10MnCrNiMo焊接性分析課程設(shè)計(jì)解析

1、焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)10MnCrNiMo10MnCrNiMo的焊接性分析學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級：材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)老師:湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)目錄一.本課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和要求3(1)基本內(nèi)容3(2)基本要求3二.10MnCrNiMO勺化學(xué)成分及力學(xué)性能分析3(1)鋼號及化學(xué)成分3(2)主要合金元素作用分析4三.SHCC圖分析6四.10MnCrNiMO勺焊接性分析7(1)冷裂紋7(2)熱裂紋及消除應(yīng)力裂紋(再熱裂紋)8(3)熱影響區(qū)的性能變化8五.焊接工藝特點(diǎn) 1Q_(1)焊接方法和焊接材料的選擇10(2)焊縫化學(xué)成分的計(jì)算11(3)焊接參數(shù)的選擇.11_.(4)

2、焊接工藝確定12(5)焊后質(zhì)量檢測.13湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)一.本課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和要求(1)基本內(nèi)容：查閱板厚為5mmi勺母材材料的成分、力學(xué)性能、用途及其SHCCT對母材進(jìn)行焊接性理論分析；選用焊接材料，以熔合比為0.3計(jì)算焊縫的化學(xué)成分；根據(jù)SHCC圖分析HAZ的組織；初步探討材料的焊接工藝的特點(diǎn)，采用對接接頭；查詢文獻(xiàn)、綜合分析及標(biāo)注的方法。(2)基本要求：掌握焊接性理論分析方法；掌握SHCC圖的分析方法；初步分析材料的焊接工藝特點(diǎn)；標(biāo)注所引用的文獻(xiàn)來源。二.10MnCrNiMo的化學(xué)成分及力學(xué)性能分析(1)鋼號及化學(xué)成分表一【1】化學(xué)成分(衿CSiMnSPCrNiMoCu

3、0.110.380.990.0140.0150.540.860.300.12由上表可知，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%,3.2%,為低合金結(jié)構(gòu)鋼湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)表二【1】機(jī)械強(qiáng)度（N/mm2）臨界溫度（C）臨界冷卻時(shí)間（s）Gb(TSA1A3MsCz，CfCpCr，50%M7166516857854403.84.818.8測定條件：Tm=135匝原始狀態(tài)：淬火+回火（調(diào)質(zhì)）由上表可知，一定溫度條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，屈服強(qiáng)度為（rs=651Mpa抗拉強(qiáng)度為（rb=716Mpa,故屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼，且為高強(qiáng)鋼。故10MnCrNiMo為低合金高強(qiáng)度的低碳調(diào)質(zhì)鋼。用途：10MnCrNiMo

4、常制造成圓鋼，用于系泊鏈的制造如煤機(jī)鏈條、圓環(huán)鏈。（2）主要合金元素作用分析：【2】鈕（MnMn）: :在煉鋼過程中，鈕是良好的脫氧劑和脫硫劑。在碳素鋼中加入0.70%以上時(shí)就算猛鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，鈕量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。鈕元素細(xì)化焊縫區(qū)組織晶粒大小；增加焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，減少鋼的時(shí)效傾向增強(qiáng)沖擊韌性。銘（CrCr）: :銘能顯著提高焊縫的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性，熱處理后韌性更低，銘又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。鍥（NiNi）: :鍥能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌

5、性。鍥對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。鍥的加入可以提高焊縫的硬度，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度及沖擊性能。消除應(yīng)力處理對鉆鍥匹配焊縫的韌性幾乎沒有影響，但在鍥與鈕含量不匹配時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重脆化。鑰（MoMo）: :細(xì)化焊縫粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)的晶粒，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力（長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變）。結(jié)構(gòu)鋼中加入鋁，能提高機(jī)械性能，使焊縫的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高。硅（SiSi）: :硅會導(dǎo)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(yīng)含有0.2%的硅，能作為脫氧劑并防止CO氣孔形成，所湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)以

