西安工大焊接冶金学基本原理第4章焊接热影响区

1、西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering焊接冶金学焊接冶金学-基本原理基本原理主讲主讲:惠增哲惠增哲 王喜锋王喜锋西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院2012年年10月月共4学时西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区第第4章章 焊接热影响区焊接热影响区内容：内容：焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区的组织和性能西安工业大学材化学院西

2、安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区从几个问题开始从几个问题开始焊接热影响区组织和性能焊接热影响区组织和性能被焊金属与合金系统的特点被焊金属与合金系统的特点有相变材料有相变材料无相变材料无相变材料焊前母材的原始状态焊前母材的原始状态冷作硬化状态冷作硬化状态 退火软化区退火软化区热处理强化状态热处理强化状态 退火软化区退火软化区退火状态退火状态 易淬火材料出现淬火硬化区易淬火材料出现淬火硬化区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemic

3、al Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1 焊接热影响区的组织转变特点焊接热影响区的组织转变特点4.1.1 焊接时加热过程组织转变的特点焊接时加热过程组织转变的特点4.1.2 焊接时冷却过程组织转变特点焊接时冷却过程组织转变特点4.1.3 焊接条件下的焊接条件下的CCT图的建立及应用图的建立及应用4.2 热影响区的组织和性能热影响区的组织和性能西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1 焊接热影响区的组织转变特点焊接热影响区的组织转变

4、特点焊接条件下与热处理条件下焊接条件下与热处理条件下 组织转变，基本原理一致。组织转变，基本原理一致。焊接条件下的特点：焊接条件下的特点：1 1、加热的温度高、加热的温度高 热处理：最高热处理：最高AC3AC3以上以上100-200100-200，例如，例如4545号钢号钢AC3AC3：770 770 焊接近缝区：接近熔点，焊接近缝区：接近熔点，1350 1350 2 2、加热的速度快、加热的速度快 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。3 3、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。4 4、自

5、然条件下连续冷却、自然条件下连续冷却5 5、局部加热、局部加热这就给焊接时的组织转变带来特殊性，与热处理有着不同的规律，这就给焊接时的组织转变带来特殊性，与热处理有着不同的规律，必须建立焊接条件下的金属学理论！必须建立焊接条件下的金属学理论！西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1.1 焊接时加热过程组织转变的特点焊接时加热过程组织转变的特点.加热速度对相变点的影响加热速度对相变点的影响 加热速度越快（加热速度越快（H ），），AC1和和AC3的温度越高，温差越大

6、。的温度越高，温差越大。.加热速度对均质化影响加热速度对均质化影响H快且快且tH小，小，均质化差均质化差.近缝区的晶粒长大近缝区的晶粒长大加热过程影响冷却过程组织转变。加热过程影响冷却过程组织转变。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1.2 焊接时冷却过程组织转变特点焊接时冷却过程组织转变特点 金属学理论的等温转变及连续冷却转变。金属学理论的等温转变及连续冷却转变。 以以熔合区附近熔合区附近（薄弱地带）为研究对象，分析冷却组织转变特（薄弱地带）为研究对象，分析冷

7、却组织转变特点。点。 比较比较焊接条件下和热处理条件焊接条件下和热处理条件 奥氏体转变的不同特点。奥氏体转变的不同特点。 以以45钢、钢、40Cr为例为例,比较比较焊接条件下和热处理条件下焊接条件下和热处理条件下,在相同的在相同的冷却速度下冷却速度下组织转变的差异组织转变的差异。 闲问：这闲问：这2材料那个淬硬倾向大？材料那个淬硬倾向大？西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chem

8、ical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区特征：特征：焊接条件下，焊接条件下，CCT曲线左移，曲线左移，淬硬倾向降低。淬硬倾向降低。原因：原因：碳化物合金元碳化物合金元素不能充分溶素不能充分溶解奥氏体内部，解奥氏体内部，不能增加奥氏不能增加奥氏体稳定性（即体稳定性（即增加淬硬倾增加淬硬倾向）。向）。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区特征：特征：焊接条件下焊接条件下CCT曲线右移，淬硬曲线右移，淬硬倾向增大。倾向增大。原因：原因：没有碳

