10MnCrNiMo焊接性分析课程设计解析

焊接冶金学课程设计10MnCrNiMo的焊接性分析

学院：机械工程学院

专业班级：材料成型及控制工程专业

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目录

一．本课程设计的基本内容和要求 3 （1）基本内容 3 （2）基本要求 3 二．10MnCrNiMo的化学成分及力学性能分析 3（1）钢号及化学成分 3 （2）主要合金元素作用分析 4 三．SHCCT图分析 6四．10MnCrNiMo的焊接性分析 7（1）冷裂纹 7（2）热裂纹及消除应力裂纹（再热裂纹） 8（3）热影响区的性能变化 8

（2）焊缝化学成分的计算 11 （3）焊接参数的选择 11 （4）焊接工艺确定 12 （5）焊后质量检测 13

一．本课程设计的基本内容和要求

（1）基本内容：

?查阅板厚为5mm的母材材料的成分、力学性能、用途及其SHCCT；

?对母材进行焊接性理论分析；

?选用焊接材料，以熔合比为0.3计算焊缝的化学成分；

?根据SHCCT图分析HAZ的组织；

?初步探讨材料的焊接工艺的特点，采用对接接头；

?查询文献、综合分析及标注的方法。

（2）基本要求：

?掌握焊接性理论分析方法；

?掌握SHCCT图的分析方法；

?初步分析材料的焊接工艺特点；

?标注所引用的文献来源。

二．10MnCrNiMo的化学成分及力学性能分析

（1）钢号及化学成分

由上表可知，合金元素总质量分数为3.2%，为低合金结构钢。

由上表可知，一定温度条件下，经过调质处理后，屈服强度为σs=651Mpa,抗拉强度为σb=716Mpa,故属于低碳调质钢，且为高强钢。故10MnCrNiMo为低合金高强度的低碳调质钢。

用途：10MnCrNiMo常制造成圆钢，用于系泊链的制造如煤机链条、圆环链。（2）主要合金元素作用分析：【2】锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。锰元素细化焊缝区组织晶粒大小；增加焊缝的屈服强度和抗拉强度，减少钢的时效倾向增强冲击韧性。

铬（Cr）：铬能显著提高焊缝的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性，热处理后韧性更低，铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。

镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。镍的加入可以提高焊缝的硬度，屈服强度，抗拉强度及冲击性能。消除应力处理对锰镍匹配焊缝的韧性几乎没有影响，但在镍与锰含量不匹配时产生严重脆化。

钼（Mo）：细化焊缝粗晶区与细晶区的晶粒，，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能，使焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度提高。

硅（Si）：硅会导致焊缝金属脆性降低，从韧性考虑硅有害。从防止焊缝气孔考虑，焊缝金属至少应含有0.2%的硅，能作为脱氧剂并防止CO气孔形成，所

以焊缝应含有一定的硅，但作为脱氧产物容易形成硅酸而夹渣，低熔点的硅酸盐还可能导致结晶裂纹。硅能使焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度呈非线性增加，但缺口韧性下降，其损害程度与含锰量有关。

硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，选用母材符合要求。

磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，选用母材符合要求。

铜（Cu）：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。当Cu、Mo联合添加时，可显著提高淬透性。但是过量的铜会引起残余奥氏体增多，影响材料耐磨性。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响选用的母材符合要求不会对焊接性产生影响。

其中，Mn、Si为固溶强化作用，Mo为沉淀强化和细晶强化。

三．SHCCT图分析

图2.1 【1】

图2.2

如图2.1中，图中纵坐标以正常刻度表示温度，横坐标以对数刻度表示时间，除了曲线1、2、3以外的每条曲线都表示以A3为起点的冷却过程，A表示奥氏体组织区域，F表示铁树体组织转变区域，Zw表示中间组织转变区域，M表示马氏体组织转变区域，图中曲线1为奥氏体开始析出铁素体的区域，曲线2为从奥氏体析出中间组织的区域，同时曲线2为铁素体析出结束曲线，曲线3是中间组织转变结束曲线，同时Ms表示马氏体开始转变形成的温度。

