山大 Part III 焊接冶金 热影响区的组织和性能—组织和性能.ppt

材料成型基础PartVIIHAZ的组织和性能,1焊接热影响区的组织2焊接热影响区的性能3焊接热力模拟技术简介,Ch4HAZ的组织和性能,4.1焊接热影响区的组织,焊接热影响区的组织性能不仅取决于所经历的热循环，而且还取决于母材的成分和原始状态。一、不易淬火钢二、易淬火钢（淬硬倾向比较大的钢）HAZ组织与母材焊前的热处理状态有关1、正火或退火2、调质处理,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,一、不易淬火钢HAZ的组织分布不易淬火钢是指在焊后空冷条件下不易形成马氏体的钢种,如15MnTi、16Mn、15MnV和低碳钢等。对于这类钢,按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征的不同,可划分为四个区域:熔合区;过热区;正火区;不完全重结晶区。,PartVIIHAZ的组织与性能,不易淬火钢HAZ的组织区域划分,4.1焊接热影响区的组织,1）熔合区紧邻焊缝的母材部位,又叫半熔化区（加热温度在液相线和固相线之间,1500）。,PartVIIHAZ的组织与性能,此区范围很窄，一般只有几个晶粒宽并且微观行为复杂，焊缝与母材不规则结合，形成了参差不齐的分解面。,该区化学成分和组织性能存在严重的不均匀性，对接头的强度、韧性有很大的影响。,在许多情况下是产生裂纹和脆性破坏的发源地。,2）过热区加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度（一般指1100）范围内的区域。,该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后会得到粗大的过热组织，因此又叫粗晶区。,该区焊后晶粒度一般为12级，韧性很低，通常冲击韧性降低20%30%。,与熔合区一样，该区也容易产生脆化和裂纹。过热区和熔合区都是焊接接头的薄弱部位。,过热区的大小与焊接方法、焊接热输入和母材的板厚等有关。气焊和电渣焊时比较宽，并常出现粗大的魏氏组织，手工电弧焊和埋弧焊时较窄，而电子束、激光焊接时过热区几乎不存在。,4.1焊接热影响区的组织,焊接低碳钢时的魏氏组织,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,3）相变重结晶区(正火区)(a)该区的加热温度范围是Ac3晶粒开始急剧长大的温度（一般指1100）；,PartVIIHAZ的组织与性能,(b)在该温度范围内，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，因加热温度较低（一般低于1100），奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以该区又叫正火区。,(c)此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区中组织性能最好的区域。,4.1焊接热影响区的组织,4）不完全重结晶区该区的加热温度处于Ac1Ac3之间；因此在加热过程中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而铁素体仅部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，成为粗大的铁素体。冷却时奥氏体变为细小的铁素体和珠光体，粗大的铁素体被保留下来。所以，此区特点是晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能也不均匀。,PartVIIHAZ的组织与性能,16Mn钢焊接热影响区,焊缝金属,母材,熔合区,过热区,不完全重结晶区,4.1焊接热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,a低倍组织5,b接头组织20,c焊缝组织500,d熔合区组织500,16Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织(E5017焊条),a.焊接接头的低倍组织:可见焊缝组织细小,焊缝周围黑色环为母材热影响区。,4.1焊接热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,b.接头组织:左边柱状晶为焊缝全属,中间黑色区为母材热影响区,右边为原始母材。,c.焊缝组织:先共析铁素体分布于柱状晶界上,少量无碳贝氏体从晶界伸向晶内,晶内为针状铁素体与珠光体,个别部位有粒状贝氏体。,d.熔合区组织,左侧为焊缝,右侧为母材过热区。,e过热区组织,f正火区组织,g不完全重结晶区组织,h母材组织,e.过热区组织:可见少量由晶界向晶内生长的无碳贝氏体(图中下部位),右边是呈羽毛状的上贝氏体,晶内为板条马氏体。,4.1焊接热影响区的组织,16Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织(E5017焊条),PartVIIHAZ的组织与性能,f.正火区组织,由块状铁素体与珠光体组成。,g.不完全重结晶区组织:由铁素体与呈絮聚集的珠光体组成。,h.母材组织:由大块状铁素体与珠光体组成。,表5-11不同焊接方法热影响区的平均尺寸,4.1焊接热影响区的组织,热影响区的大小受多种因素的影响，如焊接方法、板厚、热输入以及焊接施工工艺等。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,冷加工变形或焊接变形对HAZ组织的影响在焊接施工过程中，母材事先受到冷加工变形或焊接变形将在Ac1以下发生再结晶和应变时效过程，但在组织上看不到明显的变化。