加工工艺性能的探究

压力容器制造中，要对金属材料进行各种加工，为了使加工工艺简便并保证质量、降低成本，要求材料具有良好的加工工艺性能。金属材料的加工工艺性能包括焊接性能、可锻性、铸造性能和切削加工性能等。

1.焊接性

金属材料焊接性是指被焊金属在一般的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。由于压力容器大多需要采用焊接连接，故材料的焊接性尤为重要。在焊接过程中，有些材料容易产生某些焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，并使焊缝和近缝区性能变坏，所以往往需要特殊的工艺措施，使用特定的焊接方法，才能保证焊接质量。有些金属材料，例如低碳钢，则在一般工艺条件下，应用各种焊接方法，都能获得满意的焊接接头。由此可见，不同的金属材料存在着焊接性优劣的差别。通常把金属材料在焊接过程中产生裂纹的倾向，作为评价金属材料焊接性的主要指标。

影响焊接性的因素包括：

（1）材料因素

材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料。前者称为母材或基本金属，即被焊金属；后者称为焊接材料，包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等。材料因素包括化学成分、冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态和力学性能等。其中化学成分（包括杂质的分布与含量）是主要的影响因素。在焊接结构中，绝大多数常用的金属材料是钢材。碳对钢的焊接性影响最大。含碳量越高，焊接热影响区的淬硬倾向越大，焊接裂纹的敏感性越大，也就是说，含碳量越高焊接性越差。

除碳外，钢中的一些杂质，如氧、硫、磷、氢、氮以及合金钢中常用的合金元素锰、铬、钴、铜、硅、钼、钛、铌、钒、硼等都不同程度地增加了钢的淬硬倾向，使焊接性变差。因此钢材的焊接性常用“碳当量（C_eq）”来进行估算。

国际焊接学会推荐的碳素钢和低合金结构钢的碳当量计算公式如下：

C_eq={w（C）+w（Mn）/6+[w（Cr）+w（Mo）+w（V）]/5+[w（Ni）+w（Cu）]/15}% （2-3）

一般情况下，碳当量小于0.50%时，碳素结构钢和低合金结构钢具有良好的焊接性，随着碳当量的增加，钢材的焊接性逐渐变差。压力容器用碳素结构钢和低合金结构钢的碳含量（质量分数）均不大于0.25%。以Q345R（16MnR）为例，其最大碳当量为0.47%，具有较好的焊接性，只有当厚度大于30mm时，才要求焊前预热至100℃以上；而15CrMo其最大碳当量为0.66%，焊接性较差，当厚度大于10mm时，就要求焊前预热至150℃以上。

当碳当量增加时，钢材的淬硬倾向增大，硬度增加，这时钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。日本伊藤等人进行了大量的试验后，提出了冷裂敏感指数（P_cm）的计算公式：

该式适用于碳含量（质量分数）为0.07%～0.22%，σ_b=400～1000MPa的低合金高强度钢。

伊藤等又根据P_cm、板厚h或拘束度R，建立了冷裂敏感性P_w、冷裂敏感指数P_cm及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式。

P_w=P_cm+[H]/60+h/600 （2-5）

或P_w=P_cm+[H]/60+R/40000 （2-6）

式中 [H]——熔敷金属中扩散氢含量（mL/100g，甘油法）；

R——接缝拉伸拘束度（kg/mm·mm）；

h——板厚（mm）；(www.xing528.com)

P_cm——冷裂敏感指数。

当P_w＞0时，即有产生裂纹的可能性。

利用式（2-5）和式（2-6），可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度为

T₀=1440P_w-392（2-7）

式（2-5）和式（2-6）适用条件：扩散氢含量[H]为1.0～5.0mL/100g，板厚为19～50mm，热输入为17～30kJ/cm，化学成分范围同式（2-4）。两式不仅考虑了钢中化学成分的影响，还考虑到钢板厚度或拘束度，以及熔敷金属中的含氢量，利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。

（2）设计因素

设计因素是指焊接结构在使用中的安全性不但受到材料的影响，而且在很大程度上还受到结构形式的影响。例如结构刚度过大或过小、断面突然变化、焊接接头的缺口效应、过大的焊缝体积以及过于密集的焊缝数量，都会不同程度地引起应力集中，使结构或焊接接头脆断可能性增加。

（3）工艺因素

工艺因素包括施焊方法（如焊条电弧焊^[1]、埋弧焊、气体保护焊等）、焊接工艺（包括焊接规范参数、焊接材料、预热、后热、装配焊接顺序）和焊后热处理等。在结构材料和焊接材料选择正确、结构设计合理的情况下，工艺因素是对结构焊接质量起决定性作用的因素。

（4）使用因素

使用因素指焊接结构的工作温度、负荷条件（动载、静载、冲击、高速等）和工作环境（化工区、沿海及腐蚀介质等）。一般来讲，环境温度越低，钢结构越易发生脆性破坏，承受交变载荷的焊接结构越易发生疲劳破坏。

2.可锻性

可锻性是衡量金属材料经受锻压加工难易程度的工艺性能。可锻性的优劣以金属的塑性和变形抗力来综合评定。塑性高，则金属不易开裂；变形抗力小，则锻压省力，而且不易磨损工具和模具。一般地说，塑性高和变形抗力小的金属具有良好的可锻性。

金属的可锻性取决于金属的本质和变形条件。纯金属都具有良好的可锻性，但形成合金后，由于塑性下降、强度增高，可锻性就变差。合金元素的含量越多，金属的可锻性就越差。因此，低碳钢的可锻性较好。随着碳含量的增加，可锻性逐渐变差，特别是含有提高高温强度的元素，如钨、钼、钒、钛等，这类高合金钢一般都具有较低的可锻性。金属的结晶组织与可锻性也有很大的关系。由单一固溶体组成的合金，都有较好的可锻性。如果合金中含有多种性能不同的组织，则锻压时由于各组织的变形不均就容易开裂。由于奥氏体塑性好，易于变形，锻压加工一般加热到奥氏体相区进行，但始锻温度不能过高，以免产生过烧，而终锻温度又不能过低，以免产生裂纹。

3.可加工性

金属切削加工的目的，就是用刀具从毛坯上切除多余的部分，使其达到符合要求的形状、尺寸和表面粗糙度。影响金属材料可加工性的因素是多方面的，但主要与其化学成分、显微组织和原子结构有关。钢的可加工性与其含碳量密切相关，含碳量越高，则珠光体的比例也越高，而珠光体的可加工性较铁素体差，所以高碳钢的可加工性远低于低碳钢。而压力容器用碳素钢均为低碳钢，如16Mn、20钢等均具有良好的可加工性。碳素钢比具有相同硬度的合金钢具有更好的可加工性，这主要与晶体结构有关，一般来说，面心立方晶体（如纯铝、纯铜、奥氏体不锈钢等）质地很软、韧性很高，这种性能将会使切削加工的表面质量很差。