图中的C Z’、C f’分别表示从A3温度冷却到500℃开始出现的中间组织（即各种贝氏体类组织）、铁素体，以及记得到贝氏体和铁素体的临界冷却时间（s）。这些特征值对分析焊接热影响区的组织很有意义，只要结合图2.2在实际焊接过程中热影响区所要研究部位的金属从A3冷却到500℃的时间，对照临界冷却时间，就可以判断热影响区的显微组织。

拿图中最右边的冷却曲线来说，最终室温下的组织成分为55%的F，40%的Zw和5%的M，平均维氏硬度为224HV。

如图2.2所示，Cz’和Cf’对应的冷却曲线的冷却速度分别为Vz=（A3-500）/ C Z’=75℃/s；和Vf=（A3-500）/ C f’=59.4℃/s，Vz和Vf分别为室温组织全部为回火马氏

体的临界速度和室温组织中不含铁素体的临界速度。说明图2.1往右的曲线表示的冷却速度越慢，对于低碳调质钢来说，焊接后得到的理想的组织为回火马氏体和下贝氏体（10%~30%）的混合组织。故冷却速度在Vz和Vf之间的冷却曲线较为理想。即在室温下得到的组织全为回火马氏体和贝氏体。

在冷却时要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有一个自回火的过程，从而有利于形成回火马氏体，采用多层多道焊接方法时，后一道焊缝对前一道焊缝有一个回火热处理的过程，这也有利于回火马氏体的形成。

大致冷却过程为：从785℃开始冷却，开始的组织为奥氏体，冷却到约650℃时，从奥氏体中开始析出铁素体，随着冷却过程的进行铁素体的量增加，冷却到约570℃时，开始析出中间组织（即各种贝氏体组织），随着冷却过程的进一步进行，在440℃时，开始析出马氏体，最后的室温组织为马氏体+下贝氏体。四．10MnCrNiMo的焊接性分析

由表一、表二分析可知，10MnCrNiMo为低碳调质钢，低碳调质钢碳的质量分数不超过0.18%，焊接性能远优于中碳调质钢，这类钢焊接热影响区形成的是低碳马氏体，马氏体开始转变温度Ms较高，所形成的马氏体具有“自回火”特性，使得焊接冷裂纹倾向比中碳调质钢小。

低碳调质钢的σs一般为441～980MPa，在调质态供货和使用。其特点是含碳量更低，淬火组织为低碳马氏体，不仅强度高，并且兼有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需要进行调质处理。这类钢由于强度高，主要用于高压设备。调质钢中最简单的一类，就是将σs≥343MPa的Mn-Si钢进行调质处理后达到的σs441～490MPa。但当板厚加大或强度级别要求更高时，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，来保证达到足够的淬透性和抗回火性。【3】（1）冷裂纹

这类钢的合金化原理，就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织。

钢的淬硬倾向主要取决于化学成分，其中碳元素的影响元素最大，而中碳钢含碳量较高，冷裂倾向较大，可以通过碳当量公式来大致估算钢的冷裂敏感性。通常碳当量越高，淬硬性越大，冷裂敏感性也越大。选用日本JIS标准规定：

310310025

?++++++=V Mo Cr Mn Ni Si P S C HCS ）（Ceq=C+Mn/6 + Si/24 +Ni/40 +Cr/5 +Mo/4 +V/14 (%) 【4】 由表一中各个元素含量代入公式算出：Ceq=0.495%，可查下表三知钢材淬硬倾向较大，需要焊前预热100℃以防止冷裂纹的产生。 表三：根据钢材强度和碳当量确定预热温度

