【正文】 ? 典型低碳調(diào)質(zhì)鋼連續(xù)冷卻曲線如圖 32所示，可以看出奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變大大推遲，當(dāng)冷卻速度較低時(shí)，會形成由鐵素體 F、高碳馬氏體 M和高碳貝氏體 B組成的混合組織，這種混合組織是過熱區(qū)嚴(yán)重脆化的主要原因。 ?二、熱影響區(qū)性能變化 熱影響區(qū)脆化 ? 低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)脆化的原因和規(guī)律與熱軋及正火鋼都不同。一般認(rèn)為 MoV系的鋼，特別是 CrMoV系的鋼對消除應(yīng)力裂紋最敏感； MoB和 CrMo系的鋼也有一定的敏感性。因此，焊接時(shí)必須選用低氫或超低氫焊接材料，并嚴(yán)格控制焊接區(qū)氫的來源。 ? 馬氏體雖然屬于淬火組織，但由于含碳量低，仍保持了較高的韌性； ? 而且這類鋼的 Ms點(diǎn)比較高 （ 400℃ ）， 如果焊接時(shí)控制在 Ms點(diǎn)附近的冷卻速度比較低，馬氏體形成后可以進(jìn)行一次 “ 自回火 ” 過程，使韌性得到改善，因此可以避免產(chǎn)生冷裂紋。 ? 2．焊接冷裂紋 ? 低碳調(diào)質(zhì)鋼在嚴(yán)格控制焊縫擴(kuò)散氫含量的情況下，對冷裂紋不敏感。 ?一、焊接裂紋 ? 1．焊接熱裂紋 ?低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含碳量都較低，而含 Mn量較高，且對 S、 P的限制也較嚴(yán)格，因此焊縫金屬的結(jié)晶裂紋傾向較小。 ?能力知識點(diǎn) 2 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性 ?低碳調(diào)質(zhì)鋼主要是作為高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，因此其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制得較低，在合金成分的設(shè)計(jì)上也考慮了焊接性的要求。 ? 抗拉強(qiáng)度 800MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼如 14MnMoNbB、 HQ80和 HQ80C也在工程中獲得廣泛應(yīng)用。 ? 部分低碳調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表 310和 311。 ?能力知識點(diǎn) 1 低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分與性能 ? 為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調(diào)質(zhì)鋼要求鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 %（實(shí)際上一般 wc≤% ），此外添加一些合金元素如 Mn、Cr、 Ni、 Mo、 V、 Nb、 B、 Cu等，目的是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。 ?低碳調(diào)質(zhì)鋼屬于熱處理強(qiáng)化鋼。 Q345鋼 CO2氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)見表 39。焊接參數(shù)見表 37。 ? 重要結(jié)構(gòu)（如壓力容器）應(yīng)選用堿性焊條（ E5015015）； ? 對厚度小、坡口角度小或強(qiáng)度要求不高的產(chǎn)品也可選用 E43〓〓 型的焊條（ E431 E4315）。 ? 2．預(yù)熱 ? Q345鋼的焊接性較好，一般情況下焊接不需預(yù)熱，但當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大或在低溫條件下焊接時(shí)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度見表 36 板厚 /mm 預(yù) 熱 溫 度 ＜ 16 不低于 10℃ 不預(yù)熱， 10℃ 以下預(yù)熱 100～ 150℃ 16～ 24 不低于 5℃ 不預(yù)熱， 5℃ 以下預(yù)熱 100～ 150℃ 25～ 40 不低于 0℃ 不預(yù)熱， 0℃ 以下預(yù)熱 100～ 150℃ ＞ 40 均預(yù)熱 100～ 150℃ 表 36 Q345鋼在不同環(huán)境溫度下的預(yù)熱溫度 ? 3．焊條電弧焊工藝 ? 可采用 I形、 V形或 X 形坡口。 Q345鋼也可采用加熱矯正變形。