10mncrnimo焊接性分析課程設計

1、<p><b>　　焊接冶金學課程設計</b></p><p>　　10MnCrNiMo的焊接性分析</p><p>　　學 院：機械工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級：材料成型及控制工程專業(yè)</p><p>　　學 生：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　指導老師： </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一．本課程設計的基本內容和要求 3</

3、p><p>　?。?）基本內容 3</p><p>　?。?）基本要求 3</p><p>　　二．10MnCrNiMo的化學成分及力學性能分析

4、 3</p><p>　?。?）鋼號及化學成分 3</p><p>　　（2）主要合金元素作用分析 4</p><p>　　三．SHCCT圖分析

5、 6</p><p>　　四．10MnCrNiMo的焊接性分析 7</p><p>　?。?）冷裂紋 7</p><p>　?。?/p>

6、2）熱裂紋及消除應力裂紋（再熱裂紋） 8</p><p>　?。?）熱影響區(qū)的性能變化 8</p><p>　　五．焊接工藝特點 10</p><

7、;p>　?。?）焊接方法和焊接材料的選擇 10</p><p>　　（2）焊縫化學成分的計算 11</p><p>　?。?）焊接參數(shù)的選擇 11</

8、p><p>　?。?）焊接工藝確定 12</p><p>　?。?）焊后質量檢測 13</p><p>　　一．本課程設計的基本內容和要求</p><p><b&

9、gt;　?。?）基本內容：</b></p><p>　　查閱板厚為5mm的母材材料的成分、力學性能、用途及其SHCCT；</p><p>　　對母材進行焊接性理論分析；</p><p>　　選用焊接材料，以熔合比為0.3計算焊縫的化學成分；</p><p>　　根據(jù)SHCCT圖分析HAZ的組織；</p><p&

10、gt;　　初步探討材料的焊接工藝的特點，采用對接接頭；</p><p>　　查詢文獻、綜合分析及標注的方法。</p><p><b>　　（2）基本要求：</b></p><p>　　掌握焊接性理論分析方法；</p><p>　　掌握SHCCT圖的分析方法；</p><p>　　初步分析材料的焊

11、接工藝特點；</p><p>　　標注所引用的文獻來源。</p><p>　　二．10MnCrNiMo的化學成分及力學性能分析</p><p>　　（1）鋼號及化學成分</p><p>　　表 一 【1】</p><p>　　由上表可知，合金元素總質量分數(shù)為3.2%，

12、為低合金結構鋼。</p><p>　　表 二 【1】</p><p>　　測定條件：Tm=1350℃ 原始狀態(tài)：淬火+回火（調質）</p><p>　　由上表可知，一定溫度條件下，經過調質處理后，屈服強度為σs=651Mpa,抗拉強度為σb=716Mpa,故屬于低碳調質鋼

13、，且為高強鋼。故10MnCrNiMo為低合金高強度的低碳調質鋼。</p><p>　　用途：10MnCrNiMo常制造成圓鋼，用于系泊鏈的制造如煤機鏈條、圓環(huán)鏈。</p><p>　　（2）主要合金元素作用分析： 【2】 </p><p>　　錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。在碳

14、素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。錳元素細化焊縫區(qū)組織晶粒大?。辉黾雍缚p的屈服強度和抗拉強度，減少鋼的時效傾向增強沖擊韌性。</p><p>　　鉻（Cr）：鉻能顯著提高焊縫的強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性，熱處理后韌性更低，鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。

15、0;   鎳（Ni）：鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。鎳的加入可以提高焊縫的硬度，屈服強度，抗拉強度及沖擊性能。消除應力處理對錳鎳匹配焊縫的韌性幾乎沒有影響，但在鎳與錳含量不匹配時產生嚴重脆化。</p><p>　　鉬（Mo）：細化焊縫粗晶區(qū)與細晶區(qū)的晶粒，，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到

16、應力，發(fā)生變形，稱蠕變)。結構鋼中加入鉬，能提高機械性能，使焊縫的硬度、屈服強度和抗拉強度提高。</p><p>　　硅（Si）：硅會導致焊縫金屬脆性降低，從韌性考慮硅有害。從防止焊縫氣孔考慮，焊縫金屬至少應含有0.2%的硅，能作為脫氧劑并防止CO氣孔形成，所以焊縫應含有一定的硅，但作為脫氧產物容易形成硅酸而夾渣，低熔點的硅酸鹽還可能導致結晶裂紋。硅能使焊縫的硬度、屈服強度和抗拉強度呈非線性增加，但缺口韌性下降，

