热影响区的组织与性能课件

焊接热影响区组织转变及性能 热影响区的定义：焊接过程中，母材因受焊接热循环影响(但未熔化)而发生组织和力学性能变化的区域叫热影响区。1 焊接热影响区组织转变及性能 热影响区的定义：焊接过程中，母 热影响区的形成与组织、性能特点v焊接过程中，在形成焊接过程中，在形成焊缝的同时，附近母焊缝的同时，附近母材也经受了一次特殊材也经受了一次特殊热处理。热处理。v热过程不同，热影响热过程不同，热影响区形成的组织和性能区形成的组织和性能也不同。也不同。2 热影响区的形成与组织、性能特点焊接过程中，在形成焊缝的同时热影响区的焊接热循环特点热影响区的焊接热循环特点p不同位置的最高加热温度不同不同位置的最高加热温度不同p加热温度高加热温度高热处理：热处理：AC3AC3以上以上100-200100-200，如，如4545号钢号钢AC3AC3：770 770；焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 1350 左右。左右。p加热速度快加热速度快比热处理快几十倍甚至上百倍比热处理快几十倍甚至上百倍。高温停留时间短高温停留时间短手工电弧焊：手工电弧焊：4-20S4-20S；埋弧焊：埋弧焊：20-40S20-40S。p自然条件下连续冷却自然条件下连续冷却3热影响区的焊接热循环特点不同位置的最高加热温度不同3焊接热循环条件下焊接热循环条件下加热时组织的转变特点加热时组织的转变特点组织转变向高温推移：组织转变向高温推移：随着加热速度提高，随着加热速度提高，Ac1 Ac1与与Ac3Ac3均上升均上升。钢材牌号相变温度/加热速度H/(/s)平衡状态6840502503001400170045钢Ac1730770775790840Ac3770820835860950Ac3-Ac14050607011040CrAc1740735750770840Ac3780775800850940Ac3-Ac14040508010023MnAc1735750770785830Ac3830810850890940Ac3-Ac195608010511030CrMnSiAc1740740775825920Ac3820790835890980Ac3-Ac1805060656018Cr2WVAc17108008609301000Ac381086093010201120Ac3-Ac11006070901204焊接热循环条件下加热时组织的转变特点组织转变向高温推移：随焊接热循环条件下焊接热循环条件下加热时组织转变特点加热时组织转变特点奥氏体均质化程度低奥氏体均质化程度低 焊接快速加热不利于元素扩散，使得已形成焊接快速加热不利于元素扩散，使得已形成的奥氏体来不及均匀化。加热速度越高，高的奥氏体来不及均匀化。加热速度越高，高温停留的时间越短，不均匀的程度就越严重。温停留的时间越短，不均匀的程度就越严重。5焊接热循环条件下加热时组织转变特点奥氏体均质化程度低 5焊接热循环条件下焊接热循环条件下加热时组织转变特点加热时组织转变特点影响冷却时的组织转变影响冷却时的组织转变6焊接热循环条件下加热时组织转变特点影响冷却时的组织转变6焊接热循环条件下焊接热循环条件下冷却时的组织转变特点冷却时的组织转变特点组织转变向低温推移马氏体转变临界冷速发生变化7焊接热循环条件下冷却时的组织转变特点组织转变向低温推移7焊接条件下焊接条件下连续组织转变与连续组织转变与CCTCCT图图CCTCCT图图是连续冷却转变曲线的简称，可以比较是连续冷却转变曲线的简称，可以比较方便的预测焊接热影响区的组织和性能。方便的预测焊接热影响区的组织和性能。CCTCCT图绘制图绘制时，将奥氏体化试件以各种冷却速时，将奥氏体化试件以各种冷却速度连续冷却到室温、测定冷却过程中过冷奥度连续冷却到室温、测定冷却过程中过冷奥氏体转变的开始点氏体转变的开始点(温度和时间温度和时间)与终了点。与终了点。把测到的数据描绘在温度把测到的数据描绘在温度时间坐标平面上，时间坐标平面上，最后将分别连结各个开始点与终了点就得最后将分别连结各个开始点与终了点就得到到CCTCCT图。图。