焊接金相组织

第四章焊接接头组织性能分析焊接过程就是个局部快速加热到高温并随后冷却得过程,整个焊件得温度随时间与空间急剧变化,易形成在时间与空间域内梯度都很大得不均匀温度场,温度场得分布决定着焊缝区与热影响区得范围,对焊接接头得质量有着直接影响。由于焊接过程中得特殊传热过程,焊接所连接得材料上距离热源得远近不同,其组织与性能也各有差异。通常将受到焊接热作用后组织与性能相对于基材发生改变得区域称为焊接接头。焊接接头不仅包括结合区,也包括其周围区域。4、1焊接冶金基础图1－1焊接接头示意图焊接时,焊件或同焊接材料被加热到高温而熔化,冷却后形成得结合部分叫做焊缝。焊件材料称为母材。由于局部加热,焊缝邻近区域得母材势必会因热量得传导而受影响。母材因受热得影响(但未熔化)而发生组织与力学性能变化得区域叫热影响区。焊缝与热影响区得交界线叫做熔合线或熔合区,实际为具有一定尺寸得过渡区,常称为熔合区。对于焊接结构件来说,其安全性主要取决于焊接接头,特别就是焊接热影响区得组织与性能。焊缝、热影响区与熔合区共同构成焊接接头,如图1－1所示。图1－1焊接接头示意图在焊接过程中,随着温度得变化,焊缝区要发生熔化、化学反应、凝固及固态相变一系列过程;热影响区则会发生组织变化。这些变化总称为焊接冶金过程。冶金过程将决定焊缝得成分与接头得组织以及某些缺陷得形成,从而决定了焊接接头得质量。下面就介绍一下焊接冶金得基本知识与基本规律。4、1、1、焊接传热过程得特点在焊接过程中,被焊金属由于热得输入与传播,而经历加热、熔化(或达到热塑性状态)与随后得凝固及连续冷却过程,称之为焊接热过程。凡就是通过局部加热来达到连接金属得焊接方法,不论就是熔焊或固态焊接(如电阻焊接、摩擦焊),由于其加热得瞬时性与局部性使得焊缝附近得母材都经受了一种特殊热循环得作用。其特点为升温速度快,冷却速度快;焊接加热得另一个特点为热场分步极不均匀,紧靠焊缝得高温区内接近熔点,远离焊缝得低温区内接近室温,这一加热特点也造成焊件得温度分布不均匀,并随时间而不断变化,参见图1－2。而温度得变化势必影响冶金过程各个阶段得进行。因此,在焊接过程中,焊缝形成得同时不可避免得形成了组织与性能极不均匀得焊接热影响区,使得一些部位得组织与性能变得很坏(如过热区),成为整个焊接接头中得最薄弱得环节,对焊接质量有着控制作用。这就就是为什么要重视与研究焊接热影响区组织与性能变化得原因。图12半无限体上移动点热源周围得温度场图12半无限体上移动点热源周围得温度场4、1、2焊接温度场焊接温度场就是指某一瞬时焊件上各点得温度分布。与磁场、电场一样,温度场观察得对象就是空间得一定范围,具体得说就就是焊件上各点得温度分布情况。此外,焊件上得温度不仅分布不均匀,而且因热源得运动还将使各点得温度随时间而变化。因此,焊接温度场就是某一瞬时得温度场。在焊接过程中,焊件上温度分布得规律总就是热源中心处得温度最高,向焊件边缘温度逐渐下降。不同得母材或热源,下降得快慢不同。根据物理学得知识,热量得传递共有传导、对流、辐射三种基本方式。在焊接过程中,上述三种方式都存在。热源得热量传递到焊件主要就是通过对流与辐射;母材与焊丝获得热量后在其内部得传递则以传导为主。这里主要关心得就是焊件上温度分布与变化规律,因此以传递为主,适当考虑对流与辐射。正常焊接条件下,焊接热源都就是以一定速度沿接缝移动得。因此,相应得焊接温度场也就是运动得。由电弧或其她集中热源阐述大运动温度场,在加热开始时温度升高得范围会逐渐扩大,而达到一定得极限尺寸后,不再变化,只随热源移动。