第3章焊接接頭的組織和性能

第3章焊接接頭的組織和性能★焊接熔池和焊縫焊接熔池的結(jié)晶特點、結(jié)晶形態(tài)，焊縫的相變組織及焊縫組織和性能的控制?！锖附訜嵊绊憛^(qū)焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點、組織特性及性能?！锶酆蠀^(qū)熔合區(qū)的邊界，熔合區(qū)的形成機理，熔合區(qū)的特征焊接熔池：由熔化的局部母材和填加材料所組成的具有一定幾何形狀的液態(tài)區(qū)域。焊縫：熔池凝固后所形成的固態(tài)區(qū)域。焊縫組織性能不僅取決于焊縫的相變行為，而且受到焊接熔池結(jié)晶行為的直接影響。一.焊接熔池的結(jié)晶特點熔池體積小、冷卻速度大局部加熱，熔池體積小；熔池被很大體積的母材包圍，界面導(dǎo)熱很好，熔池冷速很快。碳當量高的鋼種焊接時，易產(chǎn)生淬硬組織，甚至產(chǎn)生冷裂紋。熔池過熱、溫度梯度大焊接加熱速度快，熔池金屬處于過熱狀態(tài)；熔池體積小，溫度高，熔池邊界的溫度梯度很大。非自發(fā)晶核質(zhì)點顯著減少，柱狀晶得到顯著發(fā)展。熔池在動態(tài)下結(jié)晶熔池結(jié)晶和母材熔化同時進行，焊接區(qū)內(nèi)各種力交互作用，使正在結(jié)晶中的熔池受到激烈的攪拌。有利于氣體的排除、夾雜物的浮出以及焊縫的致密化。聯(lián)生結(jié)晶和競爭成長聯(lián)生結(jié)晶焊接熔池結(jié)晶一般是從熔池邊界開始，即在半熔化的母材晶粒表面上開始并長大。結(jié)晶取向與焊縫邊界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊縫邊界母材晶粒的尺寸。結(jié)晶取向與焊縫邊界母材晶粒的取向相同，初始晶粒尺寸等于焊縫邊界母材晶粒的尺寸。競爭成長晶粒在不同方向上的成長趨勢不同，只有最優(yōu)結(jié)晶取向與溫度梯度最大的方向(即散熱最快的方向，亦即熔池邊界的垂直方向)相一致的晶粒才有可能持續(xù)成長，并一直長到熔池中心；反之，只能長到一定尺寸而中止每個晶粒都是在不斷的競爭中成長的，只有競爭優(yōu)勢明顯的晶粒才能得到不斷的成長，而競爭優(yōu)勢較弱的晶粒將在成長的中途夭折。結(jié)晶速度和方向動態(tài)變化結(jié)晶速度的表達式設(shè)任意晶粒主軸、任意點的結(jié)晶等溫面法線方向與焊接方向的夾角為 a,晶粒成長方向與焊接方向之間的夾角為在dt時間內(nèi)熔池邊界的結(jié)晶等溫面從 t時刻的位珞移到t+dt時刻的位珞。(2)成長速度和方向不斷變化熔池邊界上不同位珞的等溫線的法線方向不同，晶粒成長過程中的成長方向不斷變化，成長速度也在發(fā)生變化。當晶粒由熔池兩側(cè)開始結(jié)晶一直成長到最后的過程中，晶粒成長的方向和速度均隨結(jié)晶進程而動態(tài)變化，其成長方向由垂直于焊接方向逐漸轉(zhuǎn)向焊接方向， 而成長速度由零逐漸增大到焊接速度。焊接速度對成長速度和方向的影響對成長方向的影響焊接速度增加，焊接溫度場范圍變小，熔池形狀變得細長，晶粒成長的方向角變大，晶粒越向垂直于熔池中心線的方向成長，易于形成垂直于焊縫中心線的柱狀晶。焊接速度較小時，晶粒成長的方向角可以由 900逐漸變小，并達到很小的數(shù)值，從而形成彎曲的晶粒。對成長速度的影響焊接熱源功率一定時，焊接速度增大時，晶粒成長速度增大，成長速度的增長率增大。在固態(tài)焊縫中主要存在兩種晶粒(宏觀)柱狀晶粒(平面結(jié)晶、胞狀結(jié)晶、胞狀樹枝結(jié)晶、樹枝狀結(jié)晶)等軸晶粒：樹枝狀結(jié)晶二.