合金元素及焊接组织

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,合金元素及焊接组织,对管线钢焊接裂纹的影响,王 斌,报 告,内,内,容,容,.非金,属,属元素,对,对熔敷,金,金属组,织,织性能,的,的影响,.合,金,金元素,对,对管线,钢,钢焊接,裂,裂纹性,能,能的影,响,响,.组,织,织对管,线,线钢抗,焊,焊接裂,纹,纹性能,的,的影响,.热,输,输入对,焊,焊缝组,织,织的影,响,响分析,.建,议,议,A,3,钢对接,焊,焊接头,宏观形,貌,貌,焊缝区,热影响,区,区,母材区,液态,过热区,温度范,围,围,完全正,火,火区,温度范,围,围,不完全,正,正火,区温度,范,范围,母材区,温度范,围,围,焊缝区,过热区,完全正,火,火区,不完全,正,正火区,母材区,焊接接,头,头全貌,组,组织,焊缝区,过热,区,区完,全,全正火,区,区不,完,完全正,火,火区,母,母材区,焊缝区,过热区,完全正,火区,不完全,正火区,母,材,区,含氢量,小,小于2ml/100g时，,能,能在含S量为0.008的,锻,锻件中,引,引发氢,致,致裂纹,（,（锅炉,技,技术，1990.9,，,，徐建,销,销）,非金属,元,元素对,熔,熔敷金,属,属组织,性,性能的,影,影响,一、氢,对,对钢管,组,组织性,能,能的影,响,响,1.在,固,固态钢,中,中的存,在,在形式,（1）,形,形成间,隙,隙固溶,体,体;,（,（2,）,）在固,态,态钢中,扩,扩散能,为,为非常,强,强。,2.作,用,用,（1）,使,使钢的,塑,塑、韧,性,性降低,，,，引起,氢,氢脆;,（2）,从,从钢中,析,析出变,成,成分子,态,态时造,成,成内部,裂,裂纹性,质,质的缺,陷,陷，突,出,出的如,白,白点,。,非金,属,属元,素,素对,熔,熔敷,金,金属,组,组织,性,性能,的,的影,响,响,二、,氧,氧对,钢,钢管,组,组织,性,性能,的,的影,响,响,1.在固态,钢,钢中的存在,形,形式,（1）在固,态,态钢中溶解,度,度很小;,（,（2）主,要,要存在于氧,化,化物夹杂中,。,。,2.作用,（1）夹杂,物,物引起应力,集,集中，产生,微,微裂纹，加,速,速钢的塑性,破,破坏，降低,韧,韧性;,（2）在钢,的,的抗拉强度,较,较高时，降,低,低疲劳强度,、,、耐腐蚀性,、,、耐磨性;,（3）引起,热,热脆;,（4）Al,Mg,Ca的氧,化,化物及大颗,粒,粒Ti的碳,氮,氮化物成为,裂,裂纹的起源,。,。,非金属元素,对,对熔敷金属,组,组织性能的,影,影响,三、氮对钢,管,管组织性能,的,的影响,1.在固态,钢,钢中的存在,形,形式,（1）形成,碳,碳氮化物，,多,多分布于晶,界,界;（2,）,）随温度降,低,低溶解度急,剧,剧降低;,（3）抑制,铁,铁素体晶粒,生,生长。,2.作用,（1）一些,含,含A1,V,Nb的低,合,合金钢中可,形,形成特殊的,氮,氮化物使铁,素,素体强化并,细,细化晶,粒，显著提,高,高钢的强度,和,和韧性;,（2）引起,淬,淬火时效和,形,形变时效，,显,显著提高钢,的,的硬度、强,度,度，降低塑,性,性、韧性，,造成焊接区,脆,脆化。,N对熔敷金,属,属组织和性,能,能的影响,氮含量对熔,敷,敷金属低温,冲,冲击韧性的,影,影响,随着N含量,的,的增加，熔,敷,敷金属低温,韧,韧性降低,非金属元素,对,对熔敷金属,组,组织性能的,影,影响,非金属元素,对,对熔敷金属,组,组织性能的,影,影响,焊丝中N含,量,量与熔敷金,属,属中N含量,的,的关系,熔敷金属中,的,的N含量随,焊,焊丝中N含,量,量的增加而,增,增加。,焊丝中N含,量,量对熔敷金,属,属中N含量,的,的影响,非金属元素,对,对熔敷金属,组,组织性能的,影,影响,总结：,C、N、P,、,、S、Si,增,增加了钢的,氢,氢脆倾向。