焊接接头的组织和性能(焊接冶金与焊接性素材包)

1、20921-3A第3章焊接接头的组织(zzh)和性能3.1焊接熔池和焊缝(hn fn)3.2焊接热影响区3.3熔合区共七十九页20921-3A3.1焊接(hnji)熔池和焊缝焊接(hnji)熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的固态区域。因此，焊接(hnji)熔池和焊缝之间存在着内在的、必然的联系。也就是说，焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝的相变行为，而且受到焊接(hnji)熔池结晶行为的直接影响。共七十九页20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶(jijng)特点1.非平衡的动态结晶(1) 熔池体积小、冷却速度大焊接熔池体积小，其

2、周围被体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热(dor)条件很好，故熔池冷却速度很快，其平均值可达到100/s，约为铸造时的104倍。(2) 熔池过热、温度梯度大焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870，远高于铸造时的最高平均温度1550。共七十九页20921-3A3.1.1焊接(hnji)熔池的结晶特点(3) 熔池在动态下结晶焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的，结晶前沿随焊接热源而移动，而且焊接条件下各种( zhn)力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。2.联生结晶和竞争成长(1) 联生结晶焊接熔池的结晶过程一般是从熔池边界开始的，非自发晶核就依附在

3、半熔化的母材晶粒表面上。图3-1联生结晶及竞争成长a) 示意图b) 微观照片共七十九页20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶(jijng)特点(2) 竞争成长结晶理论告诉我们，每一种晶体点阵都存在一个结晶速度最快的最优结晶取向，而且温度梯度的方向对结晶速度也有极为重要的影响。3.结晶速度和方向动态变化(1) 结晶速度的表达式如上所述，熔池结晶总是从熔池边界处半熔化的母材晶粒上开始(kish)形核并向焊缝中心成长的。共七十九页20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶(jijng)特点(2) 成长速度和方向的变化(binhu)由式(3-2)可以看出，在焊接速度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决

4、于结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角或晶粒成长方向与焊接方向的夹角共七十九页20921-3A3.1.1焊接(hnji)熔池的结晶特点图3-2晶粒成长速度与焊接(hnji)速度的关系共七十九页20921-3A3.1.1焊接(hnji)熔池的结晶特点图3-3晶粒成长速度和方向(fngxing)的变化共七十九页20921-3A3.1.1焊接熔池的结晶(jijng)特点图3-4焊接速度对晶粒成长(chngzhng)方向的影响a) 高速焊b) 低速焊共七十九页20921-3A3.1.1焊接(hnji)熔池的结晶特点图3-5焊接速度(sd)对晶粒成长速度(sd)的影响共七十九页20921-3A3.1.1焊

5、接(hnji)熔池的结晶特点(3) 焊接速度(sd)对成长速度(sd)和方向的影响如绪论中所述，焊接速度(sd)增加时，焊接温度场的范围变小，熔池形状变得细长。共七十九页20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶(jijng)形态1.熔池结晶的典型形态(1) 平面结晶当固-液界面前方(qinfng)液相中的温度梯度G(即温度曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。图3-6平面结晶形态a) 成分过冷条件b) 形成机理示意图c) 平面晶微观照片共七十九页20921-3A3.1.2焊接(hnji)熔池的结晶形态(2) 胞状结晶

6、当固-液界面(jimin)前方液相中的温度梯度G较大时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区，如图3-7a所示。图3-7胞状结晶形态a) 成分过冷条件b) 形成机理示意图c) 胞状晶微观照片共七十九页20921-3A3.1.2焊接(hnji)熔池的结晶形态(3) 胞状树枝结晶随固-液界面前方液相中的温度梯度G的减小，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交(xingjio)的距离x增大，所形成的成分过冷区增大，如图3-8a所示。图3-8胞状树枝结晶形态a) 成分过冷条件b) 形成机理示意图c) 胞状树枝晶微观照片共七十九页20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶(

7、jijng)形态(4) 树枝状结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G进一步减小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL相交的距离(jl)x进一步增大，从而形成较大的成分过冷区，如图3-9a所示。图3-9树枝状结晶形态a) 成分过冷条件b) 形成机理示意图c) 树枝晶微观照片共七十九页20921-3A3.1.2焊接(hnji)熔池的结晶形态(5) 等轴结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G很小时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在很远处(yun ch)相交，从而在液相中形成很大的成分过冷区，如图3-10a所示。图3-10等轴结晶形态a) 成分过冷条件b) 形成机理示意图c) 等轴晶微观照片共七十九页

