金屬焊接熱影響區(qū)的組織和性能

1、123早期：早期：母材主要是低碳鋼，母材主要是低碳鋼，HAZ一般不會出現(xiàn)什么問題，焊接質(zhì)量取決一般不會出現(xiàn)什么問題，焊接質(zhì)量取決于焊縫質(zhì)量，人們的主要精力用于解決焊縫中可能出現(xiàn)的問題。于焊縫質(zhì)量，人們的主要精力用于解決焊縫中可能出現(xiàn)的問題?，F(xiàn)在：現(xiàn)在：母材材料的品種不斷擴大（如低合金高強度鋼、高合金特殊鋼，母材材料的品種不斷擴大（如低合金高強度鋼、高合金特殊鋼，鋁、銅、鈦等有色金屬的合金等），這些材料大多對加熱敏感，有些化鋁、銅、鈦等有色金屬的合金等），這些材料大多對加熱敏感，有些化學性質(zhì)還相當活潑。學性質(zhì)還相當活潑。HAZ的組織與性能將發(fā)生較大的變化，甚至會產(chǎn)生的組織與性能將發(fā)生較大的變化，

2、甚至會產(chǎn)生嚴重的缺陷。嚴重的缺陷。隨著鋼材強度、結(jié)構(gòu)的尺寸與板厚不斷增加，隨著鋼材強度、結(jié)構(gòu)的尺寸與板厚不斷增加，HAZ脆化傾向增大，產(chǎn)生脆化傾向增大，產(chǎn)生焊接缺陷的可能性增加，焊縫質(zhì)量不再是決定焊接質(zhì)量的唯一要素。焊接缺陷的可能性增加，焊縫質(zhì)量不再是決定焊接質(zhì)量的唯一要素。4焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)在焊接熱源的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化在焊接熱源的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。過程稱為焊接熱循環(huán)。 焊件上距熱源遠近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，焊件上距熱源遠近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，從而會發(fā)生不同的組織與性能變化。從而會發(fā)生不同的組織

3、與性能變化。5 H越快，相變溫度提高，均質(zhì)化和碳化物在奧氏體的溶解也越越快，相變溫度提高，均質(zhì)化和碳化物在奧氏體的溶解也越不充分。不充分。必然影響在冷卻過程中熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變及其性能。必然影響在冷卻過程中熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變及其性能。678數(shù)值模擬數(shù)值模擬是指用一組控制方程來描述一個過程的基本參是指用一組控制方程來描述一個過程的基本參數(shù)變化關系；數(shù)變化關系； 利用數(shù)值方法求解，以獲得該過程定量的結(jié)果。利用數(shù)值方法求解，以獲得該過程定量的結(jié)果。根據(jù)焊接傳熱理論建立了許多描述焊接傳熱過程的數(shù)根據(jù)焊接傳熱理論建立了許多描述焊接傳熱過程的數(shù)學模型學模型( (包括焊接熱循環(huán)參數(shù)包括焊接熱循環(huán)參數(shù)) )。

4、隨著計算機的發(fā)展和普及，計算機的容量日益增大，隨著計算機的發(fā)展和普及，計算機的容量日益增大，計算速度也越來越快，過去難以用分析方法求解的非線性問計算速度也越來越快，過去難以用分析方法求解的非線性問題現(xiàn)在可以在計算機上用數(shù)值方法迎刃而解。題現(xiàn)在可以在計算機上用數(shù)值方法迎刃而解。920mRcE234.0TTycE242. 0TT0m點熱源（厚板）：點熱源（厚板）： 線熱源（薄板）：線熱源（薄板）： 由兩式可以看出：由兩式可以看出：焊件上某點離開熱源軸心焊件上某點離開熱源軸心距離越遠，最高溫度距離越遠，最高溫度m m越低越低；焊件上某一定點，隨著焊件上某一定點，隨著線能量線能量E E 的提高，其的提

5、高，其m m增高增高，焊接熱影響區(qū)的，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。寬度增大。峰值溫度的高低還受預熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。峰值溫度的高低還受預熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。1011)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH點熱源（厚板）點熱源（厚板） 線熱源（薄板）線熱源（薄板） 由公式可以看出：由公式可以看出：提高線能量提高線能量 E E，高溫停留時間，高溫停留時間 t tH H 延長，也就是說發(fā)生粗晶延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。脆化的可能性增大。提高初始溫度提高初始溫度 T T0 0（預熱溫度），也會在一定程度上延長高溫（預熱溫度），也會在一定程度上延長高溫停留時間停留

