碳含量、碳當(dāng)量和金屬焊接性

01金屬焊接性

1.1 焊接性概念

     金屬焊接性，指對于某一定的金屬材料而言，形成完好無裂紋的焊接接頭的難易程度，并且此焊接接頭適用于某一特定的應(yīng)用，即材料對焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性。

     金屬焊接性包含工藝焊接性和使用焊接性兩方面內(nèi)容，

     工藝焊接性，即金屬材料在一定焊接工藝條件下，形成焊接缺陷的敏感性。決定工藝焊接性能的因素有：工件材料的物理性能，如熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率和膨脹率，工件和焊接材料在焊接時(shí)的化學(xué)性能和冶金作用等。當(dāng)某種材料在焊接過程中經(jīng)歷物理、化學(xué)和冶金作用而形成沒有焊接缺陷的焊接接頭時(shí)，這種材料就被認(rèn)為具有良好的接合性能。

     使用焊接性，即某金屬材料在一定的焊接工藝條件下其焊接接頭對使用要求的適應(yīng)性，也就是焊接接頭承受載荷的能力，如承受靜載荷、沖擊載荷和疲勞載荷等，以及焊接接頭的抗低溫性能、高溫性能和抗氧化、抗腐蝕性能等。

1.2 焊接性問題

     簡單理解焊接性就是焊接中避免形成焊接缺欠并滿足使用性能的難易程度，焊接缺欠及性能問題主要指焊接裂紋及焊接熱影響區(qū)性能惡化，焊接裂紋種類較多，有熱裂及冷裂等。

1.3 焊接性評價(jià)方法

     一般來說材料生產(chǎn)商會(huì)在材料商用化之前做大量的、完整的焊接性評價(jià)，并給出相應(yīng)焊接工藝推薦及注意事項(xiàng)，如焊接t8/5區(qū)間，預(yù)熱及熱輸入要求等，對于特殊的、要求嚴(yán)格的應(yīng)用，客戶需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對目標(biāo)材料進(jìn)行所需的焊接性評定或焊接工藝評定。

02碳當(dāng)量

      焊接過程可能導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生脆硬的組織，惡化韌性，這一變化主要決定于鋼材的成分和焊接的工藝條件。焊接熱影響區(qū)的硬化傾向，從根本上說應(yīng)取決于母材的成分，焊接工藝條件只是能否出現(xiàn)硬化的外界因素。

     首先是含碳量，它顯著提高奧氏體穩(wěn)定性，使碳固溶在奧氏體中，并在冷卻后形成過飽和的鐵素體即馬氏體，對硬化傾向有很大的影響。

     合金元素對淬硬傾向影響不同，為了相對比較各種合金元素對鋼近縫區(qū)硬化性的影響，很早以來就引進(jìn)了碳當(dāng)量。所謂碳當(dāng)量就是將一定量的某一合金元素的硬化作用轉(zhuǎn)化為相當(dāng)于若干碳量的作用，金屬所有成分的碳當(dāng)量值最初用來指示金屬的淬硬傾向，之后被推廣來表示成分對鋼的氫制開裂敏感性的貢獻(xiàn)。

      碳當(dāng)量的這種關(guān)系式起源于1940年左右，當(dāng)時(shí)Dearden和O'Neill提出了預(yù)測鋼強(qiáng)度、淬硬性和HAZ硬度的碳當(dāng)量公式。1967年，國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)采用了迪爾登和奧尼爾的淬硬性公式的某種簡化形式，成為普遍接受的鋼焊接性測量方法-CEIIW

     自其被IIW采用以來，該公式已被納入許多材料標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括EN 1011-2:2001(取代BS 5135-1984)和AWS D1.1的修改形式，修改公式在該公式中添加了“+Si/6"。

     Pcm和CEq公式都是針對CEIIW不太適用的低碳鋼而開發(fā)的。Pcm通常用于碳含量不超過0.11wt%的管道制造用現(xiàn)代鋼。然而應(yīng)該注意的是，Pcm公式主要是從低碳低合金鋼中推導(dǎo)出來的。

     為適應(yīng)更廣泛種類的鋼材，提出的CEN公式來評價(jià)各種鋼的焊接性。對于高碳范圍，CEN值與碳當(dāng)量如CEIIW很好地相關(guān)，而對于低碳鋼，其值接近于CEq公式。CEN由：

