金属及其焊接研究

金属及其焊接研究第一页，共103页。一、碳素钢

1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响

1.2碳钢的分类

1.3碳钢的牌号和应用

二、合金钢

2.1合金钢的分类2.2合金钢的牌号

2.3合金结构钢2.4合金工具钢

2.5特殊性能钢三、金属的焊接性

3.1金属的焊接性概念3.2金属的焊接性评价

3.3碳钢的焊接3.4热轧钢及正火钢的焊接

3.5低碳调质钢的焊接3.6中碳调质钢的焊接

3.7奥氏体不锈钢的焊接

目录第二页，共103页。一、碳钢第三页，共103页。改善钢的质量；提高钢的强度和硬度；减轻硫的危害；是有益元素，一般WMn＝0.25%～0.80%。1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响

1、锰的影响

2、硅的影响消除FeO对钢的不良影响；产生固溶强化；是钢中有益元素，一般Wsi＜0.4%。一、碳素钢第四页，共103页。使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；使钢低温时脆性严重（冷脆）；是有害元素，应严格控制磷含量。1.1常存杂质元素对碳钢性能的影响

3、磷的影响

4、硫的影响与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元素，应严格控制硫含量。第五页，共103页。分为低碳钢(Wc＜0.25%)、中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%)和高碳钢(Wc＞0.60%)。1.2碳钢的分类

1、按含碳量分类

2、按质量分类

1）普通质量碳钢（Ws＞0.045%、Wp＞0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2）优质碳钢需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。第六页，共103页。1.2碳钢的分类3、按用途分类

1）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等第七页，共103页。1.3碳钢的牌号和应用

1、碳素结构钢

牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws≤0.050%、Wp≤0.045%；B表示Ws≤0.045%、Wp≤0.045%；C表示Ws≤0.040%、Wp≤0.040%；D表示Ws≤0.035%、Wp≤0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235－AF。第八页，共103页。1.3碳钢的牌号和应用

2、优质碳素结构钢牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：45钢。又分为普通含锰量（WMn≤0.7%）和较高含锰量（WMn=0.7%～1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。第九页，共103页。1.3碳钢的牌号和应用

3、碳素工具钢

牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。第十页，共103页。1.3碳钢的牌号和应用

4、铸钢牌号：用“ZG”表示。牌号有两种表示方法：以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“－”隔开。例：ZG230－450。以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量＞1％时不标出,平均碳含量＜0.1％时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。例：ZG15Cr1MolV。第十一页，共103页。2.1合金钢的分类1．按用途分类

合金结构钢合金工具钢特殊性能钢二、合金钢第十二页，共103页。2．按合金元素总含量分类

低合金钢：合金元素总含量＜5％。中合金钢：合金元素总含量5％～10％高合金钢：合金元素总含量＞10％第十三页，共103页。2.2合金钢的牌号

两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示。

前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素。后面的数字表示该元素的含量。合金元素含量小于1.5％时不标，平均含量为1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…时，则相应地标以2，3…。1．合金结构钢第十四页，共103页。40Cr（合金结构钢）主要合金元素为铬，含量在1.5％以下平均含碳量为0.40％60Si2Mn（合金结构钢）平均含硅量为2％平均含碳量为0.60％主要合金元素为锰，含量小于1.5％例：第十五页，共103页。2．合金工具钢

与合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用1位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量≥1.0％时，则不予标出。第十六页，共103页。3．高速钢

含碳量均不标出，如W18Cr4V钢的平均含碳量为0.7％～0.8％。第十七页，共103页。4．特殊性能钢

牌号和合金工具钢的表示方法相同。当含碳量为0.03％～0.10％时，含碳量用0表示，含碳量小于等于0.03％时，用00表示。

不锈钢2Cr13表示含碳量为0.20％，平均含铬量为13％。

0Cr18Ni9钢的平均含碳量为0.03％～0.10％。

00Cr30Mo2钢的平均含碳量小于0.03％。例如：第十八页，共103页。

一些特殊专用钢为表示其用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。5．特殊专用钢例如：

易切钢也是在牌号前冠以拼音字母“Y”，如Y15表示含碳量为0.15％的易切钢。第十九页，共103页。

滚动轴承钢前面标“G”，如GCr15。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素仍用百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5％，硅、锰含量均小于1.5％的滚动轴承钢。滚动轴承钢第二十页，共103页。6．高级优质合金钢

