合金元素对焊接性能的影响

合金元素对焊接性能的影响1、碳（C）：对焊接性及焊缝金属组织性能的影响主要表现在提高强度和硬度，但随着强度和硬度的提高，焊缝金属的塑性、韧性下降。2、锰（Mn）：来自生铁与脱氧剂。Mn有很好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，还能与S形成MnS，以消除S的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣而被去除，小部分残留于钢中成为非金属夹杂物。因此，Mn能改善钢的品质，降低钢的脆性，提高钢的热加工性能。Mn除了形成MnO和MnS作为杂质存在于钢中以外，在室温下Mn能溶于铁素体中，对钢有一定的强化作用。3、硅（Si）：来自生铁与脱氧剂。Si脱氧能力比Mn强，是主要的脱氧剂，能消除FeO夹杂对钢的不良影响。Si能与FeO作用而形成SiO2，然后进入炉渣而被排除。Si除了形成SiO2，作为杂质存在于钢中以外，在室温下Si大部分溶于铁素体中，因此Si对钢有强化作用。4、铬（Cr）：是不锈中的主加元素，Cr与氧生成Cr2O3保护膜，防止氧化，但Cr与C能形成Cr23C6，是导致不锈钢晶间腐蚀的主要原因。在低合金钢中Cr含量小于1.6%，提高钢的淬透性，不降低钢的冲击韧度。5、镍（Ni）：在钢中加入镍，可以提高钢的强度和冲击韧度，Ni与Cr配合加入效果更佳。一般增加低合金钢中的Ni含量会提高钢的屈服强度，但钢中Ni含量较高时热裂纹（主要是液化裂纹）倾向明显增加。6、钛（Ti）：与O的亲和力很大，以微小颗粒氧化物的形式弥散分布于焊缝中，可以促进焊缝金属晶粒细化。Ti与C形成的TiC粒子对焊缝起弥散强化作用。Ti与B同时加入对焊缝性能的影响最佳，低合金钢中Ti、B含量的最佳范围Ti=0.01%～0.02%，B=0.002%～0.006%。7、钼（Mo）：低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度，同时也能改善韧性。向焊缝中再加入微量Ti，更能发挥Mo的有益作用，使焊缝金属的组织更加均匀，冲击韧性显著提高。对于Mo-Ti系焊缝金属，当Mo=0.20%～0.35%,Ti=0.03%～0.05%时，可得到均匀的细晶粒铁素体组织，焊缝具有良好的韧性。8、钒（V）、铌（Nb）：适量的V和Nb可以提高焊缝的冲击韧性。V=0.05%～0.1%,Nb=0.03%～0.04%可使焊缝金属具有良好的韧性。但采用V、Nb来韧化焊缝，当焊后不在进行正火处理时，V和Nb的氮化物以微细共格沉淀相存在，焊缝的强度大幅度提高，致使焊缝的韧性下降。合金元素在钢以及在焊缝中主要以固溶体和化合物两种形态存在。有害元素及含量控制杂质对焊缝金属的性能的金属焊接性有十分重要的影响，其中影响较大的有害元素主要有S、P、N、H、O等。1、硫（S）：是由生铁及燃料带入钢中的杂质。S在钢中几乎不能溶解，而与铁形成化合物，在钢中以FeS形式存在，FeS与Fe形成熔点较低的共晶体（熔点为9850C）。当钢在12000C左右进行热加工时，分布于晶界的低熔点共晶体将因熔化而导致开裂，为种现象称为热脆性。为了消除S的有害作用，必须增加钢中的Mn含量。Mn与S可优先形成高熔点的MnS（熔点为16200C），而且MnS呈颗粒分布于晶粒内，比钢材热加工温度高，从而避免了热脆性的发生。2、磷（P）：是由生铁带入钢中的。P比其它元素具有更强的固溶强化能力室温时P在α-Fe中的溶解度大约略小于0.1%。在一般情况下，钢中的P能全部溶于铁素体中，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性则显著降低，尤其是在低温时更为严重，为种现象称为冷脆性。P在结晶过程中有严重的偏析倾向，从而在局部发生冷脆，并使钢材在热轧后出现带状组织，而且P在γ-Fe及α-Fe中的扩散速度很小，很难用热处理方法消除P的偏析。