由于这类钢的淬硬倾向大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。但由于这类钢的特点是马氏体含量很低，它的转变温度Ms 点较高，如果在该温度下冷却较慢，则生成的马氏体还能来的及进行一次“自回火”处理，因而实际上冷裂倾向并不一定很大。即在马氏体形成后如果能从工艺上提供一个“自回火”处理的条件，即保证马氏体转变的冷却速度较慢，则冷裂纹是有可能避免的；若马氏体转变的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向就必然会增大。同时，限制焊缝含氢量，可采用低氢型焊条。

（2）热裂纹及再热裂纹

1．低碳调质钢含碳量较低、Mn 含量较高，因此热裂纹倾向比较小，可以根据化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响评估热裂纹倾向，采用热裂纹敏感性指数法（简称HCS ），其计算公式为： 【5】 由10MnCrNiMo 钢各元素的化学成分估算出HCS=1.52，当HCS ≤4时，一般不产

生热裂纹，因此10MnCrNiMo 钢没有热裂纹倾向。

2.从低碳调质钢的合金系统来看，在为加强淬透性和抗回火性而加的一些合金元素中，大多数是属于能引起再热裂纹的元素，如Cr 、Mo 、Cu 、V 、Nb 、Ti 和B 等，其中V 的影响最大，Mo 次之，而且V 和Mo 同时加入是就更严重。Cr 的影响与含量有关。在Cr-Mo 和Cr-Mo-V 钢中，当Cr ＜1%时，随着含Cr 量的增加再热裂纹的倾向加大；当Cr ＞1%后，继续增加含Cr 量时再热裂纹倾向减小。

用△G法判断：△G’=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C（%）=0.63≤1.5，故10MnCrNiMo 对再热裂纹不敏感。【6】（3）热影响区的性能变化【4】①过热区的脆化

这类钢的合金化原理是通过提高淬透性来保证获得高强度和高韧性的低碳

马氏体和下贝氏体。因此它的含C量很低，一般限制在0.18%以下。一些强度级别高的钢都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/5，这时刚好对应于马氏体+下贝氏体的组织。焊接热循环作用下，当t8/5继续增加时，引起脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化引起脆化外，主要原因是由于上贝氏体和M-A组元的形成。这类钢中上贝氏体转变的同时很容易出现M-A组元。当合金化程度增加，奥氏体稳定性提高时，易在贝氏体组织中的铁素体之间形成一些M-A组元。M-A组元的存在导致脆化，数量越多脆化越严重成为潜在的裂纹源，起了应力集中的作用，对热影响区韧性有不利的影响。

防止措施：母材中含有的Cr、Ni、Mn合金元素可以提高淬透性；当含Ni量较高时，形成的高Ni马氏体，甚至上贝氏体都是具有很好的韧性。因此，增加钢中的含Ni量对近缝区的韧性有很大改善。因此要调整t8/5来控制M-A组元的产生。控制焊接热输入和采用多层多道焊工艺，使低碳调质钢热影响区避免出现高硬度的马氏体或M-A混合组织，改善抗脆能力。

②焊接热影响区的软化

这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，而且温度越接近于Ac1的区域，软化越严重，因此对焊后不再进行调质处理的低碳调质钢来说尤其重要。从强度出发，这是焊接接头的一个薄弱环节，强度级别越高这一问题就越突出。此外，软化的程度和软化区的宽度也与焊接工艺也有很大关系。因此，在制定这类钢的焊接工艺时必须考虑到这一问题。

防止措施：减小焊接热输入有利于缩小软化区宽度，软化程度有所降低。软化宽度一定，板厚越大，焊接热输入越小，初始预热温度越低，焊接接头强度就可以越高。

其中，有W成分，钨熔点高，钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。不影响形成的焊缝强度和性能。【7】【8】再由图4.1可知，母材为5mm厚度，选择焊条直径为3.2mm。

