焊接热影响区的组织和性能5-2

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1、 5-3 焊接热影响区的组织和性能,焊接热影响区的组织性能不仅取决于所经历的热循环，而且还取决于母材的成分和原始状态。,5.3.1 焊接热影响区的组织分布 （1）不易淬火钢的组织分布 不易淬火钢是指在焊后空冷条件下不易形成马氏体的钢种，如低碳钢、16Mn、15MnV和15MnTi等。对于这类钢，按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征的不同，可划分为四个区域：熔合区、过热区、正火区、不完全重结晶区 。,图5-30 焊接热影响区的分布特征 1-熔合区 2-过热区 3-正火区 4-不完全重结晶区 5-母材 6-完全淬火区 7-不完全淬火区 8-回火区,1）熔合区 紧邻焊缝的母材部位，又叫半熔

2、化区（加热温度在液相线和固相线之间）。 此区范围很窄，一般只有几个晶粒宽。 该区化学成分和组织性能存在严重的不均匀性，对接头的强度、韧性有很大的影响。 在许多情况下是产生裂纹和脆性破坏的发源地。引起人们的普遍重视。2）过热区 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度（一般指1100）范围内的区域。 该区加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，冷却后会得到粗大的过热组织，因此又叫粗晶区。 该区焊后晶粒度一般为12级，韧性很低，通常冲击韧性降低20%30%。 与熔合区一样，该区也容易产生脆化和裂纹。过热区和熔合区都是焊接接头的薄弱部位。 过热区的大小与焊接方法、焊接热输入和母材的板厚等有关。气焊和电渣

3、焊时比较宽，并常出现粗大的魏氏组织（如图5-31所示），手工电弧焊和埋弧焊时较窄，而电子束、激光焊接时过热区几乎不存在。,图5-31 焊接低碳钢时的魏氏组织,3）相变重结晶区(正火区) 该区的加热温度范围是Ac3晶粒开始急剧长大的温度（一般指1100）； 在该温度范围内，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，因加热温度较低（一般低于1100），奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，所以该区又叫正火区。 此区的综合力学性能一般比母材还好，是热影响区中组织性能最好的区域。4）不完全重结晶区 该区的加热温度处于Ac1Ac3之间； 因此在加热过

4、程中，原来的珠光体全部转变为细小的奥氏体，而铁素体仅部分溶入奥氏体，剩余部分继续长大，成为粗大的铁素体。 冷却时奥氏体变为细小的铁素体和珠光体，粗大的铁素体被保留下来。所以，此区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能也不均匀。,对于低碳钢，按照热影响区各点经历的热循环，对照铁-渗碳体相图，各区段的划分如图5-32所示，各区的组织特征及性能特点见表5-10。,图5-32 低碳钢焊接热影响区各区段的划分与相图的关系 a）热影响区各区段的划分及组织分布 b）铁-渗碳体相图 c）焊接热循环 Tm加热的最高温度 TG晶粒显著长大的温度,表5-10 低碳钢热影响区的组织分布特征及性能,对于时效应变敏感

5、性强的钢，如果母材焊前经过冷加工变形或由于焊接应力而产生应变，则在Ac1以下将发生再结晶和应变时效现象，尽管其金相组织没有明显变化，但处于Ac1300左右的热影响区将发生脆化现象，表现出较强的缺口敏感性。,a 低倍组织 5,b 接头组织 20,c 焊缝组织 500,d 熔合区组织 500,图5-33 16Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织 （E5017焊条）,a为焊接接头的低倍组织，可见焊缝组织极细，焊缝周围黑色环为母材热影响区； b图为接头组织，左边柱状晶为焊缝全属，中间黑色区为母材热影响区，右边为原始母材；,c图为焊缝组织，先共析铁素体分布于柱状晶界上，少量无碳贝氏体从晶界伸向晶内，晶

6、内为针状铁素体与珠光体，个别部位有粒状贝氏体； d图为熔合区组织，左侧为焊缝，右侧为母材过热区；,e 过热区组织,f 正火区组织,图5-33 16Mn钢手弧焊角焊缝热影响区各区段的组织 （E5017焊条）500,e图为过热区组织，可见少量由晶界向晶内生长的无碳贝氏体（图中下部位），右边是呈羽毛状的上贝氏体，晶内为板条马氏体； f图为正火区组织，由块状铁素体与珠光体组成；,g图为不完全重结晶区组织，由铁素体与呈絮聚集的珠光体组成；h图为母材组织，由大块状铁素体与珠光体组成。,热影响区的大小受多种因素的影响，如焊接方法、板厚、热输入以及焊接施工工艺等，用不同的焊接方法焊接低碳钢时热影响区的平均尺寸

