山大 Part III 焊接冶金 热影响区的组织和性能—组织和性能

1、材料成型基础材料成型基础Part VIIPart VIIHAZ的组织和性能 1 1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织2 2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能3 3 焊接热力模拟技术简介焊接热力模拟技术简介 Ch4 HAZ的组织和性能4.14.1 焊接热影响区的组织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。热循环，而且还取决于母材的成分和原始状态。一、不易淬火钢一、不易淬火钢二、易淬火钢（淬硬倾向比较大的钢）二、易淬火钢（淬硬倾向比较大的钢） HAZHAZ组织与母材焊前的热处理状态有关组织

2、与母材焊前的热处理状态有关 1 1、正火或退火、正火或退火 2 2、调质处理、调质处理Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织一、不易淬火钢一、不易淬火钢HAZHAZ的组织分布的组织分布 不易淬火钢是指在焊后空冷条件下不易形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成马氏体的钢种, , 如如15MnTi 15MnTi 、16Mn16Mn、15MnV15MnV和低碳钢等。对于这类钢和低碳钢等。对于这类钢, , 按照热影响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区中不同部位加热的最高温度及组织特征的

3、不同同, , 可划分为四个区域可划分为四个区域: : 熔合区熔合区; ; 过热区过热区; ; 正火区正火区; ; 不完全重结晶区不完全重结晶区 。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能不易淬火钢不易淬火钢HAZ的组织区域划分的组织区域划分4.1 焊接热影响区的组织1 1）熔合区）熔合区 紧邻焊缝的母材部位紧邻焊缝的母材部位, ,又叫半熔化区（加热温度又叫半熔化区（加热温度在液相线和固相线之间在液相线和固相线之间, 1500, 1500）。）。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能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此区范围

4、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。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，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。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。在许多情况下是产生裂纹和脆性破坏的发源地。2 2）过热区）过热区 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度（一般指度（一般指11001100）范围内的区域。）范围内的区域。该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后该区加

5、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。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该区焊后晶粒度一般为1212级，韧性很低，通常级，韧性很低，通常冲击韧性降低冲击韧性降低20%30%20%30%。与熔合区一样，该区也容易产生脆化和裂纹。过与熔合区一样，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。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

6、埋弧焊时较窄，而电大的魏氏组织，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。子束、激光焊接时过热区几乎不存在。4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织焊接低碳钢时的魏氏组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织 3 3）相变重结晶区）相变重结晶区( (正火区正火区) ) (a) (a) 该区的加热温度范围是该区的加热温度范围是A Ac c3 3 晶粒开始急剧长大晶粒开始急剧长大的温度（一般指的温度（一般指11001100）；）；Part VII HAZPart VII HAZ的组织

7、与性能的组织与性能(b) (b) 在该温度范围内，铁素体和珠光体全部转变为在该温度范围内，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，因加热温度较低（一般低于奥氏体，因加热温度较低（一般低于11001100），），奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会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。时的正火组织，所以该区又叫正火区。 (c) (c) 此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影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。响区中组织性能最好的区域。4.

8、14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织 4 4）不完全重结晶区）不完全重结晶区 该区的加热温度处于该区的加热温度处于AcAc1 1AcAc3 3之间；之间； 因此在加热过程中，原来的珠光体全部转变因此在加热过程中，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，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。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，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

9、。粒大小不一，组织不均匀，力学性能也不均匀。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能16Mn钢焊接热影响区钢焊接热影响区焊缝金属焊缝金属母材母材熔合区熔合区过热过热 区区不完全重结晶区不完全重结晶区4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能a 低倍组织低倍组织 5b接头组织接头组织 20c焊缝组织焊缝组织 500d 熔合区组织熔合区组织50016Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织(E5017焊条焊条)a. a. 焊接接头的低焊接接头的低倍组织倍组

