16Mn板材焊接件裂纹萌生研究

1、16Mn板材焊接件裂纹萌生研究实验者：张靖翊 学 号：080301124 班 级：金属材料工程一班 2011-11-5目 录摘要31 绪论41.1低合金高强度钢的发展趋势.41.2合金元素在低合金高强度钢（16Mn）中的作用及该的工程应用.51.3 低合金高强度钢的焊接难点.71.4 16Mn母材组织研究和力学性能测定82 16Mn钢板手工电弧焊接头组织、性能研究.112.1 5mm厚16Mn钢板实际焊接112.2 焊后观察焊缝外观.122.3 焊接接头的拉伸试验.122.4 焊接接头金相试验.143 裂纹萌生及扩展分析.154.总结和致谢175.参考文献. 17摘 要在材料的疲劳研究中，裂纹

2、是描述疲劳损伤过程的一个重要物理量，人们对金属疲劳裂纹的形成及扩展规律做了大量的研究，已经形成了一些理论，但对焊接结构疲劳裂纹的形成与扩展的研究还不多。随着航天工业的发展，对材料的冶金质量和零件精度要求逐渐提高，这类零件的短裂纹扩展是整个疲劳失效的重要部分，因此对裂纹萌生与扩展的研究具有重要的意义。关键词：焊接件、裂纹、形成及扩展、断口分析1.绪论1.1低合金高强度钢的发展趋势过去的10年,中国的钢铁工业发生了巨大的变化,粗钢产量持续增长,由2001年的约1.51亿t增长到2010年的6.27亿t,如图1所示。特别是“十一五”期间,在强烈的市场需求拉动下,粗钢产量五年上了3个台阶,2006年跨

3、越4亿t,2008年达到5亿t,2010年又超过了6亿t的台阶。由图2可见,中国的钢铁品种结构中,普通碳素钢一直占据统治地位。在中国粗钢产量达1亿t时,普通碳素钢占钢产量比例约为75%,现在已降到60%以下。合金钢产量所占比例没有明显变化约占钢产量的5%6%。过去的10年中国低合金钢的比例显著增加,约占钢产量的30%左右。近年来中国微合金钢的生产得到了快速发展。图32 示出了过去10年中国铌、钒、钛微合金钢产量的变化情况。可以看出,中国铌、钒、钛微合金钢的产量在过去的10年有了大幅度地增长,2001年中国微合金钢的产量约500万t到2010年仅铌微合金钢的产量已经超过4100万t,铌、钒、钛微

4、合金钢的总量约7000万t。HSLA钢的快速发展也有力推动了铌、钒合金在中国钢铁中的应用(见图4)。1.2合金元素在低合金高强度钢（16Mn）中的作用及该的工程应用16Mn的主要成分含量见表1。成分元素CMnNiSiPSCrCu含量(%)0.130.191.201.600.300.200.600.0300.0300.300.25表1碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

5、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。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，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 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。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.1

6、50.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，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%，优质钢要求更低些。 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

7、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%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。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。 16Mn强度级别为343MPa，在热轧或正火状态下使用，综合力学性

8、能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好。与Q235相比，强度提高50%，耐大气腐蚀性能提高20%38%，低温冲击韧性也比Q235优越，但缺口敏感性较碳钢大。16Mn价廉，应用广泛，用于大型船舶、车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油贮藏、起重及矿山机械、电站设备、厂房钢架等承受动载荷的焊接结构，-40一下寒冷地区的各种金属构件，可代替15Mn作渗碳零件。1.3 低合金高强度钢的焊接难点1.3.1 冷裂纹根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹也有不同的类别，大致可以分为三类：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹（或称淬火裂纹）和低塑性裂纹。延迟裂纹是冷裂纹中最常见的一种，他是高强度钢焊接的突出问题之一，随着钢碳当