,奥氏体形,成,成元素，与Fe形成无,限,限互溶的,相,相，弱碳化,物,物形成元素,。,一、石油管,钢,钢中的合金,元,元素对组织,性,性能的影响,1.Mn,元,元素的作用,溶于渗碳,体,体取代部分Fe形成复,合,合碳化物，,细,细化P，强,化,化基体钢；,且,且其在渗碳,体,体中的浓度,大,大于在F中,的,的浓度，可,见,见锰主要起,固,固溶强化作,用,用。,相同碳时，,随,随锰含量增,加,加，强度增,加,加，但脆性,转,转变温度下,降,降。,降低相变,温,温度，有助,于,于晶粒细化,。,。,锰含量过,高,高，使韧性,降,降低，造成,钢,钢板带状组,织,织严重，增,强,强各向异性,，,，降低抗氢,致,致裂纹性能,合金元素对,管,管线钢焊接,裂,裂纹的影响,在管线钢中,加,加入1.0,1.5,可,可使相变温,度,度进一步降,低,低，再增加,将,将引起奥氏,体,体转变为粗,大,大的针状铁,素,素体而非多,边,边形铁素体,。,。,（1）促进,针,针状组织的,发,发展，抑制,多,多边形铁素,体,体的形成（加速冷却,）,）。因此能在极,低,低的碳含量,下,下得到高的,强,强度。钼的,含,含量通常被,限,限制在0.3%以下；,（2）抑制钢在高,温,温回火时由,于,于P等杂质,在,在晶界偏聚,导,导致的脆性,现,现象，减少,固,固溶碳量，,使,使残留奥氏,体,体减到最少,，,，以至完全,没,没有，这样,就,就少形成或,不,不形成未回,火,火的马氏体,，,，增强基体,抗,抗硫化氢腐,蚀,蚀性能。,一、石油管,钢,钢中的合金,元,元素对组织,性,性能的影响,2.Mo,元,元素的作用,通过固溶,硬,硬化和晶粒,细,细化增加强,度,度;,镍还能够,改,改善铜在钢,中,中引起的热,脆,脆性，但低合金钢中,加,加入镍，由于含镍,钢,钢上的析氢,过,过电位最低,，,，氢离子易,于,于放电，因,而,而强化了吸氢,过,过程，使钢的硫,化,化物破裂敏,感,感性增加。,3.Cu,、,、Ni元素,的,的作用,铜能降低氢,在,在钢中的渗,透,透速率，利于提高抗,氢,氢脆应力腐,蚀,蚀和沟状腐蚀,性,性能。,合金元素对,管,管线钢焊接,裂,裂纹的影响,微合金化,元,元素除了溶,质,质原子的拖,曳,曳作用外，,几,几乎总是通,过,过第二相的,析,析出而影响,钢,钢的显微组,织,织结构。,二、微合,金,金元素的影,响,响,主要微合,金,金化元素：,铌,铌、钒、钛,，,，此外还有,铝,铝和硼。（,图,图332,）,）,由于不同,微,微合金元素,与,与碳和氮有,不,不同的亲和,力,力，不同的,微,微合金碳化,物,物氮化物,在,在奥氏体和,铁,铁素体中有,相,相差甚远的,溶,溶解度，且,各,各种微合金,碳,碳化物和氮,化,化物有不同,的,的析出动力,学,学，故其作,用,用不同。,微合金元,素,素加入目的,：,：晶粒细化,及,及析出强化,。,。由微合金,碳,碳、氮化物,或,或碳氮化物,的,的析出引起,。,。,1）阻止奥氏体,晶,晶粒在控扎或焊,接,接冶金中长大，,延,延迟奥氏体再结,晶,晶；,2）晶粒细化、,沉,沉淀强化。,3）影响焊接HAZ软化区大小,，,，使之变窄。,合金元素对管线,钢,钢焊接裂纹的影,响,响,二、微合金元素,的,的影响,微合金元素加,入,入目的：影响焊接HAZ,软,软化区大小，使,之,之变窄，结果？,合金元素对管线,钢,钢焊接裂纹的影,响,响,(a)CGHAZ+FGHAZ,(b)FGHAZ+ICHAZ,(c)ICHAZ+BM,试板的原始组织,主,主要是条状贝氏,体,体与部分粒状贝,氏,氏体的复合组织,。,。而PAC钢的HAZ是分为三,个,个区的梯度组织,，,，即粗晶区（CGHAZ），细,晶,晶区（FGHAZ），不完全重,结,结晶区（ICHAZ）。