专科生毕业设计（论文）题 目:电弧焊工艺对 15CrMo 钢 HAZ 组织和性能的影响 学生姓名： 学生姓名： 系 别：孙守青 电气信息工程系 电气信息工程系 2008 材料成型与控制技术 李福坤专业年级： 专业年级： 年级 指导教师： 指导教师：2011 年 5 月 3 日
中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）目第一章 前 言录1.1 耐热钢的定义、分类及应用........................................ 1 1.2 我国耐热钢的发展.................................................2 1.3 15CrMo 钢焊接的基本要求..........................................3 1.4 15CrMo 钢的焊接性分析............................................3 1.4.1 15CrMo 的化学成分及性能.......................................3 1.4.2 15CrMo 钢的焊接性分析.................... ....................4 1.4.3 15CrMo 钢的裂纹分析.................... ....................6 第二章 焊接试验2.1 焊接方法.............. ............................... .......12 2.2 焊接材料.............. ....... ........................ .......13 2.3 焊前准备.............. ....... .............. ................14 2.4 焊接工艺规范及试板焊接.............. ....... .............. ..15 2.4.1 焊接工艺参数.............. ....... .............. ........15 2.4.2 焊接注意事项.............. ....... .............. ........15 2.4.3 焊接试验内容.............. ....... .............. ........15 2.5 试验设备及材料.............. ....... .............. ........15 2.5.1 试验设备.............. ....... .............. ...........15 2.5.2 试验材料和尺寸.............. ....... .............. .....16 第三章 试样制备及金相、硬度分析 3.1 金相试样.............. ....... .............. ..............17 3.2 金相组织观察.............. ....... .............. ..........17 3.3 显微硬度测试.............. ....... .............. ..........191中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）3.3.1 显微硬度测试步骤.............. ....... .............. .......19 3.3.2 测试数据.............. ...... .............. ......20 3.4 金相、硬度分析.............. ...... .............. ......21 3.5 小结 第四章 结 谢 .............. ...... .............. ...... ..............22 论.............. ...... .............. ......24辞.............. ...... .............. ...... .............. ..25参考文献.............. .............. ............................ 262中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）摘 要15CrMo 钢是一种以 Cr-Mo 为基多元低、中合金珠光体耐热钢。有时还加入 少量的 W、Ti、Nb、B 等。其中元素 Cr 能形成致密的 Cr2O3 氧化膜，Mo 是弱碳化 物元素，可以优先溶入固溶体，强化固溶体，工作温度可高达 600℃。所以，珠 光体耐热钢中具有很好的抗氧化性和热强性，被广泛用于制造石油管线及锅炉、 高压蒸汽管道、蒸汽动力发电设备和其他工业部门。据资料介绍，因选择焊接工 艺和焊接材料不当，珠光体耐热钢热影响区会产生硬化、冷裂纹、热裂纹、软化 以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹等缺陷。 本文通过采用焊条电弧焊， 选择不同的焊接电流、预热温度、焊接层数等工艺参数，观察测试 HAZ 的组织和 性能。实践证明，选择保证焊缝性能同母材匹配的焊接材料、正确选择预热温度 和焊后热处理，即可避免各种缺陷的产生。关键词 ： 珠光体耐热钢；15CrMo 钢；焊条电弧焊；焊接工艺参数；预热温度3中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）Influence of Alectrode Arc Welding on the Performance of 15CrMo in HAZ (我英文摘要写得不好，请大家自行修改) 我英文摘要写得不好，请大家自行修改 我英文摘要写得不好 ABSTRACT15CrMo steel is a Cr-Mo-based multi-low，medium-alloy pearlitic heat-resistant steel. Sometimes it needs adding a small amount of W, Ti, Nb, B and so on．The element Cr can form dense Cr2O3 oxide film；Mo, a weak carbide elements, can merge into solid solution ,in order to enhance the intensity, so it’s working temperature can be as high as 600 ℃. Therefore, the pearlite heat-resistant steel with good oxidation resistance and thermal strong, is widely used in the manufacture of oil pipelines and boilers, high pressure steam piping, steam power generation equipment and other industrial sectors. According to the information, because of the improper choice of welding processes and welding materials, the heat