筒節(jié)冷彎當(dāng)板厚與直徑之比大于 1/40時(shí)，成形后應(yīng)進(jìn)行600～ 650℃ 的消除應(yīng)力回火，以消除冷作硬化。如焊后不能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)立即在 250～ 350℃ 保溫 2～ 6h，以便焊接區(qū)的氫逸出。例如，對含 V或 V+Mo的低合金鋼，在回火時(shí)要避免在 600℃ 左右的溫度區(qū)間停留較長時(shí)間，以防因 V的二次碳化物析出而造成脆化，如Q420（ 15MnVN）的消除應(yīng)力回火的溫度為（ 550〒 25） ℃ 。確定回火溫度的原則是： ? 1）不超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。多層焊時(shí)應(yīng)保證道間溫度不低于預(yù)熱溫度，但也要避免道間溫度過高產(chǎn)生的不利影響，如韌性下降等。 ? 2．預(yù)熱溫度 ? 預(yù)熱的目的是為了防止裂紋，同時(shí)還有一定的改善組織和性能的作用。 ? 但最好是采用小熱輸入 +預(yù)熱。 ? 在焊接碳當(dāng)量（ Ceq）小于 %熱軋及正火鋼時(shí)，如 Q295和Q345，對熱輸入沒有嚴(yán)格限制。 ? 四、焊接參數(shù) ? 1．焊接熱輸入 ? 確定焊接熱輸入主要考慮熱影響區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。 ?此外，如果對焊縫金屬的使用性能有特殊要求，應(yīng)同時(shí)加以考慮。 ? 選擇焊條或焊絲時(shí)應(yīng)考慮到板厚和坡口形式的影響，焊接薄板時(shí)因熔合比較大，應(yīng)選用強(qiáng)度較低的焊接材料，焊接厚板時(shí)則相反。焊縫化學(xué)成分不僅取決于焊接材料，而且與母材的熔入量（即熔合比）有很大關(guān)系；而焊縫組織則與冷卻速度有很大關(guān)系。 ? 例如適用于焊接 Q420（ 15MnVN）的焊條 E5515，其中 C、 Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀強(qiáng)化元素 V，但用它焊接的焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 549～ 608MPa，同時(shí)還具有高的塑性和韌性。 ? 三、焊接材料 ? 選擇焊接材料時(shí)必須考慮到兩方面的問題： ? 一是保證焊縫不產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷； ? 二是能滿足使用性能的要求。 ? 定位焊應(yīng)選用與焊縫相同的焊接材料，也可選用強(qiáng)度稍低的焊條或焊絲。對強(qiáng)度級別較高、厚度較大的焊件，經(jīng)過火焰切割或碳弧氣刨的坡口應(yīng)用砂輪仔細(xì)打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口兩側(cè) 20～ 30mm范圍內(nèi)清除油污、鐵銹等。 ? 二、下料、坡口加工和定位焊 ? 熱軋及正火鋼可以采用各種切割方法下料。 ? 消除熱應(yīng)變時(shí)效的有效措施是焊后熱處理，如Q345經(jīng) 600℃ 〓 1h退火處理后，其韌性可恢復(fù)到原有水平。一般發(fā)生在固溶氮含量較高而強(qiáng)度級別不高的低合金鋼中，如抗拉強(qiáng)度 490MPa的 CMn鋼。 ? 正火鋼過熱區(qū)脆化與魏氏組織無關(guān)，除晶粒粗化外，主要是由于在 1200℃ 高溫下，起沉淀強(qiáng)化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點(diǎn)分解并熔于奧氏體，在隨后的冷卻過程中來不及析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體基體的硬度上升而韌性下降，這時(shí)如果減小熱輸入，就可以減少過熱區(qū)在高溫的停留時(shí)間，抑制碳化物和氮化物的熔解，從而有效防止過熱區(qū)脆化。在冷卻過程中可能會產(chǎn)生脆性較大的魏氏組織、粗大的馬氏體組織和塑性很低的混合組織（即鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織）等。 ? 二、熱影響區(qū)性能變化 ? 熱軋及正火鋼焊接熱影響區(qū)性能變化主要是過熱區(qū)的脆化；在一些合金元素含量較低的鋼中有時(shí)還可能出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化問題。 ? 對有可能在焊接過程產(chǎn)生層狀撕裂的重要結(jié)構(gòu)，可采用 Z向鋼（如 D36），其 ψ Z最高值可達(dá) 55%。 ? 一般認(rèn)為，鋼中的含硫量和 ψ Z是衡量抗層狀撕裂能力的判據(jù)。 ? 在熱軋及正火鋼中， 18MnMoNb和 14MnMoV有輕微的消除應(yīng)力裂紋傾向，可采取提高預(yù)熱溫度或焊后立即熱處理等措施來防止消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生 。一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合線方向斷續(xù)分布。反之，如果焊接時(shí)焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，則是由母材中的碳與硫的不正常造成的，這時(shí)就要從工藝上設(shè)法減小熔合比，選用碳含量少、 Mn含量高的焊接材料，以降低焊縫中的碳和提高焊縫中的 Mn，可以達(dá)到消除結(jié)晶裂紋的目的。 ? 2．焊接熱裂紋 ? 熱軋及正火鋼含碳量都較低，而含 Mn量較高，Mn/S的比值可以達(dá)到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋能力，在母材化學(xué)成分正常，焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。 ? 碳當(dāng)量 CE=%～ %時(shí)，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，對冷裂紋比較敏感。 ? 一般認(rèn)為， CE＜ %時(shí)，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。而淬硬傾向又可以通過碳當(dāng)量、 Pc、熱影響區(qū)最高硬度等來判斷。焊接時(shí)需要注意的問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)性能變化。主要用于石油和天然氣的輸送管線，如 X60、 X65和 X70等管線鋼。微合金控軋鋼采用微合金化和控制軋制等技術(shù)，達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的效果，同時(shí)從冶煉工藝上采取降碳、降硫，改變夾雜物形態(tài)，提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有細(xì)晶組織。 ? 3．微合金控軋鋼 ? 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %左右對鋼的組織性能有顯著或特殊影響的微量合金元素的鋼，稱為微合金鋼。 ?正火鋼是在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，加入碳、氮化物（ V、 Ti、 Nb和 Mo等）形成元素，通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化來進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和保證韌性。 ? 熱軋鋼的組織為鐵素體 +珠光體，當(dāng)板厚較大時(shí)，可以要求在正火條件下供貨，經(jīng)正火處理可使鋼的化學(xué)成分均勻化，塑性、韌性提高，但強(qiáng)度略有下降。A即舊牌號中的 16Mn，Q345 ? Q345（ 16Mn）是我國 1957年研制生產(chǎn)和應(yīng)用最廣泛的熱軋鋼，用于南京長江大橋和我國第一艘萬噸運(yùn)洋貨輪。因此合金元素的用量和鋼的強(qiáng)度水平都受到限制。 綜合知識模塊二 熱軋及正火鋼 的焊接 ? 能力知識點(diǎn) 1 熱軋及正火鋼的成分和性能 ? 1．熱軋鋼 ? 屈服點(diǎn)為 295～ 390MPa的鋼大都屬于熱軋鋼，合金系統(tǒng)為 CMn或 CMnSi系，其強(qiáng)度是靠 Mn、 Si的固溶強(qiáng)化作用來保證。 ?熱軋及正火條件下，合金元素對鋼的塑性和韌性的影響與其強(qiáng)化作用相反，即強(qiáng)化效果越大，塑性和韌性就降低越多，當(dāng)鋼中合金元素的含量超過一定值后會引起韌性大幅度下降。 B元素也是微合金化的元素，它可以細(xì)化晶粒從而改善韌性。 ? V、 Ti、 Nb是強(qiáng)烈形成碳化物的元素， Al、 V、 Ti、Nb還可形成氮化物，可產(chǎn)生明顯的沉淀強(qiáng)化作用，在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上屈服點(diǎn)可提高 50～ 100MPa，并能保持韌性。 ? Cr能提高鋼的耐熱性、耐蝕性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度； Mo可提高鋼的熱強(qiáng)性，一般認(rèn)為wMo=%～ %時(shí)，既可以強(qiáng)化金屬又能改善韌性，當(dāng) wMo＞ %時(shí)韌性開始惡化。