材料成型理論基礎(chǔ)課件 第七章 焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能

1材料成形原理第二篇連接成形理論基礎(chǔ)16學(xué)時(shí)周龍?jiān)珉娫?mail:lzzhou@2一、材料成形與制造二、材料成形的專業(yè)內(nèi)涵三、本課程的教學(xué)目的與內(nèi)容緒論3一、材料成形與制造業(yè)

原材料(錠料、軋材)凝固成形塑性成形焊接成形表面加工熱處理切削加工裝配

切削加工切削加工凝固成形塑性成形焊接成形機(jī)器毛坯零件4大型運(yùn)輸機(jī)5航空母艦6大型客機(jī)7服裝高速列車8自動(dòng)化生產(chǎn)裝備9材料加工的主要方法加工冷加工熱加工鑄鍛焊——凝固（液態(tài)）成形——連接成形熱處理、表面加工、粉冶加工——塑性（高溫、室溫）成形——車、銑、刨、鉗、磨10二、材料成形的專業(yè)內(nèi)涵材料基本理論……加工對象機(jī)電控制理論……加工設(shè)備各類工藝知識(shí)……加工過程11［凝固成形］：熔煉金屬，并將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔中，凝固成為一定形狀和性能的鑄件。12［塑性成形］：利用金屬能夠產(chǎn)生塑性變形的能力，使金屬在外力作用下，加工成一定形狀的成形方法。13[焊接]：通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使焊件達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法。14《材料成形原理》課程教學(xué)目的與內(nèi)容鑄造焊接鍛壓過程中的金屬學(xué)原理冶金原理物化原理熱力學(xué)原理塑性力學(xué)原理學(xué)習(xí)三、本課程的教學(xué)目的與內(nèi)容15第七章焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能第八章成形過程的冶金反應(yīng)原理第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

第十章特種連接成形原理與方法（自學(xué)）教學(xué)內(nèi)容16教材及主要參考書目教材吳樹森.《材料成形原理》（第2版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2008主要參考書1.張文鉞.《焊接冶金學(xué)》（基本原理）.機(jī)械工業(yè)出版社，19952.周振峰.《焊接冶金學(xué)》（金屬焊接性）.機(jī)械工業(yè)出版社，19953.SindoKou.WeldingMetallurgy(2nded.).JohnWiley&Sons,Inc.,Hoboken,NewJersey,20024.期刊：焊接學(xué)報(bào)、電焊機(jī);WeldingJournal,ScienceandTechnologyofWeldingandJoining

17第七章焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能第一節(jié)焊接及其冶金特點(diǎn)第二節(jié)焊縫金屬的組織與性能第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織與性能18一、焊接二、熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程三、焊接溫度場第一節(jié)焊接及其冶金特點(diǎn)19一、焊接（Welding/Joining）

定義：被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。

（一）焊接及其物理本質(zhì)20從理論上講，當(dāng)兩個(gè)被連接的固體材料表面接近到一定程度（0.3～0.5nm)，就可以在接觸表面上進(jìn)行擴(kuò)散、再結(jié)晶等物理化學(xué)過程，形成金屬鍵，達(dá)到連接的目的。為使金屬表面緊密接觸：

1.加壓：破壞氧化膜，增加接觸面積。(冷焊)2.加熱：使結(jié)合處達(dá)到塑性或熔化狀態(tài)，接觸表面的氧化膜迅速破壞，降低變形阻力，促進(jìn)擴(kuò)散，結(jié)晶形成冶金結(jié)合。(熔焊)

3.同時(shí)加熱加壓。（電阻焊）21實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件:外界提供相應(yīng)的能量加熱加壓既加熱又加壓純鐵焊接時(shí)所需的溫度及壓力熔焊區(qū)電阻焊區(qū)Ⅰ高壓焊接區(qū)Ⅳ不能焊接區(qū)22（二）、焊接方法的分類

