第四章_热影响区组织和性能

1、第四章第四章 焊接热影响区组织和性能焊接热影响区组织和性能HAZ：热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。 本章内容：本章内容： 快速加热快速加热HAZ组织和性能组织和性能 焊接热循环参数焊接热循环参数 焊接条件组织转变特点焊接条件组织转变特点 HAZ的组织与性能的组织与性能熔合区（线）熔合区（线）过热粗晶区过热粗晶区 相变重结晶区相变重结晶区不完全结晶区不完全结晶区时效脆化区时效脆化区WeldHAZSubstrate第一节第一节 焊接热循环焊接热循环 焊接热循环焊接热循环 焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由焊接过程中热源沿焊件移动时，

2、焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化过程。低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化过程。 距焊缝不同距离的各点，所经历的热循环是不同的。距焊缝不同距离的各点，所经历的热循环是不同的。 焊接方法不同，热循环曲线的形状也发生变化。焊接方法不同，热循环曲线的形状也发生变化。距焊缝不同距距焊缝不同距离各点热循环离各点热循环1-手弧焊 2-埋弧焊 3-电渣焊一、焊接热循环的主要参数一、焊接热循环的主要参数(三三)相变温度以上停留时间相变温度以上停留时间(tH) tH长，奥氏体均质化，长，奥氏体均质化，T1100，晶粒会严重长大。晶粒会严重长大。tHt+t”。(四四)冷却速度冷

3、却速度(c)和冷却时间和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)冷却速度一般指一定温度范围内的冷却速度一般指一定温度范围内的平均冷却速度，或者是冷至某平均冷却速度，或者是冷至某一瞬时温度一瞬时温度Tc的冷却速度。的冷却速度。(一一) H H H H比热处理要快比热处理要快， H H提高，相变温度也提高，提高，相变温度也提高，奥氏体均奥氏体均质化和碳化物的溶解也越不充分。质化和碳化物的溶解也越不充分。(二二) (Tm) Tm影响金属组织和性能。影响金属组织和性能。熔合线附近过热区熔合线附近过热区 (13001350)，晶粒发生严重长大，使韧性下降，晶粒发生严重长大，使韧性下降。二、焊接热循环参数

4、计算二、焊接热循环参数计算 数值模拟数值模拟是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数变化是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数变化关系，利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。关系，利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。 随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计算速度随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现在可以也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。在计算机上用数值方法迎刃而解。 焊接热循环的参数主要焊接热循环的参数主要有峰值温度有峰值温度(最高温度最高温度)的瞬时冷

5、却速度，的瞬时冷却速度，相变温度以上的停留时间、相变敏感温以及某温度区间的冷却相变温度以上的停留时间、相变敏感温以及某温度区间的冷却时间等。时间等。焊接传热学的基本计算焊接传热学的基本计算 利用傅立叶公式和热传导微分方程（拉氏方程）利用傅立叶公式和热传导微分方程（拉氏方程）（1）傅立叶公式）傅立叶公式 19世纪初，傅立叶根据下述的假定条件，推导出单向传热的热世纪初，傅立叶根据下述的假定条件，推导出单向传热的热传导公式。传导公式。(a)所研究的传热载体是致密的，没有不连续的地方；所研究的传热载体是致密的，没有不连续的地方；(b)通过某截面的热量任何时间都是相同的。通过某截面的热量任何时间都是相同

6、的。 在截面为在截面为F的细捧上，沿的细捧上，沿S轴向流过的热量轴向流过的热量(Q)与温度梯度与温度梯度(T/S)、截面、截面(F)和传热时间和传热时间(t)成正比，即：成正比，即：许多材质并不是完全致密的，所以上式应改为微分式许多材质并不是完全致密的，所以上式应改为微分式tFSTQ tFdSdTdQ 焊接过程中，焊件在热源作焊接过程中，焊件在热源作用下，温度上升是由于输入用下，温度上升是由于输入的热能大于输出的热能，而的热能大于输出的热能，而热源离开以后，焊件温度下热源离开以后，焊件温度下降是由于输入的热能小于输降是由于输入的热能小于输出的热能。出的热能。 如沿如沿S方向输入的热能为方向输入

7、的热能为dQs，输出的热能为输出的热能为dQs+ds，则热，则热能积累为：能积累为： dQs-dQs+ds=(qs-qs+ds)Fdt 即：即： Qds=qdsFdt设设FdtdQq dSdTq，则则 体积元中热能的积累体积元中热能的积累 （2）热传导微分方程式）热传导微分方程式 热传导微分方程式是由搏立叶公式和能量守恒定律建立。热传导微分方程式是由搏立叶公式和能量守恒定律建立。 如上图所示，体积元如上图所示，体积元(dxdydz)同时由三个方向同时由三个方向(x、y、z)输入热能输入热能Qx、Qy、Qz，同时又向，同时又向x、y、z三个方向传出热能三个方向传出热能Qx+dx、Qy+dy、Qz

8、+dz。由前可知：。由前可知：dtdzdyqdtdFqQxxxdtdzdyqQdxxdxx在在X方向瞬时所积累的热能：方向瞬时所积累的热能： dtdzdydqQQdQxdxxxxdtdzdxdqdQyydtdydxdqdQzz小立方体内总共所积累的热能为：小立方体内总共所积累的热能为：dQ=dQx+dQy+dQz=-(dqxdydzdt+dqydxdzdt+dqzdydxdt)STqdxxqdqxxdyyqdqyydzzqdqzz由又有：又有：代入上式得：代入上式得：dxdydzdtzTzyTyxTxdQ另外，小立方体实际所积累的热能：另外，小立方体实际所积累的热能： dTdzdydxcdQd

