畢業(yè)論文材料科學(xué)_圖文

1、WELDOX960高強鋼焊接性研究Study of Weldability of WELDOX960 HIGH-strength Steel所屬院系:材料科學(xué)與工程專業(yè):材料加工工程研究方向:新材料的連接研究生:陳少平指導(dǎo)教師:孟慶森教授二OO三年五月摘要WELDOX960作為新一代低合金高強鋼,具有細(xì)晶粒、超潔凈度、高均勻性、高強度、高韌性和良好綜合性能的新材料,主要應(yīng)用于礦山機械、橋梁、鐵路、汽車起重機等重載領(lǐng)域。本文結(jié)合軍用車載橋梁的實際生產(chǎn)條件根據(jù)“低強匹配”原則選取瑞典生產(chǎn)的ED-FK 1000高強焊絲設(shè)計了WELDOX960高強鋼的Ar+CO2混合氣體保護焊工藝,在預(yù)熱75、焊接線

2、能量1.01.2KJ/mm、層間溫度8085的條件下進行多層多道焊接。分別對WELDOX960高強鋼焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能試驗和斜Y型坡口試驗、搭接接頭試驗及熱影響區(qū)最高硬度等抗裂性試驗研究,并利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等分析手段對WELDOX960高強鋼的焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的微觀組織及斷口進行分析,研究了預(yù)熱溫度、焊接熱輸入和后熱溫度等工藝因素對接頭強度、彎曲性能和熱影響區(qū)沖擊韌性的影響,分析了微觀組織對接頭強韌性的影響以及該鋼在實際生產(chǎn)條件下的焊接適應(yīng)性。測試結(jié)果表明在本試驗條件下該鋼冷裂和熱裂敏感性小,接頭屈服強度為928.8Mpa,失強率14.2%,達到設(shè)計要求;焊接

3、熱輸入及層間溫度對接頭性能有重要影響,焊接熱輸入太小,導(dǎo)致接頭冷卻速度過快,溫度梯度大,淬硬性大,從而使冷裂傾向增大;但熱輸入太大時又容易使接頭內(nèi)應(yīng)力疊加增大,半熔化區(qū)奧氏體晶粒粗化,降低接頭的強度及抗裂性能;微觀分析表明,焊縫及熱影響區(qū)分布的貝氏體和低碳馬氏體是接頭高強度和高韌性的基本條件,因此要合理控制焊接熱輸入在1.01.2 KJ/mm范圍內(nèi),保證焊縫組織為粒狀貝氏體和少量的低碳馬氏體,從而保證接頭的強韌性。關(guān)鍵詞高強鋼,焊接接頭,力學(xué)性能,焊接性,混合氣體保護焊ABSTRACTAs a high strength low and alloyed structural steel, WE

4、LDOX960is characterized by fine grain, super-metallurgical purification and homogenization, high strength and toughness, and it is widely applied in the field of mine-machine, bridge, railway and mobile crane etc. High-strength MAG-wire ED-FK1000 is selected as consumed material according to “l(fā)ower

5、strength match”to be used in mixed gases (Ar+CO2 shielded metal arc welding(GMAW. During multiplayer welding, WELDOX960 is welded with welding parameters as follow: preheat temperature is 75,heat input is 1.01.2KJ/mm,Interpass temperature is 8085.Mechanical tests (tensile test, bending test and impa

6、ct test and crack tests (Y-groove and CTS cracking test, peak hardness of HAZ test were carried out to study on its weldability; and microstructures of weld metal, fusion zone, HAZ and fractography were investigated by means of light microscopy and SEM; the effect of processing factors and microstru

7、ctures of welding joint on strength and toughness of welding joint was analyzed.Experimental results indicated that WELDOX960 has a good capacity of resisting cool cracking and hot cracking with suitable welding parameters. CET is a key factor to the performance of joint. With a small value of CET,

8、the joint will be apt to get cracking due to fast cooling and big temperature grade while a big value of CET will damage the performance of joint sharply due to coarse grain and welding interstress. Microanalysis indicated that granular bainite and low-carbon martensite were found in weld and HAZ,wh

9、ich contributed to high strength and toughness of joint. So CET must be limited in the range of 1.01.2KJ/mm to make sure that granular bainite and low-carbon martensite be acquired in weld.KEY WORDS high strength steel, welded joint, mechanical property, weldability, GMW目錄第一章概述 (11.1 新一代低合金高強鋼的發(fā)展概況

10、(11.2 新一代低合金高強鋼的主要特點 (51.3 新一代低合金高強鋼對焊接材料的要求 (71.4 本課題的研究背景及意義 (91.5 本課題預(yù)期達到的目的 (10第二章WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)工藝及性能 (112.1 WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)工藝 (112.2 WELDOX960高強鋼的機械性能 (152.3 WELDOX960高強鋼的強化機理 (172.4 韌化機理 (202.5 本章小節(jié) (22第三章WELDOX960高強鋼焊接性研究 (233.1 WELDOX960高強鋼焊接性理論分析 (233.2 焊接性試驗的目的及內(nèi)容 (313.3 WELDOX960高強鋼抗裂性試驗

11、結(jié)果及分析 (323.4 WELDOX960高強鋼力學(xué)性能試驗及結(jié)果分析 (423.5 本章小結(jié) (56第四章結(jié)論 (57參考文獻 (58致謝 (61攻讀碩士研究生期間發(fā)表論文 (62第一章概述1.1新一代低合金高強鋼的發(fā)展概況隨著機械工業(yè)生產(chǎn)迅猛發(fā)展,在焊接結(jié)構(gòu)日益大型化、輕量化的現(xiàn)代工程機械及冶金礦山機械生產(chǎn)中,為提高機械設(shè)備的使用性能,以最大限度地滿足各種工程建設(shè)的需要,鋼材不僅要有良好的綜合力學(xué)性能,而且要有良好的加工工藝性能(比如焊接性,對于特殊條件下使用的鋼種,更要求其具有相應(yīng)的特殊性能,比如耐高溫,耐腐蝕,耐沖擊等。因此原來的碳素鋼已經(jīng)不能滿足需要,必將有大量的低合金高強度鋼被投

