材料原理(精品)

,sdfsdfsdf,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,1,第三节 焊接热影响区的组织与性能,焊接热循环,焊接热影响区的组织转变特点,焊接热影响区的组织与性能变化,2,焊接热影响区的定义：熔焊时在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”,(Heat Affected Zone,，,HAZ),，或称为“近缝区”,(Near Weld Zone),。,焊接热影响区概述,3,材料因受焊接热影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。,焊接过程中，在形成焊缝的同时，不可避免地使其附近的母材经受了一次特殊的热处理，形成组织和性能及不均匀的热影响区。,热影响区一些部位的组织和性能很差，成为整个接头的薄弱地带。,5,HAZ,经受了一次特殊的热处理。,一些部位的组织和性能变坏（如过热区），成为整个焊接接头的薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。,很多焊接结构的破坏事故都与焊接热影响区的性能恶化有关。,重视和研究焊接热影响区的组织和性能变化。,6,取决于材料本身的特性和工艺条件，主要冶金和工艺因素：,1,）被焊金属与合金系统的特点,无相变的金属和合金：非常简单,有相变的材料：很复杂,2,）焊前母材的原始状态,焊前为冷作硬化或热处理态：退火软化,易淬火材料焊前为退火态：淬火的硬化区,影响焊接热影响区组织和性能的主要因素,7,3,）焊接工艺方法和工艺参数,热源特点与焊接工艺参数密切相关：温度场分布和焊接热循环的特点。,影响到焊接热影响区特殊热处理的各项参数：升温速度、高温停留时间和冷却速度等。,影响焊接热影响区组织和性能的主要因素,8,9,一、焊接热循环,距焊缝不同距离各点的焊接热循环,1.,定义：焊接过程中，热源沿焊件移动时，焊件上,某点,的温度由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。,10,2.,焊接热循环的主要参数,焊接热循环的参数,加热速度,V,H,加热的最高温度（,T,m,）,在相变以上的停留时间,(t,H,),冷却速度,(V,C,),和冷却时间,(t,8/5,、,t,8/3,、,t,100,),11,t,8/5,：,800,500,的冷却时间。,t,8/3,：,800,300,的冷却时间。,t,100,：从峰值温度,T,m,冷至,100,的冷却时间。,12,1.,焊接热循环的特点,1,）加热的温度高,热处理,AC,3,以上,100-200,，例如,45,号钢,AC,3,：,770,焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点,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,）局部加热,二、焊接热热影响区的组织转变特点,13,加热速度快，相变温度升高,V,H,Ac1,，,Ac3,奥氏体化过程是一个扩散重结晶过程，需要有孕育期。,钢中含有碳化物形成元素时影响更显著。,形成的碳化物阻碍碳的扩散,碳化物本身扩散速度低,2.,焊接加热过程奥氏体化的特点,14,奥氏体均质化程度低,高温停留时间短，不利于扩散过程进行，从而均质化程度低。,近缝区奥氏体晶粒严重长大,当加热温度在,1100,以上时，奥氏体晶粒严重长大。,加热过程形成的奥氏体晶粒度和均匀化程度，对冷却时的相变过程和相变产物有很大影响。,15,3.,焊接时冷却过程中的组织转变特点,（,1,）奥氏体化温度高，加热与冷却速度快,（,2,）奥氏体的稳定性越大，淬硬倾向越大,不含碳化物合金元素（如,45,钢）：近缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大,含碳化物合金元素（如,40Cr,钢）：碳化物不能充分溶解，奥氏体稳定性下降，淬硬倾向比热处理条件下要小,16,（一）焊接热影响区的组织分布,1.,低碳钢及不易淬火的低合金钢,HAZ,组织分布,如,Q235,、,16Mn,、,15MnV,等，可分为如下四个区：,熔合区（半熔化区）,T,L,T,S,，化学成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。是焊接接头的薄弱环节。,Fe-C,合金：在固态下合金中除了有同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共析转变和,Fe,3,c,的析出。,三、焊接热影响区的组织与性能变化,17,过热区,（粗晶区）,温度：,T,S,-1100,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，奥氏体晶粒粗大。,组织：粗大的奥氏体在较慢的冷却速度下形成过热组织,魏氏组织。,性能：韧性很低。,措施：严重时采用焊后正火处理（如电渣焊）。,18,相变重结晶区,（正火区）,温度：,1100 -Ac,3,现象：母材完全奥氏体化，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：相当于低碳钢正火处理后的组织（细小的,P,F,）。,性能：较好的综合性能。,19,不完全重结晶区,（不完全正火区）,温度：,Ac,3,Ac,1,现象：加热温度,Ac,3,到,Ac,1,之间，金属的内部结构不发生变化,只有部分金属经受了重结晶相变。,组织：原始的铁素体晶粒（粗大）和细晶粒的混合区。