9、化物溶解没有碳化物溶解过程，过程，近缝区近缝区粗粗化，淬硬倾向增化，淬硬倾向增大。大。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区必须建立焊接条件下的组织转变理论！必须建立焊接条件下的组织转变理论！西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1.3 焊接条件下的焊接条件下的CCT图的建立及应用图的建立及应用1.CCT图的建立图的建立采用焊接热模拟试验

10、装置来建立某种钢的采用焊接热模拟试验装置来建立某种钢的CCT图。图。2.意义意义 可预先估计热影响区的组织性能可预先估计热影响区的组织性能,或作为制定工艺或作为制定工艺,焊接线能量的焊接线能量的依据。依据。3.CCT图的应用图的应用 通过通过CCT图可得到在不同的冷却速度下的组织图可得到在不同的冷却速度下的组织,即估计组织。即估计组织。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemi

11、cal Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4 影响影响CCT图的因素图的因素（1）母材化学成分）母材化学成分 除钴外，均使曲线右移，增加淬硬倾向。除钴外，均使曲线右移，增加淬硬倾向。（2）冷却速度的影响）冷却速度的影响 A1 A3 ACM均下移，共析点变化，转变产物变化。均下移，共析点变化，转变产物变化。（3）峰值温度的影响）峰值温度的影响 TM高，过冷奥氏体稳定性增加，晶粒粗化，高，过冷奥氏体稳定性增

12、加，晶粒粗化，CCT曲线右移。曲线右移。（4）晶粒粗化的影响）晶粒粗化的影响 晶粒粗化，奥氏体稳定性增加，晶粒粗化，奥氏体稳定性增加，CCT曲线右移。曲线右移。（5） 应力应变的影响应力应变的影响 拉应力降低奥氏体稳定性，拉应力降低奥氏体稳定性，CCT曲线左移。曲线左移。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.1 焊接热影响区的组织转变特点焊接热影响区的组织转变特点4.2 热影响区的组织和性能热影响区的组织和性能4.2.1 热影响区组织分布热影响区组织分布4.2.2

13、 热影响区的性能热影响区的性能西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.2 热影响区的组织和性能热影响区的组织和性能低碳钢热影响区低碳钢热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.2.1 热影响区组织分布热影响区组织分布1、不易淬火钢的热影响区、不易淬火钢的热影响区的组织分布（低碳钢和某的组织分布（低碳钢和某些低合金钢，些低合金钢，16

14、Mn等）等）热影响区根据组织特征，可分热影响区根据组织特征，可分为，熔合区、过热区、相变重为，熔合区、过热区、相变重结晶区（正火区），不完全重结晶区（正火区），不完全重结晶区等。结晶区等。本课程按本课程按 如下划分如下划分：过热区、：过热区、相变重结晶区，不完全重结晶相变重结晶区，不完全重结晶区，再结晶区，（脆化区）。区，再结晶区，（脆化区）。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（1）、过热区）、过热区u温度：温度：1100-1490 （包晶转变线（包晶转变线149

15、51495，跟成分有关），跟成分有关）u现象：加热温度高，在固相线附近，一些难熔质点如碳化物现象：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，奥氏体晶粒和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体晶粒严重长大严重长大。u组织：粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成粗大的组织：粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成粗大的F和和P,甚至过热组织甚至过热组织魏氏组织魏氏组织u性能：脆性大，韧性很低。性能：脆性大，韧性很低。薄弱地带。薄弱地带。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热

16、影响区（2）、相变重结晶区（正火区或细晶区）、相变重结晶区（正火区或细晶区）u温度：温度：AC3-1100 u现象：加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变，使晶粒得现象：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。到显著的细化。u组织：均匀细小的组织：均匀细小的P和和F,相当于低碳钢正火处理后的组织。相当于低碳钢正火处理后的组织。u性能：塑性、韧性都很好，性能：塑性、韧性都很好， 较好的综合性能较好的综合性能西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（3）、

17、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）温度：温度：AC1-AC3现象：加热温度现象：加热温度Ac1到到Ac3之间，只有部分金属经受了重结晶相之间，只有部分金属经受了重结晶相变变组织：粗大铁素体晶粒和细晶粒（组织：粗大铁素体晶粒和细晶粒（P+F）的混合区，组织不均）的混合区，组织不均匀。匀。性能：性能不均匀，韧性低于完全重结晶区性能：性能不均匀，韧性低于完全重结晶区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（4）、再结晶区（针对冷轧态母材，热轧态无此

