焊接熱影響區(qū)的組織和性能課件

第二章焊接熱影響區(qū)的組織和性能第二章焊接熱影響區(qū)的組織和性能1第一節(jié)焊接熱循環(huán)第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉變特點第三節(jié)熱影響區(qū)組織和性能第二章焊接熱影響區(qū)的組織第一節(jié)焊接熱循環(huán)第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬第三節(jié)2

焊接熱影響區(qū)：熔焊時在集中熱源的作用下，焊縫兩側發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(HeatAffectedzone,簡稱HAZ)或稱“近縫區(qū)”(NearWeldZone)焊接接頭是由兩個主要部分組成，即焊縫和焊接熱影響區(qū)，如圖4-1所示。

焊接熱影響區(qū)：熔焊時在集中熱源的作用下，焊縫兩3焊接熱影響區(qū)的組織和性能4第一節(jié)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán):焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點溫度由低而高，達到最高值后，又由高而低隨時間的變化稱為焊接熱循環(huán)。它是描述焊接過程中熱源對被焊金屬的熱作用。距焊縫不同距離的各點，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同的，如圖4-3所示。另外，由于焊接方法不同，熱循環(huán)曲線的形狀也發(fā)生較大的變化。第一節(jié)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán):焊接過程中熱源沿焊件移動時，5圖4-3距焊縫不同距離各點的熱循環(huán)（低碳鋼，板厚20mm,手弧焊）圖4-3距焊縫不同距離各點的熱循環(huán)6圖4-4不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1—手弧焊2—埋弧焊3—電渣焊焊接熱影響區(qū)的組織和性能7一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1.加熱速度(WH)2.加熱的最高溫度(Tm)3.在相變溫度以上的停留時間(tH)4.冷卻速度(Wc)或冷卻時間（t8/5、t8/3、t100）一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1.加熱速度(WH)8

（一）加熱速度(ωH)

焊接條件下的加熱速度比熱處理條件下要快的多，并隨加熱速度的提高，則相變溫度但隨之提高，同時奧氏體的均質化和碳化物的溶解也越不充分。因此，必然會影響到焊接HAZ冷卻后的組織與性能。加熱速度與許多因素有關，例如不同的焊接方法、焊接線能量、板厚及幾何尺寸，以及被焊金屬的熱物理性質等。低合金鋼幾種常用的焊接方法的加熱速度、冷卻速度等有關數(shù)據(jù)見表4-l所示。（一）加熱速度(ωH)焊接條9焊接熱影響區(qū)的組織和性能10

（二）加熱的最高溫度（Tm）

金屬的組織和性能除化學成分的影響之外,主要與加熱的最高溫度Tm和冷卻速度ωc有關。例如低碳鋼和低合金鋼焊接時，在熔合線附近的過熱區(qū)，由于溫度高(1300～1350℃)，晶粒發(fā)生嚴重長大，從而使韌性嚴重下降。（二）加熱的最高溫度（Tm）金11

（三）在相變溫度以上的停留時間（th）

在相變溫度Th以上停留的時間越長，越有利于奧氏體的均質化過程，但溫度太高時(如1100℃以上)即使停留時不長，也會產(chǎn)生嚴重的晶粒長大。為便于分析研究，把高溫停留時間th分為加熱過程的停留時間t’和冷卻過程的停留時間t’’,即th＝t’十t’’(參見圖4-5)。（三）在相變溫度以上的停留時間（th）12焊接熱影響區(qū)的組織和性能13（四）冷卻速度(ωc)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t100)

冷卻速度是決定焊接HAZ組織性能的主要參數(shù)，如同熱處理時的冷卻速度一樣。應當指出，焊接時的冷卻過程在不同階段是不同的。這里所討論的是指一定溫度范圍內的平均冷卻速度，或者是冷至某一瞬時溫度Tc的冷卻速度。對于低合金鋼的焊接來講，有重要影響的是熔合線附近冷卻過程中約540℃的瞬時冷卻速度(見圖4-5的C點)。（四）冷卻速度(ωc)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t1014

近年來許多國家為便于分析研究，常采用某一溫度范圍內的冷卻時間來討論熱影響區(qū)組織性能的變化，如800～500℃的冷卻時間t8/5，800～300℃的冷卻時間t8/3和從峰值溫度Tm冷至100℃的冷卻時間t100等，這要根據(jù)不同金屬材料所存在的問題來決定。近年來許多國家為便于分析研究，常采用某一溫度15

焊接熱循環(huán)是焊接接頭經(jīng)受熱作用的里程，研究它對于了解應力變形、接頭組織和力學性能等都是十分重要的，是提高焊接質量的重要途徑。

16二.多層焊熱循環(huán)的特點在實際焊接中,厚板多采用多層焊接,因此,有必要了解多層焊熱循環(huán)作用特點。在單層焊時,因為受到焊縫截面積的限制,不能在更大的范圍內調整功率和焊速,所以焊接熱循環(huán)的調整也受到限制。多層焊比單層焊具有更優(yōu)越的地方,它是由許多單層熱循環(huán)聯(lián)合在一起的綜合作用,同時相鄰焊層之間彼此具有熱處理性質.從提高焊接質量而言,多層焊往往易達到要求。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)要求不同，多層焊分為“長段多層焊”和“短段多層焊”二.多層焊熱循環(huán)的特點在實際焊接中,厚板多17（一）長段多層焊焊接熱循環(huán)所謂長段多層焊，即每道焊縫的長度較長(一般1m以上)，這樣在焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本冷至較低的溫度(一般在100～200℃以下)，其焊接熱循環(huán)的變化如圖4-17所示。由圖4-17可以看出，相鄰各層之間有依次熱處理的作用，為防止最后一層淬硬，可多加一層“退火焊道”，從而使焊接質量有所改善。（一）長段多層焊焊接熱循環(huán)所謂長段多層焊18焊接熱影響區(qū)的組織和性能19

應當指出，對于一些淬硬傾向較大的鋼種，不適于長段多層焊接。因為這些鋼在焊第一層以后，焊接第二層之前，近縫區(qū)或焊縫由于淬硬傾向較大而有產(chǎn)生裂紋的可能。所以焊接這種鋼時，應特別注意與其他工藝措施的配合，如焊前預熱、層間溫度控制，以及后熱緩冷等。

20（二）短段多層焊焊接熱循環(huán)所謂短段多層焊，就是每道焊縫長度較短(約為50～400mm)，在這種情況下，未等前層焊縫冷卻到較低溫度(如Ms點)就開始焊接下一道焊縫。短段多層焊的熱循環(huán)如圖4-18所示。（二）短段多層焊焊接熱循環(huán)所謂短段多層焊，就21焊接熱影響區(qū)的組織和性能22由圖4-18看出，近縫區(qū)1點和4點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。對于1點來講，一方面使該點在Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大；另一方面減緩了Ac3以下的冷卻速度，從而防止淬硬組織產(chǎn)生。對于4點來講，預熱基礎上開始焊接的，如焊縫的長度控制合適，那么Ac3以上停留時間仍可較短，使晶粒不易長大。為防止最后一層產(chǎn)生脆硬組織，可多一層退火焊道，以便增長奧氏體的分解時間(由tB增至tB’)。焊接熱影響區(qū)的組織和性能23由此可見，短段多層焊對焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種。但是，短段多層焊的操作工藝十分繁瑣，生產(chǎn)率低，只有在特殊情況下才采用。焊接熱影響區(qū)的組織和性能24第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的

