第四章-热影响区课件

本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀加热和冷却影起热影响区组织性能的变化，进行系统地讨论

本章主要根据低合金高强钢焊接过程中，由于快速不均匀加热1基本概念：

1.热影响区（HeatAffectedZone，简称HAZ）：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区示意图4-1基本概念：

1.热影响区（HeatAffectedZ2第四章-热影响区课件3第一节焊接热循环焊接热循环的概念焊接过程中热源沿焊件移动时，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称为焊接热循环第一节焊接热循环4一、焊接热循环的主要参数

（一）加热速度（ωH）

ωH=dT/dtωH

T相变

A均质化和碳化物溶解越不充分（二）加热的最高温度（Tm）

低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高（1300～1350℃），晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降一、焊接热循环的主要参数5（三）在相变温度以上的停留时间（tH）高温停留时间tH为焊接加热和冷却过程中在相变温度以上的停留时间，分为加热过程的停留时间t′和冷却过程的停留时间t′′tH＝t′＋t′′tH越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但tH越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100℃以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。（三）在相变温度以上的停留时间（tH）6（四）冷却速度（ωc）和冷却时间

（t8／5、t8／3、t100等）1.冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际应用中常用冷却时间t8／5、t8／3或t100来表述焊接冷却过程2.t8／5、t8／3为焊接冷却过程中温度从800~500℃或800~300℃的冷却时间3.t100为焊后冷却到100℃所花时间（四）冷却速度（ωc）和冷却时间

（t7（一）长段多层焊焊接热循环1.长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷至较低的温度（一般在100～200℃以下），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作用，不适用于淬硬倾向较大的钢种

2.焊接热循环的变化如图4－17所示。二、焊接热循环的形式二、焊接热循环的形式8（二）短段多层焊焊接热循环

1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为50～400mm），未等前层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始焊接下一道焊缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种

2.短段多层焊的热循环如图4－18所示

（二）短段多层焊焊接热循环9第四章-热影响区课件10第四章-热影响区课件11第二节焊接热循环条件下的金属组织转变特点

一、HAZ热循环的特点（五点）：1.加热温度高2.加热速度快3.高温停留时间短4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理5.局部加热第二节焊接热循环条件下的金属组织转变特点一、HAZ热循121.加热速度越快，被焊金属的相变点Acl和Ac3的温度越高，而且Acl和Ac3之间的温差越大，如图4－19和表4－8所示。含有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等）的钢，加热速度对相变温度的影响更大2.奥氏体均质化程度较低二、焊接对加热过程组织转变的特点

1.加热速度越快，被焊金属的相变点Acl和二、13第四章-热影响区课件14第四章-热影响区课件15三、焊接时冷却过程组织转变的特点1.组织转变过程中热循环特点

ωc大、Tm高、tH短

2.焊接过程组织转变特点：对于一般的低碳钢，焊接时淬硬倾向比热处理时要大;对于合金钢，焊接时比热处理的淬硬倾向要小3.在焊接和热处理条件下连续冷却的组织转变图（即CCT图），如图4－21和图4-22所示

三、焊接时冷却过程组织转变的特点1.组织转变过程中热循环特16第四章-热影响区课件17第四章-热影响区课件18由图4－21、图4－22和表4－9可以看出，45钢在焊接条件下比在热处理条件下的CCT曲线稍向右移（主要考虑MS附近）。说明在相同冷却速度条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。相反，40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条件下的CCT曲线向左移动，也就是在同样冷却速度下焊接时比热处理时的淬硬倾向小。第四章-热影响区课件19第四章-热影响区课件203.原因：（1）碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb等）只有充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体的稳定性（即增加淬硬倾向）（2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体内部溶解（3）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中，降低了淬硬倾向（4）不含碳化物合金元素的钢（如45钢），一方面不存在碳化物的溶解过程，另一方面在焊接条件下，近缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大3.原因：21三、焊接条件下CCT图及其应用1.图4－23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化图2.在焊接条件下熔合区附近（Tm=1300～1350℃）t8／5冷却时间，可以在图上查出相应的组织和硬度三、焊接条件下CCT图及其应用22第四章-热影响区课件23第四章-热影响区课件24第四章-热影响区课件253.影响CCT图的因素

（1）母材化学成分的影响

除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使S曲线向右移，即增加淬硬倾向，并降低Ms点，其中以碳的影响为最大（2）冷却速度的影响a.随着冷却速度的增高，对于Fe－C合金，A1、A3、Acm均移向更低的温度，共析成分由C0．83％转为C0.4％～0.8％。b.马氏体增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，马氏体就由条状变为片状3.影响CCT图的因素26

3.峰值温度的影响（峰值温度越高）

a.使过冷奥氏体的稳定性加大b.促使奥氏体晶粒粗化c.奥氏体的稳定性增大，淬硬倾向增大

4.晶粒粗化的影响

晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形核的机会，不利于奥氏体的转变

275.应力应变的影响

a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的稳定性，使CCT曲线明显地向左上方偏移b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速扩散过程，有利扩散型相变的进行c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可促进马氏体转变，即Ms升高和马氏体转变量增加。切应力也能促进马氏体转变，正压应力则会阻碍马氏体转变

