0cr18ni9304奥氏体不锈钢焊接性分析及焊接工艺评定大学论文.docx
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0cr18ni9304奥氏体不锈钢焊接性分析及焊接工艺评定大学论文
兰州工业学院
毕业设计（论文）
题目0Cr18Ni9（304）奥氏体不锈钢焊接性分析及焊接工艺评定
系别材料工程系
专业焊接技术及自动化
班级焊接技术及自动化11-2
姓名何旺
学号201112103213
指导教师（职称）胡春霞讲师
日期2014年3月
兰州工业学院
毕业设计（论文）任务书
材料工程系2014届焊接技术及自动化专业
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目
金属材料焊接工艺评定
课题内容性质
科学研究
课题来源性质
教师收集的结合生产实际的课题
实验
校内（外）指导教师
职称
工作单位及部门
联系方式
胡春霞
讲师
材料工程院
2867483
一、题目说明（目的和意义）：
毕业设计是本专业教学过程的最后一个重要环节，也是培养学生分析问题和解决问题能力的主要方法，通过毕业设计，要求学生全面综合运用所学基本理论，基本技能和生产实践知识；学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充知识，使认识提高到一个新的水平。
通过毕业设计的实践，培养调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择实验方法、实验设备，正确操作、分析，并能以实验分析过程和毕业论文表达设计的思想和结果。
通过毕业设计，不但要提高解决具体问题的独立工作能力，而且应建立正确的设计和科研思想，加强思想性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。
二、设计（论文）要求（工作量、内容）：
1、总要求：
要求每个学生根据给定的毕业设计题目独立完成焊材制备，焊接材料、方法及设备的选择，焊接操作，金相试样的制备、腐蚀、观察与图片收集，焊缝形状、质量、力学性能的测试等实验工作量，根据文献及相关的理论知识对实验结果进行分析总结，并得出结论,根据结论可进行相应的补充实验，完成毕业设计论文一份，毕业设计完成后进行答辩。
2、给定的条件和要求：
实验设备类型、种类齐全；实验药品齐全；查阅文献，明确毕业设计的意义及目的；严格按照标准及操作规程进行实验。
3、确定总体方案：
分析国内外金属材料焊接的发展和趋势，了解毕业设计任务书给定的条件和用途，可到工厂进行调研、了解焊接结构制造的经验，进行毕业设计可行性分析和论证，最后确定总体方案，并编制技术路线图。
注：
技术路线图在论文中要以图表形式出现。
4、具体要求：
（1）明确所用金属材料的分类及应用。
（2）明确所用金属材料的化学成分、力学性能、显微组织等。
（3）分析所用金属材料的焊接性。
各种裂纹、脆化及软化产生的可能性，
（4）明确所用金属材料的焊接工艺要点。
1）焊接方法及设备
确定与母材相对应的焊接方法种类及选择依据
根据母材的种类（碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属等）选择相应的焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊、TIG焊等）。
明确所选焊接方法的原理、特点及应用
明确与焊接方法对应的焊接设备的特点、设备组成及作用
根据焊接方法选择相应型号的焊接设备并记录设备型号，并对焊接设备能进行较熟练的操作，对同一种类的焊接设备可采用不同型号进行试焊，对焊缝成形的结果进行比较以确定最佳的焊接设备。
2）焊接参数的选择
明确焊接参数对该材料焊接后形成的焊缝的影响，焊接参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接电流的种类及极性、焊条及焊丝直径、焊丝伸出长度等。
明确焊接参数的选择方法及依据
a.接头的钢材种类与板厚。
b.焊缝的种类（纵缝、环缝）和焊缝的位置（平焊、横焊、立焊）。
c.接头的形式（对接、角接、搭接）和坡口的形式（Y形X形U形坡口等）。
d.焊条或焊丝的种类、型号及直径
e.保护气体（CO2、Ar等）
焊接热输入（选择依据）
预热和焊后热处理（如何选择）
3）焊接材料的选择
阐述焊接材料的选择原则
该题目中对应焊接材料的组成、性质及要求