（1）熔化焊

(fusionwelding)

將焊接接頭局部加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力而完成焊接的方法。（2）壓力焊

(pressurewelding)

必須對焊件施加壓力而完成焊接的方法。（3）釬焊

(brazing,soldering)

采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。23螺栓焊手弧焊埋弧焊氬弧焊CO2焊電弧焊熔化極不熔化極鎢極氬弧焊原子氫焊等離子弧焊氣焊氧氫氧乙炔空氣乙炔鋁熱焊電渣焊電子束焊激光束焊電阻點(diǎn)、縫焊電阻對焊冷壓焊超聲波焊鍛焊爆炸焊擴(kuò)散焊摩擦焊壓力焊釬焊熔化焊基本焊接方法火焰釬焊感應(yīng)釬焊爐釬焊鹽浴釬焊電子束釬焊24熔焊與釬焊的組織區(qū)別25

焊接熱源的種類、特點(diǎn)及示例電弧熱：利用氣體介質(zhì)中的電弧放電過程所產(chǎn)生的熱能作為熱源（手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等）化學(xué)熱：利用可燃?xì)怏w（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑與氧或氧化物發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能作為熱源（氣焊、熱劑焊）電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體及其界面時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源（電阻焊和電渣焊）摩擦熱：由機(jī)械高速摩擦所產(chǎn)生的熱能作為熱源（摩擦焊、攪拌摩擦焊）電子束：在真空中利用高壓下高速運(yùn)動(dòng)的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能（電子束焊）激光束：利用受激輻射而增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割）26焊接熱源的特點(diǎn)熱源最小加熱面積cm2最大功率密度W.cm-2溫度K乙炔火焰10-22×1033400~3500金屬極電弧10-31046000鎢極氬弧焊（TIG）10-31.5×1048000埋弧焊10-32×1046400電渣焊10-21042300熔化極氬弧焊(MIG)10-4104~105CO2氣體保護(hù)焊10-4104~

105等離子焰10-51.5×10518000~24000電子束10-7107~

109激光束10-8107~

10929焊接熱源及焊接方法實(shí)例一

ArcWelding(電弧焊)電?。ˋrc）30手工焊條電弧焊（SMAW）焊條焊芯保護(hù)氣氛電弧熔池焊渣SMAW：ShieldedMetalArcWeldingAlsoknowas:ManualMetalArcWelding,StickWelding

電弧基體金屬焊縫31SubmergedArcWelding(埋弧焊,SAW)32MetalInertGasWelding（熔化極惰性氣體保護(hù)焊，MIG焊）33TungstenInertGasWelding（鎢極氬弧焊，TIG焊）34焊接熱源及焊接方法示例二

