焊接安装工程施工技术2 钢材及焊接材料Word格式文档下载.docx

1、式中L1试样断裂后长度（mm）；L0试样原来的长度（mm）。当试样原来的长度与其直径之比为5或10时，延伸率分别以和2） 断面收缩率：表示，试样在断口处横断面积的缩减量同原横断面积之比值的百分率称为断面收缩率。同下式表示 （2）式中F1试样断裂后的横截面积（mm2）；F0试样原横截面积（mm2）。3） 冷弯角度：将试件绕芯轴弯曲到一定角度，来检验材料的塑性，这种试验方法称为弯曲试验，试件被弯曲的角度称为弯曲角度。弯曲试验通常在室温下进行，因而又称为冷弯试验，弯曲角度也称冷弯角度。冷弯试验是焊接接头常用的试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以发现受拉面的缺陷。判定冷弯试件塑性的好坏有两种

2、方法：弯曲角度越大表示试件的塑性越好。在相同的弯曲角度时，如90或180不出现裂纹的弯曲芯轴直径越小，试件的塑性越好。（3） 硬度：硬度是衡量钢材软硬的一个指标，也是金属抵抗比它更硬的物体压人其表面的能力，压坑越小或越浅，表示硬度越高。硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（IRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV）、肖式硬度（HS）。常用的有布氏硬度和洛氏硬度。1） 布氏硬度试验：它是将直径10mm的淬硬钢球，在重力P的作用下压入试件表面，试件上即出现一个压坑。布氏硬度值用符号HB表示，数字是压坑单位面积上所承受的平均压力。布氏硬度由于被测金属压坑的面积较大，故测定的硬度值比较准确，应用较广泛

3、。但布氏硬度不能测定硬度高于HB450的材料，否则钢球本身就会发生变形而影响准确度，又因试验后的压坑较大，不能测定太薄太小的试件，也不宜测定表面要求严格的成品。2） 洛氏硬度试验：它是以1200的金钢石圆锥体，或声=1.59mm的淬火钢球作为压头，在一定重力P的作用下，将压头压人被测试件表面，以压人深度（永久变形）鉴定试件的硬度大小。压人越深试件的硬度越低，反之硬度越高。洛氏硬度试验时加在压头上的载荷有三种：60、100、150kgf。试验机上用A、B、C三种标尺分别代表三种荷载值，测得的硬度值相应用HRA、HRB、HRC表示。A、B、C三种标尺所用的压头、载荷及使用范围，见表l。表 1 洛氏

4、硬度的压头载荷与使用范围符 号压 头负 荷（ksf）适 用 范 围标尺硬度值初总AHRA120金刚石压锥1060HRA7085硬而薄的金属BHRB1.59钢球压头100HRB25100的软金属、铜合金、中低碳钢CHRC金钢石压锥lO150HRC2067硬金属、淬火回火处理钢这种测定硬度的优点是：简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值，可以测定最硬的金属材料，试验时压痕小，可以测定成品及薄的工件。缺点是由于压痕小，代表性不足，结果不够准确，往往需多测几次，取其平均值来代表金属的硬度。（4） 击韧性：在冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力叫韧性。测定金属材料的韧性，是将一定形状尺寸的试样放在冲击试

5、验机的支座上，使试样缺口背向摆锤的冲击方向，随后将试验机质量为G的摆锤，自一定高度H1（m）自由落下，冲断试样后，摆锤继续向前升高H2度。摆锤冲断试样时所消耗的功为 （3）金属材料冲击韧性的大小，就是消耗于冲断试样在单位横截面积上冲击功A的大小，称为冲击韧性值，用ak来表示 （4）式中A冲断试样所消耗的功（J）；F试样断口处横截面积（cm2）。ak值越大，表示材料的韧性越好，在受到冲击载荷时不容易断裂。2. 高温机械性能（1） 蠕变：金属在一定温度和应力作用下，随着时间的增长产生缓慢而连续地塑性变形的现象称为蠕变。钢材的蠕变与温度和应力有很大关系。温度升高或应力增大，蠕变速度加快。如碳钢当工作

6、温度超过300350，合金钢当工作温度超过300400时，就会有蠕变。工程上用蠕变极限作为衡量指标，有时也用在规定时间内，使钢材发生一定量的总变形的应力值来表示。锅炉和汽轮机设备的蠕变极限一般是指工作10万h总变形量为l时的应力值以（2） 高温强度：常用的高温强度指标有持久强度和瞬时强度，通常以持久强度作为主要指标。1） 持久强度：指钢材在高温和应力的长期作用下，抵抗断裂的能力。持久强度以两个指数（一个在上，一个在下）的符号表示，上面的指数表示试验温度（），下面的指数表示断裂所需要的时间（h），如表示在温度600C时，经lo万h断裂的持久强度。在锅炉设计中常以高温运行10万h断裂时的应力作为持

