材料加工原理 第四章 接热影响区的组织和性能

1、材料加工原理材料加工原理机电工程学院机电工程学院严严 春春 妍妍第第 四四 章章焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能u 1 焊接热循环焊接热循环u 2 焊接热循环条件下的金属组织转焊接热循环条件下的金属组织转变特点变特点u 3 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能u 4 焊接热、力模拟试验方法的特点焊接热、力模拟试验方法的特点第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能1 焊接热循环焊接热循环第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能

2、焊接热影响区的组织和性能热影响区（热影响区（Heat affected zone，简称，简称HAZ）：）： 焊缝两侧，发生组织和性能变化的区域，又称焊缝两侧，发生组织和性能变化的区域，又称“近缝区近缝区”（Near weld zone）。）。焊接热循环：焊接热循环： 焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间变化的过程。高而低随时间变化的过程。 距离焊缝不同距离的各点，所经历的热循环不同距离焊缝不同距离的各点，所经历的热循环不同的。焊接方法不同，热循环曲线的形状也有变化。的。焊接方法不同，热循环曲线的形状也有变化。第四章第四章 焊接热影响区

3、的组织和性能焊接热影响区的组织和性能一、焊接热循环的主要参数1. 加热速度（加热速度（H）：）：比热处理条件下快的多比热处理条件下快的多2. 加热的最高温度（加热的最高温度（Tm）：）：很高，高于热处理温很高，高于热处理温度时，晶粒易长大。度时，晶粒易长大。3. 相变温度以上的停留时间（相变温度以上的停留时间（tH）：）：停留时间停留时间，有利于有利于A的均质化过程，但温度太高时会导致晶的均质化过程，但温度太高时会导致晶粒的严重长大粒的严重长大4. 冷却速度（冷却速度（c）和冷却时间（）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）：）：冷速大，大于热处理时的冷却速度。冷速大，大于热处理时的冷却速

4、度。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能二、焊接热循环的特点1、加热温度高：热处理加热温度以上、加热温度高：热处理加热温度以上100200 2、加热速度快：是热处理加热速度的几十倍甚至几百、加热速度快：是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍倍3、高温停留时间短：手工焊以上停留时间、高温停留时间短：手工焊以上停留时间420秒，埋秒，埋弧自动焊时弧自动焊时30100秒。秒。 4、自然冷却：自然条件下冷却，冷却速度快，低温转、自然冷却：自然条件下冷却，冷却速度快，低温转变变。 5、局部加热：局部集中加热，随热源的移动

5、，局部加、局部加热：局部集中加热，随热源的移动，局部加热的范围也移动。由于局部加热产生复杂应力，组织热的范围也移动。由于局部加热产生复杂应力，组织转变是在复杂应力下完成。转变是在复杂应力下完成。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能三、多层焊热循环的特点 多层焊的相邻层间彼此具有热处理的作用，多层焊的相邻层间彼此具有热处理的作用，多层焊比单层焊更为优越。多层焊比单层焊更为优越。 根据要求不同，多层焊分为：根据要求不同，多层焊分为：1、长段多层焊：、长段多层焊：每道焊缝的长度较长（每道焊缝的长度较长（1m以以上 ） ， 焊 下 一 层 时 前 一 层 已 冷 至 较 低

6、温 度上 ） ， 焊 下 一 层 时 前 一 层 已 冷 至 较 低 温 度（100200以下以下）。不适于淬硬倾向大的钢种。）。不适于淬硬倾向大的钢种。2、短段多层焊：、短段多层焊：每道焊缝的长度较短（约为每道焊缝的长度较短（约为50400mm），焊下层时前层的温度较高。），焊下层时前层的温度较高。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能2 焊接热循环条件下的金属焊接热循环条件下的金属组织转变特点组织转变特点一、焊接时加热过程组织转变的特点1、加热

7、速度对相变点的影响：、加热速度对相变点的影响： H，扩散相变滞，扩散相变滞后，导致后，导致Ac1、Ac3、(Ac3Ac1)；含碳化物合金元；含碳化物合金元素素Cr、W、Mo、V等，等， H的影响更大的影响更大2、加热速度对均质化影响：、加热速度对均质化影响：快速加热，快速加热，A均质化均质化过程进行的不完全。过程进行的不完全。3、近缝区的晶粒长大：、近缝区的晶粒长大： Tm很大，晶粒易长大很大，晶粒易长大第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能二、焊接时冷却过程组织转变的特点 以以45钢、钢、40Cr为例，比较焊接条件下和热处理条为例，比较焊接条件下和热处理条件下，在相同

