焊缝金属组织PPT课件

1、2021-11-1613)胞状树枝结晶 产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。第1页/共61页2021-11-1624)树枝状结晶产生条件：过冷度较大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。第2页/共61页2021-11-163（2）等轴晶产生条件：过冷度大。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。 第3页/共61页2021-11-164（3）焊缝各部位结晶形态的变化 熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的，将会出现不同的结晶形态。 在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R 非常小，温度梯度G 较大，G/

2、R1/2则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时, 结晶速度R 逐渐增大，而温度梯度G 减小, 在某一时刻以后，将发生成分过冷，平面生长将转为胞状生长；随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时， G/R1/2最小, 成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。第4页/共61页2021-11-165 图 焊缝金属结晶形态示意图86平面 胞状枝晶树枝晶等轴晶等轴晶柱状晶 G/R图 成分过冷对结晶形态的影响C o溶质浓度(%)第5页/共61页2021-11-166第6页/共61页2021-11-167(a)2/3

3、凝固时间时焊缝凝固组织模拟图(b) 凝固完全时焊缝凝固组织模拟图图 不同凝固时间的焊缝凝固组织模拟图形的比较第7页/共61页2021-11-168图 等轴晶凝固模拟图形第8页/共61页2021-11-169焊缝金属的组织低碳钢焊缝的室温组织 A-P（F+Fe3C）低合金钢焊缝的室温组织 铁素体 Ferrite 先共析铁素体 Proeutectiod Ferrite 侧板条铁素体 Ferrite Side Plate 针状铁素体 Acicular Ferrite 细晶铁素体 Fine Grain Ferrite 珠光体 Pearite 贝氏体 Bainite 马氏体 Martensite 板条马

4、氏体 Plate Martensite 片状马氏体 第9页/共61页2021-11-1610（1）铁素体1）先共析铁索体 770-680摄氏度 先共析铁素体也称晶界铁素体。晶界铁素体(Grain Boundary Ferrite)是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以多边形形状互相连结沿晶界分布。因此，也称为块状铁素体。 在高温区发生，相变时优先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较低，5 X109/cm2。 第10页/共61页2021-11-1611第11页/共61页2021-11-16122）侧板条铁素体 700-550摄氏度 是由晶界向晶内

5、扩展的板条状或锯齿状铁素体，实质是魏氏组织。其长宽比在20：以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但出现的机会比母材多。 当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其界面上一侧的碳浓度增加，极为接近共析成分，故易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间隙之中。侧板条铁素体晶内位错密度大致和先共析块素体相当或稍高一些。第12页/共61页2021-11-1613第13页/共61页2021-11-16143）针状铁素体 500度附近。出现于原奥氏体晶内的有方问性的细小铁素体宽约2m左右，长宽比多在3：1以至10：1的范围内。针状铁素体可能是以氧化物或氮化物(如TiO或TiN)为基点，呈放射状生长，

6、相邻AF间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是MA组元，决定于合金化程度。针状铁素体晶内位错密度较高，为先共析铁素体的2倍左右。位错之间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态。第14页/共61页2021-11-1615 随着合金化程度的提高，AF组织增多的同时，焊缝强度也随之提高。AF增多，有利于改善韧性。第15页/共61页2021-11-16164）细晶铁素体 在有细化晶粒的元素存在的条件下，在奥氏体晶粒内形成的铁素体，在细晶之间有珠光体和碳化物析出。也成为贝氏体铁素体。 转变温度一般在500度以下第16页/共61页2021-11-1617（2）

7、珠光体 热处理平衡状态 珠光体转变Ar-550 C、Fe原子扩散比较容易。珠光体转变扩散型相变。（P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C） 焊接状态,非平衡转变，得到P量少，珠光体转变量小。若B 、Ti合金元素，P转变全部被抑制，第17页/共61页2021-11-1618（3）贝氏体 中温转变 550-Ms1）上贝氏体 在光学金相显微镜下观察呈羽毛状，沿奥氏体晶界析出，在平行的条状F间分布有渗碳休形成温度 550Ms之间。2）粒状贝氏体 块状铁素体形成之后，待转变的富碳A呈岛状分布，块状F中，这些高碳A富碳M和残余奥氏体。称为MA组织。 在块状F中，MA组织以粒状分布，因此称粒状贝氏体，若

8、以条状存在称为条状B氏体。3）下贝氏体 碳化物在F板条内析出，针状,力学性能优异.第18页/共61页2021-11-1619第19页/共61页2021-11-1620（4）马氏体 当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，冷却速度快，Ms下将会形成M。1）板条M（含碳量很低）特征：奥氏体晶粒内形成几束M板条，束与束之间有一定高角。位错量多位错M含碳量低低碳M 强度好，韧性高第20页/共61页2021-11-1621板条马氏体显微组织特征示意图第21页/共61页2021-11-16222）片状马氏体 C04 马氏体片不相互平行，初始形成的M片较大，往往贯穿A晶粒。 透射电镜观察，片M存在许多细小平行的

9、带纹孪晶带，硬度高、脆。第22页/共61页2021-11-1623图 HSLA钢焊缝连续冷却组织转变过程(1) 夹杂物形成(2)液态凝固为铁(3)奥氏体(4)PF形核(5)PF沿边界长大(6)SF形成(7)AF形成第23页/共61页2021-11-1624图第24页/共61页2021-11-1625第25页/共61页2021-11-1626第26页/共61页2021-11-1627第27页/共61页2021-11-16281.2. 3 焊缝金属性能的控制（1）焊缝合金化与变质处理 固溶强化：Mn、Si 细晶强化：Ti、Nb、V、B、稀土 弥散强化：Ti、V、Mo 相变强化：各种合金元素（2）工