9、ttTdTTazTyTxTctT2222222 （3）应用特例）应用特例 上式即热传导微分方程式，它是最基本的焊接传热计算公式。它上式即热传导微分方程式，它是最基本的焊接传热计算公式。它可以根据不同焊接条件下，推导出相应的计算公式。可以根据不同焊接条件下，推导出相应的计算公式。 例如，薄板焊接时，热能向两个方向传播例如，薄板焊接时，热能向两个方向传播(x、y)，而，而z向传热为零。向传热为零。即即2222yTxTatT0, 022zTzT细棒对接焊时，仅细棒对接焊时，仅x方向有热能传播，方向有热能传播，Y和和Z方向的传热均为零，故：方向的传热均为零，故： 22xTatT厚大焊件厚大焊件(点热源

10、点热源)：薄板（线热源）：薄板（线热源）： 时，可求最高温度时，可求最高温度Tm：点热源点热源 线热源线热源 TazTyTxTctT2222222atretET4202atyetcET42/120)(2/20234. 0rcETm0/242. 0ycETm0tT(一一)峰值温度峰值温度Tm(最高温度最高温度)的计算的计算一般方程一般方程(二二)相变温度以上停留时间相变温度以上停留时间tH的计算的计算采用经验与理论相结合的办法求解。采用经验与理论相结合的办法求解。厚大件厚大件薄板薄板f3f2)(03TTEftmH2022)()/(TTcEftmHTTTTm0厚件焊接时厚件焊接时E和和T0对对tH

11、影响影响(三三)瞬时冷却速度的计算瞬时冷却速度的计算 焊缝和熔合线附近的冷却速度几乎相同焊缝和熔合线附近的冷却速度几乎相同，最大约差，最大约差510。方。方便起见，便起见，只计算焊缝的冷却速度只计算焊缝的冷却速度。焊件厚度在焊件厚度在825mm之间，应乘以修正系数之间，应乘以修正系数K，K是无因次系数是无因次系数函数，函数，Kf( () ) 根据根据的计算值，可在图的计算值，可在图4-9上查得上查得K值，然后再算出中等厚度焊件值，然后再算出中等厚度焊件上某点的瞬时冷却速度。上某点的瞬时冷却速度。ETTKcc20)(2)(0TTcEcr00 y00tET22/1)(2/tcETtTcETTcc2

12、0)(2230)/()(2ETTcccatretET4202atyetcET42/120)(2/图4-9 K值与的关系 (四四)冷却时间的计算冷却时间的计算 一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度，并以此作为研究焊，并以此作为研究焊接热影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。接热影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。 t8/5、t8/3、t100。1 根据传热学推导的理论式根据传热学推导的理论式“临界板厚临界板厚”：随板厚的增加，冷却速度增大，而冷却时间随板厚的增加，冷却速度增大，而冷却时间t8/5变变短，当板厚增加到一定程度，则短，当板厚增加到一定程度，则c和

13、和t8/5不再变化不再变化(虽然板厚继续增虽然板厚继续增加加)，此时的板厚即称为，此时的板厚即称为“临界板厚临界板厚cr”。它的数学表达式：它的数学表达式：取取= =0.75cr为界为界 005/8800150012TTEt202025/8800150014)/(TTcEt00800150012TTcEcr0.9cr，适用于厚板，适用于厚板 0.6cr，适用于薄板，适用于薄板2 理论经验公式理论经验公式 公式的主要特点：公式的主要特点： 把诸多热物理常数把诸多热物理常数(、c等等)在大量试验的基础上用数值表示；在大量试验的基础上用数值表示； 考虑热源效率和焊件的接头形式考虑热源效率和焊件的接头

14、形式，从而使计算结果与实际接近。，从而使计算结果与实际接近。三维厚板传热：三维厚板传热：300045/880015001)10567. 0(FTTETt22020222055/880015001)103 . 4043. 0(FTTETt)8001()5001(10567. 0103 .043. 0000405TTETTcr二维薄板传热：二维薄板传热：3 3 作图法作图法 根据根据及及E，如落图上某实际初始温度以上时，将按三维传热公，如落图上某实际初始温度以上时，将按三维传热公式计算，以下时则按二维传热公式计算。式计算，以下时则按二维传热公式计算。 确定三维传热或二维传热后，确定三维传热或二维传

15、热后，也也可以用作图法求出可以用作图法求出t8/5之值，之值，可可以免去复杂的计算。以免去复杂的计算。二维传热时不同二维传热时不同、E及及T0与与t8/5的关系的关系 根据根据E及及T0可查出可查出t8/5之之值值。 线算图线算图 手弧焊时，如果不预热，可根据板厚手弧焊时，如果不预热，可根据板厚(如如10mm)和所选用和所选用的焊接线能量的焊接线能量(如如18kJ/cm)直接连线直接连线(1)，在，在(A)点可以直接得出点可以直接得出t8/5。如果预热。如果预热200时，再由时，再由(A)点与预热点与预热200连直线连直线(2)，在，在(B)点即可得出预热点即可得出预热200的的t8/5。手弧

16、焊手弧焊t8/5和和t8/3线算图线算图 峰值温度冷至峰值温度冷至100的冷却时间对冷裂有重要影响，为此常的冷却时间对冷裂有重要影响，为此常采用采用t100作为冷裂倾向的参数之一。作为冷裂倾向的参数之一。 由图可查出不同焊接线能量、不同板厚和预热温度时的由图可查出不同焊接线能量、不同板厚和预热温度时的t100。 冷却时间冷却时间t100与与E、 、T0的关系的关系 例题：低碳钢厚大件上堆焊。求：例题：低碳钢厚大件上堆焊。求： (1)熔合线上（熔合线上（Tm=1500）900以上停留时间？以上停留时间？ (2)T=650的瞬时冷却速度？的瞬时冷却速度？ (3)若若=20mm，650瞬时冷却速度？