6、時間 t tH H。12E)TT(220CC230)E()TT(c2CC 0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t冷卻速度冷卻速度c隨著線能量隨著線能量E和初始溫度和初始溫度T0的提高而降低的提高而降低，冷卻時間隨著線能量冷卻時間隨著線能量E和初始溫度和初始溫度T0的提高而延長。的提高而延長。母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)， 13 14單層焊時，因為受到焊縫截面積的限制，不能在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率和焊單層焊時，因為受

7、到焊縫截面積的限制，不能在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率和焊速，焊接熱循環(huán)的調(diào)整也受到了限制。多層焊是許多單層熱循環(huán)聯(lián)合在一起速，焊接熱循環(huán)的調(diào)整也受到了限制。多層焊是許多單層熱循環(huán)聯(lián)合在一起的綜合作用，多層焊比起單層焊具有更大的調(diào)節(jié)范圍。的綜合作用，多層焊比起單層焊具有更大的調(diào)節(jié)范圍。多層焊時，對后一焊道面言，前一焊道具有多層焊時，對后一焊道面言，前一焊道具有預熱作用預熱作用，層間溫度相當與預熱，層間溫度相當與預熱溫度；對前一焊道來說，后一焊道起后熱作用，產(chǎn)生一定溫度；對前一焊道來說，后一焊道起后熱作用，產(chǎn)生一定熱處理熱處理效果。效果。層間溫度層間溫度多層焊時，開始焊接后一焊層時前一層焊道所具有的最低

8、溫度即多層焊時，開始焊接后一焊層時前一層焊道所具有的最低溫度即為層間溫度。為層間溫度。1516由圖可知，焊件近縫區(qū)由圖可知，焊件近縫區(qū)1點和點和4點所經(jīng)點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。1點：點：一方面使該點在一方面使該點在Ac3以上停留時以上停留時間較短，避免了晶粒長大，另一方面間較短，避免了晶粒長大，另一方面由于層間的熱作用，減緩了冷卻速度，由于層間的熱作用，減緩了冷卻速度，從而防止產(chǎn)淬火組織。從而防止產(chǎn)淬火組織。4點：點：它是在預熱基礎上開始焊接的，它是在預熱基礎上開始焊接的，只要焊縫長度控制合適，只要焊縫長度控制合適， Ac3 以上停以上停留時間仍可很短，晶

9、粒不會長大。留時間仍可很短，晶粒不會長大。為了防止最后一層產(chǎn)生淬火組織，可為了防止最后一層產(chǎn)生淬火組織，可另加一層退火焊遵，以增加奧氏體的另加一層退火焊遵，以增加奧氏體的分解時間。分解時間。短短段多層焊對于段多層焊對于晶粒易長大而又易淬火晶粒易長大而又易淬火鋼種鋼種的熱影響區(qū)和焊縫具有改善作用。的熱影響區(qū)和焊縫具有改善作用。 但但短段多層焊的操作十分繁瑣，生產(chǎn)率短段多層焊的操作十分繁瑣，生產(chǎn)率低，因此除非在特殊的情況下才采用。低，因此除非在特殊的情況下才采用。1718q熱處理：熱處理：Ac3以上以上100200q焊焊 接：近縫區(qū)熔合區(qū)接近熔點（低碳鋼、低合金鋼為接：近縫區(qū)熔合區(qū)接近熔點（低碳鋼

10、、低合金鋼為1350）q熱處理：隨熱處理爐緩慢升溫（幾度熱處理：隨熱處理爐緩慢升溫（幾度幾十度幾十度/S）q焊焊 接：采用的熱源強烈集中，比熱處理快幾十到幾百倍（手弧焊：接：采用的熱源強烈集中，比熱處理快幾十到幾百倍（手弧焊：2001000 /s）q熱處理：保溫時間可任意控制熱處理：保溫時間可任意控制q焊焊 接：接： Ac3以上停留時間短（手弧焊以上停留時間短（手弧焊420s，埋弧焊，埋弧焊30100s）q熱處理：冷卻速度可控制熱處理：冷卻速度可控制q焊焊 接：為自然條件下冷卻接：為自然條件下冷卻q熱處理：爐中整體加熱熱處理：爐中整體加熱q焊焊 接：局部集中加熱，熱源在移動接：局部集中加熱，熱

