焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化課件

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?

焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化1焊接熱影響區(qū)概述焊接熱影響區(qū)的定義：熔焊時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)。2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。3v焊接過程中，在形成焊縫的同時，不可避免地使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理，形成組織和性能及不均勻的熱影響區(qū)。v熱影響區(qū)一些部位的組織和性能很差，成為整個接頭的薄弱地帶。?

HAZ經(jīng)受了一次特殊的熱處理。?

一些部位的組織和性能變壞（如過熱區(qū)），成為整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，對焊接質(zhì)量起著控制作用。?

很多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故都與焊接熱影響區(qū)的性能惡化有關(guān)。?

重視和研究焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化。5影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素取決于材料本身的特性和工藝條件，主要冶金和工藝因素：1）被焊金屬與合金系統(tǒng)的特點?

無相變的金屬和合金：非常簡單?

有相變的材料：很復(fù)雜2）焊前母材的原始狀態(tài)?

焊前為冷作硬化或熱處理態(tài)：退火軟化?

易淬火材料焊前為退火態(tài)：淬火的硬化區(qū)6影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素3）焊接工藝方法和工藝參數(shù)?

熱源特點與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)：溫度場分布和焊接熱循環(huán)的特點。?

影響到焊接熱影響區(qū)特殊熱處理的各項參數(shù)：升溫速度、高溫停留時間和冷卻速度等。78一、焊接熱循環(huán)1.

定義：焊接過程中，熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度由低而高，達到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。距焊縫不同距離各點的焊接熱循環(huán)92.焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)v

加熱速度VHv

加熱的最高溫度（T

m）v

在相變以上的停留時間(tH)v

冷卻速度(V

)和冷卻時間C(t

、t

、t

)

8/58/3100焊接熱循環(huán)的參數(shù)10?

t

：800～500℃的冷卻時間。8/5?

t

：800～300℃的冷卻時間。8/3?

t

：從峰值溫度T

冷至100℃100的冷卻時間。m11二、焊接熱熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點1.焊接熱循環(huán)的特點1）加熱的溫度高熱處理AC

以上100-200℃，例如45號鋼AC

：770℃33焊接近縫區(qū)：接近熔點，鋼的熔點1350℃2）加熱的速度快?比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3）高溫停留時間短?手工電弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S4）局部加熱122.焊接加熱過程奧氏體化的特點★加熱速度快，相變溫度升高V

↑→Ac1，

Ac3↑H?

奧氏體化過程是一個擴散重結(jié)晶過程，需要有孕育期。?

鋼中含有碳化物形成元素時影響更顯著。?形成的碳化物阻礙碳的擴散?碳化物本身擴散速度低13?

奧氏體均質(zhì)化程度低?高溫停留時間短，不利于擴散過程進行，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，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，對冷卻時的相變過程和相變產(chǎn)物有很大影響。143.焊接時冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變特點（1）奧氏體化溫度高，加熱與冷卻速度快（2）奧氏體的穩(wěn)定性越大，淬硬傾向越大?

不含碳化物合金元素（如45鋼）：近縫區(qū)組織粗化，淬硬傾向比熱處理條件下要大?

含碳化物合金元素（如40Cr鋼）：碳化物不能充分溶解，奧氏體穩(wěn)定性下降，淬硬傾向比熱處理條件下要小15三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化Fe-C合金：在固態(tài)下合金中除了有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變外，還有成分變化和第二相析出，即共析轉(zhuǎn)變和Fe

c的析出。3（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，可分為如下四個區(qū)：?

熔合區(qū)（半熔化區(qū)）?T

～T

，化學(xué)成分與組織不均勻LS分布，過熱嚴(yán)重，塑性差，對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。16?

過熱區(qū)Ⅰ（粗晶區(qū)）v溫度：T

-1100℃Sv現(xiàn)象：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奧氏體，奧氏體晶粒粗大。v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。v性能：韌性很低。v措施：嚴(yán)重時采用焊后正火處理（如電渣焊）。17?

相變重結(jié)晶區(qū)Ⅱ（正火區(qū)）v溫度：1100℃

-Ac3v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。v組織：相當(dāng)于低碳鋼正火處理后的組織（細(xì)小的P＋F）。v性能：較好的綜合性能。18?