对具有时效效应敏感性强的钢种，处于Ac1300C左右的HAZ将发生脆化现象，表现出较强的缺口敏感性，但在组织上没有明显变化。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,二、易淬火钢的组织分布易淬火钢是指在焊接空冷条件下容易淬火形成马氏体的钢种，如低碳调质钢（18MnMoNb）、中碳钢（如45钢）和中碳调质高强度钢（如30CrMnSi）等。这类钢焊接热影响区的组织分布特征与母材焊前的热处理状态有关。如母材焊前是正火或退火状态，焊接热影响区根据其组织特征可分为完全淬火区和不完全淬火区。如果母材焊前为调质状态，焊接热影响区除上述完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。,PartVIIHAZ的组织与性能,焊接热影响区的分布特征1-熔合区2-过热区3-正火区4-不完全重结晶区5-母材6-完全淬火区7-不完全淬火区8-回火区,4.1焊接热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,1、母材焊前为正火或退火状态1）完全淬火区(a)该区的加热温度处于固相线到Ac3之间。由于这类钢淬硬倾向大，冷却时将淬火形成马氏体。(b)在焊缝附近的区域(相当于低碳钢过热区的部位)，由于晶粒严重长大，会得到粗大的马氏体组织，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体组织。(c)这个区域的组织只是粗细不同，均属于同一组织类型(马氏体)，因此统称为完全淬火区。(d)根据冷却速度的不同，该区内还可能出现马氏体和贝氏体的混合组织。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,1、母材焊前为正火或退火状态2）不完全淬火区(a)该区的加热温度在Ac3Acl之间。(b)在快速加热条件下，珠光体（或贝氏体、索氏体）转变为奥氏体，铁素体很少溶入奥氏体，未溶入奥氏体的铁素体将得到进一步长大。因此，冷却时奥氏体会转变为马氏体，粗大的铁素体被保留下来，并有不同程度的长大，从而形成了马氏体和铁素体的混合组织，故称为不完全淬火区。(c)当母材含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较慢时，也可能出现贝氏体、索氏体或珠光体。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,2、母材焊前为调质状态1）完全淬火区2）不完全淬火区3）回火软化区出现于调质状态母材的热影响区，回火软化区内的组织性能发生变化的程度取决于焊前调质状态的回火温度。例如，母材在焊前调质时的回火温度为Tt，焊接时加热温度在Ac1Tt的部位，加热温度高于回火温度Tt，其组织性能将发生变化，出现软化现象。加热温度低于Tt的部位，组织性能将不发生变化。,PartVIIHAZ的组织与性能,a）热影响区各区段的划分及组织分布b）铁-渗碳体相图c）焊接热循环Tm加热的最高温度TG晶粒显著长大的温度,4.1焊接热影响区的组织,低碳钢焊接热影响区各区段的划分与相图的关系,PartVIIHAZ的组织与性能,低碳钢热影响区的组织分布特征及性能,4.1焊接热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,焊接热影响区划分方法示意图,4.1焊接热影响区的组织,HAZ的另类划分美国学者W.F.Savage等提出的HAZ的划分法,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,HAZ的另类划分美国学者W.F.Savage等提出的HAZ的划分法,焊缝金属,熔合区,HAZ,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,三、焊接热影响区组织的分析在焊接快速加热和连续冷却的条件下，热影响区的转变属于非平衡转变，往往会得到多种混合组织，给金相组织的鉴别造成了困难。在一定条件下，热影响区组织主要与母材的化学成分和焊接工艺条件有关，在鉴别热影响区组织时应该注意四点：,PartVIIHAZ的组织与性能,1)母材的化学成分及原始状态;2）焊接工艺条件;3)结合焊接热影响区的SH-CCT图确定热影响区的组织;4)借助于其他分析方法。,4.1焊接热影响区的组织,三、焊接热影响区组织的分析1)母材的化学成分及原始状态母材化学成分是决定HAZ组织的主要因素。对于含碳或合金元素较低的低碳钢及低合金钢(如16Mn等)，淬硬倾向较小，其热影响区主要为铁素体、珠光体和魏氏组织，并可能有少量的贝氏体或马氏体。对于淬硬倾向较大的钢种,其热影响区主要为马氏体,并根据冷却速度的不同可能出现贝氏体、索氏体等组织。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,1)母材的化学成分及原始状态对于不含碳化物形成元素的钢,其奥氏体的稳定性(即淬硬倾向)主要取决于奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏休晶粒越粗大,越容易产生淬硬组织。对于含碳化物形成元素的钢(如18MnMoNb,40Cr等),只有当碳化物溶解于高温奥氏体时,才增加淬便倾向。否则,会降低淬硬倾向。对于易淬硬钢，其马氏体类型主要取决于含碳量。当含碳量较低时，会得到低碳马氏体。否则会得到高碳马氏体。