12、入使用。低合金高強度鋼是指低合金鋼中包括C、Si、Mn在內(nèi)的主要添加元素的含量不超過5%,屈服強度大于600MPa的鋼種,是在碳素鋼的基礎(chǔ)上通過調(diào)整碳及合金元素的含量,并輔助一定的熱處理工藝實現(xiàn)的。低合金高強鋼的主要特點是含碳量低,可焊性好(含碳量一般低于0.45,冷裂敏感指數(shù)小于0.3,晶粒細(xì)化,屈服強度高,普遍采用Nb、V、Ti等合金元素進行強韌化。大多采用先進的冶煉工藝和形變熱處理工藝進行生產(chǎn)1-5。按照低合金高強鋼(簡稱HSLA鋼的屈服強度可以將其大致分為三個等級:A級:s =290-490MPa 熱軋、控軋、正火鋼B級:s = 490-980MPa 低碳調(diào)質(zhì)鋼C級:s = 880-1

13、176MPa中碳調(diào)質(zhì)鋼低合金高強鋼的發(fā)展經(jīng)歷了幾個極為重要的時期。20世紀(jì)初的低合金高強鋼主要用于結(jié)構(gòu)和建筑方面,而且主要是根據(jù)屈服強度s進行設(shè)計,很少注意鋼材的韌性、可成形性和可焊接性;50年代開始大力開發(fā)細(xì)晶?；男虏牧?70年代以控制軋制技術(shù)和鋼的微合金化冶金為基礎(chǔ),形成了“現(xiàn)代低合金高強度鋼”的新概念;80年代初以來,借助于工藝技術(shù)方面的成就開發(fā)了適于廣泛工業(yè)領(lǐng)域和專門領(lǐng)域的品種。在鋼的化學(xué)成分-工藝-組織-性能的關(guān)系中,第一次強調(diào)了鋼的組織的主導(dǎo)地位,表明低合金高強鋼的基礎(chǔ)研究已趨于成熟。隨著低合金高強鋼的不斷發(fā)展,在高強度、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等方面滿足了焊接結(jié)構(gòu)的要求,并在橋梁

14、、鍋爐及壓力容器、汽車、艦船、石油管線等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。低合金高強鋼主要是通過調(diào)整鋼中碳元素和合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和配以適當(dāng)?shù)臒崽幚韥韺崿F(xiàn)的,當(dāng)然碳元素和合金元素的增加也會給鋼的焊接性帶來不利的影響。在低合金高強鋼中,隨著強度級別的提高,碳元素及合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多,勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現(xiàn),不僅會降低焊接結(jié)構(gòu)安全運行的可靠性,造成焊接結(jié)構(gòu)的早期破壞,而且還會給國家財產(chǎn)和人民生命造成重大損失。為了不斷改善低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性,國內(nèi)從80年代就開始研制并生產(chǎn)焊接性良好的微合金控軋鋼和新一代超細(xì)晶粒鋼,這些新鋼種的出現(xiàn)必然會給鋼的焊接性帶來了重大的變革6

15、。工業(yè)的不斷發(fā)展對鋼材焊接接頭的性能要求越來越高,比如承載強度大,塑性韌性好,抗疲勞,抗裂紋等,因此鋼材的發(fā)展趨向也在逐漸變化。在充分考慮經(jīng)濟因素和環(huán)境因素的前提下,對鋼材的潔凈度、均勻性、強度等方面提出了更高的要求。穩(wěn)定的冶煉-凝固技術(shù)和超細(xì)晶粒組織控制等生產(chǎn)工藝越來越重要,要改善鋼的使用性能,使鋼的強度、服役能力有明顯提高,且易回收利用。同時由于絕大多數(shù)產(chǎn)品和構(gòu)件的設(shè)計都是通過焊接實現(xiàn)的,鋼材的發(fā)展對焊接工藝、焊接材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面提出了挑戰(zhàn),如何提高接頭的強度,如何避免裂紋的產(chǎn)生以及如何提高接頭的疲勞極限等,由此將引發(fā)出一系列科研課題:如何通過化學(xué)冶金過程使鋼材的純凈度極限化;如何改進

16、技術(shù)措施使鋼板的加工過程經(jīng)濟化和鋼板綜合性能的完美化等。在六、七十年代,我國高強度鋼的生產(chǎn)幾乎處于空白狀態(tài),但在國外,其發(fā)展和應(yīng)用已很廣泛,而且還有不斷增長的趨勢。我國在這一領(lǐng)域起步很晚,從7080年代我國控制軋制的基礎(chǔ)研究開始進行,在低合金高強鋼合金設(shè)計中,人們已不再采用以提高鋼中碳元素的含量、犧牲塑性來得到更高強度的傳統(tǒng)設(shè)計方案,新的合金設(shè)計是向鋼中添加Cr、Ni、V、Ti、Nb、B等少量合金元素,從而提高鋼的強度、改善焊接性和耐磨性等力學(xué)性能。到目前為止許多低合金高強鋼的生產(chǎn)已開始采用此方法,并將成為厚鋼板生產(chǎn)的主要方向。對這類鋼配套使用的焊接材料的研制成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。由于新

17、一代鋼鐵材料的晶粒達到超細(xì)化,焊接時面臨的嚴(yán)重問題是焊縫的強韌化、熱影響區(qū)晶粒長大等問題。在我國新一代鋼鐵材料項目中,主要是針對400MPa級和800MPa級超細(xì)晶粒鋼解決上述焊接性問題,并從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進行綜合解決。但是,隨著低合金高強鋼的廣泛應(yīng)用,尤其是低合金高強鋼的焊接,給焊接工作者帶來很多困難。為了提高鋼材的強度,需要高的含碳量和合金含量,但是隨之而來的問題是強度越高,韌性越低,焊接性也越差。國內(nèi)的研究人員針對該難題做了大量工作,并且也取得了一定的成果。目前國內(nèi)投入使用的低合金高強鋼的強度已經(jīng)達到600MPa6。發(fā)展低合金高強鋼是實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要部

18、分,也是我國從鋼鐵大國轉(zhuǎn)變?yōu)殇撹F強國的關(guān)鍵措施,因此有必要研制和開發(fā)既適合焊接又便于熱處理的低合金高強鋼,以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)對鋼材的需求。我國“新一代低合金高強鋼的基礎(chǔ)研究”項目已經(jīng)啟動,目標(biāo)是提高鋼材的純凈度、均勻性、超細(xì)化組織(力爭晶粒尺寸小于1m,使合金鋼的強度、韌性比現(xiàn)有鋼種提高一倍。此課題的研究將為今后新一代低合金高強鋼在我國的深入研究、推廣和使用做出一些基礎(chǔ)性探討工作。國外對低合金高強鋼的研究和使用己經(jīng)很多年了,尤其是超高強結(jié)構(gòu)。最近幾十年來,國外特別注重通過冶金的方法從根本上解決鋼的焊接性問題,通過冶金措施采用低碳微合金化及控軋控冷等工藝措施生產(chǎn)出了若干種強韌性好、焊接性優(yōu)良的管線鋼