8焊接条件下连续组织转变与CCT图CCT图是连续冷却转变曲线焊接条件下连续组织转变与焊接条件下连续组织转变与CCTCCT图图9焊接条件下连续组织转变与CCT图9焊接条件下焊接条件下CCTCCT图的建立图的建立焊接焊接CCTCCT图具体测定方法有图具体测定方法有热模拟法热模拟法和和实测法实测法。热模拟法热模拟法是将一定尺寸的试件快速加热到焊接热循是将一定尺寸的试件快速加热到焊接热循环的最高加热温度，然后以不同冷速冷却，记录冷环的最高加热温度，然后以不同冷速冷却，记录冷却曲线及相变开始和终了点，并描绘在温度却曲线及相变开始和终了点，并描绘在温度时间时间坐标平面上。用模拟绘制的热影响区坐标平面上。用模拟绘制的热影响区CCTCCT图，叫模图，叫模拟拟HAZHAZ连续冷却组织转变图连续冷却组织转变图(SHCCT(SHCCT图图)。实测法实测法是在实际接头上进行测量后绘制而成。是在实际接头上进行测量后绘制而成。10焊接条件下CCT图的建立焊接CCT图具体测定方法有热模拟法和CCT图的应用11CCT图的应用11焊接热影响区的组织特征焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位组织不同不同的钢材，焊接热影响区的组织也不同12焊接热影响区的组织特征焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位组织 焊接热影响区的组成低碳钢 低碳钢的焊接热影响区特点过热区相变重结晶区不完全重结晶区再结晶区13 焊接热影响区的组成低碳钢 低碳钢的焊接热影响区特点过热区 焊接热影响区组织焊接热影响区组织（低碳钢低碳钢）v过热区过热区v温度：温度：1100-1490 1100-1490 v现象：加热温度高，在现象：加热温度高，在固相线附近，一些难熔固相线附近，一些难熔质点如碳化物和氮化物质点如碳化物和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体等溶入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。晶粒粗大。v组织：粗大的奥氏体在组织：粗大的奥氏体在冷却过程中易形成过热冷却过程中易形成过热组织组织魏氏组织魏氏组织v性能：韧性很低性能：韧性很低v措施：严重时采用焊后措施：严重时采用焊后正火处理（如电渣焊正火处理（如电渣焊）14 焊接热影响区组织（低碳钢）过热区14热影响区组织热影响区组织（低碳钢低碳钢）v重结晶区（正火区）重结晶区（正火区）v温度：温度：850-1100 850-1100（Ac3Ac3以上）以上）v现象：加热时发生重结现象：加热时发生重结晶相变（晶相变（P+FP+F转变成转变成A A，冷却时冷却时A A 转变成转变成P+FP+F）使）使晶粒得到显著细化。晶粒得到显著细化。v组织：相当于低碳钢正组织：相当于低碳钢正火处理后的组织。火处理后的组织。v性能：较好的综合性能性能：较好的综合性能15热影响区组织（低碳钢）重结晶区（正火区）15热影响区组织热影响区组织（低碳钢低碳钢）v不完全重结晶区（不不完全重结晶区（不完全正火区）完全正火区）v温度：温度：700-850 700-850 v现象：加热温度现象：加热温度AcAc1 1到到AcAc3 3之间，只有部分金之间，只有部分金属发生重结晶相变属发生重结晶相变v组织：原始的铁素体组织：原始的铁素体晶粒（粗大）和细晶晶粒（粗大）和细晶粒的混合区粒的混合区v性能：性能较差性能：性能较差16热影响区组织（低碳钢）不完全重结晶区（不完全正火区）16热影响区组织热影响区组织（低碳钢低碳钢）v再结晶区v温度：温度：500 -700 500 -700 v现象：加热温度现象：加热温度500 500 到到AcAc1 1之间，金属的内部之间，金属的内部结构不发生变化，只有结构不发生变化，只有晶粒外形的变化晶粒外形的变化v组织：等轴铁素体晶粒组织：等轴铁素体晶粒v性能：强度、硬度低于性能：强度、硬度低于母材，塑性和韧性提高。母材，塑性和韧性提高。再结晶区为接头的软化再结晶区为接头的软化区。区。17热影响区组织（低碳钢）再结晶区17热影响区组织热影响区组织（低碳钢低碳钢）Q235A钢焊接热影响区的组织特点18热影响区组织（低碳钢）Q235A钢焊接热影响区的组织特点18热影响区组织热影响区组织（淬硬性较大钢（淬硬性较大钢）完全淬火区不完全淬火区回火区。