9、量的增加，延迟裂纹的倾向也增加。延迟裂纹主要产生于热影响区的粗晶区，有时也出现于焊缝。焊接接头中的马氏体组织、一定的含氢量及拘束应力是产生延迟裂纹的必要条件。焊接碳当量较高的钢种，粗晶区金属晶粒由于过热而显著增大，热影响区的马氏体或下贝氏体组织增多，尤其当形成粗大的孪晶马氏体时其缺口敏感性增强，催化严重，金属的变形能力降低。由于高焊接应力的作用及氢的富集在脆化区形成裂源，萌生显微裂纹。裂纹尖端形成三向应力，并再行诱导氢扩散富集，使裂纹扩展，最后形成宏观裂纹。1.3.2 热裂纹对于热轧钢、正火钢及低碳调质钢，因含碳量都比较低，含Mn量又较高，因而Mn/S比较高，具有较好的抗热裂纹能力。对于热裂倾

10、向较大的材料，通过选择合适的焊接材料，提高焊缝的含锰量，热裂纹是可以避免的。1.3.3 过热区的脆化 焊接接头热影响区中超过1200以上直至熔点一下的区域，称为过热区，该区域宽度随电弧焊规范不同一般为14毫米，由于温度高，受热大，因此该区域的晶粒显著长大。1.4 16Mn母材组织研究和力学性能测定1.4.1 母材组织图5图5所示为16Mn母材金相图（400），白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，铁素体较多。16Mn钢的力学性能及焊后接头应达到的标准见表2b(MPa)s(MPa)%(MPa)f(MPa)f热轧钢板50038975.82.0610-57701.419焊接接头49036854.52.

11、0610-57040.87 表21.4.2 焊接接头组织金相图 图6 图7 图8 图9 图10在焊接条件为板厚26mm，轧制状态，预热100，焊接线能量1.7kJ/cm，焊条为422。得到以下组织图。图6为焊缝组织焊缝中心组织图（100），经4%硝酸酒精浸蚀。白色先共析铁素体沿柱状晶分布，无碳贝氏体沿晶界向晶内平行生长，晶内有针状铁素体，粒状贝氏体和珠光体。图7为焊缝组织层间区组织图（200），经4%硝酸酒精浸蚀。白色的为铁素体，黑色为珠光体和少量贝氏体。图8为焊趾熔合区组织图（200），经4%硝酸酒精浸蚀。左下角为焊缝，白色先共析铁素体沿晶界分布，晶内为针状铁素体。右边为母材热影响区，白色铁

12、素体沿原奥氏体晶界析出，晶内为针状铁素体、粒状贝氏体和珠光体。图9为焊缝熔合区组织图（200），经4%硝酸酒精浸蚀。左下角为焊缝，先共析铁素体沿柱状晶界分布，无碳贝氏体沿晶界向境内生长、晶内为针状铁素体、粒状贝氏体和珠光体。图10为热影响区组织（二次过热区 200），经4%硝酸酒精浸蚀。白色为铁素体，黑色为珠光体、少量粒状贝氏体。2 16Mn钢板手工电弧焊接头组织、性能研究焊接过程中或焊接以后，在焊接接头区域内所出现的金属局部破裂现象叫裂纹。根据焊接产生中采用的钢种和结构类型的不同，可能遇到各种裂纹。裂纹可能产生在焊缝上，也可能在焊缝两侧的热影响区，还可能产生热影响区和焊缝的贯穿裂纹。有时产生

13、在金属表面，有时产生在金属内部。有纵向裂纹，有横向裂纹，有产生在弧坑上的裂纹。有的裂纹用肉眼就可看到，有的则必须借助显微镜才能发现。有的裂纹焊后立即出现，有的则是在放置或运行一段时间之后才出现。对于16Mn焊接件，由于焊接新能优良，我们主要关注它的冷裂纹。2.1 5mm厚16Mn钢板实际焊接选用422焊条，它是一种酸性焊条，药皮钛钙型，主要用途:用于焊接较重要的低碳钢结构和强度等级低的低合金钢，一般用于焊接钢结构和普通碳钢管道的焊接。直径3.2mm，具有优良的焊接工艺性能和力学性能，电弧稳定，飞溅少，脱渣容易，焊缝成型美观。电流选择100A，保证线能量在0.72.5kJ，板材对接焊。焊前焊条预