17、瞬时冷却速度？ 焊接规范：焊接规范：I=300 A, U=30 V, Vb=7m/h=0.2 cm/s, =0.42 J/(cms)，c=5.25 J/(cm3)，=0.7解：解：q= IU=6300(J/s)(1) 取取T0=0, 则则=(900-0)/(1500-0)=0.6, 查表查表4-6(P165)得得f3=0.174 E=q/V=31500(J/cm) tH=f3E/(Tm-T0)=8.7(s); (2) 650=35(/s) 若此冷却速度太大，必须降到若此冷却速度太大，必须降到20/s，才能保证焊接质量，可调，才能保证焊接质量，可调节焊接线能量。节焊接线能量。 1/2=E2/E1

18、，E2=55125J/cm t8/5=8.96s(3) =20mm，介于，介于258之间，先求修正系数之间，先求修正系数K=f() =E/c(Tc-T0)=1.47,查图查图4-9，得，得K=0.5 c=K =17.5/s)(03TTEftmHETTcc20)(2005/ 8800150012TTEt三、多层焊热循环的特点三、多层焊热循环的特点 焊接生产中，采用多层多道焊接，特别是厚板结构。焊接生产中，采用多层多道焊接，特别是厚板结构。 多层焊分为多层焊分为“长段多层焊长段多层焊”和和“短段多层焊短段多层焊”。(一一)长段多层焊焊接热循环长段多层焊焊接热循环 长段多层焊，焊缝的长度一般长段多层

19、焊，焊缝的长度一般1m以上，第二层时，第一层已基以上，第二层时，第一层已基本冷至本冷至100200。相邻各层之间有依次热处理作用。相邻各层之间有依次热处理作用。淬硬倾向较大的钢，不适于长段多层焊接。淬硬倾向较大的钢，不适于长段多层焊接。焊第一层以后，焊接第焊第一层以后，焊接第二层之前，近缝区或焊缝由于淬硬倾向较大而产生裂纹。二层之前，近缝区或焊缝由于淬硬倾向较大而产生裂纹。(二二)短段多层焊焊接热循环短段多层焊焊接热循环 短段多层焊，焊缝长度约为短段多层焊，焊缝长度约为50400mm，未等前层焊缝冷却到未等前层焊缝冷却到较低温度较低温度(如如Ms点点)就开始焊接下一道焊缝。就开始焊接下一道焊缝

20、。 近缝区近缝区1点和点和4点所经历的焊接热循环是比较理想的。点所经历的焊接热循环是比较理想的。 1点，点，Ac3以上停留时间较短，避免晶粒长大；减缓以上停留时间较短，避免晶粒长大；减缓Ac3以下的冷以下的冷却速度，从而防止淬硬组织产生。却速度，从而防止淬硬组织产生。 4点点，是在预热后焊接，如焊缝的长度控制合适，那么，是在预热后焊接，如焊缝的长度控制合适，那么Ac3以上以上停留时间仍可很短，使晶粒不易长大。停留时间仍可很短，使晶粒不易长大。短段多层焊热循环短段多层焊热循环a) 1点的热循环点的热循环 b) 4点的热循环点的热循环 第二节第二节 焊接热循环条件金属组织转变特点焊接热循环条件金属

21、组织转变特点 焊接与热处理条件比较焊接与热处理条件比较 (1)加热的温度高加热的温度高 (2)加热的速度快加热的速度快 (3)高温停留时间短高温停留时间短 (4)自然条件下连续冷却自然条件下连续冷却 (5)局部加热局部加热加热温度加热温度加热速度加热速度tH冷却条件冷却条件加热方式加热方式热处热处理理Ac3+l00200较慢较慢根据需要根据需要控制控制可选择可选择整体整体焊接焊接熔合线达熔合线达Tm，一般，一般1350很快很快很短很短自然自然局部局部一、焊接时加热过程组织转变的特点一、焊接时加热过程组织转变的特点不同焊接方法加热速度不同焊接方法加热速度4540Cr1 相变温度升高相变温度升高加

22、热速度越快，被焊金属加热速度越快，被焊金属的相变点的相变点Ac1和和Ac3的温度的温度越高越高，而且而且Ac1和和Ac3之间之间的温差越大。的温差越大。P、FA，扩散相变，有，扩散相变，有孕育期。孕育期。快速加热时，来快速加热时，来不及完成扩散过程所需的不及完成扩散过程所需的孕育期，必然会引起相变孕育期，必然会引起相变温度提高。温度提高。含有含有K形成元素钢，加热形成元素钢，加热速度增大，相变温度升高速度增大，相变温度升高更多。更多。合金元素的扩散速合金元素的扩散速度小，阻碍碳的扩散度小，阻碍碳的扩散，孕，孕育期更长，对相变点影响育期更长，对相变点影响更大。更大。 加热速度加热速度对对Ac1与

