焊縫組織和性能分析要領(lǐng)

1、焊縫組織和性能分析要領(lǐng)焊縫經(jīng)過了加熱T高溫溶化焊接冶金T冷卻一次結(jié)晶凝固T二次結(jié)晶固態(tài)下相變，這個過程決定了焊縫金屬的化學(xué)成分， 組織性能，是否有焊接缺陷。 熱影響區(qū)是鄰近焊縫的母材在熔化焊所特有的快速加熱、 快速冷卻這一動態(tài)熱過 程中，在極短的時間內(nèi)進行著除了熔化以外的一些金屬學(xué)行為的區(qū)域， 其特點是 熱場分布極不均勻， 溫度梯度非常大， 與擴散有關(guān)的過程極不充分， 組織和性能 極不均勻， 因此，它是一個最薄弱的環(huán)節(jié)， 是焊接結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞事故的區(qū) 域。一、碳素鋼焊接碳是碳素鋼的主要合金成分，其性能取決于 C 的含量，其中的 Mn、 Si 只 是有益的元素而非合金成分，S、P、O N、H

2、則是其雜質(zhì)有害元素，是要嚴(yán)加控 制的。碳素鋼的焊接性隨其C含量增加而惡化，低碳鋼（C三0.25%）焊接性最好，但C含量大于0.15%時，對氫致裂紋敏感。1、焊縫金屬的成分焊條電弧焊焊接碳素鋼時焊接材料的選擇通常都是按GB5117標(biāo)準(zhǔn)其c b都不大于 490MPa。酸性焊條的焊縫金屬 Mn含量大多在0.8%以下Si在0.3%以下。堿性低氬焊條焊出的焊縫中 Mn與Si含量則要高得多?；旧鲜菍儆贛Si 合金系列的焊縫金屬，即以 Mn、Si 的固溶強化機理來保證焊縫金屬的力學(xué)性 能。2、焊縫金屬的顯微組織與性能低碳鋼是亞共析鋼， 在焊接熔池冷卻凝固的一次結(jié)晶完成后， 在一定溫度 下將發(fā)生二次結(jié)晶即固

3、態(tài)相變， 這時的組織應(yīng)該是鐵素體加少量珠光體。 其組織 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同和性能的不同取決于冷卻速度， 即冷卻速度越大， 鐵素體含量越 少，珠光體越高，硬度強度也隨之增高，且組織細小。反之則組織變粗，鐵素 體越多珠光體越少、 硬度強度降低。 需要注意的是鐵素體的形態(tài)， 在不同冷卻速 度下也是不同的。且對性能有影響。做為亞共析鋼的焊縫組織， 當(dāng)從高溫冷卻到 Ar3 溫度時，焊縫中最先從奧 氏體晶粒邊介上析出的是先共析鐵素體，其含碳量為 0.02%,隨著a鐵的析出奧 氏體的含碳量增加，在達到Ar1溫度時（C0.8%勺共析成分），剩余的奧氏體發(fā)生 共析轉(zhuǎn)變， 變?yōu)殍F素體滲碳體的混合物即珠光體。 先共析鐵

4、素體是沿原奧氏體 晶界析出故呈網(wǎng)狀分布， 此外，鐵素體也可以從原奧氏體晶內(nèi)部沿一定方向呈針 或片狀析出， 可直接插入珠光體中。 這種組織由于晶內(nèi)位錯密度較低所以塑性韌 性都較低。當(dāng)含C量較高，高溫（700C 800C）停留時間較長，冷卻速度較慢時易 形成這種組織，稱其為魏氏組織，在焊接低碳結(jié)構(gòu)鋼時要盡量防止魏氏組織出現(xiàn)， 而希望得到細晶針狀鐵素體。此外， C-Mn系的焊縫金屬在經(jīng)過正火后，c Sc b 都會發(fā)生陡降。3、低碳鋼焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化取決焊接熱循環(huán)過程中的二次結(jié)晶 （即重 結(jié)晶）特點。在固態(tài)無相戀發(fā)生的金屬材料如 AL、 C r、Ni 和超低碳單相奧氏體 鋼超低