焊接熔池的結(jié)晶形態(tài)1.熔池結(jié)晶的典型形態(tài)(1)平面結(jié)晶過冷條件：固-液界面前方液相溫度梯度G很大，液相溫度曲線T不與結(jié)晶溫度曲線TL相交，液相中不存在成分過冷區(qū)。形成機理：固-液界面前方溫度較高，一旦晶芽向前凸出生長，將被較熱的液態(tài)金屬所熔化，結(jié)晶過程只能以平面形式向前推進，從而形成平滑的結(jié)晶界面。出現(xiàn)部位：平面結(jié)晶形態(tài)多發(fā)生在高純度金屬的焊縫中，或位于溫度梯度很高而結(jié)晶速度很小的焊縫邊界層內(nèi)。(2)胞狀結(jié)晶過冷條件：當G較大時，T與TL在短距離x內(nèi)相交，形成較小的成分過冷區(qū)。形成機理：平面結(jié)晶界面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其上長出許多平行束狀芽胞，凸入過冷液相，并向前生長，于是在晶內(nèi)形成了相互平行的胞狀亞晶，其斷面呈現(xiàn)六角形的胞狀形態(tài)。胞狀樹枝結(jié)晶過冷條件：隨G的減小，T與TL相交的距離x增大，形成的成分過冷區(qū)增大。形成機理：晶體成長加快，胞狀晶前沿更向液相凸出，深入液相較長距離。同時，凸出部分向其周圍排除溶質(zhì)，使橫向產(chǎn)生成分過冷，并在主干的橫向上長出二次分枝。但由于主干的間距較小，因而二次分枝較短，從而形成了特殊的胞狀樹枝晶。樹枝狀結(jié)晶過冷條件：當G進一步減小時，T與TL相交的距離x進一步增大，形成較大的成分過冷區(qū)。形成機理：晶體成長速度更快，在一個晶粒內(nèi)除產(chǎn)生一個很長的主干外，還向四周長出很多二次橫枝，甚至在二次橫枝上還長出三次橫枝。這些橫枝不斷長大，直至鄰近橫枝接觸為止，從而形成典型的樹枝晶。(5)等軸結(jié)晶過冷條件：當G很小時，T與TL在很遠處相交，從而在液相中形成很大的成分過冷區(qū)。形成機理：不但結(jié)晶前沿出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶，而且在液相內(nèi)也產(chǎn)生新的晶核。這些晶核周圍所處狀態(tài)相同，可以自由成長，從而形成幾何形狀幾乎對稱的等軸晶粒。(6)綜合分析熔池的結(jié)晶形態(tài)取決于液相的成分過冷程度。隨成分過冷程度的增大，依次出現(xiàn)平面晶、胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶和等軸晶等結(jié)晶形態(tài)。成分過冷受到熔池金屬中溶質(zhì)含量 W、熔池結(jié)晶速度R和液相溫度梯度G的影響，可直接從W、R和G的綜合作用考察熔池結(jié)晶形態(tài)的變化規(guī)律。溶質(zhì)含量W的影響：在R和G一定的情況下，隨W的增加，成分過冷程度增大，結(jié)晶形態(tài)將由平面晶依次過渡到胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶和等軸晶。結(jié)晶速度R的影響：當W和G一定時，R越快，成分過冷程度越大，結(jié)晶形態(tài)也將由平面晶依次過渡到胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶和等軸晶。溫度梯度G的影響：當W和R不變時，G越大，成分過冷程度越小，結(jié)晶形態(tài)演變方向?qū)⒆優(yōu)橛傻容S晶依次過渡到樹枝晶、胞狀樹枝晶、胞狀晶和平面晶。2.