10、织: : 可见焊缝可见焊缝组织细小组织细小, , 焊缝周焊缝周围黑色环为母材围黑色环为母材热影响区。热影响区。4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能b. b. 接头组织接头组织: :左边左边柱状晶为焊缝全柱状晶为焊缝全属属, , 中间黑色区为中间黑色区为母材热影响区母材热影响区, , 右右边为原始母材。边为原始母材。c.c.焊缝组织焊缝组织: : 先共先共析铁素体分布于析铁素体分布于柱状晶界上柱状晶界上, , 少量少量无碳贝氏体从晶无碳贝氏体从晶界伸向晶内界伸向晶内, , 晶内晶内为针状铁素体与为针状铁素体与珠

11、光体珠光体, , 个别部位个别部位有粒状贝氏体。有粒状贝氏体。d. d. 熔合区组织熔合区组织, ,左左侧为焊缝侧为焊缝, ,右侧为右侧为母材过热区。母材过热区。e 过热区组织过热区组织f 正火区组织正火区组织g 不完全重结晶区组织不完全重结晶区组织h 母材组织母材组织e. e. 过热区组织过热区组织: : 可见少量由晶界可见少量由晶界向晶内生长的无向晶内生长的无碳贝氏体碳贝氏体( (图中图中下部位下部位), ), 右边是右边是呈羽毛状的上贝呈羽毛状的上贝氏体氏体, , 晶内为板晶内为板条马氏体。条马氏体。4.14.1 焊接热影响区的组织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

12、组织钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织(E5017焊条焊条)Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能f. f. 正火区组织正火区组织, , 由块状铁素体与由块状铁素体与珠光体组成。珠光体组成。g. g. 不完全重结晶不完全重结晶区组织区组织: : 由铁素由铁素体与呈絮聚集的体与呈絮聚集的珠光体组成。珠光体组成。h. h. 母材组织母材组织: : 由由大块状铁素体与大块状铁素体与珠光体组成。珠光体组成。 表表5-11 不同焊接方法热影响区的平均尺寸不同焊接方法热影响区的平均尺寸焊接方法焊接方法各区的平均尺寸（各区的平均尺寸（mmmm）总宽总宽（mmmm）过热区过热

13、区相变重结晶区相变重结晶区 不完全重结晶区不完全重结晶区SMAWSMAW2.23.02.23.01.52.51.52.52.23.02.23.06.08.56.08.5SAWSAW0.81.20.81.20.81.70.81.70.71.00.71.02.34.02.34.0ESWESW182018205.07.05.07.02.03.02.03.025302530氧乙炔焊氧乙炔焊21214.04.02.02.027.027.0EBWEBW0.050.750.050.754.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织 热影响区的大小受多种因素的影响，如焊接热影响区的大小受多种因素的影响，如

14、焊接方法、板厚、热输入以及焊接施工工艺等。方法、板厚、热输入以及焊接施工工艺等。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织冷加工变形或焊接变形对冷加工变形或焊接变形对HAZHAZ组织的影响组织的影响 在焊接施工过程中，母材事先受到冷加工变在焊接施工过程中，母材事先受到冷加工变形或焊接变形将在形或焊接变形将在AcAc1 1以下发生再结晶和应变时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。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，处于对具有时效效应敏感性强的钢种，处于AcAc1

15、1 300C300C左右的左右的HAZHAZ将发生脆化现象，表现出较强将发生脆化现象，表现出较强的缺口敏感性，但在组织上没有明显变化。的缺口敏感性，但在组织上没有明显变化。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织二、易淬火钢的组织分布二、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（的钢种，如低碳调质钢（18MnMoNb18MnMoNb）、中碳钢（如）、中碳钢（如4545钢）和中碳调质高强度钢（如钢）和中碳调质高强度钢（如30C

16、rMnSi30CrMnSi）等。）等。这类钢焊接热影响区的组织分布特征与母材焊前的热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。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。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。淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能焊接热影响区的

