1、第第3章章 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接_ _3.1 合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能_3.2 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接_3.3 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接_3.4 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接_3.5 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接_3.6 低温钢的焊接低温钢的焊接_1.铁碳相图铁碳相图-Fe-Fe-Fe知识回顾：知识回顾：纯纯铁铁1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe - Fe铁素体碳在体心立方碳在体心立方-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间
2、隙固溶体（简称（简称铁素铁素体体)；它的溶碳量很小，它的溶碳量很小，最多只有最多只有0.0218%(727)，室，室温时几乎为温时几乎为0 ，因此性能与纯铁接近，因此性能与纯铁接近，强度和硬度低，强度和硬度低，塑性和韧性高塑性和韧性高，并具有铁磁性。，并具有铁磁性。b：180280MPa、硬度硬度80HB，：30%50%，k：160200J/2 碳在高温碳在高温-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体()，最大溶碳量，最大溶碳量为为1495时的时的0.09。铁素体铁素体铁素体铁素体奥氏体碳在面心立方碳在面心立方-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，溶碳量较高溶
3、碳量较高，1148时为时为2.11， 727时为时为0.77奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为7271394，故奥氏体的，故奥氏体的硬度低，塑性较高硬度低，塑性较高，通常在，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁趁热打铁” 。力学性能：力学性能：b=400MPa、=40%50%、170220HB渗碳体渗碳体渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于似于Fe3C的一种间隙式化合物，的
4、一种间隙式化合物，用用Fe3C表示，表示，其含碳量其含碳量wc=6.69%，硬度高、脆性大硬度高、脆性大，力学性能，力学性能指标为：硬度指标为：硬度800HB、抗拉强度、抗拉强度(b)30MPa、伸、伸长率长率()0、冲击韧度、冲击韧度(k)0。珠光体珠光体珠光体P是共析铁素体是共析铁素体F和渗碳体和渗碳体Fe3C的一种机械的一种机械混合物混合物，强度较高，强度较高, 塑性、塑性、韧性和硬度介于渗碳体和韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间铁素体之间铁素体铁素体渗碳体渗碳体钢铁的“四把火”知识回顾：知识回顾：钢铁的“四把火”退火退火：加热到临界点以上或以下温度，保温一定时间，然加热到临界点以上或以下
5、温度，保温一定时间，然后随炉冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺后随炉冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺目的：目的：使化学成分均匀，消除内应力和加工硬化，改善使化学成分均匀，消除内应力和加工硬化，改善加工性能，并为淬火做准备。加工性能，并为淬火做准备。知识回顾：知识回顾：钢铁的“四把火” 正火正火：加热到：加热到Ac3或或Accm以上适当温度，保温一定时间，使以上适当温度，保温一定时间，使之之完全奥氏体化完全奥氏体化，然后在，然后在空空气中气中冷冷却，得到却，得到珠光体珠光体类组织类组织目的目的：改善切削加工性能，消除应力，均匀成分改善切削加工性能，消除应力，均匀成分 低碳钢低碳钢和
6、和中碳钢中碳钢知识回顾：知识回顾：钢铁的“四把火” 淬火淬火：加热到临界点加热到临界点Ac3或或Ac1以上一定温度，保温后以以上一定温度，保温后以大于临界淬火速度大于临界淬火速度冷却，得到冷却，得到马氏体马氏体或或贝氏体贝氏体组织组织目的目的：使使奥氏体化后奥氏体化后的工件获得尽量多的的工件获得尽量多的马氏体马氏体，然后配以不同温度的回火，获得各种所需的性能然后配以不同温度的回火，获得各种所需的性能知识回顾：知识回顾：注意注意：钢在任何情形下都钢在任何情形下都不能以单淬火状态使用不能以单淬火状态使用，淬火残余应力会使钢材变形或剥裂淬火残余应力会使钢材变形或剥裂钢铁的“四把火”回火回火：将淬火钢
7、在将淬火钢在A1以下温度加热保温，使淬火组织转以下温度加热保温，使淬火组织转 变为变为稳定的回火组织稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温，然后以适当的方式冷却到室温目的目的：消除淬火应力；提高组织稳定性；提高塑性消除淬火应力；提高组织稳定性；提高塑性和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配知识回顾：知识回顾：调质处理调质处理：淬火高温回火淬火高温回火 高温回火是指在高温回火是指在500650之间进行的回火。之间进行的回火。 通过调质处理，可以使钢的组织和通过调质处理，可以使钢的组织和 性能得到很大程度的调整，性能得到很大程度的调整，其其强度强度、塑