6、焊縫應(yīng)含有一定的硅，但作為脫氧產(chǎn)物容易形成硅酸而夾渣，低熔點(diǎn)的硅酸鹽還可能導(dǎo)致結(jié)晶裂紋。硅能使焊縫的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈非線性增加，但缺口韌性下降，其損害程度與含鈕量有關(guān)。硫（S）:硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。所以通常要求硫含量小于0.055%,選用母材符合要求。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%,選用母材符合要求。銅（CuCu）: :銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。當(dāng)Cu、Mo聯(lián)合

7、添加時(shí)，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(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當(dāng)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(chǎn)生影響。其中，Mn、Si為固溶強(qiáng)化作用，Mo為沉淀強(qiáng)化和細(xì)品強(qiáng)化。圖2.2SHCC圖分析1111圖2.1AaTOSy-湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)10M10M842060842060衲4040國2424舶&0Q&0Q1 1L L并.。,而6 6。而。血，麗麗0 0從AiAi冷卻到肺0 0的時(shí)間(力機(jī)械強(qiáng)度(N/mm2)臨界溫度(C)臨界冷卻時(shí)間(s)Gb(TSA1A3MsC

8、z，CfCp，Cr50%M7166516857854403.84.818.8如圖2.12.1中， 圖中縱坐標(biāo)以正?？潭缺硎緶囟龋?橫坐標(biāo)以對數(shù)刻度表示時(shí)間， 除了曲線1、2、3以外的每條曲線都表示以A3為起點(diǎn)的冷卻過程，A表示奧氏體組織區(qū)域，F(xiàn)表示鐵樹體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，Zw表示中間組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，M表示馬氏體組織轉(zhuǎn)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(shí)曲線2為鐵素體析出結(jié)束曲線，曲線3是中間組織轉(zhuǎn)變結(jié)束曲線，同時(shí)Ms表示馬氏體開始轉(zhuǎn)變形成的溫度。圖中的 C CZ Z 、Cf分別表示從A3溫度冷卻到500c開始出現(xiàn)的中間組織(即各種貝氏體類組織)、鐵

9、素體，以及記得到貝氏體和鐵素體的臨界冷卻時(shí)間(s)0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(jié)合圖2.2在實(shí)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500c的時(shí)間，對照臨界冷卻時(shí)問，就可以判斷熱影響區(qū)的顯微組織。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。如圖2.22.2所示，Cz和Cf對應(yīng)的冷卻曲線的冷卻速度分別為Vz=(A3-500)Vz=(A3-500)/ /C CZ Z=75=75C CIsIs；和Vf=Vf=(A3-500)/Cf=59.4C/s,(A3-500)/Cf=59.4C/s,VzVz和V

10、fVf分別為室溫組織全部為回火馬氏湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)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(diào)質(zhì)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2混合組織。故冷卻速度在VzVz和VfVf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體和貝氏體。在冷卻時(shí)要求馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度不能太快，使馬氏體有一個(gè)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(shí)，后一道焊縫對前一道焊縫有一個(gè)回火熱處理的過程，這也有利于回火馬氏體的形成。大致冷卻過程為：從785c開始冷卻，開始的組織為奧氏體，冷卻

11、到約650c時(shí)，從奧氏體中開始析出鐵素體，隨著冷卻過程的進(jìn)行鐵素體的量增加，冷卻到約570c時(shí)，開始析出中間組織（即各種貝氏體組織），隨著冷卻過程的進(jìn)一步進(jìn)行，在440c時(shí)，開始析出馬氏體，最后的室溫組織為馬氏體+下貝氏體。四.10MnCrNiMo的焊接性分析由表一、表二分析可知，10MnCrNiMo為低碳調(diào)質(zhì)鋼，低碳調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.18%,焊接性能遠(yuǎn)優(yōu)于中碳調(diào)質(zhì)鋼，這類鋼焊接熱影響區(qū)形成的是低碳馬氏體，馬氏體開始轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)鋼小。低碳調(diào)質(zhì)鋼的更一般為441980MPa,在調(diào)質(zhì)態(tài)供貨和使用。具特點(diǎn)是含碳量更低，淬火