19、、橋梁鋼、壓力容器用鋼等,為焊接用合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展做出了新的貢獻。日本首先于1997年投資6000美元啟動了“STX-21超級鋼鐵材料”項目,通過超細(xì)化和微合金化使鋼鐵材料的壽命和性能提高一倍,平均晶粒尺寸從10m降到0.77m6,使普通C-Mn鋼的抗拉強度從405MPa 提高到800MPa。瑞典的SSAB OXLOSUND公司從90年代開始研制高強鋼,到目前為止,已經(jīng)生產(chǎn)出全世界屈服強度最高的結(jié)構(gòu)鋼板WELDOX1100。WELDOX960屬于低合金高強結(jié)構(gòu)鋼,是SSAB OXELOSUND公司W(wǎng)ELDOX系列產(chǎn)品,該鋼主要是通過調(diào)整鋼中碳及合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并配以適當(dāng)?shù)臒崽幚韥韺崿F(xiàn)強韌性的

20、。作為新一代鋼種,WELDOX960高強鋼以其優(yōu)良的性能,如高強度、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等滿足了焊接結(jié)構(gòu)多方面的要求,并在艦船、工程機械、石油管線、鍋爐及壓力容器、橋梁、汽車、火車、發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。低合金高強鋼隨著性能的不斷改善,在許多結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用已占相當(dāng)大的比例,特別是海洋用鋼、建筑用鋼等方面。近幾年國外在不同結(jié)構(gòu)上使用低合金高強度鋼的比例列于表1-1中2。表1-1低合金高強鋼在不同結(jié)構(gòu)中所占的比例(%Tab. 1-1 Percent of HSLA in different fields (%項目歐洲北美日本結(jié)構(gòu)用型鋼30 20 10船舶用型鋼15-30 20 10鋼板

21、鋼20 15 100鋼筋100 5 10建筑用鋼95 80 70海洋用鋼板90 30 70海洋用型鋼70 20 101.2新一代低合金高強鋼的主要特點新一代低合金高強鋼的特點是超細(xì)晶粒、超潔凈度、高均勻性,其強度和壽命比原同類鋼種提高一倍。超細(xì)晶粒是指鋼材晶粒尺寸達到0.1-10m,超潔凈度是指鋼中S、P、O、N和H等雜質(zhì)元素的含量降低到0.005%以下;高均勻性是指鋼材的成分、組織和性能的高度均勻,并強調(diào)了組織均勻的主導(dǎo)地位3。新一代低合金高強鋼主要通過冶金處理和各種強化途徑來實現(xiàn)其強韌性。1.潔凈化鋼材的潔凈化具有兩個含義,一是最大限度地去除鋼中S、P、O、N、H(有時包括C等雜質(zhì)元素;二

22、是嚴(yán)格控制鋼中夾雜物的數(shù)量、成分、尺寸、形態(tài)及分布。鋼的潔凈化能夠顯著提高鋼材的強韌性和焊接接頭的抗裂性,使鋼材的焊接性得到明顯提高,當(dāng)然要求焊縫也必須潔凈化。目前大工業(yè)生產(chǎn)中鋼水的潔凈度從普通鋼的W(S+P+O+N+H250×10-6降低到經(jīng)濟潔凈鋼的W(S+P+O+N+H120×10-6。國外一些先進鋼廠對S、P、O、H、N的總量已控制在50×10-3以下,達到超潔凈鋼的水平,并且有進一步降低的趨勢。2.細(xì)晶化新一代低合金高強鋼的細(xì)晶強化是采用多元微合金化和控軋控冷技術(shù)較大幅度地細(xì)化晶粒來提高鋼的強韌性。如70年代生產(chǎn)的性能優(yōu)良控軋鋼CR鋼Controlled

23、 Rolling,80年代通過對軋制后立即加速冷卻所生產(chǎn)的TMCP鋼(Thermal-Mechanical Control Process。其基本思想是根據(jù)軋制方法的不同,向鋼中加入微量的Ti、Mo、V、B、Re等合金元素中的一種或幾種,阻止高溫奧氏體的長大,控制奧氏體的再結(jié)晶溫度,增加鐵素體的形核率,并通過控軋控冷細(xì)化晶粒,從而達到細(xì)晶強化的目的。實現(xiàn)新一代低合金高強鋼的強化主要有兩條途徑:熱處理強化和合金強化。1.熱處理強化熱處理是提高鋼材強韌化最有效和最經(jīng)濟的方法之一。所謂熱處理強化是將鋼板加熱至奧氏體化溫度,然后控制冷卻速度得到晶粒細(xì)小,強度和韌性比較好的組織。因為熱處理可以細(xì)化奧氏體

24、晶粒,使晶界增加,抗塑變能力提高,從而提高鋼材的強度。另外,通過熱處理控制組織及其形態(tài)也可以達到強化的目的,比如針狀鐵素體、低碳馬氏體和粒狀貝氏體等。2.合金強化合金強化是新一代低合金高強鋼的另一強化途徑。鋼中加入St、Mn、Cr等合金元素,除了可以固溶強化基體外,還可使CCT曲線向右移動,相同冷速下可獲得更加細(xì)小的珠光體組織,以提高其強度。鋼中加入強碳化物形成元素Nb、V,當(dāng)它們固溶到奧氏體中去時,可使CCT曲線向右移動,起到延緩珠光體開始轉(zhuǎn)變的作用。當(dāng)形成第二相顆粒時,則起到析出強化作用。另外,無論是固溶態(tài)還是析出態(tài)的Nb、V,都可延緩奧氏體再結(jié)晶,起到細(xì)化奧氏體晶粒,提高塑韌性的作用。新