8、的冷却速度下组织转变的差异。件下，在相同的冷却速度下组织转变的差异。合金元素分类合金元素分类（根据与碳亲和力的大小）：（根据与碳亲和力的大小）：碳化物形成元素：碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、 Mn、 Feu 强碳化物形成元素：与强碳化物形成元素：与C形成的碳化物比形成的碳化物比Fe3C稳定，稳定，如如Ti、V、Nbu 弱碳化物形成元素：与弱碳化物形成元素：与C形成的碳化物比形成的碳化物比Fe3C稳定稳定性差，如性差，如Mn非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能u45#钢：相同

9、冷速下，焊接条件下比热处理淬硬钢：相同冷速下，焊接条件下比热处理淬硬倾向倾向，CCT曲线曲线右移右移。 原因：原因：不存在碳化物的溶解过程，且由于焊接不存在碳化物的溶解过程，且由于焊接条件下条件下HAZ组织粗化，因此淬硬倾向组织粗化，因此淬硬倾向u40Cr：淬硬倾向：淬硬倾向，CCT曲线曲线左移左移。 原因：原因：碳化物形成元素碳化物形成元素Cr等在焊接条件下，因等在焊接条件下，因高温停留时间短，没有充分向高温停留时间短，没有充分向A内部溶解，内部溶解，A稳定稳定性性，淬硬倾向，淬硬倾向第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能三、焊接条件下CCT图的建立及其应用1、CCT

10、图的建立：采用焊热热模拟试验装置来建图的建立：采用焊热热模拟试验装置来建立某种钢的立某种钢的CCT图。图。2、意义：在大量钢种出现之前、意义：在大量钢种出现之前,可预先估计热影可预先估计热影响区的组织性能，或作为制定工艺，焊接线能量响区的组织性能，或作为制定工艺，焊接线能量的依据。的依据。3、CCT图的应用：图的应用： 通过通过CCT图可得到在不同的图可得到在不同的冷却速度下的组织，即估计组织。冷却速度下的组织，即估计组织。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能影响影响CCT图的因素有：图的因素有：（一）（一） 母材化学成分母材化学成分 （二）（二） 冷却速度冷却速度

11、（三）（三） 峰值温度峰值温度 （四）（四） 晶粒粗化晶粒粗化 （五）（五） 应力应变应力应变 第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能3 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能一、焊接热影响区的组织分布第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类：焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类：淬火钢淬火钢和和不易淬火钢不易淬火钢。1 1、不易淬火钢：不易淬火钢：如低碳钢、某些不易淬硬的低如低碳钢、某些不易淬硬的低合金钢，如合金钢，如16Mn、15MoV、15MnTi等等 2、易淬火钢：、易淬火钢：淬硬倾向较大，包

12、括低碳调质高淬硬倾向较大，包括低碳调质高强钢（如强钢（如18MnMoNb）、中碳钢（）、中碳钢（45#钢）、中钢）、中碳调质高强钢（碳调质高强钢（30CrMnSi等）。等）。HAZ的组织分的组织分布与母材焊前热处理焊前热处理有关。布与母材焊前热处理焊前热处理有关。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能1、不易淬火钢、不易淬火钢熔合区：熔合区：TLTS，又称半熔化区，范围很窄，又称半熔化区，范围很窄过热区：过热区：TS1100，A晶粒粗大，冷却后得到粗大组晶粒粗大，冷却后得到粗大组织，韧性很低。织，韧性很低。相变重结晶区：相变重结晶区：A31000 ，重结晶，焊后得到均匀

13、，重结晶，焊后得到均匀细小的组织，塑性和韧性较好。细小的组织，塑性和韧性较好。不完全重结晶区不完全重结晶区 ：Ac1Ac3，一部分发生相变重结晶，一部分发生相变重结晶过程，另一部分保留、粗化。该区晶粒尺寸、组织、过程，另一部分保留、粗化。该区晶粒尺寸、组织、力学性能不均匀。力学性能不均匀。 对低碳钢、一些淬硬倾向小的钢（对低碳钢、一些淬硬倾向小的钢（16Mn、15MnTi等），除过热区外其它各区组织基本相同。等），除过热区外其它各区组织基本相同。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能2、易淬火钢、易淬火钢完全

14、淬火区：完全淬火区：Ac3以上，淬硬倾向大，焊后得以上，淬硬倾向大，焊后得到粗大的马氏体。到粗大的马氏体。不完全淬火区：不完全淬火区：Ac1Ac3，快速加热、，快速加热、F很少溶很少溶入入A，快冷时原，快冷时原F保持不变、并有不同程度的长保持不变、并有不同程度的长大，最后形成马氏体大，最后形成马氏体-铁素体的组织。铁素体的组织。回火区：母材在焊前是调质态，还可能存在不回火区：母材在焊前是调质态，还可能存在不同程度的回火处理。组织性能变化取决于焊前同程度的回火处理。组织性能变化取决于焊前调质状态的温度。调质状态的温度。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能3、注意问题、注