23、与Ac3温差的影响温差的影响A形核的孕育期较短，形核的孕育期较短，Ac1提高较小。提高较小。F向向A中溶解，需中溶解，需Fe、C原子做长距离扩散，孕育期较长，原子做长距离扩散，孕育期较长，Ac3提提高较大。高较大。加热速度与金属的相变点加热速度与金属的相变点Ac1和和Ac3的关系的关系2 A的均匀化的均匀化 A刚转变完，成分不均匀，原刚转变完，成分不均匀，原Fe3C处处C量高，甚至还存有未溶解量高，甚至还存有未溶解的的K。 高温停留时间较长，则可通过扩散，使高温停留时间较长，则可通过扩散，使A成分均匀化。成分均匀化。 焊接条件下加热速度快和相变以上停留时间短，不利于扩散过程，焊接条件下加热速度

24、快和相变以上停留时间短，不利于扩散过程，A均质化的程度很差，导致冷却过程相变组织和性能不均匀均质化的程度很差，导致冷却过程相变组织和性能不均匀。 对对45钢热模拟试验：钢热模拟试验： H=300/s，t900=3s，Hv=450 ，硬度值较分散，硬度值较分散 H=70/s，t900=100s，Hv=200，硬度值分散较小。，硬度值分散较小。3 A晶粒长大晶粒长大 A的形成是晶格改组和原子扩散过程的形成是晶格改组和原子扩散过程. 温度越高，温度越高，A晶粒长大速度越快。晶粒长大速度越快。板厚（mm）tH（s）晶粒尺寸（mm）备注手弧焊10200.10.3不严重不严重埋弧焊1520301000.3

25、0.4明显长大明显长大电渣焊10030060020000.40.6严重长大严重长大影响晶粒长大的因素：影响晶粒长大的因素：（1）Tm（2）tH（3）H和和c（4）合金元素：）合金元素：C、N化物元素阻碍化物元素阻碍C扩散，阻碍长大扩散，阻碍长大二、焊接时冷却过程组织转变的特点二、焊接时冷却过程组织转变的特点 焊接热影响区所经历的热过程与热处理条件下有显著不同，焊接热影响区所经历的热过程与热处理条件下有显著不同，因此因此冷却过程的组织转变也必然有很大的差异。冷却过程的组织转变也必然有很大的差异。 以以45钢和钢和40Cr钢为例，钢为例，主要主要研究焊接热影响区熔合线附近研究焊接热影响区熔合线附近

26、 。 两种情况的加热和冷却过程如图两种情况的加热和冷却过程如图4-20。TM-金属熔点金属熔点 Tm-峰值温度峰值温度 tH-加热时间加热时间tm-热处理加热时间热处理加热时间 tB-热处理保温时间热处理保温时间采用焊接热模拟和快速相变仪，测得两种钢在两种情况下采用焊接热模拟和快速相变仪，测得两种钢在两种情况下CCT图。图。45钢钢在焊接条件比在热处理条在焊接条件比在热处理条件下的件下的CCT曲线稍曲线稍向右移向右移。相相同冷却速度条件下，焊接时比同冷却速度条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。热处理时的淬硬倾向大。实线实线-焊接焊接 虚线虚线-热处理热处理45钢40Cr钢40Cr钢在焊接条件

27、比热处理钢在焊接条件比热处理条件下的条件下的CCT曲线曲线向左移动向左移动，同样冷却速度下焊接时比热同样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾向小。处理时的淬硬倾向小。45钢：钢：c=30/s，焊接时可得到，焊接时可得到92马氏体，而热处理时只得到马氏体，而热处理时只得到69马氏体。马氏体。40Cr40Cr：焊接条件下焊接条件下c= =36/s时，可得到时，可得到100的马氏体，而热处的马氏体，而热处理条件下只要理条件下只要22/s即可得到即可得到l00马氏体。马氏体。 表表4-9 焊接及热处理条件下的组织百分比焊接及热处理条件下的组织百分比 括号括号内为内为热处热处理状理状态态原因原因：合金元素

28、只有充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体合金元素只有充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体的稳定性的稳定性(即增加淬硕倾向即增加淬硕倾向)。 热处理条件下，合金元素有充分的时间向奥氏体内部溶解。热处理条件下，合金元素有充分的时间向奥氏体内部溶解。 焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合金元素不能充焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合金元素不能充分地溶解在奥氏体中，因此降低了淬硬倾向。分地溶解在奥氏体中，因此降低了淬硬倾向。 45钢，不存在碳化物的溶解过程，且焊接条件下，近缝区组织钢，不存在碳化物的溶解过程，且焊接条件下，近缝区组织粗化，故淬硬倾向比热处理条件下要大。粗化，故淬硬倾向

29、比热处理条件下要大。焊接条件下的组织转变特点不仅与等温转变不同，也与热处理条焊接条件下的组织转变特点不仅与等温转变不同，也与热处理条件下连续冷却组织转变不同。件下连续冷却组织转变不同。不能机械地利用热处理条件下的相变理论来解决焊接条件下的组不能机械地利用热处理条件下的相变理论来解决焊接条件下的组织转变问题，必须根据焊接热循环的特点建立焊接条件下组织织转变问题，必须根据焊接热循环的特点建立焊接条件下组织转变转变的理论。的理论。三、焊接条件下三、焊接条件下CCT图建立及其应用图建立及其应用1 焊接焊接CCT图建立图建立 基于焊接热模拟技术建立的，建立基于焊接热模拟技术建立的，建立CCT图的工图的工

30、作比较复杂，需要作大量的实验工作。作比较复杂，需要作大量的实验工作。一般新钢种投产前测出其一般新钢种投产前测出其CCT图，从而方便地查出一定焊接工图，从而方便地查出一定焊接工艺下艺下HAZ的组织和性能，并能作为制定焊接工艺的依据。的组织和性能，并能作为制定焊接工艺的依据。2 焊接焊接CCT的应用的应用（1）预测热影响区的组织和性能，评定）预测热影响区的组织和性能，评定HAZ冷裂倾向。冷裂倾向。根据原始的工艺条件，可计算根据原始的工艺条件，可计算HAZ的的t8/5，可在图上查出相应的，可在图上查出相应的组织和硬度。这样可预先判断组织和硬度。这样可预先判断HAZ的性能，淬硬倾向及产生冷的性能，淬硬

