焊縫組織和性能分析要領(lǐng)

1、焊縫組織和性能分析要領(lǐng)焊縫經(jīng)過(guò)了加熱T高溫溶化焊接冶金T冷卻一次結(jié)晶凝固T二次結(jié)晶固態(tài)下相變，這個(gè)過(guò)程決定了焊縫金屬的化學(xué)成分， 組織性能，是否有焊接缺陷。 熱影響區(qū)是鄰近焊縫的母材在熔化焊所特有的快速加熱、 快速冷卻這一動(dòng)態(tài)熱過(guò) 程中，在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行著除了熔化以外的一些金屬學(xué)行為的區(qū)域， 其特點(diǎn)是 熱場(chǎng)分布極不均勻， 溫度梯度非常大， 與擴(kuò)散有關(guān)的過(guò)程極不充分， 組織和性能 極不均勻， 因此，它是一個(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)， 是焊接結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞事故的區(qū) 域。一、碳素鋼焊接碳是碳素鋼的主要合金成分，其性能取決于 C 的含量，其中的 Mn、 Si 只 是有益的元素而非合金成分，S、P、O N、H

2、則是其雜質(zhì)有害元素，是要嚴(yán)加控 制的。碳素鋼的焊接性隨其C含量增加而惡化，低碳鋼（C三0.25%）焊接性最好，但C含量大于0.15%時(shí)，對(duì)氫致裂紋敏感。1、焊縫金屬的成分焊條電弧焊焊接碳素鋼時(shí)焊接材料的選擇通常都是按GB5117標(biāo)準(zhǔn)其c b都不大于 490MPa。酸性焊條的焊縫金屬 Mn含量大多在0.8%以下Si在0.3%以下。堿性低氬焊條焊出的焊縫中 Mn與Si含量則要高得多?；旧鲜菍儆贛Si 合金系列的焊縫金屬，即以 Mn、Si 的固溶強(qiáng)化機(jī)理來(lái)保證焊縫金屬的力學(xué)性 能。2、焊縫金屬的顯微組織與性能低碳鋼是亞共析鋼， 在焊接熔池冷卻凝固的一次結(jié)晶完成后， 在一定溫度 下將發(fā)生二次結(jié)晶即固

3、態(tài)相變， 這時(shí)的組織應(yīng)該是鐵素體加少量珠光體。 其組織 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同和性能的不同取決于冷卻速度， 即冷卻速度越大， 鐵素體含量越 少，珠光體越高，硬度強(qiáng)度也隨之增高，且組織細(xì)小。反之則組織變粗，鐵素 體越多珠光體越少、 硬度強(qiáng)度降低。 需要注意的是鐵素體的形態(tài)， 在不同冷卻速 度下也是不同的。且對(duì)性能有影響。做為亞共析鋼的焊縫組織， 當(dāng)從高溫冷卻到 Ar3 溫度時(shí)，焊縫中最先從奧 氏體晶粒邊介上析出的是先共析鐵素體，其含碳量為 0.02%,隨著a鐵的析出奧 氏體的含碳量增加，在達(dá)到Ar1溫度時(shí)（C0.8%勺共析成分），剩余的奧氏體發(fā)生 共析轉(zhuǎn)變， 變?yōu)殍F素體滲碳體的混合物即珠光體。 先共析鐵

4、素體是沿原奧氏體 晶界析出故呈網(wǎng)狀分布， 此外，鐵素體也可以從原奧氏體晶內(nèi)部沿一定方向呈針 或片狀析出， 可直接插入珠光體中。 這種組織由于晶內(nèi)位錯(cuò)密度較低所以塑性韌 性都較低。當(dāng)含C量較高，高溫（700C 800C）停留時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻速度較慢時(shí)易 形成這種組織，稱(chēng)其為魏氏組織，在焊接低碳結(jié)構(gòu)鋼時(shí)要盡量防止魏氏組織出現(xiàn)， 而希望得到細(xì)晶針狀鐵素體。此外， C-Mn系的焊縫金屬在經(jīng)過(guò)正火后，c Sc b 都會(huì)發(fā)生陡降。3、低碳鋼焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化取決焊接熱循環(huán)過(guò)程中的二次結(jié)晶 （即重 結(jié)晶）特點(diǎn)。在固態(tài)無(wú)相戀發(fā)生的金屬材料如 AL、 C r、Ni 和超低碳單相奧氏體 鋼超低