11、源在移動19珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程是擴散重結(jié)晶過程，需孕育期?？焖偌訜釙r，低珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程是擴散重結(jié)晶過程，需孕育期?？焖偌訜釙r，低溫時來不及完成的擴散過程，會在更高溫度下進行，從而導致相變溫度升高。溫時來不及完成的擴散過程，會在更高溫度下進行，從而導致相變溫度升高。碳化物合金元素的擴散速度?。ū忍夹√蓟锖辖鹪氐臄U散速度?。ū忍夹?000到到10000倍）、同時它們還阻礙碳的擴散。倍）、同時它們還阻礙碳的擴散。導致相變溫度進一步升高。導致相變溫度進一步升高。見圖，見圖，45鋼奧氏體晶粒開始長大溫度低，高溫區(qū)晶粒粗大；鋼奧氏體晶粒開始長大溫度低，高溫區(qū)晶粒粗大；4

12、0 Cr奧氏體晶粒開始長大溫度高，高溫區(qū)晶粒小。奧氏體晶粒開始長大溫度高，高溫區(qū)晶粒小。20焊接快速加熱對焊接快速加熱對Ac1、Ac3和晶粒長大的影響和晶粒長大的影響d晶粒的平均直徑；晶粒的平均直徑；A奧氏體；奧氏體；P珠光體；珠光體；F鐵素體；鐵素體；K碳化物碳化物45鋼鋼40Cr40CrH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s21加熱速度對相變點加熱速度對相變點Ac1和和Ac3及其溫差的影響及其溫差的影響22q在奧氏體均質(zhì)化程度相同的情況下，隨著在奧氏體均質(zhì)化程度相同的情況下，隨著焊接冷卻速度的加快

13、，鋼鐵材料的相變溫焊接冷卻速度的加快，鋼鐵材料的相變溫度度Ac1、Ac3 以及以及Am均均降低降低。q在快冷條件下，共析成分也發(fā)生變化，甚在快冷條件下，共析成分也發(fā)生變化，甚至得到非平衡狀態(tài)的至得到非平衡狀態(tài)的偽共析組織偽共析組織。q這種組織轉(zhuǎn)變特點也是因為奧氏體向鐵素這種組織轉(zhuǎn)變特點也是因為奧氏體向鐵素體或珠光體的轉(zhuǎn)變是由體或珠光體的轉(zhuǎn)變是由擴散過程擴散過程控制的結(jié)控制的結(jié)果。果。q但應指出，由于奧氏體均質(zhì)化程度受到焊但應指出，由于奧氏體均質(zhì)化程度受到焊接加熱過程的影響，因而加熱過程也會對接加熱過程的影響，因而加熱過程也會對冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，對此必須冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，對此

14、必須給予充分注意。否則，在分析具體問題時，給予充分注意。否則，在分析具體問題時，可能得出不準確的結(jié)論?？赡艿贸霾粶蚀_的結(jié)論。共析成分成為一個成分范圍共析成分成為一個成分范圍 2345鋼在鋼在Ms附近，焊接曲線右移，即同樣冷卻速度條件下，焊接比熱處理淬硬傾向大。附近，焊接曲線右移，即同樣冷卻速度條件下，焊接比熱處理淬硬傾向大。40Cr在在Ms附近，焊接曲線左移，即同樣冷卻速度下，熱處理比焊接淬硬傾向大。附近，焊接曲線左移，即同樣冷卻速度下，熱處理比焊接淬硬傾向大。q一方面，熔合線附近晶粒因過熱而粗化，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向增大；一方面，熔合線附近晶粒因過熱而粗化，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，

15、使淬硬傾向增大；q另一方面，鋼中的碳化物合金元素另一方面，鋼中的碳化物合金元素( (如如CrCr、W W、MoMo、V V、Ti Ti 、Nb )Nb )只有充分溶解在奧氏只有充分溶解在奧氏體的內(nèi)部，才能增加奧氏體的穩(wěn)定性體的內(nèi)部，才能增加奧氏體的穩(wěn)定性( (即增加淬硬傾向即增加淬硬傾向) )。q在熱處理條件下，可以有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體的內(nèi)部溶解。在熱處理條件下，可以有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體的內(nèi)部溶解。q在焊接條件下，由于加熱速度快、高溫停留時間短，所以這些合金元素不能充分地溶解在焊接條件下，由于加熱速度快、高溫停留時間短，所以這些合金元素不能充分地溶解在奧氏體中，

16、因此降低了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向降低。在奧氏體中，因此降低了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向降低。q正是由于這兩方面的共同作用，使冷卻過程中馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷速發(fā)生變化，亦促使焊正是由于這兩方面的共同作用，使冷卻過程中馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷速發(fā)生變化，亦促使焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖( (焊接焊接CCTCCT圖圖) )上上MsMs點附近的曲線右移或左移。點附近的曲線右移或左移。2425用途：用途：1）確定給定）確定給定時熱時熱影響區(qū)的組織及硬度，影響區(qū)的組織及硬度，2）按照熱影響區(qū)組）按照熱影響區(qū)組織及硬度的要求確定織及硬度的要求確定所需的所需的例如：例如：若若36s，熱影響，熱影響區(qū)的

