第6章低合金钢的焊接详解

有Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等。量少时溶入渗碳体中，形成合金渗
碳体 (Fe,M)3C，一般合金渗碳体都比Fe3C稳定，在奥氏体中的溶解和聚集 长大比Fe3C难。当钢中合金元素和碳量都较高时，可形成稳定性更高的合
金碳化物，常见的有Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，
c、Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。
4、 对过冷奥氏体分解 的影响 （1）合金元素对过冷奥氏体分解的影响（图6-2） 淬透性 Co使C曲线左
移，降低钢的淬透性。 其它元素都使C曲线右移， 提高淬透性。 马氏体点 除Si、Al外，
这些元素还会使钢的马氏体 点的温度下降。降低钢的马 氏体点，在淬火到室温时的
A
—
—
—
A
—
≤0． 30
≤0． 70
Q420 A
≤0．2 1．00 ≤0．5 ≤0．04 ≤0．04 0．02~ 0．015 0．02~ — 0 ~ 5 5 5 0．20 ~ 0．20 1．70 0．06
≤0．4 ≤0．7 0 0
Q460 C
≤0．2 1．00 ≤0．5 ≤0．03 ≤0．03 0．02~ 0．015 0．02~ ≥0．0 ≤0．7 ≤0．7 0 ~ 5 5 5 0．20 ~ 0．20 15 0 0 1．70 0．06
0．14 1．41 0．30 0．12 1．30 0．15 ~ ~ ~ 0．18 1．80 0．35
0．17 0．13 — —
≤0．0 ≤0．0 — 3 3
≤0．0 1．10 0．15~ ≤0．02 ≤0．03 ≤0．5 ≤0．3 ≤0．3 0．02~ 9 ~ 0．35 0 0 0 0．06 1．50 0．09 0．60 0．15~ ≤0．03 ≤0．03 0．30 0．30 — ~ ~ 0．40 ~ ~ 0．16 1．20 1．00 0．60 0．10 0．60 0．15~ ≤0．01 ≤0．02 — ~ ~ 0．35 5 5 0．16 1．20 —
小γ 相区，这类元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、 B、Nb、Zr等，也称
扩大，除造成A1温度的上升或下降外，对S点还会造成左右移动，即改变S
点的成分。统计表明，几乎所有的元素都使S点左移，同时E点也随之左移。 例如在Mo、W、Ti含量高的钢中，0.3－0.4%的碳量已是过共析钢。
合金元素对铁碳相图的影响 如图6-1所示
屈服点为490～980MPa，其特点是含碳量较低（碳的质量分数一般低 于0.22%）合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性， 可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。 这类钢主要用于大型机械工程、压力容器及舰船等焊接结构中。 常用低碳调质钢的化学成分和力学性能见表6-4和表6-5.
图6-3
（3）对回火转变的影响 （图6-4） 对回火转变的影响 见图6-4。 1） 提高了钢的回火稳定性 回火稳定性是表示钢对于回火时发 生软化过程的抵抗能力。许多合金元素 可以使回火过程中各个转变速度减慢， 或完成或达到同样的回火效果需要更高 的温度。这是由于它们减缓碳的扩散， 推迟马氏体分解，在高温下碳化物的长 大速度也被减缓。同样温度下回火的硬 度就较高。
A A A A C
295 345 390 420 460
275 325 370 400 440
255 295 350 380 420
235 275 330 360 400
390~57 23 0 470~63 21 0 490~65 19 0 520~680 18 550~720 17
34 — — — —
了γ 相区。这类元素有 Mn、Ni、Co、N等，也称为γ 相稳定化元素。当它 们的含量增加，A1线也下移。当它们的含量超过一定量后，以致在室温下 只有单相的奥氏体存在，即A1点降到室温以下。 （2）缩小γ 相区 为α 相稳定化元素。 （3）影响共析点S的成分 合金元素的加入，随着对γ 相区的缩小或 合金元素的加入，使A3线上移，而A4下移，为缩
残余奥氏体增加。
图6-2 合金元素对过冷奥氏体分解的影响
（2）对C曲线的形状 的影响 对C曲线的形状 的影
响见图6-3。 C曲线右移， 其中铬表现为C曲线弯曲 出现两个鼻尖，珠光体转 变和贝氏体转变各对应一 个，严重的造成这两个转 变曲线分离，中间出现一 亚稳区，有的对其中某一 种转变有抑制作用，两个 鼻尖一前一后，而严重时， 其中的某一中转变受抑制， 而只能发生一种转变，如 出现贝氏体钢。
— — — — 34