根据题目中规定母材的种类（碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属等）选择相应的焊接材料（焊条、焊丝、焊剂、保护气体等）。
4）阐述可能出现的缺陷及防止措施
焊接缺陷如气孔、裂纹、咬边、未熔合等
（5）根据选择的焊接工艺参数施焊
1）材料准备：
母材及焊接材料的采购
母材的尺寸确定、坡口设计、画线、下料等（参考国标）
母材的焊前清理、打磨
焊缝位置的选择（尽可能平焊）
焊接材料的处理
焊条要进行烘干等。
2）做好安全防护工作，严格按照操作规程施焊。
3）待焊缝冷却后对焊缝的成形做出相应的评价，并对焊接参数值及对应的结果进行记录。
4）变化焊接参数，继续施焊、记录，直到焊缝形状达到要求为止。
（6）通过实验，将几次的焊接参数进行对比
1）金相试样的制备及观察
待试样完全冷却后选择焊缝的相应位置截取试样，将毛边磨去做好金相试样制备的准备；
熟练掌握金相制备的方法，能够熟练操作金相磨制设备，配置相应的腐蚀液，掌握金相腐蚀的技巧；
熟练操作金相显微镜，能够借助金相显微镜判断金相试样的磨制、腐蚀程度，并能运用金相显微镜
拍摄金相照片，并能进行相应的分析。
2）力学性能测试
能够根据国家标准制定试样尺寸，可对试样进行硬度测量，其中按同一种方法焊接出来的焊缝的试样数量为3个，取平均值。
（7）实验结果分析
根据以上实验过程结果进行判断、分析，能够判断出金相组织的种类、力学性能的好坏，并分析可能的影响因素，得出最佳的焊接参数
（8）编制焊接工艺设计书（焊前）、焊接工艺评定报告（焊后）、加工工艺过程卡（焊后）
要求按正规的焊接工艺设计书、焊接工艺评定报告及加工工艺过程卡的格式进行编制，共3份，装订在毕业设计论文内容的相应位置。
（9）毕业论文一份，外文翻译一篇，幅面大小为A4，全部由计算机打印。
5、撰写毕业设计论文
包括内容：
封面、任务书、摘要、目录、论文正文、总结论、致谢、参考文献、英文翻译（原文+中文翻译）等。
应阐述整个毕业设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。
毕业论文的页数不少于20页（20页内不含英文翻译，幅面大小为A4，全部由计算机打印）。
6、试样的要求：
实验试样要符合相应国家标准。
7、论文撰写格式、装订顺序及要求依毕业设计（论文）规范。
三、进度表
日期
内容
1周
3.5周
1.5周
毕业设计共6周，安排如下：
1、文献查阅及方案论证1周
（1）调查研究、搜集和查阅资料（0.5周）
（2）总体设计方案的拟定和论证（0.5周）
2、实验过程3.5周
（1）实验前期准备（0.5周）
（2）试样制备（0.5周）
（3）实验操作、实验记录（2周）
（6）结果分析并得出结论（0.5周）
3、撰写毕业设计论文1.5周
完成日期
2014.1.17
答辩日期
2013.3.3～2013.3.14
四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：
[1]王宗杰.熔焊方法及设备.北京：
机械工业出版社，2007年11月.
[2]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京：
机械工业出版社，2009年12月.
[3]邓洪军.焊接结构生产.北京：
机械工业出版社，2012年1月.
[4]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京：
机械工业出版社，2009年12月.
[5]刘世荣.金属学与热处理.北京：
机械工业出版社，1997年6月.
[6]丁德全.金属工艺学.北京：
机械工业出版社，2008年4月.
[7]杨应龙.17MnNiVNbRe钢焊接性能研究.压力容器，1997，4.
[8]胡义祥.金相检验实用技术.北京：
机械工业出版社，2012年6月.
[9]机械工业理化检测人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验.北京：
中国计量出版社，2011年3月.
[10]杨立军.材料连接设备及工艺.北京：
机械工业出版社，2009年1月.
[11]宗培言.焊接结构制造技术与装备.北京：
机械工业出版社，2010年1月.
[12]周浩僧.焊接结构生产及装备.北京：
机械工业出版社，2008年8月.
[13]贾安东.焊接结构与生产.北京：
机械工业出版社，2010年1月.
[14]熊腊森.焊接工程基础.北京：
机械工业出版社，2011年7月.