8、性塑性和和韧性韧性都较好，具有都较好，具有良好的综合机械性能良好的综合机械性能 3.1 钢铁的分类碳素钢碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，含有极少指在冶炼时没有特意加入合金元素，含有极少量的量的Si、Mn和微量的和微量的S、P等元素，其含碳量大等元素，其含碳量大于于0.0218%而小于而小于2.11%。 按碳含量分：按碳含量分： 低碳钢低碳钢，含碳量，含碳量0.25 中碳钢中碳钢，含碳量：，含碳量：0.250.6% 高碳钢高碳钢，含碳量，含碳量0.6 合金结构钢的分类合金钢合金钢：指在炼钢过程中有意识地加入一种或多种：指在
9、炼钢过程中有意识地加入一种或多种合金元素合金元素来改善钢材性能。来改善钢材性能。常用合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、常用合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、 钨、钒、钛、硼钨、钒、钛、硼 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、 Ti、 B按合金元素总含量分：按合金元素总含量分： 低合金钢低合金钢，合金元素总含量，合金元素总含量5 中合金钢中合金钢，合金元素总含量，合金元素总含量510% 高合金钢高合金钢，合金元素总含量，合金元素总含量10 性能性能：强度高，韧性好，具有特殊的物理、化学性能，：强度高，韧性好，具有特殊的物理、化学性能， 如耐热性和耐蚀性等如耐热性和耐蚀性等应用应用：压力容器、石油化
10、工、桥梁、船舶等：压力容器、石油化工、桥梁、船舶等机械零件机械零件和和工程结构工程结构合金结构钢的分类按用途和性能分按用途和性能分：强度用钢（高强钢）：强度用钢（高强钢）和和低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢1、强度用钢、强度用钢： 强度：强度：s295MPa，高强钢，高强钢 应用：常规条件下要求能承受应用：常规条件下要求能承受静载静载和和动载动载的机械零件和工程结构的机械零件和工程结构主要性能是主要性能是力学性能力学性能，合金元素的加入是为了保证，合金元素的加入是为了保证足够的足够的塑性和韧性塑性和韧性的前提下，获得不同的的前提下，获得不同的强度强度等级，等级，同时也可同时也可改善焊接性改善焊
11、接性非调质钢非调质钢合合金金结结构构钢钢调质钢调质钢热轧钢热轧钢正火钢正火钢控轧钢控轧钢b600MPab600MPa低碳调质钢低碳调质钢中碳调质钢中碳调质钢热轧钢：把钢锭加热到热轧钢：把钢锭加热到1300 左右，经左右，经热轧热轧成板材，成板材， 然后然后空冷空冷后即成热轧钢。后即成热轧钢。正火钢：钢板正火钢：钢板轧制轧制和冷却后，和冷却后，再加热再加热到到900 附近，然附近，然 后后空冷空冷。调质钢：调质钢：轧制轧制冷却后再在冷却后再在900 附近附近加热加热后放入后放入淬火淬火设设 备中水淬，然后在备中水淬，然后在600 左右左右回火回火处理。处理。新发展钢种：微合金化控轧钢、焊接无裂纹
12、钢（新发展钢种：微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF 钢）、抗层状撕裂钢（钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）、焊接大向钢）、焊接大 热输入钢等。热输入钢等。 主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大 型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。工程中。表表3-1 3-1 国内外常见的合金结构钢的牌号国内外常见的合金结构钢的牌号 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa国内外常用钢牌号国内外常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q3
13、90、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳低碳调质钢调质钢49098014MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳中碳调质钢调质钢880117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoA特特 殊殊用用钢钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢26564012CrMo、15CrMo、2.25Cr1Mo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、12Cr5Mo、12Cr9Mo1
