《焊缝中的固态相变》PPT课件.ppt

6-1 （二）,第八组 组员： 张新淼 杨 巍 张 欠 夭曦龙 制作人：杨巍,12mm低碳钢V型坡口横对接打底层焊接,1.焊缝金属的固态相变过程； 2.12mm低碳钢v型坡口打底层常见的缺陷，产生原因及防止措施；,1. 焊缝金属的固态相变过程,焊接熔池完全凝固后，随连续冷却过程进行，焊缝金属将发生组织转变(AF，P，B，M)。 焊缝金属固态相变的机理: 形核、长大。 影响焊缝金属固态相变的组织的因素： 焊接材料 不同焊接材料、母材金属，使焊缝金属的固态相变组织发生变化。 焊接方法和焊接工艺参数 采用不同焊接方法，因焊缝的凝固和相变是在非平衡连续冷却的条件下进行的。冷却条件明显地影响焊缝的固态相变。,回顾过冷A等温转变图的建立：,什么是过冷奥氏体？,A,AF,FP,F,Fe-C二元相图,？,转变组织类型：AF+P 低碳钢焊缝(如E4303焊条焊接Q225钢的焊缝)，由于碳含量较低，主要采用锰、硅固溶强化。 F通常沿原奥氏体边界析出，焊缝中铁素体组织晶粒较粗大，呈柱状晶，有时甚至具有魏氏组织(W)形态。 W的特征： (1) F在A晶界呈网状析出； （2）在A内部沿一定的方向析出，形成长短不同的针状或片条状 （3）直接插入珠光体晶粒内。 影响因素： (1)冷却速度越大，焊缝P越多，组织细化、硬度升高； (2)焊缝过热度越大，促进魏氏组织的形成； (3)多层焊或热处理的焊缝，其组织为细小的铁素体和少量的珠光体，并使焊缝的柱状晶遭到破坏。,一、低碳钢焊缝的固态相变组织,低碳钢焊缝冷却速度对组织的影响,相同化学成分焊缝金属，冷却速度越大，焊缝金属中珠光体越多，而且组织细化，硬度增高。,低碳钢焊缝的固态相变组织 低碳钢焊缝组织：F少量P 过热时产生W。 改善组织条件：,热处理对组织和性能的影响 在900以上短时间加热，可使柱状组织消失。 低碳钢单层焊缝受不同温度的再加热时，使柱状晶的细化程度不同，因而具有不同的冲击韧性。900附近的再加热效果最好，超过1100时则发生晶粒粗化，而在500600加热时，由于焊缝金属中的碳、氮元素发生时效而使冲击韧度下降。,图3-42 柱状晶消失临界温度 图3-43 单层焊缝再加热时k变化,与低碳钢焊缝金属组织比较： (1)合金元素多 除碳、锰、硅固溶强化外，还采取其他合金元素； 强化方式 通过固溶强化、细晶强化、沉淀硬化； 出现不同的组织：铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体相变。 (2)低合金钢焊缝中某些相变在一定条件下将被抑制（如珠光体）。 (3)低合金钢焊缝中的F、P，与低碳钢焊缝中的F、P虽然在组织结构上相同，但形态上有很大的差别，因此也会反映出不同的性能。,二、低合金钢焊缝的固态相变组织,铁素体 珠光体 贝氏体 马氏体,高温A,冷却速度变化,不同温度区间,PF（先共析铁素体） FSP（侧板铁素体） AF（针状铁素体） FGF（细晶铁素体）,层状珠光体 粒状珠光体（屈氏体） 细珠光体（索氏体）,上贝氏体(Bu) 下贝氏体(BL) M-A组元,板条M 片状M,(一)铁素体转变 低合金钢焊缝中铁素体大体分为四类： 1 先共析铁素体(简称PF) 焊缝冷却到 770680，由A晶界首先析出，称粒界F (简称GBF)。高温停留时间较长，冷却的较慢，PF较多。PF呈细条状分布在A晶界，有时也呈块状。 2 侧板条铁素体(简称FSP) 形成温度700550，从A晶界PF的侧面以板条状向晶内成长，从形态上如镐牙状。转变温度偏低，P受到抑制，扩大贝氏体的转变领域，故有人把这种组织称为无碳B。 