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第1页共38页陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）说明书材料工程系焊接技术及自动化专业毕业设计（论文）题目14CrNi4MoV钢焊接热裂纹及防止措施研究学生姓名学号指导教师职称2011年9月25日第2页共38页毕业设计（论文）任务书材料工程系焊接技术及自动化专业学生姓名学号一、毕业设计（论文）题目14CrNi4MoV钢焊接热裂纹及防止措施研究二、毕业设计（论文）时间2011年9月20日至2011年10月1日三、毕业设计（论文）地点：陕西航空职业技术学院四、毕业设计（论文）的内容要求：（1）明确热裂纹的概念，熟悉焊接裂纹的危害及分类。（2）明确14CrNi4MoV钢化学成分、基本性能、应用。（3）分析14CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹及防止措施。（4）分析14CrNi4MoV钢焊缝中热影响区液化裂纹及防止措施。（5）论述消除应力裂纹特征及防止措施。（6）分析焊接件的质量检验方法。指导教师2011年9月25日批准年月日第1页共38页前言毕业设计是大学专科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结和检查。本组毕业设计题目为《14CrNi4MoV钢焊接热裂纹及防止措施研究》。在毕业设计前期，我温习了《焊接结构生产》、《焊接质量管理与检验》、《焊接方法与设备》、《金属材料及热处理》、《熔焊原理及金属材料焊接》等知识，并查阅了《金属学与热处理》、《金属工艺学》等资料。在毕业设计中期，我通过所学的基本理论、专业知识结合指导老师下达的任务书。细心认真地做好这次毕业设计。在毕业设计后期，根据老师对毕业设计的编排要求，进行毕业设计手稿的电子排版整理，并希望得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。毕业设计的两周内里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、工艺设计，整理编排使我加深了对相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在查询资料时是自我学习、向他人学习的重要过程，是对自己三年知识的一次考验。毕业设计要求设计合理符合实际，各种材料的分析方法正确规范。但是由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请老师批评指正。第2页共38页第1章焊接裂纹在焊接应力及其它致脆因素的共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生产生的缝隙，叫做焊接裂纹。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷。1.1焊接热裂纹的概念及分类一、热裂纹的概念焊接热裂纹多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界分布的特征，有时也能在低于固相线的温度下沿着“多边化边界”形成。焊接热裂纹通常产生于焊缝金属内，也可能在焊接熔合线邻近的热影响区组织内(母材金属)。热裂纹（高温裂纹）产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段。温度－—高温下产生，在结晶温度附近；存在部位――焊缝为主，热影响区；特征――宏观看，焊缝热裂纹多沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或断续），裂口均有较明显的氧化色彩，裂口宽度0.05～0.5mm，末端略呈圆形；微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶（或称晶间）断裂性质。二、热裂纹的分类及防止措施按裂纹产生的机理、形态和温度区间不同，焊接热裂纹可分第3页共38页为凝固裂纹，液化裂纹，多边化裂纹和失塑裂纹4种。1、凝固裂纹凝固裂纹又称结晶裂纹，产生在焊缝金属凝固过程后期的脆性温度区间。此时焊缝金属结晶接近完成，但晶粒间尚存在着很薄的液相层，塑性很低。当由冷却不均匀收缩而产生的拉伸变形超过临界值时，即沿晶界液相层开裂。这种裂纹大多起源于树枝状晶的最终汇合处，沿晶间扩展，严重时裂纹一直扩展到焊缝表面，因而凝固裂纹断口上可发现明显的氧化色。