金屬焊接熱影響區(qū)的組織和性能

材料(cáiliào)成形原理（焊接部分）5焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)和性能共七十六頁5.1

焊接(hànjiē)熱循環(huán)共七十六頁熱影響區(qū)——熔焊時(shí)在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，焊縫兩側(cè)母材上發(fā)生組織(zǔzhī)和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”（HeatAffectedZone，簡(jiǎn)稱HAZ）或稱“近縫區(qū)”（NearWeldZone）。焊接(hànjiē)接頭=焊縫+熱影響區(qū)或：焊接接頭=焊縫+熔合區(qū)+熱影響區(qū)早期：母材主要是低碳鋼，HAZ一般不會(huì)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?，F(xiàn)在：母材材料的品種不斷擴(kuò)大（如低合金高強(qiáng)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(duì)加熱敏感，有些化學(xué)性質(zhì)還相當(dāng)活潑。HAZ的組織與性能將發(fā)生較大的變化，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。隨著鋼材強(qiáng)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。共七十六頁一、研究焊接(hànjiē)熱循環(huán)的意義焊接熱循環(huán)——在焊接熱源(rèyuán)的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。 焊件上距熱源遠(yuǎn)近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，從而會(huì)發(fā)生不同的組織與性能變化。研究焊接熱循環(huán)的意義為：①找出最佳的焊接熱循環(huán)不同的金屬材料對(duì)焊接熱循環(huán)的敏感性不同，對(duì)焊接熱循環(huán)作適當(dāng)調(diào)整，找出適合某種金屬的最佳熱循環(huán)，從而保證最佳的焊接質(zhì)量。②用工藝手段改善焊接熱循環(huán)如：預(yù)熱、后熱、控制線能量等。③預(yù)測(cè)焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征2、加熱的最高溫度Tm

峰值溫度過高，將使晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，甚至(shènzhì)產(chǎn)生過熱的魏氏體組織，造成晶粒脆化；同時(shí)還影響到焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變，形成較大的焊接殘余應(yīng)力或變形。

3、相變溫度以上的停留時(shí)間tH

tH越大，越有利于奧氏體均質(zhì)化，但晶粒長(zhǎng)大越嚴(yán)重。

tH

＝t‘＋t’’ t‘－加熱過程停留時(shí)間，

t’’－冷卻過程的停留時(shí)間1、加熱速度ωH

ωH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。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。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征4、冷卻速度ωc和冷卻時(shí)間（t8/5、t8/3、t100)

冷卻速度冷卻速度，特別是在固態(tài)相變溫度范圍內(nèi)冷卻速度，即800～500℃及800～300℃時(shí)的冷卻速度是焊接熱循環(huán)中極其重要的參數(shù)，它將決定焊接接頭的組織、性能及接頭質(zhì)量。準(zhǔn)確地測(cè)量瞬時(shí)冷卻速度有一定地困難，多采用一定溫度范內(nèi)的冷卻時(shí)間來代替冷卻速度，以此作為研究焊接接頭的組織、性能及抗裂性的重要參數(shù)。

t8/5

－800~500℃時(shí)冷卻時(shí)間

t8/3－800~300℃時(shí)冷卻時(shí)間

t100－Tm~100℃的冷卻時(shí)間

碳鋼及低合金鋼：固態(tài)相變溫度范圍的800～500℃冷卻時(shí)間t8/5；淬硬傾向比較(bǐjiào)大的鋼種：采用冷卻時(shí)間t8/3或冷卻時(shí)間t100。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征共七十六頁三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計(jì)算

主要介紹焊接熱源高速運(yùn)動(dòng)時(shí)厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算（推導(dǎo)過程略）：

峰值溫度Ｔm的計(jì)算相變溫度以上(yǐshàng)的停留時(shí)間tH

的計(jì)算冷卻速度ωC和冷卻時(shí)間的計(jì)算

數(shù)值模擬——是指用一組控制方程來描述一個(gè)過程的基本參數(shù)變化關(guān)系；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)學(xué)模型(包括焊接熱循環(huán)參數(shù))。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)的容量日益增大，計(jì)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(jì)算機(jī)上用數(shù)值方法迎刃而解。共七十六頁點(diǎn)熱源(rèyuán)（厚板）：

線熱源(rèyuán)（薄板）：

由兩式可以看出：焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離越遠(yuǎn)，最高溫度Ｔm越低；焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能量E