化學(xué)反應(yīng)熱氧乙炔焊35焊接熱源及焊接方法示例二

化學(xué)反應(yīng)熱鋁熱劑焊Thermit36焊接熱源及焊接方法示例三

電阻熱電阻焊37焊接熱源及焊接方法示例四

釬焊軟釬焊soldering<450℃軟釬料SnPb硬釬焊brazing>450℃硬釬料銀基、銅基、鎳基等合金38二、熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程熔焊焊接接頭的形成過程：加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變直至形成焊接接頭。焊接熱過程焊接化學(xué)冶金過程焊接物理冶金過程39（一）焊接熱過程熔焊時(shí)，被焊金屬及焊接材料在熱源作用下局部受熱并熔化，熱源移走后焊接熔池冷卻凝固，焊縫及熱影響區(qū)金屬發(fā)生固態(tài)相變，直至冷卻至室溫的過程。特點(diǎn)：整個(gè)焊接過程自始至終都是在焊接熱作用過程中發(fā)生和發(fā)展的。影響：與冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變、焊接溫度場和應(yīng)力變形密切相關(guān)，是影響焊接接頭質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。40（二）焊接化學(xué)冶金過程熔焊時(shí)，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間發(fā)生一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬的氧化、還原、脫硫、脫磷、合金化等。影響：直接影響焊縫金屬的成分、組織和性能，因此控制焊接化學(xué)冶金過程是提高焊接質(zhì)量重要的途徑之一。研究重點(diǎn)：1）細(xì)化晶粒（氧化物冶金，Ti2O3、MgO、CaO，MnS、BN、TiN）；變質(zhì)處理（微量合金元素Ti、Mo、Nb、V、Zr、B、RE）；2）適當(dāng)降低焊縫C含量，最大限度排除雜質(zhì)（S、P、O、N、H），使焊縫凈化，提高焊縫韌性；3）焊縫化學(xué)成分和力學(xué)性能計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。41（三）焊接物理冶金過程焊接物理冶金過程：包括焊接過程中的金屬凝固結(jié)晶和相變過程，包括焊縫金屬（焊接材料及母材金屬局部熔化）的凝固結(jié)晶、固態(tài)相變以及熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變。焊接接頭的組成（分區(qū)）焊縫（WeldMetal,WM）熔合區(qū)（FusionZone,FZ）熱影響區(qū)（Heat-affectedZone,HAZ）母材（BaseMetal,BM）42如何保證焊接接頭的性能：1）選擇合適的母材；2）根據(jù)母材，選擇合適的焊接材料；3）控制焊接熱過程，使焊縫金屬達(dá)到成分和組織要求，保證焊縫力學(xué)性能；4）控制HAZ的組織轉(zhuǎn)變，保證HAZ的力學(xué)性能。使整個(gè)焊接接頭滿足設(shè)計(jì)及使用要求。此外，在焊接化學(xué)冶金和物理冶金過程中：焊縫金屬的凝固結(jié)晶和固態(tài)相變：與偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、脆化等缺陷相關(guān)。熱影響區(qū)：與脆性、組織轉(zhuǎn)變、裂紋等相關(guān)。43三、焊接溫度場熔焊時(shí)焊接傳熱的基本形式：熱能由熱源傳給焊件：輻射和對流為主；熱能在母材和焊接材料中的傳播：熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過程的研究內(nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化問題。因此，研究焊接溫度場時(shí)主要考慮熱傳導(dǎo)，適當(dāng)考慮輻射和對流。44（一）焊接溫度場的一般特征焊接溫度場的定義：焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時(shí)的溫度分布。T=f(x,y,z,t)

式中T---焊件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度;

x,y,z----焊件某點(diǎn)的空間坐標(biāo);

t---時(shí)間。可以用等溫線表示，等溫線之間單位距離的溫度差，稱為溫度梯度。45穩(wěn)定溫度場非穩(wěn)定溫度場準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場

正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動(dòng)的，在加熱開始時(shí)，溫度升高的范圍會(huì)逐步擴(kuò)大，而達(dá)到一定極限后，不再變化，只是隨熱源移動(dòng)。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。46根據(jù)焊件的尺寸和熱源的性質(zhì)，焊接傳熱可分為：1）三維傳熱（空間傳熱）：厚大焊件表面堆焊，點(diǎn)狀熱源；2）二維傳熱（平面?zhèn)鳠幔阂淮魏竿傅谋“澹€狀熱源；3）一維傳熱（線性傳熱）：細(xì)棒的電阻焊對，面熱源。（二）焊接溫度場的表達(dá)式47（1）厚板q—有效熱功率;—熱導(dǎo)率;a—熱擴(kuò)散率;V—焊接速度;48（2）薄板49（三）影響溫度場的因素焊接工藝參數(shù)的影響（a）焊接速度V（b）熱源的有效功率q（c）q與V同時(shí)變化502.金屬熱物理性質(zhì)的影響λ-導(dǎo)熱系數(shù)J/(cm*s*℃)α-熱擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s，α=λ/(c*ρ)c-比熱容J/(g*℃)ρ-密度g/cm351第二節(jié)焊縫金屬的組織與性能一、焊接熔池的結(jié)晶（一）熔池的特征