d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a
d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a
3 调质钢
（1）低碳调质钢 1）供货状态
低碳调质钢的合金元素含量超过正火钢，为了避免钢材的韧性下降，需
进行调质热处理，在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用。属于热处 理强化钢。
2）化学成分和力学性能特点
热轧及 正火钢
高 强 度 钢 低碳 调质钢 中碳 调质钢 珠光体耐热钢 专 用 钢 低温钢 低合金耐蚀钢
295～490
490～980
880～1176
265～640 343～585 -
高强度钢
2 、 热轧及正火钢 （1） 热轧及正火钢的成分和性能
1） 热轧钢
通过加Si和Mn产生固溶强化获得高强度，一般在热轧状态下使用，属 于非热处理强化钢。在特殊状态下加入了少量的V、Nb和V-→形成碳化物或 氮化物沉淀强化的合金元素 基本成分：C≤0.2%，Si≤0.55%，Mn≤1.5% 屈服强度：（343～490）MPa
固溶解到碳钢原有的相中
合金元素在钢中存在的形式 碳化物 与碳之外的其他元素的结合 存在形式决定于元素的性质和数量。其中关键在于元素与碳的亲和力。 （1）非碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁弱，常用元素主要有Mn 、Si 等。它们在低 温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。
由于固溶强化的结果，均提高材料的强度和硬度。 Mn 、Si少量溶入 时，对塑性影响不大，而因强度的提高了材料的韧性；当数量过多或其他 一些元素的加入会对材料的塑性带来少量的下降。 （2）碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁强，常用元素主要
类 型 类别 屈服点 /MPa 常用钢牌号 Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、Q390、Q390(Cu)、Q420、 18MnMoNb、14MnMoV 14MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、 HQ100、T-1、HY80、HY110 35CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、 40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoA 12CrMo、15CrMo、2.25Cr1Mo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、 12Cr5Mo、12Cr9Mo1、12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB 09Mn2V、06AlCuNbN、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni 12MnCuCr、09MnCuPTi、09CuPCrNi、12AlMoV、12AlMo、 15Al3MoWTi
②在500－600℃下，马氏体才出现分解，析出的高硬度的碳化物弥散细 小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。
3）出现第二类回火脆性
回火脆性是钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧性出现谷值， 或表现出明显的脆化现象称为回火脆性。
一般的碳钢和合金钢在350℃附近回火都出现这种现象，称为第一类回
火脆性，通常是不可避免的。部分合金钢在500－650℃回火后缓冷时，也 出现韧性下降，称为第二类回火脆性，通常认为是部分合金元素如Ni、Cr、 Mn或杂质S、P等在晶界处出现偏聚有关，只要在回火后采用较快的速度冷 却，如在水或油中冷却，就可以避免第二类回火脆性的产生。
6.1.2 低合金钢的种类和性能 合金结构钢的应用领域很广，种类繁多，可按化学成分、合金系统、组 织状态、用途或使用性能等方面进行分类。
热轧及正火钢 低合金高强钢 (强度用钢 ) 低碳调质钢 中碳调质钢
合金结构钢 (按用途)
低合金特殊用钢 （专用钢）
珠光体耐热钢
低温钢 低合金耐蚀钢
表6-1 常用低合金结构钢
它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。 （3）与碳之外的其他元素的结合 合金元素与非金属元素N、O、S结