的提高，其Ｔm增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算峰值溫度Ｔm的計(jì)算共七十六頁三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計(jì)算峰值溫度(wēndù)Ｔm的測(cè)量共七十六頁點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）由公式可以看出：提高線能量E，高溫停留時(shí)間tH延長(zhǎng)，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始(chūshǐ)溫度T0（預(yù)熱溫度），也會(huì)在一定程度上延長(zhǎng)高溫停留時(shí)間tH。三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計(jì)算相變溫度以上的停留時(shí)間tH

的計(jì)算共七十六頁冷卻時(shí)間(shíjiān)：

厚板薄板

冷卻速度ωc隨著線能量E和初始溫度T0的提高而降低，冷卻時(shí)間隨著線能量E和初始溫度T0的提高而延長(zhǎng)。母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸(chǐcun)、接頭型式、焊道的長(zhǎng)度及層數(shù)都會(huì)影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，

三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算冷卻速度：

厚板薄板共七十六頁

為了方便，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)(jīchǔ)上建立了不同條件下從線算圖上直接獲取t8/5或t8/5的圖解法。手弧焊、CO2

氣體保護(hù)焊和埋弧焊時(shí)的t8/5線算法如圖所示。

三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計(jì)算共七十六頁四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點(diǎn)

焊接生產(chǎn)中常采用多層焊接，研究多層焊接熱循環(huán)的傳熱特點(diǎn)具有更為普遍意義。從提高焊接質(zhì)量來看，多層往往具有很大的優(yōu)越性：熱循環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大：?jiǎn)螌雍笗r(shí)，因?yàn)槭艿胶缚p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)合在一起的綜合(zōnghé)作用，多層焊比起單層焊具有更大的調(diào)節(jié)范圍。相鄰焊層之間彼此具有熱處理的作用：多層焊時(shí)，對(duì)后一焊道面言，前一焊道具有預(yù)熱作用，層間溫度相當(dāng)與預(yù)熱溫度；對(duì)前一焊道來說，后一焊道起后熱作用，產(chǎn)生一定熱處理效果。多層焊主要考慮焊道層數(shù)和層間溫度：層間溫度——多層焊時(shí)，開始焊接后一焊層時(shí)前一層焊道所具有的最低溫度即為層間溫度。多層焊可分為“長(zhǎng)段多層焊”和“短段多層焊”。共七十六頁1、長(zhǎng)段多層焊接熱循環(huán)長(zhǎng)段多層焊——就是每次焊縫的長(zhǎng)度較長(zhǎng)(1.0～1.5m)，當(dāng)焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層已基本冷卻(lěngquè)到較低的溫度(約100～200℃)。四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點(diǎn)由圖可知，相鄰各層之間有依次熱處理的作用，為防止最后一層淬火，可多加一層退火焊道。

不適于焊接淬硬傾向大的鋼種。焊接這種鋼時(shí)，應(yīng)特別注意與其他工藝措施的配合，如預(yù)熱和層間溫度的控制等。 進(jìn)行長(zhǎng)段多層焊時(shí)，如果第一層和最后一層不產(chǎn)生淬火組織，則其他各層將不會(huì)產(chǎn)生淬火組織。共七十六頁2、短段多層焊接(hànjiē)熱循環(huán)短段多層焊——就是每層的焊縫長(zhǎng)度較短(約50～400mm)，還未等前一層焊縫冷卻到較低溫度（如Ms點(diǎn)）就開始了下一層的焊接。四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點(diǎn)由圖可知，焊件近縫區(qū)1點(diǎn)和4點(diǎn)所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。1點(diǎn)：一方面使該點(diǎn)在Ac3以上停留時(shí)間較短，避免了晶粒長(zhǎng)大，另一方面由于層間的熱作用，減緩了冷卻速度，從而防止產(chǎn)淬火組織。4點(diǎn)：它是在預(yù)熱基礎(chǔ)上開始焊接的，只要焊縫長(zhǎng)度控制合適，Ac3

以上停留時(shí)間仍可很短，晶粒不會(huì)長(zhǎng)大。為了防止最后一層產(chǎn)生淬火組織，可另加一層退火焊遵，以增加奧氏體的分解時(shí)間。短段多層焊對(duì)于晶粒易長(zhǎng)大而又易淬火鋼種的熱影響區(qū)和焊縫具有改善作用。但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。共七十六頁5.2

焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織(zǔzhī)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)共七十六頁一、焊接(hànjiē)過程的特殊性與熱處理?xiàng)l件相比，焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)：①加熱溫度高

熱處理：Ac3以上100~200℃焊接：近縫區(qū)熔合區(qū)接近熔點(diǎn)（低碳鋼、低合金鋼為1350℃）②加熱速度快

熱處理：隨熱處理爐緩慢升溫（幾度~幾十度/S）焊接：采用的熱源(rèyuán)強(qiáng)烈集中，比熱處理快幾十到幾百倍（手弧焊：200~1000℃/s）③高溫停留時(shí)間短