1.熔池的體積小，冷卻速度大熔池的形狀與尺寸

（≤30cm3

，≤100g）冷卻速度大平均4～100℃/s，約為鑄造的104倍。（鋼錠的平均冷卻速度約為3×10-4

～150×10-4℃/s。因此，對于含碳高、合金元素較多的鋼種容易產(chǎn)生淬硬組織，甚至焊道上產(chǎn)生裂紋。由于冷卻很快，熔池中心和邊緣還有較大的溫度梯度，致使焊縫中柱狀晶得到很大發(fā)展。所以一般情況下焊縫中沒有等軸晶，只有在焊縫斷面的上部有少量的等軸晶(電渣焊除外)。522.熔池的溫度高

1770±100℃>鋼錠：～1550℃熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)合金元素?zé)龘p，非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減少，促使焊縫中的柱狀晶得到發(fā)展。3.熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)晶熔化前沿隨熱源同步運(yùn)動(dòng)液態(tài)金屬受到力的攪拌運(yùn)動(dòng)熔池金屬存在對流運(yùn)動(dòng)凝固速度快這一點(diǎn)對于排除氣體和夾雜是很有利的，也有利于得到致密而性能良好的焊縫。53（二）熔池凝固的特點(diǎn)

與鋼錠的結(jié)晶一樣都經(jīng)歷形核和晶核長大的過程。然而，由于焊接熔池的凝固屬于非平衡凝固，使焊接熔池的焊縫組織具有獨(dú)特的形態(tài)。54熔池中晶核的形成在焊接條件下，熔池中存在有兩種現(xiàn)成表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)(在一般正常情況下所起作用不大)；另一種就是熔合區(qū)附近加熱到半熔化狀態(tài)基本金屬的晶粒表面，非自發(fā)晶核就依附在這個(gè)表面上，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形成所謂交互結(jié)晶(或稱聯(lián)生結(jié)晶、外延結(jié)晶)。焊接時(shí)，為改善焊縫金屬的性能，通過焊接材料加入一定量的合金元素(如鉬、釩、鈦、鈮等)可以作為熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)，從而使焊縫金屬晶粒細(xì)化。1.聯(lián)生結(jié)晶55聯(lián)生結(jié)晶示意圖56柱狀晶的成長，其主軸具有嚴(yán)格的結(jié)晶位向。每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)晶取向,對于立方點(diǎn)陣的金屬（Fe,Ni,Cu,Al），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)?lt;100>。溫度梯度最大的方向，散熱最快，也是晶粒易于生長的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當(dāng)母材晶粒取向<100>與導(dǎo)熱最快的方向一致時(shí)，即垂直熔池邊界時(shí)，晶粒生長最快；而有的晶粒<100>處于熔池邊界等溫線的偏斜方向，顯然不利于其成長。這就是焊縫中柱狀晶擇優(yōu)長大的結(jié)果。2.擇優(yōu)成長573.凝固線速度ds=dxcosθR=vcosθ(7-3)58

R=vcos

晶粒成長的平均線速度在0～v范圍內(nèi)變化在熔池邊界(Y=OB,Ky=1)∵＝90°，∴R→0

在焊縫中心(Y=0,Ky=0)∵＝0°，∴R＝vR有波動(dòng)、凝固速度非?？煸谌酆暇€上最小（等于零），在焊縫中心最大（等于焊速）。焊接工藝參數(shù)與角的關(guān)系如下：對于厚大焊件表面快速堆焊：(7-4)對于薄板自動(dòng)焊：(7-5)594.焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向及平均線速度的影響