3、氮（N）：是由炉气进入钢中。N在奥氏体中的溶解度较大，而在铁素体中的溶解度很小，且随着温度的下降而减小，在5900C时溶解度为0.1%，室温时则降至0.001%以下，当钢材由高温较快冷却时，过剩的N由于来不及析出便过饱和地溶解在铁素体中。随后在2000C～2500C加热（或者钢材在室温下静置，随着时间的延长），将会发生氮化物Fe4N的析出，使钢的强度、硬度上升，而塑性、韧性大大降低，为种现象称为蓝脆（时效脆性）。在钢液中加入Al、Ti进行脱N处理，使N固定在AlN及TiN中，可以消除钢的时效倾向。4、氢（H）：炼钢炉料和浇注系统带有水分或由于空气潮湿，都会使钢中的H含量增加。H是钢中的有害元素，钢中含H将使钢材变脆，称为氢脆。H还会使钢中出现白点等缺陷，这种现象在合金钢中尤为严重。焊接时H主要来源于焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、母材坡口表面的铁锈、油污等。5、氧（O）：在钢中部分溶入铁素体，另一部分以金属氧化物夹杂形式存在于钢中。O以金属氧化物形式存在于非金属夹杂物中时，对钢的性能有不良的影响。O含量增加会使钢的强度、塑性降低。氧化物夹杂对钢的力学性能（尤其是疲劳强度）有严重的影响，钢中的FeO与其它夹杂物形成低熔点的复合化合物聚集在晶界上时，会造成钢的热脆性。焊缝金属和钢中所含的O几乎全部以氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3等）和硅酸盐夹杂物的形式存在。焊缝含0量一般是指总含O量，它既包括溶解的O，也包括非金属夹杂物中的O。焊接低碳及低合金钢时，尽管母材和焊丝的含O量很低，但是由于金属与气相和熔渣作用的结果，焊缝金属的含O量总是增加的。N、H、O元素对焊缝金属的主要影响是导致脆化、产生气孔和裂纹，降低焊缝金属的塑性和韧性。合金元素在钢中的作用及对焊接性的影响元素溶解度对焊缝性能的影响形成碳化物情况主要作用γ-Feα-Fe生成倾向在回火中作用Mn全部固溶3%C≤0.2%时，Mn=1%-2%对焊接性能影响不大比Fe稍强、比Cr小一般含量作用很小强化改善塑性、脱硫Si约2%（C0.35%时可溶9%）18.5%降低焊接性能石墨化形成固溶体可保持硬度强化抗氧化、脱氧P0.5%2.8%（与含碳量无关）增加裂纹敏感性--------强化低碳钢、抗大气腐蚀Cu8.5%7000C时可溶1%，室温可溶0.2%Cu≤0.5%-0.6%时，对焊接性影响不大石墨化弱的二次硬化抗大气腐蚀、强化Ti0.75%（C0.25%时固溶1%）约6%（低温时减少）降低淬硬倾向、改善焊接性最大稍有二次硬化作用细化晶粒、能固定碳、氮（TiC、TiN）强脱氧、抗腐蚀Al1.1%36%焊接较差，在HAZ出现白带组织石墨化----强脱氧、细化晶粒、强固定氮、抗氧化Mo3%（C0.3%时可溶8%）3705%（低温时减少）恶化焊接性，易产生裂纹很强、比Cr大有二次硬化作用细化晶粒提高耐热性、抗回火脆性提高淬硬性V8.5%（C0.20%时可溶4%）全部固溶增加淬硬性，降低焊接性很强、比Ti、Nb小二次硬化作用最大提高奥氏体晶粒长大温度、淬硬性增加能固溶氮Cr12.8%（C0.5%时可溶20%）全部固溶增加淬硬性，降低焊接性比Mn大、比W小稍可防止软化提高高温强度、抗氧化抗腐蚀Ni全部固溶10%(与含碳量无关)改善焊接性石墨化无（甚微）提高塑性、韧性、改善低温韧性、耐热性、抗腐蚀B11400C可溶0.02%，室温时无溶解度9100C时可溶0.081%，室温时及微量恶化焊接性很强----提高淬透性、强化细化晶粒、脱氧定氮Re--------改善焊接性很强----细化晶粒、脱硫脱氢N全部固溶5900C时可溶0.1%，室温时只溶0.001%降低焊接性----二次硬化作用大、有蓝脆现象强化细化晶粒Nb2.0%1.8%改善焊接性仅次于Ti当Nb/C≥20，二次硬化作用大强化细化晶粒