17、分布特征焊接热影响区的分布特征1-1-熔合区熔合区 2-2-过热区过热区3-3-正火区正火区 4-4-不完全重结晶区不完全重结晶区 5-5-母材母材 6-6-完全淬火区完全淬火区 7-7-不完全淬火区不完全淬火区 8-8-回火区回火区4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织1 1、母材焊前为正火或退火状态、母材焊前为正火或退火状态1 1）完全淬火区）完全淬火区 (a) (a) 该区的加热温度处于固相线到该区的加热温度处于固相线到AcAc3 3之间。由于这类之间。由

18、于这类钢淬硬倾向大，冷却时将淬火形成马氏体。钢淬硬倾向大，冷却时将淬火形成马氏体。(b) (b) 在焊缝附近的区域在焊缝附近的区域( (相当于低碳钢过热区的部位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。于正火区的部位则得到细小的马氏体组织。(c) (c) 这个区域的组织只是粗细不同，均属于同一组织类这个区域的组织只是粗细不同，均属于同一组织类型型( (马氏体马氏体) )，因此统称为完全淬火区。，因此统称为完全淬火区。(d) (d) 根据冷却速度的不同，该区内还可能出现马氏

19、体和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。贝氏体的混合组织。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织 1 1、母材焊前为正火或退火状态、母材焊前为正火或退火状态 2 2）不完全淬火区）不完全淬火区 (a) (a) 该区的加热温度在该区的加热温度在AcAc3 3AcAcl l之间。之间。(b) (b) 在快速加热条件下，珠光体（或贝氏体、索氏体）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

20、将得到进一步长大。因此，冷却时奥氏体会转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。为不完全淬火区。(c) (c) 当母材含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较慢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。时，也可能出现贝氏体、索氏体或珠光体。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接

21、热影响区的组织2 2、母材焊前为调质状态、母材焊前为调质状态1 1）完全淬火区）完全淬火区 2 2）不完全淬火区）不完全淬火区 3 3）回火软化区）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火温度。例如，母材在焊前调质时的回火温度为T Tt t，焊接时加热温度在焊接时加热温度在AcAc1 1 T Tt t的部位，加热温度高于回的部位，加热温度高于回火温度火温度T Tt t，其组织性能将发生变化，出现软化现象。

22、，其组织性能将发生变化，出现软化现象。加热温度低于加热温度低于T Tt t的部位，组织性能将不发生变化。的部位，组织性能将不发生变化。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能a）热影响区各区段的划分及组织分布）热影响区各区段的划分及组织分布 b）铁）铁-渗碳体相图渗碳体相图 c）焊接热循环）焊接热循环Tm加热的最高温度加热的最高温度 TG晶粒显著长大的温度晶粒显著长大的温度4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织低碳钢焊接热影响区各区低碳钢焊接热影响区各区段的划分与相图的关系段的划分与相图的关系Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性

23、能的组织与性能低碳钢热影响区的组织分布特征及性能低碳钢热影响区的组织分布特征及性能部位部位加热温度范围加热温度范围( () )组织特征及性能组织特征及性能图中图中位置位置焊缝焊缝15001500铸造组织柱状树枝晶铸造组织柱状树枝晶熔合区及熔合区及过热区过热区1400125014001250晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化后易产晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化后易产生裂纹，塑性不好生裂纹，塑性不好1 11250110012501100粗晶与细晶交替混合粗晶与细晶交替混合相变重结相变重结晶区晶区11009001100900细小的铁素体和珠光体，力学性能较好细小的铁素体和珠光体，力学性能较好2 2不

24、完全重不完全重结晶区结晶区900730900730粗大铁素体和细小的珠光体、铁素体，力学粗大铁素体和细小的珠光体、铁素体，力学性能不均匀，在急冷的条件下可能出现高碳性能不均匀，在急冷的条件下可能出现高碳马氏体马氏体3 3时效脆化时效脆化区区730300730300由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆化现象，在显微镜下观察不到组织上的变化化现象，在显微镜下观察不到组织上的变化4 4母材母材300300室温室温没有受到热影响的母材部分没有受到热影响的母材部分5 54.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织Part VII HAZPart VII HA