金屬組織轉變特點

特點：2.加熱速度快；幾十倍甚至幾百倍1.加熱溫度高熱處理加熱溫度都不超過Ac3以上100～200℃

4.自然條件下連續(xù)冷卻3.高溫停留時間短手弧，4~20秒；埋弧，30~100秒

5.局部加熱第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的

金屬組25一、焊接時加熱過程組織轉變特點

１.加熱速度對相變點的影響焊接時的加熱速度很快,各種金屬的相變溫度發(fā)生了很大的變化。加熱速度越快，Ac1和Ac3的溫度越高，而且Ac1和Ac3的溫差越大。焊接時,由于采用的焊接方法不同,規(guī)范不同,加熱速度可在很大的范圍內變化。一、焊接時加熱過程組織轉變特點１.加熱速度對相變點的影響焊26２.加熱速度對Ａ均質化影響加熱速度不但對相變點有影響,對Ａ均質化也有影響.因為Ａ均質化屬擴散過程。在快速加熱條件下，來不及完成擴散過程。３.近縫區(qū)的晶粒長大

在焊接條件下,近縫區(qū)由于強烈過熱使晶粒發(fā)生嚴重長大,影響焊接接頭塑性,韌性,產(chǎn)生熱裂紋,冷裂紋.２.加熱速度對Ａ均質化影響加熱速度不但對相變點有影響,27二.焊接時冷卻過程組織轉變特點

研究焊熱影響區(qū)的熔合線附近的情況,這一區(qū)域是焊接接頭的薄弱地帶。以45鋼、40Cr為例,比較焊接條件和熱處理條件這兩種不同熱過程組織轉變的差異.二.焊接時冷卻過程組織轉變特點研究焊熱影響區(qū)的熔合線附近的28

焊接和熱處理時，加熱及冷卻過程如圖4-20所示。其中兩種情況的冷卻曲線1、2、3…彼此具有各自相同的冷卻速度。

根據(jù)上述的實驗條件、采用專用的焊接熱模擬試驗機和快速相變儀，得到了兩種鋼在焊接和熱處理條件下連續(xù)冷卻的組織轉變圖(即CCT圖)，如圖4-21和圖4-22所示。

29焊接熱影響區(qū)的組織和性能30焊接熱影響區(qū)的組織和性能31焊接熱影響區(qū)的組織和性能32鋼種冷卻速度組織（%）鐵素體馬氏體珠光體及中間組織45鋼41830605(10)1(3)1(1)0(00（0）90（27）92（69）98（98）95（90）9（70）7（30）2（2）40Cr41422361（0）0（0）0（0）0（0）75（95）90（98）95（100）100（100）24（5）10（2）5（0）0（0）表4-9焊接及熱處理條件下的組織百分比鋼種鐵素體馬氏體珠光體及中間組織45鋼45(10)0（0）933

表4-9是45鋼和40Cr鋼在焊接和熱處理時同樣冷卻速度條件下的組織百分比。由圖4-21、圖4-22和表4-9可以看出，45鋼在焊接條件比在熱處理條件下的CCT曲線稍向右移(主要考慮Ms附近)。說明在相同冷卻速度條件下，焊接時比熱處理時的淬硬傾向大。如冷卻速度為30℃／s，焊接時可得到92％馬氏體，而熱處理時只得到69％馬氏體。相反，40Cr鋼在焊接條件下的CCT曲線比熱處理條件下的CCT曲線向左移動，也就是在同樣冷卻速度下焊接時比熱處理時的淬硬傾向小。例如，焊接條件下當冷卻速度為36℃／s時，可得到l00％的馬氏體，而熱處理條件下只要22℃／s即可得到l00％馬氏體。表4-9是45鋼和40Cr鋼在焊接和熱處理時同34

根據(jù)金屬學原理可以知道，碳化物合金元素(如Cr、Mo、V、Ti、Nb等)只有它們充分溶解在奧氏體的內部，才會增加奧氏體的穩(wěn)定性(即增加淬硬傾向)。很顯然在熱處理條件下，可以有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體內部溶解。而在焊接條件下，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，因此降低了淬硬傾向。至于不含碳化物合金元素的鋼(如45鋼)，一方面不存在碳化物的溶解過程，另一方面在焊接條件下，由于近縫區(qū)組織粗化，故淬硬傾向比熱處理條件下要大。根據(jù)金屬學原理可以知道，碳化物合金元素(如C351.CCT圖的建立:采用焊熱熱模擬試驗裝置來建立某種鋼的CCT圖.2.意義:在新鋼種投產(chǎn)之前,可預先估計熱影響區(qū)的組織性能,或作為制定工藝,焊接線能量的依據(jù).3.CCT圖的應用:通過CCT圖可得到在不同的冷卻速度下的組織,即估計組織及預測性能.

三.焊接條件下CCT圖的建立及其應用三.焊接條件下CCT圖的建立及其應用36圖4-23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的變化。 由圖4-23可以看出，只要知道在焊接條件下熔合區(qū)附近(Tm＝1300～1350℃)t8/5冷卻時間，就可以在此圖上查出相應的組織和硬度。這樣就可以預先判斷出在這種焊接條件下的接頭性能，也可以預測此鋼種的淬硬傾向及產(chǎn)生冷裂紋的可能性。同時也可以作為調節(jié)焊接工藝參數(shù)和改進工藝(預熱、后熱及焊后熱處理等)的依據(jù)。因此，建立焊接條件下的CCT圖和t8/5與組織硬度的分布圖對于焊接性分析和提高焊接接頭的質量具有十分重要的意義圖4-23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的37焊接熱影響區(qū)的組織和性能38焊接熱影響區(qū)的組織和性能39影響CCT圖的因素有

(一)母材化學成分(二)冷卻速度(三)峰值溫度(四)晶粒粗化(五)應力應變影響CCT圖的因素有(一)母材化學成分40（一）母材化學成分的影響焊接條件下的CCT曲線的形狀(實際上是代表鋼種的淬硬傾向)，從根本上來說取決于母材的成分，這一點與熱處理條件下的CCT圖是一致的。除鈷之外，所有固溶于奧氏體的合金元素都使S曲線向右移，即增加淬便傾向，并降低Ms點，其中以碳的影響為最大。由金屬學原理可知，由于成分不同，在同一冷卻速度下，則得到不同的組織，因而硬度也不同。（一）母材化學成分的影響焊接條件下的CCT曲線41（二）冷卻速度的影響