[15]张文钺.焊接冶金学.北京：
机械工业出版社，2008年6月.
[16]李亚江.焊接冶金学——材料焊接性.北京：
机械工业出版社，2010年10月.
[17]方洪渊.焊接结构.北京：
机械工业出版社，2010年9月.
[18]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析.北京：
机械工业出版社，2010年1月.
[19]伍玉娇.金属材料学.北京：
北京大学出版社，2011年8月.
[20]付华，张光磊.材料性能学.北京：
北京大学出版社，2010年9月.
[21]覃耀春.金属学与热处理.北京：
机械工业出版社，2011年6月.
[22]胡义祥.周玉.北京：
机械工业出版社，2011年6月.
指导教师签字
教研室主任签字
主管系领导签字
年月日
年月日
年月日
注：
本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。
摘要
钢是我们现代社会中不可缺少的一种材料，它可以看作一个国家工业化水平的标志。
钢的产量越高就代表这个国家的工业化水平越高。
不锈钢是钢中非常重要的的一种，由于不锈钢具有特殊的使用性能和力学性能，在现代的各行各业中已经被越来越多的使用。
在不锈钢中奥氏体不锈钢又是其中非常重要的一种，在发达国家每年消耗的的钢有70%的是不锈钢，在我国也达到了65%左右。
因此开发和使用好奥氏体不锈钢对我国的工业化来说越来越重要了。
0Cr18Ni9就是奥氏体不锈钢，我做的这个课题就是探讨0Cr18Ni9在低温贮罐制造中的性能。
低温贮罐是用来储存液N液Ar液态的CO2等低温液体的容器，液态介质中的特殊性能就决定了制造材料需要特殊性能，而奥氏体不锈钢0Cr18Ni9就具有这样的性能。
低温贮罐在现代生活、生产中使用已越来越广泛，因此对0Cr18Ni9的探讨就显得越来越重要。
在这篇论文中我会着重为大家阐述0Cr18Ni9在低温压力容器制造中的焊接性能、力学性能、使用性能和焊接工艺。
在这篇论文中我会通过一个焊接性试验来探讨0Cr18Ni9在低温压力容器中的各项性能我的这个实验就是规格为8×50×100mm的两块0Cr18Ni9板水平对接焊接方法就是手工电弧焊。
针对这个实验做出完确的焊接工艺评定，并且根据评定要求对试样做相应的无损检验和力学性能的试验，从而来判定0Cr18Ni9的各项性能。
关键词：
焊接性能;力学性能;使用性能;焊接工艺
Abstract
Steelourmodernsocietyisindispensabletoamaterial,itcanbeseenasasignofthelevelofindustrializedcountries.Thehighertheoutputofsteelonbehalfofthiscountrythehigherthelevelofindustrialization.Stainlesssteelisaveryimportantone,becauseoftheuseofstainlesssteelwithspecialperformanceandmechanicalproperties,inallwalksoflifeinthepresenthavebeenincreasinglyused.Austeniticstainlesssteelinthestainlesssteelisaveryimportantone,inthedevelopedworldconsumptionofstainlessannuallyin70%ofthestainlesssteelis,Ihavealsoreachedaboutpercent.Thusthedevelopmentanduseofausteniticstainlesssteelgoodtomeoverthewordsofthetheindustryhasbecomeincreasinglyimportant.
0Cr18Ni9isausteniticstainlesssteel,Idoonthissubjectis0Cr18Ni9inlow-temperaturestorgetankmanufacturerintheperformance.CryogenicstorgetankisusedtostorgeliquidNliquidArofliquidCO2andotherlow-temperatureliquidcontainers,liquidmediumdecisiononthespecialpropertiesofthematerialneedsofaspecialperformanceandausteniticstainlesssteel0Cr18Ni9onwiththisperformance.Cryogenicstorgetankinthepresentlife,hasbeenusedintheproductionofmoreextensive,therefore0Cr18Ni9ofitisbecomingincreasinglyimportant.InthispaperIwillfocusonaswesetoutinthecold0Cr18Ni9pressurevesselmanufactureofweldingperformance,mechanicalproperties,theuseofperformanceandweldingtechnology.