14、、12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB低温钢低温钢34358509Mn2V、06AlCuNbN、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢-12MnCuCr、09MnCuPTi、09CuPCrNi、12AlMoV、12AlMo、15Al3MoWTi 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa国内外常用钢牌号国内外常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q390、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳低碳调质钢调质钢49098014MnMoV
15、N、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳中碳调质钢调质钢880117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoAQ295屈服强度屈服强度295MPa1. Q屈服点屈服点18CrMoVA0.18%C2. 数字数字+合金元素合金元素+A/B/C/D(碳含量的万分之几）碳含量的万分之几） 优质优质A等级最低，等级最低，D最高最高X60：管线钢：管线钢WCF62：焊接无裂纹钢：焊接无裂纹钢HQ70、HQ80、HQ100、T-1、
16、HY80、HY110：低：低碳调质钢碳调质钢高强钢1）热轧及正火钢）热轧及正火钢 s =294490MPa，在热轧或正火状态下使用，在热轧或正火状态下使用，属于属于非热处理强化钢非热处理强化钢。 包括包括微合金化控轧钢微合金化控轧钢、抗层状撕裂的、抗层状撕裂的Z向钢向钢等。等。应用：应用：常温下常温下工作的一些受力结构，如压力容器、工作的一些受力结构，如压力容器、 动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等高强钢2）低碳调质钢）低碳调质钢 s = 490980MPa，在调质状态下供货使用，属于，在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。热处理强化钢。特点
17、：含碳量较低（特点：含碳量较低（0.22%），），高强度高强度，良好塑良好塑 性和韧性性和韧性，可以直接在，可以直接在调质状态下进行焊接调质状态下进行焊接， 焊后不需进行调质处理焊后不需进行调质处理。应用：大型工程机械、压力容器及舰船制造等。应用：大型工程机械、压力容器及舰船制造等。高强钢3）中碳调质钢）中碳调质钢 s = 8801176 MPa 以上，热处理强化钢以上，热处理强化钢特点：含碳量较高（特点：含碳量较高（0.25%0.5% ），）， 淬硬性淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度高的硬度 和强度和强度，但，但韧性韧性相对相对较低较低，焊接困难焊接困难。
18、一般是在一般是在退火状态下焊接退火状态下焊接，焊后再进行整体热焊后再进行整体热 处理处理来达到所要求的强度和硬度。来达到所要求的强度和硬度。应用：应用：强度要求很高的产品或部件，如强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机火箭发动机 壳体壳体、飞机起落架飞机起落架等。等。低合金特殊用钢应用：一些特定条件下工作的机械零件和工程结构应用：一些特定条件下工作的机械零件和工程结构要求：常规力学性能，必须适应要求：常规力学性能，必须适应特殊环境特殊环境可分为：可分为：珠光体耐热钢珠光体耐热钢、低温钢低温钢和和低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢等等低合金特殊用钢1）珠光体耐热钢）珠光体耐热钢元素：以元素：以Cr、Mo为
19、基础为基础，随工作温度提高，加入，随工作温度提高，加入 V、W、Nb、B等合金元素等合金元素特点：具有较好的特点：具有较好的高温强度高温强度和和高温抗氧化性高温抗氧化性应用：工作温度在应用：工作温度在500600的的高温设备高温设备，如热动力，如热动力 设备和化工设备等。设备和化工设备等。低合金特殊用钢2）低温钢）低温钢 一些一些含含Ni或无或无Ni的低合金钢，一般在的低合金钢，一般在正火正火或或调质调质 状态使用。状态使用。应用：各种低温装置（应用：各种低温装置（-40-196）和在）和在严寒地区严寒地区的一的一 些工程结构，如些工程结构，如液化石油气液化石油气、天然气、液氮、液天然气、液氮
20、、液 氢氢等等生产储运设备。生产储运设备。特点：与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在低温下特点：与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在低温下 具有足够高的具有足够高的低温韧性低温韧性，对强度无特殊要求。，对强度无特殊要求。 低合金特殊用钢3）低合金耐蚀钢）低合金耐蚀钢 要求：具有一般力学性能，必须具有要求：具有一般力学性能，必须具有耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。应用：像应用：像大气大气、海水海水、石油化工石油化工等等腐蚀介质腐蚀介质中工作的中工作的 各种机械设备和焊接结构。各种机械设备和焊接结构。 所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同，耐蚀钢所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同，耐蚀钢中应用最
