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1、焊接熱影響區(qū)組織和性能變化 焊接熱影響區(qū)的定義:熔焊時(shí)在焊接熱源的作用下,焊縫周?chē)哪覆陌l(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(Heat Affected Zone,HAZ),或稱為“近縫區(qū)”(Near Weld Zone)。焊接熱影響區(qū)概述2 材料因受焊接熱影響(但未熔化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。3焊接過(guò)程中,在形成焊縫的同時(shí),不可避免地使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理,形成組織和性能及不均勻的熱影響區(qū)。熱影響區(qū)一些部位的組織和性能很差,成為整個(gè)接頭的薄弱地帶。HAZ經(jīng)受了一次特殊的熱處理。一些部位的組織和性能變壞(如過(guò)熱區(qū)),成為整個(gè)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),對(duì)焊接質(zhì)量起著控制

2、作用。很多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故都與焊接熱影響區(qū)的性能惡化有關(guān)。重視和研究焊接熱影響區(qū)的組織和性能變化。5取決于材料本身的特性和工藝條件,主要冶金和工藝因素:1)被焊金屬與合金系統(tǒng)的特點(diǎn)無(wú)相變的金屬和合金:非常簡(jiǎn)單有相變的材料:很復(fù)雜2)焊前母材的原始狀態(tài)焊前為冷作硬化或熱處理態(tài):退火軟化易淬火材料焊前為退火態(tài):淬火的硬化區(qū)影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素63)焊接工藝方法和工藝參數(shù)熱源特點(diǎn)與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān):溫度場(chǎng)分布和焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)。影響到焊接熱影響區(qū)特殊熱處理的各項(xiàng)參數(shù):升溫速度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度等。影響焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要因素78一、焊接熱循環(huán)距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊

3、接熱循環(huán)1. 定義:焊接過(guò)程中,熱源沿焊件移動(dòng)時(shí),焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高,達(dá)到最大值后,又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。92. 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)加熱速度VH加熱的最高溫度(Tm)在相變以上的停留時(shí)間(tH)冷卻速度(VC)和冷卻時(shí)間(t8/5、t8/3、t100)10t8/5:800500的冷卻時(shí)間。 t8/3:800300的冷卻時(shí)間。 t100:從峰值溫度Tm冷至100的冷卻時(shí)間。111. 焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)1)加熱的溫度高 熱處理AC3以上100-200,例如45號(hào)鋼AC3:770 焊接近縫區(qū):接近熔點(diǎn),鋼的熔點(diǎn)1350 2)加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3)

4、高溫停留時(shí)間短手工電弧焊:4-20S,埋弧焊:20-40S4)局部加熱二、焊接熱熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)12加熱速度快,相變溫度升高 VHAc1, Ac3奧氏體化過(guò)程是一個(gè)擴(kuò)散重結(jié)晶過(guò)程,需要有孕育期。鋼中含有碳化物形成元素時(shí)影響更顯著。形成的碳化物阻礙碳的擴(kuò)散碳化物本身擴(kuò)散速度低2. 焊接加熱過(guò)程奧氏體化的特點(diǎn)13奧氏體均質(zhì)化程度低高溫停留時(shí)間短,不利于擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行,從而均質(zhì)化程度低。近縫區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大當(dāng)加熱溫度在1100以上時(shí),奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大。加熱過(guò)程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度,對(duì)冷卻時(shí)的相變過(guò)程和相變產(chǎn)物有很大影響。143. 焊接時(shí)冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)(1)奧氏體化溫度高

5、,加熱與冷卻速度快(2)奧氏體的穩(wěn)定性越大,淬硬傾向越大不含碳化物合金元素(如45鋼):近縫區(qū)組織粗化,淬硬傾向比熱處理?xiàng)l件下要大含碳化物合金元素(如40Cr鋼):碳化物不能充分溶解,奧氏體穩(wěn)定性下降,淬硬傾向比熱處理?xiàng)l件下要小15(一)焊接熱影響區(qū)的組織分布1. 低碳鋼及不易淬火的低合金鋼HAZ組織分布如Q235、16Mn、15MnV等,可分為如下四個(gè)區(qū):熔合區(qū)(半熔化區(qū))TLTS,化學(xué)成分與組織不均勻分布,過(guò)熱嚴(yán)重,塑性差,對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。Fe-C合金:在固態(tài)下合金中除了有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變外,還有成分變化和第二相析出,即共析轉(zhuǎn)變和Fe3c的析出。三、

6、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化16過(guò)熱區(qū)(粗晶區(qū))溫度: TS - 1100 現(xiàn)象:加熱溫度高,在固相線附近,一些難熔質(zhì)點(diǎn)如碳化物和氮化物等溶入奧氏體,奧氏體晶粒粗大。組織:粗大的奧氏體在較慢的冷卻速度下形成過(guò)熱組織魏氏組織。性能:韌性很低。措施:嚴(yán)重時(shí)采用焊后正火處理(如電渣焊)。17相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))溫度: 1100 - Ac3 現(xiàn)象:母材完全奧氏體化,加熱和冷卻過(guò)程中經(jīng)受了兩次重結(jié)晶相變,使晶粒得到顯著的細(xì)化。組織:相當(dāng)于低碳鋼正火處理后的組織(細(xì)小的PF)。性能:較好的綜合性能。18不完全重結(jié)晶區(qū)(不完全正火區(qū))溫度: Ac3 Ac1現(xiàn)象:加熱溫度Ac3到Ac1之間,金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不