31、倾向及产生冷裂纹的可能性。裂纹的可能性。（2）可以作为调节焊接工艺参数和改进工艺）可以作为调节焊接工艺参数和改进工艺(预热、后热及焊后热预热、后热及焊后热处理等处理等)的依据。的依据。 调整调整E,T0，重新计算，重新计算t8/5，作组织和硬度预测，直到满意为止。，作组织和硬度预测，直到满意为止。 因此，建立焊接条件下的因此，建立焊接条件下的CCT图和图和t8/5与组织硬度的分布图对于与组织硬度的分布图对于焊接性分析和提高焊接接头的质量具有十分重要的意义。焊接性分析和提高焊接接头的质量具有十分重要的意义。当当t8/5=10s时，组织为时，组织为M(97%)+B(3%)，HV450对应对应CCT

32、图：图：450开始开始B转变，转变，420结束，开始结束，开始M转变。转变。由于组织中由于组织中M量多，量多，HV高，具高，具有一定的冷脆性，冷裂倾向大。有一定的冷脆性，冷裂倾向大。应用举例应用举例 16Mn钢钢3 影响影响CCT图的因素图的因素(1)母材化学成分的影响母材化学成分的影响 除钴外，固溶于奥氏体合金元素都使除钴外，固溶于奥氏体合金元素都使C曲曲线向右移，即增加淬便倾向线向右移，即增加淬便倾向，降低，降低Ms点，其中以碳影响最大。点，其中以碳影响最大。(2)冷却速度的影响冷却速度的影响 冷却速度不同，可得到不同的转变产物。冷却速度不同，可得到不同的转变产物。 冷却速度的增大，冷却速

33、度的增大，A A1 1、A A3 3、A Acmcm均移向更低的温度均移向更低的温度。 共析成分也由共析成分也由0.830.83C C转为转为0.4-0.80.4-0.8C C，在快速冷却条件下，在快速冷却条件下，0.40.4C C的钢就可以得到全部为珠光体的组织（伪共析组织）。的钢就可以得到全部为珠光体的组织（伪共析组织）。 冷却速度增大时，冷却速度增大时，Ms有所上升，并且会改变有所上升，并且会改变M形态形态。因为增大冷。因为增大冷却速度使却速度使M增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，M就由条状变为片状。就由条状变为片状。(3)峰值温

34、度的影响峰值温度的影响：Tm越高，过冷越高，过冷A的稳定性加大，也会使的稳定性加大，也会使A晶粒粗晶粒粗化，化，CCT图向下和向右移动。图向下和向右移动。 峰峰值值温温度度的的影影响响(4)晶粒粗化的影响晶粒粗化的影响 近缝区强烈过热近缝区强烈过热而使晶粒发生严重长大，影响接头性而使晶粒发生严重长大，影响接头性能，增大裂纹倾向。能，增大裂纹倾向。峰值温度附近晶粒长大的速度最快，峰值温度附近晶粒长大的速度最快，温度下降，晶粒长大的趋势并不减弱，温度下降，晶粒长大的趋势并不减弱，到到1100略有下降，达到一定尺寸后略有下降，达到一定尺寸后就不再长大。就不再长大。焊接条件下，奥氏体晶粒不但在加焊接条

35、件下，奥氏体晶粒不但在加热过程中长大，而且在冷却过程也在热过程中长大，而且在冷却过程也在长大，即长大，即晶粒长大的晶粒长大的“热惯性热惯性”。晶粒越粗大，晶界总面积越少，减晶粒越粗大，晶界总面积越少，减少了形核的机会，也就不利于奥氏体少了形核的机会，也就不利于奥氏体的转变。的转变。(5)应力应变的影响应力应变的影响 焊接时不可避免地会产生热应力、组织应力，以及拘束应力。焊接时不可避免地会产生热应力、组织应力，以及拘束应力。 拉伸应力会明显地降低奥氏体的稳定性，使拉伸应力会明显地降低奥氏体的稳定性，使CCT曲线明显地向曲线明显地向左上方偏移。左上方偏移。应力和应变都会增加奥氏体的内能，从而加速扩

36、应力和应变都会增加奥氏体的内能，从而加速扩散过程，有利扩散型相变的进行。散过程，有利扩散型相变的进行。 应力应变同样也影响到马氏体转变，拉伸应力可促进马氏体转应力应变同样也影响到马氏体转变，拉伸应力可促进马氏体转变，即变，即Ms升高和马氏体转变量增加。升高和马氏体转变量增加。 切应力能促进马氏体转变，正压应力则会阻碍马氏体转变切应力能促进马氏体转变，正压应力则会阻碍马氏体转变有应力无应力第三节第三节 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一、焊接热影响区的组织分布 (一一)不易淬火钢不易淬火钢 熔合区熔合区 过热区过热区 相变重结晶区相变重结晶区(正火区正