     Yurioka將一些用于評估焊接性的碳當(dāng)量分為以下幾大類，更加明確其適用的場合，如下所示：

注：

A組用1/6表征為錳的系數(shù)，普通碳鋼，碳錳鋼，一般C>0.16%；

B組適于中低碳，中低合金鋼，碳元素影響比A組更大；

C組低碳低合金鋼，包括HSLA鋼；

D組包括碳和其他元素之間的相互作用，適用更廣泛種類的鋼材，C：0.034-0.254%。

     碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗(yàn)式，不同類別的鋼材所適用的碳當(dāng)量公式也不一樣，碳當(dāng)量公式不能作為判定硬化性的絕對指標(biāo)。碳當(dāng)量可以作為焊接冷裂傾向評價(jià)的相對指標(biāo)，值越大焊接性越差。

     還須指出一點(diǎn)，碳當(dāng)量增大時(shí)，近縫區(qū)硬化傾向確實(shí)隨之提高，但并非始終保持線性關(guān)系。另外，由于近縫區(qū)的硬化性與焊接工藝條件關(guān)系很大，特別是冷卻速度的影響。

03含碳量

     碳是鋼鐵材料的主要合金元素，因此鋼鐵材料也可以稱為鐵碳合金。碳在鋼材中的主要作用是：

1.形成固溶體組織，提高鋼的強(qiáng)度，如鐵素體、奧氏體組織，都溶解有碳元素；

2.形成碳化物組織，可提高鋼的硬度及耐磨性。如滲碳體，即Fe3C，就是碳化物組織。

      因此，對于普通的碳鋼而言，碳在鋼材中，含碳量越高，鋼的強(qiáng)度、硬度就越高，但塑性、韌性也會(huì)隨之降低；反之，含碳量越低，鋼的塑性、韌性越高，其強(qiáng)度、硬度也會(huì)隨之降低。

     從結(jié)構(gòu)鋼材發(fā)展的歷史來看，增碳增強(qiáng)機(jī)制主要是在1900前被采用，那時(shí)造船工業(yè)仍然停留在鉚接階段，為建造更加大型的船舶，造船板不斷向高強(qiáng)化發(fā)展，提高碳含量是提高鋼板抗拉強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)方法，所以高碳高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，1890年英國開發(fā)出C%：0.25%~0.35%、抗拉強(qiáng)度400MPa~580MPa的高強(qiáng)鋼，20世紀(jì)初日本生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為540MPa~600MPa的HTT高強(qiáng)鋼。

      20世紀(jì)20年代后焊接技術(shù)的日益廣泛應(yīng)用，船舶制造開始考慮鋼板的焊接性能，C是影響焊接性能顯著的元素，降低C含量是發(fā)展具有良好焊接性能鋼的必然要求，在之后的時(shí)間降C成為結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展的主旋律。

     二戰(zhàn)后，將碳C控制在<0.20%，可得到焊接性能良好，熱軋態(tài)屈服強(qiáng)度大于315MPa、抗拉強(qiáng)度達(dá)到490MPa~590MPa的鋼材，而正火或回火狀態(tài)下鋼板和型材的屈服強(qiáng)度可達(dá)390MPa以上。

     20世紀(jì)50年代中后期，研制要求更為苛刻的船體結(jié)構(gòu)用鋼時(shí)，為得到強(qiáng)度、淬透性及低溫韌性的良好配合，鋼中必須添加較多的Cr、Ni、Mo等合金元素，因此“淬火+回火"型的Ni-Cr-Mo系焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)韌鋼應(yīng)運(yùn)而生，屈服強(qiáng)度可達(dá)590-980MPa，碳當(dāng)量超過0.45，為減少和避免焊接裂紋，需在預(yù)熱條件下焊接，并且隨著鋼材強(qiáng)度的提升，碳當(dāng)量也提高，預(yù)熱溫度也需要提高。

      20世紀(jì)80年代，焊接性下降成為制約鋼材強(qiáng)度提升的主要矛盾，之后大量研究表明，在碳含量在0.2%基礎(chǔ)上再進(jìn)一步大幅度降低碳含量是解決這一問題的主要途徑。一個(gè)典型代表是美國的HSLA80鋼，該鋼通過大幅度降低C含量（≤0.06%），顯著改善了焊接性，而因降C帶來的強(qiáng)度損失則通過Cu的沉淀析出強(qiáng)化效果來彌補(bǔ)。