不同类型钢材焊接热影响区的组织分布不同类型钢材焊接热影响区的组织分布19热影响区组织（淬硬性较大钢）完全淬火区 不同类型钢材焊接热影热影响区组织热影响区组织（淬硬性较大钢（淬硬性较大钢）完全淬火区 温度处于AC3以上区域，焊后得到淬火组织(它包括不易淬火钢的过热区和正火区两部分)粗大马氏体粗大马氏体细小马氏体细小马氏体+少量粒状贝氏体少量粒状贝氏体20热影响区组织（淬硬性较大钢）完全淬火区粗大马氏体细小马氏体+热影响区组织热影响区组织（淬硬性较大钢（淬硬性较大钢）不完全淬火区 母材被加热到AC1 AC3之间。在快速加热条件下铁素体很少熔入奥氏体，而珠光体、贝氏体等转变成奥氏体，在随后的冷却时奥氏体转变成马氏体铁素体铁素体+马氏体马氏体+粒状贝氏体粒状贝氏体+少量碳化物少量碳化物21热影响区组织（淬硬性较大钢）不完全淬火区铁素体+马氏体+粒状热影响区组织热影响区组织（淬硬性较大钢（淬硬性较大钢）当母材焊前为调质状态，且焊接热循环的最高温度超过焊前调质时的回火温度时，还存在回火区。铁素体铁素体-碳化物碳化物22热影响区组织（淬硬性较大钢）当母材焊前为调质状态，且焊接热循影响热影响区组织转变的因素影响热影响区组织转变的因素化学成分的影响 低碳钢和低合金钢热影响区组织与（淬硬倾低碳钢和低合金钢热影响区组织与（淬硬倾向较大的）中碳钢和调质型的低合金钢热影向较大的）中碳钢和调质型的低合金钢热影响区组织有较大不同。响区组织有较大不同。高合金钢、铸铁和有色金属等材料，热影响高合金钢、铸铁和有色金属等材料，热影响区的组织更为复杂。区的组织更为复杂。23影响热影响区组织转变的因素化学成分的影响 低碳钢和低合金钢影响热影响区组织转变的因素影响热影响区组织转变的因素焊前母材供货状态焊前母材供货状态v冷作硬化状态v热处理强化状态v退火状态(淬火淬火+回火温度回火温度)对硬度的影响对硬度的影响24影响热影响区组织转变的因素焊前母材供货状态(淬火+回火温度影响热影响区组织和性能的因素影响热影响区组织和性能的因素焊接方法和工艺参数焊接方法和工艺参数v热源种类热源种类v焊接工艺参数焊接工艺参数25影响热影响区组织和性能的因素焊接方法和工艺参数热源种类25影响热影响区组织转变的因素影响热影响区组织转变的因素 加热时，因扩散不充分使原有的珠光体转变为共析热时，因扩散不充分使原有的珠光体转变为共析成分成分(C(C0 07777)的奥氏体，而铁素体可能未溶解。的奥氏体，而铁素体可能未溶解。冷却时高碳的奥氏体将转变为高碳马氏体，最后得冷却时高碳的奥氏体将转变为高碳马氏体，最后得到马氏体十铁素体的特殊组织到马氏体十铁素体的特殊组织。26影响热影响区组织转变的因素 加热时，因扩散不充分使原有的焊接热影响区的性能热影响区的硬度热影响区的性能与分布热影响区的脆化热影响区的软化27焊接热影响区的性能热影响区的硬度27焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能硬度硬度一般材料的硬度升高时，强度提高，塑性、韧性下降。因此，硬度在一定程度上是反映材料的成分、组织与力学性能的一个综合指标。28焊接热影响区的性能硬度一般材料的硬度升高时，强度提高，塑性热影响区的性能热影响区的性能硬度确定硬度确定热影响区最高硬度值可通过实测确定，也可根据母材化学成分估算。常用办法是利用碳当量公式，即将钢中各元素的作用折合成碳的作用，相加而得到碳当量。Hmax=f(Ceq,t8/5)29热影响区的性能硬度确定热影响区最高硬度值可通过实测确定，也热影响区的性能热影响区的性能硬度硬度不易淬火钢的硬度不易淬火钢的硬度易淬火的调质钢易淬火的调质钢30热影响区的性能硬度不易淬火钢的硬度易淬火的调质钢30热影响区的性能热影响区的性能不易淬火钢常温力学性能不易淬火钢常温力学性能采用热模拟技术可测试热影响区金属力学性能；热影响区力学性能分布是不均匀的；冷却速度对性能影响较大。