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,1)母材的化学成分及原始状态钢中存在较严重的偏析时,往往会出现反常情况。当在正常成分范围内出现一些预料不到的硬化和裂纹时,偏析常是造成这种情况的原因之一。母材的原始组织状态也是分析热影响区组织的重要依据。清楚地了解母材的原始组织,对认识热影响区经焊接热循环作用之后的组织性能变化有重要帮助,尤其对于不完全重结晶区更是如此。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,2）焊接工艺条件焊接工艺条件主要指焊接方法、焊接热输入和预热温度等。焊接工艺条件主要影响焊接的加热速度、高温停留时间和冷却速度,从而在一定成分条件下决定了奥氏体晶粒的长大倾向、均质化程度和冷却时的组织转变。因此,对于一定钢种,高温停留时间越长,冷却速度越快,得到的淬硬组织所占的比例越大。,PartVIIHAZ的组织与性能,2）焊接工艺条件在快速加热和冷却的条件下，即使对于低碳钢,加热温度在Ac1Ac3的不完全重结晶区,也可能出现高碳马氏体。在快速加热条件下，原珠光体的部位转变为高碳奥氏体(C0.8)，并且来不及扩散均匀化，当冷却速度很快时，这部分高碳奥氏体就转变为高碳马氏体。而铁素体在急热急冷的过程中始终末发生变化，最后得到马氏体和铁素体的混合组织。,a）加热前b）加热后c）淬火后快速加热及冷却时的M-F组织P-珠光体F-铁素体A-奥氏体M-马氏体,4.1焊接热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,3)结合焊接热影响区的SH-CCT图确定热影响区的组织SH-CCT图把焊接工艺条件与焊后的组织性能联系起来,是判定热影响区组织的重要依据。只要根据焊接工艺条件获得t8/5后,便可通过相应的SH-CCT图求出该条件下热影响区(主要指熔合区)各组织的类型及其所占的比例。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,3)结合焊接热影响区的SH-CCT图确定热影响区的组织,PartVIIHAZ的组织与性能,38CrMoAlA渗氮钢和1Cr17Ni2马氏体不锈钢熔焊焊缝组织(Schaeffler图),在不锈钢中,低C-Cr-Ni-Mn-Mo奥氏体基+少量铁素体的合金体系具有抗腐蚀性好、较高的强度、良好的塑韧性及良好的抗焊接裂纹特点,能够构满足气缸套的使用性能,通过向38CrMoAlA渗氮钢与1Cr17Ni2马氏体不锈钢异种钢焊缝中添加低C适当高的CrNi合金适量的MnMo合金体系的焊丝对其进行成分调控,可以实现从高碳马氏体组织向奥氏体基少量铁素体的组织的转变。,4.1焊接热影响区的组织,4)借助于其他分析方法对于同一类组织,可分为多种组织类型。如铁素体按形态不同可分为先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和粒状铁素体等。对于不同形态的组织,还应辅以显微硬度测试、电镜分析以及按组织所处的位置及分布状态等加以确认。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.1焊接热影响区的组织,正确分析焊接热影响区的组织，对于制订焊接工艺，改善焊接接头质量具有重要的指导意义。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,热影响区性能不可能从成分上进行调整，它是由焊接热循环作用引起的不均匀性问题。,PartVIIHAZ的组织与性能,一般常规焊接接头力学性能的试验结果，反映的是整个接头的平均水平，不能反映热影响区中某个区段(如过热区、相变重结晶区等)的实际性能。焊接热模拟技术的发展为研究热影响区不同部位的组织性能创造了良好的条件。,对于一般焊接结构，HAZ的性能主要考虑硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等根据焊接结构的具体使用要求决定。,（1）焊接热影响区硬化（2）焊接热影响区脆化（3）焊接热影响区韧化（4）焊接热影响区软化（5）焊接HAZ的力学性能,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,一、焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。通过测定焊接热影响区的硬度分布可间接地估计热影响区的力学性能及抗裂性等。一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑性和韧性下降，冷裂纹倾向增大。,PartVIIHAZ的组织与性能,焊接热影响区的硬度主要与被焊钢材的化学成分和冷却条件有关。因硬度试验比较方便,常用热影响区(一般在熔合区和过热区)的最高硬度Hmax来间接判断热影响区的性能。焊接热影响区中的硬度分布实际上反映了各部位的组织变化情况，一般来说，得到的淬硬组织(如M)越多，硬度越高。,不同混合组织和金相组织的硬度,4.2焊接热影响区的性能,同一组织的硬度也不相同，这主要与钢的含碳量和合金元素的含量有关。如高碳马氏体的硬度可达600HV，而低碳马氏体只有350HV，这说明马氏体数量增多,并不意味着硬度一定高，马氏体的硬度随着含碳量的增加而增大。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,除冷却速度之外，钢的含碳量和合金元素的含量是影响焊接热影响区硬度的重要因素。人们常采用碳当量来表述钢中合金元素含量对热影响区硬化的影响，并通过大量焊接工艺实验和数学工具建立了焊接热影响区硬度的计算模型。