,性能：性能不好,20,Q235A,钢焊接热影响区的组织特点,过热区,重结晶区,不完全重结晶区,母材,21,2.,易淬火钢,HAZ,组织分布,（,1,）焊前是正火或退火状态,焊前,BM,为,F+P,（,S,、,B,）,完全淬火区（完全奥氏体化）,Ac,3,以上，室温组织为,M,。,不完全淬火区（部分奥氏体化）,Ac,1,Ac,3,，室温组织为,M,F,。,在快速加热条件下,F,很少溶入,A,，而,P,、,B,、,S,等转变为,A,；随后快冷，形成,M+,粗大,F,。,焊接淬硬倾向较大的钢种，如,18MnMoNb,、,45,、,30CrMnSi,等，热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。,22,（,2,）焊前为调质状态,BM,回火组织,完全淬火区,不完全淬火区,回火区,Ac,1,T,t,，,T,t,为焊前调质时的回火温度，低于此温度，组织不变；高于此温度，出现软化。,23,（二）焊接热影响区的性能变化,HAZ,的硬化,HAZ,的脆化,HAZ,的软化,24,1.HAZ,的硬化,HAZ,硬度分布不均匀，在熔合区附近具有最大硬度,H,max,。,不同的组织形态硬度不同,同一组织，也有不同的硬度,硬度主要决定于材料的化学成分和冷却条件,25,（,1,）碳当量,Carbon Equivalent,（,C,eq,或,CE,）,定义：把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响折合成碳的相当含量。它反映了化学成分对硬化程度的影响,26,适合于,C0.18%,的钢种,式,1,）主要适用于中等强度的非调质低合金钢（,b,400,700MPa,）,式,2,）主要适用于强度级别较高的低合金高强钢（,b,=500,1000MPa,）,1,）,2,）,27,主要适用于,C0.17%,，,b,=400,900MPa,的低合金高强钢。,应用碳当量公式时应注意：,碳当量公式纯属经验公式，当实验条件、方法不同时，碳当量公式也不同。,一定要注意各公式的适应范围。,28,（,2,）碳当量,C,eq,及冷却时间,t,8/5,与,HAZ,最高硬度,H,max,的关系,CeqH,max,经验公式，,H,max,=1274P,cm,+45,H,max,=559CE,（,IIW,）,+100,（,HV,）,29,Ceq,一定，,t,8/5,H,max,。,H,max,间接反映了,HAZ,的淬硬倾向，而,H,max,测量方便，故可用,H,max,来评价钢材的冷裂倾向,30,2.HAZ,的脆化,脆化：是指,HAZ,在焊接热循环作用下所产生的塑性、韧性下降的现象。通常用缺口冲击值和脆性转变温度判断脆化现象。,脆性转变温度,VT,rs,：随着温度的降低，金属由延性断裂向脆性断裂转变，通常把发生转变的那个临界温度称为脆性转变温度。显然,VT,rs,脆性。,31,从左图可以看出，碳锰钢,HAZ,的脆化区有两个：,粗晶区（,1500,）,时效脆化区（,400,600,）,HAZ,脆化：,粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆化及石墨脆化。,32,（,1,）粗晶脆化（主要出现在过热区）,晶粒,d VT,rs,钢中含,C,、,N,化物形成,d,加热温度,T,，加热时间,td,E,（焊接线能量）,d,33,（,2,）组织脆化,是由于,HAZ,中出现脆硬组织造成的。根据脆性组织不同，又可分为：,M,A,组元脆化,析出脆化,34,1,）,M,A,组元脆化,M,A,组元脆化原因：,高碳奥氏体易于形成高碳马氏体,M,A,组元存在时，成为了潜在的裂源，并起到吸氢和应力集中的作用。,35,2,）析出脆化（沉淀相脆化）,定义：某些金属或合金，在时效或回火过程中，从过饱和的固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其他亚稳定的中间相等，使金属或合金的强度、硬度上升，韧性下降的现象。,机理：析出相出现后，形成“柯氏气团”，阻碍位错运动，使强度、硬度上升，产生脆化。,HAZ,的熔合部位（包括粗晶区）在化学成分和组织上的不均匀性比焊接区的其他部位更为严重，极易产生析出脆化。,特点：时效性,36,（,3,）,HAZ,的热应变时效脆化,(Hot Strain Embrittlement),焊接构件在室温下受到延性预应变，会产生加工硬化现象，可使钢材的硬度和强度升高，同时降低延性变形的能力；在高温下（尤其是,200,400,）的预应变，还会产生比室温下更为严重的脆化。这种现象称为热应变时效脆化（,HSE,）。,1,）静应变时效脆化,在室温下或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象。,2,）动应变时效脆化,在较高温度下（特别是,200,400,）的预应变所产生的时效脆化现象，又称为“蓝脆”。,37,3.,调质钢焊接,HAZ,的软化,焊前经调质处理的高强钢和具有沉淀硬化和弥散强化的合金，经焊接之后，其,HAZ,产生不同程度的软化或失强。,调质钢焊接时,HAZ,的软化,38,（三）,HAZ,的韧化,1,、调整低合金钢的成分与,HAZ,组织状态,对低合金高强钢，采用低碳微量合金化强化（弥散强化），韧性好。,HAZ,组织最好为针状,F,、下贝、低碳,M,。,严格控制钢中,S,、,P,、,O,等杂质的含量。,控制钢中硫化物，磷化物及硅酸盐夹杂的数量，大小及分布形态。,2,、合理制定焊接工艺,选择合适的焊接线能量,E,（,t,8/5,），不宜过大（晶粒粗化）和过小（淬硬组织）,焊前预热、焊后热处理,39,本 章 结 束,