熱處理：保溫時(shí)間可任意控制焊接：Ac3以上停留時(shí)間短（手弧焊4~20s，埋弧焊30~100s）

④自然條件下冷卻

熱處理：冷卻速度可控制焊接：為自然條件下冷卻

⑤加熱的局部性和移動(dòng)性熱處理：爐中整體加熱焊接：局部集中加熱，熱源在移動(dòng)共七十六頁二、焊接時(shí)加熱過程(guòchéng)組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

由于焊接熱影響區(qū)升溫速度快、高溫停留時(shí)間短及冷卻速度快，使得與擴(kuò)散有關(guān)的過程都難于進(jìn)行，從而影響到組織轉(zhuǎn)變的過程及其進(jìn)行的程度，由此出現(xiàn)(chūxiàn)了與等溫過程和熱處理過程的組織轉(zhuǎn)變明顯不同的特點(diǎn)。1、組織轉(zhuǎn)變向高溫推移加熱速度越快，實(shí)際相變溫度Ac1、Ac3越高，且Ac1和Ac3的溫差越大。見圖、表 珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程是擴(kuò)散重結(jié)晶過程，需孕育期?？焖偌訜釙r(shí)，低溫時(shí)來不及完成的擴(kuò)散過程，會(huì)在更高溫度下進(jìn)行，從而導(dǎo)致相變溫度升高。隨鋼中碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb）增多，Ac1、Ac3的增高越顯著。 碳化物合金元素的擴(kuò)散速度?。ū忍夹?000到10000倍）、同時(shí)它們還阻礙碳的擴(kuò)散。導(dǎo)致相變溫度進(jìn)一步升高。2、奧氏體均質(zhì)化程度降低、部分晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大 加熱速度越快，相變以上停留時(shí)間越短，對(duì)已形成的奧氏體的均質(zhì)化過程越不利，均質(zhì)化程度越差。 見圖，45鋼奧氏體晶粒開始長(zhǎng)大溫度低，高溫區(qū)晶粒粗大；

40Cr奧氏體晶粒開始長(zhǎng)大溫度高，高溫區(qū)晶粒小。共七十六頁焊接快速加熱對(duì)Ac1、Ac3和晶粒長(zhǎng)大的影響d—晶粒的平均直徑；A—奧氏體；P—珠光體；F—鐵素體；K—碳化物45鋼40CrωH：1—1400℃/s；2—270℃/s；

3—35℃/s；4—7.5℃/s)ωH

：1—1600℃/s；2—300℃/s；

4—42℃/s；5—7.2℃/s共七十六頁鋼種相變點(diǎn)平衡狀態(tài)加熱速度ωH/（℃·S-1）AC1與AC3的溫差/℃/℃6~840~50250~3001400~170040~50250~3001400~170045鋼AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加熱速度(sùdù)對(duì)相變點(diǎn)Ac1和Ac3及其溫差的影響共七十六頁三、焊接(hànjiē)時(shí)冷卻過程組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)1、組織轉(zhuǎn)變向低溫推移、可形成非平衡組織在奧氏體均質(zhì)化程度相同的情況下，隨著焊接冷卻速度的加快，鋼鐵材料的相變溫度Ac1、Ac3

以及Am均降低。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)的偽共析組織。這種組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)也是因?yàn)閵W氏體向鐵素體或珠光體的轉(zhuǎn)變是由擴(kuò)散過程控制的結(jié)果。但應(yīng)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(huì)對(duì)冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，對(duì)此必須給予充分(chōngfèn)注意。否則，在分析具體問題時(shí)，可能得出不準(zhǔn)確的結(jié)論。共析成分成為一個(gè)成分范圍

共七十六頁三、焊接(hànjiē)時(shí)冷卻過程組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)2、馬氏體轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)臨界冷速發(fā)生變化例：45鋼、40Cr鋼焊接和熱處理比較。圖4-2145鋼、圖4-2240Cr鋼45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。40Cr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。原因：在焊接熱循環(huán)的作用下：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；另一方面，鋼中的碳化物合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb)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(即增加淬硬傾向)。在熱處理?xiàng)l件下，可以有充分的時(shí)間使碳化物合金元素向奧氏體的內(nèi)部溶解。在焊接條件下，由于加熱速度快、高溫停留時(shí)間短，所以這些合金元素不能充分地溶解在奧氏體中，因此降低了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向降低。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(焊接CCT圖)上Ms點(diǎn)附近的曲線右移或左移。共七十六頁四、連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)圖的應(yīng)用CCT圖的建立：采用焊接熱模擬試驗(yàn)裝置來建立某種鋼的CCT圖。

