1、,焊接培訓(xùn)教材,金屬材料的焊接性,張明錄,目錄,碳素鋼,低合金鋼,不銹鋼,耐熱鋼,鐵碳合金,鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。 鐵基材料中應(yīng)用最多的一類(lèi)。 碳鋼和鑄鐵，就是鐵碳合金材料。 含碳少于0.0218%的合金稱(chēng)為工業(yè)純鐵。 含碳低于211%的鐵碳合金稱(chēng)為鋼。 含碳高于211%的合金稱(chēng)為鑄鐵。 在碳鋼和鑄鐵中除碳之外，還含有硅、錳、硫、磷、氮、氫、 氧等一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對(duì)鋼鐵性能會(huì)產(chǎn)生影響。,一.概述,鐵碳合金,1. 碳鋼的分類(lèi),（1）按鋼的含碳量分,低碳鋼wC 0.25%,中碳鋼0.25 wC 0.6%,高碳鋼wC 0.6%,（2）按鋼的質(zhì)量分,普通碳素鋼 ws 0.05% 、

2、wP 0.045%,優(yōu)質(zhì)碳素鋼 ws 0.03%、 wP 0.035%,高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（標(biāo)A） ws 0.025%、 wP 0.025%,特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（標(biāo)E） ws 0.015%、wp 0.025%,一.概述,鐵碳合金,1. 碳鋼的分類(lèi),（3）按鋼的用途分,碳素結(jié)構(gòu)鋼 （工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件用鋼）,碳素工具鋼 （刃具、量具和模具用鋼）,鑄鋼,（4）按鋼脫氧程度分：沸騰鋼（F）、鎮(zhèn)靜鋼（Z，可省略）,半鎮(zhèn)靜鋼（b）,特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ可省略）,一.概述,鐵碳合金,牌號(hào)表示方法,Q235-AF,A、B、C、D,F、b、Z、TZ,一.概述,鐵碳合金,Q235-AF，表示碳素結(jié)構(gòu)鋼中屈服點(diǎn)235MPa，質(zhì)量等級(jí)

3、為A級(jí)的沸騰鋼。 質(zhì)量等級(jí)有： A表示W(wǎng)s0.050%、Wp0.045%； B表示W(wǎng)s0.045%、Wp0.045%； C表示W(wǎng)s0.040%、Wp0.040%； D表示W(wǎng)s0.035%、Wp0.035%,碳鋼的性能主要取決于碳含量，碳含量與焊接性及組織和性能的關(guān)系見(jiàn)圖2-1和表2-1。,2. 碳鋼的性能,一.概述,鐵碳合金,表2-1 各類(lèi)碳鋼的焊接性,一.概述,鐵碳合金,強(qiáng)度較低，但冶煉容易，工藝性好，價(jià)廉，具有優(yōu)良的鍛造性、焊接性和切削加工性能 。通常以各種規(guī)格型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等)供應(yīng)市場(chǎng)。低碳鋼的含碳量低(0.25%)，Mn和Si含量也較少，因此淬硬傾向不大，是焊接性最好的

4、鋼種。除C、Mn、Si外，碳鋼中的S、P、O、N等雜質(zhì)元素對(duì)其力學(xué)性能、焊接接頭的冷裂紋、熱裂紋和時(shí)效脆化敏感性有一定影響，通用低碳鋼的力學(xué)性能如表2-2。,一.概述,鐵碳合金,2. 碳鋼的性能,表2-2 低碳鋼的力學(xué)性能,用途： Q195、 Q215、 Q235 塑性好，可軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等 Q255、 Q275 可軋制成型鋼、鋼板等。,一.概述,鐵碳合金,加工成形后一般不進(jìn)行熱處理，大都在熱軋狀態(tài)下直接使用。,2. 碳鋼的性能,碳鋼及低合金鋼按化學(xué)成分分類(lèi)為：碳素鋼、低合金鋼和合金鋼三類(lèi)，應(yīng)用最廣泛應(yīng)用的是碳素鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)碳鋼)。碳鋼中除以碳作為主要合金元素外，還有硅(Si0.5%)、錳