7、久强度，用2） 瞬时强度：指钢材在一定高温下，短时间内引起试样断裂的应力。（3） 热疲劳性：钢材如果长期一冷一热地工作，材料内部在温差变化下热应力的作用会产生微小裂纹，裂纹不断扩展最后导致破裂。所以在温度起伏变化条件下工作的钢材，应考虑钢的热疲劳性。（4） 热脆性：钢的冲击韧性在高温和应力的长期作用下，产生下降的现象称为热脆性。几乎在所有情况下，温度越高，高温和应力作用的时间越长，钢的热脆性也就越显著。（三） 合金钢及合金元素在钢中的作用1. 合金钢在碳钢中加入一定量的合金元素，可以大大提高钢的强度，并能获得各种特殊的性能，这种钢称为合金钢。合金元素总含量5的合金钢称为低合金钢。在低合金钢中，

8、当加入的合金元素总含量3，其冶炼方法和成本与一般碳钢差不多，而其性能却由于加人元素的不同，使钢材分别具有强度高、韧性好、耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐低温等一系列优良的性能，这种合金钢称为普通低合金钢，简称“普低钢”。2. 合金元素在钢中的作用钢中除铁和碳及常有的锰、硅、硫、磷元素外，为了改善其各种性能特意加入一些其他元素称为合金元素，合金元素在钢中的作用如下：碳（c）：碳在低合金钢中，常与合金元素形成碳化物，在室温或较低的温度下，能起强化作用。但在高温下，这些碳化物容易分解，碳还会聚集、长大，对钢的蠕变和持久强度有不良影响。碳的存在还会使钢的塑性、韧性、耐腐蚀性、抗氧化性降低，随着含碳量的增加，钢

9、的焊接性能变差，所以在耐热钢管和锅炉压力容器钢中碳的含量一般限制在0.200.25以下。铬（Cr）：铬能在钢材表面形成一层附着性很强的致密性氧化膜，使钢材的氧化速度显著减慢，提高了钢的抗氧化性；铬含量在2以下，能显著提高钢的再结晶温度，提高钢的热强性；当含铬量大于12时，能显著提高钢的电极电位，使钢材具有良好的耐腐蚀性；铬能阻止钢中的石墨化过程，并降低碳化物的球化速度。但铬能提高钢的淬透性，焊接时易产生裂缝，还会出现回火脆性。钼（Mo）：钼是形成铁素体元素，它可以提高钢的再结晶温度，提高低合金耐热钢的热强性。但钼有促进石墨化的倾向。在合金钢中常用含量为0.5l左右。钒（v）：钒是良好的脱氧剂，

10、能除去钢中的氧。又是强碳化物形成元素，其仅次于钛。钒可以改善钢的机械性能，但会提高钢的淬硬倾向，使焊接性变差。镍（Ni）：镍主要用来形成稳定奥氏体组织，提高钢的耐腐蚀性。镍还能提高奥氏体钢的高温强度和持久强度，明显改善钢的韧性，尤其是低温冲击韧性，它是不锈耐酸钢和低温用钢中的重要元素。钛（Ti）和铌（Nb）：它都是强烈地形成碳化物的元素，所形成的碳化物比碳化钒稳定。由于钛和铌与碳的亲合力较大，常用来作稳定剂，防止铬镍奥氏体钢在高温下或焊接后产生晶间腐蚀。它还能提高钢的再结晶温度，对提高钢的高温机械性能有良好作用。钨（w）：钨的熔点高达3387，它能大大提高钢的再结晶温度，提高钢材的热强性。锰（

11、Mn）：锰在钢中是良好的脱氧、脱硫剂。锰含量小于2时，对低合金钢可提高钢的强度和韧性，对中、高合金钢随着强度的增加，其塑性和韧性要降低。增加锰含量，可提高钢的耐磨性。锰会增大钢对淬火、过热的敏感性。硅（si）：硅是强脱氧剂，可以提高钢在高温下的抗氧化性。当硅含量超过2时，可使钢的塑性和韧性降低。焊接时硅易形成高熔点夹杂物残留在焊缝中。铝（A1）：铝是非常强的脱氧剂，能使大多数金属氧化物还原。少量的铝可以细化晶粒，提高钢的抗氧化能力。铝和氮能形成稳定的氮化物，可使某些钢获得良好的耐热性。但铝会促进石墨化，在钢中易形成夹杂物。稀土（Re）：稀土元素能强化晶界，提高钢的抗蠕变性能和持久强度。并能除去