图4.1 【7】

（2）焊缝化学成分的计算

根据公式：W(焊缝金属）=D(熔合比）*W(母材金属）+(1-D）*W（焊接材料）计算焊缝化学成分（%）如下，熔合比D=0.3 【9】

（3）焊接参数的选择

1.焊接热输入的确定

焊接热输入增大是热影响区晶粒粗化，同时也促使形成上贝氏，甚至形成M-A 组元，使韧性降低。当热输入过小时，热影响区的淬硬性明显增强，也使韧性下降。从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但对防止脆化来说却要求冷却快较好，因此应兼顾两者冷却速度范围。

由于焊条选择为J707NiW（E7015-G），由下图4.2可知选择焊接电流120A。要限制过大的线能量，以避免出现裂纹和脆化。

图4.2 【7】

2.预热温度和焊后热处理

预热的目的是防止裂纹，降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的“自回火”来提高抗裂性能，之前计算冷裂性得出结论需焊前预热100℃左右，才能防止裂纹的产生。

低碳调质钢一般是在焊态条件下使用，由于有“自回火”的作用，通常情况下不进行焊后热处理。除非接头强度和韧性过低、焊接结构受力大或承受应力腐蚀等情况才进行焊后热处理，热处理温度必须必母材原材料调质处理的回火温度低30℃左右。

（4）焊接工艺确定

1.焊前清除焊件铁锈、油污、水分等杂质，将坡口附近打磨出光洁表面。

2.板厚较小，焊前可不进行预热，但为了防止产生冷裂纹，可进行100℃预热，必须严格控制预热温度。

3.为防止产生冷裂纹，因此必须严格控制焊接材料中的含氢量，要求所使用的焊条必须是低氢型或超低氢型的，焊前应严格按规定进行烘干、贮存，放在保温箱内，随用随取。

4．为避免过度损伤热影响区的韧性，应避免使用过大的线能量。应尽可能采用多层小焊道焊缝，最好采用窄焊道，而不采用横向摆动的运条技术。

5.焊后热处理，大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用，不需要进行焊后回火处理，只有在下述条件下才进行焊后热处理。

①、焊后或冷加工后的韧性过低。

②、焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性。

③、焊接结构承受应力腐蚀。

焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度。

（5）焊后质量检测【10】①焊缝外观检测

主要以肉眼观察为主，可采用样板、量具和放大镜对焊缝外观尺寸、成形情况进行检测，要求如下：外观尺寸符合设计图样的规定，无裂纹、气孔、未熔合、未焊透、咬边等，焊缝与母材过渡圆滑。

②焊缝内部检测

根据所学有四种无损检测方法：射线检测、超声波检测、磁力检测、渗透检测，它们都有各自的优势和应用范围。这里采用超声波检测方法。

超声波探伤时，利用将高频脉冲电信号转换为脉冲超声波，由探头传入焊件，超声波遇到缺陷和焊件底部时就分别发生不同的反射，反射波被探头接收并转换成电脉冲信号，经设备处理放大后在示波器上显示波形图，然后根据脉冲波形的位置间距，波峰高低判断内部缺陷的位置和大小。

参考资料：【1】王宗杰《焊接SHCCT图及其应用》机械工业出版社第285页【2】https://www.360docs.net/doc/3910359399.html,/view/51f753d2240c844769eaee91.html

【3】李亚江《焊接冶金学—材料焊接性》机械工业出版社

【4】李亚江《焊接冶金学—材料焊接性》机械工业出版社表2-4

【5】李亚江《焊接冶金学—材料焊接性》机械工业出版社公式2-2

【6】李亚江《焊接冶金学—材料焊接性》机械工业出版社公式2-5

【7】徐越兰《常用焊接材料手册》化学工业出版社

【8】尹士科《焊接材料及接头组织性能》化学工业出版社

【9】张文钺《焊接冶金学—基本原理》机械工业出版社公式1-10

【10】赵熹华《焊接检验》机械工业出版社