焊接CCT圖描述的是組織隨冷卻時(shí)間的變化，而冷卻時(shí)間是由焊接工藝參數(shù)(如焊接熱輸入及預(yù)熱溫度等)決定的。因此，在應(yīng)用焊接CCT圖時(shí)，需要通過冷卻時(shí)間這個(gè)媒介(méijiè)，建立起組織與焊接工藝參數(shù)的聯(lián)系，從而進(jìn)行組織預(yù)測(cè)或制定焊接工藝。具體應(yīng)用包括兩個(gè)方面：1）預(yù)測(cè)給定工藝條件下接頭的組織和性能；2）根據(jù)接頭組織和性能的要求制定相應(yīng)的焊接工藝。此外，也可判定鋼種的淬硬傾向及產(chǎn)生冷裂紋的可能性。

共七十六頁用途：1）確定給定t8/5時(shí)熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)及硬度，2）按照熱影響區(qū)組織及硬度的要求確定所需的t8/5例如：若t8/5＝36s，熱影響區(qū)的組織組成約為：10％F+5％P+85％BHV5硬度值為240。Q345(16Mn)鋼的CCT圖共七十六頁5.3

焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)和性能共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布

用于焊接的結(jié)構(gòu)鋼，從熱處理特性來看，可分為兩類： 一類是淬火傾向很小的，如低碳鋼和某些低合金鋼(16Mn、15MnTi、15MnV等)，稱為不易淬火鋼； 另一類是淬硬傾向較大(jiàodà)的鋼種，如中碳鋼，低、中碳調(diào)質(zhì)合金鋼等，稱為易淬火鋼。 由于淬火傾向不同，這兩類鋼的焊接熱影響區(qū)組織也不同。共七十六頁一、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的組織分布共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布（一）不易淬火鋼的熱影響區(qū)組織根據(jù)熱影響區(qū)組織特征分四個(gè)區(qū)：1、熔合區(qū)（半熔化區(qū)）溫度：固液相線之間，范圍很窄特征：焊縫與母材不規(guī)則結(jié)合，形成參差不齊(cēncībùqí)的分界面組織：組織性能不均，母材一側(cè)晶粒大性能：性能不均，對(duì)接頭的強(qiáng)度、韌性影響大，是裂紋、脆性破壞發(fā)源地熔合區(qū)共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布2、過熱區(qū)（粗晶區(qū)）溫度：1100℃（晶粒開始急劇長(zhǎng)大(chánɡdà)的溫度）~固相線以下特征：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：粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下形成過熱組織—魏氏組織性能：韌性很低，韌性下降20%~30%，塑性低，與熔合區(qū)一樣，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)措施：嚴(yán)重時(shí)采用焊后正火處理（如電渣焊）過熱區(qū)共七十六頁3、相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)或細(xì)晶區(qū)）溫度(wēndù)：Ac3~1100℃特征：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。性能：較好的綜合性能一、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的組織分布正火區(qū)共七十六頁4、不完全重結(jié)晶區(qū)（不完全正火區(qū)）溫度：Ac1~Ac3之間（700~850℃）特征：一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，形成晶粒細(xì)小(xìxiǎo)的鐵素體+珠光體，另一部分未相變的鐵素體長(zhǎng)大成為粗大鐵素體。組織：組織不均，原始的鐵素體晶粒和細(xì)晶粒的混合區(qū)性能：力學(xué)性能差。一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布不完全正火區(qū)共七十六頁返回(fǎnhuí)不易淬火(cuìhuǒ)鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布共七十六頁（一）易淬火鋼的熱影響區(qū)組織熱影響區(qū)的組織與焊前母材的熱處理狀態(tài)有關(guān)，若母材焊前為退火或正火狀態(tài)則分為：

1、完全淬火區(qū)溫度：熱影響區(qū)Ac3以上特征：加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在快速冷卻時(shí)，淬硬傾向較大，得到淬火組織組織：相當(dāng)于低碳鋼過熱區(qū)的部位為粗大馬氏體，相當(dāng)于正火區(qū)的部位為細(xì)小馬氏體。當(dāng)焊件母材的淬硬性不是太高時(shí)，還會(huì)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性能(xìngnéng)：塑性、韌性差一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布完全淬火區(qū)共七十六頁2、不完全淬火區(qū)溫度：