8、20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶(jijng)形态2.焊缝中的结晶组织(1) 结晶组织的分布在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织，如图3-12所示。(2) 焊接条件对结晶组织的影响如前所述，对结晶组织起控制作用的成分过冷主要受到熔池金属(jnsh)中溶质含量W、熔池结晶速度R和液相温度梯度G的影响。共七十九页20921-3A3.1.2焊接(hnji)熔池的结晶形态表3-1焊接参数对HY-80钢焊缝结晶(jijng)组织的影响焊接速度/(mm/min)焊接电流/状晶

9、胞状树枝晶粗大的胞状树枝晶100胞状晶细小的胞状树枝晶粗大的胞状树枝晶共七十九页20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶(jijng)形态图3-11W、R和G对结晶形态(xngti)的影响共七十九页20921-3A3.1.2焊接(hnji)熔池的结晶形态图3-12焊缝中结晶组织(zzh)的分布共七十九页20921-3A3.1.2焊接熔池的结晶(jijng)形态图3-13不同(b tn)母材的焊缝组织a) 1100Alb) Fe-15Cr-15Nic) ZM6共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织1.低碳钢焊缝的相变组织(zzh)(1) 铁素体和珠光体低碳钢焊缝具有较低

10、的含碳量，发生固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织表3-2冷却速度对低碳钢焊缝组织(zzh)和硬度的影响冷却速度/(/s)焊缝组织的体积分数(%)焊缝硬度HV铁素体珠光体18218165579211671065351853561391955040602051103862228共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织(2) 魏氏组织在发生过热的低碳钢焊缝(hn fn)中，还可能出现塑性和韧性很差的魏氏组织，如图3-14所示。图3-14低碳钢焊缝中的魏氏组织共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(

11、hn fn)的相变组织2.低合金钢焊缝(hn fn)的相变组织图3-15低合金钢焊缝相变组织的分类及形态共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织(1) 铁素体F低合金钢焊缝(hn fn)中的铁素体，具有比较复杂的形态。图3-16含有不同铁素体的低合金钢焊缝组织a) GBFb) FSPc) AFd) FGF共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织1) 先共析铁素体GBF。2) 侧板条铁素体FSP。3) 针状铁素体AF。4) 细晶铁素体FGF。(2) 珠光体P珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，是低合金钢在接近平衡状态下(如热处理时的连续冷却(lng

12、qu)过程)，在Ac1550温区内发生扩散相变的产物。图3-17含有不同珠光体的低合金钢焊缝组织a) b) c) 共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织(3) 贝氏体B贝氏体是在550Ms温区内发生的扩散-切变型相变的产物(chnw)。1) 上贝氏体Bu。2) 下贝氏体BL。3) 粒状贝氏体BG或条状贝氏体BP。(4) 马氏体M马氏体是在Ms点以下温区内发生的切变型相变的产物。1) 板条马氏体MD。共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织图3-19马氏体形态(xngti)示意图a) b) 共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的

13、相变组织图3-18含有不同(b tn)贝氏体的低合金钢焊缝组织a) b) c) 共七十九页20921-3A3.1.3焊缝(hn fn)的相变组织2) 片状马氏体MT。(5) 焊缝最终组织的构成以上介绍了低合金钢焊缝中可能(knng)出现的全部组织，但每个焊缝不可能(knng)完全包含这些组织，而只是由其中的几种组织所构成。图3-20典型低合金钢焊缝的CCT图共七十九页20921-3A3.1.4焊缝组织和性能(xngnng)的控制1.冶金方面的控制(1) 锰和硅的作用锰和硅是焊缝中最常用(chn yn)的合金化元素，它们不仅能脱氧而使焊缝得到强化，还能改变焊缝组织形态而影响焊缝的韧性。图3-21

