1、 金屬材料及其焊接性及工藝概述課件一、碳素鋼 1.1 常存雜質元素對碳鋼性能的影響 1.2 碳鋼的分類 1.3 碳鋼的牌號和應用 二、合金鋼 合金鋼的分類 合金鋼的牌號 合金結構鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼三、金屬的焊接性 金屬的焊接性概念 金屬的焊接性評價 碳鋼的焊接 3.4 熱軋鋼及正火鋼的焊接 低碳調質鋼的焊接 中碳調質鋼的焊接 奧氏體不銹鋼的焊接 目 錄一、碳鋼改善鋼的質量；提高鋼的強度和硬度；減輕硫的危害；是有益元素，一般WMn0.25%0.80%。常存雜質元素對碳鋼性能的影響 1、錳的影響 2、硅的影響消除FeO對鋼的不良影響；產生固溶強化；是鋼中有益元素，一般Wsi0.4%。一、碳

2、素鋼使鋼的強度、硬度增加，但塑性和韌性顯著降低；使鋼低溫時脆性嚴重（冷脆）；是有害元素，應嚴格控制磷含量。1.1 常存雜質元素對碳鋼性能的影響 3、磷的影響 4、硫的影響 與鐵形成化合物FeS，使鋼變脆（熱脆）；是鋼中有害元素，應嚴格控制硫含量。 分為低碳鋼(Wc0.25%)、中碳鋼(0.25Wc0.60%)和高碳鋼(Wc0.60%)。 1.2 碳鋼的分類 1、按含碳量分類 2、按質量分類 1）普通質量碳鋼（Ws0.045%、Wp0.045%）不需要特別控制質量的鋼種，包括一般碳素結構鋼、碳素鋼筋鋼、鐵道用一般碳素鋼等。2）優質碳鋼需要特別嚴格控制質量的碳鋼。主要包括：機械結構用優質碳鋼、工程

3、結構用優質碳鋼、沖壓薄板的低碳結構鋼、鍋爐和壓力容器用碳鋼、優質鑄造碳鋼等。1.2 碳鋼的分類3、按用途分類 1）碳素結構鋼主要用于制造各種工程構件和機器零件。一般屬于低碳鋼和中碳鋼。2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具、模具等。一般屬于高碳鋼。此外，鋼按冶煉時脫氧方法不同，分為沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼等1.3 碳鋼的牌號和應用 1、碳素結構鋼 牌號：由代表屈服點的字母Q、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法符號四部分順序組成。質量等級有：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp

4、0.035%。脫氧方法有F（沸騰鋼）、b（半鎮靜鋼）、Z（鎮靜鋼）、TZ（特殊鎮靜鋼）四種，通常Z和TZ可省略。例：Q235AF。1.3 碳鋼的牌號和應用 2、優質碳素結構鋼 牌號：用兩位數字表示鋼平均含碳量的萬分數。例：45鋼。又分為普通含錳量（WMn0.7%）和較高含錳量（WMn =0.7%1.2%）兩類。含錳量較高的鋼在兩位數字后面加“Mn”字。例：65Mn鋼。脫氧方法表示法同碳素結構鋼。高級優質鋼，加“A”；特級優質鋼，加“E”。1.3 碳鋼的牌號和應用 3、碳素工具鋼 牌號：用“碳”的漢語拼音字首“T”加數字（鋼的平均Wc的千分數）表示。例：T12。碳素工具鋼含碳量高，硫、磷雜質含量

5、較少，一般經淬火，低溫回火后硬度比較高，耐磨性好，但塑性較低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。1.3 碳鋼的牌號和應用 4、鑄鋼 牌號：用“ZG” 表示。 牌號有兩種表示方法：以強度表示時,在“ZG”后面有兩組數字，第一組數字表示該牌號屈服點的最低值，第二組數字表示其抗拉強度的最低值，兩組數字間用“” 隔開。例： ZG230450。 以化學成分表示鑄鋼牌號時，在“ZG”后面的數字表示鑄鋼平均碳含量的萬分數。平均碳含量1時不標出,平均碳含量時,其第一位數字為“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符號,每個元素符號后面用整數標出含量的百分數。例：ZG15Cr1MolV。合金鋼的分類1按用途分