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,1、碳当量碳当量用符号Ceq或CE表示，反映了钢中化学成分对热影响区硬化程度的影响，它是把钢中合金元素(包括碳)的含量，按其作用折算成碳的相当含量(以碳的作用系数为1)，作为粗略评价钢材焊接性的一种参考指标。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,20世纪4050年代，钢以C-Mn钢为主，为评价此类钢的焊接性，建立了许多碳当量公式，主要有以下几个：,WES:,IIW:,主要适用于C0.18%的中等强度的非调质低合金钢(b=400700MPa),PartVIIHAZ的组织与性能,主要适用于强度级别较高的调质或非调质低合金钢(b=5001000MPa),都不适用于C0.17%的钢,4.2焊接热影响区的性能,20世纪60年代,低碳微合金高强钢得到大力发展钢。日本伊藤等人在Y形坡口对接裂纹试验对200多个低合金钢进行研究,建立了Pcm公式:,适用于C0.17%，低合金高强钢(b=400900MPa)。Pcm和CE(IIW)有如下关系:,PartVIIHAZ的组织与性能,式中:A(C)为碳的适应系数:A(C)=0.75+0.25tgh20(C-0.12),tgh为双曲线正切函数。,4.2焊接热影响区的性能,20世纪末，为适应工程的需要，日本铃木和百合冈等人（日本新日铁公司）通过大量试验提出了适用于0.034%C0.254%的碳当量计算公式：,A(C)与碳含量的关系,日本新日铁CEN、A(C)与碳含量的关系,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,当C0.18%时,CEN近似于CE(IIW);当C0.17%时,CEN近似于Pcm。他们的关系为：,CEN无论是应用范围还是评定淬硬倾向的精度,都比CE(IIW)和Pcm有优势。,CE(IIW)和新日铁CEN的对应关系,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,碳当量公式中合金元素对应的系数,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,2、碳当量及冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系随钢种碳当量(Pcm、CE(IIW)的增加，硬度也随之增加，即淬硬倾向增加。HAZ最到硬度Hmax与碳当量的关系为(由试验数据拟合得来)：,PartVIIHAZ的组织与性能,Hmax与Pcm的关系,Hmax与CE(IIW)的关系,4.2焊接热影响区的性能,钢种HT50HT100，板厚2550mm，E=17kJ/cm，t8/5=6.5s,PartVIIHAZ的组织与性能,Hmax与t8/5及Pcm的关系,国产低合金高强度钢冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系:,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,钢材:18MnMoNb、14MnMoNbB、10WMoVNb、12CrNi3MoV,板厚:1236mm,Hmax与t8/5的关系,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,国产低合金高强度钢冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系:,板厚20mm，成分：C=0.12%,Mn=1.4%,Si=0.48%,Cu=0.15%,在焊接热影响区的熔合区附近硬度值最高；远离熔合区，硬度降低，并逐渐接近于母材的硬度水平。,低合金钢焊接HAZ硬度分布,4.2焊接热影响区的性能,HT52钢(相当于20Mn钢):C=0.20%,Mn=1.38%,Si=0.23%,=20mm,E=15kJ/cm,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,焊接HAZ的硬度是反映钢材焊接性的重要指标之一,比碳当量更为准确。日本焊接协会制订了参考性的标准(WES-135),规定了不同强度级别低合金高强钢的最大允许硬度Hmax,强度级别越高的钢种,相应的最大允许硬度Hmax也越高。Hmax可以由经验公式计算出来。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,3、焊接热影响区最高硬度的计算公式采用HAZ最大硬度Hmax作为金属焊接性（包括裂纹的敏感性）的一个评价因子，不仅反映了化学成分的作用，同时也反映了组织形态的作用。各国结合本国的钢种，在大量试验的基础上建立硬度计算公式。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,3、焊接热影响区最高硬度的计算公式(1)国产钢硬度计算公式根据国产16Mn、15MnV、15MnVN、18MnMoNb、14MnMoNbB等低合金高强钢(s=350700MPa)HAZ最大硬度Hmax与Pcm、t8/5的关系建立如下硬度计算公式：,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(1)国产钢硬度计算公式当t8/5M100:Hmax=52.0+147.0Pcm-81lgt8/5式中:M100为HAZ组织全部为马氏体时的t8/5,此时硬度已达到饱和值,与冷却时间无关,只与钢中的含碳量有关。