affected zone of pearlite heat-resistant steel could break out various defects, such as hardening, cold cracking, hot cracking, softening, and post-weld heat treatment or long-term use of high temperature reheater of defects. In this paper, it use arc welding electrodes, choose a different welding current, preheating temperature, welding process parameters and then observe and test the performance of the organization of HAZ. Practice has proved that selecting correct materials to ensure the performance of weld t matching with the welding material, choosing preheating temperature and post-weld heat treatment properly can prevent the emergence of various defects.Keywords： pearlite heat- 15CrM e preheating temperature4中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）第一章1.1 耐热钢的定义、分类及应用前 言在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐 热钢。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢，一般要求较好 的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。 耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中 在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不 同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。中国自 1952 年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢 的工作温度提高到 600～620℃；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢 的分类有以下几种： （1） 珠光体耐热钢 珠光体钢耐热钢中合金元素以铬、钼为主，质量分数总量一般不超过 5%。其组织 除珠光体、 铁素体外,还有贝氏体。 这类钢在 500～600℃有良好的高温强度及工艺性能， 价格较低，广泛用于制作 600℃以下的耐热部件。如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、 紧固件及高压容器、 管道等。 典型钢种有： 16Mo、 15CrMo、 12Cr1MoV、 12Cr2MoWVTiB、 10Cr2Mo1 以及 25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV 等。 （2） 马氏体耐热钢 马氏体钢中含铬的质量分数一般为 7～13%，在 650℃以下有较高的高温强度、抗 氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬 12%左右的 1Cr13、2Cr13,以及在此 基础上发展出来的钢号如 1Cr11MoV、1Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB 等，通常用来 制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的 4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo 等也属于马氏体耐热钢。 （3） 铁素体耐热钢 铁素体钢中含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧 化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。如 1Cr13SiAl，1Cr25Si2 等。一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。 （4） 奥氏体耐热钢 奥氏体钢中含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在 600℃以上时，有较好1中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在 600℃以上工作的热强材料。 典型钢种有 1Cr18Ni9Ti，1Cr23Ni13，1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N， 4Cr14Ni14W2Mo 等 。 尤其指出的是，本课题研究的材料 15CrMo 钢是一种铬、钼珠光体耐热钢，它是 应用于动力工业、石油化工等部门高温条件下的重要材料。主要用于制造工作温度高 于 450℃的压力容器、锅炉管道等。它不仅有很好的抗氧化性、热强性，还有比较好的 抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能，并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能， 用途很广。[1]1.2 我国耐热钢的发展近几年来，随着国家经济建设的发展，我国的国民经济持续高速增长，工业，建 筑，冶金钢铁，热处理，航天，矿山，玻璃，石油工业，电力等行业相继快速发展。 这些行业的发展都离不开钢结构，而且所用的钢都不是一般性质的钢。因为这些都不 是一般性质的行业，其设备要求苛刻。性能太差就会严重影响行业的正常运作。工业 与石油工业设备，锅炉等都需要一定的高温。所以在这样特殊条件下，对钢的要求就 非常严格。一般新产品的诞生都是随着市场需求而产生的。耐热钢就是在这种情况下 出现的。 耐热钢，能在高温的条件下保持良好的性能，能抗高温。大部分的耐热钢都是由 合金组成，因为合金比单一金属的稳固性更好更强。我国从 50 年代就开始生产耐热钢 了，从最初的几家企业发展到现在千余家，一些企业也从最初的小规模发展到现在国 内知名品牌生产企业。随着科技的发展，为满足石油行业设备以及管道对钢材的抗高 温抗腐蚀日趋苛刻，耐热钢需要更新的技术来解决所面临的问题。 很多企业为解决耐热钢所面临的问题， 不断引进新的技术， 成立专门的研究部门， 研究高性能的耐热钢，以满足市场需求。在 20 世纪 30 年代，经过专业人士的不断的 研究，发现了钼。钼元素对耐热钢的耐热强性有很大的帮助，在碳钢中加入钼，工作 温度可以大大的提高。50 年代初，我国引进低合金铬钼钢，并开始大量生产，解决了 电站锅炉以及石油化工等耐高温的问题。再加上其价格便宜，性能好，被广泛的应用 于工业生产和其他行业中。经过不断的开发与研究，引进国外先进的技术，在研究人 员的努力下，研制出可在更高温度下使用的低合金热强钢。耐热钢及其制品的发展空[2] 间很大，市场也很广阔 。