10、艺措施振动结晶：晶粒破碎，细化组织焊后热处理：回火、正火、调质第28页/共61页2021-11-16291.3焊接热影响区的组织与性能 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)。第29页/共61页2021-11-1630材料因受焊接热影响（但未熔化）而发生金相组织和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。力学性能变化的区域。第30页/共61页2021-11-1631 焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低到高，达到最大值后，

11、又由高而低随时间的变化。焊接热影响区的热循环特点焊接热循环(weld thermal cycle)第31页/共61页2021-11-1632第32页/共61页2021-11-1633焊接热循环的主要参数加热速度H 峰值温度Tm高温（相变温度）停留时间tH=t1+t2冷却速度C或冷却时间t8/5、t8/3、t100第33页/共61页2021-11-1634焊接热影响区的组织转变特点n (1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热度”及“过冷度”(Ac1、Ac3升高，Ar1、Ar2降低)，另外，转变组织的均质化

12、程度也进行得很不充分；n (2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大 比较严重；n (3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大；n（4）自然冷却 n（5）局部加热。第34页/共61页2021-11-1635焊接热影响区的组织分布 焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类:淬火钢,不易淬火钢。分别讲述淬火钢和不易淬火钢的焊接热影响区组织分布。 （1）低碳钢及不易淬火钢:如Q235、16Mn、15MoV、15MnTi等，根据组织特征的不同可将热影响区分为四个区。 第35页/共61页2021-11-16361)熔合区 焊接接头薄弱环节第36页/共61页2021-11-16372）过热区v温度：11

13、00-1490 v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。v组织：粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成过热组织魏氏组织v性能：韧性很低v措施：严重时采用焊后正火处理（如电渣焊）第37页/共61页2021-11-16383）重结晶区（正火区或细晶区）v温度：850-1100 v现象：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。v组织：相当于低碳钢正火处理后的组织。v性能：较好的综合性能第38页/共61页2021-11-16394）不完全重结晶区（不完全正火区）v温度：700-850 v现象：加热温度Ac1到Ac3之间，只有部分金属经

14、受了重结晶相变v组织：原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区v性能：性能不好第39页/共61页2021-11-1640Q235钢HAZ组织特点母材母材226第40页/共61页2021-11-1641Q235钢HAZ组织特点过热区过热区226第41页/共61页2021-11-1642Q235钢HAZ组织特点正火区正火区226第42页/共61页2021-11-1643Q235钢HAZ组织特点不完全重结晶区（不完全正火区）不完全重结晶区（不完全正火区）226第43页/共61页2021-11-1644第44页/共61页2021-11-1645第45页/共61页2021-11-1646易淬火钢 此类钢淬硬倾向

15、较大，包括低碳调质钢、中碳钢及中碳调质钢，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，其热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关。（1）焊前为退火或正火状态 F+P 1)完全淬火区 Ac3以上，M或M+B 2)不完全淬火区 Ac3-Ac，M+F混合组织（2）焊前为调质(淬火+高回火) 1)完全淬火区 2)不完全淬火区 3)回火区 回火软化区。第46页/共61页2021-11-1647（3）注意问题 1).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。2).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。 3).成分偏析严重,C、P、S高时易产生淬硬组织,裂纹。第

16、47页/共61页2021-11-1648热影响区的性能变化（1）HAZ的硬化 为了方便起见,常常用硬度的变化来判定热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度也高,塑性、韧性下降,测定热影响区的硬度分布可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。 实际中用碳当量来估算母材成分对HAZ淬硬程度的影响。Hmax=559CE+100(Hv)第48页/共61页2021-11-16491)碳当量（Carbon Equivalent)国际焊接学会5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW日本焊接学会144540246)(VMoCrNiSiMnCCeqWES近年来常用的公式BNbVMoCrNi

17、CUMnSiCACCEN5515151624)(第49页/共61页2021-11-16502)冷却时间t8/5 与HAZ最高硬度Hmax 的关系第50页/共61页2021-11-1651第51页/共61页2021-11-1652(2)HAZ的脆化1)粗晶脆化： 不易淬火钢粗大的W， 易淬火钢粗大的挛晶M2）析出脆化：C化物、氮化物3）组织脆化：W、M-A组元4）氢脆化第52页/共61页2021-11-1653(3)HAZ的软化1）调质钢焊接时 HAZ的软化第53页/共61页2021-11-1654第54页/共61页2021-11-1655(4)HAZ的韧化1）母材的原始组织AF、B、低碳M等组

18、织2）韧化处理合理制定焊接工艺、正确选择预热、后热温度。21)2(1pEWaErK第55页/共61页2021-11-1656氧乙炔焊 OAW oxy-acetylene welding手工电弧焊 SMAW (shielded metal arc welding)/manual metal arc welding 埋弧焊 SAW submerged-arc welding二氧化碳气体保护焊 CO2 W carbon-dioxide arc welding/co2 arc welding钨极惰性气体保护电弧焊 TIG tungsten inert gas arc welding熔化极惰性气体保护电

19、弧焊 MIG metal inert-gas welding活性气体保护电弧焊 MAG metal active gas arc welding钨极脉冲氩弧焊 TAW-P argon tungsten pulsed arc welding第56页/共61页2021-11-1657 熔化极脉冲氩弧焊 MAW-P argon metal pulsed arc welding气电立焊 EEGW electro gas (arc) welding等离子弧焊 PAW plasma arc welding电渣焊 ESW electro-slag welding电子束焊 EBW electron beam welding激光焊 LBW laser welding热剂焊 TW thermit weldi