高溫形成的奧氏體，因冷卻速度不同，可得到不同的轉變產(chǎn)物。冷卻速度對相變的影響，隨著冷卻速度的增高，對于Fe-C合金來講，A1、A3、Acm均移向更低的溫度。同時共析成分也由C0．83%轉為C0．4％～0．8％，也就是說在快速冷卻條件下，C0．4％的鋼就可以得到全部為珠光體的組織(偽共析組織)。在焊接條件下，加熱和冷卻都比較快，對相變必然會有較大的影響。因此，CCT圖形有變動，有時為了改善焊接熱影響區(qū)的組織，適當調整焊接線能量和采用預熱及后熱等措施，以降低冷卻速度。應當指出．當鋼中含有碳化物或氮化物形成元素時，只有它們固溶于奧氏體之后，才能增加奧氏體的穩(wěn)定性。焊接時，加熱速度很快，碳化物或氮化物并未溶解于奧氏體中，因而在快速冷卻條件下，反而會降低奧氏體的穩(wěn)定性，使奧氏體提前轉變。最新的研究表明，冷卻速度增大時，Ms有所上升，并且會改變馬氏體的形態(tài)。因為增大冷卻速度使馬氏體增大滑移的抗力，不均勻切變就會以孿晶方式進行，馬氏體就由條狀變?yōu)槠瑺?。（二）冷卻速度的影響高溫形成的奧氏體，因冷卻速42(三）峰值溫度的影響峰值溫度越高，一方面使過冷奧氏體的穩(wěn)定性加大，另一方面也會促使奧氏體晶粒粗化，這兩方面的作用都會影響CCT圖的形態(tài)。峰值溫度不同對16Mn鋼CCT圖的影響如圖4-25所示。由圖可看出，加熱溫度高的CCT圖(Tm＝1300℃)比加熱溫度低的CCT圖(Tm＝900℃)要向右移，說明奧氏體的穩(wěn)定性增大。但是在焊接條件下，由于加熱速度快．高溫停留時間短，比起爐中緩慢加熱時的影響要小些。(三）峰值溫度的影響峰值溫度越高，一方面使過43焊接熱影響區(qū)的組織和性能44（四）晶粒粗化的影響焊接條件下，近縫區(qū)由于強烈地過熱而使晶粒發(fā)生嚴重長大，這不僅影響焊接接頭的性能，同時也增大了產(chǎn)生裂紋的危險性。根據(jù)幾種鋼在焊接熱循環(huán)條件下晶粒長大動力學的研究可知，峰值溫度附近晶粒長大的速度最快，當溫度開始下降時，晶粒長大的趨勢并不減弱，一直冷卻到1100℃以下略有下降，達到一定尺寸之后就不再繼續(xù)長大。由此可知，在焊接條件下，奧氏體晶粒不但在加熱過程中長大，而且在冷卻過程也在長大，即所謂晶粒長大的“熱慣性”晶粒粗化對奧氏體的分解轉變及轉變產(chǎn)物的形態(tài)有很大的影響。晶粒越粗大，晶界的總面積越少，也就減少了形核的機會，也就不利于奧氏體的轉變。（四）晶粒粗化的影響焊接條件下，近縫區(qū)由于強烈地過熱而使晶粒45（五）應力應變的影響焊接時不可避免地會產(chǎn)生熱應力、組織應力，以及拘束應力，這樣就會引起彈性和塑性變形，對過冷奧氏體轉變具有重要影響。拉伸應力對CCT曲線的影響如圖4-28所示，由圖看出，有拉伸應力存在時會明顯地降低奧氏體的穩(wěn)定性，使CCT曲線明顯地向左上方偏移。應力和應變都會增加奧氏體的內能，從而加速擴散過程，有利于擴散型相變的進行。此外，應力應變同樣也影響到馬氏體轉變，拉伸應力可促進馬氏體轉變，即Ms升高和馬氏體轉變量增加。此外，切應力也能促進馬氏體轉變，正壓應力則會阻礙馬氏體轉變。（五）應力應變的影響焊接時不可避免地會產(chǎn)生熱46焊接熱影響區(qū)的組織和性能47第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織和性能

一.焊接熱影響區(qū)的組織分布

焊接結構鋼根據(jù)熱處理特性不同分為兩類:淬火鋼,不易淬火鋼,分別講述淬火鋼和不易淬火鋼的組織分布.1.不易淬火鋼:如低碳鋼,某些不易淬硬的低合金鋼,如16Mn.15MoV.15MnTi等第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織和性能一.焊接熱影響區(qū)的組織48熱影響區(qū)的組織分布

1).熔合區(qū)2).過熱區(qū)3).相變重結晶區(qū)4).不完全重結晶區(qū)

熱影響區(qū)的組織分布1).熔合區(qū)49焊接熱影響區(qū)的組織和性能50相變重結晶區(qū)焊縫金屬母材熔合區(qū)過熱區(qū)不完全重結晶區(qū)16Mn鋼焊接熱影響區(qū)相變重結晶區(qū)焊縫金屬母材熔合區(qū)過熱區(qū)不完全重結晶區(qū)16M511).熔合區(qū)即焊縫與母材相鄰的部位，又稱半熔化區(qū)(溫度處于固液相線之間)，這個區(qū)的微觀行為十分復雜，焊縫與母材的不規(guī)則結合，形成了參差不齊的分界面。此區(qū)的范圍雖然很窄，但由于在化學成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，所以對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。在許多情況下熔合區(qū)是產(chǎn)生裂紋、脆性破壞的發(fā)源地，因此引起了普通的重視。1).熔合區(qū)即焊縫與母材相鄰的部位，又稱半522).過熱區(qū)此區(qū)的溫度范圍是處在固相線以下到1100℃左右，金屬是處于過熱的狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，冷卻之后便得到粗大的組織(一般對于低碳鋼來講，焊后晶粒度都在1～2級)；在氣焊和電渣焊的條件下常出現(xiàn)魏氏組織(見圖4-30)。此區(qū)的韌性很低，通常要降低20％-30％，因此，焊接剛度較大的結構時，常在過熱粗晶區(qū)產(chǎn)生脆化或裂紋。過熱區(qū)的大小與焊接方法、焊接線能量和母材的板厚等有關。2).過熱區(qū)此區(qū)的溫度范圍是處在固相線以下到53焊接熱影響區(qū)的組織和性能543).相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）焊接時母材金屬被加熱到Ac3以上的部位，將發(fā)生重結晶(即鐵素體和珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體)，然后在空氣中冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體．相當于熱處理時的正火組織。此區(qū)的塑性和韌性都比較好，所處的溫度范圍約在A3～1000℃之間。3).相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）焊接時母材金屬被加熱到Ac554).不完全重結晶區(qū)焊接時處于Ac1～Ac3之間范圍內的熱影響區(qū)就是屬于不完全重結晶區(qū)。因為處于Ac1～Ac3范圍內只有一部分組織發(fā)生了相變重結晶過程，成為晶粒細小的鐵素體和珠光體，而另-部分是始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體。所以此區(qū)特點是晶粒大小不一，組織不均勻，因此力學性能也不均勻。4).不完全重結晶區(qū)焊接時處于Ac1～Ac3562.易淬火鋼

此類鋼熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前熱處理有關（焊前熱處理.退火,正火,調質）1).完全淬火區(qū)2).不完全淬火區(qū)3).對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài))回火區(qū)以下,發(fā)生不同程度的回火處理─回火區(qū).組織性能變化取決于焊前調質狀態(tài)的溫度.2.易淬火鋼此類鋼熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前熱處理有571).完全淬火區(qū)焊接時熱影響區(qū)處于Ac3以上的區(qū)域，由于這類鋼的淬硬傾向較大，故焊后將得到淬火組織(馬氏體)。在靠近焊縫附近(相當于低碳鋼的過熱區(qū))，由于晶粒嚴重長大，故得到粗大的馬氏體，而相當于正火區(qū)的部位得到細小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不同，還可能出現(xiàn)貝氏體，從而形成了與馬氏體共存的混合組織。這個區(qū)在組織特征上都是屬同一類型(馬氏體)，只是粗細不同，因此統(tǒng)稱為完全淬火區(qū)。1).完全淬火區(qū)焊接時熱影響區(qū)處于Ac3以上582).不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1～Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉變?yōu)閵W氏體，在隨后快冷時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。原鐵素體保持不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體-鐵素體的組織，故稱不完全淬火區(qū)。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。2).不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1～Ac3溫59

對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài))回火區(qū)以下,發(fā)生不同程度的回火處理─回火區(qū).組織性能變化取決于焊前調質狀態(tài)的溫度.對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài)603.注意問題