焊縫中的結(jié)晶組織(1)結(jié)晶組織的分布：焊接熔池中的不同部位，具有不同的溫度梯度和結(jié)晶速度，因而具有不同的成分過冷，出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)，形成分布不同的結(jié)晶組織。焊縫邊界溫度梯度G大，結(jié)晶速度R小，難于形成成分過冷，故多以平面結(jié)晶的形態(tài)成長。過渡區(qū)域隨晶體逐漸遠離焊縫邊界而向焊縫中心生長，溫度梯度 G逐漸減小，結(jié)晶速度R逐漸增大，溶質(zhì)含量逐漸增加，成分過冷區(qū)逐漸加大，結(jié)晶形態(tài)將依次向胞狀晶、胞狀樹枝晶及樹枝晶發(fā)展。焊縫中心在焊縫中心附近，溫度梯度G變得最小，結(jié)晶速度R達到最大，溶質(zhì)含量最高，成分過冷顯著，可能導(dǎo)致等軸晶粒的形成。三.焊縫的相變組織對于有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的焊縫金屬，焊接熔池完全結(jié)晶后所形成的固態(tài)焊縫，在隨后的冷卻過程中將發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，從而形成相變組織，亦即焊縫最終的組織。隨焊縫化學成分和冷卻條件的變化， 低合金鋼焊縫中可能形成鐵素體F、珠光體P、貝氏體B及馬氏體M等相變組織，而且它們會呈現(xiàn)出多種形態(tài)，從而具有不同的性能。鐵素體F：低合金鋼焊縫中的鐵素體具有比較復(fù)雜的形態(tài)， 按其形態(tài)特征和出現(xiàn)的部位分為先共析鐵素體GBF、側(cè)板條鐵素體FSP、針狀鐵素體AF和細晶鐵素體FGF。先共析鐵素體GBF形成條件：先共析鐵素體又稱晶界鐵素體，是焊縫冷卻到 770~680C的較高溫區(qū)內(nèi)，沿奧氏體晶界首先析出的鐵素體。形態(tài)特征：先共析鐵素體的形態(tài)可以是沿晶擴展的長條形，也可以是沿晶分布的塊狀多邊形。合金含量越低，高溫停留時間越長，冷卻速度越慢，先共析鐵素體的數(shù)量越多。性能影響：先共析鐵素體為低屈服點的脆性相，因而使焊縫金屬的韌性降低。側(cè)板條鐵素體FSP形成條件：側(cè)板條鐵素體又稱無碳貝氏體，是焊縫冷卻到 700~550C的較寬溫區(qū)內(nèi)，從先共析鐵素體的側(cè)面以板條狀向原奧氏體晶內(nèi)生長的鐵素體。形態(tài)特征：側(cè)板條鐵素體的形態(tài)呈現(xiàn)鎬牙狀，長寬比在 20以上。性能影響：側(cè)板條鐵素體內(nèi)部的位錯密度比先共析鐵素體高，使焊縫金屬的韌性顯著降低 .針狀鐵素體AF形成條件：針狀鐵素體是在500C附近的中等冷卻速度下，在原奧氏體晶內(nèi)以針狀生長的鐵素體。形態(tài)特征：針狀鐵素體寬度約為 2(jm，長寬比在3~5之間，常以某些彌散氧化物或氮化物質(zhì)點為核心放射性成長，使形成的針狀鐵素體相互制約而不能自由成長。性能影響：針狀鐵素體內(nèi)部的位錯密度更高，位錯之間相互纏結(jié)，分布也不均勻，但對于屈服強度低于550MPa、硬度在175~225HV之間的焊縫來講，針狀鐵素體的增加可顯著改善焊縫金屬的韌性。細晶鐵素體FGF形成條件：細晶鐵素體又稱貝氏鐵素體，是在有細化晶粒的元素(如鈦、硼等)存在且在稍低于500C的溫度下，在原奧氏體晶內(nèi)形成的晶粒尺寸較小的鐵素體。形態(tài)特征：細晶鐵素體是介于鐵素體與貝氏體之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，晶粒細小，且在細晶之間有珠光體和滲碳體析出。