25、一代低合金高強鋼的發(fā)展趨勢是:開發(fā)既具有良好焊接性能,又適合于熱處理的微合金鋼,此種鋼在合金元素強化的基礎(chǔ)上,再經(jīng)熱處理可得到更高強度,而塑性韌性不降低。1.3新一代低合金高強鋼對焊接材料的要求鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展使低合金高強鋼實現(xiàn)了潔凈化、細(xì)晶化和力學(xué)性能上的強韌化,這就要求與之匹配的焊接材料也必須實現(xiàn)潔凈化和細(xì)晶化,否則焊縫的性能將不能與新鋼種匹配,從而成為焊接接頭的薄弱部位。因此,使焊接材料不斷適應(yīng)鋼種的發(fā)展要求是亟待解決的重要課題。由于新一代鋼鐵材料晶粒極度細(xì)化,焊接中面臨的嚴(yán)重問題是焊縫的強韌化、熱影響區(qū)晶粒長大等。在我國新一代鋼鐵材料項目中,主要是針對400MPa級和800MPa級超

26、細(xì)晶粒鋼解決上述焊接性問題,并從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進行綜合解決6。隨著冶金技術(shù)的提高,新鋼種的強度級別和焊接性能也在不斷提高,這就需要研發(fā)高質(zhì)量的焊接材料與之相匹配,實現(xiàn)焊縫的強韌化。對于新一代低合金高強鋼的焊接技術(shù),主要應(yīng)向高效和自動化方向發(fā)展,在不提高合金元素的條件下,強度、壽命均提高一倍,這不僅是鋼鐵材料的重大變革,而且也對焊接技術(shù)和焊接材料的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。隨著強度級別的提高,板厚的增大,鋼材焊接的冷裂紋傾向增大。焊接熱影響區(qū)的軟化和脆化往往是造成斷裂,誘發(fā)災(zāi)難性事故的根源。因此,如何避免熱影響區(qū)的軟化和脆化,保證該區(qū)域的強度和韌性是確保安全運行的關(guān)鍵問題之一?；?/p>

27、于新一代低合金高強鋼自身的特點,對焊接材料也提出了相應(yīng)的要求。1. 焊縫金屬的潔凈化焊縫金屬的潔凈化是與鋼板潔凈化的含義相對應(yīng)的,焊縫金屬的潔凈化同樣意味著焊縫金屬中的S、P、N、H、O元素的含量盡可能低,而且還要控制焊縫中夾雜物的數(shù)量、種類、形態(tài)、尺寸及分布。這樣不僅可以顯著提高焊縫金屬的沖擊韌度,而且還可以降低焊縫金屬的裂紋傾向。實現(xiàn)焊縫金屬潔凈化的主要途徑有:a 對雜質(zhì)含量進行嚴(yán)格的控制,通過冶煉技術(shù)實現(xiàn)焊接原輔材料的潔凈化。b 優(yōu)化配方及工藝參數(shù),利用焊接冶金反應(yīng)進行脫氧、脫硫、脫磷、脫氮和除氫。c 通過焊縫的微合金化、潔凈化和使焊縫中出現(xiàn)大量的針狀鐵素體,達到顯著提高焊縫金屬的強韌性

28、和抗裂紋擴展能力的目的。2. 焊縫金屬的強韌化焊縫金屬的強韌化主要是通過合金化控制焊縫的組織實現(xiàn)的。對400MPa級的調(diào)質(zhì)鋼,只要通過調(diào)整焊縫組織使其獲得細(xì)小的針狀鐵素體即可獲得理想的強韌性,而對于800MPa級的高強鋼,要實現(xiàn)焊縫金屬與母材的等匹配較為困難。因為隨著強度級別的提高,碳當(dāng)量增大,焊縫的冷裂傾向增大,因此要實現(xiàn)焊縫的強韌化,避免冷裂紋,需開發(fā)與母材性能相匹配的焊接材料,但國內(nèi)目前在這方面尚無成熟的經(jīng)驗。1.4本課題的研究背景及意義在現(xiàn)代科技高度發(fā)展的時代,強大的軍事裝備是一個國家獨立富強的首要保證,而軍用車載橋梁作為應(yīng)急工程結(jié)構(gòu),是評價一個國家軍事裝備不可忽視的重要指標(biāo)之一。所謂

29、應(yīng)急工程結(jié)構(gòu)是指在緊急情況下以保證強度和穩(wěn)定性為主,使用期限較短、便于拆換、能快速建成的臨時工程結(jié)構(gòu)。應(yīng)急鋼橋包括固定式橋(拆裝式鋼橋、浮橋(舟橋和沖擊橋(架橋坦克等軍用橋梁系列,也稱軍用橋梁族,主要用于部隊和車輛強渡江河、穿越峽谷、跨過溝壑等。與普通橋梁相比,軍用車載橋梁除了技術(shù)要求外同時還要滿足一定的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求,可以說,軍用車載橋梁是橋梁結(jié)構(gòu)在軍事領(lǐng)域中的延伸,除與一般橋梁有其共性外,還具有快速性、機動性和多用性等特點。特殊的使用場合和嚴(yán)酷的服役條件要求軍用車載橋梁不僅強度高,耐沖擊,保證車輛可以迅速安全地通過天然峽谷、反坦克壕和天然雷區(qū),而且必須盡量減少自身的重量,便于運輸和快速安裝。

30、這就對鋼橋制造過程中金屬材料、制造技術(shù)和焊接工藝提出了挑戰(zhàn)?；谲娪密囕d橋梁服役條件的特殊性和嚴(yán)酷性,對鋼材的強度提出了挑戰(zhàn),要求所選鋼材強度級別高,在不增加鋼橋自身重量的前提下具有足夠高的強度,可以承擔(dān)汽車、坦克的重量;其次鋼材要具有優(yōu)異的加工工藝性能,尤其是焊接性,確保接頭具有與母材同樣的力學(xué)性能,主要是塑性、低溫沖擊韌性和抗疲勞特性。在我國隨著冶金技術(shù)的提高,新鋼種的性能也不斷提高,但是由于缺乏與之相匹配的高質(zhì)量的焊接材料,難以實現(xiàn)焊縫的強韌化。同時由于我國大多數(shù)新鋼種主要是靠添加合金元素來提高鋼材的強度的,眾所周知,大量的合金元素可以提高鋼材的強度,但是也影響了鋼材的焊接性,隨著合金元