由(7-4)可知，當(dāng)焊速越大時(shí)，

角越大，也就是晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線。相反，當(dāng)焊速越小時(shí)，晶粒主軸的成長方向越彎曲。60注意：當(dāng)晶粒主軸垂直于焊縫中心時(shí)，易形成脆弱的結(jié)合面；因此，采用過大焊速時(shí)，常在焊縫中心出現(xiàn)縱向裂紋。對于焊接奧氏體鋼和鋁合金時(shí)應(yīng)特別注意不能采用大的焊速。61焊接速度對結(jié)晶成長平均線速度的影響：

當(dāng)功率不變的情況下，增大焊接速度，晶粒成長平均線速度（即結(jié)晶速度）也增大，結(jié)晶加快。

當(dāng)焊接速度比較小時(shí)（0.1cm/s），結(jié)晶速度的增長率比較小，上升緩慢。當(dāng)焊速增大時(shí)（1.0cm/s），結(jié)晶速度增長率比較大，上升比較劇烈。以上的討論僅是根據(jù)理論上的分析，實(shí)際上，結(jié)晶速度與熔池中析出結(jié)晶潛熱，熱源作用的周期性變化，化學(xué)成分的不均勻性，元素?cái)U(kuò)散等因素都有密切關(guān)系。因此，它的變化規(guī)律是很復(fù)雜的。621.柱狀晶 （三）焊縫金屬凝固組織的形態(tài)

焊縫金屬凝固組織的形態(tài)具有柱狀晶及多種亞結(jié)構(gòu)，包括平面晶、胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶以及等軸晶。（1）平面結(jié)晶產(chǎn)生條件：G＞0，且G很大，無成分過冷特征：平面晶63（2）胞狀晶條件：有較小的成分過冷特征：斷面呈六角形，細(xì)胞或蜂窩狀。64（3）胞狀樹枝晶產(chǎn)生條件：過冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面呈胞狀。65（4）樹枝晶產(chǎn)生條件：過冷度較大。特征：主枝長，主枝向四周伸出二、三次橫枝，并能得到很好的生長。66672.等軸晶產(chǎn)生條件：Ｇ很小，成分過冷度大。特征：結(jié)晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)可自發(fā)生核，形成自由長大的等軸樹枝晶。68成分過冷與合金中溶質(zhì)的濃度C0，結(jié)晶速度R以及溫度梯度有關(guān)。當(dāng)G、R一定時(shí)，C0↑→成分過冷↑當(dāng)C0一定時(shí)，R↑→成分過冷↑當(dāng)C0

，R一定時(shí)，G↑→成分過冷↓69

3.焊縫各部位結(jié)晶形態(tài)的變化熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。70實(shí)際焊縫凝固金屬的組織形態(tài)實(shí)際焊縫凝固金屬的各種形態(tài)不一定具有上述全部結(jié)晶形態(tài)，一般來說由柱狀晶和少量等軸晶構(gòu)成。柱狀晶+少量等軸晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶等軸晶內(nèi)：樹枝晶71

