焊接冶金学基本原理-第4章 焊接热影响区

第4章 焊接热影响区,内容：焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区的组织和性能,从几个问题开始,焊接热影响区组织和性能被焊金属与合金系统的特点有相变材料无相变材料焊前母材的原始状态冷作硬化状态退火软化区热处理强化状态退火软化区退火状态易淬火材料出现淬火硬化区,4.1 焊接热影响区的组织转变特点4.1.1 焊接时加热过程组织转变的特点4.1.2 焊接时冷却过程组织转变特点4.1.3 焊接条件下的CCT图的建立及应用4.2 热影响区的组织和性能,4.1 焊接热影响区的组织转变特点,焊接条件下与热处理条件下 组织转变，基本原理一致。焊接条件下的特点：1、加热的温度高 热处理：最高AC3以上100-200，例如45号钢AC3：770 焊接近缝区：接近熔点，1350 2、加热的速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。3、高温停留时间短 手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S。4、自然条件下连续冷却5、局部加热这就给焊接时的组织转变带来特殊性，与热处理有着不同的规律，必须建立焊接条件下的金属学理论！,4.1.1 焊接时加热过程组织转变的特点,.加热速度对相变点的影响 加热速度越快（H ），AC1和AC3的温度越高，温差越大。.加热速度对均质化影响H快且tH小，均质化差.近缝区的晶粒长大加热过程影响冷却过程组织转变。,4.1.2 焊接时冷却过程组织转变特点,金属学理论的等温转变及连续冷却转变。以熔合区附近（薄弱地带）为研究对象，分析冷却组织转变特点。比较焊接条件下和热处理条件 奥氏体转变的不同特点。以45钢、40Cr为例,比较焊接条件下和热处理条件下,在相同的冷却速度下组织转变的差异。 闲问：这2材料那个淬硬倾向大？,特征：焊接条件下，CCT曲线左移，淬硬倾向降低。原因：碳化物合金元素不能充分溶解奥氏体内部，不能增加奥氏体稳定性（即增加淬硬倾向）。,特征：焊接条件下CCT曲线右移，淬硬倾向增大。原因：没有碳化物溶解过程，近缝区粗化，淬硬倾向增大。,必须建立焊接条件下的组织转变理论！,4.1 焊接热影响区的组织转变特点4.2 热影响区的组织和性能4.2.1 热影响区组织分布4.2.2 热影响区的性能,4.2 热影响区的组织和性能,低碳钢热影响区,4.2.1 热影响区组织分布,1、不易淬火钢的热影响区的组织分布（低碳钢和某些低合金钢，16Mn等）热影响区根据组织特征，可分为，熔合区、过热区、相变重结晶区（正火区），不完全重结晶区等。本课程按 如下划分：过热区、相变重结晶区，不完全重结晶区，再结晶区，（脆化区）。,（1）、过热区,温度：1100-1490 （包晶转变线1495，跟成分有关）现象：加热温度高，在固相线附近，一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体晶粒严重长大。组织：粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成粗大的F和P,甚至过热组织魏氏组织性能：脆性大，韧性很低。薄弱地带。,（2）、相变重结晶区（正火区或细晶区）,温度：AC3-1100 现象：加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变，使晶粒得到显著的细化。组织：均匀细小的P和F,相当于低碳钢正火处理后的组织。性能：塑性、韧性都很好， 较好的综合性能,（3）、不完全重结晶区（不完全正火区）,温度：AC1-AC3现象：加热温度Ac1到Ac3之间，只有部分金属经受了重结晶相变组织：粗大铁素体晶粒和细晶粒（P+F）的混合区，组织不均匀。性能：性能不均匀，韧性低于完全重结晶区,（4）、再结晶区（针对冷轧态母材，热轧态无此区）,温度：500 -AC1现象：加热温度500 到Ac1之间，金属的内部结构不发生变化，只有晶粒外形的变化组织：等轴铁素体晶粒性能：强度、硬度低于母材，塑性和韧性提高。再结晶区为接头的软化区。