1).熱影響區(qū)中熔合區(qū),過熱區(qū)晶粒嚴重長大,是焊接接頭的薄弱地帶.2).低碳鋼的不完全重結晶區(qū),在急冷急熱的條件下,會表現(xiàn)出高碳鋼的行為.3).成分偏析嚴重,C.P.S高時易產(chǎn)生淬硬組織,裂紋.3.注意問題1).熱影響區(qū)中熔合區(qū),過熱區(qū)晶粒嚴重長大,是61焊接熱影響區(qū)的組織和性能62二.焊接熱影響區(qū)的性能

(一)焊接熱影響區(qū)的硬化

硬度

為了方便起見,常常用硬度的變化來判定熱影響區(qū)的性能變化,硬度高的區(qū)域,強度也高,塑性.韌性下降,測定熱影響區(qū)的硬度分布可以間接來估計熱影響區(qū)的強度,塑性和裂紋傾向影響硬度的因素。二.焊接熱影響區(qū)的性能(一)焊接熱影響區(qū)的硬化631)碳當量（CarbonEquivalent)國際焊接學會日本焊接協(xié)會碳含量0.18%以上的鋼種主要適用于碳含量C≤0.17%以上的鋼種1)碳當量（CarbonEquivalent)國際焊接學會64近年來常用的公式碳含量范圍：0.034%

~

0.254%近年來常用的公式碳含量范圍：0.034%~0.254%652)碳當量及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關系2)碳當量及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關66焊接熱影響區(qū)的組織和性能67焊接熱影響區(qū)的組織和性能683）焊接HAZ最高硬度的計算公式(1)國產(chǎn)鋼硬度計算公式 當t8/5

<tM100Hmax=292+812C 當t8/5

>tM100 Hmax=52.0+147.0Pcm–81lgt8/5國產(chǎn)低合金鋼(2)鈴木公式（日本低合金高強鋼）Hmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/53）焊接HAZ最高硬度的計算公式(1)國產(chǎn)鋼硬度計算公式Hm69(二)焊接熱影響區(qū)的脆化1)粗晶脆化產(chǎn)生原因:合金因素對于不易淬火鋼,主要是晶粒長大,形成粗大魏氏組織(W),易淬火鋼,產(chǎn)生脆硬的孿晶M.此區(qū)處在焊縫與母材的過渡地帶,物理化學的不均勻性。(二)焊接熱影響區(qū)的脆化產(chǎn)生原因:合金因素對于不易淬火鋼,主70組織脆化（1）M-A組元脆化（2）析出脆化（3）遺傳脆化組織脆化（1）M-A組元脆化71（1）M-A組元脆化M-A組元是焊接低合金高強鋼時在一定冷卻速度條件下形成的，它不僅出現(xiàn)在焊縫，也出現(xiàn)在HAZ。M-A組元的形成是某些低合金鋼的焊接HAZ處于中溫上貝氏體的轉變區(qū)間，先析出含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴大，而使碳大部分集富到被鐵素體包圍的島狀殘余奧氏體中去。當連續(xù)冷卻到400～350℃時，殘余奧氏體的碳濃度可達0.5％～0.8％，隨后這些高碳奧氏體可轉變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。（1）M-A組元脆化M-A組元是焊接低合金高強72

M-A組元的形成溫度是在上貝氏體的溫度范圍內，因奧氏體的含碳量高，在較大速度下會全部轉變?yōu)槠瑺铖R氏體(孿晶)；而冷速緩慢時，奧氏體又會分解為鐵素體和滲碳體，形成M-A組元只在中等的冷卻速度最易產(chǎn)生．如圖4-46a所示。由圖4-46b可以看出，隨M-A組元的增多，脆性轉變溫度顯著升高，使焊接HAZ脆化。M-A組元的形成溫度是在上貝氏體的溫度范圍內73焊接熱影響區(qū)的組織和性能74

除冷卻條件之外，影響M-A組元的形成還有合金化程度。合金化程度較高時，穩(wěn)定性較大，因而不易分解形成M-A組元實踐證明，低溫回火(＜250℃)可以有助于M-A組元的分解而改善韌性，(450～500℃)改善的效果更為顯著。但改善的程度與初始M-A組元的含量有關。除冷卻條件之外，影響M-A組元的形成還有合金75綜上所述，焊接HAZ有M-A組元存在時會增加脆性。根據(jù)研究，M-A組元脆化的原因，在于殘余奧氏體增碳后在焊接冷卻條件下易于形成孿晶馬氏體，并在界面上產(chǎn)生顯微裂紋沿M-A組元的邊界擴展。因此，有M-A組元存在時，成為潛在的裂源，并起到吸氫和應力集中的作用。有關M-A組元的形成機理及引起脆化的原因尚處深入研究的階段。綜上所述，焊接HAZ有M-A組元存在時會增加76（2）析出脆化某些金屬或合金的焊接區(qū)是處于非平衡態(tài)的組織，化學上和物理上都有很明顯的不均勻性。在時效或回火過程中，從非穩(wěn)態(tài)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，對于一般低合金鋼來講主要是析出碳(氮)化物。由于這些新相的析出，而使金屬或合金的強度、硬度和脆性提高，這種現(xiàn)象稱為析出脆化。應指出，強度和硬度提高并不一定發(fā)生脆化(如時效馬氏體鋼等)但發(fā)生脆化必然伴隨強度和硬度的提高。（2）析出脆化某些金屬或合金的焊接區(qū)是處于非77關于析出脆化的機理，目前認為是由于析出產(chǎn)物出現(xiàn)以后，阻礙位錯運動，而且析出產(chǎn)物并不是均勻的，常有偏析和聚集存在，從而使金屬的強度和硬度提高。根據(jù)H．A．Cottrell等人的研究，曾用位錯理論解釋析出脆化的機理。他們認為，從固溶體中析出的間隙原子(如C、N)時，常排列在位錯的周圍，形成所謂“科氏氣團”(Cottrellatomospher)，那么析出物(碳、氮化物或其他金屬間化合物等)同樣也會形成“科氏氣團”，從而阻礙了位錯的運動。關于析出脆化的機理，目前認為是由于析出產(chǎn)物出現(xiàn)以后，78當析出物從固溶體中析出時，質點比較小(阻力不大)，位錯運動可以比較自由地穿過析出物的間距λ(見圖4-47a)，所以此時金屬(HAZ)尚未脆化，仍具有較好的韌性。隨時效時間的增長，析出的質點除進一步增多之外，尚發(fā)生聚集，阻力增大，使位錯運動發(fā)生困難。當A＝入0時，位錯運動的阻力最大，金屬的硬度(脆化)可達最大值(見圖4-47b)。當析出物從固溶體中析出時，質點比較小(阻力不大)，79焊接熱影響區(qū)的組織和性能80此后，隨時效時間的進一步增長，新的析出物逐漸減少，而原有析出物進一步發(fā)生聚集，使析出物之間的距離λ增大，從而使位錯運動得以恢復。這時韌性又有所提高，而脆性有所減弱。不同類型的析出，當間距入0＝(25～50)×10-8cm(原子間距)時，可達最大的脆化傾向。此外，析出物的分布、形態(tài)和尺寸對脆化都有影響。此后，隨時效時間的進一步增長，新的析出物逐漸減81（3）遺傳脆化厚板結構多層焊時，若第一焊道的HAZ粗晶區(qū)位于第二焊道的正火區(qū)(相變結晶區(qū)），按一般的規(guī)律，粗晶區(qū)將得到細化，從而改善了第一焊道粗晶區(qū)的性能。但對某些鋼種實際上并未得到改善，仍保留粗晶組織和結晶學的位向關系，這種現(xiàn)象稱為“組織遺傳”(包括粗晶及組織)，由這種遺傳而引起的脆化稱為“遺傳脆化”。（3）遺傳脆化厚板結構多層焊時，若第一焊道的HAZ82焊接熱影響區(qū)的組織和性能833）.HAZ的熱應變時效脆化(1)靜應變時效脆化：在室溫或低溫下受到預應變后產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象，叫作靜應變時效脆化。它的特征是強度和硬度增高，而塑性、韌性下降。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。(2)動應變時效脆化：一般在較高溫度下，特別是200～400℃溫度范圍的預應變所產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象稱為動應時效脆化。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，通常所說的“藍脆性”就屬于動應變時效脆化現(xiàn)象。3）.HAZ的熱應變時效脆化(1)靜應變時效脆化：在室溫84

