设计-15 -(2)焊缝化学成分的计算根据公式：W 焊缝金属)=D(熔合比)*W(母材金属)+(1-D)*W (焊接材料)计 算焊缝化学成分(如下，熔合比 D=0.3【9】CCrMnSiNiMoW0.0680.1030.1620.9271.2420.2540.3940.6080.8880.30.510.1750 .35(3)焊接参数的选择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。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

23、求冷却快 较好，因此应兼顾两者冷却速度范围。由于焊条选择为 J707NiW(E7015-G),由下图 4.2 可知选择焊接电流 120A 要 限制过大的线能量，以避免出现裂纹和脆化。图 4.2电流大小和极性选择勺电流进行烬也横悍&焊、仰悍时,电流比平悍小【湖北工业大学焊接冶金学课程设计-16 -2.预热温度和焊后热处理预热的目的是防止裂纹，降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的“自 回火”来提高抗裂性能，之前计算冷裂性得出结论需焊前预热 100C左右，才能 防止裂纹的产生。低碳调质钢一般是在焊态条件下使用，由于有“自回火”的作用，通常情况 下不进行焊后热处理。除非接头强度和韧性过低、焊接结构受力大或承受应力腐 蚀等情况才进行焊后热处理，热处理温度必须必母材原材料调质处理的回火温度 低 30C左右。(4) 焊接工艺确定1. 焊前清除焊件铁锈、油污、水分等杂质，将坡口附近打磨出光洁表面。2. 板厚较小，焊前可不进行预热，但为了防止产生冷裂纹，可进行100C预热，必须严格控制预热温度。3. 为防止产生冷裂纹，因此必须严格控制焊接材料中的含氢量，要求所使用的 焊条必须是低氢型或超低氢型的， 焊前应严格按规定进行烘干、贮存，放在保温 箱内，随用随取。4 为避免过度损伤热影