17、其損害程度與含錳量有關。</p><p>　　硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫對焊接性能也不利，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，選用母材符合要求。</p><p>　　磷（P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045

18、%，選用母材符合要求。</p><p>　　銅（Cu）：銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。當Cu、Mo聯(lián)合添加時，可顯著提高淬透性。但是過量的銅會引起殘余奧氏體增多，影響材料耐磨性。缺點是在熱加工時容易產生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當銅含量小于0.50%對焊接性無影響選用的母材符合要求不會對焊接性產生影響。</p><p>　　其中，Mn、Si為固溶強化作用，Mo為沉淀強

19、化和細晶強化。</p><p>　　三．SHCCT圖分析</p><p>　　圖2.1 【1】</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p>　　如圖2.1中，圖中縱坐標以正?？潭缺硎緶囟龋瑱M坐標以對數(shù)刻度表示時間，除了曲線1、2、3以外的每條曲線都表示以A3為起點的

20、冷卻過程，A表示奧氏體組織區(qū)域，F(xiàn)表示鐵樹體組織轉變區(qū)域， Zw表示中間組織轉變區(qū)域，M表示馬氏體組織轉變區(qū)域，圖中曲線1為奧氏體開始析出鐵素體的區(qū)域，曲線2為從奧氏體析出中間組織的區(qū)域，同時曲線2為鐵素體析出結束曲線，曲線3是中間組織轉變結束曲線，同時Ms表示馬氏體開始轉變形成的溫度。</p><p>　　圖中的CZ’、Cf’分別表示從A3溫度冷卻到500℃開始出現(xiàn)的中間組織（即各種貝氏體類組織）、鐵素體，以及

21、記得到貝氏體和鐵素體的臨界冷卻時間（s）。這些特征值對分析焊接熱影響區(qū)的組織很有意義，只要結合圖2.2在實際焊接過程中熱影響區(qū)所要研究部位的金屬從A3冷卻到500℃的時間，對照臨界冷卻時間，就可以判斷熱影響區(qū)的顯微組織。</p><p>　　拿圖中最右邊的冷卻曲線來說，最終室溫下的組織成分為55%的F，40%的Zw和5%的M，平均維氏硬度為224HV。</p><p>　　如圖2.2所示，

22、Cz’和Cf’對應的冷卻曲線的冷卻速度分別為Vz=（A3-500）/ CZ’=75℃/s；和Vf=（A3-500）/ Cf’=59.4℃/s，Vz和Vf分別為室溫組織全部為回火馬氏體的臨界速度和室溫組織中不含鐵素體的臨界速度。說明圖2.1往右的曲線表示的冷卻速度越慢，對于低碳調質鋼來說，焊接后得到的理想的組織為回火馬氏體和下貝氏體（10%~30%）的混合組織。故冷卻速度在Vz和Vf之間的冷卻曲線較為理想。即在室溫下得到的組織全為回火馬氏

23、體和貝氏體。</p><p>　　在冷卻時要求馬氏體轉變時的冷卻速度不能太快，使馬氏體有一個自回火的過程，從而有利于形成回火馬氏體，采用多層多道焊接方法時，后一道焊縫對前一道焊縫有一個回火熱處理的過程，這也有利于回火馬氏體的形成。</p><p>　　大致冷卻過程為：從 785℃開始冷卻，開始的組織為奧氏體，冷卻到約650℃時，從奧氏體中開始析出鐵素體，隨著冷卻過程的進行鐵素體的量增加，冷

24、卻到約570℃時，開始析出中間組織（即各種貝氏體組織），隨著冷卻過程的進一步進行，在440℃時，開始析出馬氏體，最后的室溫組織為馬氏體+下貝氏體。</p><p>　　四．10MnCrNiMo的焊接性分析</p><p>　　由表一、表二分析可知，10MnCrNiMo為低碳調質鋼，低碳調質鋼碳的質量分數(shù)不超過0.18%，焊接性能遠優(yōu)于中碳調質鋼，這類鋼焊接熱影響區(qū)形成的是低碳馬氏體，馬氏體