21、广泛的是耐中应用最广泛的是耐大气大气和耐和耐海水海水腐蚀用钢。腐蚀用钢。3.1.2 合金结构钢的基本性能1）化学成分）化学成分低碳钢：低碳钢：WC=0.10%0.25%，WSi0.3%， WMn=0.5%合金元素：合金元素： Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu杂质元素：杂质元素：P、S含量限制在较低程度含量限制在较低程度碳碳：最能提高强度最能提高强度的元素，但易于引起的元素，但易于引起淬硬淬硬和和焊接裂焊接裂 纹纹，所以在，所以在保证强度保证强度的前提下，碳的含的前提下，碳的含量越少越量越少越 好好（C%0.22%，实际，实际C% 0.18%）3.1.2 合金结构钢的基本性能、合
22、金元素对组织转变的影响：、合金元素对组织转变的影响： Ni组元素组元素：以：以Ni元素为代表，元素为代表， Ni、Mn、Co、Cu、（C、N、H） 奥氏体元素奥氏体元素（在（在晶格中具有较大溶解晶格中具有较大溶解 度，扩大奥氏体区，形成并稳定奥氏体）度，扩大奥氏体区，形成并稳定奥氏体） Cr组元素组元素：以：以Cr元素为代表，元素为代表， Cr、Si、Al、Ti、V、Mo、W、B、(O、P、S） 铁素体元素铁素体元素（在（在-Fe中具有较大溶解度，中具有较大溶解度， 缩小奥氏体区，形成并稳定铁素体）缩小奥氏体区，形成并稳定铁素体）2）合金元素的影响）合金元素的影响3.1.2 合金结构钢的基本性
23、能1）细化晶粒）细化晶粒2）在不同程度上改变了钢的奥氏体）在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学转变动力学，直接影响钢的直接影响钢的淬硬倾向淬硬倾向。提高钢的淬硬倾向提高钢的淬硬倾向： C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和和Si等元素等元素降低钢的淬硬倾向降低钢的淬硬倾向： Ti、Nb、Ta等等碳化物形成元素碳化物形成元素合金元素的作用：合金元素的作用：淬硬倾向：淬硬倾向： 马氏体含量越多，硬度越高，淬硬倾向越大，淬马氏体含量越多，硬度越高，淬硬倾向越大，淬硬性主要取决于硬性主要取决于马氏体马氏体中中碳碳的的过饱和度过饱和度3.1.2 合金结构钢的基本性能合金元素合金元素N的作用：的作用：氮（
24、氮（N）：在钢中的作用）：在钢中的作用与碳相似与碳相似，奥氏体元素奥氏体元素 1）当它溶解在铁中时，将扩大）当它溶解在铁中时，将扩大区。区。 2）能与钢中其他合金元素形成稳定的）能与钢中其他合金元素形成稳定的氮化物氮化物，这，这些氮化物往往以些氮化物往往以弥散弥散的微粒分布，从而的微粒分布，从而细化晶粒细化晶粒，提提高高钢的钢的屈服点屈服点和和抗脆断能力抗脆断能力。 3）Al、Ti和和V等合金元素对氮具有较高的亲和力，等合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的并能形成较稳定的氮化物氮化物。 因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入
25、中必须同时加入Al、V和和Ti等氮化物形成元素。等氮化物形成元素。3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响：s=122+274C+82Mn+55Si+54Cr+44Ni+78Cu+353V+755Ti +540P+30-2(h-5)b=230+686C+78Mn+90Si+73Cr+33Ni+56Cu+314V+529Ti +450P+21-1.4(h-5)式中式中 h为板厚（为板厚（mm）3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对塑性和韧性的影响：、合金元素对塑性和韧性的影响： 热轧及正火条件下，合金元素的热轧及正火条件下，合
26、金元素的强化效果越大强化效果越大，塑性和韧性的降低越多塑性和韧性的降低越多，当钢中合金元素的含量超出，当钢中合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性的大幅度下降。抗拉强度大于一定范围后会出现韧性的大幅度下降。抗拉强度大于600MPa的的高强钢高强钢一般都需进行一般都需进行调质处理调质处理。3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对淬透性的影响：、合金元素对淬透性的影响：淬透性：淬透性：钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力。淬硬层（马淬硬层（马氏体层）深度越大，则钢的淬透性越好氏体层）深度越大，则钢的淬透性越好。提高淬透性的元素：提高淬透性的元素：Mn、Cr、Ni、M
27、o、V、Nb、B、Cu等等凡是能够凡是能够增加过冷奥氏体稳定性增加过冷奥氏体稳定性，或者说，或者说使曲线位置右移使曲线位置右移，降低马氏体转变临界冷却速度降低马氏体转变临界冷却速度，都能提高钢的淬透性，都能提高钢的淬透性 3.1.2 合金结构钢的基本性能 各种合金各种合金元素的影响元素的影响程度不仅取决于它的程度不仅取决于它的含量含量，还取决于同时存在的还取决于同时存在的其他合金元素其他合金元素的性质和含量的性质和含量 低碳调质钢的低碳调质钢的综合性能综合性能除了取决于除了取决于化学成分化学成分外，外，主要是通过主要是通过热处理热处理保证具有良好的组织和力学性能保证具有良好的组织和力学性能3.