鎢極氬弧焊接凝固組織純度為99.99%的鋁焊縫-a）純度為99.6%的鋁焊縫-b）、c）72焊接工藝參數(shù)對焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響焊接速度的影響V↑→G↓→成分過冷區(qū)↑等軸晶胞狀樹枝晶73焊接工藝參數(shù)對焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響粗胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀樹枝晶74（四）改善焊縫金屬一次結(jié)晶形態(tài)的措施1.調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)：焊接電流I、電弧電壓U、焊接速度V、預(yù)熱溫度T。目的：控制母材半熔化區(qū)晶粒大小，熔池的溫度梯度、冷卻速度和幾何尺寸，最終控制晶粒尺寸和成長方向。在不預(yù)熱的情況下，一般提高焊接速度，降低熱輸入，可以達(dá)到細(xì)化18-8鎳鉻不銹鋼和低合金鋼焊縫金屬凝固組織的目的，在消除鎳基合金微裂紋中起重要作用。752.變質(zhì)劑處理通過焊接材料（焊條、焊絲、焊劑）加入變質(zhì)劑：Ti、B、Ce、Zr等元素目的：作為表面活性物質(zhì)促進(jìn)形核，阻止微小晶粒的生長和聚集，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。加入量在0.03~0.5%。由于焊縫金屬的外延生長，變質(zhì)處理的效果不太顯著。763.熔池?cái)嚢栊?yīng)攪拌熔池的方法：機(jī)械振蕩、超聲波振蕩和電磁攪拌等。目的：破壞正在成長的晶粒從而獲得細(xì)晶組織。目前，實(shí)際應(yīng)用于鋁合金的焊接，利用強(qiáng)磁場攪拌，改善凝固組織。77二、焊縫金屬的組織（一）低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織以鐵素體（F）（白色）為主，加上少量的珠光體（P=F+Fe3C）。焊縫金屬過熱時(shí)，可促使魏氏組織形成。魏氏組織固態(tài)相變（二次結(jié)晶組織）78（二）低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織1.鐵素體（Firrite，F(xiàn)）（1）先共析鐵素體（Pro-eutectoidFerrite，PF）轉(zhuǎn)變溫度：770-680℃；位置：沿奧氏體晶界,又稱為粒界鐵素體（GrainBoundaryFerrite,GBF)形態(tài)：長條形或多邊形塊狀性能特點(diǎn)：使韌性下降（低屈服點(diǎn)）條狀塊狀79（2）側(cè)板條鐵素體（FerriteSidePlate，F(xiàn)SP）轉(zhuǎn)變溫度：700-550℃位置：從晶界鐵素體側(cè)面向晶內(nèi)生長形狀：板條狀，形態(tài)如鎬牙狀性能特點(diǎn)：使韌性下降80（3）針狀鐵素體（AcicularFerrite，AF）轉(zhuǎn)變溫度：500℃；位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形態(tài)：針狀條件：中等冷卻速度性能特點(diǎn)：韌性好81（4）細(xì)晶鐵素體（FineGrainFerrite，F(xiàn)GF）轉(zhuǎn)變溫度：500℃以下位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形狀：細(xì)晶狀條件：存在細(xì)化晶粒的元素（Ti，B等）性能特點(diǎn)：韌性好晶內(nèi)白色塊狀為FGF822.珠光體（Pearite，P）珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型相變，需要Fe和C原子相當(dāng)大的擴(kuò)散遷移運(yùn)動(dòng)。它是接近平衡下的組織，焊接條件(非平衡)下,得到的P量很少。只有在較高溫度（Ar1～550℃）和較慢的冷卻速度下才能進(jìn)行。833.貝氏體（Bainite，B）中溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度550℃~Ms（1）上貝氏體(UpperBainite，Bu)轉(zhuǎn)變溫度：550-450℃；位置：沿奧氏體晶界析出形態(tài)：呈羽毛狀，平行的條狀鐵素體之間分布有滲碳體性能特點(diǎn)：韌性較差（小條狀Fe3C分割了基體的連續(xù)性）84（2）下貝氏體（LowerBainite，BL）轉(zhuǎn)變溫度：450℃-Ms形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體的機(jī)械混合物性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性都較好85（3）粒狀貝氏體(GrainBainite,BG)/條狀貝氏體(LathBainite,BL)M－A組元（ConstitutionM-A)

在塊狀鐵素體形成之后，待轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體呈島狀分布在塊狀鐵素體之中，在一定的合金成分和冷卻速度下，這些富碳的奧氏體島可轉(zhuǎn)變?yōu)楦惶捡R氏體和殘余奧氏體。富碳馬氏體和殘余奧氏體硬度高。在塊狀鐵素體上的Ｍ－Ａ組元，以粒狀分布時(shí)，即為“粒狀貝氏體”；以條狀分布時(shí)，稱為“條狀貝氏體”864.馬氏體（Martensite，M）當(dāng)焊縫中含Ｃ量較高或合金元素含量較多時(shí)，在快速冷卻條件下，冷卻到Ｍs以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。（1）板條馬氏體（LathMartensite）、低碳馬氏體、位錯(cuò)型馬氏體低碳低合金鋼奧氏體內(nèi)部細(xì)條狀綜合性能指標(biāo)在馬氏體中最好87（2）片狀馬氏體（PlateMartensite）、高碳馬氏體、孿晶馬氏體焊縫中含碳量大于0.4%粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部硬度高而脆88（三）焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