12、硫、磷等在钢中的有害作用，大大改善钢的冲击韧性。稀土元素能细化晶粒，减少枝晶偏析，减少钢的回火脆性倾向。（四） 杂质元素在钢中的影响（1） 硫、磷是钢中的杂质元素，是钢在冶炼过程中未能脱净残留在钢中的元素，是降低钢的性能和焊接性能的有害杂质。硫（s）：硫几乎不溶于钢，它是与铁生成低熔点的硫化铁存在于钢中，当钢材在热加工时存在于晶界的低熔点化合物（Fes）会局部熔化导致钢材开裂，称之为钢的热脆性。焊接时，导致焊缝出现热裂纹，使焊接性能变坏。硫的存在使钢的塑性和韧性降低，故钢中硫的含量一般不应超过0.05。磷（P）：磷的存在同样会使钢的塑性和韧性降低，提高钢的脆性转变温度。磷在室温或低温下易使钢产

13、生裂纹，称之为钢的冷脆性。焊接时，使焊缝和热影响区产生冷裂纹，使焊接性能变坏。故钢中磷的含量一般不应超过0.05。（2） 除了硫、磷以外，钢中的氧、氢、氮也是有害元素，它们的产生是冶炼和浇注过程带人钢中；在焊接热加工过程从焊条或空气中也可能吸收进入钢中。它们的存在降低了钢材的强度、塑性和韧性。氢（H） ：氢溶入钢中使钢的塑性、韧性降低，引起氢脆。随着温度的下降，氢在钢中的溶解度降低，析出的氢在钢的孔隙或非金属夹杂物处结合成氢分子，造成极高的压力，极易形成显微裂纹。这种裂纹内壁呈银白色，称为白点。白点的存在，大大降低了钢的机械性能，在合金钢大型铸件和厚壁管焊接接头的运行中，容易因裂纹扩展造成脆性

14、断裂。所以，白点是钢中不允许存在的缺陷。氮（N）：氮可使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低，使钢的脆性增大，因此氮在钢中是一种有害元素。氧（O）：氧在钢中会使钢的强度和塑性降低，特别是钢中存在氧化物夹杂时，会大大降低钢的疲劳强度，增加钢的热脆性。所以氧也是钢中的有害元素。（五） 钢的分类1. 按化学成分分类按钢的化学成分可分为碳素钢和合金钢两种。（1） 碳素钢：碳素钢是铁碳合金，其中还有少量杂质元素，如硫、磷、锰、硅等。按钢的含碳量多少分为：1） 低碳钢：含碳量0.6的钢。（2） 合金钢：按合金元素总含量多少分为：1） 低合金钢：合金总含量10的钢。普通低合金钢的合金总含量3。2. 按用途分类

15、按钢的用途可分为结构钢、工具钢和专用钢。（1） 结构钢：碳素结构钢分为普通结构钢和优质结构钢两种。1） 普通结构钢分为：甲类钢（A类钢）：只保证钢材的机械性能。乙类钢（B类钢）：只保证钢材的化学成分。丙类钢（C类钢）：既保证钢材的机械性能，又保证钢材的化学成分。2） 优质结构钢：既能保证钢材的机械性能和化学成分，而且钢中的硫、磷含量也较低。（2） 工具钢：专门用来制作工具、器具的钢。（3） 专用钢：是具有特殊物理或化学性能，用于特殊需要场合的钢，如锅炉汽包用钢、电焊条用钢等。3. 按冶炼方法分类按钢的冶炼方法和设备不同可分为：（1） 平炉钢；（2） 转炉钢；（3） 电炉钢。按钢材脱氧程度不同可

16、分为：（1） 沸腾钢：钢在冶炼时，以锰做脱氧剂，脱氧不完全，使一部分氧与碳化物产生大量的一氧化碳（CO）气，引起钢水翻滚（即沸腾现象），故称这类钢为沸腾钢。（2） 镇静钢：钢在冶炼时，加入锰、铝、硅等多种元素做脱氧剂，脱氧较彻底，无沸腾现象，故称这类钢为镇静钢。合金钢通常脱氧完全，一般都是镇静钢。（3） 半镇静钢：这类钢介于沸腾钢和镇静钢之间，冶炼时虽有些沸腾现象，但不严重。4. 按质量等级分类主要是以钢中硫、磷的含量来分类。（1） 普通钢：钢中含硫量为0.0550.065；含磷量为0.0450.085。（2） 优质钢：钢中含硫量为0.0300.040；含磷量为0.0350.040。（3） 高