5、碳高鉻鐵素體鋼由于無相變， 其熱響區(qū)很簡單， 只有一個晶粒粗大的過熱 區(qū)，（熱軋或冷軋后退火態(tài)） 。碳素鋼有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在固態(tài)下會發(fā)生相變所以熱影響區(qū)要復(fù)雜得多。 如會發(fā)生成分的變化和第二相析出。 所以在距該焊縫區(qū)不同距離上由于被加熱的 最高溫度的不同 （處在不同的熱力場） 和在這一溫度區(qū)間停留的時間長短不同以 及隨后的冷卻速度的不同 （即物理冶金特點的不同） 而導(dǎo)致產(chǎn)生不同的顯微組織 和力學(xué)性能的差異。只有完全重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）性能最好。過熱區(qū)晶粒粗大， 易形成魏氏組織要消除它只能進行正火才有效， 不完全 重結(jié)晶區(qū)容易有碳化物析出以及粗大的鐵素體， 故其性能并不很好， 而再結(jié)晶區(qū) 是一個軟

6、化區(qū)（只存在于冷軋板或經(jīng)冷作硬化的熱軋板） 。而蘭脆區(qū)組織并未發(fā)生改變但塑性和韌性卻低于母材這是動態(tài)應(yīng)變時效 而引起的脆化，即熱應(yīng)變脆化（焊接沸騰鋼時尤為明顯） 。綜上所述可知， 低碳結(jié)構(gòu)鋼的熱影響區(qū)組織和性能不容忽視， 要控制焊接 熱循環(huán)，如控制 t8 5， t8-3 ， t100 ，控制線能量等。、低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接合金結(jié)構(gòu)鋼是碳素鋼的基礎(chǔ)上有目的地加入一種或幾種合金元素(Mn、Si 、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B 稀土等) ，從而使鋼的性能發(fā)生預(yù)期的變化。如提高 強度，改善韌性，提高耐熱性、耐蝕性。合金總含量 W(Me)10% 為高合金鋼。合金鋼按用途可分為強度用鋼， 即通常所說的高

7、強鋼， 其主要性能是力學(xué) 性能、合金元素的加入是為了保證足夠的塑性、 韌性的前提下， 獲得不同的強度 級別。另一類是特殊用途鋼， 除了滿足常溫力學(xué)性能外， 還必須適應(yīng)特殊環(huán)境下 的工作要求，如耐高溫，耐低溫、耐腐蝕等。GB/T1591是低合金高強度鋼標(biāo)準(zhǔn)， 也是按屈服點分級共有 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460五個牌號(強度等級)。 這些鋼的合金系列是C-Mn系或Mn-Si系，用它們的固溶強化獲得高強度，含 C 0.16%0.2%, Mn0.8%-0.15%或 1% 1.7%, Si 0.55%。另加入微量的V、Ti、Nb AL以及Cr、Ni起細化晶?；虺恋韽娀饔?。 GB66

8、54 GB3531 GB713分別是壓力容器、低溫壓力容器、鍋爐專業(yè)用低合金高 強度鋼標(biāo)準(zhǔn)。1、低合金高強度鋼的焊縫合金化GB5118是低合金鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)，它是碳鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上有限度地提高Mn含量加入足夠量的Ni、Mo Cr、V在提高強度的同時細化晶粒，改善韌性。在焊 接某一與碳素鋼強度級別相當(dāng)?shù)牡秃辖痄摃r，只能選用GB5118標(biāo)準(zhǔn)的焊條，而不宜選用GB5117強度相當(dāng)?shù)暮笚l。因為GB5118的合金匹配主要思路是針對低合 金高強度鋼的焊接冶金特點進行合理搭配的同時實施低Si化，Mo0.45%寸組織的調(diào)控更有利。2、焊縫金屬的組織與性能 低合金高強鋼焊縫金屬中常見的顯微組織是鐵素體， 珠光體，

9、貝氏體， 馬氏體四種。鐵素體有在高溫區(qū)沿奧氏體晶界析出的先共析鐵素體 (長條形、多邊 塊形)，其多少與合金含量高低，高溫停留時間長短，冷卻快慢有關(guān)。隨著繼續(xù) 冷卻在700550E期間從先共析鐵素體的側(cè)面，鐵素體以板條狀向晶內(nèi)生長， 稱為側(cè)板條鐵素體， 也有人將這兩者統(tǒng)稱為魏氏組織， 也有人因為它的特點是含 碳量很低位錯密度較低且轉(zhuǎn)變溫度較低而稱之為無碳貝氏體，它使焊縫韌性降低。在稍低于500C時，在中等冷卻速度條件下，原奧氏體晶內(nèi)，以氧化物，氮化物 雜質(zhì)點為核心鐵素體呈放射狀生長， 形成針狀鐵素體或細晶鐵素體， 因為它的位 錯密度很高，故塑性、韌性均較高，希望能獲得更多的針狀鐵素體， 細晶鐵素