2中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）1.3 15CrMo 钢焊接的基本要求由于耐热钢广泛应用于石油化工、电力等行业，常用来制造蒸汽导管、石油管道 等特殊部件，因此其对焊缝组织致密性、组织连续性、焊缝缺陷等提出了更高的要求， 现列如下： （1） 接头的等强性 15CrMo 钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和高温和高温短时强 度，而且适应具有与母材金属相当的高温持久强度。 （2） 足够的抗氧化性 15CrMo 钢焊接接头应具有与母材金属基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。为此， 焊缝金属的合金成分和含量与母材基本相等。 （3） 组织的稳定性 15CrMo 钢焊接接头在制造过程中，尤其是厚壁接头将经受长时间的多次热处理， 在运行过程中将经受长期的高温高压作用。在这些长时的热作用过程中，接头各区不 应产生降低高温持久强度的组织变化，以及由此引起的脆变和软化。 （4） 抗脆断性 由于 15CrMo 钢长用来制造压力容器和管道，在设备受压检修后，都要经历冷启 动过程。因此 15CrMo 钢焊接接头亦应具有足够的抗脆断性[3]。1.4 15CrMo 钢的焊接性分析金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下， 获得优质焊接接头的难易程度金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接工艺焊接性是指 特定的材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力；使用焊接性是指形成的接头 适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。 随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产 应用对结构越来越高的性能要求，有关金属焊接性的研究日趋显出其重要的地位。钢 材的焊接性主要取决于它的化学成分，随钢材强度级别的提高，其焊接性变差。焊接 性变差一般表现在两个方面：一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；二是焊 接过程中材料性能的变化[4]。 1.4.1 15CrMo 钢的化学成分及性能3中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）珠光体耐热钢的含 Cr 量一般为 0.5%～9%， Mo 量一般为 0.5%或 1%。 含 随着 Co、 Mo 的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在 Co-Mo 钢中 加入少量的 W、Ti、Nb 等元素后，可进一步提高钢的热强性。 15CrMo 钢属 Cr-Mo 合金系统，为低碳珠光体热强钢，其国标成分和试验中试板 成分见下表 1.1。表 1.1 15CrMo 钢的成分 名称 15CrMo （国标） C 0.12～ 0.18 Si 0.17～ 0.37 Mn 0.40～ 0.70 Cr 0.8～1.1 Mo 0.40～ 0.55 S ≤0.04 (质量分数) % P ≤0.04合金元素 Cr 能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能。当钢中 Cr＜1.5%时，随 Cr 的增加钢的蠕变强度；Cr≥1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。Mo 是 耐热钢中的强化元素，弱碳化物元素，Mo 优先溶入固溶体，强化固溶体。Mo 的熔点 高达 2625℃， 固溶后可提高钢的再结晶温度， 有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。 Mo 可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。 钢中的 V 能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚 集长大，提高蠕变强度。V 与 C 的亲和力比 Cr 和 Mo 高，否则 V 的碳化物高温下聚集 长大，造成 Cr 和 Mo 的固溶强化作用。钢中 W 的作用和 Mo 相似，能强化固溶体，提 高结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。钢中 Nb 和 Ti 都是碳化物形成元素， 可以析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀和抗高温氧化 能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。钢中加入 B 和稀土元素，可净化晶 界，提高晶界强度，组织晶粒长大，提高钢的蠕变强度和高温持久强度等[5][6]。表 1.2 是 15CrMo 钢的室温力学性能。表 1.2 15CrMo 钢的室温力学性能 力学性能 钢号 热处理状态 取样位置 屈服强度 σ s/MPa 930～960℃正火 15CrMo +680～730℃回火 纵向 230 450 20 49 横向 240 抗拉强度 σ b/ MPa 450 伸长率 δ5（%） 21 冲击吸收功 AKV/J·cm-2 591.4.2 15CrMo 钢的焊接性分析 珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、焊4中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）接热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长时间使用中的消除应力裂纹（SR 裂 纹） 。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。 （1） 15CrMo 钢的裂纹敏感性分析 碳当量法(Calculation of carbon equivalents)是把钢中包括碳在内的合金元素对淬 硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。 碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。该试验中所用的 15CrMo 钢材 是由济南钢铁股份有限公司购进，其厚度为 10mm，主要化学成分见下表 1.3 所示：表 1.3 本试验所用 15CrMo 钢的成分(质量分数) 元素 15CrMo(试板) C 0.14 Si 0.28 Mn 0.51 Cr 0.95 Mo 0.45 S 0.003 （%） P 0.0321） 焊接热裂纹敏感性分析 依据热裂纹敏感性计算公式见公式 1.1，有： Si Ni + ) 25 100 *10 3 HCS = 3Mn + Cr + Mo + V 0.28 0.94 * 0.03 + 0.32 + （ ） 25 *10 3 HCS = 3 * 0.51 + 0.95 + 0.45 C (S + P + =2.2≤4 当 HCS≤4 时，一般不会产生热裂纹。HCS 越大的金属材料，其热裂纹敏感性分析 越高。该公式适用于一般低合金钢，包括低温钢和珠光体耐热钢。 根据 RaileyN.(1977 式)经验公式，对于含碳的质量分数为 0.08～0.23 的钢，其热 裂纹敏感性 UCS 计算公式如下式 1.2： UCS=230C+75P+45Nb-5.4Mn-1 裂纹敏感值为 0。 