17、組織組成約為：區(qū)的組織組成約為：10F+5P+85BHV5硬度值為硬度值為240。Q345(16Mn)鋼的CCT圖26272829溫度：溫度：固液相線之間，范圍很窄固液相線之間，范圍很窄特征：特征：焊縫與母材不規(guī)則結(jié)合，形焊縫與母材不規(guī)則結(jié)合，形成參差不齊的分界面成參差不齊的分界面組織：組織：組織性能不均，母材一側(cè)晶組織性能不均，母材一側(cè)晶粒大粒大性能：性能：性能不均，對接頭的強度、性能不均，對接頭的強度、韌性影響大，是裂紋、脆性韌性影響大，是裂紋、脆性破壞發(fā)源地破壞發(fā)源地30溫度：溫度：1100（晶粒開始急劇長大的溫度）（晶粒開始急劇長大的溫度）固相線以下固相線以下特征：特征：加熱溫度高，在

18、固相線附近，一些加熱溫度高，在固相線附近，一些難熔質(zhì)點如碳化物和氮化物等溶入難熔質(zhì)點如碳化物和氮化物等溶入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：組織：粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下形成過熱組織形成過熱組織魏氏組織魏氏組織性能：性能：韌性很低，韌性下降韌性很低，韌性下降20%30%，塑性低，與熔合區(qū)一樣，是接頭的塑性低，與熔合區(qū)一樣，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)措施：措施：嚴重時采用焊后正火處理（如電渣嚴重時采用焊后正火處理（如電渣焊）焊）31溫度：溫度：Ac31100 特征：特征：加熱和冷卻過程中經(jīng)受了加熱和冷卻過程中經(jīng)受了兩次重結(jié)晶相變，使晶粒兩次重

19、結(jié)晶相變，使晶粒得到顯著的細化。得到顯著的細化。組織：組織：相當于低碳鋼正火處理后相當于低碳鋼正火處理后的組織。的組織。性能：性能：較好的綜合性能較好的綜合性能32溫度：溫度：Ac1Ac3之間（之間（700850 ）特征：特征：一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，形成晶粒細小的鐵晶過程，形成晶粒細小的鐵素體素體+珠光體，另一部分未珠光體，另一部分未相變的鐵素體長大成為粗大相變的鐵素體長大成為粗大鐵素體。鐵素體。組織：組織：組織不均，原始的鐵素體晶組織不均，原始的鐵素體晶粒和細晶粒的混合區(qū)粒和細晶粒的混合區(qū)性能：性能：力學性能差。力學性能差。33返回不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組

20、織分布不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布34溫度：溫度：熱影響區(qū)熱影響區(qū)AcAc3 3以上以上特征：特征：加熱時轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在快速冷卻時，加熱時轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在快速冷卻時，淬硬傾向較大，得到淬火組織淬硬傾向較大，得到淬火組織組織：組織：相當于低碳鋼過熱區(qū)的部位為相當于低碳鋼過熱區(qū)的部位為粗大馬粗大馬氏體氏體，相當于正火區(qū)的部位為，相當于正火區(qū)的部位為細小馬細小馬氏體氏體。當焊件母材的淬硬性不是太高。當焊件母材的淬硬性不是太高時，還會出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火時，還會出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織與馬氏體共存的混合組織組織與馬氏體共存的混合組織性能：性能：塑性、韌性差塑性、韌性差35溫度：溫度： A

21、c1Ac3之間之間特征：特征：加熱時珠光體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷加熱時珠光體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻時得到淬火組織；原鐵素體保卻時得到淬火組織；原鐵素體保持不變，有不同程度長大持不變，有不同程度長大組織：組織：馬氏體馬氏體+鐵素體。如含碳量和合金鐵素體。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，元素含量不高或冷卻速度較小時，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。光體。性能：性能：塑性、韌性有所降低塑性、韌性有所降低36溫度：溫度： 焊前母材的回火溫度以上焊前母材的回火溫度以上 Ac1以下以下特征：特征：對于加熱溫度高于焊前回火溫度的部對于加熱溫度高于焊前回火溫度的部分，相當于