（WM－CCT圖）WM-CCT圖對于預(yù)測焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能具有重要意義。89固溶強(qiáng)化：加入碳、錳、硅、鉻、鎳、鉬等，均有固溶強(qiáng)化的作用。細(xì)晶強(qiáng)化：加入鈦、鈮、硼、鋁、鉻、鎳、稀土等，可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。沉淀強(qiáng)化：加入碳、氮化物形成元素，Ti、Nb、Mo等。相變強(qiáng)化：加入合金元素，改變相變組織。變質(zhì)處理：Ti、B、Zr、RE等元素1、焊縫合金化與變質(zhì)處理三、焊縫金屬性能的控制902.調(diào)整焊接工藝參數(shù)（1）焊接熱輸入過大的熱輸入使結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生粗大的柱狀晶，同時(shí)，由于降低了冷卻速度，可能得到較多的邊界鐵素體；過小的熱輸入，則在較高合金成分焊縫中形成馬氏體，也會(huì)使焊縫韌性下降。（2）多層焊（3）焊后熱處理（4）振動(dòng)結(jié)晶91第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱循環(huán)焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化92

焊接熱影響區(qū)的定義：熔焊時(shí)在焊接熱源的作用下，焊縫周圍的母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(HeatAffectedZone，HAZ)，或稱為“近縫區(qū)”(NearWeldZone)。93

材料因受焊接熱影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。94一、焊接熱循環(huán)距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)1.定義：焊接過程中，熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。9596

2.焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)加熱速度VH加熱的最高溫度(Tm)在相變以上的停留時(shí)間(tH)冷卻速度(VC)和冷卻時(shí)間(t8/5、t8/3、t100)

97t8/5：800～500℃的冷卻時(shí)間。

t8/3：800～300℃的冷卻時(shí)間。

t100：從峰值溫度Tm冷至100℃的冷卻時(shí)間。981.焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)1）加熱的溫度高熱處理AC3以上100-200℃，例如45號(hào)鋼AC3：770℃

焊接近縫區(qū)：接近熔點(diǎn)，鋼的熔點(diǎn)1350℃2）加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3）高溫停留時(shí)間短手工電弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S4）局部加熱二、焊接熱熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)99★加熱速度快，相變溫度升高