為了評價鋼材熱應變時效脆化的敏感性，試驗時焊接接頭開缺口的位置可分為兩種情況：一種是缺口尖端位于亞熱影響區(qū)；另一種是缺口尖端位于先已焊完的橫焊縫熔合區(qū)。在制備試件時，又分為焊前開缺口(BWN)和焊后開缺口(AWN)，如圖4-52所示(圖中NWN為無預應變的母材開缺口)。為了評價鋼材熱應變時效脆化的敏感性，試驗時焊接85焊接熱影響區(qū)的組織和性能86試驗用鋼材的化學成分如表4-17所示。試驗的結果如圖4-53所示。試驗用鋼材的化學成分如表4-17所示。試驗的結87焊接熱影響區(qū)的組織和性能88焊接熱影響區(qū)的組織和性能89由圖4-53a、b可以看出，亞熱影響區(qū)以焊前開缺口(BWN)的熱應變脆化最嚴重，其次是AWN。NWN是反映鋼材本身的熱應變脆化(COD值與溫度的關系)，相比之下，可以說明這種鋼經(jīng)焊接之后有明顯的熱應變脆化傾向。由圖4-53a與c比較可知，當缺口開在已焊完橫焊縫的熔合區(qū)時，比缺口位于亞熱影響區(qū)時的效應變脆化更為嚴重。由圖4-53a、b可以看出，亞熱影響區(qū)以焊前90(三)焊接熱影響區(qū)的韌化1、母材的原始組織組織中的韌化相是決定韌性的主要因素式中σ—韌化相斷裂所需的應力K—平均應力集中系數(shù)E—彈性模量

γ—斷裂時所需的表面能Wp—韌化相的塑性變形功2、韌化處理-焊后熱處理(三)焊接熱影響區(qū)的韌化91（四）調質鋼焊接HAZ的軟化1、調質鋼焊接時 HAZ的軟化母材焊前調質處理的回火溫度越低(即強化程度越大)，則焊后的軟化程度越嚴重（四）調質鋼焊接HAZ的軟化1、調質鋼焊接時 HAZ的922、熱處理強化合金焊接HAZ的軟化2、熱處理強化合金焊接HAZ的軟化93（五）焊接HAZ力學性能

一般來說，對HAZ力學性能的研究主要是從兩方面進行：

一方面是研究HAZ不同部位的力學性能另一方面專門研究熔合區(qū)附近的性能.

對于淬硬傾向不大的鋼種(如16Mn鋼)采用焊接熱模擬技術，HAZ不同部位常規(guī)力學性能如下圖（五）焊接HAZ力學性能一般來說，對HAZ力學性能的研究94焊接熱影響區(qū)的組織和性能95第二章焊接熱影響區(qū)的組織和性能第二章焊接熱影響區(qū)的組織和性能96第一節(jié)焊接熱循環(huán)第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉變特點第三節(jié)熱影響區(qū)組織和性能第二章焊接熱影響區(qū)的組織第一節(jié)焊接熱循環(huán)第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬第三節(jié)97

焊接熱影響區(qū)：熔焊時在集中熱源的作用下，焊縫兩側發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(HeatAffectedzone,簡稱HAZ)或稱“近縫區(qū)”(NearWeldZone)焊接接頭是由兩個主要部分組成，即焊縫和焊接熱影響區(qū)，如圖4-1所示。

焊接熱影響區(qū)：熔焊時在集中熱源的作用下，焊縫兩98焊接熱影響區(qū)的組織和性能99第一節(jié)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán):焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點溫度由低而高，達到最高值后，又由高而低隨時間的變化稱為焊接熱循環(huán)。它是描述焊接過程中熱源對被焊金屬的熱作用。距焊縫不同距離的各點，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同的，如圖4-3所示。另外，由于焊接方法不同，熱循環(huán)曲線的形狀也發(fā)生較大的變化。第一節(jié)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán):焊接過程中熱源沿焊件移動時，100圖4-3距焊縫不同距離各點的熱循環(huán)（低碳鋼，板厚20mm,手弧焊）圖4-3距焊縫不同距離各點的熱循環(huán)101圖4-4不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1—手弧焊2—埋弧焊3—電渣焊焊接熱影響區(qū)的組織和性能102一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1.加熱速度(WH)2.加熱的最高溫度(Tm)3.在相變溫度以上的停留時間(tH)4.冷卻速度(Wc)或冷卻時間（t8/5、t8/3、t100）一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1.加熱速度(WH)103

（一）加熱速度(ωH)

焊接條件下的加熱速度比熱處理條件下要快的多，并隨加熱速度的提高，則相變溫度但隨之提高，同時奧氏體的均質化和碳化物的溶解也越不充分。因此，必然會影響到焊接HAZ冷卻后的組織與性能。加熱速度與許多因素有關，例如不同的焊接方法、焊接線能量、板厚及幾何尺寸，以及被焊金屬的熱物理性質等。低合金鋼幾種常用的焊接方法的加熱速度、冷卻速度等有關數(shù)據(jù)見表4-l所示。（一）加熱速度(ωH)焊接條104焊接熱影響區(qū)的組織和性能105

（二）加熱的最高溫度（Tm）

金屬的組織和性能除化學成分的影響之外,主要與加熱的最高溫度Tm和冷卻速度ωc有關。例如低碳鋼和低合金鋼焊接時，在熔合線附近的過熱區(qū)，由于溫度高(1300～1350℃)，晶粒發(fā)生嚴重長大，從而使韌性嚴重下降。（二）加熱的最高溫度（Tm）金106

（三）在相變溫度以上的停留時間（th）

在相變溫度Th以上停留的時間越長，越有利于奧氏體的均質化過程，但溫度太高時(如1100℃以上)即使停留時不長，也會產(chǎn)生嚴重的晶粒長大。為便于分析研究，把高溫停留時間th分為加熱過程的停留時間t’和冷卻過程的停留時間t’’,即th＝t’十t’’(參見圖4-5)。（三）在相變溫度以上的停留時間（th）107焊接熱影響區(qū)的組織和性能108（四）冷卻速度(ωc)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t100)

冷卻速度是決定焊接HAZ組織性能的主要參數(shù)，如同熱處理時的冷卻速度一樣。應當指出，焊接時的冷卻過程在不同階段是不同的。這里所討論的是指一定溫度范圍內的平均冷卻速度，或者是冷至某一瞬時溫度Tc的冷卻速度。對于低合金鋼的焊接來講，有重要影響的是熔合線附近冷卻過程中約540℃的瞬時冷卻速度(見圖4-5的C點)。（四）冷卻速度(ωc)和冷卻時間(t8/5、t8/3、t10109

近年來許多國家為便于分析研究，常采用某一溫度范圍內的冷卻時間來討論熱影響區(qū)組織性能的變化，如800～500℃的冷卻時間t8/5，800～300℃的冷卻時間t8/3和從峰值溫度Tm冷至100℃的冷卻時間t100等，這要根據(jù)不同金屬材料所存在的問題來決定。近年來許多國家為便于分析研究，常采用某一溫度110