15、意问题1) 热影响区中熔合区、过热区晶粒严重长大，是焊热影响区中熔合区、过热区晶粒严重长大，是焊接接头的薄弱地带。接接头的薄弱地带。2) 低碳钢的不完全重结晶区，在急冷急热的条件下低碳钢的不完全重结晶区，在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为。会表现出高碳钢的行为。3) 成分偏析严重，成分偏析严重，C、P、S高时易产生淬硬组织和高时易产生淬硬组织和裂纹。裂纹。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能表表4-11 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第四章第四章 焊接热影响区的组

16、织和性能焊接热影响区的组织和性能热影响区的划分方法：热影响区的划分方法：第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能表表4-12 焊缝及热影响区新的划分及建议焊缝及热影响区新的划分及建议第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能二、焊接热影响区的性能1、HAZ的硬化的硬化 为了方便起见，常常用为了方便起见，常常用硬度硬度的变化来判定热影的变化来判定热影响区的性能变化。响区的性能变化。 硬度高的区域，强度也高，塑性、韧性下降，硬度高的区域，强度也高，塑性、韧性下降，测定测定热影响区（一般在熔合区）的最高硬度热影响区（一般在熔合区）的最高硬度Hmax可可以间接

17、来估计热影响区的强度、塑性和裂纹倾向影以间接来估计热影响区的强度、塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。响硬度的因素。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能1）成分对淬硬倾向的影响：）成分对淬硬倾向的影响：碳当量（碳当量（Carbon Equivalent）：简称：简称Ceq或或CE，是把钢中合金元素（包括碳）对其淬硬（包括冷裂、是把钢中合金元素（包括碳）对其淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量碳的相当含量。 国际焊接学会：国际焊接学会：(IIW)MnCu+NiCr+Mo+VCE = C + + + 6155适用：中等强度的非调质低合金钢

18、（适用：中等强度的非调质低合金钢（b=400700MPa）第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 日本焊接协会：日本焊接协会：(WES)MnSiNiCrMoVCeq = C + + + + + + 624405414适用适用:强度级别较高的低合金高强钢强度级别较高的低合金高强钢( b=5001000MPa)注意：注意：CE(IIW)和和Ceq(WES)不适用于含碳量在不适用于含碳量在0.17%以下的钢种。以下的钢种。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 伊藤（伊藤（Ito）公式：）公式：SiMn+Cu+CrNiMoV = C + + + + +

19、 + 5B3020601510cmP适用范围：适用范围： C%0.17%，b b=400900MPa的低合金高强钢的低合金高强钢Pcm与与CE(IIW)的关系：的关系：(IIW)2C+CE= + 0.0053cmP第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 近年来常用公式（近年来常用公式（Suzuki、Yurioka）：）：SiMnCuNiCr+Mo+V+NbCEN = C + A(C)+5B241615205式中：式中：A(C)碳的适应系数；碳的适应系数；A(C) = 0.75 + 0.25tgh20(C-0.12)注意：注意：C0.18%，CEN近似近似CE(IIW);

20、 C0.17%，CE近似于近似于Pcm第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能2）碳当量及冷却时间）碳当量及冷却时间t8/5与最高硬度与最高硬度Hmax的关系：的关系：第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能结论：结论： 随钢种随钢种碳当量（碳当量（Pcm、CE(IIW)）的增加，的增加，硬度硬度Hmax随之增加，淬硬倾向增加。随之增加，淬硬倾向增加。maxmax()127445559100 cmIIWHPHCE第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊

21、接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能3）焊接）焊接HAZ最高硬度的计算公式：最高硬度的计算公式： 国产钢硬度计算公式：国产钢硬度计算公式：8/5M100max, H = 292 + 812Ctlg8/5M100maxcm8/5, H = 52.0 + 147.0P -81tt式中，式中，M100HAZ组织全部为马氏体时的组织全部为马氏体时的t8/5，此时，此时硬度达饱和值，与冷却时间无关，只与钢中的含碳量硬度达饱和值，与冷却时间无关，只与钢中的含碳量有关。有关。

22、lg- M100V8/5V = 2.63C + 8.35P 6.57tMnCuNiCrMo P =C + + + + + + 5B348103式中，第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能3）焊接）焊接HAZ最高硬度的计算公式：最高硬度的计算公式： 铃木（铃木（Suzuki）公式：）公式：max/explg8 5KH884C K 2871ty式中，式中，.cmcmcm2371533C1157P26655322280PK7 72P6 00C0 03Ky适用：日本的低合金高强钢适用：日本的低合金高强钢第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能国产低合金钢国

