金属材料焊接工艺 第3版 教案 22 耐热钢的类型与性能

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号22授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第五章耐热钢的焊接1、耐热钢的类型与性能2、低、中合金耐热钢的焊接教学目标：知识目标：1、了解耐热钢的性能类型2、了解低、中合金耐热钢的焊接性能力目标：1、知道耐热钢对焊接接头的要求2、熟悉低、中合金耐热钢的焊接工艺特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生必须熟记耐热钢的各种分类方法。举例说明低、中合金耐热钢的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：1．对耐热钢焊接接头有哪些基本要求？2．耐热钢中含有哪些合金元素？这些合金元素的作用是什么？合金元素的质量分数有何特点？3．低、中合金耐热钢的性能有何特点？其焊接性如何？4．试分析低、中合金耐热钢的焊接工艺要点。课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1耐热钢的类型在高温下工作，并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称之为耐热钢。耐热钢广泛用于石油化工工业中的高温管线、反应塔和加热炉、热电站的锅炉和汽轮机、汽车和船舶的内燃机、航空航天工业的喷气发动机、核能动力装置等高温装置。耐热钢分为:（按特性分）热稳定钢--在高温状态下具有抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢，如常用的铬镍钢（Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等）和高铬钢（Cr17、Cr25Ti等）；热强钢--在高温状态下既具有抗氧化或耐气体介质腐蚀，又必须具有一定的高温强度的一类钢，主要有高铬镍钢（1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等）以及多元合金化的以Cr12为基的马氏体不锈钢（1Cr12MoWV）等。按合金元素质量分数分类分为低合金耐热钢，其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn-Ni–Mo和Cr-Mo-Ti-B等；中合金耐热钢，其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等；高合金耐热钢，其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。按组织分类分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2耐热钢的性能1．高温化学稳定性高温化学稳定性主要是指高温抗氧化性，有时还要求具有抗氢腐蚀性。2．高温力学性能高温力学性能主要指热强性。提高热强性的措施：（1）利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力；（2）形成稳定的第二相，主要是碳化物相（WC等）。（3）强化晶界，如控制晶粒度，加入微量细化晶粒的合金元素（B、Re）等。能力知识点3对耐热钢焊接接头性能的基本要求等热强性2．焊接接头的抗氧化性3．焊接接头组织的稳定性4．焊接接头的物理均一性.填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段低、中合金耐热钢的焊接能力知识点1低、中合金耐热钢的成分与性能特点成分是以Cr、Mo为主要合金元素铬的质量分数在0.5％～12.5％之间，钼的质量分数为0.5％或1％，室温组织以珠光体为主，因此又称为珠光体耐热钢。具有良好的抗氧化性和热强性，还具有一定的抗硫和氢腐蚀的能力，同时具有很好的冷热加工性能。主要应用于在600℃以下工作的动力、石油化工等工业设备中。按合金化方式可将低碳低合金耐热钢分为以下三类：（1）Mo钢Mo钢是最早使用的低合金耐热钢，Mo的质量分数为0.5％。Mo的主要作用是固溶强化，提高钢的热强性。现在应用很少。（2）Cr-Mo钢为了改善Mo钢的石墨化问题，提高钢的组织稳定性，进而提高热强性，在Mo钢中加入一定量的Cr，Cr能使碳化物具有一定的热稳定性，阻止石墨化。Cr-Mo钢的使用温度可以提高到550℃。（3）多元复合合金化的低合金耐热钢除固溶强化外，钢中加入了Ｖ、Ｔi、Ｂ等微量元素进行时效强化和晶界强化，进一步提高钢的热强性和高温组织的稳定性。其合金系统有Cr-Mo-V，Cr-Mo-W-V，Cr-Mo-W-V-B，Cr-Mo-V-Ti-B等。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2低、中合金耐热钢的焊接性1．热影响区淬硬性及冷裂纹低合金耐热钢的主要合金元素是Cr和Mo，能显著提高钢的淬硬性。如果在焊接时冷却速度过快，则在焊缝及热影响区形成对冷裂纹敏感的马氏体和上贝氏体等组织。如图5-1所示，12Cr2MoWVTiB钢氩弧焊焊接接头的过热区出现了粗大的马氏体组织。2．