10、體。珠光體是共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，在接近平衡狀態(tài)下 （ 如熱處理時的連續(xù)冷卻 ） 在Ar1550C之間富碳奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w， 在焊接的非平衡條件下，由于冷 卻速度很快， 原子來不及充分?jǐn)U散， 因而珠光體轉(zhuǎn)變是受到抑制的， 于是就是擴 大了鐵素體 （在較高溫度時 ）貝氏體（在較低溫度時 ）的轉(zhuǎn)變領(lǐng)域。因此，低合金鋼 焊縫的固態(tài)轉(zhuǎn)變很少能得到珠光體組織， 除非在采取預(yù)熱， 緩冷、后熱措施后使 焊縫金屬能在接近平衡狀態(tài)的那種條件下冷卻才有少量珠光體。 它增加強度降低 韌性。貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，即在550Ms之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變。此時，合金 元素已不能擴散，只有碳還能擴散，其轉(zhuǎn)變機制是擴散一-切變型。在5

11、50450C 之間形成上貝氏體，它是羽毛狀，沿奧氏體晶界分布，韌性極差。在450CMs之間形成下貝氏體， 此時碳的擴散也變得困難， 碳化物彌散分布在鐵素體內(nèi)， 同 鐵素體成一定交角，所以它強度、韌性均較高，綜合性能好。低合金高強鋼焊縫中還會出現(xiàn)一種粒狀貝氏體， 它是在塊狀鐵素體上 M-A 組元以粒狀分布，故稱粒狀貝氏體，它使韌性下降。當(dāng)焊縫中合金元素或C含量較高，奧氏體過冷到 Ms以下時，便會產(chǎn)生 M 體，它可以是板條狀的低碳 M體（位錯型），也可以是針狀（片狀）孿晶馬氏體，前 者因C含量較低，有較多位錯存在故具有較高強度和韌性，抗裂能力較高。希望得到較多的針狀細晶鐵素體， 不希望得到側(cè)板條鐵

12、素體， 先共析鐵素 體，如果合金成分能顯著增加奧氏體穩(wěn)定性， 降低其分解溫度， 這一愿望即可實 現(xiàn)。試驗表明Mn含量0.81.0%、Si0.10.25%,而Mn/Si=36時，即可得到 細晶鐵素體和針狀鐵素體。還希望得到的貝氏體為下貝氏體，而不希望產(chǎn)生上貝氏體或粒狀貝氏體，以及孿晶高碳馬氏體，其辦法是控制冷卻速度；使在 600450C區(qū)間（貝氏體轉(zhuǎn) 變的高溫段 ） 停留時間盡量短，以盡量減少形成粒狀貝氏體和上貝氏體的機會 （可 控制t8-5來實現(xiàn)）、降低含C量，使一且發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時能形成板條狀位錯型 馬氏體，它的存在有利而無害。有資料表明，焊縫含有微量 Ti、B有利形成針狀 鐵素體，而抑制先

13、共析鐵素體的形成，Ti與B同時加入最佳，因為Ti優(yōu)先和氧 反應(yīng)對B不被氧化起到保護作用。B凝聚在A氏體晶界，降低了晶界能故抑制了 先共析鐵素體的析出。由于焊縫金屬是在連續(xù)冷卻下進行相變的， 因而有必要建立一個焊縫金屬 連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，簡稱 SW-CC圖，通常通過熱模擬實驗來建立某個鋼種的 CCT圖，這樣便可根據(jù)對焊縫金屬顯微組織和性能的要求，合理選擇冷卻速度并 由此確定合理的焊接工藝參數(shù)。3、熱影響區(qū)的組織與性能。通常我們把焊縫的邊界線都宏觀地叫做熔合線。 實際上這是一個熔化不均 勻的區(qū)域。 它包括母材的半熔化區(qū)， （固 液相共存 ）和只有熔化的母材 （液相）而未與填充金屬混合的 （液相）薄層（稱為未混合區(qū) ）。這兩個區(qū)共同構(gòu)成了熔合區(qū)