焊接熱循環(huán)是焊接接頭經(jīng)受熱作用的里程，研究它對于了解應力變形、接頭組織和力學性能等都是十分重要的，是提高焊接質量的重要途徑。

111二.多層焊熱循環(huán)的特點在實際焊接中,厚板多采用多層焊接,因此,有必要了解多層焊熱循環(huán)作用特點。在單層焊時,因為受到焊縫截面積的限制,不能在更大的范圍內調整功率和焊速,所以焊接熱循環(huán)的調整也受到限制。多層焊比單層焊具有更優(yōu)越的地方,它是由許多單層熱循環(huán)聯(lián)合在一起的綜合作用,同時相鄰焊層之間彼此具有熱處理性質.從提高焊接質量而言,多層焊往往易達到要求。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)要求不同，多層焊分為“長段多層焊”和“短段多層焊”二.多層焊熱循環(huán)的特點在實際焊接中,厚板多112（一）長段多層焊焊接熱循環(huán)所謂長段多層焊，即每道焊縫的長度較長(一般1m以上)，這樣在焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本冷至較低的溫度(一般在100～200℃以下)，其焊接熱循環(huán)的變化如圖4-17所示。由圖4-17可以看出，相鄰各層之間有依次熱處理的作用，為防止最后一層淬硬，可多加一層“退火焊道”，從而使焊接質量有所改善。（一）長段多層焊焊接熱循環(huán)所謂長段多層焊113焊接熱影響區(qū)的組織和性能114

應當指出，對于一些淬硬傾向較大的鋼種，不適于長段多層焊接。因為這些鋼在焊第一層以后，焊接第二層之前，近縫區(qū)或焊縫由于淬硬傾向較大而有產(chǎn)生裂紋的可能。所以焊接這種鋼時，應特別注意與其他工藝措施的配合，如焊前預熱、層間溫度控制，以及后熱緩冷等。

115（二）短段多層焊焊接熱循環(huán)所謂短段多層焊，就是每道焊縫長度較短(約為50～400mm)，在這種情況下，未等前層焊縫冷卻到較低溫度(如Ms點)就開始焊接下一道焊縫。短段多層焊的熱循環(huán)如圖4-18所示。（二）短段多層焊焊接熱循環(huán)所謂短段多層焊，就116焊接熱影響區(qū)的組織和性能117由圖4-18看出，近縫區(qū)1點和4點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。對于1點來講，一方面使該點在Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大；另一方面減緩了Ac3以下的冷卻速度，從而防止淬硬組織產(chǎn)生。對于4點來講，預熱基礎上開始焊接的，如焊縫的長度控制合適，那么Ac3以上停留時間仍可較短，使晶粒不易長大。為防止最后一層產(chǎn)生脆硬組織，可多一層退火焊道，以便增長奧氏體的分解時間(由tB增至tB’)。焊接熱影響區(qū)的組織和性能118由此可見，短段多層焊對焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種。但是，短段多層焊的操作工藝十分繁瑣，生產(chǎn)率低，只有在特殊情況下才采用。焊接熱影響區(qū)的組織和性能119第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的

金屬組織轉變特點

特點：2.加熱速度快；幾十倍甚至幾百倍1.加熱溫度高熱處理加熱溫度都不超過Ac3以上100～200℃

4.自然條件下連續(xù)冷卻3.高溫停留時間短手弧，4~20秒；埋弧，30~100秒

5.局部加熱第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的

金屬組120一、焊接時加熱過程組織轉變特點

１.加熱速度對相變點的影響焊接時的加熱速度很快,各種金屬的相變溫度發(fā)生了很大的變化。加熱速度越快，Ac1和Ac3的溫度越高，而且Ac1和Ac3的溫差越大。焊接時,由于采用的焊接方法不同,規(guī)范不同,加熱速度可在很大的范圍內變化。一、焊接時加熱過程組織轉變特點１.加熱速度對相變點的影響焊121２.加熱速度對Ａ均質化影響加熱速度不但對相變點有影響,對Ａ均質化也有影響.因為Ａ均質化屬擴散過程。在快速加熱條件下，來不及完成擴散過程。３.近縫區(qū)的晶粒長大

在焊接條件下,近縫區(qū)由于強烈過熱使晶粒發(fā)生嚴重長大,影響焊接接頭塑性,韌性,產(chǎn)生熱裂紋,冷裂紋.２.加熱速度對Ａ均質化影響加熱速度不但對相變點有影響,122二.焊接時冷卻過程組織轉變特點

研究焊熱影響區(qū)的熔合線附近的情況,這一區(qū)域是焊接接頭的薄弱地帶。以45鋼、40Cr為例,比較焊接條件和熱處理條件這兩種不同熱過程組織轉變的差異.二.焊接時冷卻過程組織轉變特點研究焊熱影響區(qū)的熔合線附近的123

焊接和熱處理時，加熱及冷卻過程如圖4-20所示。其中兩種情況的冷卻曲線1、2、3…彼此具有各自相同的冷卻速度。

根據(jù)上述的實驗條件、采用專用的焊接熱模擬試驗機和快速相變儀，得到了兩種鋼在焊接和熱處理條件下連續(xù)冷卻的組織轉變圖(即CCT圖)，如圖4-21和圖4-22所示。

124焊接熱影響區(qū)的組織和性能125焊接熱影響區(qū)的組織和性能126焊接熱影響區(qū)的組織和性能127鋼種冷卻速度組織（%）鐵素體馬氏體珠光體及中間組織45鋼41830605(10)1(3)1(1)0(00（0）90（27）92（69）98（98）95（90）9（70）7（30）2（2）40Cr41422361（0）0（0）0（0）0（0）75（95）90（98）95（100）100（100）24（5）10（2）5（0）0（0）表4-9焊接及熱處理條件下的組織百分比鋼種鐵素體馬氏體珠光體及中間組織45鋼45(10)0（0）9128

表4-9是45鋼和40Cr鋼在焊接和熱處理時同樣冷卻速度條件下的組織百分比。由圖4-21、圖4-22和表4-9可以看出，45鋼在焊接條件比在熱處理條件下的CCT曲線稍向右移(主要考慮Ms附近)。說明在相同冷卻速度條件下，焊接時比熱處理時的淬硬傾向大。如冷卻速度為30℃／s，焊接時可得到92％馬氏體，而熱處理時只得到69％馬氏體。相反，40Cr鋼在焊接條件下的CCT曲線比熱處理條件下的CCT曲線向左移動，也就是在同樣冷卻速度下焊接時比熱處理時的淬硬傾向小。例如，焊接條件下當冷卻速度為36℃／s時，可得到l00％的馬氏體，而熱處理條件下只要22℃／s即可得到l00％馬氏體。表4-9是45鋼和40Cr鋼在焊接和熱處理時同129

根據(jù)金屬學原理可以知道，碳化物合金元素(如Cr、Mo、V、Ti、Nb等)只有它們充分溶解在奧氏體的內部，才會增加奧氏體的穩(wěn)定性(即增加淬硬傾向)。很顯然在熱處理條件下，可以有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體內部溶解。而在焊接條件下，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，因此降低了淬硬傾向。至于不含碳化物合金元素的鋼(如45鋼)，一方面不存在碳化物的溶解過程，另一方面在焊接條件下，由于近縫區(qū)組織粗化，故淬硬傾向比熱處理條件下要大。根據(jù)金屬學原理可以知道，碳化物合金元素(如C1301.CCT圖的建立:采用焊熱熱模擬試驗裝置來建立某種鋼的CCT圖.2.意義:在新鋼種投產(chǎn)之前,可預先估計熱影響區(qū)的組織性能,或作為制定工藝,焊接線能量的依據(jù).3.CCT圖的應用:通過CCT圖可得到在不同的冷卻速度下的組織,即估計組織及預測性能.