25、Z的组织与性能的组织与性能焊接热影响区划分方法示意图4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织HAZHAZ的另类划分的另类划分美国学者美国学者W.F.SavageW.F.Savage等等提出的提出的HAZHAZ的划分法的划分法母材母材纯纯HAZ部分熔合区部分熔合区焊接边界焊接边界完全混和区完全混和区不完全混和区不完全混和区Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织HAZHAZ的另类划分的另类划分美国学者美国学者W.F.SavageW.F.Savage等等提出的提出的HAZHAZ的划分法的划分法部位部位定义定

26、义( (包括的范围包括的范围) )现在通用划分现在通用划分完全混和区完全混和区填充金属与母材金属完全均匀混填充金属与母材金属完全均匀混和形成化学成分均一的焊缝金属和形成化学成分均一的焊缝金属不完全混和区不完全混和区焊缝金属的外侧部分，母材金属焊缝金属的外侧部分，母材金属与填充金属不完全混和的地方与填充金属不完全混和的地方焊接边界焊接边界明显地完全熔化的边界明显地完全熔化的边界部分熔合区部分熔合区焊缝边界的外侧母材部分，晶粒焊缝边界的外侧母材部分，晶粒边界有不同程度的熔化边界有不同程度的熔化(0100%)(0100%)纯热影响区纯热影响区固相母材发生组织变化的区域固相母材发生组织变化的区域焊缝金

27、属焊缝金属熔合区熔合区HAZPart VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织三、焊接热影响区组织的分析三、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。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，在鉴别热影的化学成分和焊接工艺条件有关，在鉴别热影响区组织时

28、应该注意四点：响区组织时应该注意四点：Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能1) 1) 母材的化学成分及原始状态母材的化学成分及原始状态; ; 2 2）焊接工艺条件）焊接工艺条件; ; 3) 3) 结合焊接热影响区的结合焊接热影响区的SH-CCTSH-CCT图确定热影图确定热影响区的组织响区的组织; ; 4) 4) 借助于其他分析方法。借助于其他分析方法。4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织三、焊接热影响区组织的分析三、焊接热影响区组织的分析1) 1) 母材的化学成分及原始状态母材的化学成分及原始状态 母材化学成分是决定母材化学成分是决定HAZH

29、AZ组织的主要因素。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对于含碳或合金元素较低的低碳钢及低合金钢( (如如16Mn16Mn等等) )，淬硬倾向较小，其热影响区主要为，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。氏体或马氏体。 对于淬硬倾向较大的钢种对于淬硬倾向较大的钢种, , 其热影响区主要为其热影响区主要为马氏体马氏体, , 并根据冷却速度的不同可能出现贝氏体、并根据冷却速度的不同可能出现贝氏体、索氏体等组织。索氏体等组织。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组

30、织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织1) 1) 母材的化学成分及原始状态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对于不含碳化物形成元素的钢, , 其奥氏体的稳定其奥氏体的稳定性性( (即淬硬倾向即淬硬倾向) )主要取决于奥氏体晶粒长大的倾主要取决于奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏休晶粒越粗大向。奥氏休晶粒越粗大, , 越容易产生淬硬组织。越容易产生淬硬组织。 对于含碳化物形成元素的钢对于含碳化物形成元素的钢( (如如18MnMoNb, 18MnMoNb, 40Cr40Cr等等), ), 只有当碳化物溶解于高温奥氏体时只有当碳化物溶解于高温奥氏体时, , 才才增加淬便

31、倾向。否则增加淬便倾向。否则, , 会降低淬硬倾向。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。会得到高碳马氏体。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织1) 1) 母材的化学成分及原始状态母材的化学成分及原始状态钢中存在较严重的偏析时钢中存在较严重的偏析时, , 往往会出现反常情况。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当在正常成分范围