17、级优质钢：钢中含硫量为0.0200.030；含磷量为0.0300.035。5. 按金相组织分类按正火处理后的金相组织分类有：珠光体类钢、贝氏体类钢、马氏体类钢、奥氏体类钢等。有些含合金元素较多的高合金钢，在固态下只有铁素体组织，不发生铁素体向奥氏体转变，称为铁素体钢。如有部分铁素体向奥氏体转变，则称半铁素体类或马氏体铁素体类钢。汽轮机叶片用2Cr13钢即是马氏体铁素体类钢。（六） 钢的组织和性能1. 铁与钢的相变钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织。为了了解钢材组织转变的特性首先应了解铁和钢的相变。金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间形状的结晶格子，称为晶格。金属的晶

18、格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1所示。铁在加热和冷却过程中，固相结晶结构的变化称为相变。铁在室温下为体心立方晶格的a铁，缓慢加热到910时转变为面心立方晶格的铁，加热到1400时，再转变为体心立方晶格的铁。不同温度下结晶结构的转变过程称为铁的同素异晶转变。铁的这种特性，它使钢材可以通过各种热处理方法改变其内部组织，使其性能得到改善。它也是焊接中各个区段具有不同组织和性能的原因。2. 钢的组织钢是铁和碳的合金。碳能溶解在a铁和铁中形成固溶体。铁和碳还可以形成化合物。钢材的组织主要有以下8种： （1） 铁素体（F）：铁素体是碳在a铁中的间隙固溶体，如图2所示。碳在a铁中的溶解度极小，因

19、此铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好。含铁素体高的钢，如低碳钢，塑性和韧性均较好。（2）渗碳体（）：渗碳体是铁和碳的化合物，其性能硬而脆。随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。（3） 珠光体（P）：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体只有在温度低于723时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强度和硬度比铁素体高，但脆性并不大。（4） 奥氏体（A）：奥氏体是碳在Y铁中的固溶体，如图3所示。碳钢只有加热到723以上，组织发生转变时才存在奥氏体。奥氏体的强度、硬度不高，塑性、韧性很好。奥氏体的另一特征是没有磁性。 （5） 马氏体（M）：马氏

20、体是碳在口铁中的过饱和固溶体。奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力易引起工件变形和开裂。高碳马氏体具有很高的强度和硬度，塑性、韧性差。低碳回火马氏体具有相当的强度和良好的塑性和韧性。（6） 贝氏体（B）：贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是介于珠光体和马氏体之间的一种组织，属于中温转变产物。在较高温度下形成的贝氏体叫上贝氏体（B上），其韧性最差；在较低温度下形成的贝氏体叫下贝氏体（B下），其有较高的强度和良好的韧性；还有一种是粒状贝氏体，其强度较低，但有较好的韧性。（7） 索氏体（s）：索氏体又称细珠光体，有很好的韧性。当奥氏体转变冷却速度较快，比形成珠光体较低的温度下

21、得到的组织为淬火索氏体；当高温回火时，由碳化物聚集形成细的颗粒状组织称为回火索氏体。（8） 魏氏组织：魏氏组织是一种过热组织。碳钢过热晶粒长大后，从高温冷却时形成的组织。它使钢材的塑性、韧性降低，钢材变脆。3. 铁碳合金状态图钢和生铁都是铁碳合金。含碳量低于2的铁碳合金称为钢。超过2的称为生铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织，称为铁碳合金状态图，如图4所示。图上纵坐标表示温度，横坐标表示铁碳合金中碳的百分含量。例如，在横坐标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为6.67，全部为渗碳体。图中.ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁

22、在1535凝固，随含碳量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为1147。当含碳量大于4.3以后，随含碳量的增加，合金凝固点增高。AEF线为固相线。在AEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相（液相和固相）共存。AE线表示液体合金冷却时全部凝固为奥氏体的温度。ECF水平线，1147为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性能硬而脆。PSK水平线，723，为共析反应线，表示所有含碳量的铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度，即发生相变时的临界温度，称为临界点。PSK线又称为A1线。加

23、热时用Ael表示，Ael为珠光体转变为奥氏体的临界点。冷却时用Arl表示，Arl为奥氏体转变为珠光体的临界点。GS 线表示含碳量低于0.8的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度，即发生相变时的临界温度，称为临界点。GS线又称为A3线。加热时用Ae3表示，Ae3为铁素体开始溶人奥氏体的临界点。冷却时用Ar3表示，Ar3为奥氏体开始析出铁素体的临点。ES线表示碳在奥氏体组织中不同温度下的最大溶解度，又称为Acm线，加热时用Accm表示，冷却时用A表示。E点是碳在奥氏体组织中最大溶解度点，也是区分钢与生铁的分界点，其温度为1147，含碳量为2.06。S点为共析点，温度为723，含碳量为0.8。