5、碳高鉻鐵素體鋼由于無(wú)相變， 其熱響區(qū)很簡(jiǎn)單， 只有一個(gè)晶粒粗大的過(guò)熱 區(qū)，（熱軋或冷軋后退火態(tài)） 。碳素鋼有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在固態(tài)下會(huì)發(fā)生相變所以熱影響區(qū)要復(fù)雜得多。 如會(huì)發(fā)生成分的變化和第二相析出。 所以在距該焊縫區(qū)不同距離上由于被加熱的 最高溫度的不同 （處在不同的熱力場(chǎng)） 和在這一溫度區(qū)間停留的時(shí)間長(zhǎng)短不同以 及隨后的冷卻速度的不同 （即物理冶金特點(diǎn)的不同） 而導(dǎo)致產(chǎn)生不同的顯微組織 和力學(xué)性能的差異。只有完全重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）性能最好。過(guò)熱區(qū)晶粒粗大， 易形成魏氏組織要消除它只能進(jìn)行正火才有效， 不完全 重結(jié)晶區(qū)容易有碳化物析出以及粗大的鐵素體， 故其性能并不很好， 而再結(jié)晶區(qū) 是一個(gè)軟

6、化區(qū)（只存在于冷軋板或經(jīng)冷作硬化的熱軋板） 。而蘭脆區(qū)組織并未發(fā)生改變但塑性和韌性卻低于母材這是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效 而引起的脆化，即熱應(yīng)變脆化（焊接沸騰鋼時(shí)尤為明顯） 。綜上所述可知， 低碳結(jié)構(gòu)鋼的熱影響區(qū)組織和性能不容忽視， 要控制焊接 熱循環(huán)，如控制 t8 5， t8-3 ， t100 ，控制線能量等。、低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接合金結(jié)構(gòu)鋼是碳素鋼的基礎(chǔ)上有目的地加入一種或幾種合金元素(Mn、Si 、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B 稀土等) ，從而使鋼的性能發(fā)生預(yù)期的變化。如提高 強(qiáng)度，改善韌性，提高耐熱性、耐蝕性。合金總含量 W(Me)10% 為高合金鋼。合金鋼按用途可分為強(qiáng)度用鋼， 即通常所說(shuō)的高

7、強(qiáng)鋼， 其主要性能是力學(xué) 性能、合金元素的加入是為了保證足夠的塑性、 韌性的前提下， 獲得不同的強(qiáng)度 級(jí)別。另一類(lèi)是特殊用途鋼， 除了滿足常溫力學(xué)性能外， 還必須適應(yīng)特殊環(huán)境下 的工作要求，如耐高溫，耐低溫、耐腐蝕等。GB/T1591是低合金高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)， 也是按屈服點(diǎn)分級(jí)共有 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460五個(gè)牌號(hào)(強(qiáng)度等級(jí))。 這些鋼的合金系列是C-Mn系或Mn-Si系，用它們的固溶強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度，含 C 0.16%0.2%, Mn0.8%-0.15%或 1% 1.7%, Si 0.55%。另加入微量的V、Ti、Nb AL以及Cr、Ni起細(xì)化晶?；虺恋韽?qiáng)化作用。 GB66

8、54 GB3531 GB713分別是壓力容器、低溫壓力容器、鍋爐專(zhuān)業(yè)用低合金高 強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)。1、低合金高強(qiáng)度鋼的焊縫合金化GB5118是低合金鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)，它是碳鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上有限度地提高M(jìn)n含量加入足夠量的Ni、Mo Cr、V在提高強(qiáng)度的同時(shí)細(xì)化晶粒，改善韌性。在焊 接某一與碳素鋼強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)?shù)牡秃辖痄摃r(shí)，只能選用GB5118標(biāo)準(zhǔn)的焊條，而不宜選用GB5117強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮笚l。因?yàn)镚B5118的合金匹配主要思路是針對(duì)低合 金高強(qiáng)度鋼的焊接冶金特點(diǎn)進(jìn)行合理搭配的同時(shí)實(shí)施低Si化，Mo0.45%寸組織的調(diào)控更有利。2、焊縫金屬的組織與性能 低合金高強(qiáng)鋼焊縫金屬中常見(jiàn)的顯微組織是鐵素體， 珠光體，

9、貝氏體， 馬氏體四種。鐵素體有在高溫區(qū)沿奧氏體晶界析出的先共析鐵素體 (長(zhǎng)條形、多邊 塊形)，其多少與合金含量高低，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)短，冷卻快慢有關(guān)。隨著繼續(xù) 冷卻在700550E期間從先共析鐵素體的側(cè)面，鐵素體以板條狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)， 稱(chēng)為側(cè)板條鐵素體， 也有人將這兩者統(tǒng)稱(chēng)為魏氏組織， 也有人因?yàn)樗奶攸c(diǎn)是含 碳量很低位錯(cuò)密度較低且轉(zhuǎn)變溫度較低而稱(chēng)之為無(wú)碳貝氏體，它使焊縫韌性降低。在稍低于500C時(shí)，在中等冷卻速度條件下，原奧氏體晶內(nèi)，以氧化物，氮化物 雜質(zhì)點(diǎn)為核心鐵素體呈放射狀生長(zhǎng)， 形成針狀鐵素體或細(xì)晶鐵素體， 因?yàn)樗奈?錯(cuò)密度很高，故塑性、韌性均較高，希望能獲得更多的針狀鐵素體， 細(xì)晶鐵素