VH↑→Ac1，Ac3↑奧氏體化過程是一個(gè)擴(kuò)散重結(jié)晶過程，需要有孕育期。鋼中含有碳化物形成元素時(shí)影響更顯著。形成的碳化物阻礙碳的擴(kuò)散碳化物本身擴(kuò)散速度低2.焊接加熱過程奧氏體化的特點(diǎn)100奧氏體均質(zhì)化程度低高溫停留時(shí)間短，不利于擴(kuò)散過程進(jìn)行，從而均質(zhì)化程度低。近縫區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大當(dāng)加熱溫度在1100℃以上時(shí)，奧氏體晶粒嚴(yán)重長大。加熱過程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度，對冷卻時(shí)的相變過程和相變產(chǎn)物有很大影響。1013.焊接時(shí)冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)（1）奧氏體化溫度高，加熱與冷卻速度快早期：根據(jù)金屬學(xué)理論中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行分析討論，即采用CCT圖對焊接過程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究。缺陷：理論分析與實(shí)際觀察出入較大。后來：采用焊接熱模擬試驗(yàn)，利用快速相變儀測定焊接常用鋼材的HAZ組織轉(zhuǎn)變，得到焊接CCT圖，稱為“模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖”(SH-CCT圖)。根據(jù)SH-CCT圖分析HAZ的組織轉(zhuǎn)變。102三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化（一）焊接熱影響區(qū)的組織分布1.低碳鋼及不易淬火的低合金鋼HAZ組織分布如Q235、16Mn、15MnV等，可分為如下四個(gè)區(qū)：熔合區(qū)（半熔化區(qū)）TL～TS，化學(xué)成分與組織不均勻分布，過熱嚴(yán)重，塑性差，對焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。103過熱區(qū)Ⅰ（粗晶區(qū)）溫度：TS-1100℃現(xiàn)象：加熱溫度高，在固相線附近，一些難熔質(zhì)點(diǎn)如碳化物和氮化物等溶入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：粗大的奧氏體在較慢的冷卻速度下形成過熱組織—魏氏組織。性能：韌性很低。措施：嚴(yán)重時(shí)采用焊后正火處理（如電渣焊）。104相變重結(jié)晶區(qū)Ⅱ（正火區(qū)）溫度：1100℃-Ac3現(xiàn)象：母材完全奧氏體化，加熱和冷卻過程中經(jīng)受了兩次重結(jié)晶相變，使晶粒得到顯著的細(xì)化。組織：相當(dāng)于低碳鋼正火處理后的組織（細(xì)小的P＋F）。性能：較好的綜合性能。105不完全重結(jié)晶區(qū)Ⅲ（不完全正火區(qū)）溫度：Ac3

～Ac1現(xiàn)象：加熱溫度Ac3到Ac1之間，只有部分金屬經(jīng)受了重結(jié)晶相變。組織：原始的鐵素體晶粒（粗大）和細(xì)晶粒的混合區(qū)。性能：性能不好106Q235A鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點(diǎn)過熱區(qū)重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)母材107

2.易淬火鋼HAZ組織分布（1）焊前是正火或退火狀態(tài)焊前BM為F+P（S、B）完全淬火區(qū)（完全奧氏體化）Ac3

以上，室溫組織為M。不完全淬火區(qū)（部分奧氏體化）Ac1～Ac3，室溫組織為M＋F。在快速加熱條件下F很少溶入A，而P、B、S等轉(zhuǎn)變?yōu)锳；隨后快冷，形成M+粗大F。焊接淬硬傾向較大的鋼種，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。108（2）焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)BM回火組織完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)回火區(qū)Ac1～Tt，Tt為焊前調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度，低于此溫度，組織不變；高于此溫度，出現(xiàn)軟化。109（二）焊接熱影響區(qū)的性能變化HAZ的硬化HAZ的脆化HAZ的軟化1101.HAZ的硬化HAZ硬度分布不均勻，在熔合區(qū)附近具有最大硬度Hmax。不同的組織形態(tài)硬度不同同一組織，也有不同的硬度硬度主要決定于材料的化學(xué)成分和冷卻條件111（1）碳當(dāng)量CarbonEquivalent（Ceq或CE）定義：把鋼中合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響折合成碳的相當(dāng)含量。它反映了化學(xué)成分對硬化程度的影響112適合于C≥0.18%的鋼種式1）主要適用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼（b＝400～700MPa）式2）主要適用于強(qiáng)度級別較高的低合金高強(qiáng)鋼（b=500～1000MPa）1）2）113主要適用于C≤0.17%，b=400～900MPa的低合金高強(qiáng)鋼。應(yīng)用用碳當(dāng)量公式時(shí)應(yīng)注意：碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件、方法不同時(shí)，碳當(dāng)量公式也不同。一定要注意各公式的適應(yīng)范圍。114（2）碳當(dāng)量Ceq及冷卻時(shí)間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關(guān)系Ceq↑→Hmax↑經(jīng)驗(yàn)公式，Hmax=1274Pcm+45Hmax=559CE（IIW）+100（HV）1