24、S点成分的钢是共析钢，其组织全部为珠光体。s点左边的钢为亚共析钢，组织为铁素体+珠光体；s点右边的钢为过共析钢，组织为渗碳体+珠光体。C点为共晶点，温度为1147，含碳量为4.3。C点成分的合金为共晶生铁，组织为莱氏体。含碳量在24.3之间的合金为亚共晶生铁，组织为莱氏体+珠光体+渗碳体；含碳量在4.36.67之间的合金为过共晶生铁，组织为莱氏体+渗碳体。 现以含碳O.3的钢为例，说明钢从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷液体却至AC线时开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS（Ar3）线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核

25、，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK（Arl）线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从Arl下降到室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，如图5所示。铁碳合金状态图对钢材热加工具有重要的指导意义，它可以作为选用钢铁材料和焊接、热处理等热加工工艺的依据。（1） 选用材料方面的应用：铁碳合金状态图表明了铁碳合金的组织和性能，为选用钢铁材料提供了依据。（2） 焊接方面的应用：焊接时，由焊缝到母材各个区域的加热温度不同，整个焊缝区会出现不同的组织，冷却过程中造成组织和性能不均匀。可根据状态图来分析焊缝组织，了解不同含碳量钢的熔点，为正确选择焊接材料、焊接规范、焊前预热、焊后热处理提供依

26、据。（3） 热处理方面的应用：铁碳合金状态图与热处理工艺有特别密切的关系，热处理工艺（如退火、正火、淬火、回火等）的加热温度应根据铁碳合金状态图上的临界点确定。（七） 氩气和钨极1. 氩气氩气是惰性气体，具有高温下不分解又不与焊缝金属起化学反应的特性，它的密度比空气重37，使用时不易漂浮失散，有利于起保护作用，所以是一种理想的保护气体。氩气在空气中的含量极少，按体积计算仅占O.9325，按质量计算占1.3。氩气是液态空气分馏制氧时的副产品，由于氩气的沸点介于氧气和氮气之间为-185.7（氧的沸点是-183、氮的沸点是-195.8），沸点温度差值小，所以制氩时，不可避免地在氩气中会含有一定数量的

27、氧、氮和二氧化碳及水分。这些气体和水分，如果含量过多，将会影响氩气的保护作用，并直接影响焊缝的质量和钨极的烧损。因此要求使用的氩气纯度应大于99.95以上。对化学性能活泼的金属，如钛、钼、铌、锆及其合金，氩气的纯度要求还应更高些。2. 钨极（1） 对钨极材料的要求：要电子发射能力强，电弧稳定性好，耐高温，焊接过程中本身不易熔化，有较大的许用电流，强度高以及防腐蚀性好，不易损耗等。（2） 常用的钨极种类：钨极氩弧焊常用的电极材料有纯钨、钍钨和铈钨三种。1） 纯钨极：钝钨极密度为19.3g/cm3，熔点为3387，沸点为5900，是使用最早的一种电极材料。纯钨极发射电子的电压较高，要求焊机具有高的

28、空载电压。另外，纯钨极易损坏，电流越大烧损越严重，目前很少使用。2） 钍钨极：在钨中加入3以下的氧化钍，制成钍钨极。这种钨极具有较高的热电子发射能力和耐熔性，用于交流电时，允许电流值比同直径的纯钨极可提高1，3，空载电压可大大降低。但钍钨极的粉尘具有微量的放射性，在磨削电极时要注意粉尘的防护。3） 铈钨极：在钨中加入2以下的氧化铈，制成铈钨极。它比钍钨极具有更大的优点，弧束细长，热量集中，可提高电流密度58；烧损率低，寿命长；易引弧，电弧稳定；几乎没有放射性。因此，目前得到了广泛的应用。铈钨极的优越性尤其表现在大电流焊接或等离子弧切割时，其损耗率比小电流焊接时还更小。（八） 焊条的工艺性能焊条的工艺性能是指焊条的操作使用性能。任何焊条其质量再高，如果操作工艺性能太差，焊接过程特别困难，使用很不方便，就不是好的焊条。焊条的焊接工艺性能是判定焊条质量的重要标志，一般从焊条稳弧性，各种空间位置的适用性，焊缝的成形性和脱渣性，熔深和熔敷系数及飞溅程度等方面评价其优劣。1. 稳弧性及极性 焊接过程中，有时出现电弧突然熄灭或晃动不稳定，有时引燃异常困难，这些现象都可用稳弧性这一慨念来评定。（1）