25、開始轉變溫度Ms較高，所形成的馬氏體具有“自回火”特性，使得焊接冷裂紋傾向比中碳調質鋼小。</p><p>　　低碳調質鋼的σs一般為441～980MPa，在調質態(tài)供貨和使用。其特點是含碳量更低，淬火組織為低碳馬氏體，不僅強度高，并且兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調質狀態(tài)下進行焊接，焊后也不需要進行調質處理。這類鋼由于強度高，主要用于高壓設備。調質鋼中最簡單的一類，就是將σs≥343MPa的Mn-Si鋼進行調質

26、處理后達到的σs441～490MPa。但當板厚加大或強度級別要求更高時，就需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，來保證達到足夠的淬透性和抗回火性。 【3】</p><p><b>　?。?）冷裂紋</b></p><p>　　這類鋼的合金化原理，就是在低碳的基礎

27、上通過加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。</p><p>　　鋼的淬硬傾向主要取決于化學成分，其中碳元素的影響元素最大，而中碳鋼含碳量較高，冷裂傾向較大，可以通過碳當量公式來大致估算鋼的冷裂敏感性。通常碳當量越高，淬硬性越大，冷裂敏感性也越大。選用日本JIS標準規(guī)定： </p><p>

28、;　　Ceq=C+Mn/6 + Si/24 +Ni/40 +Cr/5 +Mo/4 +V/14 (%) 【4】</p><p>　　由表一中各個元素含量代入公式算出：Ceq=0.495%，可查下表三知鋼材淬硬傾向較大，需要焊前預熱100℃以防止冷裂紋的產生。 </p><p>　　表三：根據(jù)鋼材強度和碳當量確定預熱溫度

29、</p><p>　　由于這類鋼的淬硬傾向大，在焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)有產生冷裂紋和韌性下降的傾向。但由于這類鋼的特點是馬氏體含量很低，它的轉變溫度Ms點較高，如果在該溫度下冷卻較慢，則生成的馬氏體還能來的及進行一次“自回火”處理，因而實際上冷裂傾向并不一定很大。即在馬氏體形成后如果能從工藝上提供一個“自回火”處理的條件，即保證馬氏體轉變的冷卻速度較慢，則冷裂紋是有可能避免的；若馬氏體轉變的冷卻速度很快，得不到“自回

30、火”效果，則冷裂傾向就必然會增大。同時，限制焊縫含氫量，可采用低氫型焊條。</p><p>　?。?）熱裂紋及再熱裂紋</p><p>　　1．低碳調質鋼含碳量較低、Mn含量較高，因此熱裂紋傾向比較小，可以根據(jù)化學成分對焊接熱裂紋敏感性的影響評估熱裂紋傾向，采用熱裂紋敏感性指數(shù)法（簡稱HCS），其計算公式為：</p><p><b>　　【5】</b

31、></p><p>　　由10MnCrNiMo鋼各元素的化學成分估算出HCS=1.52，當HCS≤4時，一般不產生熱裂紋，因此10MnCrNiMo鋼沒有熱裂紋傾向。</p><p>　　2.從低碳調質鋼的合金系統(tǒng)來看，在為加強淬透性和抗回火性而加的一些合金元素中，大多數(shù)是屬于能引起再熱裂紋的元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，其中V的影響最大，Mo次之，而且V和Mo同時加

32、入是就更嚴重。Cr的影響與含量有關。在Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼中，當Cr＜1%時，隨著含Cr量的增加再熱裂紋的傾向加大；當Cr＞1%后，繼續(xù)增加含Cr量時再熱裂紋傾向減小。</p><p>　　用△G法判斷：△G’=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C（%）=0.63≤1.5，故10MnCrNiMo對再熱裂紋不敏感。

33、【6】</p><p>　?。?）熱影響區(qū)的性能變化 【4】</p><p><b>　?、龠^熱區(qū)的脆化</b></p><p>　　這類鋼的合金化原理是通過提高淬透性來保證獲得高強度和高韌性的低碳馬氏體和下貝氏體。因此它的含C量很低，一般限制在0.18%以下。一些