5、(Mn0.8%) 及不可避免的硫、磷等雜質(zhì)。 低合金鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上，為了獲得一定的性能，有目的地加入一種或多種合金元素的鋼。如：16mn鋼,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,用途：合金結(jié)構(gòu)鋼；合金工具鋼；特殊性能鋼,合金鋼分類(lèi),合金元素總含量：低合金鋼 5 中合金鋼 510 高合金鋼 10,1、 低碳鋼的焊接性分析,碳鋼的焊接性隨含碳量增加而惡化 ，選擇焊接材料方面，除了在成分和性能上須與母材匹配外，也應(yīng)避免硫、磷等有害元素從焊接材料中帶入焊縫金屬中來(lái)。焊接碳含量高于0.25%的碳素鋼時(shí)，須注意減少氫的來(lái)源。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,焊接碳鋼時(shí)產(chǎn)生裂紋的力學(xué)

6、原因是結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力和不均衡的熱應(yīng)力，應(yīng)針對(duì)含碳量不同而采取相應(yīng)的工藝措施。低碳鋼應(yīng)著重注意防止結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力和不均衡的熱應(yīng)力所引起的裂紋；高碳鋼除了防止因這些應(yīng)力引起的裂紋外，還要特別注意防止因淬硬而引起的裂紋。,二.碳素鋼的焊接性,1、 低碳鋼的焊接性分析,鐵碳合金,1. 低碳鋼的焊接性分析,碳鋼的焊接性?xún)?yōu)良與否，主要取決于冷裂紋敏感性、熱裂紋敏感性和接頭塑韌性等。 冷裂紋 對(duì)碳鋼冷裂影響最大的是鋼材和熔敷金屬的碳含量。,碳當(dāng)量 對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，Si含量較少，最高不超過(guò)0.5%。有時(shí)可以忽略其影響。CE值增加，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大，焊接性變差。通常，當(dāng)CE值大于0.40%，冷裂紋敏感性增加。,

7、1.低碳鋼的焊接性分析,淬硬傾向 焊縫和熱影響區(qū)的冷裂傾向，除了和成分有關(guān)外，組織對(duì)性能影響更為明顯。在成分一定的前提下，組織決定于冷卻速度，可以用其SHCCT組織獲得。圖2-2為Q235(A3)鋼的SHCCT圖。 控制焊接區(qū)的冷卻速度是改變焊接區(qū)的組織類(lèi)型和硬度，降低冷裂紋產(chǎn)生的重要途徑和手段。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,1. 低碳鋼的焊接性分析,1.低碳鋼的焊接性分析,焊件的厚度增加，焊接時(shí)環(huán)境溫度較低時(shí)，或焊接線能量較小時(shí)，散熱加快，焊接接頭的散熱速度加快，冷裂傾向增加。T形接頭和搭接接頭比對(duì)接接頭散熱面增加，焊接區(qū)的冷卻速度加快，容易產(chǎn)生淬硬組織。 預(yù)熱、提高焊道間或焊層間的溫度或

8、后熱措施也能降低焊接冷卻速度。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,1.低碳鋼的焊接性分析,碳素鋼被淬硬主要是因馬氏體組織形成而引起。馬氏體是碳在 中的過(guò)飽和固溶體，它的硬度既和鋼中含碳量有關(guān)，又和所形成的馬氏體數(shù)量有關(guān)。馬氏體數(shù)量受冷卻速度影響，非?？斓睦鋮s速度可以產(chǎn)生100的馬氏體，從而可達(dá)到最高硬度。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,氫和拘束度 焊接區(qū)的氫主要來(lái)源于焊接材料和焊接區(qū)的水分。采用低氫焊接材料、或提高焊接材料烘干溫度、減少保護(hù)氣體含水量、降低焊接區(qū)濕度等，均可降低焊縫中溶解的氫。鋼板厚度增加，或結(jié)構(gòu)的剛性增加拘束度都會(huì)增大，從而提高氫致裂紋的敏感性。,1. 低碳鋼的焊接性分析,二.碳