32、内出现一些预料不到的硬化和裂纹时裂纹时, , 偏析常是造成这种情况的原因之一。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重要依据。清楚地了解母材的原始组织, , 对认识热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重要帮助, , 尤其对于不完全重结晶区更是如此。尤其对于不完全重结晶区更是如此。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织2 2）焊接工艺条件）

33、焊接工艺条件 焊接工艺条件主要指焊接方法、焊接热输入焊接工艺条件主要指焊接方法、焊接热输入和预热温度等。和预热温度等。 焊接工艺条件主要影响焊接的加热速度、高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温停留时间和冷却速度, , 从而在一定成分条件下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。却时的组织转变。 因此因此, , 对于一定钢种对于一定钢种, , 高温停留时间越长高温停留时间越长, , 冷冷却速度越快却速度越快, , 得到的淬硬组织所占的比例越大。得到的淬硬组织所占的比例越大。Part VII

34、HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能2 2）焊接工艺条件）焊接工艺条件 在快速加热和冷却的条件下，即使对于低碳钢在快速加热和冷却的条件下，即使对于低碳钢, , 加热温度在加热温度在AcAc1 1AcAc3 3的不完全重结晶区的不完全重结晶区, , 也可能出也可能出现高碳马氏体。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在快速加热条件下，原珠光体的部位转变为高碳奥氏体碳奥氏体(C0.8(C0.8) )，并且来不及扩散均匀化，当，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

35、的过程中始终末发生马氏体。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。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4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织3) 3) 结合焊接热影响区的结合焊接热影响区的SH-CCTSH-CCT图确定热影响图确定热影响区的组织区的组织 SH-CCTSH-CCT图把焊接工艺条件与焊后的组织图把焊接工

36、艺条件与焊后的组织性能联系起来性能联系起来, , 是判定热影响区组织的重要依据。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只要根据焊接工艺条件获得t t8/58/5后后, , 便可通过相便可通过相应的应的SH-CCTSH-CCT图求出该条件下热影响区图求出该条件下热影响区( (主要指主要指熔合区熔合区) )各组织的类型及其所占的比例。各组织的类型及其所占的比例。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织3) 3) 结合焊接热影响区的结合焊接热影响区的SH-CCTSH-CCT图确定热影响图确定热影响区的组

37、织区的组织Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能Ni当量Ni+30%C+0.5%MnCr当量Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb(Cb)脆、硬、塑韧脆、硬、塑韧性及使用性能性及使用性能很差很差02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4024681012141618202224262830(M)F)(马氏体 (M) (M)(A)奥氏体 (A) (F)(M)(F) (M)(A)(F)(A)% 0 铁素体% 100 (F)% 5% 10% 20% 40% 80不进行微合金不进行微合金化的焊缝金属化的焊缝金属

38、为高碳马氏体为高碳马氏体组织组织38CrMoAlA渗氮钢和渗氮钢和1Cr17Ni2马氏体不锈钢熔焊焊缝组织马氏体不锈钢熔焊焊缝组织(Schaeffler图图) 在不锈钢中在不锈钢中, , 低低C-Cr-Ni-Mn-MoC-Cr-Ni-Mn-Mo奥氏体基奥氏体基+ +少少量铁素体的合金体系具有抗腐蚀性好、较高的强度、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良好的塑韧性及良好的抗焊接裂纹特点, , 能够构满足能够构满足气缸套的使用性能气缸套的使用性能, , 通过向通过向38CrMoAlA38CrMoAlA渗氮钢与渗氮钢与1Cr17Ni21Cr17Ni2马氏体