34、強度級別高的鋼都存在一個韌性最佳的冷卻時間t8/5，這時剛好對應于馬氏體+下貝氏體的組織。焊接熱循環(huán)作用下，當t8/5繼續(xù)增加時，引起脆化的原因除了奧氏體晶粒粗化引起脆化外，主要原因是由于上貝氏體和M-A組元的形成。這類鋼中上貝氏體轉變的同時很容易出現(xiàn)M-A組元。當合金化程度增加，奧氏體穩(wěn)定性提高時，易在貝氏體組織中的鐵素體之間形成一些M-A組元。M-A組元的存在導致脆化，數(shù)量越多脆化越嚴重成為潛在的裂紋源，起了應力集中的作用，對熱影響

35、區(qū)韌性有不利的影響。</p><p>　　防止措施：母材中含有的Cr、Ni、Mn合金元素可以提高淬透性；當含Ni量較高時，形成的高Ni馬氏體，甚至上貝氏體都是具有很好的韌性。因此，增加鋼中的含Ni量對近縫區(qū)的韌性有很大改善。因此要調整t8/5來控制M-A組元的產生?？刂坪附訜彷斎牒筒捎枚鄬佣嗟篮腹に?，使低碳調質鋼熱影響區(qū)避免出現(xiàn)高硬度的馬氏體或M-A混合組織，改善抗脆能力。</p><p>

36、;　?、诤附訜嵊绊憛^(qū)的軟化</p><p>　　這是焊接調質鋼時的一個普遍問題，熱影響區(qū)內凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于碳化物的積聚長大而使鋼材軟化，而且溫度越接近于Ac1的區(qū)域，軟化越嚴重，因此對焊后不再進行調質處理的低碳調質鋼來說尤其重要。從強度出發(fā)，這是焊接接頭的一個薄弱環(huán)節(jié)，強度級別越高這一問題就越突出。此外，軟化的程度和軟化區(qū)的寬度也與焊接工藝也有很大關系。因此，在制定這類鋼的焊接工藝

37、時必須考慮到這一問題。</p><p>　　防止措施：減小焊接熱輸入有利于縮小軟化區(qū)寬度，軟化程度有所降低。軟化寬度一定，板厚越大，焊接熱輸入越小，初始預熱溫度越低，焊接接頭強度就可以越高。</p><p><b>　　五．焊接工藝特點</b></p><p>　?。?）焊接方法和焊接材料的選擇</p><p>　　低碳

38、調質鋼焊接時要解決兩個問題：1.防止裂紋；2.保證在滿足高強度要求的同時，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。</p><p>　　低碳鋼常用焊接方法有焊條電弧焊、CO2焊和Ar+ CO2混合氣體保護焊等。對于屈服強度由于等于980Mpa大于等于686Mpa的低碳調質鋼，焊條電弧焊或埋弧焊或熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊都能采用。又因為焊接接頭采用對接接頭形式，焊條電弧焊可應用于平焊、立焊、橫焊、仰焊等各種空間位置和對接

39、、搭接、角接、T形接頭等各種接頭形式的焊接，對接接頭的裝配精度要求低，適用于低碳鋼、低合金結構鋼、等材料的焊接。這里選擇焊條電弧焊。</p><p>　　考慮到焊縫與母材強度的等強度原則，由于之前考慮冷裂紋時有預熱100℃的情況且要采用低氫型焊條，可采用“等強匹配“且化學成分要盡量與母材相近，選用焊條牌號J707NiW（E7015-G）。 <

40、/p><p>　　其中，有W成分，鎢熔點高，鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。不影響形成的焊縫強度和性能。 【7】【8】</p><p>　　再由圖4.1可知，母材為5mm厚度，選擇焊條直徑為3.2mm。</p><p>　　圖4.1 【

41、7】</p><p>　?。?）焊縫化學成分的計算</p><p>　　根據(jù)公式：W(焊縫金屬）=D(熔合比）*W(母材金屬）+(1-D）*W（焊接材料）計算焊縫化學成分（%）如下，熔合比D=0.3 【9】</p><p>　　（3）焊接參數(shù)的選擇</p><p>　　1.焊接熱輸入的確定

42、</p><p>　　焊接熱輸入增大是熱影響區(qū)晶粒粗化，同時也促使形成上貝氏，甚至形成M-A組元，使韌性降低。當熱輸入過小時，熱影響區(qū)的淬硬性明顯增強，也使韌性下降。從防止冷裂紋出發(fā)，要求冷卻速度慢為佳，但對防止脆化來說卻要求冷卻快較好，因此應兼顧兩者冷卻速度范圍。</p><p>　　由于焊條選擇為J707NiW（E7015-G），由下圖4.2可知選擇焊接電流120A。要限制過大的線能量