18、区）、再结晶区（针对冷轧态母材，热轧态无此区）u温度：温度：500 -AC1u现象：加热温度现象：加热温度500 到到Ac1之间，金属的内部结构不发生之间，金属的内部结构不发生变化，只有晶粒外形的变化变化，只有晶粒外形的变化u组织：等轴铁素体晶粒组织：等轴铁素体晶粒u性能：强度、硬度低于母材，塑性和韧性提高。再结晶区为性能：强度、硬度低于母材，塑性和韧性提高。再结晶区为接头的接头的软化区软化区。另：对时效应变敏感强的金属，存在一个组织上与母材没有差另：对时效应变敏感强的金属，存在一个组织上与母材没有差别，但塑性、韧性显著低于母材的脆化区，一般认为是热应别，但塑性、韧性显著低于母材的脆化区，一般

19、认为是热应变时效脆化。变时效脆化。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区16Mn钢焊接热 影响区焊缝金属母材熔合区过热 区不完全重结晶区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区2、易淬火钢热影响区的组织分布、易淬火钢热影响区的组织分布跟母材焊前热处理状态有关。跟母材焊前热处理状态有关。 母材焊前调质（或母材焊前调质（或 淬火淬火+中温中温回火，

20、淬火回火，淬火+低温回火）：完低温回火）：完全淬火区，不完全淬火区，全淬火区，不完全淬火区，回火区。回火区。 母材焊前退火或正火：完全母材焊前退火或正火：完全淬火区和不完全淬火区。淬火区和不完全淬火区。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（1）完全淬火区）完全淬火区u温度：温度：AC3 以上（即不易淬火钢的过热区和正火区）以上（即不易淬火钢的过热区和正火区）u现象：快冷形成淬火组织现象：快冷形成淬火组织u组织：粗马氏体（相当于过热区）组织：粗马氏体（相当于过热区）

21、+细马氏体（相当于正火区）细马氏体（相当于正火区）u性能：高硬度、低塑性韧性。性能：高硬度、低塑性韧性。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（2）不完全淬火区）不完全淬火区温度：温度：AC1-AC3(即不易淬火钢的不完全重结晶区）即不易淬火钢的不完全重结晶区）现象：铁素体基本不变，但长大，现象：铁素体基本不变，但长大，P、B、S加热转换为加热转换为A,冷却冷却转变为转变为M组织：铁素体和马氏体等组织：铁素体和马氏体等性能：脆性大、韧性低。性能：脆性大、韧性低。西安工

22、业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区温度：原回火温度温度：原回火温度-AC1现象：高于原回火温度的区域发生现象：高于原回火温度的区域发生回火，原回火温度越低，热影响回火，原回火温度越低，热影响区的回火区越大，组织性能变化区的回火区越大，组织性能变化较大较大组织：回火组织组织：回火组织性能：回火软化，性能：回火软化，AC1附近软化最附近软化最大，强度最低，大，强度最低，又一薄弱环节。又一薄弱环节。（3）回火区）回火区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of

23、 Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区其它材料，如高其它材料，如高温合金等热影响区温合金等热影响区的组织更复杂。的组织更复杂。热影响区的热影响区的组织组织分布是不均匀的，分布是不均匀的，因而在因而在性能性能上也不上也不均匀，过热区是一均匀，过热区是一薄弱地带。薄弱地带。以上讨论的是一以上讨论的是一般情况。般情况。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院Schoo

24、l of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区4.2.2 热影响区的性能热影响区的性能一般考虑一般考虑硬化硬化、脆化脆化、软化及综合力学性能软化及综合力学性能等，或根据具体结构等，或根据具体结构考核考核腐蚀腐蚀、疲劳疲劳等性能。等性能。1、焊接热影响区的硬化、焊接热影响区的硬化 热影响区硬度是评价钢种淬硬倾向的重要指标。热影响区硬度是评价钢种淬硬倾向的重要指标。