可由下式估算：lgM1002.63C+8.35Pv-6.57t8/5式中：,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(2)铃木公式根据日本低合金高强钢，研究不同冷却时间t8/5对Hmax的影响，建立了Hmax计算公式：,式中：,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,低合金高强钢Hmax计算公式：,两公式与实测值都比较接近，但都比较复杂。为计算方便，对国产低合金钢，用下式粗略估算：,当t8/5M100:Hmax=52.0+147.0Pcm81lgt8/5,Hmax(HV10)=140+1089Pcm8.2t8/5,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(3)Dren公式当马氏体(M)含量在0100之间时，可用下式计算Hmax：,式中：,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化随着锅炉、压力容器向大型化和高参数化(高温、高压或低温)方向的发展，防止热影响区发生脆性破坏便成为一个非常重要的问题。为了保证焊接结构安全运行的可靠性，必须防止焊接热影响区的脆化。因此，提高热影响区的韧性是一个极为重要的问题。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化许多材料的缺口韧性和温度的关系密切，可用温度指标评价材料的缺口韧性，即由韧性断裂变为脆性断裂的转变温度评价。试验方法（例如静弯试验，冲击试验，落锤试验等）都能确定脆性-韧性转变温度Trs。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化不同的试验方法、不同的评价标准可以得到不同的脆性-韧性转变温度Trs。如通过冲击试验，根据断口标准确定的脆性-韧性转变温度Trs是指断口形貌中延性断口或脆性断口各占50%的温度。热影响区各区段所经历的热作用不同，组织性能各异，因而各区段的韧性也不相同。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化焊接热影响区脆化有多种类型:粗晶脆化析出相脆化组织脆化热应变时效脆化氢脆化石磨脆化等。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化1、氢脆由溶解在金属晶格中的氢引起的。在试件拉伸过程中，金属中的位错发生运动合堆积而形成显微空腔；与此同时溶解在晶格中的原子氢不断沿位错运动方向扩散，最后在显微空腔中聚集并结合成分子氢。从而使显微空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,二、焊接热影响区脆化2、石磨脆化在焊接过程中不常出现，需要长时间在400600C加热，由马氏体中游离出石磨而发生脆化。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,从焊缝到热影响区,韧脆转变温度有两个峰值:一是过热区,二是Ac1以下的时效脆化区(约400600)。,碳锰钢热影响区脆性-韧性转变温度的分布,PartVIIHAZ的组织与性能,在900附近的细晶区具有最低的Trs，说明这个部位的韧性高，抗脆化的能力强。,4.2焊接热影响区的性能,3、粗晶脆化主要出现在HAZ熔合线附件和过热区。对于易淬火钢，主要是由于产生脆性组织所造成(如孪晶马氏体、非平衡的粒状贝氏体、以及组织遗传等)。,PartVIIHAZ的组织与性能,对于淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶粒长大，甚至形成魏氏组织造成的，如低碳钢和含碳量较低（C0.18%）的低合金钢。焊接这类钢时，应采用比较小的热输入，防止晶粒长大，这种情况下，即使发生淬火，也形成低碳的马氏体和下贝氏体组织，它们具有良好的韧性。,4.2焊接热影响区的性能,晶粒长大受化学成分、组织状态、加热温度及时间等多种因素的影响。晶粒长大是相互吞并、晶界迁移的过程。如果钢中含有氮、碳化物形成元素(Ti、Nb、Mo、V、W、Cr等)就会阻碍晶界迁移,防止晶粒长大。焊接热输入越大,距熔合线越近,则晶粒尺寸越大。一般晶粒越粗，脆性-韧性转变温度越高。,含Nb钢HAZ晶粒尺寸与Tm、E与t8/5的关系(SAW，T0=20),PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,4、组织脆化由焊接HAZ出现脆硬组织造成的。（1）淬硬脆化一般出现于碳和合金元素含量较多的易淬火钢(如45钢、30CrMnSiA等)的焊接热影响区，其脆化主要是热影响区形成硬脆的孪晶马氏体造成的。,PartVIIHAZ的组织与性能,焊接这类钢时，宜采用较大的热输入，必要时还需配合预热、后热等措施，以降低冷却速度，避免出现脆硬的马氏体。对于淬硬脆化倾向更大的钢种，往往需要进行焊后高温回火或调质处理来改善HAZ的韧性。,4.2焊接热影响区的性能,(2)M-A组元脆化一定冷却条件下形成高强钢在加热到熔点后缓冷，或承受最高温度位于铁素体和奥氏体两相区的热循环后，其组织中含有岛状的马氏体。该组织最初被认为是局部形成的高碳马氏体，后来经电镜和衍射分析表明，该组织一般情况下含有残余奥氏体。因此目前一般将其称为马氏体-奥氏体组元，简称为M-A组元。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(2)M-A组元脆化一定冷却条件下形成M-A组元是在上贝氏体转变温度区间形成。