37、火区) 不完全重结晶区不完全重结晶区 再结晶区再结晶区 Tm=(450500)Ac1 蓝脆区蓝脆区 Tm=200500图图4-29 焊接热影响区分布特征焊接热影响区分布特征1-熔合区熔合区 2-过热区过热区 3-相变重结晶区相变重结晶区4-不完全重结不完全重结晶区晶区 5-母材母材 6-淬火区淬火区 7-部分淬火区部分淬火区 8-回火区回火区焊接低碳钢的魏氏组织焊接低碳钢的魏氏组织（二）淬硬倾向较大的钢种焊接（二）淬硬倾向较大的钢种焊接1 完全淬火区完全淬火区 HAZ处于处于Ac3以上区域，焊后得到淬火组织。以上区域，焊后得到淬火组织。 过热区过热区，由于由于A晶粒严重长大，为粗大的晶粒严重长

38、大，为粗大的M；正火区得到细小；正火区得到细小M。 根据根据c和和E的不同，可出现的不同，可出现B，形成混合组织，形成混合组织M+B。16Mn钢过热区的粒贝组织钢过热区的粒贝组织 a)熔合区熔合区400 b)过热粗晶区过热粗晶区400 图图4-33 快速加热及冷却时的快速加热及冷却时的M-F组织组织a)加热前加热前 b)加热后加热后 c)淬火后淬火后 P-珠光体珠光体 F-铁素体铁素体 A-奥氏体奥氏体 M-马氏体马氏体 2 不完全淬火区不完全淬火区 温度在温度在Ac1Ac3，P、B、S A，F很少溶入很少溶入A。快冷时，快冷时，AM。原。原F保持不变，且有所长大，形成保持不变，且有所长大，形

39、成M-F的组织。的组织。碳及合金元素含量不高或冷却速度较小时，可能出现碳及合金元素含量不高或冷却速度较小时，可能出现S和和P。当冷却速度中等时，出现当冷却速度中等时，出现M-A组元。组元。3 回火区回火区 TmAc1，HAZ组织与性能与母材焊前热处理状态有关：组织与性能与母材焊前热处理状态有关： 焊前是完全退火态焊前是完全退火态 冷加工时有再结晶恢复，冷加工时有再结晶恢复，HB基本不变。基本不变。 焊前是完全淬火态焊前是完全淬火态 距焊缝越近的点，经历的距焊缝越近的点，经历的Tm越高，回火作用越大，越高，回火作用越大，HB越低。越低。 焊前是调质状态焊前是调质状态 组织和性能发生的变化程度决定

40、于焊前调质状态的回火温度。组织和性能发生的变化程度决定于焊前调质状态的回火温度。 Tm回火温度回火温度Tt ，出现软化现象。，出现软化现象。焊缝金属焊缝金属熔合区熔合区母材母材不完全重结晶不完全重结晶过热区过热区相变重相变重结晶区结晶区16Mn焊接焊接HAZ焊接热影响区的温度分布与状态图的关系焊接热影响区的温度分布与状态图的关系HAZ的组织分布的组织分布铁碳状态图铁碳状态图热循环热循环Tm-峰值温度峰值温度 TG-晶粒长大温度晶粒长大温度二、焊接热影响区的性能二、焊接热影响区的性能 焊接热循环作用下产生焊接热循环作用下产生HAZ性能不均匀性能不均匀(组织分布不均匀组织分布不均匀)。 焊缝可以通

41、过化学成分调整再配合适当焊接工艺来保证性能的焊缝可以通过化学成分调整再配合适当焊接工艺来保证性能的要求要求. 性能包括：性能包括： HAZ的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐性能和疲劳性能等。性能和疲劳性能等。 上述为整个接头的平均性能，不能反映上述为整个接头的平均性能，不能反映HAZ某个部位某个部位(如过热粗如过热粗晶区、相变重结晶区等晶区、相变重结晶区等)的实际性能。的实际性能。 “焊接热模拟、应力应变模拟技术焊接热模拟、应力应变模拟技术”，可以将一定尺寸的整体，可以将一定尺寸的整体金属进行模拟，使之与实际焊接过程中某部位相同

42、的热循环和金属进行模拟，使之与实际焊接过程中某部位相同的热循环和相应的应力应变循环，然后加工成所需的试件进行各种性能试相应的应力应变循环，然后加工成所需的试件进行各种性能试验验。(一一)焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬化常用常用HAZHAZ(一般在熔合区一般在熔合区)的的Hmax来间接判断来间接判断HAZHAZ的性能，如强度、韧的性能，如强度、韧性、脆性和抗裂性等。性、脆性和抗裂性等。一般一般HV，b,k,冷裂倾向增大。冷裂倾向增大。 1 硬度分布硬度分布 熔合区硬度最高，距熔合区越远，硬熔合区硬度最高，距熔合区越远，硬度逐渐接近母材。度逐渐接近母材。 (a) 冷速越大，冷速越大，M越越多，

43、多，HV越大。越大。(b) C比合金元素的影响更大：比合金元素的影响更大：高高C、M可达可达600 HV ，低碳，低碳M近近350HV。 2 碳当量碳当量 Carbon Equivalent，简称，简称Ceq或或CE，是反映钢中化学成是反映钢中化学成分对硬化程度的影响。分对硬化程度的影响。 把把钢中合金元素钢中合金元素(包括碳包括碳)按其对淬硬性按其对淬硬性(包括冷裂、脆化等包括冷裂、脆化等)的影响的影响程度，折合成碳的相当含量。程度，折合成碳的相当含量。国际焊接学会5156)(VMoCrNiCuMnCCEIIW日本焊接学会144540246)(VMoCrNiSiMnCCeqWESBVMoNi