3 针状铁素体(简称AF) 形成温度约500，是在原始A晶内以针状分布，常以某些质点(氧化物弥散夹杂)为核心放射性成长。 4 细晶铁素体(简称FGF) 在A晶粒内形成，一般都有细化晶粒的元素(如Ti、B等)存在，在细晶之间有P和碳化物(Fe3C)析出。FGF是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，故又称贝氏铁素体。 FGF转变温度低于500，如果在更低的温度转变时(约450)，可转变为上贝氏体(Bu)。,焊缝中F形态,(a) PF的形态(粒界条状铁素体) 600X (b)FSP 400X (c)焊缝中AF 800X (d) FGF 400X,(二)珠光体转变 1 珠光体形成条件：焊接条件是属非平衡的介稳状态，所以低合金钢焊缝的组织固态转变很少能得到P，除非在很缓慢的冷却条件下(预热、缓冷和后热等)，才有少量P组织存在。 焊接条件下，P转变将受到抑制，扩大了F和B转变的领域。 当焊缝中含有硼、钛等细化晶粒的元素，P转变可全部被抑制。,图3-48 含钛及硼低合金钢焊缝金属的CCT图 (C=0.09，Ti=0.025, B=6ppm, O=0.034),图3- 49 焊缝的珠光体(a)铁素体+珠光体400 b)屈氏体150 c)索氏体150,2 珠光体形态 P是F和渗碳体的层状混合物，领先相为Fe3C。 随转变温度的降低，珠光体的层状结构越来越薄而密。 P又分为层状P、粒状P（屈氏体），及细P（索氏体）。,(三)贝氏体转变 贝氏体(B)转变 (550Ms)，碳能扩散，合金元素不能扩散。 按B形成的温度及持性，可分为上贝氏体(Bu)和下贝氏体(BL)。 Bu（550450）在光镜下呈羽毛状，沿A晶界析出。电镜下为平行条状F间分布有渗碳体。 BL(450Ms之间)，光学显微镜下与回火针状马氏体相似。电镜下可以看到许多针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与针之间呈一定的角度。 BL转变温度较低，碳扩散较困难，铁素体内分布有碳化物颗粒。 M-A组元：块状铁素体形成之后，待转变的富碳 A呈岛状分布，块状F中，这些高碳A富碳M，和残余奥氏体。 粒状贝氏体：奥氏体被过冷到贝氏体转变温度区间的最上部转变而成的大块状或条状铁素体(其内有较高密度的位错)内分布着众多小岛的复相组织。,M-A组元,M-A组元的形成：在块状F形成以后，待转变的富C奥氏体呈岛状分布在块状F中，在一定的合金成分及冷却速度下，富C的A转变为富C的M以及残余A（Ar）的混合组织，称为M-A组元(Constitution M-A) 。,上贝氏体,下贝氏体,(四)马氏体转变 1 板条马氏体(MD) 是A晶粒内形成细条状M板条，条与条之间有一定夹角。M板条内位错密度很高-位错型M-低碳M。低碳M具有较高的强度和良好的韧性。低碳低合金钢焊缝中M主要是低碳M。 2 片状M(MT) 当焊缝中含碳量较高(C0.4)，将会出现片状M。初始形成的M较粗大，往往贯穿整个A晶粒，使以后形成的M片受到阻碍。片状M内部的亚结构孪晶-孪晶M。其含碳量较高，又称高碳M。硬度很高，而且很脆。 一般焊接时都尽可能降低焊缝中的碳含量，对于某些中、高碳低合金钢焊接时，甚至采用A焊条，所以焊缝中一般不会出现MT 。含碳较高焊接热影响区，在预热温度不足情况下才会出现MT 。,低合金钢焊缝的组织形态分类,三、WMCCT图的建立与应用,在热处理中，用连续冷却转变图(CCT)估测A转变所得到组织。 可采用相同的方法，建立焊缝金属的CCT图(WM-CCT)来估测焊缝金属的组织。 焊缝金属的A转变过程以及显微组织的影响因素: (1)焊接方法 它决定了熔池尺寸形状，影响冷却速度。 (2)熔池金属的成分 它决定于填充材料、母材，焊剂和药皮，以及化学冶金反应。 (3)焊接工艺参数 它影响熔池加热速度，最高温度，及冷却速度、并对一次结晶组织产生影响。 (4)焊接应力、应变的影响,低合金钢焊缝连续冷却组织转变图(简称WM-CCT图) WM-CCT图可用于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能，因此近年来进行了许多研究，建立了低合金钢焊缝的WM-CCT图。 WM-CCT图如图所示，缓慢冷却可得到块状的PF和FSP，冷却快时可得到AF、细晶铁素体(FGF)和M。,图3-55 WM-CCT 焊缝金属成分： C=0.11，Si=0.31，Mn=1.44，O=0.071,影响WMCCT图的因素,1 合金元素 如果焊缝中合金元素增多或含氧量降低时，使WM-CCT图向右移动。 C、N、Mn、Ni、Cu等阻碍A相变，CCT图向右移动。 强碳化物形成元素(Mo、Cr、Nb、V、Ti、A1)抑制块状及先共析F，使块状F和PF转变曲线下移,图3-56 合金元素和含氧量对WM-CCT的影响,2 A化温度与停留时间的影响 A所处的温度越高，时间越长，过冷A稳定性就越大。原因） (1)A晶粒长大，减少F析出的成核场所； (2)使易于成为F析出核心的碳化物分解、溶于A中，阻碍F析出。 (3)增大A的均匀化程度，故CCT图曲线有移。,奥氏体化温度对 WM-CCT的影响 虚线-900 实线-1300,4 应力应变的影响 （了解内容） 过冷A转变过程中，如有应力、应变作用时，不仅会影响扩散型P转变，也会影响无扩散型M的转变。 扩散型相变，在高温下对A施加应力作用，可以增加晶体中的位错和空位等缺陷，同时使晶格变形，促进扩散型相变进行。 非扩散型的M相变，由于它与晶格剪切形变有密切关系，所以应力应变将促进M转变。,拉伸应力对CCT图影响 1-有应力作用 2-无应力作用,2.12mm低碳钢v型坡口打底层常见的缺陷，产生原因及防止措施,1.焊缝尺寸不符合要求 焊波粗，外形高低不平，焊缝加强高度过低或者过高，焊波宽度不一及角焊缝单边或下陷量过大，其原因是： 焊件坡口角度不当或装配间隙不均匀； 焊接规范选用不当； 运条速度不均匀，焊条（或焊把）角度不当。 角焊缝的K值不等一般发生在角平焊，也称偏下。偏下或焊缝没有圆滑过渡会引起应力集中，容易产生焊接裂纹。焊条角度问题，应该考虑铁水受重力影响问题。许多教授在编写教材注重理论性而忽略实用性。焊条角度适当上抬，48/42度合适。另外，在K值要求较大时，尽量采用斜圆圈型运条方法。 焊缝宽窄不一致：一是运条速度不均匀，忽快忽慢所致；二是坡口宽度不均匀，焊接时没有进行调整。三是在熔池边缘停留时间不均匀。所以焊接时焊接速度均匀、考虑坡口宽度、熔池边缘停留时间合适。 焊缝高低不一致：与焊接速度不均匀有关外，与弧长变化有关。所以采用均匀的焊接速度、保持一定的弧长，是防止焊缝高低不一致的有效措施。 弧坑：息弧时过快。与焊接电流过大、收弧方法不当有关。平焊缝可以采用多种收弧方法，例如回焊法、画圈法、反复息弧法。立对接、立角焊采用反复息弧法，减小焊接电流法。 焊缝尺寸不符合要求，在凸起时应力集中，产生裂纹；在焊缝尺寸不足时，降低承载能力；所以在焊接前尽量预防，在焊接中尽量防止，在焊接以后及时修补，保证焊缝尺寸符合施工图纸要求。,2）夹渣 在焊缝金属内部或熔合线部位存在的非金属夹杂物，夹渣对力学性能有影响，影响程度与夹渣的数量和形状有关，其产生的原因是： 、多层焊时每层焊渣未清除干净 焊件上留有厚锈； 焊条药皮的物理性能不当； 焊层形状不良，坡口角度设计不当 焊缝的熔宽与熔深之比过小，咬边过深； 电流过小，焊速过快，熔渣来不及浮出。 