14、锰和硅的含量对低强焊缝金属韧性的影响共七十九页20921-3A3.1.4焊缝组织和性能(xngnng)的控制(2) 钛和硼的作用在焊缝(hn fn)中加入微量的钛和硼等活性元素，能明显起到细化焊缝(hn fn)组织的作用，从而显著提高焊缝(hn fn)的韧性。图3-22钛和硼的含量对焊缝金属韧性的影响a) 钛含量的影响b) 硼含量的影响共七十九页20921-3A3.1.4焊缝组织(zzh)和性能的控制图3-23钼含量对焊缝(hn fn)金属韧性的影响共七十九页20921-3A3.1.4焊缝组织(zzh)和性能的控制(3) 钼的作用在低合金钢焊缝中只要加入少量的钼，就能降低奥氏体的分解温度，抑制

15、先共析铁素体的形成，从而(cng r)提高焊缝的强度和韧性。(4) 稀土元素的作用稀土是化学活性极强的元素，能与钢中的合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性。图3-24药皮中钇的加入量对焊缝韧性的影响共七十九页20921-3A3.1.4焊缝(hn fn)组织和性能的控制2.工艺方面(fngmin)的控制(1) 焊接工艺优化1) 工艺参数调整。2) 采用多层焊接。(2) 振动结晶与锤击处理1) 振动结晶。图3-25电磁振动对铁素体不锈钢焊缝组织的影响a) 无电磁振动b) 有电磁振动共七十九页20921-3A3.1.4焊缝(hn fn)组织和性能的控制2)

16、锤击处理。(3) 焊后热处理1) 跟踪(gnzng)热处理。2) 整体或局部热处理。共七十九页20921-3A3.2焊接(hnji)热影响区焊接热影响区是焊接接头的重要组成部分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性能发生变化的区域。由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布极不均匀，以致可能(knng)使其成为焊接接头的最薄弱环节。因此，研究热影响区在焊接热循环作用下组织和性能的变化规律，对于解决焊接问题、提高焊接质量具有十分重要的意义。共七十九页20921-3A3.2.1焊接(hnji)热影响区的组织转变特点1.焊接加热过程的组织转变特点(1) 组织转变向高温(gow

17、n)推移由于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。(2) 奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大奥氏体均质化过程也是扩散过程，由于焊接加热速度快，高温停留时间短，不利于扩散过程的进行，因而使奥氏体均质化程度降低。共七十九页20921-3A3.2.1焊接(hnji)热影响区的组织转变特点表3-3加热速度(sd)对相变温度A和A的影响钢材牌号相变温度/加热速度/(/s)平衡状态6840502503001400170045钢A730770775790840A770820835860950A-A4050607011040CrA740735750770840A780775800850

18、940A-A4040508010023MnA735750770785830A830810850890940A-A956080105110共七十九页20921-3A表3-3加热速度对相变温度(wnd)A和A的影响30CrMnSiA740740775825920A820790835890980A-A805060656018Cr2WVA7108008609301000A81086093010201120 A-A100607090120共七十九页20921-3A3.2.1焊接热影响区的组织(zzh)转变特点2.焊接冷却过程的组织转变特点(1) 组织转变向低温推移、可形成非平衡组织在奥氏体均质化程度(c

19、hngd)相同的情况下，随着焊接冷却速度的加快，钢铁材料的相变温度Ac1、Ac3以及Acm均降低。(2) 马氏体转变临界冷速发生变化在焊接热循环的作用下，熔合线附近的晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；另一方面，钢中的碳化物由于加热速度快、高温停留时间短而不能充分溶解在奥氏体中，降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。3.热影响区组织的确定方法共七十九页20921-3A3.2.1焊接热影响区的组织转变(zhunbin)特点图3-26热循环参数对CCT曲线(qxin)的影响a) 的影响b) 的影响共七十九页20921-3A3.2.1焊接热影响区的组织(zzh)转变特点图3-27

20、焊条(hntio)电弧焊的线算图共七十九页20921-3A3.2.1焊接热影响(yngxing)区的组织转变特点图3-28Q345(16Mn)钢的CCT图及对组织和硬度(yngd)的影响a) CCT图b) 对组织的影响c) 对硬度的影响共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响(yngxing)区的组织特征1.不易淬火(cu hu)钢热影响区的组织分布共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响(yngxing)区的组织特征表3-4焊接(hnji)方法对焊接(hnji)热影响区各区尺寸的影响焊接方法各区平均宽度/mm热影响区总宽/mm过热区完全重结晶区不完全重结晶区焊条电弧焊223015