44、CrCuMnSiCPcm51515602030005. 032)(IIWcmCECPCEN，Pcm，Pcm 见教材见教材 P192、1933 碳当量及碳当量及t8/5与与HAZ最高硬度最高硬度Hmax的关系的关系(1) Hmax与碳当量的关系（低合金钢）与碳当量的关系（低合金钢）Hmax=559CEIIW+100 Hmax=1274 Pcm+45 (2)(2)冷却时间冷却时间t8/5与与HAZ最高硬度的关系最高硬度的关系t8/5M100，Hmax=52+147Pcm-81lgt8/5(4)(4)国产低合金钢简化计算公式：国产低合金钢简化计算公式：Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8

45、.2t8/5lgM100=2.63C+8.35Pv-6.57t8/5Pv-另一碳当量计算公式另一碳当量计算公式 P195M100-HAZ组织全部为组织全部为M时的时的t8/5，此时硬度，此时硬度巳达饱和值，与巳达饱和值，与t8/5无关，只与钢中含碳量无关，只与钢中含碳量有关。有关。Hmax与与t8/5及及Pcm关系关系(3)(3)铃木公式铃木公式 P195P195不同强度级别钢允许的最大硬度不同强度级别钢允许的最大硬度Hmax(二二)焊接热影响区脆化焊接热影响区脆化 HAZ脆化：脆化：粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆化及石墨脆化等

46、。氢脆化及石墨脆化等。过热粗晶区过热粗晶区A1以下的时效脆化区。以下的时效脆化区。900左右细晶区韧性最好左右细晶区韧性最好C、Mn钢钢HAZ脆化分布脆化分布晶粒直径晶粒直径d 对对VTrs的影响的影响1 粗晶脆化粗晶脆化 熔合线附近和过热区熔合线附近和过热区将发生严重的晶粒粗化。将发生严重的晶粒粗化。K形成元素会阻碍晶界迁移，防止形成元素会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。晶粒长大。18Cr2WV钢，含钢，含Cr、W、V等合等合金元素，晶粒长大受到抑制。金元素，晶粒长大受到抑制。23Mn和和45钢，不含碳化物元素，钢，不含碳化物元素，加热超过加热超过1000时晶粒显著长大。时晶粒显著长大。晶粒越粗

47、，脆性转变温度越高，脆性越大。晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性越大。粗晶脆化常常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加。粗晶脆化常常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加。淬硬倾向较小的钢，淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶粒长大所致；粗晶脆化主要是晶粒长大所致；易淬火钢易淬火钢，主要是，主要是产生脆性组织产生脆性组织所造成所造成(MT、非平衡态、非平衡态Bg，以及组，以及组织遗传等织遗传等)。2 组织脆化组织脆化 HAZ出现脆硬组织而造成的，根据被焊钢种的不同和出现脆硬组织而造成的，根据被焊钢种的不同和焊接时的冷却条件不同，在焊接时的冷却条件不同，在HAZ可能出现不同的脆性组织。可能出现不同

48、的脆性组织。 低碳低合金钢，低碳低合金钢，HAZ出现出现MD和和B下下，有改善，有改善HAZ韧性的作用，韧性的作用，从而提高抗脆能力。从而提高抗脆能力。 含碳较高的钢含碳较高的钢(C0.2)，焊接，焊接HAZ可能出现可能出现MT，脆性增大。，脆性增大。M-A组元组元上贝氏体上贝氏体魏氏组织魏氏组织组织遗传组织遗传组织脆化组织脆化(1)M-A组元脆化组元脆化高温高温A冷却冷却中温中温析出析出F(C) Ar(C)继续继续冷却冷却快冷快冷，形成，形成M(t8/550s)中等冷速中等冷速，M-A(t8/5=2050s)F F的基体上分布有粒状或块状的高碳的基体上分布有粒状或块状的高碳A A小岛小岛，可

49、转变为可转变为M-A组元组元 Fig 4-45Fig 4-45。M-A组元增多，组元增多，VTrs，HAZ脆化。脆化。回火有助于回火有助于M-A分解，改善韧性。分解，改善韧性。HT80钢钢 HT80钢粗晶区钢粗晶区t8/5与与VTrs关系关系M-A组元脆化原因：组元脆化原因：残余奥氏体增碳后易于形成残余奥氏体增碳后易于形成MT，裂纹沿裂纹沿M-A组元的边界扩展。组元的边界扩展。M-A组元存在时，成为潜在的裂源，组元存在时，成为潜在的裂源，起吸氢和应力集中作用。起吸氢和应力集中作用。(2)析出脆化析出脆化 焊接区时效或回火过程中，从非稳态固溶体中沿晶界焊接区时效或回火过程中，从非稳态固溶体中沿晶

50、界析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，由于新相析出，使金属或合金强度、硬度和脆性提高。由于新相析出，使金属或合金强度、硬度和脆性提高。 析出物较小，位错运动可自由地穿过析出物间距析出物较小，位错运动可自由地穿过析出物间距，韧性较好。，韧性较好。 析出质点增多，发生聚集，位错运动阻力增大。析出质点增多，发生聚集，位错运动阻力增大。 当析出物增多，当析出物增多，=0时，位错运动阻力最大，金属硬度时，位错运动阻力最大，金属硬度(脆化脆化)可可达最大值。达最大值。 时效时间延长，新的析出物减少，原析出物发生聚集，析出物间时效时

51、间延长，新的析出物减少，原析出物发生聚集，析出物间增大，位错运动恢复，韧性提高，脆性减弱。增大，位错运动恢复，韧性提高，脆性减弱。析出脆化的机理：析出脆化的机理：从固溶体中析出从固溶体中析出的间隙原子的间隙原子(如如C、N)时，常排列在时，常排列在位错周围，形成所谓位错周围，形成所谓“科氏气科氏气团团”(Cottrell)，析出物，析出物(碳、氮化物碳、氮化物或其他金属间化合物等或其他金属间化合物等)同样也会形同样也会形成成“科氏气团科氏气团”，阻碍位错运动。，阻碍位错运动。(3)遗传脆化遗传脆化(Embrittlement of Heredity) 组织遗传：组织遗传：非平衡组织加热到非平衡