39、不锈钢异种钢焊缝中添加低马氏体不锈钢异种钢焊缝中添加低C C适当高的适当高的CrCrNiNi合金适量的合金适量的MnMnMoMo合金体系的合金体系的焊丝对其进行成分调控焊丝对其进行成分调控, , 可以实现从高碳马氏体组织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。向奥氏体基少量铁素体的组织的转变。 4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织4) 4) 借助于其他分析方法借助于其他分析方法 对于同一类组织对于同一类组织, , 可分为多种组织类型。如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

40、铁素体等。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对于不同形态的组织, , 还应辅以显微硬度测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。态等加以确认。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.14.1 焊接热影响区的组织焊接热影响区的组织 正确分析焊接热影响区正确分析焊接热影响区的组织，对于制订焊接工的组织，对于制订焊接工艺，改善焊接接头质量具艺，改善焊接接头质量具有重要的指导意义。有重要的指导意义。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.

41、24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能v 热影响区性能不可能从成分上进行调整，它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。是由焊接热循环作用引起的不均匀性问题。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能v一般常规焊接接头力学性能的试验结果，反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区中某个区段( (如过热区、相变重结晶区等如过热区、相变重结晶区等) )的的实际性能。实际性能。焊接热模拟技术的发展为研究热影焊接热模拟技术的发展为研究热影

42、响区不同部位的组织性能创造了良好的条件。响区不同部位的组织性能创造了良好的条件。v对于一般焊接结构，对于一般焊接结构，HAZHAZ的性能主要考虑的性能主要考虑硬硬化、脆化、韧化、软化化、脆化、韧化、软化，以及综合的，以及综合的力学性能力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等抗腐蚀性能和疲劳性能等根据焊接结构的具根据焊接结构的具体使用要求决定。体使用要求决定。（1 1）焊接热影响区硬化）焊接热影响区硬化（2 2）焊接热影响区脆化）焊接热影响区脆化（3 3）焊接热影响区韧化）焊接热影响区韧化 （4 4）焊接热影响区软化）焊接热影响区软化（5 5）焊接）焊接HAZHAZ的力学性能的力学性能4.24.2 焊接

43、热影响区的性能焊接热影响区的性能Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能一、焊接热影响区的硬化一、焊接热影响区的硬化v焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。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。计热影响区的力学性能及抗裂性等。v一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑一般而言，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。性和韧性下降，冷裂纹倾向增大。Part VII HAZPart VI

44、I HAZ的组织与性能的组织与性能v焊接热影响区的硬度主要与被焊钢材的化学成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分和冷却条件有关。因硬度试验比较方便, , 常用热常用热影响区影响区( (一般在熔合区和过热区一般在熔合区和过热区) )的最高硬度的最高硬度HHmaxmax来间接判断热影响区的性能。来间接判断热影响区的性能。v焊接热影响区中的硬度分布实际上反映了各部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，得到的淬硬组织位的组织变化情况，一般来说，得到的淬硬组织( (如如M)M)越多，硬度越高。越多，硬度越高。不同混合组织和金相组织的

45、硬度不同混合组织和金相组织的硬度显微硬度显微硬度HVHV金相组织百分比金相组织百分比（%）最高宏最高宏观观硬度硬度HVHV铁素体铁素体F F珠光体珠光体P P贝氏体贝氏体B B马氏体马氏体MMF FP PB BMM202246202246 232249232249 2402852402851010 7 783830 0212212216258216258273336273336 245383245383 1 10 070702929298298293323293323 446470446470 0 00 019198181384384454508454508 0 00 00 010010039

46、33934.24.2 焊接热影响区的性能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。如高碳马氏体的硬碳量和合金元素的含量有关。如高碳马氏体的硬度可达度可达600HV600HV，而低碳马氏体只有，而低碳马氏体只有350HV350HV，这说明马氏体数量增多这说明马氏体数量增多, , 并不意味着硬度一定高，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。马氏体的硬度随着含碳量的增加而增大。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能除冷

47、却速度之外，钢的含碳量和合金元素的除冷却速度之外，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。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实验和数学工具建立了焊接热影响区硬度的计算模型。算模型。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能1 1、碳当量、碳当量 碳当量用符号碳当量用符号CeqCeq或或CECE表示，

