金屬材料焊接工藝 第3版 教案 22 耐熱鋼的類型與性能

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實踐□理實一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號22授課日期月日月日月日月日授課班級教學(xué)內(nèi)容：第五章耐熱鋼的焊接1、耐熱鋼的類型與性能2、低、中合金耐熱鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：1、了解耐熱鋼的性能類型2、了解低、中合金耐熱鋼的焊接性能力目標(biāo)：1、知道耐熱鋼對焊接接頭的要求2、熟悉低、中合金耐熱鋼的焊接工藝特點素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學(xué)生必須熟記耐熱鋼的各種分類方法。舉例說明低、中合金耐熱鋼的焊接工藝。授課地點：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．對耐熱鋼焊接接頭有哪些基本要求？2．耐熱鋼中含有哪些合金元素？這些合金元素的作用是什么？合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有何特點？3．低、中合金耐熱鋼的性能有何特點？其焊接性如何？4．試分析低、中合金耐熱鋼的焊接工藝要點。課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識點1耐熱鋼的類型在高溫下工作，并具有一定強(qiáng)度和抗氧化、耐蝕能力的鐵基合金稱之為耐熱鋼。耐熱鋼廣泛用于石油化工工業(yè)中的高溫管線、反應(yīng)塔和加熱爐、熱電站的鍋爐和汽輪機(jī)、汽車和船舶的內(nèi)燃機(jī)、航空航天工業(yè)的噴氣發(fā)動機(jī)、核能動力裝置等高溫裝置。耐熱鋼分為:（按特性分）熱穩(wěn)定鋼--在高溫狀態(tài)下具有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的一類鋼，如常用的鉻鎳鋼（Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等）和高鉻鋼（Cr17、Cr25Ti等）；熱強(qiáng)鋼--在高溫狀態(tài)下既具有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕，又必須具有一定的高溫強(qiáng)度的一類鋼，主要有高鉻鎳鋼（1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等）以及多元合金化的以Cr12為基的馬氏體不銹鋼（1Cr12MoWV）等。按合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類分為低合金耐熱鋼，其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn-Ni–Mo和Cr-Mo-Ti-B等；中合金耐熱鋼，其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等；高合金耐熱鋼，其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。按組織分類分為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段能力知識點2耐熱鋼的性能1．高溫化學(xué)穩(wěn)定性高溫化學(xué)穩(wěn)定性主要是指高溫抗氧化性，有時還要求具有抗氫腐蝕性。2．高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能主要指熱強(qiáng)性。提高熱強(qiáng)性的措施：（1）利用Mo、W固溶強(qiáng)化，提高原子間結(jié)合力；（2）形成穩(wěn)定的第二相，主要是碳化物相（WC等）。（3）強(qiáng)化晶界，如控制晶粒度，加入微量細(xì)化晶粒的合金元素（B、Re）等。能力知識點3對耐熱鋼焊接接頭性能的基本要求等熱強(qiáng)性2．焊接接頭的抗氧化性3．焊接接頭組織的穩(wěn)定性4．焊接接頭的物理均一性.填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段低、中合金耐熱鋼的焊接能力知識點1低、中合金耐熱鋼的成分與性能特點成分是以Cr、Mo為主要合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5％～12.5％之間，鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％或1％，室溫組織以珠光體為主，因此又稱為珠光體耐熱鋼。具有良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性，還具有一定的抗硫和氫腐蝕的能力，同時具有很好的冷熱加工性能。主要應(yīng)用于在600℃以下工作的動力、石油化工等工業(yè)設(shè)備中。按合金化方式可將低碳低合金耐熱鋼分為以下三類：（1）Mo鋼Mo鋼是最早使用的低合金耐熱鋼，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％。Mo的主要作用是固溶強(qiáng)化，提高鋼的熱強(qiáng)性?，F(xiàn)在應(yīng)用很少。（2）Cr-Mo鋼為了改善Mo鋼的石墨化問題，提高鋼的組織穩(wěn)定性，進(jìn)而提高熱強(qiáng)性，在Mo鋼中加入一定量的Cr，Cr能使碳化物具有一定的熱穩(wěn)定性，阻止石墨化。Cr-Mo鋼的使用溫度可以提高到550℃。（3）多元復(fù)合合金化的低合金耐熱鋼除固溶強(qiáng)化外，鋼中加入了Ｖ、Ｔi、Ｂ等微量元素進(jìn)行時效強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化，進(jìn)一步提高鋼的熱強(qiáng)性和高溫組織的穩(wěn)定性。其合金系統(tǒng)有Cr-Mo-V，Cr-Mo-W-V，Cr-Mo-W-V-B，Cr-Mo-V-Ti-B等。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段能力知識點2低、中合金耐熱鋼的焊接性1．熱影響區(qū)淬硬性及冷裂紋低合金耐熱鋼的主要合金元素是Cr和Mo，能顯著提高鋼的淬硬性。如果在焊接時冷卻速度過快，則在焊縫及熱影響區(qū)形成對冷裂紋敏感的馬氏體和上貝氏體等組織。如圖5-1所示，12Cr2MoWVTiB鋼氬弧焊焊接接頭的過熱區(qū)出現(xiàn)了粗大的馬氏體組織。