9、素鋼的焊接性,鐵碳合金,淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力 是冷裂敏感性的三大誘因。鋼材的成分一定時(shí)，淬硬組織比例越高，造成冷裂所需的臨界氫含量越低，所需的拘束應(yīng)力也就越低，即冷裂傾向增大。 在組織和氫含量一定時(shí)，拘束度越大，冷裂紋敏感性越大。因此碳鋼冷裂傾向中，淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力三個(gè)因素是相互促進(jìn)，互為前提的。,1. 低碳鋼的焊接性分析,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,熱裂紋 熱裂紋敏感性與鋼中S、P等雜質(zhì)密切相關(guān)。在焊接S、P過(guò)高的碳鋼時(shí)，在焊接熱影響區(qū)的晶界上聚集的低熔點(diǎn)的S、P化合物，引起熱影響區(qū)熔合線附近的液化裂紋；若鋼板厚度較大，沿不同偏析帶分布的硫化物等，在T形等接頭中會(huì)引起層狀撕裂裂紋；

10、當(dāng)母材稀釋率較高時(shí)，進(jìn)入焊縫中的S、P也偏多，容易引起焊縫中的熱裂紋。接頭設(shè)計(jì)或工藝操作上要避免焊縫具有窄而深的形狀。 低碳鋼弧焊焊縫通常具有較高的抗熱裂紋能力,1. 低碳鋼的焊接性分析,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,層狀撕裂 沸騰鋼含氧量較高，板厚中心有顯著偏析帶，焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋和氣孔，厚板焊接有一定的層狀撕裂傾向，時(shí)效敏感性也較大，焊接接頭的脆性轉(zhuǎn)變溫度也較高。因此，沸騰鋼一般不用于制造受動(dòng)載荷或在低溫下工作的重要結(jié)構(gòu)。,1、 低碳鋼的焊接性分析,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,焊接熱影響區(qū)的性能變化 主要是接頭塑韌性變化，與鋼的成分、焊前母材熱處理狀態(tài)、焊接熱過(guò)程有關(guān)。碳鋼主要以熱軋狀態(tài)

11、交貨，但對(duì)于某些優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和專(zhuān)門(mén)用途的碳素結(jié)構(gòu)鋼，交貨狀態(tài)既有熱軋、也有控軋、正火、正火+回火或調(diào)質(zhì)(淬火+回火)。在鋼材冷卻過(guò)程中，在奧氏體分解前的較低溫度下，施以大變形，增加鐵素體相形核率，形成的晶粒明顯細(xì)化，從而大幅度提高其強(qiáng)度和塑韌性,1、 低碳鋼的焊接性分析,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,某些焊接方法熱源不集中或線能量過(guò)大，如氣焊和電渣焊等，引起焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒更加粗大，從而降低接頭的沖擊韌性，因此，重要結(jié)構(gòu)焊后往往要進(jìn)行正火處理。 總之，低碳鋼含碳量低，合金元素含量也很低，因此采用通常的焊接方法，接頭中不會(huì)產(chǎn)生淬硬組織或冷裂紋。只要焊接材料選擇適當(dāng)，便能得到滿意的焊接接

12、頭。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,1、 低碳鋼的焊接性分析,低碳鋼對(duì)焊接方法的選擇無(wú)特殊要求，可根據(jù)材料厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用性能要求及生產(chǎn)條件等選擇。 焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊等是常用的焊接方法。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,2、 焊接方法,冷裂紋 中碳鋼的碳當(dāng)量比低碳鋼大。當(dāng)含碳大于0.25%時(shí)，增加了鋼材的淬硬性，焊接時(shí)如果冷卻速度較快(如圖2-3所示45鋼的CCT圖2所示冷速超過(guò)臨界值c點(diǎn)后)則會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，且中碳鋼的馬氏體組織有較大的脆性，在焊接應(yīng)力作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷。中碳鋼焊接后熱影響區(qū)更容易形成淬硬的馬氏體組織，這種組織對(duì)氫更敏感，產(chǎn)生冷裂紋所

13、需的臨界應(yīng)力更低，應(yīng)設(shè)法采用低氫型焊條，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度降低殘余應(yīng)力。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,3、 中碳鋼的焊接性分析,圖2-3 45鋼的CCT曲線,3.中碳鋼的焊接性分析,熱裂紋 當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.25%時(shí)，碳本身的偏析以及它促進(jìn)S、P等其他元素的偏析都明顯起來(lái)，特別是母材S、P含量控制接近標(biāo)準(zhǔn)要求的合格值的上限附近時(shí)，低熔點(diǎn)硫化物而導(dǎo)致熱裂紋傾向增加，尤其是弧坑處。 因此焊接中碳鋼首先必須嚴(yán)格控制硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,3、 中碳鋼的焊接性分析,氣孔 由于含碳量比低碳鋼大，進(jìn)入熔池中的碳含量增加，在焊接冶金反應(yīng)中，有可能產(chǎn)生CO氣孔，增加了焊縫中出現(xiàn)

