焊接接頭的組織和性能

關(guān)于焊接接頭的組織和性能第1頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五我們通常把焊接接頭分為三個區(qū)域。即焊縫、熱影響區(qū)和母材。這三個區(qū)域中只有焊縫經(jīng)過了加熱――高溫溶化――完成一系列焊接冶金――冷卻一次結(jié)晶凝固――二次結(jié)晶固態(tài)下相變這一焊接熱循環(huán)。這個過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、快速冷卻這一動態(tài)熱過程中，第2頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五在極短的時間內(nèi)進(jìn)行著除了熔化以外的一些金屬學(xué)行為的區(qū)域，其特點是熱場分布極不均勻，溫度梯度非常大，與擴(kuò)散有關(guān)的過程極不充分，組織和性能極不均勻，因此，它是一個最薄弱的環(huán)節(jié)，是焊接結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞事故的區(qū)域，我們焊接工作者就是緊緊圍繞這兩個區(qū)來開展自已的全部技術(shù)工作的。第3頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五我們都十分清楚，焊接工藝評定的目的是保證焊接接頭的力學(xué)性能符合規(guī)定，其判據(jù)也都圍繞著力學(xué)性能而提出，這是因為任何承壓的特種設(shè)備的設(shè)計、制造、運行都是用其安全性來進(jìn)行評價的。因此、焊縫和熱影響區(qū)的性能如何得到保證是我們永恒的追求。第4頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五一、碳素鋼焊接接頭的組織性能調(diào)控

有資料顯示，碳素鋼的產(chǎn)量約占鋼材總產(chǎn)量80%，它是經(jīng)受焊接加工量最大、覆蓋面最廣的鋼種?？梢娪懻撎妓劁摰暮附咏宇^有關(guān)問題仍有其重要意義。第5頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五也就是說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則是其雜質(zhì)有害元素，是要嚴(yán)加控制的。

第6頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五GB/T700是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)，其Mn≦0.8%，Si≦0.55%。GB/T699是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。而GB712、GB713、GB6654則是專用于船舶、鍋爐、壓力容器的專用碳素結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)，其Si含量S、P含量限制的更低，而Mn含量提高。第7頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五碳素鋼的焊接性隨其C含量增加而惡化，低碳鋼（C≦0.25%）焊接性最好，但C含量大于0.15%時，對氫致裂紋敏感。

第8頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五1、焊縫金屬的成分

焊條電弧焊焊接碳素鋼時焊接材料的選擇通常都是按GB5117標(biāo)準(zhǔn)其σb都不大于490MPa。且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n――Si合金系列的焊縫金屬，即以Mn、Si的固溶強(qiáng)化機(jī)理來保證焊縫金屬的力學(xué)性能。第9頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五2、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)晶即固態(tài)相變，這時的組織應(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，第10頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五

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，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α鐵的析出奧氏體的含碳量增加，第11頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五在達(dá)到Ar1溫度時（C

0.8%的共析成分），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)位錯密度較低所以塑性韌性都較低。當(dāng)含C量較高，高溫（700℃－800℃）停留時間較長，冷卻速度較慢時易形成這種組織。我們稱其為魏氏組織，我們在焊接低碳結(jié)構(gòu)鋼時要盡量防止魏氏組織出現(xiàn)，第12頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五

而希望得到細(xì)晶針狀鐵素體。正如大家所知道的那樣，焊縫金屬的強(qiáng)度與母材相匹配比較容易而同時要有優(yōu)異的塑性和韌性就未必容易了，正因為如此，所以在焊接工藝評定規(guī)則中提出了補(bǔ)加因素的要求，這就要求所制定的焊接工藝規(guī)程充分對鋼材的內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行了解對焊接要熱循環(huán)進(jìn)行有效控制，對焊接環(huán)境的多方面考慮，對焊件的結(jié)構(gòu)剛性給予應(yīng)有的關(guān)注（板厚，結(jié)構(gòu)要度）。千萬不要用工藝評定代替工藝規(guī)程。

第13頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五這里還有一個問題要提及，就是C-Mn系的焊縫金屬在經(jīng)過正火后，σS

σb都會發(fā)生陡降，在實際生產(chǎn)中給予足夠重視。

3、低碳鋼焊接熱影響區(qū)我們已知，焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化取決焊接熱循環(huán)過程中的二次結(jié)晶（即重結(jié)晶）特點。在固態(tài)無相戀發(fā)生的金屬材料如AL、Cr、Ni和超低碳單相奧氏體鋼超低碳高鉻鐵素體鋼由于無相變，其熱響區(qū)很簡單，只有一個晶粒粗大的過熱區(qū)，（熱軋或冷軋后退火態(tài)）。第14頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五碳素鋼有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在固態(tài)下會發(fā)生相變所以熱影響區(qū)要復(fù)雜得多。如會發(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）和在這一溫度區(qū)間停留的時間長短不同以及隨后的冷卻速度的不同（即物理冶金特點的不同）而導(dǎo)致產(chǎn)生不同的顯微組織和力學(xué)性能的差異。低碳結(jié)構(gòu)鋼的熱影響區(qū)組織大家已熟知，這里不在敘述，我們要牢記其要點，這就是其中只有完全重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）性能最好。第15頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五