7、见表5-11。,表5-11 不同焊接方法热影响区的平均尺寸,（2）易淬火钢的组织分布 易淬火钢是指在焊接空冷条件下容易淬火形成马氏体的钢种，如低碳调质钢（18MnMoNb）、中碳钢（如45钢）和中碳调质高强度钢（如30CrMnSi）等。 这类钢焊接热影响区的组织分布特征与母材焊前的热处理状态有关。 如图5-30所示，如母材焊前是正火或退火状态，焊接热影响区根据其组织特征可分为完全淬火区和不完全淬火区。 如果母材焊前为调质状态，焊接热影响区除上述完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。,图5-30 焊接热影响区的分布特征 1-熔合区 2-过热区 3-正火区 4-不完全重结晶区 5-母材

8、 6-完全淬火区 7-不完全淬火区 8-回火区,1）完全淬火区 该区的加热温度处于固相线到Ac3之间。由于这类钢淬硬倾向大，冷却时将淬火形成马氏体。 在焊缝附近的区域（相当于低碳钢过热区的部位），由于晶粒严重长大，会得到粗大的马氏体组织，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体组织。 这个区域的组织只是粗细不同，均属于同一组织类型（马氏体），因此统称为完全淬火区。 根据冷却速度的不同，该区内还可能出现马氏体和贝氏体的混合组织。2）不完全淬火区 该区的加热温度在Ac3Acl之间。 在快速加热条件下，珠光体（或贝氏体、索氏体）转变为奥氏体，铁素体很少溶入奥氏体，未溶入奥氏体的铁素体将得到进一步长大。

9、因此，冷却时奥氏体会转变为马氏体，粗大的铁素体被保留下来，并有不同程度的长大，从而形成了马氏体和铁素体的混合组织，故称为不完全淬火区。 当母材含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较慢时，也可能出现贝氏体、索氏体或珠光体。,3）回火软化区 出现于调质状态母材的热影响区，回火软化区内的组织性能发生变化的程度取决于焊前调质状态的回火温度。例如，母材在焊前调质时的回火温度为Tt，焊接时加热温度在Ac1Tt的部位，加热温度高于回火温度Tt，其组织性能将发生变化，出现软化现象。加热温度低于Tt的部位，组织性能将不发生变化。,美国学者W.F.Savage等提出了焊接热影响区的划分方法，具体划分方法见图5-34

10、，各部分的名称及其所包括的范围见表5-12。,图5-34 焊接热影响区划分方法示意图,（3）焊接热影响区组织的分析 在焊接快速加热和连续冷却的条件下，热影响区的转变属于非平衡转变，往往会得到多种混合组织，给金相组织的鉴别造成了困难。 在一定条件下，热影响区组织主要与母材的化学成分和焊接工艺条件有关，在鉴别热影响区组织时应该注意如下四点： 1) 母材的化学成分及原始状态 母材的化学成分是决定热影响区组织的主要因素。,对于含碳或合金元素较低的低碳钢及低合金钢（如16Mn等），淬硬倾向较小，其热影响区主要为铁素体、珠光体和魏氏组织，并可能有少量的贝氏体或马氏体。 对于淬硬倾向较大的钢种，其热影响区主

11、要为马氏体，并依冷却速度的不同可能出现贝氏体、索氏体等组织。 对于不含碳化物形成元素的钢，其奥氏体的稳定性（即淬硬倾向）主要取决于奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏休晶粒越粗大，越容易产生淬硬组织。对于含碳化物形成元素的钢（如18MnMoNb、40Cr等），只有当碳化物溶解于高温奥氏体时，才增加淬便倾向。否则，会降低淬硬倾向。 对于易淬硬钢，其马氏体类型主要取决于含碳量。当含碳量较低时，会得到低碳马氏体。否则会得到高碳马氏体。 钢中存在较严重的偏析时，往往会出现反常情况。当在正常成分范围内出现一些预料不到的硬化和裂纹时，偏析常是造成这种情况的原因之一。 母材的原始组织状态也是分析热影响区组织的重要依据