23、产低合金钢HAZ最高硬度估算：最高硬度估算：max/.8 5HHV10140 1089 8 2cmPt（）第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能二、焊接热影响区的性能2、HAZ的脆化的脆化脆化类型：脆化类型： 粗晶脆化粗晶脆化 析出脆化析出脆化 组织脆化组织脆化 热应变时效脆化热应变时效脆化 氢脆化氢脆化 石墨脆化石墨脆化第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 粗晶脆化粗晶脆化 产生位置：产生位置： HAZ靠近熔合线附近和过热区。靠近熔合线附近和过热区。 产生原因：产生原因： 不易淬火

24、钢：主要是晶粒长大，合金元素含量不易淬火钢：主要是晶粒长大，合金元素含量少（少（合金元素合金元素Ti、Nb、V、W、Mo等的碳、氮化物等的碳、氮化物阻碍晶界迁移，防止晶粒长大阻碍晶界迁移，防止晶粒长大），形成粗大组织。），形成粗大组织。 易淬火钢：由脆性组织（孪晶易淬火钢：由脆性组织（孪晶M、非平衡态、非平衡态BG等）的产生导致。等）的产生导致。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能注意：注意： HAZ粗晶脆化，在化学成分、组织状态不均匀粗晶脆化，在化学成分、组织状态不均匀的非平衡条件下形成，与单纯晶粒长大导致的脆的非平衡条件下形成，与单纯晶粒长大导致的脆化不同，脆化更

25、严重。化不同，脆化更严重。 常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加。常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加。 对不同的钢种，粗晶脆化的机制偏重不同。对不同的钢种，粗晶脆化的机制偏重不同。 线能量线能量E、峰值温度、峰值温度Tm，D；t8/5，D第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能组织脆化组织脆化 产生原因：产生原因： 对于常用的低碳低合金高强钢，焊接对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的的组织脆化主要由于出现组织脆化主要由于出现M-A组元（常伴组元（常伴BG）、）、Bu、粗大的魏氏组织，以及粗大的魏氏

26、组织，以及“组织遗传组织遗传”等造成。等造成。 被焊钢种和焊接时的冷却条件不同，被焊钢种和焊接时的冷却条件不同，HAZ可可能出现不同脆性组织。能出现不同脆性组织。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 M-A组元脆化组元脆化 出现在出现在WM、HAZ 中等冷速中等冷速：C大，全部转变成高碳大，全部转变成高碳M； C小，小，A转变成转变成F+Fe3C 中等淬硬倾向钢种中等淬硬倾向钢种：合金化高，：合金化高，A稳定，不分稳定，不分解解 中温转变形成中温转变形成：Bu形成温度范围内形成温度范围内第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 析出脆化析出脆化

27、固溶态强固溶态强碳化物形成元素碳化物形成元素或或氮化物形成元素氮化物形成元素，由，由于焊接热循环影响（时效或回火），析出碳化物于焊接热循环影响（时效或回火），析出碳化物Cm和氮化物和氮化物Nm、H，AkV 脆化脆化 析出物的分布、形态、尺寸对脆化的影响：析出物的分布、形态、尺寸对脆化的影响： 沉淀相沉淀相细小弥散细小弥散分布于分布于晶内晶内时，时，不易析出不易析出，有利，有利于韧性；沉淀相存在于于韧性；沉淀相存在于相界或晶界相界或晶界，易析出易析出，聚集或，聚集或沿晶界薄膜状分布时，会导致脆化。沿晶界薄膜状分布时，会导致脆化。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章

28、第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能 遗传脆化（遗传脆化（Embrittlement of Heredity）组织遗传：组织遗传：厚板多层焊时，粗晶区的组织未得到厚板多层焊时，粗晶区的组织未得到改善，仍保留粗晶组织和结晶学的位相关系。改善，仍保留粗晶组织和结晶学的位相关系。条件：条件： 原始组织（非平衡）原始组织（非平衡） 晶界上出实现等轴细晶（晶界上出实现等轴细晶（“晶粒边界效应晶粒边界效应”）致脆原因：致脆原因： 粗大晶粒脆化、组织变化粗大晶粒脆化、组织变化第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的

29、组织和性能第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能热应变时效脆化热应变时效脆化（Hot Straining Embrittlement，HSE） 静应变时效（静应变时效（Static Strain Aging）脆化：室温）脆化：室温或低温下，在含或低温下，在含C、N自由间隙原子时产生自由间隙原子时产生 动应变时效（动应变时效（Dynamic Strain Aging）脆化：较）脆化：较高温度，特别是高温度，特别是200400温度范围。温度范围。第四章第四章 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能二、焊接热影响区的性能3、HAZ的韧化的韧化 母材的原始组织：多元合金化、微合金化、韧化母材的原始组织：多元合金化、微合金化、韧化相（相（AF、BL、低碳、低碳