15CrMo 钢的 UCS 值为： UCS=230*0.14+75*0.032-123*0.28-5.4*0.51-1=-6.1&0 有上可以看出，15CrMo 钢的热裂纹可能性比较小。 2） 焊接冷裂纹敏感性分析 ① 国际焊接学会（ⅡW）推荐公式如下公式 1.3，有： CE= C +Mn Cr + Mo + V Cu + Ni + + (%) 6 5 15（1.1）(1.2)（1.3）5中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）CE= 0.14 +0.51 0.95 + 0.45 + = 0.505 6 5使用国际焊接学会（ⅡW）推荐的碳当量公式时，对于板厚 δ&20mm 的钢材，当 CE&0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；CE=0.4%～0.6%时，尤 其 CE&0.5 时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增 大到预热温度要相应提高。如上计算，本试验试板的 CE&0.5%，淬硬倾向大。 ② 美国焊接学会提出的公式如式 1.4: Ceq= C +Mn Si Ni Cr Mo Cu P + + + + +( + ) （1.4） 6 24 15 5 4 13 2 0.51 0.28 0 0.95 0.45 0 0.032 + + + + +( + ) = 0.56 Ceq= 0.14 + 6 24 15 5 4 13 2使用美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式时，应根据计算出来的某钢种的碳 当量再结合焊件的厚度查找相应图表。结合本实验结果，可查得相应结果为：淬硬性 大。 ③ 日本的 JIS 和 WES 推荐计算公式如下式 1.5：Mn Si Ni Cr Mo V + + + + + 6 24 40 5 4 14 0.51 0.28 0 0.95 0.45 0 Ceq(JIS)= 0.14 + + + + + + = 0.55 6 24 40 5 4 14Ceq(JIS)= c +（1.5）使用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式时，当板厚 δ&25mm 和采用焊条电弧 焊时，对于强度级别为 500 MPa 的钢材，碳当量界限为 0.46%，高于此界限，表明淬 硬倾向大，而上式计算结果 Ceq&0.46%。 3） 焊接再热裂纹敏感性分析 预测低合金结构钢时，根据合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响，可采用消除 应力裂纹敏感性指数法进行评定。其中 ?G 法公式见如下公式 1.6： ?G=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C(%) ?G=0.95+3.3*0.45+8.1*0-2+10*0.14=1.835 当 ?G≥2 时， 对消除应力裂纹敏感； 1.5≤?G＜2 时， 对产生消除应力裂纹较敏感； ?G＜1.5 时，对消除应力裂纹不敏感[2]。本实验上式计算结果表明，该 15CrMo 钢试板 对消除应力裂纹较敏感。 1.4.3 15CrMo 钢的裂纹分析 （1） 热影响区硬化分析 钢的脆硬性能取决于它的碳含量、合金成分及其含量 15CrMo 钢中的主要合金元 (1.6)6中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）素是铬和钼，在焊接过程中，由于热源对热影响区(HAZ)的影响，加之焊后冷却速度较 快，热影响区就易产生脆硬的马氏体组织，变得硬脆。这将成为接头的薄弱环节。通 过控制冷却速度，可以防止热影响区的硬化，通过焊接前预热和采用小线能量，可降 低冷却速度及焊接峰值温度防止马氏体出现及晶粒粗大。 （2） 冷裂纹分析 1) 冷裂纹的特征对于 15CrMo 钢，冷裂纹主要发生在具有缺口效应的焊接热影响区。冷裂纹的断 裂行径，有时沿晶界扩展，有时也穿晶。冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过 一段时间才开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展。大量的生产实践和理论研 究证明，钢材的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布以及焊接接头所承受的拘束应力 状态是造成冷裂纹的原因。 2) ① 冷裂纹产生机理 淬硬倾向 钢的脆硬倾向主要取决于自身的化学成分，其次是结构的厚度、焊接工艺和冷却条件。对于 15CrMo 钢，因为 Ceq&0.5%，在焊接条件下，近缝区的加 热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗 大的马氏体。这种马氏体呈片状，而且在片内有平行的孪晶，是一种脆硬的组织，特 别是中厚板的焊接，在焊接热循环决定的冷却条件下，形成大量的晶格缺陷，这些缺 陷主要是空位和位错在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集， 当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不 断地发生扩展而形成宏观的裂纹。 ② 焊接接头的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。焊接时，由于电弧高温作用，将有大量的氢 分解原子或者离子状态并大量溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解 度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却太快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中， 使焊缝中的氢处于过饱和状态，使氢极力扩散，当氢的浓度越高，马氏体更加脆化。 ③ 焊接接头的应力 实验研究证明，在焊接条件下主要存在以下几种应力，一是不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀， 因而承受压应力，冷却时由于收缩承受拉应力，一直到焊后将产生不同程度的残余应 力。二是金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨胀，而且转变后的组 织都具有较小的膨胀系数，这将减轻焊后收缩时产生的拉伸应力结构自身拘束条件所7中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）造成的应力，这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件自重、负载情况 以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。对于本课题 所研究的 15CrMo 钢试板，由于结构尺寸小，而且不存在拘束应力，在焊接生产过程 中，试板各个部分虽不均匀受热，但各部分温差较小，焊后产生较小的残余应力，最 后形成冷裂纹可能性也较小。 3) 冷裂纹的防止措施 由于淬硬组织，钢中的含氢量和应力值是形成冷裂纹的主要因素。为了获得完好 的焊接接头，就必须尽量控制这些因素的影响，从而防止冷裂纹的产生。 ① 冶金方面 主要有两个方面：一是尽可能选用低氢的焊接方法和焊接材料；二是严格控制氢的来源和用微量合金元素改善焊缝的韧性等，以及采用低匹配的焊接 材料。 对于 15CrMo 钢，普遍采用低氢碱性焊材。因为碱性焊材药皮的主要成分是大理 石和萤石。焊接时，从大理石中分解出的 CO2 和 CO 在电弧气氛中占主导地位，焊缝 金属中含氢量比酸性焊材要低的多。同时在焊前应高温烘干，尽量除去焊材中的水分， 并贮存在 100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存 放时间不得超过 4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次。 仅采用低氢焊材和烘干还不能保证获得低氢的焊缝，还要严格控制氢的来源。因 此必须彻底去除焊接坡口表面（带坡口的还有坡口两侧 20mm 范围内）的油污、水分、 铁锈及其他杂物。 ② 焊接工艺 对于压力容器、锅炉管道等焊接结构，对焊接线能量的控制是严格的，必须采用合适的线能量。线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，软化 区宽度增加，降低接头的抗裂性能，使得焊接结构整体的力学性能下降。线能量过小， 由于降低冷却时间 t800～500。和 t100，使得焊缝热影响区出现淬硬组织，也不利于氢的逸 出，焊缝容易产生冷裂纹。 选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可 使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少焊缝中的扩散氢含量，并且可以降低焊接区 的温度梯度和焊缝的冷却速度，减少硬度高马氏体的含量，减小温差应力。预热温度 应通过工艺评定来确定。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整 条焊缝同时预热，不能分段预热。 热处理的主要作用是进一步除氢，继续预热所起的作用，弥补预热的不足，焊后8中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）立即施行热处理，使扩散氢有充分的时间逸出，起到了很好的消氢作用，同时还可以 降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。另外还可以降低预热温度，有利于 生产操作。 （3） 再热裂纹分析 再热裂纹是焊件在焊接后重新加热(如焊后 500～700℃消除应力)处理或者在高温 下工作而在焊接热影响区产生的裂纹，一般又称为去应力裂纹。它与再热过程的加热、 冷却速度无关。 1） 再热裂纹主要特征 ① 再热裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区中，焊缝、热影响区的细晶区和母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展，终止于细晶区。 裂纹并不一定是连续的，并且具有晶间开裂的特征。 ② 焊接再热裂纹的产生必须存在较大的残余应力和应变，并且有不同程度的应力集中，二者必须同时存在如焊缝向母材过渡不平滑、余高过大、有咬边、焊瘤、未 焊透、边缘未熔合等都有可能促使再热裂纹的发生。 ③ 焊后不会自行发生，只是在焊后消除应力处理及焊后高温使用中产生，并与加热温度与加热时间有密切关系。且存在一个宜于产生再热裂纹的敏感温度范围对于 15CrMo 钢，产生裂纹的再加热温度范围一般在 500～700℃，600℃附近最为敏感。 ④ 含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。2） 再热裂纹产生机理 根据高温金相显微镜及扫描电镜的观察，认为再热裂纹是由晶界滑移，导致微裂 形成而发生和扩展的，即在焊后热处理过程中，残余应力松弛时，粗晶区应力集中处 的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，就会产生再热裂纹，即在理论上 产生再热裂纹的条件可用下式 1.7 表达： e&ec 式中 e——局部晶界的实际塑性变形量； ec——局部晶界的塑性变形能量。 因此，在钢的热处理过程中，当应力集中部位晶界的实际塑性变形量大于该处产生裂 纹的临界塑性变形量时，就会形成再热裂纹。实际塑性变形与焊接接头的拘束度、残 余应力的大小以及晶粒的大小有关，而晶界杂质的偏析，晶内沉淀强化必然影响到产 生裂纹的临界变形值，也就影响到再热裂纹的产生。9(1.7)中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）3） 再热裂纹的影响因素和防止措施 热影响区高位蠕变引起的高温蠕变变形的能力是产生再热裂纹与否的关键。因此， 我们从冶金角度（控制钢材合金元素、残余元素或者微量元素）和从力学角度考虑降 低残余应力、应力集中，或者从工艺因素出发增大焊接热输入量、提高预热温度、施 行后热等出发来提高蠕变塑性变形能力。 ① 冶金方面 化学成分是影响再热裂纹产生的主要因素，它不仅影响脆性温度区间的大小以及合金在脆性温度区间的塑性，还影响合金在脆性温度区内的变形增长 率。 S、P:在钢中是增大再热裂纹倾向的元素，它使合金的结晶温度区间增大，在钢中 易形成多种低熔点共晶，因此焊接中应控制 S≤0.03%，P≤0.04% C 是影响再热裂纹的主要因素。它本身影响合金结晶温度区间，而且它的存在加 剧了 S、P 的有害作用。 Mn 具有脱 S 作用， 形成的 FeS 和 MnS 共同作用可改善硫化物的存在形态， FeS 使 由薄膜片状分布变为球状分布，从而提高了焊缝金属的抗裂性。 Si 是铁素体化元素，少量的硅可减小结晶裂纹。但当含 Si&0.4%时，易形成低熔点 的硅酸盐杂质，从而增加了结晶裂纹的倾向。 Cr:对于 15CrMo 钢，随着 Cr 的含量增加，裂纹倾向逐渐减少。 Mo 能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析 出而实现的。因此，随着 Mo 的含量增加，提高了再热裂纹的敏感性，应严格控制 Mo 的含量。 焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性有较大的影响。晶粒度越大， 裂纹敏感性大；晶粒度越小，晶界所占的面积就大，在其他条件均相同的情况下，晶 界所承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。另外，钢中的杂 质越多，也会降低晶界开裂所需的应力，再热裂纹也越大。 ② 工艺方面 首先要选择塑性和韧性好的焊接材料。消除应力热处理过程中，塑性变形首先发生在焊接接头中残余应力水平高同时强度级别又较低的部位，由于热 影响区粗晶区很狭小，不足以抵偿消除应力的变形要求而发生开裂。如果消除应力所 要求发生的塑性变形集中到体积比热影响区大得多而塑性又十分良好的焊缝金属中 去，则就可以防止再热裂纹的产生。近年来的许多试验表明，适当降低在 SR 温度区间 焊缝的强度，提高它的塑性和韧性，从而可以缓和焊接接头的受力状态，降低再热裂10中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）纹的敏感性。其次要选择合理的焊接规范参数。焊接规范参数主要体现在焊接热输入 量上，焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面，一是大的线能量可以有利于降低拘 束应力，降低粗晶区的硬度，使得晶内的沉淀增多，减弱焊后加热时析出的强化程度， 有利于减少再热裂纹的倾向。二是大的焊接线能量可使过热区过热程度大，晶粒更加 粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹的倾向。