22、又進行了更高溫度的回火分，相當于又進行了更高溫度的回火處理處理組織：組織：回火組織回火組織性能：性能：出現(xiàn)出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象回火軟化現(xiàn)象3738母材的淬硬傾向（內(nèi)因）母材的淬硬傾向（內(nèi)因）HAZ的冷卻速度（外因）的冷卻速度（外因）化學成分化學成分焊接規(guī)范焊接規(guī)范39含碳量越高，越容易得到馬氏體組織，含碳量越高，越容易得到馬氏體組織，含碳量越高，馬氏體的硬度越高。含碳量越高，馬氏體的硬度越高。q溶于奧氏體時提高淬硬性溶于奧氏體時提高淬硬性(和淬透性和淬透性)；q而形成不溶碳化物、氮化物時，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進細化而形成不溶碳化物、氮化物時，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進細化晶

23、粒，使淬硬性下降。晶粒，使淬硬性下降。405Mo156Mn)(VCrNiCuCIIWCEBVMoNiCrCuMnSiC51015602030Pcm41降低冷卻速度，一定程度上可降低降低冷卻速度，一定程度上可降低HAZHAZ的硬化性；的硬化性；高溫停留時間高溫停留時間t tH H越長，晶粒粗化，易使合金元素溶于奧氏體，會提高淬硬性越長，晶粒粗化，易使合金元素溶于奧氏體，會提高淬硬性42不同材料的焊接熱影響區(qū)不同材料的焊接熱影響區(qū)及熱影響區(qū)的不同部位都會發(fā)生及熱影響區(qū)的不同部位都會發(fā)生程度不同的材料脆化。程度不同的材料脆化。粗晶脆化粗晶脆化組織脆化組織脆化析出脆化析出脆化熱應變時效脆化熱應變時效脆

24、化氫脆化及石墨脆化氫脆化及石墨脆化 43q鋼中含有碳、氮化物形成元素，就鋼中含有碳、氮化物形成元素，就會阻礙晶界遷移，防止晶粒長大。會阻礙晶界遷移，防止晶粒長大。例如例如18CrWV18CrWV鋼，晶粒顯著長大溫度鋼，晶粒顯著長大溫度可達可達11401140之高之高q不含碳化物元素的不含碳化物元素的23Mn23Mn和和4545號鋼，號鋼，超過超過10001000晶粒就顯著長大。晶粒就顯著長大。晶粒直徑晶粒直徑d d 對脆性轉(zhuǎn)變溫度對脆性轉(zhuǎn)變溫度VTVTrsrs的影響的影響應當注意脆化程度和粗晶區(qū)的組織有關：應當注意脆化程度和粗晶區(qū)的組織有關： 對于不易淬火鋼，主要是晶粒長大，形成粗大魏氏組織對

25、于不易淬火鋼，主要是晶粒長大，形成粗大魏氏組織(W)；降低焊接；降低焊接線能量，提高冷卻速度，可提高韌性。線能量，提高冷卻速度，可提高韌性。 對于易淬火鋼（如高碳低合金高強鋼），提高冷卻速度會產(chǎn)生脆硬的對于易淬火鋼（如高碳低合金高強鋼），提高冷卻速度會產(chǎn)生脆硬的孿晶孿晶M，使脆性增加。應適當提高焊接線能量，降低冷卻速度。，使脆性增加。應適當提高焊接線能量，降低冷卻速度。44q低碳低合金高強鋼：組織脆化主要是低碳低合金高強鋼：組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等所造成。等所造成。q含碳量較高的鋼（含碳量較高的鋼（0.2）：組織脆化主要是高碳馬氏體。）

26、：組織脆化主要是高碳馬氏體。qM-A組元是焊接高強鋼時在一定冷卻速度下形成的。它組元是焊接高強鋼時在一定冷卻速度下形成的。它不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在焊縫中。也出現(xiàn)在焊縫中。q粗大的奧氏體冷卻過程中先形成鐵素體，而使殘余奧氏體的碳濃度增高，隨粗大的奧氏體冷卻過程中先形成鐵素體，而使殘余奧氏體的碳濃度增高，隨后這種高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即后這種高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。組元。 qM-A組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。qM-A組元只在生成上貝氏體的

27、冷卻條件下才能觀察到，組元只在生成上貝氏體的冷卻條件下才能觀察到，冷速太快和太慢冷速太快和太慢都不都不能產(chǎn)生能產(chǎn)生M-A組元。組元。 q焊縫和焊縫和HAZ有有M-A組元存在時，會降低接頭韌性。組元存在時，會降低接頭韌性。45q在焊接碳化物或氮化物形成元素的鋼時，在過熱區(qū)母材中原有第二相（各類碳、在焊接碳化物或氮化物形成元素的鋼時，在過熱區(qū)母材中原有第二相（各類碳、氮化物的沉淀相）經(jīng)一定溫度和一定時間后沿晶界不均勻析出，或發(fā)生聚集，氮化物的沉淀相）經(jīng)一定溫度和一定時間后沿晶界不均勻析出，或發(fā)生聚集，或沿晶界以薄膜狀分布，或沿晶界以薄膜狀分布，阻礙位錯運動阻礙位錯運動，從而使金屬的強度和硬度提高，