Ac1~Ac3之間特征：加熱時(shí)珠光體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻時(shí)得到淬火組織(zǔzhī)；原鐵素體保持不變，有不同程度長(zhǎng)大組織：馬氏體+鐵素體。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時(shí)，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。性能：塑性、韌性有所降低一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布不完全淬火區(qū)共七十六頁若焊前母材為調(diào)質(zhì)狀態(tài)（淬火+回火）除完全、不完全淬火區(qū)外，還有一個(gè)回火區(qū)：3、回火區(qū)溫度：焊前母材的回火溫度以上~Ac1以下特征：對(duì)于加熱溫度高于焊前回火溫度的部分，相當(dāng)于又進(jìn)行了更高溫度的回火處理組織：回火組織性能：出現(xiàn)(chūxiàn)回火軟化現(xiàn)象一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布回火區(qū)共七十六頁二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能

問題的嚴(yán)重性：

焊縫可以通過化學(xué)成分的調(diào)整再配合(pèihé)適當(dāng)?shù)暮附庸に噥肀ＷC性能的要求，而熱影響區(qū)性能只能通過控制焊接熱循環(huán)作用來改善。焊接熱影響區(qū)的硬化焊接熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的性能控制共七十六頁1、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的硬化

HAZ的硬度(yìngdù)

高低取決于母材的淬硬傾向（內(nèi)因）HAZ的冷卻速度（外因）化學(xué)成分焊接規(guī)范二、焊接熱影響區(qū)的性能共七十六頁1）化學(xué)成分的影響含碳量的影響：鋼中含碳量顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，對(duì)淬硬傾向影響最大。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(yìngdù)越高。合金元素的影響：合金元素的影響與其所處的形態(tài)有關(guān)。溶于奧氏體時(shí)提高淬硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物時(shí)，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進(jìn)細(xì)化晶粒，使淬硬性下降。碳當(dāng)量（CarbonEquivalent.簡(jiǎn)稱Ceq或CE）

碳當(dāng)量——是把鋼中合金元素（包括碳）按其對(duì)淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度，折合成碳的相當(dāng)含量，其折算值即為該鋼種的碳當(dāng)量。碳當(dāng)量反映鋼中化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響。二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能共七十六頁20世紀(jì)60年代以后，發(fā)展了低碳微量多合金元素的低合金高強(qiáng)鋼。日本的伊藤等人采用Ｙ形坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)對(duì)200多個(gè)低合金鋼進(jìn)行研究，建立(jiànlì)了Pcm公式：二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能國際焊接學(xué)會(huì)推薦的CE(IIW)，用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼（

b＝400～700MPa）：共七十六頁2）冷卻條件的影響降低冷卻速度，一定程度上可降低HAZ的硬化性；高溫停留時(shí)間tH越長(zhǎng)，晶粒粗化，易使合金(héjīn)元素溶于奧氏體，會(huì)提高淬硬性二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能3）碳當(dāng)量及冷卻時(shí)間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關(guān)系碳當(dāng)量越高→Hmax越大t8/5越小(冷速越快)→Hmax越大

Hmax是反映鋼種焊接性的重要標(biāo)志之一，不僅反映了化學(xué)成分的作用，同時(shí)也反映了不同組織形態(tài)的作用。國產(chǎn)低合金鋼Hmax的估算公式：

Hmax（HV10）＝140＋1089Pcm－8.2t8/5

表4-15為日本焊接協(xié)會(huì)制定的不同鋼種的Hmax最大允許值。共七十六頁二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能

2、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的脆化 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(huì)發(fā)生程度不同的材料脆化。HAZ脆化的類型有：粗晶脆化組織脆化析出脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化氫脆化及石墨脆化