三.焊接條件下CCT圖的建立及其應用三.焊接條件下CCT圖的建立及其應用131圖4-23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的變化。 由圖4-23可以看出，只要知道在焊接條件下熔合區(qū)附近(Tm＝1300～1350℃)t8/5冷卻時間，就可以在此圖上查出相應的組織和硬度。這樣就可以預先判斷出在這種焊接條件下的接頭性能，也可以預測此鋼種的淬硬傾向及產(chǎn)生冷裂紋的可能性。同時也可以作為調節(jié)焊接工藝參數(shù)和改進工藝(預熱、后熱及焊后熱處理等)的依據(jù)。因此，建立焊接條件下的CCT圖和t8/5與組織硬度的分布圖對于焊接性分析和提高焊接接頭的質量具有十分重要的意義圖4-23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的132焊接熱影響區(qū)的組織和性能133焊接熱影響區(qū)的組織和性能134影響CCT圖的因素有

(一)母材化學成分(二)冷卻速度(三)峰值溫度(四)晶粒粗化(五)應力應變影響CCT圖的因素有(一)母材化學成分135（一）母材化學成分的影響焊接條件下的CCT曲線的形狀(實際上是代表鋼種的淬硬傾向)，從根本上來說取決于母材的成分，這一點與熱處理條件下的CCT圖是一致的。除鈷之外，所有固溶于奧氏體的合金元素都使S曲線向右移，即增加淬便傾向，并降低Ms點，其中以碳的影響為最大。由金屬學原理可知，由于成分不同，在同一冷卻速度下，則得到不同的組織，因而硬度也不同。（一）母材化學成分的影響焊接條件下的CCT曲線136（二）冷卻速度的影響

高溫形成的奧氏體，因冷卻速度不同，可得到不同的轉變產(chǎn)物。冷卻速度對相變的影響，隨著冷卻速度的增高，對于Fe-C合金來講，A1、A3、Acm均移向更低的溫度。同時共析成分也由C0．83%轉為C0．4％～0．8％，也就是說在快速冷卻條件下，C0．4％的鋼就可以得到全部為珠光體的組織(偽共析組織)。在焊接條件下，加熱和冷卻都比較快，對相變必然會有較大的影響。因此，CCT圖形有變動，有時為了改善焊接熱影響區(qū)的組織，適當調整焊接線能量和采用預熱及后熱等措施，以降低冷卻速度。應當指出．當鋼中含有碳化物或氮化物形成元素時，只有它們固溶于奧氏體之后，才能增加奧氏體的穩(wěn)定性。焊接時，加熱速度很快，碳化物或氮化物并未溶解于奧氏體中，因而在快速冷卻條件下，反而會降低奧氏體的穩(wěn)定性，使奧氏體提前轉變。最新的研究表明，冷卻速度增大時，Ms有所上升，并且會改變馬氏體的形態(tài)。因為增大冷卻速度使馬氏體增大滑移的抗力，不均勻切變就會以孿晶方式進行，馬氏體就由條狀變?yōu)槠瑺?。（二）冷卻速度的影響高溫形成的奧氏體，因冷卻速137(三）峰值溫度的影響峰值溫度越高，一方面使過冷奧氏體的穩(wěn)定性加大，另一方面也會促使奧氏體晶粒粗化，這兩方面的作用都會影響CCT圖的形態(tài)。峰值溫度不同對16Mn鋼CCT圖的影響如圖4-25所示。由圖可看出，加熱溫度高的CCT圖(Tm＝1300℃)比加熱溫度低的CCT圖(Tm＝900℃)要向右移，說明奧氏體的穩(wěn)定性增大。但是在焊接條件下，由于加熱速度快．高溫停留時間短，比起爐中緩慢加熱時的影響要小些。(三）峰值溫度的影響峰值溫度越高，一方面使過138焊接熱影響區(qū)的組織和性能139（四）晶粒粗化的影響焊接條件下，近縫區(qū)由于強烈地過熱而使晶粒發(fā)生嚴重長大，這不僅影響焊接接頭的性能，同時也增大了產(chǎn)生裂紋的危險性。根據(jù)幾種鋼在焊接熱循環(huán)條件下晶粒長大動力學的研究可知，峰值溫度附近晶粒長大的速度最快，當溫度開始下降時，晶粒長大的趨勢并不減弱，一直冷卻到1100℃以下略有下降，達到一定尺寸之后就不再繼續(xù)長大。由此可知，在焊接條件下，奧氏體晶粒不但在加熱過程中長大，而且在冷卻過程也在長大，即所謂晶粒長大的“熱慣性”晶粒粗化對奧氏體的分解轉變及轉變產(chǎn)物的形態(tài)有很大的影響。晶粒越粗大，晶界的總面積越少，也就減少了形核的機會，也就不利于奧氏體的轉變。（四）晶粒粗化的影響焊接條件下，近縫區(qū)由于強烈地過熱而使晶粒140（五）應力應變的影響焊接時不可避免地會產(chǎn)生熱應力、組織應力，以及拘束應力，這樣就會引起彈性和塑性變形，對過冷奧氏體轉變具有重要影響。拉伸應力對CCT曲線的影響如圖4-28所示，由圖看出，有拉伸應力存在時會明顯地降低奧氏體的穩(wěn)定性，使CCT曲線明顯地向左上方偏移。應力和應變都會增加奧氏體的內能，從而加速擴散過程，有利于擴散型相變的進行。此外，應力應變同樣也影響到馬氏體轉變，拉伸應力可促進馬氏體轉變，即Ms升高和馬氏體轉變量增加。此外，切應力也能促進馬氏體轉變，正壓應力則會阻礙馬氏體轉變。（五）應力應變的影響焊接時不可避免地會產(chǎn)生熱141焊接熱影響區(qū)的組織和性能142第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織和性能

一.焊接熱影響區(qū)的組織分布

焊接結構鋼根據(jù)熱處理特性不同分為兩類:淬火鋼,不易淬火鋼,分別講述淬火鋼和不易淬火鋼的組織分布.1.不易淬火鋼:如低碳鋼,某些不易淬硬的低合金鋼,如16Mn.15MoV.15MnTi等第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織和性能一.焊接熱影響區(qū)的組織143熱影響區(qū)的組織分布

1).熔合區(qū)2).過熱區(qū)3).相變重結晶區(qū)4).不完全重結晶區(qū)