2．消除應(yīng)力裂紋傾向低合金耐熱鋼中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素屬于強(qiáng)碳化物元素，若結(jié)構(gòu)拘束度較大，那么在消除應(yīng)力處理或高溫下長期使用時，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)容易出現(xiàn)消除應(yīng)力裂紋。圖5-2為10CrMo910鋼焊接接頭在620℃回火處理后出現(xiàn)的消除應(yīng)力裂紋。消除應(yīng)力裂紋一般在500～700℃敏感溫度范圍內(nèi)形成，并且出現(xiàn)在殘余應(yīng)力較高的部位，如接頭咬邊、未焊透等應(yīng)力集中處，這些部位在加熱過程中，殘余應(yīng)力釋放，蠕變變形較大，更容易出現(xiàn)裂紋。為了防止消除消除應(yīng)力裂紋，可采取下列措施：1）選用高溫塑性優(yōu)于母材的焊接材料，嚴(yán)格控制母材和焊接材料的合金成分，特別是要限制V、Nb、Ti等合金元素的含量到最低的程度。2）將預(yù)熱溫度提高到250℃以上，道間溫度控制在300℃左右。3）采用低熱輸入焊接工藝和方法，縮小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，細(xì)化晶粒。4）選擇合理的熱處理工藝，避免在敏感溫度區(qū)間停留較長時間。3．熱影響區(qū)的軟化低合金耐熱鋼焊接接頭熱影響區(qū)存在軟化問題，其軟化區(qū)的金相組織特征是鐵素體加上少量碳化物，在粗視磨片上觀察到一條明顯的“白帶”，其硬度明顯下降。軟化區(qū)的存在對室溫性能沒有什么不利的影響，但在高溫長期靜載拉伸條件下，接頭往往在軟化區(qū)發(fā)生破壞。4．回火脆性Cr-Mo耐熱鋼及焊接接頭在350～500℃溫度區(qū)間長期運(yùn)行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。焊縫金屬回火脆化的敏感性比母材大，這是因為焊接材料中的雜質(zhì)難以控制。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段能力知識點3低、中合金耐熱鋼的焊接工藝要點1．低合金耐熱鋼的焊接工藝低、中合金耐熱鋼一般在預(yù)熱狀態(tài)下焊接（定位焊同樣需要預(yù)熱），焊后大多要進(jìn)行高溫回火處理。多層焊時應(yīng)保持道間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊接過程中盡量避免中斷，不得以中斷焊接時，應(yīng)采取緩冷措施；重新施焊的焊件仍需預(yù)熱，焊接完畢應(yīng)將焊件保持在預(yù)熱溫度以上數(shù)小時，然后再緩慢冷卻。（1）焊接方法常采用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊,但常以焊條電弧焊為主，埋弧焊和氣體保護(hù)焊的應(yīng)用也越來越多。（2）焊前準(zhǔn)備焊前準(zhǔn)備的內(nèi)容主要包括下料、坡口加工、熱切割邊緣和坡口面的清理以及焊接材料的預(yù)處理。一般的低合金耐熱鋼工件，可以采用各種熱切割下料。為防止厚板熱切割邊緣的開裂，應(yīng)采取下列工藝措施：1）對于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型鋼和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo鋼板，熱切割前應(yīng)將割口邊緣預(yù)熱150℃以上。2）對于15mm以下的2.25Cr-Mo鋼板，熱切割前應(yīng)預(yù)熱100℃以上。熱切割邊緣應(yīng)作機(jī)械加工并用磁粉探傷檢查是否存在表面裂紋。焊接材料在使用前應(yīng)作適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。埋弧焊絲用光焊絲，表面要清理干凈。鍍銅焊絲應(yīng)將表面積塵和污垢仔細(xì)清理。焊條和焊劑要妥善保管，在使用前，應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行烘干。表5-3列出了幾種常用低合金耐鋼的焊條和焊劑烘干溫度。（3）焊接材料焊接材料的選擇原則應(yīng)保證焊縫金屬的合金成分、強(qiáng)度性能與母材基本一致。若二者成分相差很大，則焊接接頭在長期高溫條件下工作時，會因成分不均勻而導(dǎo)致合金元素擴(kuò)散，使焊接接頭的高溫性能不穩(wěn)定；焊縫強(qiáng)度不能選得過高，以免使焊縫塑性變差，甚至產(chǎn)生冷裂紋。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段焊接材料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)略低于母材，其wc<0.12％，但不得低于0.07％，否則會造成焊縫金屬的沖擊韌度、熱強(qiáng)性等降低。含碳量對10CrMo910鋼焊縫金屬沖擊韌度的影響如圖5-3所示，焊縫金屬wc＝0.08％時的韌性明顯高于wc＝0.05％的焊縫。（3）預(yù)熱和焊后熱處理低合金耐熱鋼預(yù)熱溫度范圍一般80～150℃，；局部預(yù)熱時，必須保證預(yù)熱寬度大于焊件壁厚的4倍，且不能少于150㎜。對于低合金耐熱鋼來說，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是改善組織，提高接頭的綜合性能。低合金耐熱鋼焊后一般作高溫回火處理，回火參數(shù)主要是加熱溫度和保溫時間?；鼗饻囟鹊姆秶?80～760℃。2．中合金耐熱鋼的焊接（1）焊接方法應(yīng)優(yōu)先選擇低氫的焊接方法。如鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等。在厚壁焊件中，可選擇焊條電弧焊、埋弧焊和電渣焊。但必須采用堿性藥皮焊條和焊劑。（2）焊前準(zhǔn)備切割之前，必須將切割邊緣200mm寬度內(nèi)預(yù)熱到150℃以上。切割面應(yīng)采用磁粉探傷檢查是否存在裂紋，焊接坡口應(yīng)機(jī)械加工，坡口面上的熱切割硬化層應(yīng)清理干凈，必要時應(yīng)作表面硬度測定加以鑒別。接頭坡口形式和尺寸的設(shè)計原則是盡量減少焊縫的橫截面積。（3）焊接材料焊接材料選擇原則是在保證焊接接頭具有與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儤O限和抗氧化性的前提下，改善其焊接性。其方案有兩種：一是選用高鉻鎳奧氏體焊接材料