28、1.2 合金结构钢的基本性能2）力学性能）力学性能屈强比屈强比：屈服强度与抗拉强度之比，：屈服强度与抗拉强度之比，s /b 钢材的钢材的强度越高强度越高，屈强比增大屈强比增大 低碳钢的屈强比约为低碳钢的屈强比约为0.7左右左右 控轧钢板的屈强比约为控轧钢板的屈强比约为0.700.85 800MPa级高强钢的屈强比约为级高强钢的屈强比约为0.95 反映结构的安全可靠性，反映结构的安全可靠性，屈强比愈小屈强比愈小，意味着加工硬化指，意味着加工硬化指数和均匀伸长率越高，钢材受力超过屈服点工作时的可靠数和均匀伸长率越高，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而性愈大，因而结构安全性愈高结构安全性愈高
29、。但屈强比太小，则钢材不。但屈强比太小，则钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为比一般为0.600.75。3.1.2 合金结构钢的基本性能2）力学性能：）力学性能：拉伸性能拉伸性能低温：低温：冷脆性冷脆性， T ，b 韧性下降韧性下降高温：高温：T200，缓慢下降，缓慢下降 T200 ，升高，升高 T=300 ，最大，最大 T350 ，降低，降低a a）低温拉伸性能）低温拉伸性能 b)b)高温拉伸性能高温拉伸性能3.1.2 合金结构钢的基本性能2）力学性能：）力学性能：缺口韧性缺口韧性 缺口韧性：用于表示材料缺口韧性：
30、用于表示材料抵抗脆性破坏抵抗脆性破坏的一项指标的一项指标 却贝冲击吸收功：缺口韧性的评价方法却贝冲击吸收功：缺口韧性的评价方法 试验：试验： 试样：试样：10mm10mm55mm，中央开深度，中央开深度2mm 的的V形缺口，尖端半径为形缺口，尖端半径为0.25mm。 试验过程：逐渐改变试验温度做试验过程：逐渐改变试验温度做冲击试验冲击试验 评价指标：评价指标：1）试样破断时所需的能量（称为）试样破断时所需的能量（称为吸吸 收能收能） 2）断口形貌（塑性断口和脆性断口）断口形貌（塑性断口和脆性断口）低温冲击试验机低温冲击试验机3.1.2 合金结构钢的基本性能2）力学性能：）力学性能：缺口韧性缺口
31、韧性吸收能：可以反映出某一温度范围韧性急剧变化的吸收能：可以反映出某一温度范围韧性急剧变化的 转变现象转变现象 吸收能变小，由塑性断口转变为脆性断口吸收能变小，由塑性断口转变为脆性断口韧脆转变温度韧脆转变温度（ VTrs）：）： 低于某一温度，材料由韧性断裂转变为脆性断裂低于某一温度，材料由韧性断裂转变为脆性断裂 VTrs越低越低，韧性越好韧性越好韧性断口韧性断口脆性断口脆性断口 固溶强化作用很显著固溶强化作用很显著 优点：优点： 提高韧性提高韧性(WMn1.7%) 良好的脱良好的脱S、脱、脱O剂，降低热脆性剂，降低热脆性 提高硬度、耐磨性提高硬度、耐磨性3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金
32、元素对力学性能的影响：、合金元素对力学性能的影响：Mn缺点缺点：Mn含量增高，有增加钢晶粒粗化的倾向和回火含量增高，有增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性；减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能脆性敏感性；减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能 固溶强化，固溶强化，提高硬度和强度提高硬度和强度 优点：优点： 提高弹性极限，屈服点，常用作提高弹性极限，屈服点，常用作弹簧钢弹簧钢 提高抗氧化性（提高抗氧化性（SiO2膜），常做膜），常做耐热钢耐热钢3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对力学性能的影响：、合金元素对力学性能的影响：缺点缺点： 显著降低塑性和韧性，一般显著降低塑性和韧性，一般Si含量含量0.