在牌号的最后标上“A”。如38CrMoAlA表示含碳量为0.38％高级优质合金结构钢。第二十一页，共103页。2.3合金结构钢一、低合金结构钢二、合金渗碳钢三、合金调制钢四、合金弹簧钢五、滚动轴承钢

合金结构钢——用于各类工程结构件和制造各种机器零件的钢。第二十二页，共103页。1、低合金结构钢

在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素就形成了低合金结构钢。常加入的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。低合金结构钢的含碳量较低，一般为0.10％～0.25％。热轧退火或正火状态下使用，一般不再进行热处理。第二十三页，共103页。低合金结钢的应用第二十四页，共103页。2、合金渗碳钢

合金渗碳钢在经渗碳+淬火+低温回火的处理后，具有外硬内韧的性能，用来制造既要有优良的耐磨性和耐疲劳性、又能承受冲击载荷作用的零件，含碳量在0.10％～0.25％之间，加入合金元素主要是为了提高钢的淬透性，并防止钢因在长时间渗碳而造成晶粒粗大。其典型热处理工艺为：渗碳+淬火+低温回火。第二十五页，共103页。合金渗碳钢的应用第二十六页，共103页。3、合金调质钢

含碳量一般为0.25％～0.50％，属于中碳合金钢。常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。热处理工艺是调质（淬火+高温回火）。第二十七页，共103页。合金调制钢的应用第二十八页，共103页。4、合金弹簧钢

含碳量一般为0.45％～0.70％。可加入的合金元素有锰、硅、铬、钒和钨等。第二十九页，共103页。合金弹簧钢的应用第三十页，共103页。5、滚动轴承钢

主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针），也可用来制造各种工具和耐磨零件。滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。轴承钢都是高级优质钢。滚动轴承钢的热处理包括预先热处理和最终热处理。预先热处理采用球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。第三十一页，共103页。滚动轴承钢的应用第三十二页，共103页。2.4合金工具钢1、合金刃具钢2、合金模具钢3、合金量具钢第三十三页，共103页。1、合金刃具钢

合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。第三十四页，共103页。1．1低合金刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。

加入铬、锰、硅等元素，目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，目的是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。

低合金刃具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理为：淬火+低温回火。第三十五页，共103页。低合金刃具钢的应用第三十六页，共103页。1.2高速钢

高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳（0.7％～1.50％）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。

高的含碳量：保证形成足够量的合金碳化物，并使高速钢具有高的硬度和耐磨性。

W、Mo：提高钢红硬性的主要元素。铬：提高钢的淬透性。钒：提高钢的硬度、耐磨性和红硬性，并能细化晶粒。第三十七页，共103页。高速合金钢的应用第三十八页，共103页。2、合金模具钢用于制作模具的钢称为模具钢。1．1冷作模具钢

冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。第三十九页，共103页。1.2热作模具钢

热作模具钢是用来制造使金属在高温下成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。热作模具钢要具备较高的强度、韧性、高温耐磨性及热稳定性，并具有较好的抗热疲劳性能。热作模具钢的最终热处理是淬火+中温回火（或高温回火），以保证其具有足够的韧性。第四十页，共103页。热锻模、压铸模和挤压模第四十一页，共103页。3、合金量具钢第四十二页，共103页。2.5特殊性能钢1、不锈钢2、耐热钢3、耐磨钢第四十三页，共103页。1、不锈钢

不锈钢主要是指在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称，能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢，而在一些化学介质（如酸类）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。

常用不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等。按金相组织特点分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等。第四十四页，共103页。1．1奥氏体不锈钢

含碳量很低（≤0.15％），含铬量为18％，镍为9％，这种不锈钢习惯上称为18－8型不锈钢，属于镍铬不锈钢。常用的奥氏体不锈钢有1Cr18Ni9、0Cr18Ni9N等。第四十五页，共103页。1.2马氏体不锈钢

钢中含碳量为0.10％～1.20％，淬火后能得到马氏体，属于铬不锈钢。淬火、回火后使用。马氏体不锈钢的耐蚀性、塑性和焊接性都不如奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢，但由于它具有较好的力学性能与一般的耐蚀性相结合，故应用广泛。马氏体不锈钢锻造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在冲压后也需进行退火，以消除硬化、提高塑性，便于进一步加工。第四十六页，共103页。1.3铁素体不锈钢