不完全重結(jié)晶區(qū)Ⅲ（不完全正火區(qū)）v溫度：Ac

～

Ac31v現(xiàn)象：加熱溫度Ac

到Ac

之31間，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,只有部分金屬經(jīng)受了重結(jié)晶相變。v組織：原始的鐵素體晶粒（粗大）和細(xì)晶粒的混合區(qū)。v性能：性能不好19過熱區(qū)重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)母材Q235A鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點202.易淬火鋼HAZ組織分布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)。（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）?Ac

以上，室溫組織為M。3?不完全淬火區(qū)（部分奧氏體化）?Ac

～

Ac

，室溫組織為M＋F。13?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。21（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)?Ac

～T

，T

為焊1tt前調(diào)質(zhì)時的回火溫度，低于此溫度，組織不變；高于此溫度，出現(xiàn)軟化。22（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231.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H

。max?

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24（1）碳當(dāng)量CarbonEquivalent

（C

或CE）eq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251）2）?

適合于C≥0.18%的鋼種?

式1）主要適用于中等強度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼（

＝400～700MPa）b?

式2）主要適用于強度級別較高的低合金高強鋼（

=500～b1000MPa）26?

主要適用于C≤0.17%，

=400～900MPa的低合金高強鋼。b?

應(yīng)用碳當(dāng)量公式時應(yīng)注意：?碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗公式，當(dāng)實驗條件、方法不同時，碳當(dāng)量公式也不同。?一定要注意各公式的適應(yīng)范圍。27（2）碳當(dāng)量C

及冷卻時間t

與HAZ最高硬度eq8/5H

的關(guān)系max–

Ceq↑→Hmax↑–

經(jīng)驗公式，H

=1274P

+45maxcmH

=559CE

+100（HV）（IIW）max28–

Ceq一定，t

↓→8/5H

↑。max–

H

間接反映了HAZmax的淬硬傾向，而Hmax測量方便，故可用H

來評價鋼材的冷max裂傾向292.HAZ的脆化脆化：是指HAZ在焊接熱循環(huán)作用下所產(chǎn)生的塑性、韌性下降的現(xiàn)象。通常用缺口沖擊值和脆性轉(zhuǎn)變溫度判斷脆化現(xiàn)象。脆性轉(zhuǎn)變溫度VT

：隨著溫度的降低，金屬由rs延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，通常把發(fā)生轉(zhuǎn)變的那個臨界溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。顯然VT

↑→rs脆性↑。30?

從左圖可以看出，碳錳鋼HAZ的脆化區(qū)有兩個：–

粗晶區(qū)（1500℃）–

時效脆化區(qū)（400℃～600℃）HAZ脆化：粗晶脆化、析出脆化、組織脆化、熱應(yīng)變時效脆化、氫脆化及石墨脆化。31（1）粗晶脆化（主要出現(xiàn)在過熱區(qū)）–

晶粒d↑→

VTrs↑–

鋼中含C、N化物形成→d↓–

加熱溫度T↑，加熱時間t↑→d↑–

E（焊接線能量）↑→d↑32（2）組織脆化?是由于HAZ中出現(xiàn)脆硬組織造成的。根據(jù)脆性組織不同，又可分為：?M－A組元脆化?析出脆化331）M－A組元脆化M－A組元脆化原因：?高碳奧氏體易于形成高碳馬氏體?M－A組元存在時，成為了潛在的裂源，并起到吸氫和應(yīng)力集中的作用。342）析出脆化（沉淀相脆化）?

定義：某些金屬或合金，在時效或回火過程中，從過飽和的固溶體中沿晶界析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其他亞穩(wěn)定的中間相等，使金屬或合金的強度、硬度上升，韌性下降的現(xiàn)象。?

機理：析出相出現(xiàn)后，形成“柯氏氣團”，阻礙位錯運動，使強度、硬度上升，產(chǎn)生脆化。?

HAZ的熔合部位（包括粗晶區(qū)）在化學(xué)成分和組織上的不均勻性比焊接區(qū)的其他部位更為嚴(yán)重，極易產(chǎn)生析出脆化。?

特點：時效性35（3）HAZ的熱應(yīng)變時效脆化(HotStrainEmbrittlement)焊接構(gòu)件在室溫下受到延性預(yù)應(yīng)變，會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，可使鋼材的硬度和強度升高，同時降低延性變形的能力；在高溫下（尤其是200℃～400℃）的預(yù)應(yīng)變，還會產(chǎn)生比室溫下更為嚴(yán)重的脆化。這種現(xiàn)象稱為熱應(yīng)變時效脆化（HSE）。1）靜應(yīng)變時效脆化在室溫下或低溫下受到預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象。2）動應(yīng)變時效脆化在較高溫度下（特別是200℃～400℃）的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象，又稱為“藍脆”。363.調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的軟化?

焊前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的高強鋼和具有沉淀硬化和彌散強化的合金，經(jīng)焊接之后，其HAZ產(chǎn)生不同程度的軟化或失強。調(diào)質(zhì)鋼焊接時HAZ