10、體。珠光體是共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，在接近平衡狀態(tài)下 （ 如熱處理時(shí)的連續(xù)冷卻 ） 在Ar1550C之間富碳奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w， 在焊接的非平衡條件下，由于冷 卻速度很快， 原子來(lái)不及充分?jǐn)U散， 因而珠光體轉(zhuǎn)變是受到抑制的， 于是就是擴(kuò) 大了鐵素體 （在較高溫度時(shí) ）貝氏體（在較低溫度時(shí) ）的轉(zhuǎn)變領(lǐng)域。因此，低合金鋼 焊縫的固態(tài)轉(zhuǎn)變很少能得到珠光體組織， 除非在采取預(yù)熱， 緩冷、后熱措施后使 焊縫金屬能在接近平衡狀態(tài)的那種條件下冷卻才有少量珠光體。 它增加強(qiáng)度降低 韌性。貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，即在550Ms之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變。此時(shí)，合金 元素已不能擴(kuò)散，只有碳還能擴(kuò)散，其轉(zhuǎn)變機(jī)制是擴(kuò)散一-切變型。在5

11、50450C 之間形成上貝氏體，它是羽毛狀，沿奧氏體晶界分布，韌性極差。在450CMs之間形成下貝氏體， 此時(shí)碳的擴(kuò)散也變得困難， 碳化物彌散分布在鐵素體內(nèi)， 同 鐵素體成一定交角，所以它強(qiáng)度、韌性均較高，綜合性能好。低合金高強(qiáng)鋼焊縫中還會(huì)出現(xiàn)一種粒狀貝氏體， 它是在塊狀鐵素體上 M-A 組元以粒狀分布，故稱(chēng)粒狀貝氏體，它使韌性下降。當(dāng)焊縫中合金元素或C含量較高，奧氏體過(guò)冷到 Ms以下時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生 M 體，它可以是板條狀的低碳 M體（位錯(cuò)型），也可以是針狀（片狀）孿晶馬氏體，前 者因C含量較低，有較多位錯(cuò)存在故具有較高強(qiáng)度和韌性，抗裂能力較高。希望得到較多的針狀細(xì)晶鐵素體， 不希望得到側(cè)板條鐵

12、素體， 先共析鐵素 體，如果合金成分能顯著增加奧氏體穩(wěn)定性， 降低其分解溫度， 這一愿望即可實(shí) 現(xiàn)。試驗(yàn)表明Mn含量0.81.0%、Si0.10.25%,而Mn/Si=36時(shí)，即可得到 細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體。還希望得到的貝氏體為下貝氏體，而不希望產(chǎn)生上貝氏體或粒狀貝氏體，以及孿晶高碳馬氏體，其辦法是控制冷卻速度；使在 600450C區(qū)間（貝氏體轉(zhuǎn) 變的高溫段 ） 停留時(shí)間盡量短，以盡量減少形成粒狀貝氏體和上貝氏體的機(jī)會(huì) （可 控制t8-5來(lái)實(shí)現(xiàn)）、降低含C量，使一且發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)能形成板條狀位錯(cuò)型 馬氏體，它的存在有利而無(wú)害。有資料表明，焊縫含有微量 Ti、B有利形成針狀 鐵素體，而抑制先

13、共析鐵素體的形成，Ti與B同時(shí)加入最佳，因?yàn)門(mén)i優(yōu)先和氧 反應(yīng)對(duì)B不被氧化起到保護(hù)作用。B凝聚在A氏體晶界，降低了晶界能故抑制了 先共析鐵素體的析出。由于焊縫金屬是在連續(xù)冷卻下進(jìn)行相變的， 因而有必要建立一個(gè)焊縫金屬 連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，簡(jiǎn)稱(chēng) SW-CC圖，通常通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)建立某個(gè)鋼種的 CCT圖，這樣便可根據(jù)對(duì)焊縫金屬顯微組織和性能的要求，合理選擇冷卻速度并 由此確定合理的焊接工藝參數(shù)。3、熱影響區(qū)的組織與性能。通常我們把焊縫的邊界線都宏觀地叫做熔合線。 實(shí)際上這是一個(gè)熔化不均 勻的區(qū)域。 它包括母材的半熔化區(qū)， （固 液相共存 ）和只有熔化的母材 （液相）而未與填充金屬混合的 （液相）薄層（稱(chēng)為未混合區(qū) ）。這兩個(gè)區(qū)共同構(gòu)成了熔合區(qū)