第四章热影响区.ppt

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1、第 四 章,焊接热影响区 的组织和性能,天津大学 王惜宝,本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀加热和冷却影起热影响区组织性能的变化，进行系统地讨论,基本概念：,1.热影响区 （Heat Affected Zone，简称 HAZ） ：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域 2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区 示意 图4-1,第一节 焊接热循环,焊接热循环的概念 焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环,一、焊接热循环的主要参数 （一）加热速度（ H） H= d T / d t H

2、T相变 A均质化和碳化物溶解越 不充分 （二）加热的最高温度（Tm） 低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热 区，由于温度高（13001350），晶粒发生严 重长大，从而使韧性严重下降,（三）在相变温度以上的停留时间（t H） 高温停留时间t H为焊接加热和冷却过程中 在相变温度以上的停留时间，分为加热过程 的停留时间 t和冷却过程的停留时间 t t H tt t H 越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但t H 越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。,（四）冷却速度（ c）和冷却时间 （t 85、t 83、t 100等）,

3、1. 冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际应用中常用冷却时间t 85、 t 83或t 100来表述焊接冷却过程 2. t 85、t 83为焊接冷却过程中温度从800500 或800300 的冷却时间 3. t 100为焊后冷却到100 所花时间,（一）长段多层焊焊接热循环 1. 长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷至较低的温度（一般在100200以下），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作用 ，不适用于淬硬倾向较大的钢种 2.焊接热循环的变化如图417所示。,二、焊接热循环的形式,（二）短段多层焊焊接热循环 1.短段多层焊：每道焊缝长

4、度较短（约为 50 400mm），未等前层焊缝冷却到较 低温度（如 Ms点）就开始焊接下一道焊 缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷 作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织， 适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种 2.短段多层焊的热循环如图 418所示,第二节 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,一、HAZ热循环的特点（五点）： 1.加热温度高 2.加热速度快 3.高温停留时间短 4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理 5.局部加热,1. 加热速度越快，被焊金属的相变点 A cl和 A c3的温度越高，而且 A cl和 A c3之间的 温差越大，如图 419

5、和表 48所示。含 有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、 Ti、Nb等）的钢，加热速度对相变温度 的影响更大 2.奥氏体均质化程度较低,二、焊接对加热过程组织转变的特点,三、焊接时冷却过程组织转变的特点,1.组织转变过程中热循环特点 c大、Tm高、t H短 2.焊接过程组织转变特点：对于一般的低碳钢，焊接时淬硬倾向比热处理时要大;对于合金钢，焊接时比热处理的淬硬倾向要小 3. 在焊接和热处理条件下连续冷却的组织转变图（即CCT图），如图421和图4-22所示,由图421、图422和表49可以看出，45钢在焊接条件下比在热处理条件下的CCT曲线稍向右移（主要考虑MS附近）。说明在相同冷却速度条

6、件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。 相反，40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条件下的CCT曲线向左移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾向小。,3.原因： （1）碳化物合金元素（如 Cr、 Mo、 V、 Ti、 Nb等）只有充分溶解在奥氏体的内部， 才会增加奥氏体的稳定性（即增加淬硬倾向） （2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素 向奥氏体内部溶解 （3）焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合 金元素不能充分地溶解在奥氏中，降低了淬硬倾 向 （4）不含碳化物合金元素的钢（如 45钢），一方面 不存在碳化物的溶解过程，另一方面在焊接条件 下，近缝区组织粗化，淬

7、硬倾向比热处理条件下 要大,三、焊接条件下CCT图及其应用,1.图423是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化图 2.在焊接条件下熔合区附近（Tm=13001350）t85冷却时间，可以在图上查出相应的组织和硬度,3.影响CCT图的因素 （1）母材化学成分的影响 除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素 都使S曲线向右移，即增加淬硬倾向，并降 低Ms点，其中以碳的影响为最大 （2）冷却速度的影响 a.随着冷却速度的增高，对于FeC合金， A1、A3、A cm均移向更低的温度，共析成分 由 C083转为 C0. 4 0.8 。 b.马氏体增大滑移的抗力，不均匀切变就会 以孪晶方式进行，马氏体就由条

8、状变为片状,3.峰值温度的影响 （峰值温度越高） a.使过冷奥氏体的稳定性加大 b.促使奥氏体晶粒粗化 c.奥氏体的稳定性增大 ，淬硬倾向增大 4.晶粒粗化的影响 晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形核的机会，不利于奥氏体的转变,5.应力应变的影响 a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的 稳定性，使CCT曲线明显地向左上方偏移 b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速 扩散过程，有利扩散型相变的进行 c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可 促进马氏体转变，即Ms升高和马氏体转变 量增加。切应力也能促进马氏体转变，正 压应力则会阻碍马氏体转变,第三节 焊接热影响区的组织和性能,一、焊接热影

9、响区的组织分布 （一）低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ可分为四个区（如图429所示） 1.熔合区 a.焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线 之间） b.范围很窄，在化学成分上和组织性能上都 有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、 韧性都有很大的影响,2.过热区 a.温度范围处在固相线以下1100左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大的组织 b.在气焊和电渣焊条件下常出现魏氏组织（见图430） c.韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹,3.相变重结晶区（正火区） a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结 晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏 体），在空