14、热烘干10分钟，接头打磨开V型坡口，去油污，保证焊透，减少扩散氢导致气泡产生。焊后冷却至室温，用砂轮打磨成工字型拉伸试样（拉伸区尺寸：83.2mm17.8mm3.7mm）2.2 焊后观察焊缝外观焊后发现出现未焊透现象，分析原因,，可能是线能量过低，对接坡口太窄。对未焊透的板材实施补焊措施，加大线能量，电流选择150A。得到外观较好，飞溅较少的焊缝。2.3 焊接接头的拉伸试验焊后冷却至室温，用砂轮打磨成工字型拉伸试样（拉伸区尺寸：83.2mm17.8mm3.8mm）。在环境温度20，湿度20%，标距83mm，试验速度为15mm/Min的条件下对试样加载，得出如表3的数据和图11的曲线图。试样号面

15、积（S）最大载荷（N）抗拉强度（MPa）断裂强度（MPa）断裂伸长（mm）弹性模量（GPa）15522960.15337.649273.7469.531.214 表3 图11从表中数据和曲线图，初步判断焊后所有指标相比母材有所降低，分析原因可能是有夹杂、气孔、冷裂纹产生。端口宏观形貌如图12、13、14。 图12 图13 图14由图12中的端口可明显看出有夹杂和气孔，导致原因主要有：(1)存在二氧化锰和二氧化硅夹杂。这类夹杂往往引起热裂纹(2)硫化物夹杂。硫化物主要来源于焊条或焊剂原材料中，经过液晶反应进入熔池。防止夹杂物应严格控制其来源，从冶金方面入手，即正确选用焊条、焊剂，保证脱硫、脱氧能

16、充分进行。其次是提高操作技能，选择合适的线能量，避免弧过长，造成空气进入。2.4 焊接接头金相试验将做过拉伸试验的一段材料进行砂轮打磨，使其规格大致为：40mm25mm5mm（其中包含母材区、热影响区、焊缝金属区）。经过粗磨、精磨、抛光后，用4%硝酸酒精浸蚀，使其现出金相组织，以便在EIPIPHOT 300金相显微镜上观察。2.4.1 焊缝区金相图 图15如图15，白色铁素体自右上向左下柱状分布，晶内有针状铁素体、粒状贝氏体和黑色珠光体。2.4.2 热影响区组织金相图图16如图16，白色为共析铁素体，仍然沿晶界分布，黑色为珠光体，仍有粒状贝氏体。2.4.3 熔合区组织金相图图17如图17，大部

17、分为黑色的珠光体于晶内，其中有针状铁素体，晶界上仍是共析铁素体。3 裂纹萌生及扩展分析在关注16Mn的冷裂纹时，应考虑到这种钢的淬硬倾向和焊接接头的扩散氢含量。低合金高碳钢，由于碳含量高，淬硬倾向较大，如果焊接过程为预热、不控制层间温度，不进行焊后热处理，很容易产生粗大的淬硬组织。这是导致接头开裂的原因之一。另外，在金属焊缝中，氢大部分是以H,H+或H-形式存在的，他们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢半径小，一部分氢在焊缝金属的晶格中自由扩散，而成为扩散氢。剩余部分扩散聚集到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为分子，而不能自由扩散，称之为残余氢。对于手工电弧焊，氢进入焊缝金属的

18、途径主要有：(1)通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式被吸附后溶入金属中。(2)通过熔渣层以扩散形式溶入金属中。氢主要来源于焊接材料中的水分，含氢物质，电弧周围的空气中的水蒸气和焊材表面的油污。扩散氢的存在，导致焊缝金属出现气孔，这些气孔正是氢脆的原因和冷裂纹的来源。由前面的实际焊接试验准备过程可以看出：(1)只对焊条预热，未对焊材预热，最终焊接件可能已经有淬硬现象出现。(2)操作者在试验时采用手工电弧焊，很难避免空气中的氢进入焊缝金属。根据以上分析，提出以下几点冷裂纹预防措施：1.焊前对待焊件预热，并严格控制预热温度、层间温度，焊后及时进行焊后热处理。2.焊接线能量过大时，会导致近缝区晶粒粗大，降低接头抗裂性能；而线能量过小时，又会使热影响区淬硬，同时也不利于氢的逸出。故应该选用合适的焊接线能量。3.多层多道焊相邻焊道之间、后层对前层之间有消氢和改善热影响区组织的作用，因此，应尽可能使用多层多道焊。4.总结和致谢通过这次综合实验，让我感受最深的就是，大学四年所学终于派上了用场，而且实验更巩固了书本上的知识，深深领略了焊接工艺中的