InthispaperIwillpassaweldingtesttoexplore0Cr18Ni9inlow-temperaturepressurevesselintheperformance.Thisismytestspecificationsforthe8×50×100mmtwo0Cr18Ni9pullthebuttweldingmethodisthelevelofmanualarewelding.Forthepilottocompletetheweldingtechnologyassessmentandassessedinaccordancewiththerequirementsofthedesignaccordinglymechanicalpropertiesofnon-destructivetestingandinspection,todetermine0Cr18Ni9theperformance.
Keyword:
Weldingperformance;Mechanicsperformance;WeldingcraftOperationalperformance
目录
1、绪论1
1.1奥氏体不锈钢化学成分1
1.2奥氏体不锈钢的性能3
1.2.1奥氏体不锈钢的物理性能3
1.2.2奥氏体不锈钢的化学性能4
1.2.3奥氏体不锈钢的腐蚀性能5
1.3奥氏体不锈钢的焊接性7
1.3.1焊接热裂纹7
1.3.2焊接接头的晶间腐蚀9
1.3.3应力腐蚀开裂12
1.4奥氏体不锈钢的焊接13
1.4.1奥氏体不锈钢的焊接工艺13
1.4.2焊接顺序14
2、实验过程15
2.1实验材料及工艺设备15
2.2实验方案及检测方法16
2.3金相实验18
2.4金相组织分析23
结论26
致谢27
参考文献28
英文文献29
1、绪论
在金属加工工艺领域中，焊接属于连接方法之一。
焊接工艺虽然发展历史不长，但近年来发展十分迅速。
随着科学技术的进步，为焊接的发展提供了理论基础与物质条件。
随着新焊接能源的开发与应用，新的焊接方法不断涌现，推动了焊接技术的应用范围不断扩大。
而一些高、精、大型产品制造的高要求，又有力的推动了焊接技术的发展。
迄今为止，焊接已发展为一门独立的学科，在能源、交通、建筑，特别是在机器制造部门中，已成为不可缺少的工艺方法，并将发挥越来越大的作用。
在工业生产中，焊接技术越来越普遍的使用，焊接母材有许多种，不锈钢就属于其中的一类。
不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质的、具有高度化学稳定性的合金钢的总称。
不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备。
奥氏体不锈钢的化学成分
不锈钢按其金相组织可分为铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、双相不锈钢（包括奥氏体—铁素体型、奥氏体—马氏体型）和沉淀硬化不锈钢等。
1.1奥氏体不锈钢化学成分
奥氏体不锈钢是指铬含量在wCr12%以上，具有面心立方晶格结构，以奥氏体组织为主的不锈钢。
依合金元素含量的不同，奥氏体不锈钢可以分为Cr-Ni奥氏体不锈钢和Cr-Mn-N奥氏体不锈钢。
Cr-Ni奥氏体不锈钢是应用奥氏体不锈钢的主体。
Cr-Ni奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能、优良的冷加工工艺（当然包括焊接）性能、特别是在多种介质中具有良好的耐腐蚀性、非磁性、良好的高温和低温性能。
因此，Cr-Ni奥氏体不锈钢得到了广泛的应用。
但是，它的强度、硬度较低。
由于Cr-Ni奥氏体不锈钢中Cr、Ni含量的变换及其他合金元素的加入，奥氏体不锈钢的组织和性能都会发生不同程度的变化。
如在奥氏体基体上会产生其他相，如铁素体、马氏体、碳化物、氮化物、碳氮化物、各种金属间化合物等。
这些组织都会使性能发生各种不同程度的变化。
铬当量（Cr
）和镍当量（Ni
）决定不锈钢的组织。
铬当量中的诸元素是促进铁素体形成的元素，钢中铁素体形成元素的提高，就可能会增加铁素体含量；镍当量中的诸元素是促进奥氏体形成的元素，钢中奥氏体形成的提高，就可能会增加奥氏体含量。
奥氏体和铁素体含量的变化，会引起钢的性能的变化。
奥氏体不锈钢具有优良的的高、低温性能，它可以工作与－196℃以下及1000℃以上的温度。
奥氏体不锈钢中各主要元素的作用简述如下：
1.碳的主要作用
碳在高温下，在奥氏体中有较高的溶解度，但是，随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度也降低而处于过饱和状态。