21、2522306085埋弧自动焊0812081707102340电渣焊182057232530氧乙炔焊214227电子束焊005075共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响区的组织(zzh)特征图3-29冷轧态不易淬火钢焊接(hnji)热影响区的组织分布及其温度区间过热区完全重结晶区不完全重结晶区再结晶区母材共七十九页20921-3A3.2.2焊接(hnji)热影响区的组织特征(1) 过热区过热区又称粗晶区，其紧邻熔合区，峰值温度范围(fnwi)从晶粒急剧长大的温度一直到固相线的温度。图3-30Q235A钢焊接热影响区及母材的组织特征a) 过热区b) 完全重结晶区c) 不完全重结晶区d)

22、 母材共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响区的组织(zzh)特征(2) 完全重结晶区完全重结晶区又称正火区或细晶区，其峰值温度范围从Ac3一直到晶粒急剧长大的温度。(3) 不完全重结晶区不完全重结晶区又称部分相变区或不完全正火区，其峰值温度介于(ji y)Ac1Ac3之间。(4) 再结晶区焊前经过冷作硬化的钢板，在峰值温度介于500Ac1之间的热影响区中会出现一个明显的再结晶区，其组织特征为等轴晶粒。2.易淬火钢热影响区的组织分布共七十九页20921-3A3.2.2焊接(hnji)热影响区的组织特征图3-31不同类型(lixng)钢材焊接热影响区的组织分布过热区完全重结晶区不完全重结

23、晶区完全淬火区不完全淬火区回火区共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响区的组织(zzh)特征(1) 完全淬火区完全淬火区是指焊接热影响区中峰值温度达到Ac3以上的区域，它包括了相当于不易淬火钢的过热(u r)区和正火区两部分。图3-3212Cr2MoWVTiB钢焊接热影响区及母材的组织特征a) 过热区(粗大马氏体)b) 正火区(细小马氏体+少量粒状贝氏体)c) 不完全淬火区(铁素体+马氏体+粒状贝氏体+少量铁素体-碳化物)d) 母材(铁素体-碳化物)共七十九页20921-3A3.2.2焊接热影响区的组织(zzh)特征(2) 不完全淬火区不完全淬火区是指焊接热影响区中峰值温度处于Ac1A

24、c3之间的区域，它相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。(3) 回火区焊前处于调质状态的母材，热影响区中除了具有以上两个特征(tzhng)区外，还明显存在一个回火区，其峰值温度低于Ac1但高于原来调质处理的回火温度。共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能1.焊接热影响(yngxing)区的性能分布(1) 硬度的分布焊接热影响区的硬度实质是焊接影响区微观组织的反映，是评价钢种淬硬倾向的重要指标。共七十九页20921-3A3.2.3焊接(hnji)热影响区的性能表3-5低合金钢焊接热影响区中过热区微观组织(zzh)对硬度的影响微观组织的体积分数(%)硬度HV铁素体珠光

25、体贝氏体马氏体107830212107029298001981384000100393共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能1) 最高硬度(yngd)。图3-33不同钢种焊接热影响区的硬度分布a) 不易淬火的20Mn钢b) 易淬火的调质钢共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能2) 最低硬度(yngd)。共七十九页20921-3A3.2.3焊接(hnji)热影响区的性能表3-6不同强度级别(jbi)的钢种所允许的最高硬度日本钢种相当于国产钢种强度/MPa最高硬度HV调质非调质正火HW36Q345(16Mn)35352063739

26、0HW40Q390(15MnV)392559676400HW45Q420(15MnVN)441588706410380HW5014MnMoV490608725420390HW5618MnMoNb549668804420HW6312Ni3CrMoV617706843435HW7014MnMoNbB686784931450共七十九页20921-3A表3-6不同(b tn)强度级别的钢种所允许的最高硬度HW8014Ni2CrMoMnVCuB7848621030470HW9014Ni2CrMoMnVCuN8829611127480共七十九页20921-3A3.2.3焊接(hnji)热影响区的性能(2)