因此，我们必须从多个方 面来分析，要避免焊件快速冷却，以防止产生硬而脆的马氏体和可能出现的裂纹同时 也要避免焊件冷却太慢，以防止出现低塑性的热影响区组织。 焊前预热及焊后热处理。为防止再热裂纹的产生，焊前预热降低残余应力、形成 对裂纹不敏感的组织等是十分有效的。日本焊接专家认为，预热可以提高热影响区粗 晶区的强度。珠光体耐热钢焊前预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生试验表 可以有效地消除焊缝中地扩散氢， 明， 珠光体耐热钢焊后进行 150～200℃的后热处理， 从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后热处理可以使得 焊缝晶界的有害杂质 S、P 等进一步弥散，减少因 S、P 等杂质偏析而导致的再热裂纹。 焊后在不太高的温度下进行等温处理，可以产生类似预热的效果，这样还可以降低焊 前的预热温度[7][8]。11中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）第二章2.1 焊接方法（1） 埋弧自动焊焊接试验埋弧焊由于熔敷效率高，焊缝质量好，在压力容器、管道、重型机械、钢结构、 大型铸件以及汽轮机转子的焊接中都得到了广泛应用。目前，已能提供与各种耐热钢 匹配的焊丝和焊剂。其中包括用于特种厚壁容器且要求抗回火脆性的高纯度焊丝及烧 结焊剂。 （2） 焊条电弧焊 焊条电弧焊由于具有机动、灵活，能做全位置焊的特点，在低合金耐热钢结构的 焊接中应用广泛。各种低合金耐热钢焊条已纳入国家标准。焊条的品种，规格和质量， 除了个别耐热钢种外，均已能满足工业生产的需要。为确保焊缝金属的韧性，降低裂 纹倾向，低合金耐热钢的焊条电弧焊大都采用低氢型碱性焊条，但对于合金含量较低 的让薄板，为改善工艺适应性，亦可采用高纤维素或高氧化钛酸性焊条。对低合金耐 热钢而言，焊条电弧焊的缺点是创造低氢焊条条件较困难，焊接工艺较复杂，且效率 低，焊条利用率不高，势必逐渐被低氢，高效的焊接方法，如熔化极保护焊所取代。 （3） 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊具有低氢，工艺适应性强，易于实现单面焊双面成行的特点，多半用 于低合金耐热钢管道的封底层焊或小直径薄壁管的焊接。这种方法的另一个优点是可 采用抗回火脆性能力较强的低硅焊丝，提高焊缝金属的纯度，这对于要求高韧性地让 焊接结构具有重要的意义。钨极氩弧焊的固有缺点是效率低，曾一度限制其适用范围。 最近已开发成功热丝钨极氩弧焊并经受多年生产实践考验，其溶敷效率接近相同直径 焊丝的熔化极气体保护焊。 （4） 熔化极气体保护焊 熔化极气体保护焊是一种高效，优质，低成本焊接方法。目前已能提供品种、规 格齐全，质量符合标准要求的低合金耐热钢实心焊丝。熔化极气体保护焊还具有较高 的工艺适应性，可采用直径 0.8mm、1.0mm 的细焊丝实现低电流短路过渡焊接，已完 成薄板接头和根部焊道。 也可采用 1.2mm 以上的粗丝实现高熔敷效率的喷射过渡焊接，12中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）已完成厚壁接头焊接，其应用范围正在不断扩大。 （5） 电渣焊 电渣焊是一种焊接效率相当高的焊接方法。可采用单丝，多丝，熔嘴和板极，一 次行程完成可达 40mm 以上的厚壁部件。最大焊接厚度可达 100mm 左右，已在低合金 耐热钢厚壁容器的生产中得到稳定的应用。这种方法的另一优点是电渣过程中产生的 大量热能对焊接溶池上面的母材起到了良好的预热作用，因此特别适用于空淬性较高 的低合金耐热钢。另外，电渣焊过程的热循环曲线比较平缓，焊接区的冷却速度相当 缓慢，对焊缝金属中的扩散氢的逸出十分有利。即使是大厚度的耐热钢接头，电渣焊 后无需立即作后热处理，大大简化了焊接工艺。 电渣焊的缺点是焊缝金属和高温热影响区的初次晶粒十分粗大。对于一些重要的 焊接结构，焊后必须作正火处理或双相热处理，以细化晶粒，提高接头的缺口冲击韧 性。 焊条电弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊、电阻焊等 方法均可用于珠光体耐热钢的焊接。但是，常用的焊接方法是焊条电弧焊。埋弧焊和 电渣焊也经常应用，气体保护焊和窄间隙焊也正在扩大应用[9]。 通过以上分析以及考虑我们试验室的条件和个人实际操作的能力，我们选用焊条 电弧焊。2.2 焊接材料珠光体耐热钢一般是在热处理状态下焊接，焊后大多数要进行高温回火处理。为 了保证焊缝金属性能与母材匹配，焊缝应具有一定的合金元素，力求成分与母材相近， 保证焊缝的热强性。为了防止焊缝有较大的热烈倾向，焊缝中碳的质量分数要求比母 材低一些（一般不希望低于 0.07%） 。实践中，若焊接材料选择合适，焊缝的性能是可 以和母材匹配的。 珠光体耐热钢焊接材料的选择原则是：焊缝金属的合金及使用温度下的强度性能 应与母材相应的指标一致，或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。焊件如焊后 需经退火、正火或热成形等热处理或加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材 料[6]。 本课题选用 15CrMo 钢，选用焊条为 E5515-B2（R307） 。此焊条熔敷金属成分见 表 2.1，熔敷金属力学性能见表 2.2。13中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）表 2.1 焊条 E5515-B2 的成分 型号 C E5515-B2 ≤0.12 熔敷金属化学成分（质量分数）% Mn 0.50～0.90 Si ≤0.50 Mo 0.4～0.70 Cr 0.8～1.50 低氢钾 直流反接 药皮类型 电源种类表 2.2 焊条 E5515-B2 的力学性能[10] 试验项目 保证值 一般值 Rm(MPa) ≥540 580～650 ReL(MPa) ≥440 ≥450δ 5 /%≥17 20～25AKV(J) 常温≥47 常温 85～1452.3 焊前准备（1） 焊前清理 为保证焊缝中各种缺陷，焊接前应将焊件上的油污、铁锈和水分清除干净，否则 会对接头金属性能产生一定的影响。 （2） 焊材的烘干与保存考虑到焊条中水分对于焊缝氢致裂纹形成的影响，必须制定严格的焊条烘干与保 存制度。E5515-B2 的相关制度列表如下：表 2.3 E5515-B2 的烘干与保存 焊条牌号 R307 烘干温度/℃ 350～400 烘干时间/h 1～2 保存温度/℃ 127～150（3）预热和焊后热处理预热是防止珠光体耐热钢焊接冷裂纹的有效措施之一。预热温度主要依据钢的合 金成分、接头的拘束度和焊缝金属的潜在氢含量。一般认为母材碳当量大于 0.45%、最 高硬度大于 350HV 时，应考虑预热焊接。预热和层间温度已趋于规范化，一般情况下， 珠光体耐热钢的预热温度和层间温度应控制在 150～350℃。由于焊接试验的试件尺寸 小，加上 15CrMo 钢又有很好的导热性，所以预热温度制订为 50℃、150℃、250℃等。 后热去氢处理也是防止冷裂纹的重要措施之一，氢在珠光体中的扩散速度较慢，14中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）一般焊后加热到≥250℃， 保温一定时间， 可以促使氢加速逸出， 降低冷裂纹的敏感性。 焊后热处理的目的不仅消除焊接残余应力，而且更重要的是改善组织提高接头的 综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬 度等。