焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能

1、12第一節(jié)第一節(jié) 焊接及其冶金特點焊接及其冶金特點3焊接：焊接：通過加熱或加壓，或者兩者并用，用或不用通過加熱或加壓，或者兩者并用，用或不用填充材料，使兩個分離的工件填充材料，使兩個分離的工件(同種或異種金屬或非同種或異種金屬或非金屬，也可以是金屬與非金屬金屬，也可以是金屬與非金屬)產(chǎn)生原子產(chǎn)生原子(分子分子)間結(jié)間結(jié)合而形成永久性連接的工藝工程。合而形成永久性連接的工藝工程。物理本質(zhì)：物理本質(zhì)：獨立工件實現(xiàn)原子獨立工件實現(xiàn)原子(分子分子)間結(jié)合，對金間結(jié)合，對金屬材料實現(xiàn)金屬鍵的結(jié)合。屬材料實現(xiàn)金屬鍵的結(jié)合。從金屬學(xué)的觀點來看：從金屬學(xué)的觀點來看：兩個被焊金屬連接件處與焊兩個被焊金屬連接件處

2、與焊縫金屬形成共同晶粒?？p金屬形成共同晶粒。4焊接方法依據(jù)焊接方法依據(jù)工藝特點工藝特點分為：熔焊、壓焊和釬焊。分為：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊熔焊(fusion welding)：局部加熱使連接處達(dá)熔化狀態(tài)，：局部加熱使連接處達(dá)熔化狀態(tài)，冷卻結(jié)晶形成晶粒。冷卻結(jié)晶形成晶粒。壓焊：壓焊：加壓、摩擦、擴(kuò)散等物理作用克服表面的不平加壓、摩擦、擴(kuò)散等物理作用克服表面的不平度，擠出氧化膜等污物，在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接。度，擠出氧化膜等污物，在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接。釬焊：釬焊：用熔點低于母材的金屬材料做釬料，加熱溫度用熔點低于母材的金屬材料做釬料，加熱溫度僅是釬料熔化而母材并不熔化。是釬料與母材的粘合。僅是釬料熔

3、化而母材并不熔化。是釬料與母材的粘合。硬釬焊硬釬焊(熔點高于熔點高于450)和和軟釬焊軟釬焊(熔點低于熔點低于450)之分。之分。除加熱溫度較高的除加熱溫度較高的擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊之外，無需保護(hù)措施。之外，無需保護(hù)措施。5熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程 熔焊焊接接頭的形成經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變直至形成焊接接頭。 亦可歸納為焊接熱過程、焊接化學(xué)冶金過程和焊接物理冶金過程三個相互交錯進(jìn)行且彼此聯(lián)系的局部過程。見圖7-2(p137) 焊接熱過程：整個焊接過程自始至終都是在焊接熱作用過程發(fā)生和發(fā)展的。 焊接化學(xué)冶金過程：液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進(jìn)行一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬的氧化、還原

4、、脫磷、脫硫、合金化等。這些反應(yīng)可以直接影響焊縫金屬、組織和性能。 6熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程 近年在化學(xué)冶金方面的研究重點：1 控制焊縫金屬中夾雜物的種類、直徑大小，作為形核質(zhì)點細(xì)化焊縫金屬晶粒，提高焊縫的強(qiáng)度與韌性；2 向焊縫中加入微量合金元素(如ti、mo、nb、v、zr、b和re等) 進(jìn)行變質(zhì)處理；3 適當(dāng)降低焊縫的含碳量，最大限度的排出焊縫中s、p、o、n、h 等雜質(zhì)，提高焊縫的韌性。4 計算機(jī)模擬 如對焊縫的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，建立數(shù)學(xué)模型。 7 焊接物理冶金過程：焊接熱源作用焊材及母材局部熔化熱源移走金屬凝固結(jié)晶(原子近程有序遠(yuǎn)程有序) 溫度降低，同素異構(gòu)金屬固

5、態(tài)相變 熱影響區(qū)(heat affected zone, haz)：焊接過程中，焊縫周圍未熔化的母材在加熱和冷卻過程中，發(fā)生顯微組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。該區(qū)主要發(fā)生物理冶金過程。 焊接接頭由焊縫(weld metal)、熱影響區(qū)(haz)、熔合區(qū)(fusion zone)和母材(base metal)組成。熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程8保證焊接接頭的措施：1 選擇合適的母材；2選擇合適的焊材；3 控制焊接熱過程，保證焊縫金屬達(dá)到成分和組織要求及焊接接頭的力學(xué)性能；4控制haz的組織轉(zhuǎn)變，使接頭滿足設(shè)計和使用要求；5 控制使焊接接頭性能下降且在局部加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的成分偏析、夾雜、氣孔、

6、裂紋、催化等缺陷。熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程9焊接溫度場見“第二章凝固的溫度場”“第三節(jié)第三節(jié) 熔焊過程溫度熔焊過程溫度場場”10第二節(jié)第二節(jié) 焊縫金屬的組織與性能焊縫金屬的組織與性能11 一一 焊接熔池的結(jié)晶焊接熔池的結(jié)晶 見見“第五章第五章 鑄件鑄件凝固組織及其控制凝固組織及其控制”“”“第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔焊接熔池凝固及控制池凝固及控制” 二二 焊縫金屬的組織焊縫金屬的組織 焊縫金屬在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相焊縫金屬在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的類型取決于化學(xué)成分及冷卻條件。變的類型取決于化學(xué)成分及冷卻條件。 對碳鋼和低合金鋼焊縫，對碳鋼和低合金鋼焊縫，高溫奧氏體在高溫奧氏體在不同溫