7、發(fā)生變化,只有部分金屬經(jīng)受了重結(jié)晶相變。組織:原始的鐵素體晶粒(粗大)和細(xì)晶粒的混合區(qū)。性能:性能不好19Q235A鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點(diǎn)過(guò)熱區(qū)重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)母材202. 易淬火鋼HAZ組織分布(1)焊前是正火或退火狀態(tài) 焊前BM為F+P(S、B)完全淬火區(qū)(完全奧氏體化)Ac3 以上,室溫組織為M。不完全淬火區(qū)(部分奧氏體化)Ac1 Ac3,室溫組織為MF。在快速加熱條件下F很少溶入A,而P、B、S等轉(zhuǎn)變?yōu)锳;隨后快冷,形成M+粗大F。焊接淬硬傾向較大的鋼種,如18MnMoNb、45、30CrMnSi等,熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。21(2)焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài) BM回

8、火組織完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)回火區(qū)Ac1Tt,Tt為焊前調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度,低于此溫度,組織不變;高于此溫度,出現(xiàn)軟化。22(二)焊接熱影響區(qū)的性能變化HAZ的硬化HAZ的脆化HAZ的軟化231. HAZ的硬化HAZ硬度分布不均勻,在熔合區(qū)附近具有最大硬度Hmax。不同的組織形態(tài)硬度不同同一組織,也有不同的硬度硬度主要決定于材料的化學(xué)成分和冷卻條件24(1)碳當(dāng)量Carbon Equivalent (Ceq或CE)定義:把鋼中合金元素(包括碳)按其對(duì)淬硬(包括冷裂、脆化等)的影響折合成碳的相當(dāng)含量。它反映了化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響25適合于C0.18%的鋼種式1)主要適用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金

9、鋼(b400700MPa)式2)主要適用于強(qiáng)度級(jí)別較高的低合金高強(qiáng)鋼(b=5001000MPa)1)2)26主要適用于C0.17%, b=400900MPa的低合金高強(qiáng)鋼。應(yīng)用碳當(dāng)量公式時(shí)應(yīng)注意:碳當(dāng)量公式純屬經(jīng)驗(yàn)公式,當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件、方法不同時(shí),碳當(dāng)量公式也不同。一定要注意各公式的適應(yīng)范圍。27(2)碳當(dāng)量Ceq及冷卻時(shí)間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關(guān)系CeqHmax經(jīng)驗(yàn)公式,Hmax=1274Pcm+45 Hmax=559CE(IIW)+100(HV)28Ceq一定, t8/5 Hmax。Hmax間接反映了HAZ的淬硬傾向,而Hmax測(cè)量方便,故可用Hmax來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的冷裂傾向292.

10、HAZ的脆化脆化:是指HAZ在焊接熱循環(huán)作用下所產(chǎn)生的塑性、韌性下降的現(xiàn)象。通常用缺口沖擊值和脆性轉(zhuǎn)變溫度判斷脆化現(xiàn)象。脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs:隨著溫度的降低,金屬由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變,通常把發(fā)生轉(zhuǎn)變的那個(gè)臨界溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。顯然VTrs脆性。30從左圖可以看出,碳錳鋼HAZ的脆化區(qū)有兩個(gè):粗晶區(qū)(1500)時(shí)效脆化區(qū)(400600)HAZ脆化:粗晶脆化、析出脆化、組織脆化、熱應(yīng)變時(shí)效脆化、氫脆化及石墨脆化。31(1)粗晶脆化(主要出現(xiàn)在過(guò)熱區(qū))晶粒d VTrs鋼中含C、N化物形成d加熱溫度T,加熱時(shí)間tdE(焊接線能量)d32(2)組織脆化是由于HAZ中出現(xiàn)脆硬組織造成的。根據(jù)脆性組

11、織不同,又可分為:MA組元脆化析出脆化331)MA組元脆化MA組元脆化原因:高碳奧氏體易于形成高碳馬氏體MA組元存在時(shí),成為了潛在的裂源,并起到吸氫和應(yīng)力集中的作用。342)析出脆化(沉淀相脆化)定義:某些金屬或合金,在時(shí)效或回火過(guò)程中,從過(guò)飽和的固溶體中沿晶界析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其他亞穩(wěn)定的中間相等,使金屬或合金的強(qiáng)度、硬度上升,韌性下降的現(xiàn)象。機(jī)理:析出相出現(xiàn)后,形成“柯氏氣團(tuán)”,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使強(qiáng)度、硬度上升,產(chǎn)生脆化。HAZ的熔合部位(包括粗晶區(qū))在化學(xué)成分和組織上的不均勻性比焊接區(qū)的其他部位更為嚴(yán)重,極易產(chǎn)生析出脆化。特點(diǎn):時(shí)效性35(3)HAZ的熱應(yīng)變時(shí)效脆化(Hot Strain Embrittlement) 焊接構(gòu)件在室溫下受到延性預(yù)應(yīng)變,會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象,可使鋼材的硬度和強(qiáng)度升高,同時(shí)降低延性變形的能力;在高溫下(尤其是200400)的預(yù)應(yīng)變,還會(huì)產(chǎn)生比室溫下更為嚴(yán)重的脆化。這種現(xiàn)象稱為熱應(yīng)變時(shí)效脆化(HSE)。1)靜應(yīng)變時(shí)效脆化 在室溫下或低溫下受到預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象。2)動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化 在較高溫度下(特別是200400)的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象,又稱為“藍(lán)脆”。363. 調(diào)質(zhì)鋼焊接HAZ的軟化焊前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)鋼和具有沉淀硬化和彌散強(qiáng)化的合金,經(jīng)焊接之后,其HAZ產(chǎn)生不同程度的軟化或失強(qiáng)。調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)HAZ

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