31、素含量的增加,焊接裂紋傾向增大,焊接工藝復(fù)雜,難以向焊接的高效化和自動化方向發(fā)展。而目前國內(nèi)應(yīng)用比較成熟的低合金高強鋼強度級別主要是600MPa,難以滿足軍用車載橋梁的要求,因此需要引進新的鋼種。WELDOX960高強鋼是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生產(chǎn)的低合金高強度鋼,主要特點是含碳量低,合金元素含量低,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后(淬火+回火屈服強度高達960Mpa以上,并且具有好的冷彎性能、優(yōu)良的焊接性和低溫沖擊韌性(在-40沖擊功為27J,綜合性能優(yōu)異,比較適合于在嚴(yán)酷條件下服役?；赪ELDOX960高強鋼優(yōu)異的焊接性能和機械性能,山西省絳縣五四零九廠計劃使用該鋼種開發(fā)新產(chǎn)品

32、,用于軍用車載橋梁的制造。本研究是與五四零九廠合作開展WELDOX960低合金高強鋼焊接性的研究,主要參照金屬焊接國家標(biāo)準(zhǔn)對WELDOX960高強鋼接頭的力學(xué)性能和抗裂性進行試驗,并通過對接頭的性能和微觀組織進行分析研究其強化、韌化機理,合金元素對其熱處理和焊接性能的影響以及鋼材的焊接適應(yīng)性,為合理地開發(fā)和使用低合金高強鋼提供技術(shù)依據(jù)。1.5本課題預(yù)期達到的目的1. 了解低合金高強鋼的國內(nèi)外發(fā)展和使用情況。2. 了解WELDOX960高強鋼的強化途徑和工藝措施。3. 掌握WELDOX960高強鋼的綜合機械性能和焊接性能。4. 保證采用WELDOX960高強鋼開發(fā)的產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能。5. 加

33、快國產(chǎn)新一代鋼種及匹配焊接材料的進一步開發(fā)。第二章WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)工藝及性能科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對工程結(jié)構(gòu)和機械零件所使用的鋼材的性能提出了越來越高的要求,不僅要具有高的強度,而且要兼有良好的塑性、韌性和優(yōu)異的焊接工藝性能。WELDOX960高強鋼屬于OXELOSUND公司生產(chǎn)的WELDOX系列調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼,屈服強度大于960MPa,具有優(yōu)異的綜合機械性能,可望在我國的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得到廣泛使用。2.1 WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)工藝占有瑞典鋼鐵產(chǎn)量一半的SSAB公司是一家比較典型的長流程工藝生產(chǎn)企業(yè),主要研制、加工和銷售中厚鋼板。該公司擁有全世界最先進的連續(xù)軋制淬火四輥軋機,

34、生產(chǎn)出的鋼板尺寸精度高,綜合性能好,具有高硬度、高強度、高韌性,以及表面高平整度和優(yōu)良的加工性能,在世界各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本課題采用的鋼板WELDOX960高強鋼是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼板,主要特點是含碳量低,合金元素含量低,強度高。鋼板經(jīng)過調(diào)質(zhì)(淬火+回火處理后組織為低碳回火馬氏體,晶粒細(xì)小,平均晶粒尺寸為5m,綜合性能優(yōu)異,在高強度的焊接結(jié)構(gòu)中如車輛、鐵路、橋梁、起重裝置和伐木工具等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。WELDOX960高強鋼主要是通過精煉降低雜質(zhì)元素S、P含量,精確控制合金元素含量,加上形變熱處理后調(diào)質(zhì)處理(QT等手段生產(chǎn)出來的。形變熱處

35、理后調(diào)質(zhì)處理是提高材料強度的最有效方法。SSAB在WELDOX960板坯的冶煉和鑄造中采用傳統(tǒng)的冶金工藝和現(xiàn)代連鑄技術(shù)相結(jié)合,經(jīng)過冶煉-爐外精煉-連鑄-控軋、控冷的生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)出的鋼板成分精確,殘留元素含量非常低,鐵水經(jīng)過預(yù)處理后硫的含量可以降至0.015%左右,爐外精煉進一步使硫含量降至0.003%。另外鋼坯在進入連軋機組的粗軋機之前,都要經(jīng)過高壓水除鱗,連軋機各個輥道全部采用滾動式軋制淬火輥道代替原來的靜態(tài)軋制淬火輥道,軋制采用高剛度、無扭、無張力(或微張力連軋,鋼板裁剪采用激光-微機控制自動剪切,因此產(chǎn)品表面質(zhì)量高,尺寸精確,這些都為產(chǎn)品良好的綜合性能奠定了基礎(chǔ)。WELDOX960高強

36、鋼優(yōu)異的綜合性能除了先進的冶煉技術(shù)和精密的軋輥機外,軋制-淬火設(shè)備是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該鋼在軋制淬火過程中,為了保證及時淬火,盡量減小加熱爐和淬火裝置之間的溫差,奧氏體化加熱爐和淬火裝置緊緊相鄰。軋制時先將板坯均勻加熱到1200,經(jīng)四輥軋機軋制后進行空冷。為了保證鋼板的軋制精度(誤差不超過±0.35mm,軋輥加工車間采用全封閉式恒溫均溫操作,以保證軋輥不至于因環(huán)境溫度的微小差異而產(chǎn)生尺寸偏差,同時嚴(yán)格控制氣氛,防止鋼板被氧化,影響鋼板的表面質(zhì)量和綜合性能。適宜的軋制溫度保證了尺寸的精確,為形成后續(xù)冷卻需要的金屬組織結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。鋼板軋制完成后首先進行空冷,然后送到淬火段。板坯

37、在奧氏體化加熱爐中板坯被加熱至900,從加熱爐出來后立刻進入連續(xù)軋制淬火裝置。與傳統(tǒng)的靜態(tài)淬火裝置有所不同,連續(xù)軋制淬火裝置是指在整個淬火過程中鋼板一直處于運動狀態(tài)。靜態(tài)淬火裝置和連續(xù)軋制淬火輥道分別如圖2-1所示8:(a(b圖2-1靜態(tài)軋制淬火裝置和連續(xù)軋制淬火裝置的區(qū)別Fig.2-1 Difference between Static quenching plant and Continuousroller quenching plant與靜態(tài)淬火工藝(圖a相比,在連續(xù)軋制-淬火工藝中(圖b,鋼板在運動狀態(tài)下進行均勻連續(xù)的淬火,淬火溫度均勻,使鋼板在軋制中由于變形不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大大減小