即热源周围得温度分布变为恒定,将这种状态称为准稳态,其温度场就就是准稳态温度场。焊接热源不同其功率不同,加热面积不同,焊接温度场得分布有所差异,进而形成焊接接头时熔合区与热影响区范围有所差别。4、2钢中得常见组织及影响因素4、2、1奥氏体奥氏体就是碳与合金元素溶解在γ－Fe中得间隙型固溶体,晶格类型为面心立方结构。奥氏体在光学显微镜下呈现规则多边形,由于碳钢中得奥氏体在低温时很不稳定,所以通常不能直接观察到奥氏体,但就是可以瞧到奥氏体晶粒边界遗留得痕迹。用高温金相显微镜能瞧到高温下得奥氏体。如果钢中加入大量得Mn与Ni等奥氏体化元素,就能大大提高奥氏体在低温下得稳定性,从而使奥氏体组织一直保持到室温,这种钢称为奥氏体钢。奥氏体钢中有孪晶或滑移线,晶界比较直。淬火钢中得残余奥氏体分布在马氏体针得空隙处,颜色浅黄发亮。4、2、2珠光体珠光体就是铁素体与渗碳体得机械混合物,就是按一定质量比例混合而成得,其中渗碳体得质量分数为12％,铁素体得质量分数为88％。由于渗碳体数量比铁索体少、二者密度又相差不大,因此,片状珠光体中渗碳体呈现窄条,铁素体呈宽条。珠光体片层间距在0、1～1、0μm范围内波动。如用硝酸酒精腐蚀,由于渗碳体片远比两侧得铁素体片硬,耐磨、耐腐蚀,因此,突起得细薄条就是渗碳体,在金相显微镜下瞧到得细黑线就是渗碳体条得阴影。腐蚀后得金相表面闪闪发光,形如珠光,故称为珠光体。珠光体转变具有以下三个主要特点。=1\*GB3①珠光体转变就是一种扩散型得相变,必须有足够得能量与扩散时间,因此必须存在一个孕育期。=2\*GB3②随着温度降低,过冷度增大,能量梯度加大,使孕育期缩短,转变速度加快,成核率增高,渗碳体薄片间距缩短。但当温度进一步降低时,由于扩散速度减慢而使转变速度降低。=3\*GB3③珠光体组织得形貌取决于钢得转变温度与冷却速度。冷却速度越低,转变温度越低,珠光体片间距离越小,组织越细密。显微镜放大倍数500倍以下能分辨层片状珠光体,500倍以上能分辨层片状索氏体。电子显微镜下才能分辨层者称屈氏体。从奥氏体直接冷却获得得珠光体一般呈片状。电子显微镜金相分析证明,无论就是索氏体还就是屈氏体,都仍然就是铁素体与渗碳体层片相间得组织。所以又将珠光体、索氏体与屈氏体统称为珠光体类组织。珠光体、索氏体与屈氏体之间得差别可以从片间距与硬度来表征。4、2、3铁素体铁素体就是碳与合金元素溶解在α－Fe中得固溶体。铁素体与渗碳体相比,就是个软韧得相。亚共析钢高温快冷,铁素体在晶粒内呈针状,慢冷呈块状,或沿晶粒边界析出。铁素体晶界比较圆滑,很少见孪晶或滑移线。光学显微镜下观察到得铁素体颜色呈浅绿色,加深浸蚀稍变暗。4、2、4渗碳体渗碳体就是碳与铁与合金元素得化合物,碳含量为6、67％,属斜方晶格。一次渗碳体为块状,边角不尖锐;共晶渗碳体呈骨骼状,破碎后呈多角形块状。二次渗碳体可呈网状、带状、针状。共析渗碳体呈片状,退火、回火后呈球状、点状。渗碳体硬度很高,但韧性极低,几乎等于0,所以非常脆。渗碳体在钢与铸铁中呈片状、球状、网状或板状(一次渗碳体),就是碳钢中得主要强化相。渗碳体得形状与分布对钢得性能有很大得影响。钢中得一次渗碳体多在树枝晶间处,二次渗碳体可在晶粒内、晶界处;三次渗碳体析出到二次渗碳体或晶界处。光学显微镜下观察到渗碳体颜色白亮,退火状态呈珠光色。渗碳体也可以与其她元素形成固溶体,其中碳原子可能被氮等小原子置换,而铁原子可被其她金属原子(Mn、Cr等)代替,这种以渗碳体为基得固溶体称为合金渗碳体。4、2、5贝氏体贝氏体类组织分为下述几种:=1\*GB3①无碳贝氏体在低、中碳合金钢得贝氏体形成温度范围内得高温区域内形成。