43、，以避免出現(xiàn)裂紋和脆化。</p><p>　　圖4.2 【7】</p><p>　　2.預熱溫度和焊后熱處理</p><p>　　預熱的目的是防止裂紋，降低馬氏體轉變時的冷卻速度，通過馬氏體的“自回火”來提高抗裂性能，之前計算冷裂性得出結論需焊前預熱100℃左右，才能防止裂紋的產生。</p><p>

44、;　　低碳調質鋼一般是在焊態(tài)條件下使用，由于有“自回火”的作用，通常情況下不進行焊后熱處理。除非接頭強度和韌性過低、焊接結構受力大或承受應力腐蝕等情況才進行焊后熱處理，熱處理溫度必須必母材原材料調質處理的回火溫度低30℃左右。</p><p><b>　?。?）焊接工藝確定</b></p><p>　　1.焊前清除焊件鐵銹、油污、水分等雜質，將坡口附近打磨出光潔表面。

45、</p><p>　　2. 板厚較小，焊前可不進行預熱，但為了防止產生冷裂紋，可進行100℃預熱，必須嚴格控制預熱溫度。</p><p>　　3. 為防止產生冷裂紋，因此必須嚴格控制焊接材料中的含氫量，要求所使用的焊條必須是低氫型或超低氫型的，焊前應嚴格按規(guī)定進行烘干、貯存，放在保溫箱內，隨用隨取。</p><p>　　4．為避免過度損傷熱影響區(qū)的韌性，應避免使用過

46、大的線能量。應盡可能采用多層小焊道焊縫，最好采用窄焊道，而不采用橫向擺動的運條技術。</p><p>　　5. 焊后熱處理 ，大多數(shù)低碳調質鋼的焊接構件都是在焊態(tài)下使用，不需要進行焊后回火處理，只有在下述條件下才進行焊后熱處理。</p><p>　?、佟⒑负蠡蚶浼庸ず蟮捻g性過低。</p><p>　　②、焊后需進行高精度加工，要求保證結構尺寸的穩(wěn)定性。</p&

47、gt;<p>　　③、焊接結構承受應力腐蝕。</p><p>　　焊后熱處理的溫度必須低于母材調質處理的回火溫度。</p><p>　　（5）焊后質量檢測 【10】</p><p><b>　?、俸缚p外觀檢測</b></p>

48、<p>　　主要以肉眼觀察為主，可采用樣板、量具和放大鏡對焊縫外觀尺寸、成形情況進行檢測，要求如下：外觀尺寸符合設計圖樣的規(guī)定，無裂紋、氣孔、未熔合、未焊透、咬邊等，焊縫與母材過渡圓滑。 </p><p><b>　?、诤缚p內部檢測</b></p><p>　　根據(jù)所學有四種無損檢測方法：射線檢測、超聲波檢測、磁力檢測、滲透檢測，它們都有各自的優(yōu)勢和應用范圍

49、。這里采用超聲波檢測方法。</p><p>　　超聲波探傷時，利用將高頻脈沖電信號轉換為脈沖超聲波，由探頭傳入焊件，超聲波遇到缺陷和焊件底部時就分別發(fā)生不同的反射，反射波被探頭接收并轉換成電脈沖信號，經設備處理放大后在示波器上顯示波形圖，然后根據(jù)脈沖波形的位置間距，波峰高低判斷內部缺陷的位置和大小。</p><p>　　參考資料：【1】 王宗杰《焊接SHCCT圖及其應用》機械工業(yè)出版社

50、第285頁</p><p>　　【2】http://wenku.baidu.com/view/51f753d2240c844769eaee91.html </p><p>　　【3】李亞江《焊接冶金學—材料焊接性》 機械工業(yè)出版社</p><p>　　【4】李亞江《焊接冶金學—材料焊接性》 機械工業(yè)出版社 表2-4</p><p

51、>　　【5】李亞江《焊接冶金學—材料焊接性》 機械工業(yè)出版社 公式2-2</p><p>　　【6】李亞江《焊接冶金學—材料焊接性》 機械工業(yè)出版社 公式2-5</p><p>　　【7】徐越蘭《常用焊接材料手冊》 化學工業(yè)出版社</p><p>　　【8】尹士科《焊接材料及接頭組織性能》 化學工業(yè)出版社</p><p>