夹渣是非金属化合物在焊接熔池冷却没有及时上浮而被封闭在焊缝内，所以与清渣不够、打底层、填充层的成型太差、焊条角度没有进行调整而及时对准坡口两个死角，焊接速度过快、焊接电流过小、非正规的运条方法，没有分清铁水与熔渣，保持熔池的净化氛围。平对接采用合适推渣动作，分清铁水与熔池，焊条角度特别重要。,3）未焊透与未熔合 母材之间或木材与熔敷金属之间存在局部未熔现象，它一般存在于单面焊的焊缝根部，对应力集中很敏感，对强度及疲劳等性能影响较大，其产生的原因是： 坡口设计不良，角度小，钝边大，间隙小； 焊条、焊丝角度不正确； 电流过小，电压过低，焊速过快，电弧过长，有磁偏吹等； 焊件上有原锈未清除干净； 埋弧焊时的焊偏。 未焊透一般产生在坡口根部，与埋弧焊偏丝、焊接电流过小、焊接速度快、坡口角度过小、反面清根不彻底。未熔合一般产生在坡口边缘，与电弧在坡口边缘停留时间短、清渣不够、焊接电流过小、焊接速度过快有关。未焊透在X光底片上呈现一道黑直线，未熔合表现为断续的黑直线。 未焊透与未熔合都是不能允许的焊接缺陷，降低结构力学性能，特别是在冲击载荷、动载荷作用下会产生结构断裂。 4）咬边与漏边 电弧将焊缝的母材熔化后，没有得到焊缝金属的补充而留下缺口，咬边削弱了接头的受力截面，使接头强度降低，造成应力集中，使可能在咬边处导致破坏，其产生的原因是： 电流过大，电弧过长，运条速度不当，电弧热量过高； 埋弧焊的电压过低，焊速过高； 焊条，焊丝的倾斜角度不正确。 如果焊接电弧在坡口边缘停留时间过少而没有及时进行铁水的补充，留下的缺口就是咬边。所以焊接电弧一定在坡口边缘多做停留，焊接电流适当减少、焊条角度随焊条摆动而正确调整，让焊接电弧轴线始终对准坡口两边的夹角，特别是盖面层非常重要。 如果焊接电弧没有到达坡口边缘，焊缝容易产生不是咬边而是漏边。所以防止漏边产生最重要的是焊接电弧一定过坡口边1-2mm，稍作停留，防止咬边产生。,4）气孔的种类、产生原因与防止措施 定义：气孔是焊接熔池凝固时没有及时析出而残留在焊缝中形成的空穴。 类型：一般容易产生氢气孔、氮气孔、co气孔。单个气孔、密集气孔、链状气孔、缩孔等类型 气孔的判别：H气孔一般产生在焊缝表面，断面为旋涡状，表面为喇叭型，CO气孔沿结晶方向分布。N气孔分布焊缝表面，蜂窝状出现。原因有： 焊条，焊剂烘干不够 焊接工艺不够稳定，电弧电压偏高，电弧过长，焊接过快和电流过小 填充金属和母材表面油、锈等未清除干净 未采用后退法融化引弧点 预热温度过低 未将引弧和熄弧的位置错开 焊接区保护不良，熔池面积大 交流电源易出现气孔，直流反接的气孔倾向最小 防止措施：焊条种类不同，产生气孔倾向不同，碱性焊条容易产生气孔，特别是对油、锈、水敏感，焊条要进行烘干，保温2小时，一次领用量不超过4小时，采用保温桶。焊缝与坡口要求打磨干净，短弧焊接，引弧与息弧特别注意避免气孔产生。 焊接方法不同注意气孔产生类型不同。CO2焊经常产生的N CO H 气孔，但是最容易产生的是N气孔。气焊容易产生CO气孔。与气体流量、气体纯度、电弧电压、焊接速度等有关。埋弧焊容易产生气孔与焊接速度有关。 缩孔是息弧时产生的一种特殊气孔，与收弧速度过快熔池失去保护形成。特别是海上平台焊接用焊条容易产生。采用清理坡口与焊缝、焊接电流合适、短弧、采用反复息弧法，而且采用较快的频率才能防止。,5）裂纹 （一）.热裂纹产生的主要原因是： 成分的影响，焊接纯奥氏体钢，某些高镍合金钢和有色金属时易出现 焊缝中含有较多的硫等有害杂质元素 焊接条件与接头形状选择不当 一般来说防止