38、,板坯成型美觀,板坯的表面質(zhì)量好,同時也提高了板坯的加工性能。而對于傳統(tǒng)的靜態(tài)淬火工藝,由于板坯在淬火過程中被固定在鋼錠之間,該部分不能正常淬火,生產(chǎn)出鋼板表面不平整,淬火不均勻,而且內(nèi)部存在殘余應(yīng)力等缺陷。鋼板從加熱爐出來后先進入高壓噴水連續(xù)冷卻輥道,輥道的溫度極低,板坯可以迅速從900降到較低的溫度,從而保證了軋制質(zhì)量。然后鋼板進入長的低壓噴水連續(xù)冷卻輥道繼續(xù)軋制淬火直至室溫。鋼板在整個軋制淬火過程中都處于運動狀態(tài)。獨特的軋制淬火工藝,使WELDOX960高強鋼的強度大幅度提高,耐磨性大大增加,因此可以適當(dāng)降低鋼材中合金元素的含量,尤其是C、Mn、Cr元素的含量,從而降低碳當(dāng)量,改善鋼材的

39、焊接性,可以達到在不增加合金元素的情況下改善鋼材的性能,即所謂的以水實現(xiàn)鋼材合金化的目的。WELDOX960高強鋼淬火后立即進行回火得到強韌性較好的回火索氏體和少量的低碳馬氏體組織,具有高強度、高硬度與較好的塑性和缺口沖擊韌性,加工性能和焊接性能良好。WELDOX960高強鋼的熱處理工藝如圖2-2所示8?；鼗饒D2-2 WELDOX960高強鋼的熱處理工藝示意圖Fig.2-2 Schematic diagram of WELDOX960 heat treatment processing2.2 WELDOX 960高強鋼的機械性能WELDOX960高強鋼由于含碳量低,合金元素含量低,化學(xué)成分精確

40、;殘留元素含量非常低,通過冶金技術(shù)最大限度地控制鋼中S 、P 、O 、N 、H 等雜質(zhì)元素的含量和鋼中夾雜物的數(shù)量、成分、尺寸、形態(tài)及分布,因此具有良好的綜合機械性能。與傳統(tǒng)的合金結(jié)構(gòu)鋼相比,WELDOX960高強鋼碳含量低,合金元素含量低,C 、S 、P 等雜質(zhì)元素得到有效控制,因此焊接時液化裂紋和結(jié)晶裂紋傾向很小。低夾雜,均勻是鋼材良好成型的先決條件。WELDOX960高強鋼的化學(xué)成分見表2-1。表2-1 WELDOX960高強鋼的化學(xué)成分(wt.%Tab. 2-1 Chemical component of WELDOX960(wt.%元 素C Si Mn S P Cr 標(biāo)準(zhǔn)值0.17

41、0.22 1.2 0.004 0.005 0.45 元 素Mo Cu Ti Ni B CE* 標(biāo)準(zhǔn)值0.50 - - 1.0 0.002 0.560.64*C Ceq =+5156V Mo Cr Ni Cu Mn + 7 (2-1 均勻的合金成分和優(yōu)良的加工性能相結(jié)合,使得WELDOX960高強鋼具有高韌性(其韌性幾乎相當(dāng)于普通鋼板的2倍,優(yōu)異的彎曲性能、沖擊韌性和抗裂紋性能。WELDOX960高強鋼調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合機械性能,除了冶煉軋制技術(shù)外,主要還與其合金元素和調(diào)質(zhì)處理后的組織有關(guān)。在控制合金元素方面OXELOSUND 公司主要采取的措施如下:1. 控制鋼中S元素的含量由于鋼中的S元素

42、與Mn元素易結(jié)合形成MnS,而MnS比較軟,在軋制過程中易形成帶狀組織,這大大地破壞了鋼材的韌性和彎曲性能。所以在WELDOX960鋼材中加入一定量的Cr和Ce進行脫S處理。因為S 更容易和Cr、Ce結(jié)合形成CrS和CeS,然后隨鋼渣一起排出,從而大大降低了S的含量。而殘余的CrS和CeS由于比較硬,在軋制過程中保持細(xì)球狀,這種形狀相對于帶狀組織而言,對鋼材的韌性是極其有利的。WELDOX960高強鋼中S含量一般控制在0.004%以下。2. 加入少量的B元素在WELDOX960高強鋼的設(shè)計中,向鋼中添加Cr、Ni、B等少量合金元素,可以提高鋼的強度、改善鋼的焊接性和耐磨等力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)5,

43、當(dāng)鋼中含有微量的B元素時,可以大大地提高鋼材的硬度,從而達到降低鋼中C和合金元素含量的目的,同時通過適當(dāng)增加B的含量還可以大大改善鋼材的焊接性。3. 加入可以提高淬透性的元素對調(diào)質(zhì)鋼而言,合金化的主要目的是提高鋼的淬透性,WELDOX960高強鋼中加入了可以提高淬透性的元素Mn、Cr、Mo、B、Si、Ni,淬火后得到低碳馬氏體,使鋼材具有良好的機械性能。4. 加入防止第二回火脆性的元素調(diào)質(zhì)鋼的回火溫度正好處于第二類回火脆性溫度范圍內(nèi),鋼中含有Mn、Cr、B、Ni元素時,會增大其對回火脆性的敏感性?；鼗鸷罂焖倮鋮s,加入抑制回火脆性的元素Mo可以保證使WELDOX960高強鋼具有優(yōu)異的綜合性能。W

44、ELDOX960高強鋼調(diào)質(zhì)后的機械性能見表2-2,2-38。表2-2 WELDOX960高強鋼的機械性能Tab. 2-2 Mechanical properties of WELDOX960s b9601050 9801150 325延伸率V型缺口沖擊韌性Akv(JA5 min (% A50 min (% 0-20-4012 15 35 30 27備注:A5表示拉力棒的尺寸是L0=5d0, A50表示拉力棒的尺寸是L0=50d0。表2-3 WELDOX960高強鋼的彎曲性能Tab. 2-3 Bending properties of WELDOX960R/tW/tR/tW/t3.0 8.54.

