40Cr金属焊接性说明书

沈阳工学院金属材料焊接性课程设计说明书

摘 要

40Cr是我国GB的标准钢号，40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度HB174～229时，相对切削加工性为60%。该钢适于制作中型塑料模具。

本次课程设计的主要内容包括：中碳调质钢的概述、40Cr化学成分及力学性能、40Cr碳当量的计算、40Cr焊接性的具体分析等。编写设计的说明书讲述了所研究的、参数及热处理；本次课程设计我所设计40Cr焊接性分析。根据40Cr材料的化学成分及力学性能分析，计算出碳当量值为0.64%，并通过碳当量值分析出焊接性是否良好。经过中碳调质钢40Cr的化学成分、力学性能和碳当量值分析了结晶裂纹、冷裂纹和热影响区的性能、焊接工艺特点等并作出了相应的解决措施。解决了40Cr焊接时，出现的常见问题。

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目 录

第1章 绪论......................................................... 1

1.1 中碳调质钢简介 .............................................. 1 1.2材料介绍..................................................... 2

1.2.1材料的成分 ............................................. 2 1.2.2材料的性能 ............................................. 3

第2章 碳当量....................................................... 4

2.1碳当量的介绍................................................. 4 2.2 碳当量的计算 ............................................... 4 第3章 金属材料40Cr焊接性分析...................................... 7

3.1 金属材料焊接性简介 .......................................... 7 3.2 40Cr焊接性分析.............................................. 7

3.2.1 焊接中产生的问题及解决方案............................. 7 3.2.2中碳调质钢40Cr的焊接工艺特点 .......................... 9

参考文献........................................................... 13

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第1章 绪论

1.1 中碳调质钢简介

中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火+回火）可获得较高的强度性能。中碳调质钢合金元素的加人主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。但随着碳含童的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。

中碳调质钢的屈服强度达880-1176MPa以上。钢中的含碳量较高，并加人合金元素〔如MN、Si、Cr、V、B及Mo、W、V、Ti等），以保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。中碳调质钢的主要特点是高的比蹋度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲锅等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。

中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：

（1）40Cr 是一种广泛应用的含Cr中碳调质钢，钢中加人Cr＜1.5%时能有效地提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但有回火脆性。40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件。如用于制造齿轮和轴类等。

（2）35CrMoA和35CrMoVA 属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。加人少量Mn可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。

（3） 30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA 属于Cr-Mn-Si系统，以及在该基础上发展起来的含Ni钢。30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，不含Ni元素。这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下

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的组织为回火索氏体。Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300-450℃出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法，否则韧性会显著降低。

这类钢除了在调质状态下应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200-250℃的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体组织。当工件厚度小于25mm时，可采用等温淬火。得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、韧性得到良好的配合。这种钢在飞机制造中用得较为普遍。30CrMnSiNi2A钢是在Cr-Mn-Si系基础上发展起来的。其特点主要是增加Ni。大大提高了钢的淬透性。与30CrMnSiA相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具有较大的冷裂倾向。40CrMnSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加人了淬透性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构样。

（4）40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加人了质量分数为3%的Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。

1.2材料介绍

1.2.1材料的成分

此次所研究的材料为40Cr，材料的成分如下表1.1《 40Cr的化学成分》：

表1.1 40Cr的化学成分质量分数（%） 钢号 C 0.35 40Cr ~ 0.44 Si 0.17 ~ 0.37 Mn 0.50 ~ 0.80 Cr 0.80 ≦ ~ 0.035 1.10 0.035 0.035 0.030 ≦ ≦ ≦ Ni P S Cu

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1.2.2材料的性能

此次所涉及的材料为40Cr，材料的力学性能如下表1.2《40Cr的力学性能》：

表1.2 40Cr的力学性能 钢种 热处理 ?s/MPa?b/MPa ?(%) ?(%) Akv/J HBW 850℃油淬 40Cr 520℃回火（水或油） ≧785 ≧980 ≧9 ≧45 ≧47 ≧207

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第2章 40Cr的碳当量分析计算

2.1碳当量的介绍

碳当量的定义：将钢铁中各种合金元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算的的碳量称为“碳当量”，用C.E.标识。

碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。合金钢(主要是低合金钢)除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。有许多碳当量指标，如拉伸强度碳当量、屈服强度碳当量、焊接碳当量，还有裂纹敏感性指标(实质上也是碳当量)。每一种元素的碳当量以1/X表示，X一般为正整数，由统计数据决定。若干元素的碳当量计算之和即各个1/X值之和。同一元素在不同的碳当量计算法中其X值不同。不同研究者得到的X值也不相同。通信设备降耗有助于降低碳排放。