52、组织加热到Ac3以上，以上，Tr以下时，过热组织基本保留粗晶组以下时，过热组织基本保留粗晶组织的大小和形貌。（除了在晶界或亚晶界出现不连续的等轴晶。）织的大小和形貌。（除了在晶界或亚晶界出现不连续的等轴晶。）焊接焊接HAZ的加热速度很快，高强钢多层焊时，第一焊道粗晶区处于第二焊道正的加热速度很快，高强钢多层焊时，第一焊道粗晶区处于第二焊道正火区，具备了产生这种组织遗传的基本条件，即有序的粗晶组织和快速加热。火区，具备了产生这种组织遗传的基本条件，即有序的粗晶组织和快速加热。过热粗晶组织基本上保留了原始组织的大小和晶体学关系过热粗晶组织基本上保留了原始组织的大小和晶体学关系遗传脆化条件：遗传脆化

53、条件：淬硬倾向的调质钢淬硬倾向的调质钢; 快速加热冷却非平衡组织快速加热冷却非平衡组织原始平衡组织原始平衡组织原始非平衡组织原始非平衡组织无序转变无序转变有序转变有序转变Tr-A自发再结晶温度自发再结晶温度晶粒边界效应晶粒边界效应 晶粒周界或亚晶界出现成串非连续等轴细晶现象晶粒周界或亚晶界出现成串非连续等轴细晶现象。 40CrNi2Mo钢热模拟粗晶区经钢热模拟粗晶区经915二次热循环后的显微组织，二次热循环后的显微组织，粗晶粒并未细化，而在晶粒边界出现了许多等轴细晶粗晶粒并未细化，而在晶粒边界出现了许多等轴细晶(晶粒边界晶粒边界效应效应)，即出现组织遗传。，即出现组织遗传。原始原始粗晶区粗晶区

54、Akv=5.5J，MD和少量和少量 MT，再次热循环再次热循环(Tm=915)后，后，Akv=4.7J，MT增多，并有少量增多，并有少量M-A组元出现。组元出现。遗传脆化原因：遗传脆化原因：保留了原粗晶区的晶粒结构和位向；保留了原粗晶区的晶粒结构和位向； 晶粒边界效应；晶粒边界效应； 出现出现M-A组元。组元。3 HAZ的热应变时效脆化的热应变时效脆化 制造焊接结构，需进行各种加工，由这制造焊接结构，需进行各种加工，由这些加工引起的脆化称为热应变时效脆化些加工引起的脆化称为热应变时效脆化(简称简称HSE)。(1)静应变时效脆化静应变时效脆化 在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化在室温或低温

55、下受到预应变后产生的时效脆化现象。强度和硬度增高，而塑性、韧性下降。现象。强度和硬度增高，而塑性、韧性下降。(2)动应变时效脆化动应变时效脆化 较高温度下，特别是较高温度下，特别是200400温度范围的预温度范围的预应变所产生的时效脆化现象。（应变和时效同时发生。）应变所产生的时效脆化现象。（应变和时效同时发生。） 蓝脆性蓝脆性 属于动应变时效脆化现象。属于动应变时效脆化现象。 应变时效脆化的机理：应变时效脆化的机理：是碳、氮原子聚集在位错周围形成所谓是碳、氮原子聚集在位错周围形成所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎作用所引起。气团，对位错产生钉扎作用所引起。 用试验评价钢材热应变时效脆化

56、敏感性，用试验评价钢材热应变时效脆化敏感性， 接头开缺口的位置可分为两种情况：接头开缺口的位置可分为两种情况： 一种是缺口尖端位于亚热影响区；另一种是缺口尖端位于先已一种是缺口尖端位于亚热影响区；另一种是缺口尖端位于先已焊完的横焊缝熔合区。焊完的横焊缝熔合区。 试件又分为焊前开缺口试件又分为焊前开缺口(BWN)和焊后开缺口和焊后开缺口(AWN)，NWN为无为无预应变母材开缺口。预应变母材开缺口。亚热影响区亚热影响区焊缝熔合区焊缝熔合区a、b相比，亚热影响相比，亚热影响区以区以焊前开缺口焊前开缺口(BWN)的热应变脆化严重的热应变脆化严重，说，说明钢经焊接之后有明显明钢经焊接之后有明显的热应变脆

57、化倾向。的热应变脆化倾向。a与与c相比，当缺口开相比，当缺口开在已焊完横焊缝的熔合在已焊完横焊缝的熔合区时，比缺口位于亚热区时，比缺口位于亚热影响区时的效应变脆化影响区时的效应变脆化更为严重。更为严重。亚热影响区亚热影响区熔合区熔合区钢中钢中Cr,V,Mo,Al等碳、氮化物元素，可降低热应变脆化程度。等碳、氮化物元素，可降低热应变脆化程度。 如以如以c=0.2为为临界转变温度为为临界转变温度VTrs，SM50的熔合区可使的熔合区可使VTrs提高提高约约85，而，而HT80钢使钢使VTrs提高提高65。SM50HT80焊接线能量、预热温度、层间温度以及预应变的程度等对焊接线能量、预热温度、层间温度以及预应变的程度等对HSE均均有影响。有影响。(三三)焊接热影响区的韧化焊接热影响区的韧化