12、組織為低碳馬氏體，不僅強(qiáng)度高，并且兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后也不需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼由于強(qiáng)度高，主要用于高壓設(shè)備。調(diào)質(zhì)鋼中最簡單的一類，就是將函封343MPa白Mn-Si鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后達(dá)到的宏441490MPa。但當(dāng)板厚加大或強(qiáng)度級別要求更高時(shí)，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(dá)到足夠的淬透性和抗回火性?！?】（1 1）冷裂紋這類鋼的合金化原理，就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。鋼的淬硬傾向主要取決于化學(xué)成分，其中碳元素

13、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(dāng)量公式來大致估算鋼的冷裂敏感性。通常碳當(dāng)量越高，淬硬性越大，冷裂敏感性也越大。選用日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)Ceq=C+Mn/6Ceq=C+Mn/6+ +Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)(%)4由表一中各個(gè)元素含量代入公式算出：Ceq=0.495%Ceq=0.495%, ,可查下表三知鋼材淬硬傾向較大，需要焊前預(yù)熱100c100c以防止冷裂紋的產(chǎn)生。表三：根據(jù)鋼材強(qiáng)度和碳當(dāng)量確定預(yù)熱溫度鋼材強(qiáng)度級別(Tb/Mpa(Tb/Mpa碳當(dāng)量

14、界限Ceq(JIS)Ceq(JIS)(%)工藝措施5005000.460.46焊接時(shí)/、需預(yù)熱6006000.520.52焊前預(yù)熱75c75c7007000.520.52焊前預(yù)熱100c100c8008000.620.62焊前預(yù)熱150c150c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(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向。但由于這類鋼的特點(diǎn)是馬氏體含量很低，它的轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)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(jìn)行一次“自回火”處理，因而實(shí)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(gè)“自回火”處理的條件，即保證馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度較慢，則冷裂紋是有可能避免的；

15、若馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度很快，得不到“自回火”效果，則冷裂傾向就必然會增大。同時(shí)，限制焊縫含氫量，可采用低氫型焊條。(2)(2)熱裂紋及再熱裂紋1.低碳調(diào)質(zhì)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(xué)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)HCS), ,其計(jì)算公式為：HCS.C(SP25I1033MnCrMoV由10MnCrNiM鋼各元素的化學(xué)成分估算出HCS=1.52當(dāng)HCSC4時(shí)，一般不產(chǎn)生熱裂紋，因此10MnCrNiM鋼沒有熱裂紋傾向。2 .從低碳調(diào)質(zhì)鋼的合金系統(tǒng)來看，在為加強(qiáng)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

16、再熱裂紋的元素，如Cr、MoCuVNbTi和B等，其中V的影響最大，Mo次之，而且V和Mo同時(shí)加入是就更嚴(yán)重。Cr的影響與含量有關(guān)。在Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼中，當(dāng)Cr1%t,繼續(xù)增加含Cr量時(shí)再熱裂紋傾向減小。【5】湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)用4G法判斷:AG=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C(%=0.631.5,故10MnCrNiMo對再熱裂紋不敏感?！?】(3)熱影響區(qū)的性能變化【4】過熱區(qū)的脆化這類鋼的合金化原理是通過提高淬透性來保證獲得高強(qiáng)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。一些強(qiáng)度級別高的鋼都存在一個(gè)韌性最佳的冷卻時(shí)間t8/

17、5,這時(shí)剛好對應(yīng)于馬氏體+下貝氏體的組織。焊接熱循環(huán)作用下，當(dāng)t8/5繼續(xù)增加時(shí)，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(zhuǎn)變的同時(shí)很容易出現(xiàn)M-A組元。當(dāng)合金化程度增加，奧氏體穩(wěn)定性提高時(shí)，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(dǎo)致脆化，數(shù)量越多脆化越嚴(yán)重成為潛在的裂紋源，起了應(yīng)力集中的作用，對熱影響區(qū)韌性有不利的影響。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(dāng)含Ni量較高時(shí)，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