25、 因组织分布不均匀，所以硬度分布不均匀因组织分布不均匀，所以硬度分布不均匀 出现出现最高硬度最高硬度Hmax（一般在熔合线附近），（一般在熔合线附近）， Hmax可间接判断可间接判断HAZ的性能，如强度、韧性、脆性及抗裂性。的性能，如强度、韧性、脆性及抗裂性。 Hmax出现原因？出现原因？西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊

26、接热影响区焊接热影响区（1）碳当量（）碳当量（Carbon Equivalent)简称简称Ceq或或CE，是反映钢中化学成分对硬化程度的影，是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢种合金元素（包括碳）按其对淬硬（包响，它是把钢种合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合碳的相当含量。括冷裂、脆化等）的影响程度折合碳的相当含量。国际焊接学会国际焊接学会(C0.18%,中等强度非调质低合金钢中等强度非调质低合金钢)5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW日本焊接学会日本焊接学会(C0.18%，较高强度低合金高强钢，较高强度低合金高强钢)144540246)(VMoCr

27、NiSiMnCCeqWES日本伊藤，日本伊藤，C0.17%，b=400900MPa的低合金高强钢的低合金高强钢 ()20.0053IIWcmCCEP西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区日本铃木，百合冈，近年来常用的公式（日本铃木，百合冈，近年来常用的公式（C=0.034%0.254%)( )5241615155SiMnCuNiCrMoVNbCENCA CB西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engi

28、neering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（2）碳当量碳当量及及冷却时间冷却时间与与HAZ最高硬度最高硬度Hmax的关系的关系西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（2）碳当量碳当量及及冷却时间冷却时间与与HAZ最高硬度最高硬度Hmax的关系的关系 Hmax与钢种化学成份及冷却条件有关，与钢种

29、化学成份及冷却条件有关，是碳当量及是碳当量及t8/5的函数的函数。一般来讲碳当量越大、一般来讲碳当量越大、 t8/5越小，最高硬度越小，最高硬度Hmax越大，热影响越大，热影响区的淬硬倾向（如脆化、冷裂）越大。区的淬硬倾向（如脆化、冷裂）越大。HAZ最高硬度是反映钢种焊接性的重要标志，比碳当量更准确，最高硬度是反映钢种焊接性的重要标志，比碳当量更准确，每一钢种有其允许最大允许每一钢种有其允许最大允许Hmax 。 母材成分一定时，只能通过增加母材成分一定时，只能通过增加t8/5实现降低实现降低Hmax，也就说通过，也就说通过调整焊接工艺来改善，如预热、缓冷等。调整焊接工艺来改善，如预热、缓冷等。

30、max8/5(,)eqHf Ct国产钢硬度计算公式国产钢硬度计算公式当t8/5 M100 Hmax=52.0+147.0Pcm 81lg t8/5西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区铃木公式铃木公式max8/5H8842871 exp(lg t-y)KCKa粗略估计：粗略估计：Hmax(HV10)=140+1089Pcm 8.2t8/523715331157cmKCP26655322280cmPaK7.726.000.03cmyPC；。西安工业大学材化学院西安工业大

31、学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区(3)最低硬度最低硬度西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区2、焊接热影响区的软化、焊接热影响区的软化经过调质处理（或其它淬火的）经过调质处理（或其它淬火的）的高强钢的高强钢 和经沉淀强化及弥散和经沉淀强化及弥散强化的合金，焊接后强化的合金，焊接后HAZ出现出现软化及失强。软化及失强。（1）调质钢的软化）调质钢的软化 a.焊前回火温度

32、越低，即强化焊前回火温度越低，即强化程度越大，软化相对越严重。程度越大，软化相对越严重。b.一般软化最大部位在一般软化最大部位在AC1附近。附近。原因？原因？西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区（2）热处理强化合金）热处理强化合金HAZ的软化的软化具有热处理强化合金，可能会出现具有热处理强化合金，可能会出现HAZ的软化。的软化。比如比如LY12的过时效软化等。的过时效软化等。西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区3热影响区的脆化热影响区的脆化碳锰钢焊接热影响区的韧性分布碳锰钢焊接热影响区的韧性分布I一过热区一过热区 一完全重结晶区一完全重结晶区 一不完全重结晶区一不完全重结晶区 一蓝脆区一蓝脆区西安工业大学材化学院西安工业大学材化学院School of Material and Chemical Engineering第第4 4章章 焊接热影响区焊接热影响区3