熱影響區(qū)的組織分布1).熔合區(qū)144焊接熱影響區(qū)的組織和性能145相變重結晶區(qū)焊縫金屬母材熔合區(qū)過熱區(qū)不完全重結晶區(qū)16Mn鋼焊接熱影響區(qū)相變重結晶區(qū)焊縫金屬母材熔合區(qū)過熱區(qū)不完全重結晶區(qū)16M1461).熔合區(qū)即焊縫與母材相鄰的部位，又稱半熔化區(qū)(溫度處于固液相線之間)，這個區(qū)的微觀行為十分復雜，焊縫與母材的不規(guī)則結合，形成了參差不齊的分界面。此區(qū)的范圍雖然很窄，但由于在化學成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，所以對焊接接頭的強度、韌性都有很大的影響。在許多情況下熔合區(qū)是產(chǎn)生裂紋、脆性破壞的發(fā)源地，因此引起了普通的重視。1).熔合區(qū)即焊縫與母材相鄰的部位，又稱半1472).過熱區(qū)此區(qū)的溫度范圍是處在固相線以下到1100℃左右，金屬是處于過熱的狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，冷卻之后便得到粗大的組織(一般對于低碳鋼來講，焊后晶粒度都在1～2級)；在氣焊和電渣焊的條件下常出現(xiàn)魏氏組織(見圖4-30)。此區(qū)的韌性很低，通常要降低20％-30％，因此，焊接剛度較大的結構時，常在過熱粗晶區(qū)產(chǎn)生脆化或裂紋。過熱區(qū)的大小與焊接方法、焊接線能量和母材的板厚等有關。2).過熱區(qū)此區(qū)的溫度范圍是處在固相線以下到148焊接熱影響區(qū)的組織和性能1493).相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）焊接時母材金屬被加熱到Ac3以上的部位，將發(fā)生重結晶(即鐵素體和珠光體全部轉變?yōu)閵W氏體)，然后在空氣中冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體．相當于熱處理時的正火組織。此區(qū)的塑性和韌性都比較好，所處的溫度范圍約在A3～1000℃之間。3).相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）焊接時母材金屬被加熱到Ac1504).不完全重結晶區(qū)焊接時處于Ac1～Ac3之間范圍內的熱影響區(qū)就是屬于不完全重結晶區(qū)。因為處于Ac1～Ac3范圍內只有一部分組織發(fā)生了相變重結晶過程，成為晶粒細小的鐵素體和珠光體，而另-部分是始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體。所以此區(qū)特點是晶粒大小不一，組織不均勻，因此力學性能也不均勻。4).不完全重結晶區(qū)焊接時處于Ac1～Ac31512.易淬火鋼

此類鋼熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前熱處理有關（焊前熱處理.退火,正火,調質）1).完全淬火區(qū)2).不完全淬火區(qū)3).對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài))回火區(qū)以下,發(fā)生不同程度的回火處理─回火區(qū).組織性能變化取決于焊前調質狀態(tài)的溫度.2.易淬火鋼此類鋼熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前熱處理有1521).完全淬火區(qū)焊接時熱影響區(qū)處于Ac3以上的區(qū)域，由于這類鋼的淬硬傾向較大，故焊后將得到淬火組織(馬氏體)。在靠近焊縫附近(相當于低碳鋼的過熱區(qū))，由于晶粒嚴重長大，故得到粗大的馬氏體，而相當于正火區(qū)的部位得到細小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不同，還可能出現(xiàn)貝氏體，從而形成了與馬氏體共存的混合組織。這個區(qū)在組織特征上都是屬同一類型(馬氏體)，只是粗細不同，因此統(tǒng)稱為完全淬火區(qū)。1).完全淬火區(qū)焊接時熱影響區(qū)處于Ac3以上1532).不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1～Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉變?yōu)閵W氏體，在隨后快冷時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。原鐵素體保持不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體-鐵素體的組織，故稱不完全淬火區(qū)。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，也可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。2).不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1～Ac3溫154

對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài))回火區(qū)以下,發(fā)生不同程度的回火處理─回火區(qū).組織性能變化取決于焊前調質狀態(tài)的溫度.對于調質處理的鋼(母材焊前處于調質狀態(tài)1553.注意問題

1).熱影響區(qū)中熔合區(qū),過熱區(qū)晶粒嚴重長大,是焊接接頭的薄弱地帶.2).低碳鋼的不完全重結晶區(qū),在急冷急熱的條件下,會表現(xiàn)出高碳鋼的行為.3).成分偏析嚴重,C.P.S高時易產(chǎn)生淬硬組織,裂紋.3.注意問題1).熱影響區(qū)中熔合區(qū),過熱區(qū)晶粒嚴重長大,是156焊接熱影響區(qū)的組織和性能157二.焊接熱影響區(qū)的性能

(一)焊接熱影響區(qū)的硬化

硬度

為了方便起見,常常用硬度的變化來判定熱影響區(qū)的性能變化,硬度高的區(qū)域,強度也高,塑性.韌性下降,測定熱影響區(qū)的硬度分布可以間接來估計熱影響區(qū)的強度,塑性和裂紋傾向影響硬度的因素。二.焊接熱影響區(qū)的性能(一)焊接熱影響區(qū)的硬化1581)碳當量（CarbonEquivalent)國際焊接學會日本焊接協(xié)會碳含量0.18%以上的鋼種主要適用于碳含量C≤0.17%以上的鋼種1)碳當量（CarbonEquivalent)國際焊接學會159近年來常用的公式碳含量范圍：0.034%

~

0.254%近年來常用的公式碳含量范圍：0.034%~0.254%1602)碳當量及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關系2)碳當量及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關161焊接熱影響區(qū)的組織和性能162焊接熱影響區(qū)的組織和性能1633）焊接HAZ最高硬度的計算公式(1)國產(chǎn)鋼硬度計算公式 當t8/5

<tM100Hmax=292+812C 當t8/5

>tM100 Hmax=52.0+147.0Pcm–81lgt8/5國產(chǎn)低合金鋼(2)鈴木公式（日本低合金高強鋼）Hmax(HV10)=140+1089Pcm–8.2t8/53）焊接HAZ最高硬度的計算公式(1)國產(chǎn)鋼硬度計算公式Hm164(二)焊接熱影響區(qū)的脆化1)粗晶脆化產(chǎn)生原因:合金因素對于不易淬火鋼,主要是晶粒長大,形成粗大魏氏組織(W),易淬火鋼,產(chǎn)生脆硬的孿晶M.此區(qū)處在焊縫與母材的過渡地帶,物理化學的不均勻性。(二)焊接熱影響區(qū)的脆化產(chǎn)生原因:合金因素對于不易淬火鋼,主165組織脆化（1）M-A組元脆化（2）析出脆化（3）遺傳脆化組織脆化（1）M-A組元脆化166（1）M-A組元脆化M-A組元是焊接低合金高強鋼時在一定冷卻速度條件下形成的，它不僅出現(xiàn)在焊縫，也出現(xiàn)在HAZ。M-A組元的形成是某些低合金鋼的焊接HAZ處于中溫上貝氏體的轉變區(qū)間，先析出含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴大，而使碳大部分集富到被鐵素體包圍的島狀殘余奧氏體中去。當連續(xù)冷卻到400～350℃時，殘余奧氏體的碳濃度可達0.5％～0.8％，隨后這些高碳奧氏體可轉變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。（1）M-A組元脆化M-A組元是焊接低合金高強167

M-A組元的形成溫度是在上貝氏體的溫度范圍內，因奧氏體的含碳量高，在較大速度下會全部轉變?yōu)槠瑺铖R氏體(孿晶)；而冷速緩慢時，奧氏體又會分解為鐵素體和滲碳體，形成M-A組元只在中等的冷卻速度最易產(chǎn)生．如圖4-46a所示。由圖4-46b可以看出，隨M-A組元的增多，脆性轉變溫度顯著升高，使焊接HAZ脆化。M-A組元的形成溫度是在上貝氏體的溫度范圍內168焊接熱影響區(qū)的組織和性能169

除冷卻條件之外，影響M-A組元的形成還有合金化程度。合金化程度較高時，穩(wěn)定性較大，因而不易分解形成M-A組元實踐證明，低溫回火(＜250℃)可以有助于M-A組元的分解而改善韌性，(450～500℃)改善的效果更為顯著。但改善的程度與初始M-A組元的含量有關。