45、0 10.0備注:R為壓輥上模半徑,W為下模開口寬度,t為鋼板厚度,表示沿垂直于軋制方向進行彎曲,表示沿平行于軋制方向進行彎曲。2.3 WELDOX960高強鋼的強化機理WELDOX960高強鋼主要通過細(xì)化晶粒、加工硬化和合金強化三種途徑提高其強度的。晶界強化主要是通過細(xì)化晶粒來實現(xiàn)的。在常規(guī)的鋼材強化途徑中,只有細(xì)晶強化可以使金屬的強度和韌性同時提高。細(xì)化晶?？梢栽黾泳Ы?晶界的主要作用是阻塞位錯運動,晶粒越細(xì),晶界越多,阻塞位錯滑移的作用就越大,結(jié)果可以使金屬材料的屈服強度升高。細(xì)化晶粒不僅可以提高鋼的強度,而且可以提高鋼的塑性和韌性。關(guān)于金屬的屈服強度與晶粒直徑D 之間的定量關(guān)系可以用H

46、all-Petch 公式9來描述:d S k i /82/1 += (2-2式中S 為晶界上“坎”的密度,k 為與位錯分布有關(guān)的試驗待定常數(shù)。從公式中不難發(fā)現(xiàn)材料的屈服強度和晶粒尺寸的平方根成反比,即晶粒越細(xì),材料的屈服強度就越高,晶粒的大小對材料的力學(xué)性能有重要的影響。實踐證明當(dāng)晶粒的尺寸小于5m 時,不僅強度顯著提高,韌性也有很大改善。因此在生產(chǎn)中要對材料的晶粒度提出要求,通過技術(shù)條件和熱處理規(guī)范控制材料的晶粒度。在WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)中主要采用提高冷卻速度和控制變形程度達到細(xì)化晶粒的目的。晶界阻礙變形的能力并不是由于晶界具有很高的強度,主要是由于晶界兩邊的晶粒取向不同,滑移一般

47、難以從一個晶粒直接傳播到取向不同的另一個晶粒。另外晶界的變形必須滿足連續(xù)性條件,即一個晶粒的形狀變化必須有臨近晶粒的協(xié)同動作,以保持晶粒之間微觀結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性,因而這就需要更高的外加應(yīng)力來開動某個滑移系,宏觀上體現(xiàn)為材料的強度增加。應(yīng)變強化又叫做加工強化或加工硬化,是指通過塑性變形(軋制、擠壓、鍛造、拉伸等使合金獲得高強度的方法10。塑性變形時增加位錯密度是鋼材加工硬化的本質(zhì)。加工硬化的原因主要是在變形過程中隨著位錯密度的增加,位錯在運動中相互纏結(jié)、相互交割,形成固定割階,從而阻礙了位錯的運動,引起變形抗力的增加,使金屬塑性變形困難,從而提高了金屬的強度。據(jù)統(tǒng)汁,金屬強烈變形后,位錯密度可由1

48、06根/cm 2增至1012根/cm2以上7。隨著合金中位錯密度增大,繼續(xù)變形時位錯在滑移過程中相互交割的機會增多,相互間的阻力也增大,因而變形抗力就越大,合金達到強化。溶質(zhì)原子溶入基體金屬中總是提高其變形抗力,這種作用稱為固溶強化。所有可溶性合金化組元甚至雜質(zhì)都能產(chǎn)生固溶強化。然而,單是這一種方法不能獲得特別高的強度,不過它帶來的塑性損失要比其他方法小。固溶強化來源于溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用和增加位錯運動的摩擦阻力,這種作用包括位錯與溶質(zhì)原子間的長程交互作用和短程交互作用。固溶強化作用大小取決于溶質(zhì)原子濃度、原子相對尺寸、固溶體類型和電子因素。固溶強化又分為間隙式固溶強化和置換式固溶強化。C

49、、N等溶質(zhì)原子嵌入-Fe晶格的八面體間隙中,使晶格產(chǎn)生不對稱畸變造成強化效應(yīng)。間隙式固溶強化對鐵素體基體強化效應(yīng)最大,對韌性、塑性的削弱也很顯著。置換式固溶原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的,因而強化效能要比間隙式原子小。當(dāng)溶質(zhì)和溶劑原子直徑相差比較小,化學(xué)性質(zhì)也較類似時,置換原子的溶解度極限可以很大,但強化效應(yīng)卻很小。隨著元素類型的不同,強化效能相應(yīng)發(fā)生變化。置換式固溶強化對鐵素體的強化作用小,但是卻不削弱基體的塑性、韌性。凡是固溶度隨溫度而變化的合金,當(dāng)從單相區(qū)進入兩相區(qū)時,就會從飽和固溶體中析出沉淀相或者形成溶質(zhì)原子高集的過渡相,這個過程稱為沉淀或者脫溶。如果從高溫淬火得到過飽和

50、固溶體,則在適當(dāng)溫度經(jīng)過一定時間后也會發(fā)生沉淀過程,即時效。在沉淀過程中常常伴隨著強度的提高。強度提高的程度主要取決于沉淀物質(zhì)點的結(jié)構(gòu)、尺寸、間距、形狀及分布,同時也取決于質(zhì)點與基體的錯配度或共格性,以及它們之間的相對位向。馬氏體硬度極高,是鋼經(jīng)過淬火的產(chǎn)物。并不是所有的馬氏體都具有高強度,只有含碳和氮的鐵合金經(jīng)馬氏體相變后才顯示出最強烈的硬化效應(yīng)。馬氏體的強化并不限于一種機制,它是固溶強化、時效強化、晶界強化和相變強化的綜合。鋼中的馬氏體是碳和合金元素溶于-Fe中的過飽和固溶體,其中對硬度和強度起決定作用的是碳原子而不是合金原子。當(dāng)碳溶于馬氏體的八面體間隙中,晶格發(fā)生膨脹和畸變,在晶格中造成

51、一個十分強烈的應(yīng)力場,阻止位錯運動,從而使馬氏體的硬度和強度顯著提高。由于碳原子容易擴散,在室溫下可以通過擴散發(fā)生偏聚從馬氏體中析出,所以時效強化也對強化做出貢獻。2.4 韌化機理韌性是指材料在斷裂前單位體積所消耗的功,其數(shù)值等于真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性既取決于塑性也取決于強度。但是對于絕大多數(shù)工程合金來說,強度的提高往往伴隨者塑性、韌性的降低,即塑性、韌性常具有相同的變化趨勢。因此習(xí)慣上常把強度和塑性、韌性看作是兩組相互制約的性能指標(biāo)。WELDOX960高強鋼的實際生產(chǎn)中一般通過凈化鋼材,細(xì)化晶粒,優(yōu)化顯微組織等手段達到提高韌性的目的。晶粒是位錯和塞積群的障礙,晶界又是晶格位錯的源頭