在上贝氏体形成过程中,由于铁素体含碳量低,随着铁素体的长大,大部分碳富集到被铁素体包围的岛状奥氏体中去(其含碳量可达0.5%0.8%)。中、高碳的岛状奥氏体,在中等冷却速度下会形成孪晶马氏体和部分残余奥氏体的混合物,即M-A组元。奥氏体合金化程度越高,其稳定性越强,越容易形成M-A组元。,PartVIIHAZ的组织与性能,当冷却速度较小时（t8/550s），M-A组元将发生分解形成铁素体和碳化物；当冷却速度中等时（t8/5=2050s），M-A组元才最易形成。一般焊接热影响区中M-A组元的最大数量在10%20%左右。M-A组元属于脆性相，随着M-A组元数量的增多，脆性-韧性转变温度将显著升高。M-A组元含有率和形状均影响焊接热影区的韧性。,4.2焊接热影响区的性能,b.t8/5与脆性-韧性转变温度的关系,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（3）析出相脆化对于某些金属或合金，在焊接冷却、或焊后回火、或者效过程中，从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物或金属间化合物时,引起金属或合金脆性增大的现象,称为析出相脆化。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时，过热区母材原有的第二相(碳化物或氮化物)均可大部分溶解。在冷却过程中,由于溶解度的降低,这些碳、氮化物将再次发生沉淀。但由于焊接时高温停留时间短、奥氏体均质化程度低。因此,再次沉淀的碳、氮化物将以块状形式不均匀析出。如,Ti(C,N)在晶内析出,AlN在晶界析出,都呈块状形式。这种形态的第二相会严重阻碍位错的运动,从而导致过热区的脆化。若Fe3C沿晶界呈薄膜状析出,或形成粗大碳化物,也会导致脆化。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（3）析出相脆化在快速冷却条件下,若碳、氮化物来不及析出,则在焊后回火或时效过程中也可能产生脆化(如回火脆性)。若析出物以细小弥散的质点均匀地分布在晶内和晶界时,不但不发生脆化,还将有利于改善韧性。杂质元素(如S、P、Sn、Sb等)在晶界偏析也会严重地损害韧性。钢中杂质元素越多,脆性越严重。因为这些杂质元素均降低金属的结合能。例如12Cr1Mo钢的回火脆性主要与这些杂质有关。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（4）组织遗传脆化调质钢淬火所形成的马氏体和贝氏体等组织是从奥氏体中按有序方式生成的非平衡组织；这些非平衡组织，在再次快速加热条件下，又会按有序转变方式生成新的奥氏体。新生成的奥氏体将与原非平衡组织有一定的位相关系，继承了原奥氏体晶粒的大小、形状和取向，这就是组织遗传现象。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（4）组织遗传脆化组织遗传主要发生在淬硬倾向较大的调质钢中,并在快速加热和快速冷却的非平衡组织中产生。发生组织遗传时,严重降低钢的塑性和韧性。这种由组织遗传引起的脆化称为组织遗传脆化。组织遗传脆化多发生在厚板多层焊中。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（4）组织遗传脆化由于焊接HAZ的加热速度很快，所以，调质结构钢厚板结构在进行多层焊时，当焊接第二层焊道时，处于第二层焊道相变重结晶区的第一层焊道的HAZ粗晶区，按一般的规律，粗晶区的组织将得到细化，从而改善第一层焊道粗晶区的性能。但对于某些钢种实际上并未得到改善，仍保留了粗晶区组织和结晶学位相关系。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,5、热应变时效脆化在制造焊接结构过程中，对工件进行各种加工，如下料、剪切、弯曲变形、气割、矫形、锤击、焊接及其他热加工时，由此引起工件的局部应变、塑性变形对焊接HAZ脆化具有很大影响。因经受塑性变形产生时效过程而发生脆化的现象叫应变时效脆化。焊接接头中发生的应变时效脆化主要有静应变时效和动应变时效两大类。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,（1）静应变时效一般把室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象叫作静应变时效。特点是伴随时效的发生,强度、硬度升高,而塑性、韧性下降。产生静应变时效的原因:主要是由于应变会引起位错密度增加，碳、氮等原子将向位错处聚集形成所谓“柯氏气团”,对位错产生钉扎和阻塞作用。,PartVIIHAZ的组织与性能,只有含有碳、氮等间隙原子的钢种才发生静应变时效。特别是焊接低碳钢和强度不高的低合金钢(b500MPa)时，因自由氮原子较多，容易产生静应变时效。,4.2焊接热影响区的性能,（2）动应变时效钢材在塑性变形过程中产生的时效脆化现象叫作动应变时效。特点是应变和时效同时发生，但由于这种应变时效过程是在200400的高温下发生的，所以又叫热应变时效。通常所说的蓝脆性就属于动应变时效现象。产生动应变时效的原因，目前认为是由于在热应力作用下产生的塑性变形使位错增殖，同时诱发碳、氮原子快速扩散，聚集于位错周围而形成“柯氏气团”。但其确切机理尚待进一步研究。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,实践证明，焊接低碳钢和C-Mn钢时，其熔合区和加热温度在200600的亚热影响区容易产生热应变时效脆化现象。在金相组织上看不出明显的变化。一般情况下，管道焊时热应变脆化容易发生在亚热影响区。