5.应力应变的影响28第三节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）低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ可分为四个区（如图4－29所示）1.熔合区a.焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线之间）b.范围很窄，在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响第三节焊接热影响区的组织和性能一、焊接热影响区的组织分布29第四章-热影响区课件302.过热区a.温度范围处在固相线以下1100℃左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大现象，冷却之后得到粗大的组织

b.在气焊和电渣焊条件下常出现魏氏组织（见图4－30）

c.韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹2.过热区31第四章-热影响区课件323.相变重结晶区（正火区）

a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体

b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约在A3～1000℃之间3.相变重结晶区（正火区）334.不完全重结晶区

a.处于Acl～Ac3之间范围内的热影响区处于b.Acl～Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体c.晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不均匀5.母材

处于A1以下4.不完全重结晶区34（二）易淬火钢1．完全淬火区

a.处于Ac3以上的区域b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马氏体）c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体，相当于正火区的部位得到细小的马氏体（二）易淬火钢352.不完全淬火区

a.母材被加热到Acl～Ac3温度之间的热影响区

b.原铁素体保持不变，有不同程度的长大，形成马氏体-铁素体的组织第四章-热影响区课件363.回火区（低于Acl以下的区域）

a.母材在焊前是调质状态

b.焊前调质时的回火温度为Tt，低于此温度的部位，其组织性能不发生变化，热影响区高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象

4.母材3.回火区（低于Acl以下的区域）37以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁碳合金状态图的组织转变归纳如图4－34所示焊接热影响区的划分方法新的建议，具体划分方案如图4－35所示以低碳钢为例，可以把热影响区各部分所经受的焊接热循环，对照铁38第四章-热影响区课件39第四章-热影响区课件40以低碳钢为例，热影响区各部分的组织特征归纳如表4－11所示焊接热影响区各部位的名称及其所包括的范围如表4－12所示以低碳钢为例，热影响区各部分的组织特征归纳如表4－1141第四章-热影响区课件42第四章-热影响区课件43二、焊接热影响区（HAZ）的性能（一）焊接热影响区的硬化

1.淬硬：成分对淬硬倾向的影响（1）碳当量（表4-14）

a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影响，把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量二、焊接热影响区（HAZ）的性能44b.国际焊接学会推荐的CEПW和日本焊接协会的Ceq（WES）公式b.国际焊接学会推荐的CEПW和日本焊接协会的Ceq（WES45第四章-热影响区课件46

2.随钢种碳当量（Pcm、CE（IIW））的增加，硬度也随之增加，即淬硬倾向增加

3.t8/5越大，淬硬倾向越小

图4-39

4.硬度分布图

图4-402.随钢种碳当量（Pcm、CE（IIW））的增加，47第四章-热影响区课件48第四章-热影响区课件495．焊接HAZ最高硬度的计算公式（1）国产钢硬度计算公式

HAZ的最大硬度Hmax与Pcm和t8／5的关系建立的硬度计算公式：a.当t8/5<τM100时Hmax=292+812Cb.当t8／5＞τM100时Hmax＝52.0＋147.0Pcm-81lgt8／5c.对于国产低合金钢，作为粗略估算，可采用下面的公式：Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8.2t8/55．焊接HAZ最高硬度的计算公式50（2）铃木公式引根据日本的低合金高强钢，研究不同冷却时间t8／5对Hmax的影响，建立了如下的公式：（2）铃木公式51（二）焊接热影响区脆化

1．组织脆化（1）M－A组元脆化

a.M－A组元：某些低合金钢的焊接HAZ处于中温上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中去。当连续冷却到

400～350℃时，残余奥氏体的碳浓度可达0．5

％～0．8％，随后这些高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，这种组织即M－A组元b.M－A组元是焊接低合金高强钢时在中等冷却速度条件下形成的，出现在焊缝、HA

（二）焊接热影响区脆化52（2）高碳马氏体脆化（3）魏氏组织脆化（4）上贝氏体脆化（5）遗传组织脆化

（2）高碳马氏体脆化532.析出脆化（1）在时效或回火过程中，从非稳态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，对于一般低合金钢来讲主要是析出碳（氮）化物

（2）新相的析出，使金属或合金的强度、硬度和脆性提高2.析出脆化543.遗传脆化

（1）厚板结构多层焊时，第一焊道的HAZ粗晶区位于第二焊道的正火区（相变重结晶区）保留粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为“组织遗传”

（2）组织遗传而引起的脆化称为“遗传脆化”（3）遗传组织脆化条件a.有淬硬倾向的调质钢中b.原始组织为非平衡组织c.快速加热或冷却d.晶界上出现细小等轴晶3.遗传脆化554.粗晶脆化

（1）焊接过程中由于受热的影响程度不同，在HAZ靠近熔合线附近和过热区将发生严重的晶粒粒化（2）晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性增加（3）淬硬