合，生产夹杂物，钢中常见的有TiN、AlN、SiO2、Al2O3、MnS、Ni3Al、 Ni3Ti等。此外Pb、Cu、C(石墨)以游离态的方式存在于钢中。
2、 对铁碳相图的影响 （1）扩大γ 相区 合金元素的加入，使A3线下移，而A4上扬，扩大
常用热轧及正火钢 的化学成分和力学性能见表6-2、表6-3 。
表6-2 常用热轧及正火钢 的化学成分和力学性
牌 号 Q29 5 Q34 5 Q39 0 A 化学成分(质量分数)(%) C ≤0． 16 ≤0． 20 ≤0． 20 Mn Si P S V Nb Ti Al — Cr — Ni —
0．80 ≤0． ~ 55 1．50 1．00 ≤0． ~ 55 1．60 1．00 ≤0． ~ 55 1．60
c、所有元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的时间必需加长。 2）奥氏体的晶粒度
a、与碳的结合力的增加，表现出阻碍作用。强碳化物形成元素， 如V、Ti、Nb、Zr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；一般碳化物形成元素， 如W、Mo、Cr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长； b、非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu对奥氏体晶粒几乎不发生影响；
典型钢种：16Mn，（345MPa）；15MnV ，（390MPa）。
2）正火钢： 成分特点：热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb ↓ 强化机理： 固溶强化 + ↓ 沉淀强化+细化晶粒正火钢
通过正火热处理，使这些合金元素的化合物以细小的质点从固溶体中析
出弥散分布在晶内及晶界，并细化晶粒，使其力学性能得到进一步改善。 屈服强度：这类钢根据热轧及正火钢的屈服点分为295MPa 、 345MPa 、 390MPa 420MPa 、490MPa 五个强度等级。 使用状态分：正火；正火+回火状态（含Mo钢）；微合金化控轧钢 3种。 这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、 工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。
表6-4 典型低碳调质钢的化学成分
钢材牌 号 14MnM oVN 14MnM oNbB WCF60 化学成分(质量分数)(%) (%)
C
Mn
Si
S
0．03 5
P0．01 2源自Ni—Cr
— —
Mo
V
其他
N:0．0155 Nb:0．02~0．06 B:0．0005~0．0 03 B≤0．003 0．50 0．56
表6-3 常用热轧钢和正火钢的力学性能(GB/T 1591—1994)
牌号
质量 等级
/MPa 厚度(直径)/mm ·≤16 不小于 16~3 5 35~50 50~10 0
/MPa
(%)
(纵向) /J
180°弯曲试验 d=弯心直径 a=试样厚度( 直径)
Q295 Q345 Q390 Q420 Q460
第6章低合金钢的焊接
6.1低合金钢的种类和性能
低合金钢实在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素冶炼而成的，其合 金元素的质量分数一般不超过5%（10%--中合金），加入合金元素的目的，
是保证足够的塑性和韧性的基础上获得较高的强度或满足结构工作条件。
6.1.1 合金元素对钢的影响
1、 合金元素在钢中存在的形式
≤0．0 ≤0．0 0．02 45 45 ~ 0．15 ≤0．0 ≤0．0 0．02 45 45 ~ 0．15 ≤0．0 ≤0．0 0．02 45 45 ~ 0．20
0．015 0．02 ~ ~ 0．06 0．20 0．015 0．02 ~ ~ 0．06 0．20 0．015 0．02 ~ ~ 0．06 0．20
图6-1
Mn和Cr对铁碳相图的影响
3、 对相变过程的影响 （1）加热转变 1）奥氏体形成速度
a、 合金元素与碳的亲和力明显的影响碳的迁移速度。其中非碳化 物元素中部分，Co、Ni可加速奥氏体化，另一些作用不明显，但不会减慢；
b、 碳化物元素中部分，Cr、Mo、W、V、Ti大大减慢奥氏体的形成，
另一些作用不明显，但不会加速。
2） 产生二次硬化效果
一些含W、Mo、V较高的钢中，回火 温度升高到一定程度后，出现硬度上升， 一般在500－600℃中出现一硬度的高峰 值，这种现象称为“二次硬化”。
图6-4
①淬火后的残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发生转变，而内 应力大大减小，在冷却时这些奥氏体又部分的发生马氏体转变，材料的硬 度得到提高；