力学性能的分布力学性能的分布冷却速度对过热区性能的影响冷却速度对过热区性能的影响31热影响区的性能不易淬火钢常温力学性能采用热模拟技术可测试热热影响区的性能热影响区的性能淬火钢热影响区力学性能淬火钢热影响区力学性能热影响区力学性能分布不均（软化）；成份、温度和冷速（焊接方法与参数）对性能影响较大。30CrMnSiA钢焊接热影响区的强度分布钢焊接热影响区的强度分布32热影响区的性能淬火钢热影响区力学性能热影响区力学性能分布不热影响区的性能热影响区的性能脆化脆化 脆化脆化是指材料韧性急剧下降，由韧性转变是指材料韧性急剧下降，由韧性转变为脆性的现象。脆性材料往往在只有少量为脆性的现象。脆性材料往往在只有少量变形时即发生断裂，而且断裂过程消耗的变形时即发生断裂，而且断裂过程消耗的能量比韧性材料少很多。能量比韧性材料少很多。热影响区的脆化有：热影响区的脆化有：粗晶脆化粗晶脆化，组织脆化组织脆化，时效脆化时效脆化和和氢脆氢脆等。等。33热影响区的性能脆化 脆化是指材料韧性急剧下降，由韧性转变为热影响区的脆化现象热影响区的脆化现象举例举例 过热区的粗晶脆化加热温度为400-600的部位可能出现热应变时效脆化。碳锰钢焊接热影响区韧性分布碳锰钢焊接热影响区韧性分布34热影响区的脆化现象举例 过热区的粗晶脆化碳锰钢焊接热影响区热影响区的脆化热影响区的脆化粗晶脆化粗晶脆化：由于晶粒严重粗化造成的粗晶脆化：由于晶粒严重粗化造成的脆化。晶粒尺寸越大，晶界结构越疏脆化。晶粒尺寸越大，晶界结构越疏松，脆化越严重。松，脆化越严重。晶粒长大受多种因数影响：其中钢种晶粒长大受多种因数影响：其中钢种的的化学成分化学成分、加热温度加热温度和和加热时间加热时间影影响最大响最大。35热影响区的脆化粗晶脆化粗晶脆化：由于晶粒严重粗化造成的脆化热影响区的脆化热影响区的脆化组织脆化组织脆化组织脆化：焊接热影响区出现脆性组织而造焊接热影响区出现脆性组织而造成的脆化。成的脆化。根据被焊钢种和焊接时冷却条件不同，热影根据被焊钢种和焊接时冷却条件不同，热影响区可出现的脆性组织：响区可出现的脆性组织：片状马氏体片状马氏体（易淬（易淬火钢）、火钢）、M-AM-A组元组元(低碳低合金钢低碳低合金钢)。36热影响区的脆化组织脆化组织脆化：焊接热影响区出现脆性组织而热影响区的脆化热影响区的脆化组织脆化某些低合金钢发生组织转变过程中先析出含炭量很某些低合金钢发生组织转变过程中先析出含炭量很低的铁素体，并且逐渐扩大，而使炭大部分集富到低的铁素体，并且逐渐扩大，而使炭大部分集富到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中。连续冷却到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中。连续冷却到400-350400-350度时，残余奥氏体的碳溶度可达度时，残余奥氏体的碳溶度可达0.5-0.8%0.5-0.8%，随后这些高碳奥氏体可转变成高炭马氏体与残余奥随后这些高碳奥氏体可转变成高炭马氏体与残余奥氏体的混合物，即氏体的混合物，即M-AM-A组元组元37热影响区的脆化组织脆化某些低合金钢发生组织转变过程中先析出热影响区的脆化热影响区的脆化组织脆化M-AM-A组元中的马氏体属高碳马氏体；组元中的马氏体属高碳马氏体；M-AM-A组元边界的显微裂纹是组元边界的显微裂纹是H H的储藏地；的储藏地；M-AM-A组元只有在低碳低合金钢和中等冷却速度组元只有在低碳低合金钢和中等冷却速度时才能产生时才能产生VTrs、与、与M-A组元数量的关系组元数量的关系M-A组元数量与组元数量与t8/5的关系的关系38热影响区的脆化组织脆化M-A组元中的马氏体属高碳马氏体；V热影响区的脆化热影响区的脆化时效脆化时效脆化焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范围内，经一定时间的时效后，因出现碳、氮原子的聚集或析出碳、氮原子化合物沉淀相而发生的脆化现象。时效脆化包括：相析出脆化和热应变时效脆化39热影响区的脆化时效脆化焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范热影响区的脆化热影响区的脆化时效脆化时效脆化某些合金固溶体组织，在焊接状态下处于非某些合金固溶体组织，在焊接状态下处于非平衡状态。