6、類 合金結構鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼二、合金鋼2按合金元素總含量分類 低合金鋼：合金元素總含量5。 中合金鋼：合金元素總含量510 高合金鋼：合金元素總含量10合金鋼的牌號 兩位數字（碳含量）元素符號（或漢字）數字表示。 前面兩位數字表示鋼的平均含碳量的萬分數。 元素符號（或漢字）表明鋼中含有的主要合金元素。 后面的數字表示該元素的含量。合金元素含量小于時不標，平均含量為，3.5%時，則相應地標以2，3。 1合金結構鋼 40 Cr（合金結構鋼）主要合金元素為鉻，含量在1.5以下平均含碳量為0.4060 Si2 Mn（合金結構鋼）平均含硅量為2平均含碳量為0.60主要合金元素為錳，含量小于1.

7、5例：2合金工具鋼 與合金結構鋼的區別僅在于碳含量的表示方法，它用1位數字表示平均含碳量的千分數，當碳含量時，則不予標出。 3高速鋼 含碳量均不標出，如W18Cr4V鋼的平均含碳量為。 4特殊性能鋼 牌號和合金工具鋼的表示方法相同。當含碳量為時，含碳量用0表示，含碳量小于等于時，用00表示。 不銹鋼2Cr13表示含碳量為，平均含鉻量為13。 0Cr18Ni9鋼的平均含碳量為。 00Cr30Mo2鋼的平均含碳量小于。 例如： 一些特殊專用鋼為表示其用途，在鋼的牌號前面冠以漢語拼音字母字頭，而不標含碳量，合金元素含量的標注也和上述有所不同。5特殊專用鋼例如： 易切鋼也是在牌號前冠以拼音字母 “Y”

8、，如Y15表示含碳量為的易切鋼。 滾動軸承鋼前面標 “G”，如GCr15。這里應注意牌號中鉻元素后面的數字是表示含鉻量的千分數，其他元素仍用百分數表示，如GCrl5SiMn表示含鉻量為，硅、錳含量均小于的滾動軸承鋼。滾動軸承鋼6高級優質合金鋼 在牌號的最后標上“A”。如38CrMoAlA表示含碳量為高級優質合金結構鋼。 合金結構鋼一、低合金結構鋼二、合金滲碳鋼三、合金調制鋼四、合金彈簧鋼五、滾動軸承鋼 合金結構鋼用于各類工程結構件和制造各種機器零件的鋼。1、低合金結構鋼 在碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素就形成了低合金結構鋼。 常加入的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）

9、、釩（V）等。 低合金結構鋼的含碳量較低，一般為。 熱軋退火或正火狀態下使用，一般不再進行熱處理。 低合金結鋼的應用 2、合金滲碳鋼 合金滲碳鋼在經滲碳+淬火+低溫回火的處理后，具有外硬內韌的性能，用來制造既要有優良的耐磨性和耐疲勞性、又能承受沖擊載荷作用的零件， 含碳量在之間，加入合金元素主要是為了提高鋼的淬透性，并防止鋼因在長時間滲碳而造成晶粒粗大。 其典型熱處理工藝為：滲碳+淬火+低溫回火。 合金滲碳鋼的應用 3、合金調質鋼 含碳量一般為，屬于中碳合金鋼。 常加入少量鉻、錳、硅、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性，使鐵素體強化并提高韌性。加入少量鉬、釩、鎢、鈦等碳化物形成元素，可阻止奧氏體