28、造成，從而使金屬的強度和硬度提高，造成脆化。脆化。q若析出物以若析出物以細小彌散細小彌散的質(zhì)點均勻地分布在晶內(nèi)和晶界時，不但不發(fā)生脆化，還的質(zhì)點均勻地分布在晶內(nèi)和晶界時，不但不發(fā)生脆化，還將有利于改善韌性。將有利于改善韌性。q雜質(zhì)元素（如雜質(zhì)元素（如S、P、Sn、Sb等）在晶界的偏析也會嚴重損害韌性。鋼中雜質(zhì)等）在晶界的偏析也會嚴重損害韌性。鋼中雜質(zhì)元素越多，脆性越嚴重，因為這些雜質(zhì)元素將降低金屬的結(jié)合能。因此，母材元素越多，脆性越嚴重，因為這些雜質(zhì)元素將降低金屬的結(jié)合能。因此，母材純度越低，近縫區(qū)的韌性越難控制。純度越低，近縫區(qū)的韌性越難控制。q 應指出，應指出，強度和硬度提高并不一定發(fā)生脆

29、化強度和硬度提高并不一定發(fā)生脆化（如（如時效馬氏體鋼時效馬氏體鋼等）。但等）。但發(fā)生脆發(fā)生脆化必然伴隨強度和硬度的提高化必然伴隨強度和硬度的提高。46HAZ焊縫焊縫封頭封頭產(chǎn)生應變時效脆化的原因：產(chǎn)生應變時效脆化的原因：主要是由于應變引起位錯增殖，焊接熱循環(huán)時，碳、氮原子析集到主要是由于應變引起位錯增殖，焊接熱循環(huán)時，碳、氮原子析集到這些位錯的周圍形成所謂這些位錯的周圍形成所謂Cottrell氣團，氣團，對位錯產(chǎn)生釘扎和阻塞對位錯產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使作用而使材料脆化。材料脆化。明顯產(chǎn)生熱應變時效脆化的部位是明顯產(chǎn)生熱應變時效脆化的部位是HAZ的熔合的熔合區(qū)和區(qū)和Ar1以下的亞臨界以下的亞臨界

30、HAZ（200400）47q特征是強度和硬度增高，而塑性、韌性下降。特征是強度和硬度增高，而塑性、韌性下降。q只有鋼中存在碳、氮自由間隙原子時才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。只有鋼中存在碳、氮自由間隙原子時才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。q在室溫或低溫下受到預應變，如工件下料、剪切、彎曲成形等，隨后加在室溫或低溫下受到預應變，如工件下料、剪切、彎曲成形等，隨后加熱產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象。熱產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象。q因加熱預應變的同時，氮、碳的擴散也在進行，所以稱為因加熱預應變的同時，氮、碳的擴散也在進行，所以稱為“動動”。q焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化多數(shù)是由動應變時效所引起。焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化多數(shù)是由動應變時效所引起。q通常

31、所說的通常所說的“藍脆性藍脆性”就屬于動應變時效脆化現(xiàn)象。就屬于動應變時效脆化現(xiàn)象。4849調(diào)質(zhì)鋼焊接調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的硬度分布的硬度分布A焊前淬火焊前淬火+低溫回火；低溫回火；B焊前淬火焊前淬火+高溫回火；高溫回火；C焊前退火焊前退火 1淬火區(qū)；淬火區(qū)；2部分淬火；部分淬火；3回火區(qū)回火區(qū)q焊接調(diào)質(zhì)處理后的鋼（特別是焊接調(diào)質(zhì)處理后的鋼（特別是中碳調(diào)質(zhì)鋼），在重新加熱到中碳調(diào)質(zhì)鋼），在重新加熱到超過超過它的調(diào)質(zhì)處理時的它的調(diào)質(zhì)處理時的回火溫回火溫度度后就會出現(xiàn)軟化問題。后就會出現(xiàn)軟化問題。q焊前所處的焊前所處的熱處理狀態(tài)不同熱處理狀態(tài)不同，軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度有