15CrMo 钢的焊后热处理温度为 670～700℃。由于焊接试验的试件尺寸小，所 以未进行焊后热处理组织观察[11]。2.4 焊接工艺规范及试板焊接2.4.1 焊接工艺参数 焊接工艺参数是保证焊接质量的关键。 焊接电流过大线能量也大， 容易使试板烧穿， 导致粗晶区晶粒过大，焊接电流过小，粗晶区会产生脆硬组织等。电流大小主要根据 焊条直径、板厚和焊接位置选择[12]，焊接工艺参数见表 2.4。表 2.4 焊接工艺参数[13] 名称 参数 焊条直径/mm 3.2 焊接电流/A 90～125 电弧电压/V 21～24 焊接速度 mm/min 1202.4.2 焊接注意事项 焊接中焊条做横向摆动，焊缝宽度控制在 10～12/mm 范围，太宽太窄都与实际焊 接有较大的差别。焊接时，在试板上画好直线，防止焊偏。不得随意起弧。填满弧坑， 焊接中不得出现各种缺陷。 2.4.3 焊接试验内容 ① 试验一 15CrMo 钢不同电流的表面堆焊试验设定两组电流，分别为 90A 和 110A，其余参数相同（焊速 140mm/min，不预热， 单层焊） 。按此工艺参数进行表面堆焊试验。 ② 试验二 15CrMo 钢不同预热温度的表面堆焊试验设定三组预热温度， 分别为 50℃、 150℃和 250℃， 其余参数相同 （焊速 140mm/min， 电流 110A，单层焊） 。按此工艺参数进行表面堆焊试验。 ③ 试验三 15CrMo 钢不同焊接层数的表面堆焊试验设定单层焊和三层焊，其他参数相同（焊速 140mm/min，电流 110A，无预热）2.5 试验设备及材料2.5.1 试验设备15中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）按照设定好的工艺参数进行焊接，以及后面要进行的金相试样制备、分析和显微 硬度测试所需要的设备可列如下： （1） 加热炉SX2-5-12 型箱式电阻炉； （2） 金相显微镜尼康 300U； （3） 硬度机HV-1000； （4） 抛光机型号 P-2 金相试样抛光机； （5） 砂轮机直径为 250mm 落地砂轮机； （6） 电焊机ZX5-400； （7） 其它八个粒度的砂纸、钢锯、榔头等。 2.5.2 试验材料和尺寸 （1） 试验材料 15CrMo 钢； （2） 试验材料尺寸 试验材料尺寸为 100×90×10/mm，若干件； （3） 焊条型号与直径 ，直径 3.2mm； E5515-B2（热 307） （4） 抛光粉 粉末状 Al2O3 抛光粉。16中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）第三章 试样制备及金相、硬度分析3.1 金相试样制备（1） 切割试样 为防止因切割试样使热影响区组织和硬度发生变化，不能准确反映原始数据，切割 采用机械切割。 （2） 粗磨为了便于精磨，首先将机械切割下的试样用砂轮机在观察一面进行找平。为了保 证在粗磨、精磨和抛光中不损坏砂纸和绒布，将试样各个角都磨出 1.5×1.5 的倒角， 并在试样四个角处磨出圆弧。 （3） 细磨 将粗磨后的面放在砂纸上进行单相磨制，待试样表面划痕方向一致后转换打磨方 向，磨制中，受力和磨制速度要均匀，一定要使试样观察面保持与砂纸面平行，力量 不能过大也不能过小。力量过大容易使砂纸过早破损，过小则磨制时间增加。砂纸型 号从 100～1200 目，由粗到细进行磨光，一直到试样表面用肉眼观察不到磨制的痕迹 为止。 （4） 抛光 抛光布应选择表面有绒、平整，并具有一定紧实程度的呢子布。如果选用绒层过 厚表面又软的幕布， 就会将试样抛圆。 抛光前首先将绒布用剪子剪成大于抛光盘 40mm 左右的圆形样，并用清水洗净和湿透绒布，放置在抛光盘上用紧固圈将绒布固定。打 开抛光机，将混制好的 Al2O3 抛光溶液倒入圆盘中间，将试样观察面轻轻放在绒布上， 从圆盘周边开始，慢慢向中间推进，反复多次，直到表面无划痕，光亮如镜。 （5） 浸蚀 将抛光后的试样用药棉在清水中冲洗干净，然后滴数滴硝酸酒精再磨好的一面上， 静置片刻，再用药棉在水中擦洗，然后滴数滴酒精，最后用吹风机吹干磨面。3.2金相组织观察将浸蚀好的试样放在金相显微镜下，先用低倍镜找到要观察的区域，再换用高倍镜观察。若组织不清晰或存在划痕，则要重新抛光磨制，然后浸蚀、观察。 三个试验主要金相图片列如下：17中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）图 3.1 试验一 室温组织（母材）图 3.2 试验一 90A 电流图 3.3 试验二 110A 电流图 3.4 试验二 50℃预热图 3.5 试验二 150℃预热图 3.6 试验三 250℃预热18中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）图 3.7 试验三单层焊母材图 3.8 试验三 单层焊熔合线图 3.9 试验三 三层焊心部3.3 显微硬度测试3.3.1 显微硬度测试步骤 ① ② ③ 打开电源开关，指示灯及光源灯亮。 转动物镜、压头转换手柄，使 40×物镜处于主体前方位置。 将标准试块或试样安放在试台上，转动旋轮使试台上升。眼睛接近测微目镜观察。当试样或试块离物镜下端 2～3mm 时，在目镜的视场中心出现明亮光斑，说明 聚焦面即将来到，此时应缓慢微量上升，直至在目镜中观察到试块或试样表面的清晰 成像。这时聚焦过程完成。 ④ 如果在目镜中观察到的成像成模糊状或一半清晰一半模糊，则说明光源中心偏离系统光路中心，需调节灯泡的中心位置。如果视场太暗或太亮可通过操作面板上 的软键调节光源强弱。 ⑤ 如果想观察试块或试样上的较大视场范围，可将物镜压头转换手柄逆时针转19中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）至主体前方，此时，光学系统总放大倍率为 100×，处于观察状态。 ⑥ 将转换手柄逆时针转动使压头主轴处于主体前方，此时压头顶尖与聚焦好的平面之间间隙约为 0.4～0.5mm。当测量不规则的试样时，要小心，防止压头碰及试样， 损坏压头。 ⑦ 转动实验力变换手轮，使实验力符合选择要求。旋转实验力变换手轮时，应小心缓慢地进行，防止过快产生冲击。 ⑧ 根据实验要求在操作面板上键入实验力延时保荷时间， （每键入一次为五秒，“+”为加， “—”为减。 ） ⑨ ⑩ 按下操作面板上的“启动”键，此时加实验力，LED 指示灯亮。 实验力施加完毕，延时 LED 亮，数码管显示逆计数时间到，实验力开始卸除，卸实验力 LED 亮。在 LED 未灭前不准转动物镜压头转换手柄，否则会造成仪器损坏。 当卸荷实验力指示灯 LED 灭， 显示屏出现设定的时间时方可将转换手柄顺时针转 动，使 40×物镜处于主体前方。这时就可在测微目镜中测量对角线长度，根据测量长度 查表得到显微维氏或努氏硬度值[9][10]。 3.3.2 测试数据 按照上述方法，有关试验一的试样硬度测试后结果可列表如下：表 3.1 试验一焊接试样硬度表 焊缝 试验一 90A 试验一 110A 274 258 热影响区 247 242 细晶区 255 278 球化区 218 268 基体 158 206表 3.2 试验二、三焊接试样硬度表 母材 试验二 50℃预热 试验二 150℃预热 试验二 250℃预热 试验三 单层焊 试验三 多层焊 228 195 182 204 215 热影响区 320 264 248 268 292 焊缝 321 230 211 251 285按照所测的硬度值可画出对应的焊接接头硬度曲线，如下：20中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）300 250 200 HV 150 100 50 0 焊缝 热影响区 母材90A350 300 250 200 HV 150 100 50 0 焊缝 热影响区 母材50℃ 预热 150℃ 预热110A图 3.10 不同电流焊接显微硬度曲线图350 300 250 200 HV 150 100 50 0图 3.11 不同预热温度显微硬度曲线图单 层 焊 三 层 焊焊缝 热影响区 母材图 3.12 单层焊、多层焊显微硬度曲线图3.4 金相、硬度分析（1） 不同焊接电流对 HAZ 组织和性能的影响分析 在实际生产中， w(c ) &0.6%的亚共析钢和 w(c ) &1.2%的过共析钢在铸造、热轧、锻 造后的空冷，焊缝或热影响区空冷，或者当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共 析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体境界沿奥氏体一定晶面往晶内生长，呈针片状析出。 