12、。清楚地了解母材的原始组织，对认识热影响区经焊接热循环作用之后的组织性能变化有重要帮助。尤其对于不完全重结晶区更是如此。,2）焊接工艺条件 焊接工艺条件主要指焊接方法、焊接热输入和预热温度等。它们主要影响焊接的加热速度、高温停留时间和冷却速度，从而在一定成分条件下就决定了奥氏体晶粒的长大倾向、均质化程度和冷却时的组织转变。因此，对于一定钢种，高温停留时间越长，冷却速度越快，得到的淬硬组织所占的比例越大。,图5-35 快速加热及冷却时的M-F组织 a）加热前 b）加热后 c）淬火后 P-珠光体 F-铁素体 A-奥氏体 M-马氏体,在快速加热和冷却的条件下，即使对于低碳钢，加热温度在Ac1Ac3的

13、不完全重结晶区，也可能出现高碳马氏体。 在快速加热条件下，原珠光体的部位转变为高碳奥氏体(C0.8)，并且来不及扩散均匀化，当冷却速度很快时，这部分高碳奥氏体就转变为高碳马氏体。而铁素体在这急热急冷的过程中始终末发生变化，最后得到马氏体和铁素体的混合组织。,结合焊接热影响区的SH-CCT图确定热影响区的组织SH-CCT图把焊接工艺条件与焊后的组织性能联系起来，它是判定热影响区组织的重要依据。只要根据焊接工艺条件获得t8/5后，便可通过相应的SH-CCT图求出该条件下热影响区（主要指熔合区）各组织的类型及其所占的比例。 4) 借助于其他分析方法对于同一类组织，尚可分为多种组织类型。如铁素体按形态

14、不同可分为先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和粒状铁素体等。对于不同形态的组织，还应辅以显微硬度测试、电镜分析以及按组织所处的位置及分布状态等加以确认。正确分析焊接热影响区的组织，对于制订焊接工艺，改善焊接接头质量具有重要的指导意义。,5.3.2 焊接热影响区的性能,热影响区性能不可能进行成分上的调整，它是由焊接热循环作用引起的不均匀性问题。 对于一般焊接结构，焊接热影响区的性能主要考虑硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等，这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。 一般常规焊接接头力学性能的试验结果，反映的是整个接头的平均水平，不能反映热影响区中某个区段(如过热

15、区、相变重结晶区等)的实际性能。焊接热模拟技术的发展为研究热影响区不同部位的组织性能创造了良好的条件。,主要内容,（1）焊接热影响区的硬化 （2）焊接热影响区脆化 （3）焊接热影响区的韧化 （4）焊接热影响区的软化 （5）焊接HAZ的力学性能,（1）焊接热影响区的硬化 研究表明，焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。 一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑性和韧性下降，冷裂纹倾向增大。 通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接地估计热影响区的力学性能及抗裂性等。 焊接热影响区的硬度主要与被焊钢材的化学成分和冷却条件有关，因硬度试验比较方便，因此常用热影响区(一般在熔合区和过热区)的最高硬度Hm

16、ax来间接判断热影响区的性能。 焊接热影响区中的硬度分布实际上反映了各部位的组织变化情况，一般来说，得到的淬硬组织(如M)越多，硬度越高。,由表5-13可以看出，同一组织的硬度也不相同，这主要与钢的含碳量和合金元素的含量有关。如高碳马氏体的硬度可达600HV，而低碳马氏体只有350HV，这说明马氏体数量增多，并不意味着硬度一定高，马氏体的硬度随着含碳量的增加而增大。,表5-13 不同混合组织和金相组织的硬度,除冷却速度之外，钢的含碳量和合金元素的含量是影响焊接热影响区硬度的重要因素。 人们常采用碳当量来表述钢中合金元素含量对热影响区硬化的影响，并通过大量焊接工艺实验和数学工具建立了焊接热影响区硬度的计算模型。 1）碳当量碳当量用符号Ceq或CE表示，反映了钢中化学成分对热影响区硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）的含量，按其作用折算成碳的相当含量（以碳的作用系数为1），作为粗略地评价钢材焊接性的一种参考指标。,