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：