過熱區(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)是一個軟化區(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態(tài)應(yīng)變時效而引起的脆化，即熱應(yīng)變脆化（焊接沸騰鋼時尤為明顯）。綜上所述可知，低碳結(jié)構(gòu)鋼的熱影響區(qū)組織和性能也是不容忽視的，還是要控制焊接熱循環(huán)，如控制t8－5，t8-3，t100，控制線能量等。第16頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五二、低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭組織與性能合金結(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)<5%為低合金鋼，W(Me)=5%～10%為中合金鋼，W(Me)>10%為高合金鋼。合金鋼按用途可分為強(qiáng)度用鋼，即通常所說的高強(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)度級別。另一類是特殊用途鋼，除了滿足常溫力學(xué)性能外，第17頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五還必須適應(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)，也是按屈服點分級共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號(強(qiáng)度等級)。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。GB6654、GB3531、GB713分別是壓力容器、低溫壓力容器、鍋爐專業(yè)用低合金高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五1、低合金高強(qiáng)度鋼的焊縫合金化我們以焊條電弧焊為例來討論。其實從焊條標(biāo)準(zhǔn)GB5117、GB5118中我們已經(jīng)能有一個基本了解。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)度的同時細(xì)化晶粒，改善韌性。值得注意的是在焊接某一與碳素鋼強(qiáng)度級別相當(dāng)?shù)牡秃辖痄摃r，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。因為GB5118的合金匹配主要思路是針對低合金高強(qiáng)度鋼的焊接冶金特點進(jìn)行合理搭配的同時實施低Si化，Mo<0.45%對組織的調(diào)控更有利。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五2、焊縫金屬的組織與性能低合金高強(qiáng)鋼焊縫金屬中常見的顯微組織是鐵素體，珠光體，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(長條形、多邊塊形)，其多少與合金含量高低，高溫停留時間長短，冷卻快慢有關(guān)。太多很不利。隨著繼續(xù)冷卻在700～550℃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，稱為側(cè)板條鐵素體，也有人將這兩者統(tǒng)稱為魏氏組織，也有人因為它的特點是含碳量很低

第20頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五位錯密度較低且轉(zhuǎn)變溫度較低而稱之為無碳貝氏體，它使焊縫韌性降低。在稍低于500℃時，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)點為核心鐵素體呈放射狀生長，形成針狀鐵素體或細(xì)晶鐵素體，因為它的位錯密度很高，故塑性、韌性均較高，希望能獲得更多的針狀鐵素體，細(xì)晶鐵素體。

第21頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五珠光體是共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，在接近平衡狀態(tài)下(如熱處理時的連續(xù)冷卻)在Ar1～550℃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)貝氏體(在較低溫度時)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。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，即在550℃～Ms之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變。此時，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—--切變型。在550～450℃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450℃～Ms之間形成下貝氏體，此時碳的擴(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。第23頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五低合金高強(qiáng)鋼焊縫中還會出現(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，奧氏體過冷到Ms以下時，便會產(chǎn)生M體，它可以是板條狀的低碳M體(位錯型)，也可以是針狀(片狀)孿晶馬氏體，前者因C含量較低，有較多位錯存在故具有較高強(qiáng)度和韌性，抗裂能力較高。第24頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五以上就是低合金高強(qiáng)鋼焊縫金屬可能存在的幾種組織。概括而言，我們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，這一愿望即可實現(xiàn)。試驗表明Mn含量0.8～1.0%、Si0.1～0.25%，而Mn/Si=3～6時，即可得到細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體。我們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，其辦法是控制第25頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五冷卻速度；使在600～450℃區(qū)間(貝氏體轉(zhuǎn)變的高溫段)停留時間盡量短，以盡量減少形成粒狀貝氏體和上貝氏體的機(jī)會(可控制t8-5來實現(xiàn))、降低含C量，使一且發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時能形成板條狀位錯型馬氏體，它的存在有利而無害。有資料表明，焊縫含有微量Ti、B有利形成針狀鐵素體，而抑制先共析鐵素體的形成，Ti與B同時加入最佳，因為Ti優(yōu)先和氧反應(yīng)對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。第26頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五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焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，簡稱SW----CCT圖，通常通過熱模擬實驗來建立某個鋼種的CCT圖，這樣便可根據(jù)對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)。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五3、熱影響區(qū)的組織與性能。發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)組織和性能大家都很清楚，這里就不多談了。僅簡單說明一個大家也十分熟悉的熔合區(qū)的問題，即所謂的熔合線。通常我們把焊縫的邊界線都宏觀地叫做熔合線。實際上這是一個熔化不均勻的區(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(稱為未混合區(qū))。這兩個區(qū)共同構(gòu)成了熔合區(qū)，它在宏觀上就是焊縫邊界線是焊縫到母材間的過渡區(qū)，第28頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五即熔合線。由此，我們可以想見，熔合區(qū)的這一特征就是決定了它必定是一個化學(xué)成分極不均勻(即濃度梯度非常大)，組織極不均勻，而性能極差的區(qū)域。在這里會發(fā)生晶界液化現(xiàn)象，碳遷移現(xiàn)象，空位濃度增大，殘余應(yīng)力較大，尤其是在異種鋼焊接和使用焊材的合金化程度與母材的合金化程度差異較大時，這些現(xiàn)象十分明顯。在這個區(qū)產(chǎn)生焊接裂紋，(氫致延遲裂紋液化裂紋)，脆化程度加大。第29頁，共33頁，2022年，5月20日，7點25分，星期五最后我想談一談大家在做焊接工藝評定時經(jīng)常遇到的一個問題，即當(dāng)技術(shù)條件(或技術(shù)協(xié)議)和產(chǎn)品圖樣上附有特殊檢驗要求，或已經(jīng)確知產(chǎn)品的