33、5% 时韧性开始时韧性开始恶化恶化。 提高高温抗氧化性，常与提高高温抗氧化性，常与Cr一起用于一起用于耐热钢耐热钢3.1.2 合金结构钢的基本性能、合金元素对力学性能的影响：、合金元素对力学性能的影响：MoV、Ti、Nb是是强烈形成强烈形成碳化物碳化物的元素；还的元素；还可形成可形成氮化物氮化物，析出微小的，析出微小的VC、TiC、NbC及及VN、TiN、Nb(C、N)产生明显的产生明显的沉沉淀强化淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服强作用，在固溶强化的基础上屈服强度可提高度可提高50100MPa，并能，并能保持韧性保持韧性 3.1.2 合金结构钢的基本性能、微合金化元素、微合金化元素TiNbV
34、 在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大，在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大， 细化晶粒细化晶粒从而从而改善韧性改善韧性B合金元素的加入：合金元素的加入： 合金结构钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也合金结构钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用不同，成分设计既要满足使用性能性能要求又要考虑其要求又要考虑其经济性经济性。b =600MPa：Mn-Si、Mn-Si+少量少量Cr、Ni、Mo、V b =700MPa：Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较系，合金元素加入量较 600MPa级的钢多些，还加入少量的级的钢多些，还加入少量的V；b = 800MP
35、a：Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量系，并加入一定量B；b = 1000MPa：与：与800MPa级的钢基本相同，但合金元素加入级的钢基本相同，但合金元素加入 量较高，尤其是为了量较高，尤其是为了保证韧性保证韧性，而加入，而加入较多的较多的Ni3.1.2 合金结构钢的基本性能3）显微组织）显微组织为了获得满意的为了获得满意的强度和韧性强度和韧性的组合：的组合：1）晶粒尺寸必须）晶粒尺寸必须细小细小、均匀均匀，而且应是，而且应是等轴晶；等轴晶；2）经）经调质调质处理，钢材具有较高的处理，钢材具有较高的强度强度、韧性韧性和良好和良好 焊接性焊接性，裂纹敏感性小，热影响区，裂纹
36、敏感性小，热影响区组织性能稳定组织性能稳定。3）控制杂质控制杂质之和，使之和，使W杂质：杂质：0.01%0.006%4）控制）控制晶粒度晶粒度：3m 经经淬火淬火+回火回火处理获得处理获得板条低碳马氏体板条低碳马氏体组织的低合组织的低合金金调质钢调质钢，以其，以其高强度高强度、高韧性高韧性和和低的缺口敏感性低的缺口敏感性得到了得到了广泛应用。广泛应用。 低合金钢热影响区中的显微组织主要是低合金钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体低碳马氏体、贝氏贝氏体体、M-A组元组元和和珠光体珠光体类组织，导致具有不同的硬度、强度、类组织，导致具有不同的硬度、强度、塑性和韧性塑性和韧性强强度度韧韧性性低低碳
37、碳马马氏氏体体贝贝氏氏体体铁铁素素体体+珠珠光光体体粒粒状状贝贝氏氏体体上上贝贝氏氏体体下下贝贝氏氏体体低低碳碳马马氏氏体体3.1.2 合金结构钢的基本性能 低合金高强钢不同比例混合组织的维氏硬度和低合金高强钢不同比例混合组织的维氏硬度和相应金相组织的显微硬度见表相应金相组织的显微硬度见表3-2。3.1.2 合金结构钢的基本性能 同样的显微组织，也具有不同的同样的显微组织，也具有不同的硬度硬度，与钢的，与钢的含碳量含碳量、合金含量合金含量及及晶粒度晶粒度有关：有关：硬度：硬度：高碳马氏体高碳马氏体的硬度可达的硬度可达600HV 低碳马氏体低碳马氏体的硬度只有的硬度只有350390HV性能：前者
38、是性能：前者是针状马氏体针状马氏体（孪晶马氏体），属（孪晶马氏体），属脆硬相脆硬相； 后者是后者是低碳板条马氏体低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，（位错马氏体），硬度虽高，但仍有但仍有较好的韧性较好的韧性。针状马氏体针状马氏体 3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能_ 3.2.2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性_ 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺_ 3.2 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢：热轧及正火钢： s =294490MPa，在热轧或正火状态下使用，属