凝固裂纹常出现在含硫、磷(有时含硅，碳)较多的碳钢焊缝中和单相奥氏体不锈钢、耐热钢、镍基合金及铝合金焊缝中。防止凝固裂纹发生的冶金措施有:调整成分，细化晶粒，严格控制会形成低熔点共晶的杂质元素含量，以提高金属材料在脆性温度区间的塑性，缩小脆性温度区间，并从焊接构件设计和焊接工艺上设法尽量减少在脆性温度区间的拉伸应变。液化裂纹在邻近焊接熔池的母材区或多层焊的前一焊道上，因受焊接热影响而发生晶界液化，并在拉伸应变下形成裂纹。2、液化裂纹造成液化裂纹的原因是:(l)金属材料的晶粒边界聚集较多的低熔点物质。(2)由于快速加热使某些金属化合物分解而来不及扩散，局部晶界产生某些合金元素的富集而达到共晶成分，使局部组织的熔点下降，在焊接热影响下促使局部晶界液化。防止液化裂纹产生的措施有:严格控制母材的杂质含量;合理选用焊接第4页共38页材料;制定合理的焊接工艺规范，尽量减少焊接热作用。多边化裂纹在焊缝金属凝固结晶不平衡的条件下，在低于固相线温度的高温区域，沿多边形化边界形成的热裂纹。它与一次结晶的晶界无明显关系，较多产生于单相奥氏体金属中。3、多边化裂纹多边化裂纹形成的原因是:由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使奥氏体结晶中形成大量空位和位错，在一定温度和应力作用下排列成亚晶界—多边形化晶界，当此晶界与有害杂质富集区重合时，往往会在拉应力作用下形成多边化裂纹。防止多边化裂纹的措施有:加入可提高多边化激活能的合金元素，如在镍一铬基单相奥氏体金属中加入适量的钨、铝或担等元素，使多边形化晶界来不及形成，可以有效地避免产生多边化裂纹;同时还应减少焊接过热和焊接应力。4、失塑裂纹失塑裂纹又称高温低塑性裂纹。在焊接热影响区或多层焊的前一焊道上，因焊接热循环的作用致使塑性陡降，在拉伸应力下沿二次结晶晶界形成的热裂纹。其裂纹敏感温度区域略低于再结晶温度。多数发生在奥氏体钢和合金及少数高强度钢的焊接接头中。其裂纹产生条件有些类同于多边化裂纹，但其裂纹形成机制和裂纹形态却各不相同。防止此种裂纹的有效措施是:精炼母材，减少有害杂质。第二章14CrNi4MoV钢化学成分、基本性能、应用第5页共38页一、化学成分牌号：14CrNi4MoV中碳调质钢碳C：0.1%～0.2%锰Mn：0.3%～0.6%硅Si：0.07%～0.17%镍Ni:0.80%～1.10%铬Cr:0.8%～1.1%磷P≤0.014%硫S≤0.014%钒V：0.14%～0.24%钼Mo：0.40%～0.65%二、基本性能（1）14CrNi4MoV物理性质：以Cr为主加元素，合金系统简单。WCr≈1℅，钢的塑性、韧性略有提高；WCr﹤1.5℅时可有效地提高淬透性。Cr能提高回火稳定性，但Cr钢有回火脆性。钢中加入Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化能力，对改善钢的韧性也有好处，使钢具有强度高、韧性好、淬透性大等好的综合性能。若钢中再加入V可细化晶粒，提高强度、塑性、韧性及回火稳定性。（2）14CrNi4MoV力学性能：公称壁厚≤300mm热处理状态:正火，正火+回火回火温度℃≥600拉伸试验σb:540～685MPa:σs≥375MPa:δ5≥20%第6页共38页冲击试验:试验温度0℃;Akv,J≥31硬度试验HB：121～178三、14CrNi4MoV应用举例14CrNi4MoV钢主要用于制造高负载、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷漆涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等第3章14CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹及防止措施3.114CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹产生的原因焊缝金属在结晶后期出现开裂，原因来自于两方面：焊缝金属在结晶后期抗裂能力下降和拉伸应力的形成。一、结晶裂纹的形成机理及影响因素1）结晶裂纹的形成机理焊缝金属在凝固过程中，最后凝固的存在于固相晶体间的低熔点液态金属已成薄膜，碳钢和低合金高强钢中的硫、磷、硅、镍都能形成低熔点共晶，在结晶过程中形成液态薄膜。由于液态薄膜强度低而使应变集中，但同时其变形能力很差，塑性很低，在拉应力作用下而开裂。2）影响结晶裂纹生成的因素影响结晶裂纹的因素可归纳为冶金和工艺因素两方面。