2.2 碳当量的计算

由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。各种元素中，碳对冷裂纹敏感性的影响最显著。可以把钢中合金元素的含量按相当于若干碳当量折算并叠加起来，作为粗略评定冷裂纹倾向的参数指标。

碳当量的概念来源，及理论应用都与铁碳相图密切相关。将CE与共晶点的碳含量相比，即可判断具体成分铸铁偏离共晶点的方向和程度。即可轻易判断其成分是过共晶、亚共晶还是共晶点。如图2.1所示 [2]。

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图2.1铁碳相图

由于世界各地各国研究单位采用的试验方法和钢材的合金体系不同，各自建立了有一定范围的碳当量计算公式，如表2.1所示[1]。

表2.1常用合金结构钢碳当量公式

序号 碳当量公式 MnCr?Mo?VCu?Ni??(%)6515适用钢种 强度级别（?b=500-900MPa）的非调质低合金高强钢 强度级别： （?b=500-1000MPa) 国际焊接学会（IIW）推荐： 含碳量较高（WC≧0.18% ）、1 CE?C? 日本JIS标准规定：2 Ceq?C? MnSiNiCrMoV?????(%)624405414美国焊接学会（AWS）推荐： 3 Ceq?C?MnSiNiCrMoCuP?????(?)(%)6244054132碳钢和低合金高强钢 碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作用不及碳强烈。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。

由于所研究的材料为40Cr，?b≧980Mpa ，采用日本JIS标准规定的碳当量计算公式：

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Ceq?C?MnSiNiCrMoV?????(%)...............................(公式1.1[1]) 624405414 材料40Cr化学成分为，C=0.40、 Si=0.17 、Mn=0.5 、Cr=1.0,Ni=0.035 0.50.170.0350.800Ceq??0.4???????0.64%（最小值） 624405414 钢中碳含量较高且碳当量较大。当碳当量大于0.145%时,则热影响区淬硬倾向性增大,使焊接接头的熔合性能降低,且易产生冷裂纹。故焊接时需采用相应的工艺措施。但该类工件结构对称,刚体拘束度小,则是焊接有利的一面。

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第3章 金属材料40Cr焊接性分析

3.1 金属材料焊接性简介

所谓金属焊接性是金属是否具有合适焊接加工而形成完整的，具有一定使用性能的焊接接头的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头是否在使用条件下可靠运行[1]。材料焊接性的概念有两个方面的含义：一是材料在焊接加工中是否容易形成接头和产生缺陷；二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也就是说，焊接性不仅包括结合能力，而且包括结合后的使用能力。 对焊接工作者来说，充分理解“焊接”和“焊接性”的含义十分重要。“焊接性”是从英文“Weldability”得来的，它的深刻含义把焊接、结构材料本身的性能以及材料的发展结合在一起。从20世纪40年代初从“焊接”中派生出“焊接性”概念以来，“焊接性”的含义一直在不断发展着，人们曾给它下了很多定义，这是由于理解角度的不同、分析目的不同和由于焊接技术本身不断发展而引起。 分析和研究焊接性的目的，在于查明一定材料在制定焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。因此，必须对整体焊接过程中的材料和焊接接头区的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头的使用性能等，进行系统地研究。

3.2 40Cr焊接性分析

3.2.1 焊接中产生的问题及解决方案

1.焊缝中的热裂纹

中碳调质钢40Cr含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固一液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。例如40Cr由于C 、Si含量较高，因此热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中碳的质量分数限制在0.15%以下，最高不超

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过0.25%），严格限制母材及焊丝中的S、P含量，对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总的质量分数限制在0.025%以下。

焊接中碳调质钢40Cr时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含S、P杂质少的焊接材料。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。

2.淬硬性和冷裂纹

中碳调质钢40Cr的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。中碳调质钢40Cr对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。

屈服强度590-980MPa的低、中碳调质钢40Cr的碳当量一般都超过了0.5%，多数超过了0.6%，属于高淬硬倾向的钢。从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显著。二者的焊接性却差别很大。因此，中碳调质钢40Cr的冷裂倾向比低碳调质钢更为严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。低碳马氏体有‘，自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。

焊接中碳调质钢40Cr时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输人，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。

3.热影响区的脆化和软化

（1）热影响区脆化 中碳调质钢40Cr由于碳含最较高，合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度（Ms）低，无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。

为了减少热影响区脆化，从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输人才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输人还难以避免马氏体的形成，柑反却

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