处于过饱和状态的碳，会在适当的条件下（如温度和时间），从奥氏体中析出形成不同的碳化物。
2.铬的主要作用
铬是奥氏体不锈钢中主要的合金元素，但是，它也是形成金属间化合物的主要合金元素。
金属间化合物可以可以是材料变脆。
铬又是较强的促进铁素体形成的元素，在一定条件下（如高温和低温），也能使材料变脆。
3.镍的主要作用
镍也是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，又是较强的促进奥氏体形成的元素，能够促进奥氏体组织的稳定，使不锈钢在高温和低温下都能保有稳定的奥氏体组织，于是，也是其性能得以稳定，使之适宜于高温和低温下工作。
并且使钢具有优良的冷热加工工艺（当然包括焊接）性能还能提高在氯化物中耐应力腐蚀性能，及在还原性酸中的耐腐蚀性能。
Ni能改善钢的塑性、韧性，特别是低温韧性。
因此，在低温用钢中，Ni是不可缺少的合金元素。
4.氮的主要作用
氮是非常强的促进奥氏体形成的元素，它可以取代部分昂贵的Ni。
它能够提高奥氏体不锈钢的强度，但是并不会显著降低其塑性、韧性。
氮还能提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀性能。
5.钼的主要作用
钼也是奥氏体不锈钢中经常添加的合金元素，又是较强的促进铁素体形成的元素。
它能够提高奥氏体不锈钢的耐还原性酸腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀性能。
还能强化奥氏体组织。
6.铌的主要作用
铌的原子半径为0.294nm,比常用的任何一个都大，所以，它有最大的固溶强化作用。
7.铌和钒的共同作用
铌和钒的析出强化可提高其蠕变强度[1]。
1.2奥氏体不锈钢的性能
1.2.1奥氏体不锈钢的物理性能
不锈钢与低碳钢的物理性能有很大差别，一般来讲，具有同类组织状态的钢，其物理性能也基本相同。
不同类别不锈钢和低碳钢的物理性能见表1。
由表可以看出，奥氏体不锈钢的线胀系数比低碳钢大将近50％，而热导率仅为低碳钢的1/3左右；铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的线胀系数与低碳钢相近，而热导率仅为低碳钢的1/2左右。
由于奥氏体不锈钢的特殊物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于两种材料的热导率和线胀系数有很大差别，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。
奥氏体不锈钢通常是非磁性的，当冷加工硬化产生马氏体相变时，将产生磁性，可用热处理来消除马氏体和磁性[2]。
表1不锈钢的物理性能
物理性能
钢种
低碳钢
奥氏体不锈钢
铁素体不锈钢
马氏体不锈钢
密度/㎏·m-3
7.8
7.8~8.0
7.8
7.8
线胀系数（0~538℃）/10-6℃
11.7
17.0~19.2
11.2~12.1
11.2~12.1
热导率（100℃）/W·（m·K）-1
60
18.7~22.8
24.4~26.3
28.7
比热容（0~100℃）/·（㎏·K）-1
480
460~500
460~500
420~460
电阻率/10-8
·m-1
12
69~102
59~67
55~72
熔点/℃
1538
1400~1450
1480~1530
1480~1530
1.2.2奥氏体不锈钢的化学性能
各类不锈钢的力学性能见表2。
由表可以看出，奥氏体不锈钢的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性，同时硬度也不高，这就是奥氏体不锈钢广泛应用的原因之一。
奥氏体不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服点和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小；其具有较高的冷加工硬化性。
马氏体不锈钢在退火状态下硬度最低，可通过淬火硬化；正常使用使回火状态的硬度又稍有下降。
表2典型不锈钢的力学性能
类型
牌号
热处理状态
屈服点
s/Mpa
抗拉强度
b/Mpa
伸长率
（％）
硬度HBW
奥氏体型
0Cr18Ni9
固溶处理
≥205
≥520
≥40
≤187
1Cr19Ni9N
≥275
≥550
≥35
≤217
0Cr25Ni20
≥205
≥520
≥40
≤187
1Cr18Ni12Mo2Ti
≥205
≥530
≥35
≤187
1Cr18Ni9
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