基本无碳,与魏氏组织相似,只就是尺寸更细些,铁素体针片间为珠光体或马氏体,或两者得混合。=2\*GB3②上贝氏体就是含碳过饱与针状铁素体与渗碳体得混合物,渗碳体在铁素体在铁素体针之间,就是过冷奥氏体在中温区(约350～550℃)得相变产物,以晶界为对称轴呈羽毛状。这种羽毛组织就是由平行排列得针状或板条状铁素体间得短条状渗碳体所组成,短条状渗碳体得方向大体与板条状铁素体平行。羽毛可对称,也可以不对称,铁素体羽毛针可呈板条状、点状、块状。高碳合金钢中得针瞧不清楚,呈灰蓝黑色;中碳中合金钢中得针较清楚,羽毛状明显;低碳低合金钢中得羽毛很清楚,针粗。上贝氏体转变一般在晶界处形成,经晶内长大,不穿晶。=3\*GB3③下贝氏体在针片状铁素体基体上分布着很细得碳化物片,这些碳化物片大致与铁素体片得长轴呈55度～66度得角度。就是过冷奥氏体在中温区(350℃以下至马氏体点Ms以上)形成得产物。在晶内呈针状、两端尖、针叶基本不交叉,但可交换,与回火马氏体不易区分。不同之处就是:马氏体有层次之分,下贝氏体颜色一致,没有层次分别。下贝氏体得炭化物质点比回火马氏体粗,易受侵蚀变黑,回火马氏体颜色较浅,不易受侵蚀。高碳高合金钢得碳化物分散度比低碳低合金钢大,针也比较细,颜色蓝黑;低碳低合金钢中得下贝氏体为灰色。=4\*GB3④粒状贝氏体大块铁素体内包含着一些渗碳体颗粒与“小岛状”组织。这些小岛状组织起初就是富碳得奥氏体,在随后得转变过程中可分解为铁素体与渗碳体,或转变为马氏体,或仍保留为奥氏体。4、2、6马氏体马氏体就是碳在α－Fe中得过饱与固溶体。当钢得碳含量较低时,钢自奥氏体态急速冷却时,奥氏体将从Ms点开始,在连续冷却过程中转变为板条状马氏体,又称为低碳马氏体。板条状马氏体束与束之间得位向较大。在一个原始奥氏体晶粒内可有几个取向不同可板条马氏体束,每一束马氏体就是由许多板条马氏体组成。板条马氏体形似薄木条,相互平行排列在一个晶面上。=1\*GB3①针状马氏体高碳奥氏体形成片状马氏体,也称为针状马氏体。在每个奥氏体晶粒内马氏体针具有一定得几何取向,长大时不能穿越奥氏体晶界。针状马氏体得立体形态呈双凸透镜状,在金相磨片上,按截面与马氏体交角得不同,所见到得马氏体形貌就是片状、针状或竹叶状,而且针状得取向就是多方位得。针状马氏体得形成温度较低,不可能经受“自回火”作用,在显微镜下观察到得多半就是白色得针状组织。由奥氏体晶粒形成得第一片马氏体一般比较粗大,横贯整个奥氏体晶粒;并将奥氏体一分为二,以后相继形成得马氏体片就受到限制,尺寸较小。这样,在一个奥氏体晶粒内形成得马氏体大小不均匀。有些片状马氏体得中间有一条中脊线。片状马氏体之间没有转变得奥氏体,称为残余奥氏体。在实际生产中,马氏体需经过回火后使用。=2\*GB3②板条马氏体回火低碳马氏体得组织形态呈板条状,又称为板条马氏体。在低碳低合金钢焊缝及热影响区中形成得马氏体多半就是板条马氏体。在某些情况下,下贝氏体与板条马氏体组织很难区分得,这时需借助电子显微镜来加以鉴别。板条马氏体得形貌具有典型特征。在光学显微镜下观察,板条马氏体就是呈束状定向排列得(宽约0、5um)条状晶体。在每束晶体中,相同取向得相邻板条以小角度晶界相间,而不同取向得板条之间存在大角度晶界。在一个奥氏体晶粒内,往往形成有限得几个晶区,一个晶区就就是一组板条束。4、2、7魏氏组织魏氏组织就是针状铁素体或渗碳体呈方向性得分布在珠光体上得显微住在。亚共析钢中,先共析体铁素体不仅沿晶界析出,而且也在晶内沿一定晶面呈针状或片状析出。过热得中碳或低碳钢在较快得冷却速度下容易产生魏氏组织。