48、表示，反映了钢中反映了钢中化学成分对热影响区硬化程度的影响，它是把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钢中合金元素( (包括碳包括碳) )的含量，按其作用折算的含量，按其作用折算成碳的相当含量成碳的相当含量( (以碳的作用系数为以碳的作用系数为1)1)，作为，作为粗略评价钢材焊接性的一种参考指标粗略评价钢材焊接性的一种参考指标。Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能 20 20世纪世纪40504050年代，钢以年代，钢以C-MnC-Mn钢为主，为钢为主，为评价此类钢的焊接性，建立了许多碳当量公式

49、，主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：要有以下几个：5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIWWES:WES:144540246)(VMoCrNiSiMnCCeqWESIIW:IIW:主要适用于主要适用于C0.18%C0.18%的中等强度的非调质的中等强度的非调质低合金钢低合金钢( ( b b=400700MPa)=400700MPa)Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能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主要适用于强度级别较高的调质或非调质低合金钢合金钢( ( b b=5001000MPa)=5001000MPa)都不适用于都

50、不适用于C0.17%C0.17%的钢的钢4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能 20 20世纪世纪6060年代年代, , 低碳微合金高强钢得到大力低碳微合金高强钢得到大力发展钢。日本伊藤等人在发展钢。日本伊藤等人在Y Y形坡口对接裂纹试验形坡口对接裂纹试验对对200200多个低合金钢进行研究多个低合金钢进行研究, , 建立了建立了P Pcmcm公式公式: :BVMoNiCrCuMnSiCPcm51015602030适用于适用于C0.17%C0.17%，低合金高强钢，低合金高强钢( ( b b=400 =400 900MPa)900MPa)。P Pcmcm和和CECE(IIW)(II

51、W)有如下关系有如下关系: :005. 032)(IIWcmCECPPart VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能式中式中: : A A( (C C) )为碳的适应系数为碳的适应系数: : A A( (C C)=0.75+ )=0.75+ 0.250.25tghtgh20(C-0.12), 20(C-0.12), tghtgh为双曲线正切函数。为双曲线正切函数。4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能BNbVMoCrNiCUMnSiCACCEN5515151624)(C%00.080.120.160.200.26A(C)0.500 0.584 0.754 0

52、.916 0.980 0.998 20 20世纪末，为适应工程的需要，日本铃木和世纪末，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）通过大量试验提百合冈等人（日本新日铁公司）通过大量试验提出了适用于出了适用于0.034%C0.254%0.034%C0.254%的碳当量计算的碳当量计算公式：公式：A A( (C C) )与碳含量的关系与碳含量的关系日本新日铁日本新日铁 CEN、A(C)与碳含量的关系与碳含量的关系 Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能 当当C0.18%C0.18%时时, CEN, C

53、EN近似于近似于CECE(IIW)(IIW); ; 当当C0.17%C0.17%时时, CEN, CEN近似于近似于P Pcmcm。 他们的关系为：他们的关系为：CENCEN无论是应用范围还是评定淬硬倾向的精度无论是应用范围还是评定淬硬倾向的精度, , 都比都比CECE(IIW)(IIW)和和P Pcmcm有优势。有优势。003. 033)(012. 0)()(CPCACCENCCECACCENcmIIWCE(IIW)和新日铁和新日铁 CEN 的对应关系的对应关系 Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能碳当量公

54、式中合金元素对应的系数碳当量公式中合金元素对应的系数 碳当量公式碳当量公式合金元素合金元素C CMnMnSiSiCrCrNiNiMoMoV VCuCuB BP PCoCoNbNbCE(IIW)CE(IIW)1 11/61/6- -1/51/5 1/151/15 1/51/5 1/51/5 1/151/15- - - - -Ceq(JIS,WES)Ceq(JIS,WES)1 11/61/61/241/24 1/51/5 1/401/40 1/41/4 1/141/14- - - - -CE(AWS)CE(AWS)1 11/61/6- -1/41/4 1/151/15 1/41/4- -1/131