7、度區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、不同溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。貝氏體及馬氏體。12低碳鋼焊縫的室溫組織 因含碳量較低，沿a晶界析出f，然后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：ap(f+fe3c) 焊縫過熱時，可能出現(xiàn)魏氏組織，其特征是f在原a晶界呈網(wǎng)狀或沿原a晶粒內(nèi)部一定方向析出，具有長短不一的針狀或片狀，亦可直接插入p晶粒之中。 焊縫金屬是一種多相組織，是晶界f、側(cè)板條f和p混合組織的總稱。131 鐵素體(ferrite)低合金鋼焊縫中f大體分為以下四類：(1) 先共析f (proeutectoid ferrite,pf)，亦稱晶界或粒界f(grain boundary ferrite, gbf)

8、，塊狀f-焊縫冷卻到較低高溫區(qū)間(770680)、沿a晶界首先析出的f。多以長條形沿晶界擴(kuò)展，也以多邊形狀，互相連接沿晶分布。 是低屈服強(qiáng)度的脆弱相，使焊縫金屬韌性下降。低合金鋼焊縫的室溫組織14(2)側(cè)板條f (ferrite side plate,fsp)，亦稱無碳貝氏體(carbon free binete, cfb) -焊縫冷卻到較低高溫區(qū)間(700550)、比pf形成溫度稍低的f。多在晶界f的側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長，多呈鎬牙狀。有人認(rèn)為其屬魏氏組織，也有人由于其轉(zhuǎn)變溫度偏低稱為無碳貝氏體。由于其位錯密度比pf稍高，使焊縫金屬韌性顯著下降。低合金鋼焊縫的室溫組織15(3)針狀f (ac

9、icular ferrite,af) -焊縫冷卻到更低500左右、在中等冷速下得到的f。在原a晶內(nèi)以針狀分布，寬度約為2m,長寬比在3：15：1范圍內(nèi)常以彌散氧化物和氮化物夾雜物為形核質(zhì)點并放射性成長。由于其位錯密度更高，可以顯著改善焊縫的韌性，是提高焊縫金屬韌性的理想組織。低合金鋼焊縫的室溫組織16(4)細(xì)晶f (fine grain ferrite,fgf) ，又稱貝氏體f (binetic ferrite)-焊縫冷卻到500以下、有細(xì)化晶粒的ti、b等元素存在、在原a晶內(nèi)得到的f。如果在更低溫度下轉(zhuǎn)變(約450 )，可轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w。以上四種組織亦可在低碳鋼焊縫中出現(xiàn)，只是所含比例不同而

10、已。低合金鋼焊縫的室溫組織172 珠光體(pearite)在接近平衡狀態(tài)(如熱處理時的連續(xù)冷卻)低合金鋼中出現(xiàn)的組織，其轉(zhuǎn)變溫度大約在ar1550之間出現(xiàn)。依細(xì)密程度可分為層狀p、粒狀p及細(xì)p。在焊接非平衡條件下，原子擴(kuò)散減緩，p來不及轉(zhuǎn)變，擴(kuò)大了f和b的區(qū)域。當(dāng)焊縫中有細(xì)化元素ti、b時，p可被完全抑制。低合金鋼固態(tài)相變時很少得到p。p會增加焊縫金屬強(qiáng)度，但其韌性往往下降。低合金鋼焊縫的室溫組織183 貝氏體(bainite)屬中溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度大約在550 ms。依形成溫度區(qū)間及其特性可為上貝氏體(upper b)和下貝氏體(lower b)。上貝氏體的特征 光鏡下呈羽毛狀，多沿a晶界析出

11、。電鏡下相鄰條狀晶的位相接近于平行，且在平行的條狀f間分布有fe3c。其韌性較差。下貝氏體的特征 光鏡下與回火片狀m相似。電鏡下呈許多針狀f和針狀fe3c的機(jī)械混合物。轉(zhuǎn)變溫度大約在450 ms。下貝氏體具有強(qiáng)度和韌性均良好的綜合性能。低合金鋼焊縫的室溫組織194 馬氏體(martensite)焊縫金屬含碳量較高或合金元素較多時，在快速冷卻條件下，a過冷到ms溫度以下發(fā)生該相的轉(zhuǎn)變。依含碳量不同可為板條狀m和片狀m。(1)板條狀m，又稱位錯型m，低碳m 常出現(xiàn)在低碳低合金鋼焊縫金屬中。其特征 在a晶粒內(nèi)部平行生長成群的細(xì)條狀m板條。因含碳量較低，具有較高強(qiáng)度和良好韌性，抗裂紋能力強(qiáng)，綜合性能好

12、。(2)片狀m，又稱孿晶m，高碳m 焊縫金屬中wc0.4%時出現(xiàn)。該種相硬度高而脆，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋，在焊縫中要避免。低合金鋼焊縫的室溫組織20 wm-cct圖焊接工作者為了專門預(yù)測低合金鋼焊縫制定的低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，即wm-cct(weld metal continuous cooling transformation)圖。其分析原理及應(yīng)用與熱處理cct相同。 依此圖(與成分有關(guān))和焊接條件(決定冷卻曲線)，可以推斷焊縫金屬的組織與性能；反之，由焊縫的性能要求可以確定其組織組成，選擇母材與焊接材料，制定焊接參數(shù)。wm-cct圖21三 焊縫金屬性能的控制1 焊縫合金化與變質(zhì)處理 合金化的目的是保證焊縫金屬的焊