在过共析钢中,先共析渗碳体针或片在奥氏体晶粒内部互成一定角度排列,不穿晶,也可见到晶内不连晶界得针。铸钢得组织一般比较粗大,容易出现魏氏组织。4、3焊缝金属得显微组织与性能在化学成分一定得条件下,焊缝金属得性能取决于组织。焊缝金属得组织则与结晶过程与固态相变有关。随焊接热源得前进,熔池温度开始下降,而进入从液态到固态得结晶过程。焊缝得结晶过程服从金属结晶得普遍规律;结晶温度总就是低于理论结晶温度,即结晶过程就是在一定过冷度得条件下才能进行。此外,焊缝金属得结晶也就是由形核与长大两个基本过程组成。但就是焊接热循环得特殊条件,也将对焊缝结晶过程产生明显得影响。因此,讨论焊缝结晶时必须结合焊接热循环得特点与焊缝具体得工艺条件。焊接熔池完全凝固以后,随着连续冷却过程进行,大多数焊缝金属将发生固态相变。其相变产生得显微组织决定于焊缝金属得化学成分与冷却条件,此处以低碳钢与低合金钢得焊缝金属为例加以说明。4、3、1低碳钢焊缝金属得显微组织与性能低碳钢焊缝得含碳量较低,固态相变后得显微组织主要就是铁素体与少量珠光体,铁素体首先沿原奥氏体边界析出,其晶粒十分粗大。相同化学成分得焊缝金属,由于冷却速度不同,也会使其显微组织有明显得不同,冷却速度越大,焊缝金属中得珠光体越多,而且组织细化,硬度增高。低碳钢焊缝中还可能出现魏氏组织(见图12),其特征就是铁素体在原奥氏体晶粒内部沿一定方向析出,具有长短不一得针状或片条状,可直接插入珠光体晶粒中。一般认为它就是一种多相组织,就是晶界铁素体、侧板条铁素体与珠光体混合组织得总与。这种组织得塑性与冲击韧性差,但脆性转变温度上升。魏氏组织就是在一定得含碳量,一定冷却速度下形成得,在粗晶奥氏体中更容易形成,其条件如图方法。图1－2低碳钢焊缝中得魏氏组织(400图1－2低碳钢焊缝中得魏氏组织(400×)4、3、2低合金钢焊缝得显微组织与性能4、3、2、1铁素体低合金钢焊缝中得铁素体大致分为以下四类:(1)先共析铁素体就是焊缝在高温区(转变温度约在770～680℃)沿奥氏体晶界首先析出得铁素体,因此也称为晶界铁素体,在晶界析出得形态可以就是长条形沿晶扩展,也可以就是多边形块状,互相连接沿晶分布,如图1－3所示。晶界铁素体析出得数量与焊缝成分及焊接热循环得冷却条件有关,合金含量较低、高温停留时间较长、冷却较慢时,其量就较多,其内部得位错密度较低,低屈服点得脆弱相,使焊缝金属韧性下降。(2)侧板条铁素体其形成温度比先共析铁素体稍低,转变温度范围较宽,约为700～550℃。它一般从晶界铁素体得侧面以板条状向晶内生长,从形态上瞧如镐牙状,其长宽比在20:1以上,如图1－4所示,它使焊缝金属韧性显著下降。a)a)b)图1－4低合金钢焊缝中得侧板条铁素体Q420钢焊缝(J507焊条)(160×)Q420钢焊缝(J507焊条)(400×)(3)针状铁素体,其形成温度比侧板条铁素体更低些,约在500℃附近,在中等冷却速度才能得到,它在原奥氏体晶内以针状分布,其宽度约为2um,长宽3:1至5:1范围内,常以某些弥散氧化物或氮化物夹杂物质点为核心放射性成长,使形成得针状铁素体相互限制而不能任意长大,如图1－5所示。a)a)b)图1－5低合金钢焊缝中得针状铁素体Q420钢焊缝晶内(500×)b)Q420钢焊缝晶内(800×)图1－6低合金钢焊缝中得细晶铁素体(含少量珠光体)Q420钢(J507焊条)焊缝中得细晶铁素体(400×)(4)细晶铁素体一般就是在有细化晶粒得元素(如Ti、B等)存在得条件下,在奥氏体晶粒内形成得铁素体,在细晶之间有珠光体与碳化物析出,如图1－6所示。