,碳化物形成元素Ti,V,Al,Nb,Zr等能,够,够增加氢陷阱的,数,数量，降低陷阱,中,中富积的氢含量,，,，同时稀土元素,能,能够改变MnS,夹,夹杂物的形状，,使,使其变圆变细，,从,从而能增加氢陷,阱,阱中的临界氢浓,度,度,降低钢的氢,脆,脆几率。,二、微合金元素,的,的影响,微合金元素加,入,入目的：,合金元素对管线,钢,钢焊接裂纹的影,响,响,TiN颗粒分布,在,在奥氏体晶界上,，,，阻碍钢在热加工时奥氏体晶粒的长,大,大。由于形成难溶,的,的TiN而消除,了,了钢中的自由氮,，,，从而改善钢的韧性。过量会形成对,韧,韧性不利的TiC。,钛含量,0.09时,，,，焊接组织中一,般,般不会发生氢致,裂,裂纹,。,1.Ti元素,的,的作用,二、微合金元素,的,的影响,2.V元素的,作,作用,有轻微的细化组织作用，在,相,相变中发生相间,沉,沉淀，形成非常,细,细小的合金碳化,物,物，起沉淀强化作用。,3.B元素的,作,作用,促进贝氏体的,形,形成。加入0.001%的,硼,硼，就可使钢,的,的显微组织全,部,部转变为贝氏,体,体。过量的硼,虽,虽然可以显著,提,提高强度，但,却,却能降低钢的韧性，特别是对脆,性,性转变温度影,响,响很大,。（控制含量,）,）,合金元素对管,线,线钢焊接裂纹,的,的影响,a）,显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强,化,化作用；,b）,增加强度的同,时,时降低韧脆转,化,化温度。,4.Nb元,素,素的作用,二、微合金元,素,素的影响,合金元素对管,线,线钢焊接裂纹,的,的影响,(a)不含Nb,(b)0.018%Nb,(e)0.043%Nb,Nb对熔敷金属显微组织的影响(350X),Nb对熔敷金,属,属组织和性能,的,的影响,不含,Nb,的熔敷金属显微组织中，粒状贝氏体小岛总量较少，呈颗粒状，尺寸细小;随着,Nb,含量的增加，熔敷金属显微组织细化，粒状贝氏体的小岛总量明显增加且均匀分布于铁素体基体上;进一步增加,Nb,含量，熔敷金属显微组织中粒状贝氏体小岛呈不连续的长条形，且相互趋向于平行排列。,(a)熔敷金,属,属不含Nb,(b)熔敷金,属,属含Nb,Nb对熔敷金,属,属断口微观形,貌,貌的影响,熔敷金属不含,Nb,时，由于断口,无,无放射区而表,现,现为全部的韧窝形貌;加,Nb,的熔敷金属断,口,口以韧窝形貌为主，在断口,中,中部放射区主,要,要是准解理形貌加,上,上少量的韧窝。加,Nb,的熔敷金属，,其,其宏观形貌放,射,射区在扫描电,镜,镜下主要表现,为,为准解理特征,，,，从力学性能,上,上反映则为低温韧性比不,加,加,Nb,的熔敷金属低。,Nb对熔敷金,属,属组织和性能,的,的影响,熔敷金属屈服,强,强度和抗拉强,度,度随Nb含量,的,的增加而提高,。,。,熔敷金属中不,同,同Nb含量对,熔,熔敷金属强度,的,的影响,Nb含量对熔,敷,敷金属强度增,加,加百分数的影,响,响,Nb含量对熔,敷,敷金属伸长率,的,的影响,Nb含量对熔,敷,敷金属低温韧,性,性的影响,Nb对熔敷金,属,属组织和性能,的,的影响,钒在低合金高强度钢中的作用分解示意图,1.,稀土对,珠光,体,数量形态影响,未加稀土样的,珠,珠光体形态不,规,规则，且有轻,度,度魏氏组织形,成,成；适量稀土17410,-6,，使魏氏体组,织,织消除，P多,呈,呈球态，且量,减,减少；加入过,量,量稀土，虽P,有,有一定细化，,但,但,金属间化合物,在,在晶界聚集，,恶,恶化晶界，,W组织又出现,。,。,三、稀土对钢,组,组织性能的影,响,响,稀土在晶界富,集,集，降低界面,能,能，消弱晶界,形,形核的优势；,固,固溶稀土对碳,具,具有强大的交,互,互作用，使碳,的,的富集和扩散,减,减弱，使P数,量,量减少且细化,。,。,2.,稀土对,B,及M组织的影,响,响,加适量稀土17410,-6,，组织从板条,状,状贝氏体变为,粒,粒状贝氏体，,且,且数量减少;,稀,稀土过量(66510,-6,)，