消除应力裂纹倾向低合金耐热钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素属于强碳化物元素，若结构拘束度较大，那么在消除应力处理或高温下长期使用时，在热影响区的粗晶区容易出现消除应力裂纹。图5-2为10CrMo910钢焊接接头在620℃回火处理后出现的消除应力裂纹。消除应力裂纹一般在500～700℃敏感温度范围内形成，并且出现在残余应力较高的部位，如接头咬边、未焊透等应力集中处，这些部位在加热过程中，残余应力释放，蠕变变形较大，更容易出现裂纹。为了防止消除消除应力裂纹，可采取下列措施：1）选用高温塑性优于母材的焊接材料，严格控制母材和焊接材料的合金成分，特别是要限制V、Nb、Ti等合金元素的含量到最低的程度。2）将预热温度提高到250℃以上，道间温度控制在300℃左右。3）采用低热输入焊接工艺和方法，缩小焊接接头过热区的宽度，细化晶粒。4）选择合理的热处理工艺，避免在敏感温度区间停留较长时间。3．热影响区的软化低合金耐热钢焊接接头热影响区存在软化问题，其软化区的金相组织特征是铁素体加上少量碳化物，在粗视磨片上观察到一条明显的“白带”，其硬度明显下降。软化区的存在对室温性能没有什么不利的影响，但在高温长期静载拉伸条件下，接头往往在软化区发生破坏。4．回火脆性Cr-Mo耐热钢及焊接接头在350～500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。焊缝金属回火脆化的敏感性比母材大，这是因为焊接材料中的杂质难以控制。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点3低、中合金耐热钢的焊接工艺要点1．低合金耐热钢的焊接工艺低、中合金耐热钢一般在预热状态下焊接（定位焊同样需要预热），焊后大多要进行高温回火处理。多层焊时应保持道间温度不低于预热温度。焊接过程中尽量避免中断，不得以中断焊接时，应采取缓冷措施；重新施焊的焊件仍需预热，焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时，然后再缓慢冷却。（1）焊接方法常采用的熔焊方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊和电渣焊,但常以焊条电弧焊为主，埋弧焊和气体保护焊的应用也越来越多。（2）焊前准备焊前准备的内容主要包括下料、坡口加工、热切割边缘和坡口面的清理以及焊接材料的预处理。一般的低合金耐热钢工件，可以采用各种热切割下料。为防止厚板热切割边缘的开裂，应采取下列工艺措施：1）对于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型钢和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo钢板，热切割前应将割口边缘预热150℃以上。2）对于15mm以下的2.25Cr-Mo钢板，热切割前应预热100℃以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹。焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊丝用光焊丝，表面要清理干净。镀铜焊丝应将表面积尘和污垢仔细清理。焊条和焊剂要妥善保管，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干。表5-3列出了几种常用低合金耐钢的焊条和焊剂烘干温度。（3）焊接材料焊接材料的选择原则应保证焊缝金属的合金成分、强度性能与母材基本一致。若二者成分相差很大，则焊接接头在长期高温条件下工作时，会因成分不均匀而导致合金元素扩散，使焊接接头的高温性能不稳定；焊缝强度不能选得过高，以免使焊缝塑性变差，甚至产生冷裂纹。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段焊接材料中碳的质量分数应略低于母材，其wc<0.12％，但不得低于0.07％，否则会造成焊缝金属的冲击韧度、热强性等降低。含碳量对10CrMo910钢焊缝金属冲击韧度的影响如图5-3所示，焊缝金属wc＝0.08％时的韧性明显高于wc＝0.05％的焊缝。（3）预热和焊后热处理低合金耐热钢预热温度范围一般80～150℃，；局部预热时，必须保证预热宽度大于焊件壁厚的4倍，且不能少于150㎜。对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善组织，提高接头的综合性能。低合金耐热钢焊后一般作高温回火处理，回火参数主要是加热温度和保温时间。回火温度的范围在580～760℃。2．中合金耐热钢的焊接（1）焊接方法应优先选择低氢的焊接方法。如钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊等。在厚壁焊件中，可选择焊条电弧焊、埋弧焊和电渣焊。但必须采用碱性药皮焊条和焊剂。（2）焊前准备切割之前，必须将切割边缘200mm宽度内预热到150℃以上。切割面应采用磁粉探伤检查是否存在裂纹，焊接坡口应机械加工，坡口面上的热切割硬化层应清理干净，必要时应作表面硬度测定加以鉴别。接头坡口形式和尺寸的设计原则是尽量减少焊缝的横截面积。（3）焊接材料焊接材料选择原则是在保证焊接接头具有与母材相当的高温蠕变极限和抗氧化性的前提下，改善其焊接性。其方案有两种：一是选用高铬镍奥氏体焊接材料