14、氣孔的敏感性。 焊接沸騰鋼時(shí)，應(yīng)保證所選用的焊接材料中有足夠脫氧劑，防止焊縫中的氣孔。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,3、 中碳鋼的焊接性分析,焊接熱影響區(qū)性能的變化 焊接熱影響區(qū)因出現(xiàn)淬硬組織，帶來(lái)的強(qiáng)度提高、脆化和硬化，冷裂敏感性的增加。因熔化母材中的碳進(jìn)入熔池中，導(dǎo)致焊縫金屬碳含量增加，且因稀釋率的不同而使焊道間的性能變化。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,3、 中碳鋼的焊接性分析,中碳鋼隨著含碳量的增加而焊接性越來(lái)越差。 焊接時(shí)的主要問(wèn)題是熱裂紋、冷裂紋、氣孔和脆斷，有時(shí)還會(huì)存在熱影響區(qū)強(qiáng)度降低；鋼中雜質(zhì)越多，結(jié)構(gòu)剛度越大，問(wèn)題就越嚴(yán)重。 中碳鋼鑄鋼件，焊接修復(fù)時(shí)應(yīng)防止焊接冷裂紋或修復(fù)部

15、位焊接殘余應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,3、 中碳鋼的焊接性分析,焊接方法 一般多采用焊條電弧焊或CO2氣體保護(hù)焊等。 在中碳鋼上增加耐磨或耐蝕面的面積較大時(shí)，或修復(fù)中碳鋼上面積較大的磨損面時(shí)，也可采用埋弧焊 。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,4、 焊接方法,焊接性很差 含碳量大于0.6%，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼鑄件及碳素工具鋼等 ；焊接性很差，焊后很易產(chǎn)生硬脆的高碳馬氏體，淬硬傾向和裂紋敏感傾向大。由于焊接性差、硬度較高，這類(lèi)鋼常用于需高硬度、高耐磨性的部件或零件，而非用于制造焊接結(jié)構(gòu)。 焊接方法：焊條電弧焊和氣焊 ，大多用于焊補(bǔ)修理。,二.碳素鋼的焊接性,鐵碳合金,5

16、、 高碳鋼的焊接性分析,不銹鋼是指在大氣中不容易生銹的鋼；是在特定的酸、堿、鹽條件中比較耐腐蝕的鋼。 由于不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性、成型性，以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)韌性等系列特點(diǎn)，因此在石油化工、原子能源、輕工、紡織、食品、家用器械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。,一.概述,不銹鋼,（1）奧氏體不銹鋼 奧氏體不銹鋼無(wú)磁性、良好的低溫性能、易成型性和可焊性是這類(lèi)鋼種的重要特性。 （2）鐵素體不銹鋼 鐵素體不銹鋼具有強(qiáng)磁性、易于成型、耐銹蝕、耐點(diǎn)蝕等特點(diǎn)。 （3）馬氏體不銹鋼 有高強(qiáng)度和高硬度，耐腐蝕性比奧氏體及鐵素體稍差。,一.概述,不銹鋼,1.不銹鋼的分類(lèi),（4）雙相不銹鋼 屈服強(qiáng)度高、耐點(diǎn)蝕、耐應(yīng)力

17、腐蝕，易于成型和焊接。 （5）沉淀硬化不銹鋼 沉淀硬化不銹鋼鉻含量在17%左右，加之含有鎳、鉬等元素，除具有足夠的不銹性外，其耐蝕性接近于奧氏體不銹鋼。,一.概述,不銹鋼,1.不銹鋼的分類(lèi),鐵：是不銹鋼的基本金屬元素； 鉻：是主要鐵素體形成元素，鉻與氧結(jié)合能生成耐腐蝕的Cr2O3鈍化膜，是不銹鋼保持耐蝕性的基本元素。 碳：是強(qiáng)奧氏體形成元素，可顯著提高鋼的強(qiáng)度，另外碳對(duì)耐腐蝕性也有不利的影響。 鎳：是主要奧氏體形成元素，能減緩鋼的腐蝕現(xiàn)象及在加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大。,一.概述,不銹鋼,2.合金元素的作用,鉬：是碳化物形成元素，形成的碳化物極為穩(wěn)定，能阻止奧氏體加熱時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，減小鋼的過(guò)熱敏感性，。