低合金鋼中加入的合金元素有 Mn、 Si、 Cr、 Ni、 Mo、 V、Nb、 B、 Cu等，對合金結(jié)構(gòu)鋼的組織和性能的影響很復(fù)雜。由于所處介質(zhì)不同，耐蝕鋼的成分和類型也不同，應(yīng)用最多的是耐大氣和海水腐蝕用鋼。這類鋼中大部分含有 Ni，一般在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，和普通低合金鋼的區(qū)別在于除具有滿足要求的的強(qiáng)度外，還必須具有足夠的低溫韌性。隨著使用溫度的提高，鋼中往往還加入 W、 V、 Nb、 B等合金元素。 （ 1）珠光體耐熱鋼 ? 具有較好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性，其最高工作溫度為 500～ 600℃ ，可用于在這一溫度下工作的動力設(shè)備和化工設(shè)備等。 2．專用鋼 ? 專用鋼是指專門用于在特定條件下工作的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)的鋼。其淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高很多，具有很高的強(qiáng)度和硬度，但韌性較低，給焊接帶來很大的困難，因此一般是在退火狀態(tài)下焊接，焊后再進(jìn)行整體熱處理來達(dá)到所要求的強(qiáng)度和硬度。 ?這類鋼在焊接結(jié)構(gòu)中也得到越來越廣泛的應(yīng)用，主要用于大型機(jī)械工程、壓力容器及艦船等。 （ 2）低碳調(diào)質(zhì)鋼 ?屈服點(diǎn)為 490～ 980MPa，在調(diào)質(zhì)（淬火 +高溫回火）狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強(qiáng)化鋼。 表 31 國內(nèi)外常見的合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號 類 型 類別 屈服點(diǎn)/MPa 常用鋼牌號 高 強(qiáng) 度 鋼 熱軋及 正火鋼 295～490 Q295(Cu)、 09Mn2Si、 Q345(Cu)、 Q390、 Q390(Cu)、Q4 18MnMoNb、 14MnMoV、 WH5 X60、 D36 低碳 調(diào)質(zhì)鋼 490～980 14MnMoVN、 14MnMoNbB、 WCF60、 WCF6 HQ70、 HQ80、HQ100、 T HY80、 HY110 中碳 調(diào)質(zhì)鋼 880～1176 35CrMoA、 35CrMoVA、 30CrMnSiA、 30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、 40CrNiMoA、 34CrNi3MoA 專 用 鋼 珠光體耐熱鋼 265～640 12CrMo、 15CrMo、 、 12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、 12Cr5Mo、 12Cr9Mo 12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB 低溫鋼 343～585 09Mn2V、 06AlCuNbN、 、 、 5Ni、 9Ni 低合金耐蝕鋼 12MnCuCr、 09MnCuPTi、 09CuPCrNi、 12AlMoV、12AlMo、 15Al3MoWTi （ 1）熱軋及正火鋼 ?屈服點(diǎn)為 295～ 490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，包括微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼和抗層狀撕裂鋼，盡管采用了不同的冶煉和控軋技術(shù)，但從本質(zhì)上講它們都屬于正火鋼。 ?近年來這類鋼又開發(fā)出具有很大發(fā)展前途的新鋼種，如微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼（ CF鋼）、抗層狀撕裂鋼（ Z向鋼）和焊接大熱輸入鋼等，主要用在嚴(yán)寒地區(qū)輸油管線、海上采油平臺、大型壓力容器、大型水輪機(jī)蝸殼和大跨度全焊接橋梁等工程中。 ? 按鋼的屈服點(diǎn)和熱處理狀態(tài)不同，一般分為熱軋及正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼。 ? 1．高強(qiáng)度鋼 ? 簡稱高強(qiáng)鋼，凡是屈服點(diǎn) σs≥295MPa 、抗拉強(qiáng)度 σb≥390M