10、气中冷却就会得到均匀而细小 的珠光体和铁素体 b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约 在A31000之间,4.不完全重结晶区 a.处于Ac lAc3之间范围内的热影响区处于 b. Ac lAc3范围内只有一部分组织发生了相 变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和 珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的 铁素体，成为粗大的铁素体 c.晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不 均匀 5.母材 处于A1以下,（二）易淬火钢 1完全淬火区 a.处于Ac3以上的区域 b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马 氏体） c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热 区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体， 相当于正火区的

11、部位得到细小的马氏体,2.不完全淬火区 a.母材被加热到AclAc3温度之间的热影响 区 b.原铁素体保持不变，有不同程度的长大， 形成马氏体-铁素体的组织,3.回火区（低于Acl以下的区域） a .母材在焊前是调质状态 b. 焊前调质时的回火温度为Tt ，低于此温度 的部位，其组织性能不发生变化，热影响 区高于此温度的部位，组织性能将发生变 化，出现软化现象 4.母材,以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组织转变归纳如图 434所示 焊接热影响区的划分方法新的建议，具体划分方案如图435所示,以低碳钢为例 ，热影响区各部分的组织特征归纳如表 411所示

12、焊接热影响区各部位的名称及其所包括的范围如表412所示,二、焊接热影响区（HAZ）的性能,（一）焊接热影响区的硬化 1.淬硬：成分对淬硬倾向的影响 （1）碳当量 （表4-14） a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影响，把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量,b.国际焊接学会推荐的CEW和日本焊接协会的Ceq（WES）公式,2.随钢种碳当量（Pcm、CE（IIW）的增加， 硬度也随之增加，即淬硬倾向增加 3.t8/5越大，淬硬倾向越小 图4-39 4.硬度分布图 图4-40,5焊接HAZ最高硬度的计算公式 （1）国产钢硬度计算公式 HA

13、Z的最大硬度H max与P cm和t 85的关系建立 的硬度计算公式 ： a.当t 8/5M100时 H max=292+812C b.当 t 85M100时 H max 52.0 147.0Pcm- 81lg t 85 c.对于国产低合金钢，作为粗略估算，可采用下面 的公式 ： Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8.2t8/5,（2）铃木公式 引根据日本的低合金高强钢，研究不同冷却时间t 85对H max的影响，建立了如下的公式：,（二）焊接热影响区脆化 1组织脆化 （1）MA组元脆化 a. MA组元：某些低合金钢的焊接HAZ处于中温 上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素 体

14、，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素 体包围的岛状残余奥氏体中去。当连续冷却到 400 350时，残余奥氏体的碳浓度可达 0 5 0 8，随后这些高碳奥氏体可转变为高碳 马氏体与残余奥氏体的混合物 ，这种组织即M A组元 b. MA组元是焊接低合金高强钢时在中等冷却速 度条件下形成的，出现在焊缝、HA,（2）高碳马氏体脆化 （3）魏氏组织脆化 （4）上贝氏体脆化 （5）遗传组织脆化,2.析出脆化 （1）在时效或回火过程中，从非稳态固溶体 中沿晶界析出碳化物、氮化物 、金属间 化合物及其他亚稳定的中间相等，对于 一般低合金钢来讲主要是析出碳（氮） 化物 （2）新相的析出，使金属或合金的强度、

15、硬 度和脆性提高,3.遗传脆化 （1）厚板结构多层焊时，第一焊道的 HAZ粗晶区 位于第二焊道的正火区（相变重结晶区）保留 粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为 “组织遗传” （2）组织遗传而引起的脆化称为“遗传脆化” （3）遗传组织脆化条件 a. 有淬硬倾向的调质钢中 b.原始组织为非平衡组织 c.快速加热或冷却 d.晶界上出现细小等轴晶,4.粗晶脆化 （1）焊接过程中由于受热的影响程度不同， 在HAZ靠近熔合线附近和过热区将发生 严重的晶粒粒化 （2）晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性增 加 （3）淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶 粒长大所致，而易淬火钢，主要是产生 脆性组织所造成（如

16、孪晶马氏体、非平 衡态的粒状贝氏体，以及组织遗传等）,5.氢脆 6.石墨脆化 在400600C加热时间较长，不常出现 如：钼铬钢焊接时HAZ淬火区，由于M游离出石墨，发生脆化,7.时效脆化 （1）静应变时效（Static Strain Aging） 钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会产 生这种现象 （2）动应变时效（Dynamic Strain Aging） 200400温度范围，多发生在低碳钢 的Ar1以下HAZ，多道焊则发生在熔合区,（三）焊接热影响区的韧化 1. 通过母材的合金化方式和组织状态提高 HAZ的韧性 2.采用焊后热处理来改善HAZ的韧性 3.控制焊接线能量,（四）调质钢焊接HAZ的软化问题 1.调质钢焊接时HAZ的软化 软化的原因： 焊接加热温度超过工件原始调质温 度。 软化或失强最大的部位是在峰值温度为Acl附近 2.热处理强化合金焊接HAZ的软化 软化的原因： 焊接具有热处理强化的合金（如Al)时，主要问题 之一就是HAZ软化，降低了焊接接头的力学性能,