18、 鈮、鈦：是強(qiáng)碳化物形成元素，能提高鋼的耐晶間腐蝕能力。 氮：是強(qiáng)奧氏體形成元素，可顯著提高鋼的強(qiáng)度。 磷、硫：是不銹鋼中的有害元素，對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性和沖壓性都會(huì)產(chǎn)生不利影響。,一.概述,不銹鋼,2.合金元素的作用,（1）熱傳導(dǎo):不銹鋼的熱傳遞速度比較慢。 （2）熱膨脹：與碳鋼相比304鋼種的線膨脹系數(shù)較大。 （3）電阻：與純金屬相比，合金的電阻一般比較大，不銹鋼也是如此。,一.概述,不銹鋼,2.不銹鋼的一般物理性質(zhì),一.概述,不銹鋼,（4）不銹鋼的磁性,表3 各種材料的磁性性質(zhì),不銹鋼的電阻系數(shù)遠(yuǎn)大于低碳鋼，焊接時(shí)焊條及焊接區(qū)的母材都比較容易被加熱而熔化，同時(shí)使熔區(qū)周?chē)幕w過(guò)熱，造成焊接

19、區(qū)變形不均和晶粒粗大。 不銹鋼的線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量不易傳遞，焊接時(shí)熔深大，焊接加熱使結(jié)構(gòu)膨脹，冷卻時(shí)產(chǎn)生較大的收縮變形和拉應(yīng)力，容易引起熱裂紋。,二.焊接性性,不銹鋼,1.不銹鋼的焊接性,焊接熱影響區(qū)內(nèi)容易引發(fā)晶間腐蝕。原因是在焊接熱影響區(qū)內(nèi)，在敏化溫度（450850）區(qū)間，基體局部貧鉻，難以鈍化，造成耐蝕性明顯下降，于是在相應(yīng)的腐蝕環(huán)境中優(yōu)先被腐蝕，鋼的晶界由于受腐蝕變寬。這時(shí)腐蝕部位的塑性和強(qiáng)度已嚴(yán)重喪失，冷彎時(shí)出現(xiàn)裂紋、脆斷，腐蝕部位落地?zé)o金屬聲。,二.焊接性性,不銹鋼,1.不銹鋼的焊接性,不銹鋼是一種較耐腐蝕的鋼，但不是絕對(duì)不生銹的鋼，到目前為止沒(méi)有發(fā)明在任何條件下均不腐蝕

20、的鋼，因此具體的鋼種是適應(yīng)在一定的的使用環(huán)境中使用。 鋼的耐腐蝕性隨著鉻含量的提高而加強(qiáng)。當(dāng)鉻含量12%時(shí)，鋼的耐蝕性發(fā)生突變，即從易生銹到不易生銹，從不耐蝕到耐腐蝕。所以通常稱(chēng)不銹鋼是鉻含量為12%以上的鐵基合金。,二.焊接性性,不銹鋼,1.不銹鋼的焊接性,鋼在高溫下能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕、不起皮）的品質(zhì)，叫做鋼的熱穩(wěn)定性； 鋼在高溫下具有足夠強(qiáng)度的品質(zhì)，叫做鋼的熱強(qiáng)性。具有熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的鋼，稱(chēng)為耐熱鋼。,一.概述,耐熱鋼,（1）珠光體耐熱鋼中所加入的合金元素主要為鉻、鉬、釩，而且其總含量一般在5以下，也稱(chēng)為低合金耐熱鋼， （2）馬氏體耐熱鋼 不僅有熱強(qiáng)性，還具有較高的耐腐蝕性能。1Crl3和2Cr13鋼既可作為耐熱鋼，又可作為不銹鋼使用。,一.概述,耐熱鋼,1.耐熱鋼的分類(lèi),（3）鐵素體耐熱鋼 這類(lèi)鋼抗高溫氧化和耐腐蝕性能好，但熱強(qiáng)性較差、脆性大。 （4）奧氏體耐熱鋼