在金相显微镜下可以观察到从奥氏体晶界生长出来的近于平行的或其他规则排列的针 状铁素体或渗碳体以及期间存在的珠光体组织，这种组织称为魏氏组织。前者称为铁 素体魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏组织。 魏氏组织中铁素体是按切变机制形成的，与贝氏体中铁素体形成机制相似，在试 样表面上也会出现浮凸现象。由于铁素体是在较快冷却速度下形成的，因此铁素体只 析出， 并与母相奥氏体存在晶体学位相关系。 能演奥氏体某一特定晶面 （惯习面{111}γ）21中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）这种针状铁素体可以从奥氏体中直接析出，也可以沿奥氏体晶界首先析出网状铁素体， 然后再从网状铁素体平行地想晶内生长。当魏氏组织中的铁素体形成时，铁素体中的 碳扩散到两侧母相奥氏体中，从而使铁素体针之间的奥氏体碳含量不断增加，最终转 变为珠光体。按贝氏体转变机制形成的魏氏组织，其铁素体实际上就是无碳贝氏体。 魏氏组织的形成与钢中含碳量、奥氏体晶粒大小及冷却速度（转变温度）有关。 奥氏体晶粒越细小，越容易形成网状铁素体，而不容易形成魏氏组织。奥氏体晶粒越 粗大，越容易形成魏氏组织，形成魏氏组织的含碳量的范围变宽。 魏氏组织是钢的一种过热缺陷组织。它使钢的力学性能，特别是冲击韧度和塑性 有显著降低，并提高钢的脆性转折温度，因而使钢容易发生脆性断裂。 图 3.2 中奥氏体晶粒周围存在针状铁素体，结合图 3.11 硬度曲线，可判断试样中 粗晶区存在魏氏组织，而当电流增大时，如图 3.3 所示，魏氏组织减少、消失，造成这 种现象的原因是试板导热性好，电流较小时，焊缝冷却速度很快，在不平衡结晶状态 下，铁素体未来得及及时扩散，冷却后呈针状铁素体便残留下来，形成了魏氏组织。 但当电流增大时，焊接接头冷却速度降低，这样便直接降低了魏氏组织的形成倾向。 电流须有一个上限 ，否则，热影响区将出现晶粒长大粗化 ，使接头硬度、强度降低。 在其他条件（焊接速度、预热温度等）不变的情况下，经多组电流焊接试验比较后， 可发现，电流在 110～120A 左右，焊接接头热影响区既无明显魏氏组织，又不会引起 晶粒长大，在强度和硬度上，性能最佳[14][15]。 （2） 不同预热温度对 HAZ 组织和性能的影响分析 液态金属在冷却结晶的过程中，存在各种相变，其实质是原子的扩散、转移以及 晶格的转变。C 原子在钢中为间隙性原子，容易扩散和转移，形成不同碳化物或不同 晶格。钢的淬透性是指奥氏体化后的钢获得马氏体的能力，它反映钢的过冷奥氏体稳 定性，即与钢的临界冷却速度有关。过冷奥氏体越稳定，临界冷却速度越小，钢的淬 透性越好。钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下（低于 Ms 点）发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。马氏体转变具有无扩散性、切变共格性， 并且具有特定的惯习面和位相关系。钢中马氏体有两种基本形态：一种是板条马氏体， 另一种是片状马氏体。马氏体转变是强化金属的重要手段之一。 15CrMo 钢试板中 C 含量为 0.14%，含量较低，但能提高强度；含有的合金元素 Cr、Mo，能阻碍相变时碳化物的形核长大，从而有效推迟珠光体转变，增加奥氏体的 稳定性，提高钢的淬透性[16][17]。22中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）预热可直接影响到焊接试验后焊缝的冷却速度，从而直接影响到钢的淬透性。预 热温度越高，焊缝金属冷却速度越低，越达不到形成奥氏体的临界冷却速度，最终形 成的脆硬组织马氏体含量越低。比较试验二不同的预热温度的金相照片如图 3.4、3.5 和图 3.6，可以发现随着预热温度的提高，马氏体含量越来越低，直至消失。但预热温 度不宜过高。预热温度的确定主要是依据钢的合金成分、接头的拘束度和焊缝金属的 氢含量。从硬度曲线上看，如图 3.11，预热温度越高，接头热影响区硬度越低，这正 是因为马氏体含量降低所致。 （3） 不同焊接层数对 HAZ 组织和性能的影响分析 单层焊时，焊缝冷却速度较大，金属在不平衡状态下结晶，C 原子扩散不充分， 容易造成晶格畸变。多层焊接时，后一道焊缝对前一道有退火作用，可降低前道焊缝 的冷却速度，使液态金属在趋于平衡状态下冷却，发生畸变的晶格随着 C 及碳化物的 充分扩散而得到纠正。同时， “退火”还可以细化晶粒，均匀组织，降低硬度，提高钢 的韧性。 图 3.8 和图 3.9 相比，后者在三层焊接时晶粒更细，组织更均匀，这既是多层焊的 退火作用所致。在硬度曲线上，如图 3.12，多层焊退火使硬度降低[14][15]。3.5 小结比较后可以得出以下结论： ① 大。 ② 较小的 15CrMo 钢板材的预热温度宜控制在 150～250℃左右，既能减少马氏 焊接电流在 110～120A 左右时，接头组织既无魏氏组织，又不会出现晶粒长体组织的产生，又能避免热影响区晶粒粗化。 ③ 电流在 110～120A、预热温度控制在 150～250℃左右时，多层焊时要比单层焊组织、性能更佳。23中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）第四章①结 论经过以上焊接试验、金相观察及硬度测试，可以分析得出以下结论： 15CrMo 钢导热性好，焊接电流宜控制在 110～120A 左右，这样，即可避免魏氏组织，又不会出现晶粒长大。 ② 15CrMo 钢焊接时，容易出现淬硬组织和冷裂纹。为此，预热温度应控制在150～250℃左右。这样，可有效减少马氏体的产生。 ③ 多层焊时，后道焊缝对前道有退火作用，可延长接头冷却时间，减少马氏体的产生，降低冷裂纹形成倾向，提高接头韧性。24中国石油大学胜利学院专科生毕业设计（论文）致 谢本课题的设计研究及论文的撰写是在指导教师李福坤的全力帮助和悉心指导下完 成的，李老师渊博的知识，严谨的治学态度，敏锐的思维，正直的为人将使我受益终 生。在课题研究的过程中，李老师精心指导，不仅授予了我科学研究的方法，更使我 坚定了对科学研究的执着追求。他的做人准则更是值得我们尊敬和学习。李老师不仅 在学业中给予我莫大的教诲，而且在生活中也给予了无私的帮助和关心，在此向李老 师表达我深深的敬意和最衷心的感谢！ 此外，在课题试验及论文整理的过程中，得到我们组所有同学的热情帮助，在此 一并表示感谢！25山东建筑大学毕业论文参考文献[1] 徐 自 立 主 编 ． 高 温 金 属 材 料 的 性 能 、 强 度 设 计 及 工 程 应 用 [M]. 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社,．. 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