39、于，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢非热处理强化钢。特点：价格便宜，具有良好的综合力学性能和加工性能特点：价格便宜，具有良好的综合力学性能和加工性能包括：包括：微合金化控轧钢微合金化控轧钢、抗层状撕裂的、抗层状撕裂的Z向钢向钢等。等。应用：应用：常温下常温下工作的一些受力结构，如压力容器、工作的一些受力结构，如压力容器、 动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能s =294490MPa的低合金高强钢的低合金高强钢3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能1. 热轧
40、钢热轧钢 s =294390MPa的普通低合金钢的普通低合金钢化学成分：化学成分：C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti wC0.2% Mn、Si：固溶强化固溶强化保证钢的强度保证钢的强度 V、Nb 、Ti ：细化晶粒细化晶粒、沉淀强化沉淀强化 属于属于C-Mn或或Mn-Si系的钢种系的钢种wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5% wSi 0.6%：使：使 vTrs 提高，对提高，对韧性不利韧性不利; wC0.3%、wMn1.6%：焊接时易出现：焊接时易出现裂纹裂纹，在热轧，在热轧钢焊接区还会出现钢焊接区还会出现脆性的淬硬脆性的淬硬组织。组织。3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及
41、正火钢的成分和性能 Q345（16Mn）是我国）是我国1957年研制生产和应用年研制生产和应用最广泛最广泛的热轧的热轧钢，用于南京长江大桥和我国第一艘万吨远洋货轮。钢，用于南京长江大桥和我国第一艘万吨远洋货轮。1. 热轧钢热轧钢 在在Q345基础上加入少量基础上加入少量V(0.030.20%)、Nb(0.010.05%)、Ti(0.100.20%)等，利用等，利用V、Nb、Ti的的碳化物碳化物和和氮化物氮化物的析出的析出可进一步提高钢的可进一步提高钢的强度强度，细化晶粒细化晶粒，如，如Q390，Q4203.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能1. 热轧钢热轧钢 组织组织：铝
42、镇静的：铝镇静的细晶粒铁素体珠光体细晶粒铁素体珠光体，热轧供货，热轧供货 要求提高冲击韧度或板厚较大时，可以要求要求提高冲击韧度或板厚较大时，可以要求 在正火条件下供货，经正火处理可使钢的化学成在正火条件下供货，经正火处理可使钢的化学成 分均匀化，塑性、韧性提高，但强度略有下降。分均匀化，塑性、韧性提高，但强度略有下降。如：如： Q345在个别情况下，为了改善综合性能，特别在个别情况下，为了改善综合性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行是厚板的冲击韧性，可进行900920正火处理，正正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击火后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击韧性）有所提
43、高韧性）有所提高3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能2. 正火钢正火钢 s 390MPa必须在必须在固溶强化固溶强化的同时加强合金元素的的同时加强合金元素的沉淀强化沉淀强化作用作用化学成分：化学成分：C、Mn、Si、S、P、Mo、V、Nb、Ti在在Q345基础上加入少量基础上加入少量V、Nb、Ti、Mo等等碳、氮化合物碳、氮化合物形成元素形成元素，通过通过沉淀强化沉淀强化和和细化晶粒细化晶粒进一步提高钢材的进一步提高钢材的强度和保证韧性强度和保证韧性3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能2. 正火钢正火钢 1）正火状态下正火状态下使用的钢：主要是含
44、使用的钢：主要是含V、Nb、Ti的的钢，如钢，如420等，主要特点是屈强比（等，主要特点是屈强比（s/b）较高；）较高； 2) 正火回火正火回火状态使用的状态使用的含含Mo钢钢：如：如14MnMoV、18MnMoNb等。等。Mo：细化晶粒，提高强度，提高钢材中温性能。：细化晶粒，提高强度，提高钢材中温性能。 含含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，组织为组织为上贝氏体上贝氏体+少量铁素体少量铁素体(Bu+F)，因此正火钢，因此正火钢必须回火必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。后才能保证获得良好的塑性和韧性。 含含Mo的低合金正火钢适于制造