55、/13- -1/21/2- - -CE(CE(美美, ,预热预热) )1 11/61/6- -1/41/4 1/151/15 1/41/4- -1/131/13- - - - -CE(CE(美美, ,焊接性焊接性) ) 1 11/61/61/151/15 1/51/5 1/151/15 1/51/5 1/51/5 1/151/15- - - - -CE(CE(英英) )1 11/61/6- -1/51/5 1/151/15 1/41/4 1/51/5 1/131/13- - -1/1501/150- -CE(CE(俄俄) )1 11/61/6- -1/31/3 1/151/15 1/41/4

56、1/51/5 1/131/13- -1/21/2- - -CE(CE(捷捷) )1 11/61/6- -1/51/5 1/151/15 1/41/4- -1/131/13- -1/21/2- - -CE(CE(美美, ,海军海军) )1 11/61/61/61/61/51/5 1/151/15 1/51/5 1/51/5 1/151/15- - - - -CE(CE(新日铁新日铁) )1 11/161/161/241/241/51/51/201/201/51/51/51/51/151/155 5- - -1/51/5表示乘以表示乘以 A(C)A(C)。 Part VII HAZPart VII

57、 HAZ的组织与性能的组织与性能4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能2 2、碳当量及冷却时间、碳当量及冷却时间t t8/58/5与与HAZHAZ最高硬度最高硬度HHmaxmax的关系的关系 随钢种碳当量随钢种碳当量(P(Pcmcm、CECE(IIW)(IIW) )的增加，硬度也的增加，硬度也随之增加，即淬硬倾向增加。随之增加，即淬硬倾向增加。 HAZHAZ最到硬度最到硬度HHmaxmax与碳当量的关系为与碳当量的关系为( (由试验由试验数据拟合得来数据拟合得来) )：100)(559451274maxmaxIIWCEHPHcmPart VII HAZPart VII HAZ的组织

58、与性能的组织与性能Hmax与与Pcm的关系的关系Hmax与与CE(IIW)的关系的关系4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能钢种钢种HT50HT100， 板厚板厚2550mm，E=17kJ/cm，t8/5=6.5sPart VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能Hmax与与t8/5及及Pcm的关系的关系 国产低合金高强度钢冷却时间国产低合金高强度钢冷却时间t t8/58/5与与HAZHAZ最最高硬度高硬度HHmaxmax的关系的关系: : 4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性

59、能钢材钢材: 18MnMoNb: 18MnMoNb、14MnMoNbB14MnMoNbB、10WMoVNb10WMoVNb、12CrNi3MoV,12CrNi3MoV,板厚板厚: 1236mm: 1236mm(%)cmPHmax (HV 10)50040030020025. 030. 035. 0)(5/8st481216Hmax与与t8/5的关系的关系4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能 国产低合金高强度钢冷却时间国产低合金高强度钢冷却时间t t8/58/5与与HAZHAZ最最高硬度高硬度HHmaxmax的

60、关系的关系: : 板厚板厚20mm20mm，成分：成分：C=0.12%,C=0.12%,Mn=1.4%,Mn=1.4%,Si=0.48%,Si=0.48%,Cu=0.15%Cu=0.15%在焊接热影响区的熔合在焊接热影响区的熔合区附近硬度值最高；区附近硬度值最高；远离熔合区，硬度降低，远离熔合区，硬度降低，并逐渐接近于母材的硬并逐渐接近于母材的硬度水平。度水平。低合金钢焊接HAZ硬度分布4.24.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能HT52HT52钢钢( (相当于相当于20Mn20Mn钢钢): C=0.20%, ): C=0.20%, Mn=1.38%, Si=0.23%, Mn=1.38