10、晶粒長大和提高鋼的回火穩定性，以進一步改善鋼的性能。 熱處理工藝是調質（淬火+高溫回火）。 合金調制鋼的應用 4、合金彈簧鋼 含碳量一般為。 可加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。合金彈簧鋼的應用 5、滾動軸承鋼 主要用來制造各種滾動軸承的內外圈及滾動體（滾珠、滾柱、滾針），也可用來制造各種工具和耐磨零件。 滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強度、足夠的韌性和一定的耐蝕性。 軸承鋼都是高級優質鋼。 滾動軸承鋼的熱處理包括預先熱處理和最終熱處理。預先熱處理采用球化退火，最終熱處理為淬火+低溫回火。 滾動軸承鋼的應用 合金工具鋼1、合金刃具鋼2、合金模具鋼3、合金量具鋼

11、1、合金刃具鋼 合金刃具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刃具鋼要求高硬度、耐磨、高熱硬性及足夠的強度和韌性等。 11低合金刃具鋼 低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素的鋼。 加入鉻、錳、硅等元素，目的是提高鋼的淬透性，同時還能提高鋼的強度。 加入鎢、釩等強碳化物形成元素，目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持晶粒細小。 低合金刃具鋼的預備熱處理是球化退火，最終熱處理為：淬火+低溫回火。 低合金刃具鋼的應用高速鋼 高紅硬性、高耐磨性的高合金工具鋼。 鋼中含有較多的碳（）和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。 高的含碳量：保證形成足夠量的合金碳化

12、物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性。 W、Mo：提高鋼紅硬性的主要元素。 鉻：提高鋼的淬透性。 釩：提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性，并能細化晶粒。 高速合金鋼的應用2、合金模具鋼 用于制作模具的鋼稱為模具鋼。 11冷作模具鋼 冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。 熱作模具鋼 熱作模具鋼是用來制造使金屬在高溫下成形的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。 熱作模具鋼要具備較高的強度、韌性、高溫耐磨性及熱穩定性，并具有較好的抗熱疲勞性能。 熱作模具鋼的最終熱處理是淬火+中溫回火（或高溫回火），以保證其具有足夠的韌性。 熱鍛模、壓鑄模和擠壓模 3、合金量具鋼

13、 2.5 特殊性能鋼1、不銹鋼2、耐熱鋼3、耐磨鋼1、不銹鋼 不銹鋼主要是指在空氣、水、鹽的水溶液、酸及其他腐蝕性介質中具有高度化學穩定性的鋼。 不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統稱，能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而在一些化學介質（如酸類）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。 常用不銹鋼按化學成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼等。按金相組織特點分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。 11奧氏體不銹鋼 含碳量很低（），含鉻量為18，鎳為9，這種不銹鋼習慣上稱為188型不銹鋼，屬于鎳鉻不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼有1Cr18Ni9、0Cr18Ni9N等。 馬氏體不銹鋼 鋼中含碳量為，淬火后能得到馬氏

14、體，屬于鉻不銹鋼。 淬火、回火后使用。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性和焊接性都不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼，但由于它具有較好的力學性能與一般的耐蝕性相結合，故應用廣泛。 馬氏體不銹鋼鍛造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在沖壓后也需進行退火，以消除硬化、提高塑性，便于進一步加工。 鐵素體不銹鋼 含碳量，含鉻量在30之間，屬于鉻不銹鋼。 鉻是縮小奧氏體相區的元素，可使這類鋼獲得單相鐵素體組織。 抗大氣與耐酸能力強，具有良好的高溫抗氧化性，特別是抗應力腐蝕性較好，但力學性能不如馬氏體不銹鋼，塑性不及奧氏體不銹鋼。 2、耐熱鋼 耐熱鋼在高溫下具有良好的化學穩定性和較高強度，能較好適應高溫條件的特

15、殊性能鋼。 鋼的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個指標。在高溫下具有抗高溫介質腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼；在高溫下仍具有足夠力學性能的鋼稱為熱強鋼。 耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱。 常用的抗氧化鋼有4Cr9Si2、0Cr13Al等。典型的熱強鋼是4Cr14Ni14W2Mo。 3、耐磨鋼 耐磨鋼在巨大壓力和強烈沖擊載荷作用下能發生硬化的高錳鋼。 耐磨鋼的典型牌號是ZGMn13，它的化學成分特點是高碳（含碳量為0.9%1.4%），高錳（含錳量為11%14%）。 為使高錳鋼獲得單相的奧氏體組織，須對其進行“水韌處理”。所謂水韌處理，就是將高錳鋼加熱至10001100，保持一定時間，使碳化物全部溶入