据实测发现，在对接焊时亚热影响区产生的热应变一般不超过1%，动应变时效脆化并不突出。而焊前加工成形的预应变一般可达5%之多，因此，焊接接头亚热影响区的应变脆化，往往是以静应变为主，动应变为辅。由于多层焊的热应变比单层焊的大，所以多层焊容易产生热应变时效脆化，特别是在有缺口效应的部位。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,在实际焊接接头中,由于熔合区最容易产生咬边、未焊透等缺口效应。所以熔合区最易发生热应变脆化现象。两种应变时效脆化现象均与碳、氮元素向位错处的聚集有关。因此，含有碳、氮化物形成元素(Ti、Cr、Al等)的钢应变脆化程度较低。影响应变时效脆化的因素还有焊接热输入、预热温度、层间温度、焊后消除应力处理温度和时间，以及预应变温度和程度等。评价方法主要有时效缺口冲击试验、韧脆转变温度、COD等。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,三、焊接热影响区的韧化韧性是材料在塑性应变和断裂过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。HAZ的韧性不象焊缝那样可以通过添加微量合金元素以生成韧性相对其进行调整和改善，而是材料本身所固有，只能通过某些工艺措施在一定的范围内改善。,PartVIIHAZ的组织与性能,HAZ中熔合线和粗晶区是整个接头最薄弱的部位，也是接头韧性提高的主要对象。,针对HAZ产生脆化的原因，HAZ韧化措施主要有两方面：控制母材的原始组织和合适的焊接工艺。,1、控制母材的成分和组织对于低合金高强度钢，采用低碳多种微量元素(如Ti、Nb、A1、RE等)合金化，并严格控制杂质(如S、P、O等)含量，在提高强度的同时可使韧性得到改善。在焊接冷却条件下，使热影响区获得低碳马氏体、下贝氏体和针状铁素体等韧性较好的组织，从而避免或降低HAZ的脆化。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,1、控制母材的成分和组织控制钢中硫化物、磷化物以及硅酸盐夹杂的数量、大小及分布形态也可改善热影响区的韧性。如MnS常分布在晶界，轧制时呈层状分布，因而在韧性上表现出各向异性，有时在热影响区还会增大液化裂纹的倾向。当钢中夹杂物数量比较少，且呈细小颗粒均匀分布时，对热影响区的韧性影响较小。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,2、采用合适的焊接工艺(1)确定最佳的t8/5范围t8/5大小将最终决定HAZ的组织和性能。强度级别越高的钢，其Trs随t8/5的变化越显著，只有超低碳的HT60钢对t8/5的变化不敏感；每种钢所适宜的最佳t8/5是不同的。强度级别越高的钢种，合适的t8/5（或E）越大。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,2、采用合适的焊接工艺(1)确定最佳的t8/5范围t8/5小于或大于最佳值时韧性都会下降。t8/5小时，得到100%马氏体，且来不及进行自回火，即便是低碳马氏体，其韧性也并非最佳。t8/5大时，除了因奥氏体晶粒长大引起的脆化，还可能出现上贝氏体和M-A组元引起脆化。实践证明，最佳韧性对应的组织为马氏体+1030%下贝氏体。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,热输入E对韧脆转变温度Trs的影响(热模拟，Tm=1350),为了使热影响区获得最佳韧性，应利用相应的SH-CCT图或通过试验方法确定出最佳的t8/5值的上、下限，然后再利用本焊接传热计算方法确定出最佳热输入。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(2)采用多层多道焊单道焊时，热影响区仅经受一次热循环。但在多层多道焊时，后续焊道对前层焊道的热影响区有正火或高温回火作用，从而使组织性能得到改善。对于表面焊道的热影响区，最好采用附加“回火焊道”（如TIG重熔焊道）的方法，改善其韧性。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,(3)采用焊后热处理为了改善焊接热影响区的韧性，采用焊后调质或正火处理自然是有益的。但这在工程上不易实现，而且还会提高工艺成本。实际上，只有要求消除焊接残余应力的结构，焊后才进行回火处理(或称消除应力热处理)。,PartVIIHAZ的组织与性能,焊后高温回火对消除淬硬脆化和M-A组元引起的脆化无疑是有利的。但对于有回火脆性和再热裂纹倾向的钢种，回火时应避开对回火脆性和再热裂纹敏感的温度区间，否则，不仅韧性不能改善，反而会使脆性加剧，甚至产生再热裂纹等缺陷。,4.2焊接热影响区的性能,四、焊接热影响区的软化对于焊前经冷作硬化或热处理强化(调质处理、沉淀强化、弥散强化)的金属或合金,焊后在热影响区总要发生不同程度的软化或失强现象。最典型的就是调质高强度钢的过回火软化和沉淀强化合金(如硬铝)的过时效软化。软化现象的发生会降低焊接接头的承载能力,对于重要的焊接结构,还必须经过焊后强化处理才能满足要求。,PartVIIHAZ的组织与性能,调质钢焊接热影响区的硬度分布A-焊前淬火+低温回火B-焊前淬火+高温回火C-焊前退火1-淬火区2-部分淬火区3-回火区,4.2焊接热影响区的性能,1、调质钢热影响区软化程度与母材焊前热处理状态有关。若母材焊前为退火状态,焊后无软化问题；若母材焊前为淬火十高温回火,则软化程度较低；若母材焊前为淬火十低温回火,则软化程度最大。,PartVIIHAZ的组织与性能,原因:因为焊前调质时回火温度Tt越低,析出碳化物颗粒越弥散细小。