18、調(diào)整t8/5來控制M-A組元的產(chǎn)生。控制焊接熱輸入和采用多層多道焊工藝，使低碳調(diào)質(zhì)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。焊接熱影響區(qū)的軟化這是焊接調(diào)質(zhì)鋼時(shí)的一個(gè)普遍問題，熱影響區(qū)內(nèi)凡是加熱溫度高于母材回火溫度至ACI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ACI的區(qū)域，軟化越嚴(yán)重，因此對焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的低碳調(diào)質(zhì)鋼來說尤其重要。 從強(qiáng)度出發(fā)， 這是焊接接頭的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，強(qiáng)度級別越高這一問題就越突出。止匕外，軟化的程度和軟化區(qū)的寬度也與焊接工藝也有很大關(guān)系。因此，在制定這類鋼的焊接工藝時(shí)必須考慮到這一問題。防止措施：減小焊接熱輸入有利于縮小軟化區(qū)

19、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(yù)熱溫度越低，焊接接頭強(qiáng)度就可以越高。湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)五.焊接工藝特點(diǎn)(1)焊接方法和焊接材料的選擇低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)要解決兩個(gè)問題：1.防止裂紋；2.保證在滿足高強(qiáng)度要求的同時(shí)，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。低碳鋼常用焊接方法有焊條電弧焊、CO焊和Ar+CO混合氣體保護(hù)焊等。對于屈服強(qiáng)度由于等于980Mpa大于等于686Mpa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊條電弧焊或埋弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊、鴇極氮弧焊都能采用。又因?yàn)楹附咏宇^采用對接接頭形式，焊條電弧焊可應(yīng)用于平焊、立焊、橫焊、仰焊等各種空間位置和對接、搭接、角接、T形接頭等各

20、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(jié)構(gòu)鋼、等材料的焊接。這里選擇焊條電弧焊?？紤]到焊縫與母材強(qiáng)度的等強(qiáng)度原則，由于之前考慮冷裂紋時(shí)有預(yù)熱100c的情況且要采用低氫型焊條，可采用”等強(qiáng)匹配”且化學(xué)成分要盡量與母材相近，選用焊條牌號J707NiW(E7015-G)?；瘜W(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Gb(TSCMnSiWNiMo7206100.050.100.91.350.20.40.20.50.50.90.30.6其中，有恢分，鴇熔點(diǎn)高，鴇與碳形成碳化鴇有很高的硬度和耐磨性。不影響形成的焊縫強(qiáng)度和性能?！?】【8】再由圖4.1可知，母材為5mr#度，選擇次I條直徑為3.2mm圖4

21、.1【7】-10-湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)(2)焊縫化學(xué)成分的計(jì)算根據(jù)公式：WG旱縫金屬)=D(熔合比)*W(母材金屬)+(1-D)*W(焊接材料)計(jì)算焊縫化學(xué)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)焊接參數(shù)的選擇1.焊接熱輸入的確定焊接熱輸入增大是熱影響區(qū)晶粒粗化，同時(shí)也促使形成上貝氏，甚至形成M-A組元，使韌性降低。當(dāng)熱輸入過小時(shí)，熱影響區(qū)的淬硬性明顯增強(qiáng)，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

22、好，因此應(yīng)兼顧兩者冷卻速度范圍。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，以避免出現(xiàn)裂紋和脆化。-11-湖北工業(yè)大學(xué)焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)2 .預(yù)熱溫度和焊后熱處理預(yù)熱的目的是防止裂紋，降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，通過馬氏體的“自回火”來提高抗裂性能，之前計(jì)算冷裂性得出結(jié)論需焊前預(yù)熱100c左右，才能防止裂紋的產(chǎn)生。低碳調(diào)質(zhì)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(jìn)行焊后熱處理。除非接頭強(qiáng)度和韌性過低、焊接結(jié)構(gòu)受力大或承受應(yīng)力腐蝕等情況才進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度必須必母材原材料調(diào)質(zhì)處理的回火溫度低30c左右。(4)焊接工藝確定1.焊前清除焊件鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)，將坡口附近打磨出光潔表面。2 .板厚較小，焊前可不進(jìn)行預(yù)熱，但為了防止產(chǎn)生冷裂紋，可進(jìn)行100c預(yù)熱，必須嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度。3 .為防止產(chǎn)生冷裂紋，因此必須嚴(yán)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(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行烘干、貯存，放在保溫箱內(nèi)，隨用隨取。4 .為避免過度損傷熱影響區(qū)的韌性，應(yīng)避免使用過大的線能量。應(yīng)盡可能采