共七十六頁二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能鋼中含有碳、氮化物形成(xíngchéng)元素，就會(huì)阻礙晶界遷移，防止晶粒長(zhǎng)大。例如18CrWV鋼，晶粒顯著長(zhǎng)大溫度可達(dá)1140℃之高不含碳化物元素的23Mn和45號(hào)鋼，超過1000℃晶粒就顯著長(zhǎng)大。晶粒直徑d對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs的影響晶粒直徑越大，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。1）粗晶脆化 在熱循環(huán)作用下，熔合線附近和過熱區(qū)將發(fā)生晶粒粗化。粗化程度受鋼種的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、加熱溫度和時(shí)間的影響。應(yīng)當(dāng)注意脆化程度和粗晶區(qū)的組織有關(guān)：對(duì)于不易淬火鋼，主要是晶粒長(zhǎng)大，形成粗大魏氏組織(W)；降低焊接線能量，提高冷卻速度，可提高韌性。對(duì)于易淬火鋼（如高碳低合金高強(qiáng)鋼），提高冷卻速度會(huì)產(chǎn)生脆硬的孿晶M，使脆性增加。應(yīng)適當(dāng)提高焊接線能量，降低冷卻速度。共七十六頁2）組織脆化組織脆化——HAZ出現(xiàn)脆性組織引起的脆化稱之組織脆化。低碳低合金高強(qiáng)鋼：組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等所造成。含碳量較高的鋼（Ｃ≥0.2％）：組織脆化主要是高碳馬氏體。M-A組元脆化M-A組元——即高碳馬氏體和殘余奧氏體的混合物。M-A組元是焊接高強(qiáng)鋼時(shí)在一定冷卻速度下形成的。它不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在焊縫中。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(zēnggāo)，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M-A組元。M-A組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。M-A組元只在生成上貝氏體的冷卻條件下才能觀察到，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元。焊縫和HAZ有M-A組元存在時(shí)，會(huì)降低接頭韌性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁3）析出脆化析出脆化——在時(shí)效(shíxiào)或回火過程中，從非穩(wěn)態(tài)固熔體中沿晶界析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其它亞穩(wěn)態(tài)的中間相等，使金屬的強(qiáng)度、硬度和脆性提高，這種現(xiàn)象稱為析出脆化。在焊接碳化物或氮化物形成元素的鋼時(shí)，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(shí)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，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使金屬的強(qiáng)度和硬度提高，造成脆化。若析出物以細(xì)小彌散的質(zhì)點(diǎn)均勻地分布在晶內(nèi)和晶界時(shí)，不但不發(fā)生脆化，還將有利于改善韌性。雜質(zhì)元素（如S、P、Sn、Sb等）在晶界的偏析也會(huì)嚴(yán)重?fù)p害韌性。鋼中雜質(zhì)元素越多，脆性越嚴(yán)重，因?yàn)檫@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。應(yīng)指出，強(qiáng)度和硬度提高并不一定發(fā)生脆化（如時(shí)效馬氏體鋼等）。但發(fā)生脆化必然伴隨強(qiáng)度和硬度的提高。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁HAZ焊縫封頭4）熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化——在制造(zhìzào)過程中要對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列冷、熱加工，如下料、剪切、彎曲成形、氣割、矯形、錘擊等。若加工引起的局部應(yīng)變、塑性變形的部位在隨后又經(jīng)歷焊接熱循環(huán)作用（處于HAZ內(nèi)）便會(huì)引起材料脆化，稱為熱應(yīng)變時(shí)效脆化。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效脆化的原因：

主要是由于應(yīng)變引起位錯(cuò)增殖，焊接熱循環(huán)時(shí)，碳、氮原子析集到這些位錯(cuò)的周圍形成所謂Cottrell氣團(tuán)，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使材料脆化。明顯產(chǎn)生熱應(yīng)變時(shí)效脆化的部位是HAZ的熔合區(qū)和Ar1以下的亞臨界HAZ（200～400℃）200℃以下氮、碳原子擴(kuò)散能力弱。400℃以上位錯(cuò)擴(kuò)散速度快，不易聚集。共七十六頁根據(jù)應(yīng)變產(chǎn)生的原因，熱應(yīng)變時(shí)效脆化分為兩大類：

1）靜應(yīng)變時(shí)效脆化——在室溫或低溫下受到預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象，叫作靜應(yīng)變時(shí)效脆化。特征(tèzhēng)是強(qiáng)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(shí)才會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。在室溫或低溫下受到預(yù)應(yīng)變，如工件下料、剪切、彎曲成形等，隨后加熱產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象。2）動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化——一般在較高溫度下，特別是200~400℃溫度范圍的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象稱為動(dòng)應(yīng)時(shí)效脆化。因加熱預(yù)應(yīng)變的同時(shí)，氮、碳的擴(kuò)散也在進(jìn)行，所以稱為“動(dòng)”。焊接熱影響區(qū)的熱應(yīng)變脆化多數(shù)是由動(dòng)應(yīng)變時(shí)效所引起。通常所說的“藍(lán)脆性”就屬于動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化現(xiàn)象。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁

綜上所述，影響熱影響區(qū)脆化的因素很多，不同材料產(chǎn)生脆化的原因也不相同。當(dāng)熱影響區(qū)的脆化嚴(yán)重時(shí)，即使母材和焊縫韌性再高也是沒有(méiyǒu)意義的。為了提高焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的可靠性，必須設(shè)法保證焊接熱影響區(qū)的韌性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能熱影響區(qū)沖擊韌度的變化如圖所示。沖擊韌度低的部位有兩處：一是從1200℃以上的粗晶區(qū)到熔合線部位另一處是焊縫以外靠近母材的脆化區(qū)。低碳鋼的脆化區(qū)常在近縫區(qū)的200~400℃的區(qū)域內(nèi)，高強(qiáng)鋼的脆化區(qū)常在靠近相變點(diǎn)Ac1~Ac3之間熱影響區(qū)沖擊韌度分布示意圖共七十六頁調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的硬度分布A—焊前淬火+低溫回火；B—焊前淬火+高溫回火；C—焊前退火(tuìhuǒ)

1—淬火區(qū)；2—部分淬火；3—回火區(qū)1）調(diào)質(zhì)鋼HAZ的軟化焊接調(diào)質(zhì)處理后的鋼（特別是中碳調(diào)質(zhì)鋼），在重新加熱到超過它的調(diào)質(zhì)處理時(shí)的回火溫度(wēndù)后就會(huì)出現(xiàn)軟化問題。焊前所處的熱處理狀態(tài)不同，軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度有很大差別。母材焊前調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低，焊后HAZ軟化區(qū)域越寬，它相對(duì)于母材的軟化程度也越大。二、焊接熱影響區(qū)的性能3、焊接熱影響區(qū)的軟化共七十六頁氣焊：熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度大，抗拉強(qiáng)度：590~685MPa。電弧焊：熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度窄，抗拉強(qiáng)度：880~1030MPa。

焊接熱源越集中(jízhōng)對(duì)減小軟化區(qū)越有利。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能（a）電弧焊（b）氣焊調(diào)質(zhì)狀態(tài)30CrMnSi鋼焊接接頭的強(qiáng)度變化見圖共七十六頁原因：時(shí)效回歸(regressofaging)

合金時(shí)效過程中，由于析出(xīchū)不同的脫溶產(chǎn)物而使其強(qiáng)化。低溫時(shí)效時(shí)以形成原子偏聚區(qū)（即GP區(qū)）為主，其強(qiáng)化作用來源于形成GP區(qū)時(shí)造成的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。經(jīng)低溫時(shí)效的合金重新加熱到較高溫度時(shí)，低溫下形成的GP區(qū)將迅速溶解于基體中，GP區(qū)所造成的強(qiáng)化效果也隨之消失。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能LD2鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象(HR為表面洛氏硬度)(自動(dòng)TIG焊)LD2（Al-Mg-Si-Cu合金）2）熱處理強(qiáng)化合金焊接HAZ的軟化

經(jīng)過固溶和時(shí)效處理的合金（如鎳合金、鋁合金、鈦合金等）在焊接HAZ出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，即所謂“過時(shí)效軟化”。 如圖：HAZ溫度在430~300℃范圍內(nèi)有明顯的軟化現(xiàn)象。共七十六頁4、焊接熱影響區(qū)的性能控制 熱影響區(qū)不參與化學(xué)冶金反應(yīng)，不能像焊縫那樣通過調(diào)整成分來改善性能。因此，改善熱影響區(qū)的性能要從選材和調(diào)整熱過程入手。常用的措施有以下幾個(gè)：1）采用高韌性母材

采用低碳微合金化鋼：利用微量元素彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化，提高材料的熱穩(wěn)定性（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——針狀鐵素體、下貝氏體或低碳馬氏體，同時(shí)還有彌散分布的強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)。

采用控軋工藝：得到細(xì)晶粒鋼。采用爐內(nèi)精練、爐外提純等一系列工藝：使鋼中的雜質(zhì)(S、P、N、O等)含量(hánliàng)極低，加之微量元素的強(qiáng)化作用，而得到高純度、細(xì)晶粒的高強(qiáng)度鋼。這些鋼有很高的韌性，熱影響區(qū)的韌性相應(yīng)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(jià)格應(yīng)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。二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能共七十六頁2)焊后熱處理

焊后熱處理(如正火或正火加回火)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。但對(duì)大型的、復(fù)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(yīncǐ)焊后熱處理的應(yīng)用很有局限性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能3)合理制定焊接工藝

包括正確選擇預(yù)熱溫度、合理控制焊接參數(shù)及后熱等。具體的數(shù)據(jù)，則因鋼的成分不同而異。例如：焊接線能量線能量過大，HAZ晶粒粗化形成粗大的鐵素體，甚至出現(xiàn)魏氏組織；線能量過小，冷速太快，出現(xiàn)淬硬馬氏體組織等。焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)組織及VTrs的影響共七十六頁5.4