27、 力学性能的分布焊接热影响区最基本的力学性能就是强度和塑性，由于热影响区上微观组织的分布是不均匀的，因而强度和塑性的分布也是不均匀的，甚至在某些部位出现远低于被焊母材的情况，从而(cng r)使焊接热影响区成为整个接头的一个薄弱环节。1) 不易淬火钢热影响区的力学性能。图3-34Q345(16Mn)钢焊接热影响区的力学性能a) 各区力学性能的分布b) 冷却速度对过热区性能的影响共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能2) 易淬火(cu hu)钢热影响区的力学性能。图3-3530CrMnSiA钢焊接热影响区的强度分布共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(

28、yngxing)区的性能2.焊接(hnji)热影响区的脆化图3-36碳锰钢焊接热影响区的韧性分布过热区完全重结晶区不完全重结晶区蓝脆区共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能(1) 粗晶脆化粗晶脆化是指焊接热影响(yngxing)区因晶粒粗大而发生韧性降低的现象。(2) 组织脆化组织脆化是指焊接热影响区因形成脆硬组织而引起韧性降低的现象，具体包括片状马氏体脆化和M-A组元脆化。1) 片状马氏体脆化。2) M-A组元脆化。图3-37过热区脆性转变温度V、M-A组元数量与之间的关系a) V与M-A组元数量的关系b) M-A组元数量与的关系共七十九页20921-3A3

29、.2.3焊接(hnji)热影响区的性能图3-38焊接热输入E对过热区组织(zzh)及脆性转变温度V的影响共七十九页20921-3A3.2.3焊接热影响(yngxing)区的性能(3) 时效脆化时效脆化是指焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范围(fnwi)内经一定时间的时效后，因出现碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而发生的脆化现象，其具体包括热应变时效脆化和相析出时效脆化。1) 热应变时效脆化。2) 相析出时效脆化。共七十九页20921-3A3.2.3焊接(hnji)热影响区的性能表3-7低合金钢中常见(chn jin)的沉淀相类型尺寸/nm析出部位析出难易TiN10相内难NbC、Ti

30、C、BC100晶界及亚结构易NbC、TiC100形变诱发晶界易NbC、TiC、V(CN)10/相界易NbC、TiC、V(CN)10相内难共七十九页20921-3A3.3熔合区熔合区是介于焊缝与热影响区之间的相当窄小的过渡区，是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所组成的区域。其化学成分、微观组织和力学性能极不均匀，常常是热裂纹、冷裂纹及脆性相的发源地，从而成为焊接(hnji)接头的最薄弱环节。共七十九页20921-3A3.3.1熔合区的边界(binji)1.熔合区的理论边界(binji)2.熔合区的实际边界图3-39熔合区的边界示意图a) 理论边界b) 实际边界1焊缝2熔合区3热影响区TML理论

31、熔化线TNL理论不熔化线PML实际熔化线PNL实际不熔化线共七十九页20921-3A3.3.2熔合区的形成(xngchng)机理图3-40用于说明液相形成机理(j l)的共晶合金相图共七十九页20921-3A3.3.2熔合区的形成(xngchng)机理1.液相的形成方式(1) +AxBy共晶的直接熔化对于成分为C1的合金来讲，在其原始的相晶界处可能含有+AxBy离异共晶；而成分为C2的合金，其主要(zhyo)组成物为相和+AxBy共晶。(2) 与AxBy发生共晶反应而熔化无论是成分为C1的合金，还是成分为C2的合金，其内一般都含有大量的相和一定量的AxBy中间相。(3) 相的直接熔化对于成分为

32、C1的合金来讲，当焊前处于固溶加淬火的状态时，其内既没有AxBy中间相，也没有+AxBy共晶。共七十九页20921-3A3.3.2熔合区的形成(xngchng)机理(4) 偏析引起的直接熔化(rnghu)在一些合金材料中，由于杂质的存在以及选择结晶的结果，导致化学成分在宏观和微观上的不均匀分布。2.熔合区的组织转变共七十九页20921-3A3.3.2熔合区的形成(xngchng)机理(1) 成分略高于相最大溶解度的合金对于成分略高于相最大溶解度的合金(如成分为C2的合金)来讲，其焊前的组织组成物包括相、+AxBy共晶以及少量的AxBy中间相，焊接加热时在熔合区的不同部位(bwi)既会出现+AxBy共晶的直接熔化，也会出现与AxBy进行共晶反应而发生的熔化，同时伴随相在液相中的溶解，冷却后在不同部位得到新的相和+AxBy共晶，如图3-41所示。图3-41