32、很大差別。有很大差別。q母材焊前調(diào)質(zhì)處理的回火溫度母材焊前調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低越低，焊后，焊后HAZHAZ軟化區(qū)域軟化區(qū)域越寬越寬，它相對于母材的軟化程度也它相對于母材的軟化程度也越越大大。5051q合金時效過程中，由于析出不同的合金時效過程中，由于析出不同的脫脫溶產(chǎn)物溶產(chǎn)物而使其強化。而使其強化。q低溫時效時以形成原子低溫時效時以形成原子偏聚區(qū)（即偏聚區(qū)（即GP區(qū)）區(qū)）為主，其強化作用來源于形成為主，其強化作用來源于形成GP區(qū)時造成的應力場對區(qū)時造成的應力場對位錯運動的阻礙位錯運動的阻礙作用。作用。q經(jīng)低溫時效的合金重新加熱到較高溫經(jīng)低溫時效的合金重新加熱到較高溫度時，低溫下形成的度時，低

33、溫下形成的GP區(qū)將區(qū)將迅速溶解迅速溶解于基體中，于基體中，GP區(qū)所造成的強化效果也區(qū)所造成的強化效果也隨之消失。隨之消失。 LD2鋁合金鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象的軟化現(xiàn)象( (HR為表面洛氏硬度為表面洛氏硬度) () (自動自動TIG焊焊) )52q采用低碳微合金化鋼：采用低碳微合金化鋼：利用微量元素彌散強化、固溶強化，提高利用微量元素彌散強化、固溶強化，提高材料的熱穩(wěn)定材料的熱穩(wěn)定性性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。這些鋼在焊接熱影響區(qū)可獲得韌性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。這些鋼在焊接熱影響區(qū)可獲得韌性較高的組織較高的組織針狀鐵素體、下貝氏體或低碳馬氏體，同時還有彌散分布的強針狀鐵

34、素體、下貝氏體或低碳馬氏體，同時還有彌散分布的強化質(zhì)點。化質(zhì)點。q 采用控軋工藝：采用控軋工藝：得到得到細晶粒鋼細晶粒鋼。q采用爐內(nèi)精練、爐外提純等一系列工藝：采用爐內(nèi)精練、爐外提純等一系列工藝：使鋼中的雜質(zhì)使鋼中的雜質(zhì)(S、P、N、O等等)含量極含量極低，加之微量元素的強化作用，而得到低，加之微量元素的強化作用，而得到高純度、細晶粒的高強度鋼高純度、細晶粒的高強度鋼。這些鋼有。這些鋼有很高的韌性，熱影響區(qū)的韌性相應也有明顯的提高。很高的韌性，熱影響區(qū)的韌性相應也有明顯的提高。在母材選用上，必須注重合理性。也就是說，鋼材的質(zhì)量與價格應與產(chǎn)品在母材選用上，必須注重合理性。也就是說，鋼材的質(zhì)量與價

35、格應與產(chǎn)品的重要性及工作條件相匹配，而不是一味追求高質(zhì)量。的重要性及工作條件相匹配，而不是一味追求高質(zhì)量。53q焊后熱處理焊后熱處理(如正火或正火加回火如正火或正火加回火)可以改善組織，有效提高性能，是重可以改善組織，有效提高性能，是重要產(chǎn)品制造中常用的一種工藝方法。要產(chǎn)品制造中常用的一種工藝方法。q但對大型的、復雜的或在工地裝配的結(jié)構(gòu)，即使采用局部熱處理也很困但對大型的、復雜的或在工地裝配的結(jié)構(gòu)，即使采用局部熱處理也很困難，因此焊后熱處理的應用很有局限性。難，因此焊后熱處理的應用很有局限性。5455焊接熱模擬技術從焊接熱模擬技術從2020世紀世紀4040年代開始年代開始, , 在在美國、前蘇

36、聯(lián)美國、前蘇聯(lián)及日本及日本等國家興起。后來各國對該項技術及其裝置的研究都等國家興起。后來各國對該項技術及其裝置的研究都非常重視非常重視, , 并取得了很大的進展。并取得了很大的進展。我國從我國從2020世紀世紀6060年代年代開始研究焊接熱模擬技術開始研究焊接熱模擬技術, , 相繼推相繼推出各種類型的焊接熱模擬試驗機出各種類型的焊接熱模擬試驗機, , 利用這項技術為我國的國民利用這項技術為我國的國民經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻。經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻。目前我國材料及熱加工模擬技術已取得了很大的進步目前我國材料及熱加工模擬技術已取得了很大的進步, , 該領域的研究和應用已達到了很高的水平該領域的研究和應用已達