另：对时效应变敏感强的金属，存在一个组织上与母材没有差别，但塑性、韧性显著低于母材的脆化区，一般认为是热应变时效脆化。,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,2、易淬火钢热影响区的组织分布,跟母材焊前热处理状态有关。母材焊前调质（或 淬火+中温回火，淬火+低温回火）：完全淬火区，不完全淬火区，回火区。母材焊前退火或正火：完全淬火区和不完全淬火区。,（1）完全淬火区,温度：AC3 以上（即不易淬火钢的过热区和正火区）现象：快冷形成淬火组织组织：粗马氏体（相当于过热区） +细马氏体（相当于正火区）性能：高硬度、低塑性韧性。,（2）不完全淬火区,温度：AC1-AC3(即不易淬火钢的不完全重结晶区）现象：铁素体基本不变，但长大，P、B、S加热转换为A,冷却转变为M组织：铁素体和马氏体等性能：脆性大、韧性低。,温度：原回火温度-AC1现象：高于原回火温度的区域发生回火，原回火温度越低，热影响区的回火区越大，组织性能变化较大组织：回火组织性能：回火软化，AC1附近软化最大，强度最低，又一薄弱环节。,（3）回火区,其它材料，如高温合金等热影响区的组织更复杂。热影响区的组织分布是不均匀的，因而在性能上也不均匀，过热区是一薄弱地带。以上讨论的是一般情况。,4.2.2 热影响区的性能,一般考虑硬化、脆化、软化及综合力学性能等，或根据具体结构考核腐蚀、疲劳等性能。1、焊接热影响区的硬化 热影响区硬度是评价钢种淬硬倾向的重要指标。 因组织分布不均匀，所以硬度分布不均匀 出现最高硬度Hmax（一般在熔合线附近）， Hmax可间接判断HAZ的性能，如强度、韧性、脆性及抗裂性。 Hmax出现原因？,（1）碳当量（Carbon Equivalent),简称Ceq或CE，是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢种合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合碳的相当含量。,国际焊接学会(C0.18%,中等强度非调质低合金钢),日本焊接学会(C0.18%，较高强度低合金高强钢),日本伊藤，C0.17%，b=400900MPa的低合金高强钢,日本铃木，百合冈，近年来常用的公式（C=0.034%0.254%),（2）碳当量及冷却时间与HAZ最高硬度Hmax的关系,（2）碳当量及冷却时间与HAZ最高硬度Hmax的关系,Hmax与钢种化学成份及冷却条件有关，是碳当量及t8/5的函数。一般来讲碳当量越大、 t8/5越小，最高硬度Hmax越大，热影响区的淬硬倾向（如脆化、冷裂）越大。HAZ最高硬度是反映钢种焊接性的重要标志，比碳当量更准确，每一钢种有其允许最大允许Hmax 。 母材成分一定时，只能通过增加t8/5实现降低Hmax，也就说通过调整焊接工艺来改善，如预热、缓冷等。,国产钢硬度计算公式当t8/5 M100 Hmax=52.0+147.0Pcm 81lg t8/5,铃木公式,粗略估计：Hmax(HV10)=140+1089Pcm 8.2t8/5,；,；,。,(3)最低硬度,2、焊接热影响区的软化,经过调质处理（或其它淬火的）的高强钢 和经沉淀强化及弥散强化的合金，焊接后HAZ出现软化及失强。（1）调质钢的软化 a.焊前回火温度越低，即强化程度越大，软化相对越严重。b.一般软化最大部位在AC1附近。原因？,（2）热处理强化合金HAZ的软化,具有热处理强化合金，可能会出现HAZ的软化。比如LY12的过时效软化等。,3热影响区的脆化,碳锰钢焊接热影响区的韧性分布I一过热区 一完全重结晶区 一不完全重结晶区 一蓝脆区,3热影响区的脆化,（1）粗晶脆化对于不易淬火钢,主要是晶粒长大,形成粗大魏氏组织(W),易淬火钢,产生脆硬的孪晶M.此区处在焊缝与母材的过渡地带,物理化学的不均匀性 。（2）组织脆化M-A组元脆化析出脆化（3）热应变时效脆化（时效脆化区）,4、热影响区的力学性能,接头力学性能包括焊缝及热影响区，一般低合金钢其实就是HAZ的性能。HAZ的力学性能研究方法：（1）HAZ不同部位的常规力学性能（2）熔合区附近过热区的性能。,（1）HAZ不同部位的常规力学性能,（2）熔合区附近过热区的性能。,本章