在时效或回火过程中，从非平衡平衡状态。在时效或回火过程中，从非平衡固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物和其它中间相。由于这些新相的析间化合物和其它中间相。由于这些新相的析出而使热影响区脆化的现象叫出而使热影响区脆化的现象叫相析出脆化相析出脆化。当沉淀相以弥散而细小的质点分布于晶内时当沉淀相以弥散而细小的质点分布于晶内时不增加脆性。不增加脆性。40热影响区的脆化时效脆化某些合金固溶体组织，在焊接状态下处于热影响区的脆化热影响区的脆化时效脆化时效脆化在钢材的焊接过程中，在热影响区上处于在钢材的焊接过程中，在热影响区上处于200400200400温度范围内的区域，由于承受热应变温度范围内的区域，由于承受热应变而引起碳、氮原子向位错移动，经一定时间的聚而引起碳、氮原子向位错移动，经一定时间的聚集，在位错周围形成对位错产生钉扎作用的集，在位错周围形成对位错产生钉扎作用的“柯柯氏氏”气团，从而造成该区域的脆化，即所谓的气团，从而造成该区域的脆化，即所谓的热热应变时效脆化应变时效脆化。41热影响区的脆化时效脆化在钢材的焊接过程中，在热影响区上处于热影响区的脆化热影响区的脆化时效脆化时效脆化 热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的亚热影响区金钢的亚热影响区(蓝脆蓝脆)。在显微镜下看不出明显的组织变化。在显微镜下看不出明显的组织变化。主要是制造过程中各种加工主要是制造过程中各种加工(如下料、剪切、如下料、剪切、弯曲、气割或焊接热应力弯曲、气割或焊接热应力）所引起的）所引起的局部塑局部塑性应变性应变与焊接热循环的作用叠加而造成的。与焊接热循环的作用叠加而造成的。焊前无焊前无应变状态应变状态比焊前有应变状态脆化弱；比焊前有应变状态脆化弱；有有碳化物碳化物形成元素材料比无碳化物形成元素形成元素材料比无碳化物形成元素脆化弱。脆化弱。42热影响区的脆化时效脆化 热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能软化软化 热影响区软化是指焊后其强度、硬度低热影响区软化是指焊后其强度、硬度低于焊前母材的现象。于焊前母材的现象。软化主要出现在：软化主要出现在：焊前经过调质处理的焊前经过调质处理的钢；具有沉淀强化的钢；弥散强化合金钢；具有沉淀强化的钢；弥散强化合金。43焊接热影响区的性能软化 热影响区软化是指焊后其强度、硬度低焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能调质钢焊接时热影响区软化调质钢焊接时热影响区软化钢经过淬火处理后，在回火过程中随回火温钢经过淬火处理后，在回火过程中随回火温度提高，强度与硬度逐渐下降。度提高，强度与硬度逐渐下降。焊接条件下，如热影响区的加热温度超过了焊接条件下，如热影响区的加热温度超过了焊前回火温度，相当于提高了回火温度，强焊前回火温度，相当于提高了回火温度，强度必然比焊前低。度必然比焊前低。调质钢焊接时，热影响区温度位于调质钢焊接时，热影响区温度位于A1-A3A1-A3之间之间时会产生软化现象。时会产生软化现象。44焊接热影响区的性能调质钢焊接时热影响区软化钢经过淬火处理后热影响区软化热影响区软化调质钢焊接时热影响区软化调质钢焊接时热影响区软化45热影响区软化调质钢焊接时热影响区软化45热影响区软化热影响区软化热处理强化铝合金热影响区软化热处理强化铝合金热影响区软化过时效引起铝合金热影响区软化过时效引起铝合金热影响区软化 铝合金时效过程如下：铝合金时效过程如下：SSSS（过饱和固溶体）过饱和固溶体）G.PG.P（Cu.MgCu.Mg原子偏聚）原子偏聚）SS（共格共格CuMgAl2CuMgAl2）S S（非共格非共格CuMgAl2CuMgAl2 ）46热影响区软化热处理强化铝合金热影响区软化过时效引起铝合金热改善热影响区性能的途径采用高韧性母材采用高韧性母材焊后热处理焊后热处理合理制订焊接工合理制订焊接工艺艺热输入对过热区组织及脆性转变温度的影响热输入对过热区组织及脆性转变温度的影响47改善热影响区性能的途径采用高韧性母材热输入对过热区组织及脆性