45、的低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器中温厚壁压力容器。正火处理正火处理：促使促使碳化物和氮化物的细小化合物质点碳化物和氮化物的细小化合物质点沉淀沉淀析出析出，弥散分布在晶内和晶界，起，弥散分布在晶内和晶界，起细化晶粒细化晶粒的作用的作用3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能2. 正火钢正火钢 还包括：抗层状撕裂的还包括：抗层状撕裂的Z向钢向钢 屈服强度屈服强度s343MPa处理：冶炼中采用处理：冶炼中采用钙或稀土处理和真空除气。钙或稀土处理和真空除气。Z向钢特点：向钢特点：S含量低含量低（wS 0.005%）、）、气气体含量低体含量低、 Z向断面收缩率高向断面收缩率高（
46、Z35%）等）等3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能3. 微合金控轧钢微合金控轧钢微合金钢微合金钢：加入质量分数为：加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能左右对钢的组织性能 有显著或特殊影响的微量合金元素的钢。有显著或特殊影响的微量合金元素的钢。多元微合金化多元微合金化：多种微合金元素（如：多种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、 V、B、RE）的共同作用。）的共同作用。是热轧及正火钢的一个重要分支，是热轧及正火钢的一个重要分支，是近年来新发展起来的一类新钢种是近年来新发展起来的一类新钢种采用：采用：1）微合金化微合金化 2）控轧控轧等技术等技术 3）冶炼工艺上采取）冶炼
47、工艺上采取降碳降碳、降硫降硫，改变夹杂物，改变夹杂物 形态，提高钢的纯净度等措施，使具有形态，提高钢的纯净度等措施，使具有细晶组织细晶组织。优点：优点：高强高强度、高度、高韧韧性和性和良好的焊接性良好的焊接性。应用：应用：石油石油和和天然气天然气的的输送管线输送管线。细化晶粒细化晶粒、沉淀强化沉淀强化相结合相结合3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能3. 微合金控轧钢微合金控轧钢细化晶粒细化晶粒所采取的主要工艺：所采取的主要工艺：控轧控轧或或控冷控冷1）控轧控轧主要是控制钢材的轧制主要是控制钢材的轧制变形温度变形温度和和变形量变形量，利，利用用位错强化位错强化来强化钢材；
48、来强化钢材；2）控冷控冷主要是控制钢材的主要是控制钢材的开始形变温度开始形变温度和和终了形变终了形变 温度温度，以及随后的，以及随后的冷却速度冷却速度。 与控轧相比，与控轧相比，控冷控冷对钢材晶粒细化的效果对钢材晶粒细化的效果更显著更显著。细晶粒钢：晶粒尺寸在细晶粒钢：晶粒尺寸在50m以下以下的钢种，的钢种， 获得获得强韧性匹配强韧性匹配良好的综合力学性能良好的综合力学性能3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能3. 微合金控轧钢微合金控轧钢控轧管线钢控轧管线钢焊接焊接的主要问题：的主要问题： 过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降改善措施：在钢中加入
49、沉淀强化元素改善措施：在钢中加入沉淀强化元素Ti（形成（形成TiO2、 TiN）防止晶粒长大，优化焊接工艺及）防止晶粒长大，优化焊接工艺及 规范。规范。TMCP：控轧后立即加速冷却控轧后立即加速冷却所制造的钢所制造的钢 （Thermo-Mechanical Control Process） 晶粒尺寸可晶粒尺寸可小于小于50m，最小可达到，最小可达到10m 具有具有良好良好的的加工性加工性和和焊接性焊接性，满足了石油和，满足了石油和 天然气等工业的需要。天然气等工业的需要。3.2.2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢中碳和合金元素的含量都较低，焊接性总热轧及正火钢中碳和合金元
50、素的含量都较低，焊接性总体较好，但体较好，但随合金元素含量的增加随合金元素含量的增加，焊接性变差焊接性变差。焊接。焊接时需要注意的问题是时需要注意的问题是焊接裂纹焊接裂纹和和热影响区性能变化热影响区性能变化。1、冷裂纹及影响因素、冷裂纹及影响因素2、热裂纹和再热裂纹、热裂纹和再热裂纹3、焊缝的组织和韧性、焊缝的组织和韧性4、热影响区脆化、热影响区脆化5、层状撕裂、层状撕裂1、冷裂纹及影响因素、冷裂纹及影响因素2）正火钢正火钢：含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级：含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢别及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不