16、奧氏體中，然后水冷，得到單相奧氏體。耐磨鋼的應用 缺陷降低了某些必要的性能 焊接性的概念三、金屬的焊接性1、焊接性的定義金屬是否能適應焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性2、評價標準焊縫及HAZ產生裂紋的敏感性如何 焊縫及HAZ產生氣孔的敏感性如何 焊接熱循環對HAZ組織結構的影響 焊接接頭滿足規定性能的可能性 使用焊接性 工藝 焊接性 定義 某種材料在一定焊接條件下，能否獲得優質致密、無缺陷焊接接頭的能力 影響工藝焊接性的因素材料因素 設計因素工藝因素 使用因素3、工藝焊接性3.工藝焊接性的分類熱焊接性在焊接過程條件下，對HAZ組織性能及產生缺陷的影響程度評定被焊金屬對熱的

17、敏感性，主要與被焊材質及焊接工藝條件有關 冶金焊接性冶金反應對焊縫性能和產生缺陷的影響程度影響焊縫金屬化學成分和性能的主要方面 4、使用焊接性定義 指焊接接頭或整體結構滿足技術條件所規定的各種使用性能的程度 力學性能 低溫韌性 抗脆性斷裂性能 高溫蠕變 疲勞性能 持久強度 抗腐蝕性能 3.2 金屬的焊接性評價 1、碳當量方法目的：評價低合金鋼冷裂紋敏感性 國際焊接協會推薦 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 美國焊接學會（AWS）推薦 Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2) 日本工業標準JIS和西歐標準WES推薦

18、 Ceq=CMn/6Si/24Ni/40Cr/5Mo/4V/14 Ceq越小，焊接性越好 3.3 碳鋼的焊接 1、焊接性分析2、焊接材料3、焊接工藝要點一、低碳鋼的焊接1、焊接性分析2、焊接材料最好采用低氫焊條可以采用強度級別低的焊條不允許預熱時，可以采用奧氏體不銹鋼焊條3、焊接工藝要點降低焊后冷速減小熔合比 二、中碳鋼的焊接1、焊接性分析2、焊接材料3、焊接工藝要點高碳鋼要先進行退火才能進行焊接采用結構鋼焊條時，焊前應進行250-350以上的預熱用奧氏體不銹鋼焊條可以不預熱多層焊應保持與預熱溫度相同的層間溫度通常焊后要進行650高溫回火消除應力 三、高碳鋼的焊接3.4 熱軋鋼及正火鋼的焊接

19、一、熱軋鋼及正火鋼1、熱軋鋼 強化機理：固溶強化 屈服強度：294392MPa級 合金系： C-Mn或Mn-Si系 主合金化元素： Mn、 Mn-Si 輔合金化元素：V、Nb，達到細化晶粒和沉淀強化的作用 使用狀態：熱軋狀態 典型鋼種：16Mn 組織：細晶鐵素體+珠光體 2、正火鋼 強化機理：固溶強化沉淀強化或細晶強化 屈服強度：為343490MPa 合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo )系 主合金化元素：Mn、Mn-Si 輔合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素） 熱處理狀態：正火 典型鋼種：15MnVN 二、焊接性分析 裂紋問題 接頭的脆化問題 1、對熱裂紋的

20、敏感性 CMn，Mn/S合格，抗熱裂性能 材料成分不合格或嚴重偏析局部C、SMn/S熱裂紋 冶金措施 工藝措施2、對冷裂紋的敏感性 熱軋鋼 正火鋼 3、再熱裂紋的敏感性 熱軋鋼對再熱裂紋不敏感 正火鋼中有一些含有強碳化物形成元素，但對再熱裂紋不敏感 正火+回火鋼，如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性4、層狀撕裂 有可能 板厚小于16mm時不容易發生 Z向收縮率20，可以避免 防止措施5、焊接接頭的脆化 （1）過熱區的脆化 奧氏體嚴重長大 難熔質點的溶入 形成高碳馬氏體 熱軋鋼 正火鋼 含V、Nb的正火鋼過熱區沉淀相固溶，奧氏體晶粒顯著長大，產生不利的組織轉變； 含鈦正火鋼

