焊接热影响区的脆化机理及防治措施

1、焊接热影响区的脆化机焊接热影响区的脆化机 理及防治措施理及防治措施 1 HAZ的脆化的脆化 l定义： lHAZ脆化是热影响区在焊接热循环作用下所发生的塑性、 韧性严重下降的现象。 l分类： l粗晶脆化、析出相脆化、组织转变脆化、热应变脆化、氢 脆化和石墨脆化等。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） l 焊接粗晶热影响区处在焊缝和母材的过渡区域。 焊接过程中，其加热温度接近钢材的熔化温度， 虽然高温停留时间短暂，但与一般热处理不同， 在焊接的连续加热和冷却条件下，奥氏体晶粒长 大具有热惯性，实际晶粒度较粗。 l根据Hall-Petch公式 可知，晶粒 越粗大，脆性转变温度越高，即脆性增加。晶粒

2、 直径d与脆性转变温度VTrs的关系如下图所示。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） 焊接热影响区的粗晶脆化与一般热处理过程 中单纯晶粒长大造成的脆化不同，原因在于晶粒 粗大的同时着化学成分、组织状态不均匀，这种 伴随非平衡条件下形成的粗晶脆化程度更为严重。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） l例如，对于不易淬火刚，粗晶脆化主要是由于 晶粒长大，甚至形成粗大的魏氏体组织；对于 易淬火刚，则主要是由于产生脆硬的孪晶马氏 体所致。 3 析出相脆化析出相脆化 l对于某些金属或合金，在焊接冷却过程中，或是在 焊后回火或时效过程中，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

3、金 脆性增大的现象，称为析出相脆化。 l在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时，在过 热区，母材原有第二相（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、氮化合物将再次发生沉淀。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、氮化合物将以块状形式呈不均匀析出。 3 析出相脆化析出相脆化 l例如，AlN在晶界析出，Ti（C,N）在晶内析出， 都呈块状形式。这种状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。 l在快速冷却条件下，若碳、氮化合物来不及析出， 则在焊后回火

4、或时效过程中也可能产生脆化（如 回火脆化）。 4 组织脆化组织脆化 （1）M-A组元脆化 lM-A组元一般是在中等冷却速度下形成。在焊接 冷却过程中，奥氏体不断向铁素体转变，碳及合 金元素向未转变的奥氏体中扩散，造成奥氏体的 碳浓度不断增加，在随后的冷却过程中，这些高 碳奥氏体转变成高碳马氏体与残余奥氏体组成的 岛状组织即M-A组元，有时M-A组元中的马氏体 也包含低碳板条马氏体。 lM-A组元中的马氏体一般为高碳马氏体，容易引 发微裂纹。随着M-A组元数量的增多，韧脆转变 4 组织脆化组织脆化 l温度将显著升高。因此，在HAZ内出现M-A组元将 会导致HAZ韧性降低，引起脆化。 l M-A组

5、元引发裂纹的可能微观机制有四种: 脆硬的条状M-A组元发生开裂引发裂纹; 相邻块状M-A组元间的残余拉应力相互叠加，有助 于微裂纹的产生; M-A/基体界面(尤其是沿晶分布的块状M-A组元)的 应力集中和碳的偏析导致M-A组元与基体分离而产 生微裂纹; M-A组元的变形导致其与基体分离而引发微裂纹。 4 组织脆化组织脆化 l（2）遗传脆化 l所谓“组织遗传”是指厚板结构钢多层焊时，若第一 焊道的HAZ粗晶区位于第二焊道的正火区(相变重 结晶区)或两相区晶区的组织仍保留粗晶组织和结 晶学的位向关系。 l其典型组织特征是，在晶粒周围或亚晶界上出现 成串非连续分布的等轴细晶，此外过热的粗晶组 织基本

6、上保留了加热前的大小和形貌。 4 组织脆化组织脆化 l“组织遗传”引起脆化的原因是晶粒粗大、M-A组元 的产生以及孪晶马氏体的增加。 l总之， 不管是M-A组元脆化还是“组织遗传”脆化， 脆化原因与M-A组元的存在密切相关。M-A组元是 一种脆硬性组织，其存在一定程度上导致HAZ韧 性降低，这一点毋庸置疑。 5 热应变时效脆化热应变时效脆化 l定义：在制造焊接结构的过程中，不可避免地要 进行各种加工，如下料、剪切、弯曲变形、气割、 矫形、锤击、焊接和其他热加工等程序。有这些 加工引起的局部应变、塑性应变对焊接HAZ脆化 有很大的影响，由此而引起的脆化称为热应变时 效脆化。 l分类： l（1）静

7、应变时效脆化 l 在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化 现象。 5 热应变时效脆化热应变时效脆化 l其特征是强度和硬度增强，而塑性、韧性下降。 只有钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会发生这 种现象。 l（2）动应变时效脆化 l 一般在较高的温度下，特别是200400C温度 范围的预应变所产生的时效脆化现象。 lHAZ的热应变脆化多数属于动应变时效脆化所引 起，通常所说的“蓝脆性”就属于动应变时效脆化现 象。 5 热应变时效脆化热应变时效脆化 l关于热应变时效脆化的机理，目前多数人认为是 由于柯氏气团对于位错的钉扎作用。 l例如，Q245（原20钢）厚壁高压管在服役过程中 可能会发生应变时效脆

8、化。冷加工Q245钢的应变 时效是间隙原子(碳、氮，尤其是氮原子)与金属位 错间的钉扎和解扎相互作用的结果，应变时效现 象中危害最大的是冲击吸收能量、断裂韧度等韧 性指标的降低，也就是通常所说的应变时效脆化。 l首选正火作为消除应变时效脆化的处理方法。 6 防治措施防治措施 l为了防止CGHAZ脆化，一般应严格控制焊接热输 入，采用预热、后热等工艺措施。常规的焊接工艺 是焊前退火或正火处理，焊后进行调质处理。但有 时鉴于焊接的实际情况，焊前无法退火或正火，焊 后无法进行调质处理，必须通过焊后热处理保证其 韧性满足要求。 l防止或消除M-A组元和遗传脆化，应制定严格的焊 接工艺参数:焊前预热温度选MS+5080 C，层间温 度不低于马氏体转变点MS，以避免在焊缝和热影响 区产生非平衡的淬火组织，