含碳量＜0.12％，含铬量在11.50％～30％之间，属于铬不锈钢。铬是缩小奥氏体相区的元素，可使这类钢获得单相铁素体组织。抗大气与耐酸能力强，具有良好的高温抗氧化性，特别是抗应力腐蚀性较好，但力学性能不如马氏体不锈钢，塑性不及奥氏体不锈钢。第四十七页，共103页。2、耐热钢

耐热钢——在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度，能较好适应高温条件的特殊性能钢。钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个指标。在高温下具有抗高温介质腐蚀能力的钢称为抗氧化钢；在高温下仍具有足够力学性能的钢称为热强钢。耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称。常用的抗氧化钢有4Cr9Si2、0Cr13Al等。典型的热强钢是4Cr14Ni14W2Mo。第四十八页，共103页。3、耐磨钢

耐磨钢——在巨大压力和强烈冲击载荷作用下能发生硬化的高锰钢。耐磨钢的典型牌号是ZGMn13，它的化学成分特点是高碳（含碳量为0.9%～1.4%），高锰（含锰量为11%～14%）。为使高锰钢获得单相的奥氏体组织，须对其进行“水韧处理”。所谓水韧处理，就是将高锰钢加热至1000℃～1100℃，保持一定时间，使碳化物全部溶入奥氏体中，然后水冷，得到单相奥氏体。第四十九页，共103页。耐磨钢的应用第五十页，共103页。

缺陷

降低了某些必要的性能3.1

焊接性的概念三、金属的焊接性第五十一页，共103页。1、焊接性的定义金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性

第五十二页，共103页。2、评价标准焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何焊接热循环对HAZ组织结构的影响焊接接头满足规定性能的可能性

——使用焊接性

工艺焊接性

第五十三页，共103页。3.1定义

某种材料在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力

3.2影响工艺焊接性的因素

★材料因素★设计因素

★工艺因素★使用因素

3、工艺焊接性第五十四页，共103页。3.工艺焊接性的分类热焊接性

在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度

评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关冶金焊接性

冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度

影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面

第五十五页，共103页。4、使用焊接性定义指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度

★力学性能★低温韧性★抗脆性断裂性能★高温蠕变★疲劳性能★持久强度★抗腐蚀性能★……

第五十六页，共103页。3.2金属的焊接性评价

第五十七页，共103页。1、碳当量方法目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性

国际焊接协会推荐Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15美国焊接学会（AWS）推荐Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)日本工业标准JIS和西欧标准WES推荐Ceq=C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14Ceq越小，焊接性越好第五十八页，共103页。3.3碳钢的焊接

第五十九页，共103页。1、焊接性分析

2、焊接材料

3、焊接工艺要点一、低碳钢的焊接第六十页，共103页。1、焊接性分析

2、焊接材料

最好采用低氢焊条

可以采用强度级别低的焊条

不允许预热时，可以采用奥氏体不锈钢焊条

3、焊接工艺要点

降低焊后冷速

减小熔合比二、中碳钢的焊接第六十一页，共103页。1、焊接性分析

2、焊接材料

3、焊接工艺要点

高碳钢要先进行退火才能进行焊接

采用结构钢焊条时，焊前应进行250-350℃以上的预热

用奥氏体不锈钢焊条可以不预热

多层焊应保持与预热温度相同的层间温度

通常焊后要进行650℃高温回火消除应力三、高碳钢的焊接第六十二页，共103页。3.4热轧钢及正火钢的焊接

第六十三页，共103页。一、热轧钢及正火钢1、热轧钢强化机理：固溶强化屈服强度：294～392MPa级合金系：C-Mn或Mn-Si系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb，达到细化晶粒和沉淀强化的作用使用状态：热轧状态典型钢种：16Mn组织：细晶铁素体+珠光体第六十四页，共103页。2、正火钢强化机理：固溶强化＋沉淀强化或细晶强化屈服强度：为343～490MPa合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo)系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素）热处理状态：正火典型钢种：15MnVN第六十五页，共103页。二、焊接性分析