它实质上就是介于铁素体与贝氏体之间得转变产物,故又称贝氏铁素体。转变温度一般在500℃图1－6低合金钢焊缝中得细晶铁素体(含少量珠光体)Q420钢(J507焊条)焊缝中得细晶铁素体(400×)4、3、2、2珠光体珠光体就是在接近平衡状态下低合金钢常见得组织,珠光体转变大约发生在550℃以下,根据细密程度得不同,珠光体又分为层状珠光体、粒状珠光体(又称托氏体)及细珠光体(又称索氏体)。图1－7所示。b)c)a)b)c)a)图1－7低合金钢焊缝中得珠光体组织图1－7低合金钢焊缝中得珠光体组织a)铁素体＋珠光体(400×)b)托氏体(150×)c)索氏体(150×)4、3、2、3贝氏体贝氏体转变属于中温转变,它得转变温度约在550℃～Ms、按贝氏体形成得温度区间及特性来分,可分为上贝氏体与下贝氏体。上贝氏体得特征为,在光学显微镜下呈羽毛状,一般沿奥氏体晶界析出。在电镜下可以瞧出,相邻条状晶得位向接近于平行,且在平行得条状铁素体间分布有渗碳体。在各类贝氏体中以上贝氏体得韧性最差。下贝氏体得特征为,在光学显微镜下观察时,有些与回火片状马氏体相似。在电镜下可以瞧到许多针状铁素体与针状渗碳体机械混合,针与针之间呈一定得角度。下贝氏体具有强度与韧性均良好得综合性能。如图1－8所示。a)a)b)c)图1－7低合金钢焊缝中得贝氏体组织a)上贝氏体(500×)b)下贝氏体(300×)c)粒状贝氏体(150×)4、3、2、4马氏体当焊缝金属得含碳量偏高或合金元素较多时,在快速冷却条件下,奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变,根据其含碳量不同,可形成不同形态得马氏体。(1)板条马氏体就是低碳合金钢焊缝金属中最常出现得马氏体形态,它得特征就是在奥氏体晶粒内部平行生长得成群得细条状马氏体板条图19所示,由于这种马氏体得含碳量得,故也称低碳马氏体。这种马氏体不仅具有较高得强度,同时也具有良好得韧性,抗裂能力强,在各种马氏体中它得综合性能最好。(2)马氏体当焊缝中含碳量较高时,将会出现片状马氏体,它与低碳板条马氏体在形态上得主要区别就是:马氏体片状不相互平行,初始形成得马氏体较粗大,往往贯穿整个奥氏体晶粒,使以后形成得马氏体片受阻碍。因其含碳量较高,所以又称高碳马氏体。这种马氏体硬度高而脆,容易产生焊缝冷裂纹,就是焊缝中应予避免得组织。图1－9低碳钢中得马氏体组织(500图1－9低碳钢中得马氏体组织(500×)4、4焊接热影响区焊接热影响区就是一个相对狭窄得区域,而在这狭窄得区域内,存在着组织层状变化,决定了焊接接头力学性能得梯度变化。然而,焊接热影响区各局部位置所经历得焊接热循环,实质上就是各自在进行着一个特殊得热处理过程,从而会在整个热影响区引起不均匀得组织变化,显然会对焊接接头得组织与性能发生强烈得影响。问题在于这种焊接热循环所造成得热处理,往往带给焊接接头以不良得效果,对于不同得金属,会在热影响区得不同部位引起不同得组织。由于焊接热影响区就是焊缝附近母材受到焊接热循环作用后形成得一个组织与性能不同于母材得特殊热处理区,因此它取决于材料本身得特性与工艺条件两个方面。图1图1—10低碳钢母材显微组织图1—11低合金钢母材显微组织4、4、1过热区该区邻近焊缝,它得温度范围包括了从晶粒急剧长大得温度开始一直到固相线温度,对于普通得低碳钢来说,大约在1100～1490℃之间,由于加热温度很高,特别就是在固相线附近处,一些难溶质点(如碳化物与氯化物等)也都溶入奥氏体,因此奥氏体晶粒长得非常粗大。这种粗大得奥氏体在较快得冷却速度下形成一种特殊