在冶金方面，一般情况下，各种合金元素及杂质增大了脆性温度区，而尤其是形成低熔点薄膜的杂质是影响裂纹产生的最重要的因素。工艺因素主要是影响有害杂质偏析的情况及应变增长率的大小，因此对结晶裂纹第7页共38页的产生也有很大的影响。（1）焊缝金属在结晶过程中塑性的变化如图1为和焊缝金属的伸长率§与温度T的关系曲线。曲线表明，在结晶后期固相温度TS附近，存在了一个脆性很低的温度范围TB，叫做脆性温度区间。脆性温度区间形成的原因可从焊缝凝固过程进行分析。整个凝固过程可划分为如下三个阶段：液-固阶段温度低于液相温度TL，固相开始析出并渐渐增多的阶段。固-液阶段温度下降略高于Ts，此时固相随晶粒增加与长大而相互接触并联为整体，液体被故固相隔开流动困难，少量剩余的液体（主要是低熔点组分）形成所为“液态薄膜”。完全凝固阶段整个熔池完全凝固而形成整体的焊缝。TTL§=f(T)TBTSO§图1高温时金属材料脆性的变化（2）14CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹的力作用脆性温度区间的存在是是产生结晶裂纹的主要根源，而力的作用使产生了结晶裂纹的必要条件。结晶裂纹产生于焊缝凝固后期，此时结构并未承受外载荷作用，可见导致开裂的拉伸变形不是由于外力作第8页共38页用，而是由焊缝冷却过程中的内应力产生的。焊接的局部加热是产生焊接应力的根本原因。（3）14CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹形成的条件结晶裂纹产生是由于在焊缝凝固后期存在了液态薄膜，并受到拉应力作用的结果，但液态薄膜与拉应力同时存在时，开裂与否取决于焊缝金属的变形能力§min与其产生的实际应变∈之间的关系。当∈＜§min是不会开裂；∈=§min时处于临界状态；∈＞§min是才会产生裂纹。图2中曲线1、2、3分别表示上述三种情况。所以结晶裂纹形成的条件用数学式表达应为∈＞§minTTL1§32TBTSO§min§、∈图2焊接时产生结晶裂纹的条件TL—液相线温度TS—固相线温度第9页共38页TTB1TB2TB3∈§1§2§3裂不裂O§、∈图3脆性温度区宽度对结晶裂纹的影响（∈线的右上方向为裂纹区，左下方为不裂纹区）由上述条件可以推断出，焊接金属在脆性温度区间实际拉伸应变∈随温度变化的增长率越大，裂纹倾向越大；而焊缝金属本身的变形能力§min越小，裂纹倾向也越大。此外，TB的宽度越宽，特别是其下限的温度越低，裂纹倾向越大。其间关系如图（3）所示。因此，在实际生产中判断结晶裂纹倾向时，必须综合考虑脆性温度区TB的宽度，焊缝金属在TB间的塑性§及在TB间应变∈的增长率三个因素的影响。第二节14CrNi4MoV钢焊缝中结晶裂纹防止措施防止结晶裂纹主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金措施更为重要。第10页共38页1、防止结晶裂纹的冶金措施①控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。硫、磷、碳等元素主要来源于母材与焊接材料，因此首先杜绝其来源。具体的措施：第一，对焊接结构用钢的化学成分在国家或行业标准中多做了严格的规定；第二，为了保证焊缝中有害元素低于母材，对焊丝用钢、焊条药皮、焊剂原材料中的碳、硫、磷含量也做了更严格的规定。②对熔池进行变质处理。通过变质处理细化晶粒，不仅可以提高焊缝金属的力学性能，还可以提高抗结晶裂纹能力。③调整熔渣的碱度。实验证明，焊接熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧越完全，其中杂质越少，从而不易形成低熔点化合物，可以显著降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。因此，在焊接较重要的产品时，应选用碱性焊条或焊剂。2、防止结晶裂纹的工艺措施在产品一定的条件下，工艺措施不仅能调节冷却速度而影响变形率，而且通过熔合比及焊缝形成系数的变化也能影响焊缝的化学成分和偏析情况。防止结晶裂纹的工艺措施如下：①调整焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。为了调整成形系数，必须合理选用焊接参数。一般情况下，成形系数随电弧电压升高而增加，随焊接电流的增加而减小。当先能量不变时，则焊接速度大，裂纹倾向越大。②调整冷却速度。冷速越高，变形增长率越大，结晶裂纹倾向越大。降低冷却速度可通过焊接参数或预热来实现。用加线能量来降低冷却第11页共38页速度的效果