52、和尾閭,因此晶粒大小對于金屬的力學(xué)性能有重大的影響。晶界既然能阻止位錯的運動,故細(xì)化晶粒能促進多滑移,使變形均勻化,從而提高金屬材料的塑性。從理論上講,晶界可以把塑性變形限制在一定的范圍內(nèi),故細(xì)化晶粒能促進多滑移,使變形均勻化,從而提高金屬材料的塑性。同時晶界又能阻止裂紋的擴展,故細(xì)化晶粒還能提高金屬材料的韌性。目前關(guān)于細(xì)化晶粒對塑性韌性的貢獻還缺少定量的解釋。細(xì)晶粒不僅在室溫下具有較高的塑性,而且在較低的溫度下仍能保持良好的塑性。工業(yè)上常用以下方法達到細(xì)化晶粒、提高強度、塑性和韌性的目的:將鋼在相變點附近反復(fù)加熱冷卻,在液態(tài)金屬中添加變質(zhì)劑或孕育劑。金屬材料的韌性對顯微組織十分敏感。通過熱處

53、理實現(xiàn)顯微組織的優(yōu)化,可以在保持材料高強度的同時提高材料的韌性。馬氏體是鋼中最常見的不平衡組織,對于低碳低合金鋼的馬氏體,其晶體外形呈板條狀,晶體內(nèi)部大都是密度很高的位錯線(位錯密度10111012cm-2,習(xí)慣上叫做板條馬氏體或位錯馬氏體。該種馬氏體含碳量比較低,晶體接近于體心立方,因而對韌性損害較小。馬氏體中的位錯亞結(jié)構(gòu)具有一定的可動性,可以通過位錯緩和局部區(qū)域的應(yīng)力集中,延緩裂紋成核;在有裂紋的情況下,也可以削減裂紋尖端的應(yīng)力峰;而且馬氏體晶體呈板條狀,條束之間有殘留奧氏體薄膜,能提高韌性。另外這類馬氏體的Ms點比較高,在一般的淬火條件下會發(fā)生自回火。2.5本章小節(jié)通過對WELDOX96

54、0高強鋼的生產(chǎn)工藝和合金元素含量的分析,得出如下結(jié)論:1. WELDOX960高強鋼含碳量低,合金元素含量低,主要通過細(xì)化晶粒和添加多元微量合金元素達到鋼材強韌化的目的,精確控制化學(xué)成分,并嚴(yán)格控制鋼中殘留元素的含量和夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布。2. WELDOX960在生產(chǎn)中采用連續(xù)軋制淬火工藝保證鋼材在極短的時間內(nèi)迅速從900降至室溫,使晶粒細(xì)化,鋼材的機械性能大大改善,從而可以降低鋼種合金元素的含量,實現(xiàn)以水進行鋼板的合金化。3. 精確控制各道工藝工序。從鋼材冶煉到最后齊尺全部采用自動化控制,軋制過程在全封閉的環(huán)境下進行恒溫均溫操作,嚴(yán)格控制氣氛,保證鋼板的性能和質(zhì)量穩(wěn)定。4. 獨特

55、的生產(chǎn)工藝和軋制技術(shù)以及對合金元素的精確控制, WELDOX960鋼板調(diào)質(zhì)處理后組織為細(xì)小的低碳馬氏體,平均晶粒尺寸為5m,強韌性好,綜合性能優(yōu)異,并且具有良好的焊接性能。第三章WELDOX960高強鋼焊接性研究金屬焊接性是金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。主要是指在一定的焊接工藝條件下,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。金屬焊接性分為工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性是指特定的材料在指定工藝條件下形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力;使用焊接性是指形成的接頭適應(yīng)使用要求的程度,兩者都是材料在焊接過程中力學(xué)和冶金行為發(fā)展變化的結(jié)果11。隨著新的焊接方法的不斷涌現(xiàn),材料制造工藝的不斷完善和新材料的出現(xiàn),以及生產(chǎn)應(yīng)用對結(jié)構(gòu)

56、越來越高的性能要求,金屬焊接性問題不斷得到解決又不斷涌現(xiàn),因此,金屬焊接性仍是生產(chǎn)和研究中極為重要的課題之一。鋼材的焊接性主要取決于它的化學(xué)成分。隨鋼材強度級別的提高其焊接性變差。焊接性變差一般表現(xiàn)在兩個方面:一是焊接過程中焊縫熔敷金屬的各種冶金缺陷;二是焊接過程中材料性能的變化。3.1 WELDOX960高強鋼焊接性理論分析一般情況下,對鋼材焊接性理論分析并不能對材料的焊接性進行十分準(zhǔn)確可靠的評價,但是可以作為很好的補充輔助材料,有助于在短期內(nèi)迅速把握復(fù)雜的冶金因素和焊接因素在焊接中所起的作用,從而可以降低試驗成本。WELDOX960高強鋼屬于熱處理強化鋼,調(diào)質(zhì)處理后組織為細(xì)小的低碳馬氏體,

57、具有高強度和良好的塑韌性,可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接,焊后不需要熱處理。由于焊接熱循環(huán)的作用,在熱影響區(qū)存在著由于峰值溫度超過原回火溫度而引起強度和硬度下降的“軟化區(qū)”,所以該鋼種在一定程度上存在過熱區(qū)脆化及軟化區(qū)強度下降的問題。碳當(dāng)量法(Calculation of carbon equivalents是把鋼中包括碳在內(nèi)的合金元素對淬硬、冷裂和脆化的影響折合成碳的相當(dāng)含量,用以進行焊接性分析的間接試驗方法。碳當(dāng)量越高,則材料的冷裂敏感性越大,焊接性越差。試驗用WELDOX960高強鋼的化學(xué)成分及機械性能見表3-1。表3-1 WELDOX960高強鋼的化學(xué)成分(wt% Tab.3-1 Chemical composition of WELDOX960 (wt%元 素 C Si Mn S P Cr 含量(wt% 0.17 0.19 1.21 0.001 0.008 0.016 元 素 Mo Cu Ti B Ni V 含量(wt% 0.620.02 -0.0008 0.042-屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa 伸長率5% 斷面收縮率A 5%96098513.033.0根據(jù)WELDOX960高強鋼的化學(xué)成分分