裂纹问题接头的脆化问题1、对热裂纹的敏感性C↓Mn↑，Mn/S合格，抗热裂性能↑材料成分不合格或严重偏析→局部C、S↑→Mn/S↓→热裂纹↑冶金措施工艺措施第六十六页，共103页。2、对冷裂纹的敏感性热轧钢正火钢3、再热裂纹的敏感性热轧钢对再热裂纹不敏感正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但对再热裂纹不敏感正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性第六十七页，共103页。4、层状撕裂有可能板厚小于16mm时不容易发生Z向收缩率＞20％，可以避免防止措施第六十八页，共103页。5、焊接接头的脆化（1）过热区的脆化奥氏体严重长大难熔质点的溶入形成高碳马氏体第六十九页，共103页。热轧钢－正火钢含V、Nb的正火钢－过热区沉淀相固溶，奥氏体晶粒显著长大，产生不利的组织转变；含钛正火钢－过热区的TiN、TiC都向奥氏体内溶入，来不及析出而停留在铁素体中，导致硬、脆第七十页，共103页。（2）热应变脆化现象：熔合区及200-400℃区发生脆化原因：碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用钢种：固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢消除措施：加入足够量的氮化物形成元素焊后消除应力退火第七十一页，共103页。（2）热应变脆化现象：熔合区及200-400℃区发生脆化原因：碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用消除措施：加入足够量的氮化物形成元素焊后消除应力退火第七十二页，共103页。1、焊接材料的选择选择相应强度级别的焊接材料考虑熔合比和冷却速度的影响必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响满足焊缝对特殊性能的要求

三、焊接工艺特点第七十三页，共103页。2、焊接工艺参数的确定（1）焊接线能量对热轧钢[C]↓→E↓，[C]↑→E↑正火钢强度级别较低：线能量↓强度级别更高、碳、合金元素较高：线能量↑；线能量↓＋预热第七十四页，共103页。（2）预热防止裂纹和适当改善焊接接头性能（3）焊后热处理

第七十五页，共103页。第七十六页，共103页。材料：Q460第七十七页，共103页。第七十八页，共103页。C(碳)

Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(铬)Ni(镍)Al(铝)Mn(锰)V(钒)Nb(铌)Ti(钛)≤0.20≤0.55≤0.035≤0.035≤0.70≤0.70≤0.151.00~1.700.02~0.200.015~0.060

0.02~0.20Q460化学成分Ceq=0.40%~0.47%第七十九页，共103页。3.5低碳调质钢的焊接第八十页，共103页。低碳调质钢碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18%强化机理：相变强化（调质处理〕屈服强度：为490MPa～1000MPa合金系：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系主合金化元素：Mn、Ni、Cr、Mo辅合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu热处理状态：淬火＋回火，低碳马氏体或下贝氏体，综合机械性能好典型钢种：14MnMoVN、HT60~HT80、HY80～HY130第八十一页，共103页。

过热区脆化

HAZ软化裂纹？一、焊接性分析第八十二页，共103页。1.过热区脆化第八十三页，共103页。母材的强度越高，软化越显著

调质处理的回火温度越低，软化区越宽

焊接热源越不集中，软化区越宽

焊接E越大、预热温度过高，软化加重2.HAZ软化第八十四页，共103页。主要依据

采用热源集中的焊接方法

焊接材料

焊接线能量E

预热

焊后热处理

二、焊接工艺特点第八十五页，共103页。3.6中碳调质钢的焊接第八十六页，共103页。中碳调质钢强化机理：相变强化（调质处理〕屈服强度：为880MPa～1200MPa合金系：中C、Cr-Mn-Ni-Mo-Si系主合金化元素：Cr-Mn-Ni-Mo-Si辅合金化元素：V热处理状态：淬火＋回火典型钢种：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA第八十七页，共103页。热裂倾向[C]↑→S、P偏析↑→热裂倾向↑[C]多，合金多→△TB（液固相区间）↑→热裂↑冷裂敏感性[C]↑Ceq大焊接时，T0+Tp（焊后及时进行回火处理）过热区脆化HAZ软化一、焊接性分析第八十八页，共103页。指导思想：防止裂纹、过热区脆化和HAZ软化在退火态下焊接焊接材料工艺参数选择－主要防止裂纹钢在调质态下焊接焊接方法：尽量选择热源集中的方法焊接材料：等强原则小E，配合预热、缓冷和后热等预热、焊后及时回火处理二、焊接工艺特点第八十九页，共103页。3.7奥氏体不锈钢钢的焊接第九十页，共103页。一、奥氏体钢

显微组织：奥氏体成分：高铬不锈钢+适量的Ni典型钢种：18-8钢0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25-20钢2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35钢0Cr21Ni324Cr25Ni35第九十一页，共103页。二、焊接性分析接头的耐蚀性接头的热裂纹接头的热强性和再热裂纹问题第九十二页，共103页。1、晶间腐蚀定义：