焊接熱模擬(mónǐ)試驗(yàn)方法和特點(diǎn)共七十六頁

焊接熱模擬技術(shù)從20世紀(jì)40年代開始,在美國、前蘇聯(lián)及日本等國家興起。后來各國對(duì)該項(xiàng)技術(shù)及其裝置的研究都非常重視,并取得了很大的進(jìn)展。 我國從20世紀(jì)60年代開始研究焊接熱模擬技術(shù),相繼推出各種類型的焊接熱模擬試驗(yàn)機(jī),利用這項(xiàng)技術(shù)為我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。 目前(mùqián)我國材料及熱加工模擬技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步,該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已達(dá)到了很高的水平,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,材料及加工模擬技術(shù)已經(jīng)成為材料科學(xué)中非?；钴S的研究領(lǐng)域。物理模擬及數(shù)值模擬技術(shù)使材料科學(xué)的研究“定量化”及“科學(xué)化”,不再是“定性“的經(jīng)驗(yàn)型的低水平研究。熱模擬技術(shù)對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。共七十六頁一、焊接熱模擬試驗(yàn)(shìyàn)的目的HAZ是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)焊接接頭的力學(xué)性能是指焊縫和HAZ的綜合力學(xué)性能。對(duì)某些材料，如低合金高強(qiáng)鋼，HAZ是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，接頭性能往往(wǎngwǎng)取決于HAZ的力學(xué)性能。常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)不能準(zhǔn)確反映HAZ各區(qū)性能由于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，因此，常規(guī)試驗(yàn)只能反映HAZ整體性能，不能反映各小區(qū)性能。焊接熱模擬試驗(yàn)的目的焊接熱模擬試驗(yàn)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(gè)小區(qū)的組織和性能的變化規(guī)律。

共七十六頁二、試驗(yàn)方法(fāngfǎ)及原理試驗(yàn)裝置及原理： 焊接模擬試驗(yàn)技術(shù)的基本原理是采用靈敏(línɡm(xù)ǐn)而又精確的控制系統(tǒng)和可靠的機(jī)械系統(tǒng)，在此試驗(yàn)裝置上，使具有一定尺寸的小型試樣，再現(xiàn)與實(shí)際焊接HAZ某一點(diǎn)完全一致的熱、應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)，并用該試樣的組織性能代表實(shí)際焊接HAZ某點(diǎn)的組織性能。試驗(yàn)的主要參數(shù)熱循環(huán)參數(shù)：加熱速度ωH，加熱的最高溫度Tm，相變溫度以上的停留時(shí)間tH，冷卻速度ωc和冷卻時(shí)間（t8/5、t8/3、t100)。應(yīng)力、應(yīng)變控制：應(yīng)能模擬焊接應(yīng)力、應(yīng)變過程。試驗(yàn)過程中的氣氛：研究焊接結(jié)構(gòu)的工作介質(zhì)的影響。

共七十六頁三、焊接熱模擬(mónǐ)試驗(yàn)的應(yīng)用

采用熱模擬技術(shù),就可以在一定尺寸的試件上,模擬焊接熱循環(huán)及焊接應(yīng)力應(yīng)變對(duì)焊接熱影響區(qū)中某個(gè)區(qū)段的影響,從而研究該區(qū)段的組織及性能的變化規(guī)律。利用該項(xiàng)技術(shù)可以研究金屬的焊接性,主要應(yīng)用有：研究焊接熱影響區(qū)不同區(qū)段的組織及力學(xué)性能研究焊接熱影響區(qū)的粗晶脆化研究焊接熱影響區(qū)的熱應(yīng)變脆化研究冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂的形成條件及產(chǎn)生機(jī)理繪制焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖(SHCCT圖)

此外,還可以應(yīng)用于金屬材料的熱強(qiáng)性、熱塑性、熱疲勞、高溫蠕變、動(dòng)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(liúbiàn)行為、連鑄鋼的高溫力學(xué)性能以及變形速度對(duì)不同溫度下材料強(qiáng)度的影響,模擬軋制、模擬鍛造工藝等方面也成功地應(yīng)用了焊接熱模擬技術(shù)。共七十六頁三、焊接熱模擬(mónǐ)試驗(yàn)的應(yīng)用例如:模擬焊接冷裂紋模擬焊接冷裂紋的淬硬組織、氫的聚集、拘束應(yīng)力等三個(gè)因素利用焊接熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣(shìyànɡ)進(jìn)行按照給定程序的加熱及加載；試樣加熱到峰值溫度后,冷卻到900℃左右時(shí),對(duì)試進(jìn)行恒溫充氫；然后按規(guī)定的冷卻