21、過熱區的TiN、TiC都向奧氏體內溶入，來不及析出而停留在鐵素體中，導致硬、脆（2）熱應變脆化 現象：熔合區及200-400區發生脆化 原因：碳、氮原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘扎作用 鋼種：固溶氮含量較高的低碳鋼和強度級別不高的低合金鋼 消除措施： 加入足夠量的氮化物形成元素 焊后消除應力退火 （2）熱應變脆化 現象：熔合區及200-400區發生脆化 原因：碳、氮原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘扎作用 消除措施： 加入足夠量的氮化物形成元素 焊后消除應力退火 1、焊接材料的選擇 選擇相應強度級別的焊接材料 考慮熔合比和冷卻速度的影響 必須考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響 滿足焊縫對特殊性

22、能的要求 三、焊接工藝特點2、焊接工藝參數的確定 （1）焊接線能量 對熱軋鋼 C E，CE 正火鋼 強度級別較低：線能量 強度級別更高、碳、合金元素較高：線能量；線能量預熱（2）預熱 防止裂紋和適當改善焊接接頭性能 （3）焊后熱處理 材料：Q460C(碳) Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(鉻)Ni(鎳) Al(鋁)Mn(錳)V(釩) Nb(鈮)Ti(鈦)0.200.550.0350.0350.700.700.15 1.00 1.700.02 0.20 0.015 0.0600.02 0.20Q460 化 學 成 分Ceq=0.40%0.47%3.5 低碳調質鋼的焊接低碳調質鋼 碳含量：在0.0

23、9-0.23%，大部分0.16-0.18% 強化機理：相變強化（調質處理 屈服強度：為490MPa 1000MPa 合金系 ：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系 主合金化元素： Mn、Ni、Cr、Mo 輔合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu 熱處理狀態：淬火回火，低碳馬氏體或下貝氏體， 綜合機械性能好 典型鋼種：14MnMoVN、HT60HT80、HY80HY130 過熱區脆化 HAZ軟化 裂紋？一、焊接性分析1.過熱區脆化母材的強度越高，軟化越顯著調質處理的回火溫度越低，軟化區越寬焊接熱源越不集中，軟化區越寬焊接E越大、預熱溫度過高，軟化加重 軟化主要依據采用熱源集中的焊接方法焊接材料焊接線能量

24、E預熱焊后熱處理 二、焊接工藝特點 3.6 中碳調質鋼的焊接中碳調質鋼 強化機理：相變強化（調質處理 屈服強度：為880MPa1200MPa 合金系：中C、Cr-Mn-Ni-Mo-Si系 主合金化元素：Cr-Mn-Ni-Mo-Si 輔合金化元素：V 熱處理狀態：淬火回火 典型鋼種：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA 熱裂傾向 CS、P偏析熱裂傾向 C多，合金多TB（液固相區間）熱裂 冷裂敏感性 C Ceq大 焊接時，T0+Tp（焊后及時進行回火處理） 過熱區脆化 HAZ軟化一、焊接性分析指導思想：防止裂紋、過熱區脆化和HAZ軟化 在退火態下焊接 焊接材料 工藝參數選擇主要防止裂紋 鋼在調質態下焊接 焊接方法：盡量選擇熱源集中的方法 焊接材料：等強原則 小E，配合預熱、緩冷和后熱等 預熱、焊后及時回火處理 二、焊接工藝特點3.7 奧氏體不銹鋼鋼的焊接一、奧氏體鋼 顯微組織：奧氏體 成分：高鉻不銹鋼+適量的Ni 典型鋼