37、到了很高的水平, , 由于計算機技術的由于計算機技術的發(fā)展發(fā)展, , 材料及加工模擬技術已經(jīng)成為材料科學中非?；钴S的研材料及加工模擬技術已經(jīng)成為材料科學中非?；钴S的研究領域。物理模擬及數(shù)值模擬技術使材料科學的研究究領域。物理模擬及數(shù)值模擬技術使材料科學的研究“定量定量化化”及及“科學化科學化”, , 不再是不再是“定性定性“的經(jīng)驗型的低水平研究。的經(jīng)驗型的低水平研究。熱模擬技術對于推動材料科學的發(fā)展具有重要意義。熱模擬技術對于推動材料科學的發(fā)展具有重要意義。56q焊接接頭的力學性能是指焊縫和焊接接頭的力學性能是指焊縫和HAZ的綜合力學性能。對某些材料，的綜合力學性能。對某些材料，如低合金高強鋼

38、，如低合金高強鋼，HAZ是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，接頭性能往往取決于是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，接頭性能往往取決于HAZ的力學性能。的力學性能。q由于由于HAZ十分狹窄，且又分為組織特征極不相同的許多更小的區(qū)域，十分狹窄，且又分為組織特征極不相同的許多更小的區(qū)域，因此，常規(guī)試驗只能反映因此，常規(guī)試驗只能反映HAZ整體性能，不能反映各小區(qū)性能。整體性能，不能反映各小區(qū)性能。q焊接熱模擬試驗方法就是在上述情況下提出來的，其目的就是用來焊接熱模擬試驗方法就是在上述情況下提出來的，其目的就是用來研究焊接熱影響區(qū)中各個小區(qū)的組織和性能的變化規(guī)律。研究焊接熱影響區(qū)中各個小區(qū)的組織和性能的變化規(guī)律。 5758采用熱模擬技

39、術采用熱模擬技術, , 就可以在一定尺寸的試件上就可以在一定尺寸的試件上, , 模擬焊接熱循環(huán)及模擬焊接熱循環(huán)及焊接應力應變對焊接熱影響區(qū)中某個區(qū)段的影響焊接應力應變對焊接熱影響區(qū)中某個區(qū)段的影響, , 從而研究該區(qū)段的組從而研究該區(qū)段的組織及性能的變化規(guī)律織及性能的變化規(guī)律。利用該項技術可以研究金屬的焊接性。利用該項技術可以研究金屬的焊接性, ,主要應用有：主要應用有：q研究焊接熱影響區(qū)不同區(qū)段的組織及力學性能研究焊接熱影響區(qū)不同區(qū)段的組織及力學性能q研究焊接熱影響區(qū)的粗晶脆化研究焊接熱影響區(qū)的粗晶脆化q研究焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化研究焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化q研究冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋及

40、層狀撕裂的形成條件及產(chǎn)生機理研究冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂的形成條件及產(chǎn)生機理q繪制焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖繪制焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖(SHCCT(SHCCT圖圖) )此外此外, , 還可以應用于金屬材料的熱強性、熱塑性、熱疲勞、高溫蠕還可以應用于金屬材料的熱強性、熱塑性、熱疲勞、高溫蠕變、動態(tài)再結(jié)晶等方面的研究工作。變、動態(tài)再結(jié)晶等方面的研究工作。冶金工業(yè)中的鑄鋼高溫流變行為、連鑄鋼的高溫力學性能以及變形冶金工業(yè)中的鑄鋼高溫流變行為、連鑄鋼的高溫力學性能以及變形速度對不同溫度下材料強度的影響速度對不同溫度下材料強度的影響, , 模擬軋制、模擬鍛造工藝等方面也模擬軋制、模擬鍛造工藝等方面也成功地應用了焊接熱模擬技術。成功地應用了焊接熱模擬技術。59例如例如: :模擬焊接冷裂紋模擬焊接冷裂紋模擬焊接冷裂紋的模擬焊接冷裂紋的淬硬組織、氫的聚集、拘束應力淬硬組織、氫的聚集、拘束應力等三個因素等三個因素q利用焊接熱模擬試驗機對試樣進行按照給定程序的加熱及加載；利用焊接熱模擬試驗機對試樣進行按照給定程序的加熱及加載；q試樣加熱到峰值溫度后試樣加熱到峰值溫度后, , 冷卻到冷卻到900 900 左右時左右時, , 對試進行恒溫充對試進行恒溫充氫；氫；q然后按規(guī)定的冷卻速度冷卻。在冷卻過程中然后按規(guī)定的冷卻速度冷卻。在冷卻過程中, , 控制其應