焊接时加热温度在Ac1Tt范围内的碳化物聚集长大越明显,过回火软化现象越严重。,30CrMnSi钢热影响区的强度分布AC3=830，AC1=760，Ar3=705，Ar1=670，Ms=295,4.2焊接热影响区的性能,加热最高温度在Ac1附近的部位软化或失强最为严重。除加热温度在Ac1Tt温度范围内的过回火软化以外,加热温度在AclAc3的部位软化也比较严重。这与该区的不完全淬火过程有关。,PartVIIHAZ的组织与性能,由于在该区内铁素体和碳化物并未完全溶解,形成的奥氏体末达到饱和浓度。因此,冷却后得到粗大铁素体、粗大碳化物和低碳奥氏体的分解产物,这种组织抗塑性变形的能力很小.因而强度、硬度很低。,焊接方法和焊接热输入对软化区宽度b和接头强度b的影响(42Cr2MnSiNiMo钢)1-TIG焊2-电子束焊,4.2焊接热影响区的性能,焊接调质钢时软化区是不可避免的,焊接方法和焊接热输入也只能影响软化区的宽度,只有经焊后调质处理才能从根本上消除软化区。一般来讲,焊接电弧的能量越集中,采用的热输入越小,软化区越窄。,PartVIIHAZ的组织与性能,LD2合金HAZ的软化(自动TIG焊),4.2焊接热影响区的性能,2、热处理强化合金焊接具有热处理强化的合金时，主要问题就是HAZ软化,典型的是铝合金。LD2是一种过饱和固溶强化铝合金。焊接过程中HAZ的过饱和固溶体分解脱溶,逐步析出平衡相,强化效果减弱并消失。采用小线能量的多层焊,并保持一定的层间温度,有利于降低热处理强化合金焊接HAZ的软化倾向。,PartVIIHAZ的组织与性能,在焊接接头中，软化区仅是很窄的一层，并处于强体之间(即硬夹软)，它的塑性变形受到相邻强体的拘束，受力时将产生应变强化的效果。软夹层越窄，约束强化越显著，失强率越低。因此，焊接时只要设法减小软化区的宽度，即可将软化区的危害降到最低限度。,4.2焊接热影响区的性能,PartVIIHAZ的组织与性能,4.2焊接热影响区的性能,五、焊接HAZ的力学性能在焊接热循环的作用下，焊接HAZ的组织和性能是不均匀的。对HAZ力学性能的研究主要从两方面进行:一是专门研究熔合区附近(Tm=13001400)的性能，因为熔合区是存在问题较多的部位；另一方面是研究HAZ不同部位(如过热区、重结晶区、不完全重结晶区等)的力学性能。,PartVIIHAZ的组织与性能,研究方法：热模拟技术对一定尺寸的试件模拟焊接热影响区不同部位的热循环和应力应变循环，然后通过力学性能试验，得到热影响区对应部位的力学性能。,热影响区各部位的力学性能(C0.17%，Mn1.28%，Si0.40%，相当于Q345),4.2焊接热影响区的性能,当加热最高温度超过900以后,随着加热最高温度的升高,强度、硬度升高,而塑性(和)下降;,PartVIIHAZ的组织与性能,当Tm值达到1300附近时,强度达到最高值(相当于过热粗晶区);,在Tm超过1300的部位,在塑性继续下降的同时,强度也有所下降。这可能是由于晶粒过于粗大和晶界疏松造成的。,对于加热温度在Ac1Ac3的不完全重结晶区,由于晶粒大小不均匀,s反而降低。,热影响区硬度最高、塑性最差的部位是过热区，属于焊接接头的薄弱环节。因此，在采用热模拟技术研究热影响区性能时，应着重研究过热区力学性能随热循环参数的变化规律。,（a）（b）模拟冷却速度对过热区力学性能的影响a)低碳钢(C0.15%,Mn0.95%,Si0.08%)b)Q345钢(C0.18%,Mn1.40%,Si0.47%),4.2焊接热影响区的性能,随着冷却速度的增加,强度和硬度增高,而伸长率和断面收缩率下降。,PartVIIHAZ的组织与性能,由于16Mn钢加入了一定量的合金元素,淬硬倾向比低碳钢大。所以随着冷却速度的增加,过热区的塑性明显下降。因此,SMAW焊接厚板Q345钢时,为了降低冷却速度,应适当进行预热。,4.3焊接热力模拟技术简介,一、焊接模拟技术的发展背景HAZ，特别是熔合区和粗晶区是造成结构脆性破坏最危险的部位研究HAZ的性能、提高接头安全可靠性称为焊接领域一项重要的课题。过去的研究只是针对整个接头的宏观力学性能，很难检测出HAZ各个分区的性能只有研究清楚各个分区的性能才能有针对性地采取措施提高HAZ的整体性能。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.3焊接热力模拟技术简介,二、焊接模拟技术的发展过程及其现状1946年，美国纽约州的伦塞勒(Rensselaer)工学院(RPI)的Nippes教授和Savage博士根据二战中美国制造舰艇的需要，为了研究熔焊工艺对舰船用钢板热影响区缺口韧性的影响，将闪光电阻焊机的电气控制线路进行改装，把Charpy试件夹持在夹头上，利用电阻加热法，成功再现了所要求的焊接热循环，温度精度可控制在20以内，这是世界上第一台利用电阻加热的热模拟装置。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.3焊接热力模拟技术简介,此后，他们完善了抗干扰系统并提高测温与控制精度,研制出第一台较为满意的G1eeble500型热模拟试验机,不仅可以进行焊接热、力模拟，而且也可用于轧制、锻造、热处理、铸造、挤压、凝固及相变过程的模拟研究。1979年以后，随着计算机控制技术的应用以及测量系统的完善和机械装置的改进，又开发了不同功能的Gleeble热/力模拟试验装置(如Gleeble-1000、1500、2000、3200、3500、3800等)，模拟精度和模拟技术的应用水平得到了迅速提高，目前已广泛应用于国内外的钢铁冶金行业、焊接研究单位等。,PartVIIHAZ的组织与性能,4.3焊接热力模拟技术简介,前苏联、日本也从20世纪50