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焊接技术培训质量部焊接室COSCONANTONGSHIPYARDCO.,LTD.南通中远船务工程有限公司之钢材的基础知识质量部焊接室•钢材的定义•钢材的种类•钢材的分类方法•常用钢材在DNV和AWS中的分类及其评定规则•船用钢材的化学成份和力学性能比较•合金元素在钢材中的作用•我公司使用过的钢材的种类及其焊接性能分析目录钢材的定义其实简单的说，钢材就是含碳量大于0.0218%,小于2.11%的铁碳合金。铁是大自然赏赐给人内的恩物，将开采的铁矿石放入高炉中冶炼后即得到生铁，生铁按不同冶炼工艺和用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。炼钢生铁是一种含碳量2%的铁碳合金，同时也含有少量的硅，锰，硫，磷等元素，其中硅和锰是有利元素，按一定比例存在于钢铁中可以显著提高材料的强度.硬度和耐腐耐磨性，而硫和磷则有害，会分别造成钢铁的热脆性和冷脆性，降低材料性能。把炼钢用生铁放入炼钢炉中按一定比例熔炼，将得到的钢液浇铸成型，冷却后即得到钢锭或铸坯，供轧制成各种型材，为了获得不同性能的钢材，还会在熔炼过程中加入铬.镍.钼.钨.钒等微量元素，而这些化学成分决定了钢材的不同特性。其中“铬”可以增加钢材的耐腐蚀性，通常国际上把含铬量大于13%的钢材称为不锈钢。镍可以增加钢材的强度和韧性，钼可以防止钢材变脆，钨可增加钢材的耐磨损性，钒可增加钢材的抗磨损性和延展性。您知道钢与铁的区别吗？钢材种类很多，按照形态一般可分为型、板、管和丝四大类。•型钢类型钢品种很多，是一种具有一定截面形状和尺寸的实心长条钢材。按其断面形状不同又分简单和复杂断面两种。前者包括圆钢、方钢、扁钢、六角钢和角钢；后者包括钢轨、工字钢、槽钢、窗框钢和异型钢等。直径在6.5-9.0mm的小圆钢称线材。•钢板类是一种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。按厚度不同分薄板（厚度4mm）、中板（厚度4-25mm）和厚板（厚度25mm）三种。钢带包括在钢板类内。•钢管类是一种中空截面的长条钢材。按其截面形状不同可分圆管、方形管、六角形管和各种异形截面钢管。按加工工艺不同又可分无缝钢管和焊接钢管两大类。•钢丝类钢丝是线材的再一次冷加工产品。按形状不同分圆钢丝、扁形钢丝和三角形钢丝等。钢丝除直接使用外，还用于生产钢丝绳、钢纹线和其他制品。钢材的种类钢材的分类方法•钢是含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：1、钢材按品质分类(1)普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）(2)优质钢（P、S均≤0.035%）(3)高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）2、按化学成份分类(1)碳素钢：钢材a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≤0.60%）。(2)合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）；b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。钢材的分类方法（续）3、钢材按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。4、钢材按金相组织分类(1)退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共钢材析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。(2)正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。(3)无相变或部分发生相变的钢材钢材的分类方法（续）(1)建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。(2)钢材结构钢a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。b.弹簧钢c.轴承钢(3)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。(4)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。(5)专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。5、按用途分类钢材的分类方法（续）6、综合分类(1)普通钢a.碳素结构钢：(a)Q195；(b)Q215(A、B)；(c)Q235(A、B、C)；(d)Q255(A、B)；(e)Q275。b.低合金结构钢c.特定用途的普通结构钢(2)优质钢（包括高级优质钢）a.钢材结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。钢材的分类方法（续）7、按冶炼方法分类(1)按炉种分a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或(a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。c.电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。(2)钢材按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。常用钢材在DNV标准中的分类DNV-OS-C401中阐述了这些材料的焊接工艺评定规则常用钢材在AWS标准中的分类•AWS中的常用钢材表列较多。按照表3.1，材料被分成ⅠⅡⅢⅣ共4组，材料的屈服强度级别依次递增。如果一定要与DNV对应的话，大致可以这样比较：Ⅰ－NS，Ⅱ－HS，ⅢⅣ－EHS。表3.1中包括了美国材料与试验协会（ASTM）、美国石油工程协会（API）和美国船检局（ABS）的材料。表4.9（是表3.1的补充）中是ASTM中超高强钢材。在AWS中，材料被基本化分成表3.1，表4.9和表列以外三种情况，而在表4.8中阐述了这些材料的焊接工艺评定规则。术语和定义•ARAsrolledcondition热轧供货状态•CRControlledrolled热控轧供货状态•NNormalised正火供货状态•QTQuenchedandtempered调质供货状态（淬火＋回火）•TMCPThermo-mechanicallycontrolledprocess热机械控轧工艺•NSNormalstrengthsteel普通强度钢•HSHighstrengthsteel高强度钢•EHSExtrahighstrengthsteel超高强度钢•NVDesignationofasteelgradeaccordingtoDNVoffshorestandards表示这种钢的等级符合DNV海工标准NVE36-Z25/35Z25和Z35表示钢板厚度方向的断面收缩率分别为25％和35％，是为应力复杂区域使用而开发的钢板。船用钢材的化学成份和力学性能比较普通船用钢材的化学成份普通船用钢材的力学性能低合金高强钢船用钢材的化学成份改进焊接性能的低合金高强钢船用钢材的化学成份低合金高强钢船用钢材的力学性能低合金超高强钢船用钢材的化学成份低合金超高强钢船用钢材的力学性能合金元素在钢中的作用•碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。我公司使用过的材料的种类及其焊接性能分析•20#,25#,35#,45#,ZG270,ZG20CrMoNi，Q235A(B,C),ASTMA53,ASTMA36,ASTMA106B,API5LGr.B及ABS和DNV中的A、B、D、E级别的船板等，是造船行业中常见的碳素结构钢。•碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合金，碳为合金元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合金元素。杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好。•把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换自成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。1.碳素结构钢1.1利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？•碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：•1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。•2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。•3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。1.2低碳钢的焊接性•由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，对焊接线能量不敏感，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。•但在少数情况下，焊接时也会出现困难：•1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。•2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。•3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235－A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。•4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。1.3低碳钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？•⑴手弧焊焊条的选用常用低碳钢的屈服强度平均值为235MPa，抗拉强度平均值为415MPa以下，根据等强度原则，与之匹配的焊条应为E43系列。在我们公司，经常选用的是E50系，属于高匹配，从规范焊材种类的角度出发，也是可以的。•⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用经常选用的焊丝（匹配的焊剂）为H08A（HJ431或SJ101，我公司选用的牌号为大西洋的CHF431和锦泰的SJ101），H08MnA（HJ431或SJ101），H10M2（SJ101），和H10MnSi（SJ101）⑶CO2焊丝的选用实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种，焊后熔敷金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1,YJ506-2,YJ506-3,YJ506-4。我公司选用的是药芯焊丝，是JQYJ501－1，ATYJ502（Q），也使用过SQJ5011.4中碳钢的焊接性•中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%,如ZG270，ZG340，35＃，45＃钢，当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，在热影响区可