性能影響：細晶鐵素體因其晶粒細小而對焊縫的強度和韌性具有較好的作用。珠光體P形成條件：珠光體是低合金鋼在接近平衡狀態(tài)下，在 Ac1~550C溫區(qū)內(nèi)發(fā)生擴散相變的產(chǎn)物。在焊接的非平衡狀態(tài)下，原子不能充分擴散，抑制了珠光體轉(zhuǎn)變。只有在預(yù)熱、緩冷及后熱等使冷速變得極其緩慢的情況下，才能在焊縫中形成少量的珠光體。形態(tài)特征：珠光體是鐵素體和滲碳體的層狀混合物，根據(jù)層片的細密程度可分為層狀珠光體 PL、粒狀珠光體Pr和細珠光體PS。其中，粒狀珠光體Pr又稱托氏體，而細珠光體PS又稱索氏體。性能影響：焊縫中的珠光體能增加焊縫的強度，但使韌性降低。貝氏體B上貝氏體Bu形成溫區(qū):550-450形態(tài)特征：呈羽毛狀沿原奧氏體晶界析出，其內(nèi)的平行條狀鐵素體間分布有滲碳體。下貝氏體BL形成溫區(qū)：450c~Ms左右。形態(tài)特征：許多針狀鐵素體和針狀滲碳體機械混合，針與針之間成一定的角度，鐵素體內(nèi)還分布有碳化物顆粒。性能影響：下貝氏體中鐵素體針成一定交角，碳化物彌散析出于鐵素體內(nèi)，使得裂紋不易穿過，因而具有良好的強度和韌性。(3)粒狀貝氏體BG或條狀貝氏體BP形成條件：在稍高于上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度且中等冷卻速度下形成的。M-A組元。形態(tài)特征：塊狀鐵素體上分布有富碳的馬氏體和殘余奧氏體，即粒狀貝氏體：當M-AM-A組元。條狀貝氏體：當M-A組元以條狀分布在塊狀鐵素體上時對應(yīng)的組織。島狀馬氏：體粒狀貝氏體中的M-A組元也稱島狀馬氏體，其硬度高，在載荷下可能開裂或在相鄰鐵素體薄層中引起裂紋而使焊縫韌性下降。馬氏體M馬氏體是在Ms點以下溫區(qū)內(nèi)發(fā)生的切變型相變的產(chǎn)物。在快速冷卻條件下，會發(fā)生由過冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，形成板條馬氏體 MD或片狀馬氏體MT。板條馬氏體MD形態(tài)特征：在低碳、低合金焊縫中形成，其特征是在原奧氏體晶粒內(nèi)部形成具有一定交角的馬氏體板條，每個馬氏體板條內(nèi)部是平行生長的束狀細條。別稱：板條馬氏體含碳量低，板條內(nèi)存在許多位錯，因而又稱低碳馬氏體或位錯馬氏體。性能影響：板條馬氏體具有較高的強度和良好的韌性，是綜合性能最好的一種馬氏體。焊縫最終組織的構(gòu)成焊縫具體由哪些組織所構(gòu)成，是由焊縫的化學成分和冷卻條件決定的。根據(jù)化學成分所建立的焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（焊接CCT圖），可以確定焊縫最終組織的構(gòu)成。焊接CCT圖是焊接條件下連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖的簡稱，它給出了一定成分的焊縫或熱影響區(qū)組織（有時還有硬度）與冷卻時間（或冷卻速度）的關(guān)系。對于Fe-0.11C-1.44Mn-0.31Si-0.071O焊縫金屬而言，當緩慢冷卻時，焊縫組織由先共析鐵素體GBF和珠光體P構(gòu)成；而當快冷時，焊縫組織變成針狀鐵素體AF、細晶鐵素體FGF和馬氏體M。四.焊縫組織和性能的控制通過冶金方面和工藝方面的控制來實現(xiàn)焊縫組織的控制，從而保證焊縫具有足夠高的強度和韌性，亦即使焊縫具有良好的綜合力學性能。冶金方面的控制冶金方面的控制是指通過向焊縫中添加合金化元素來改善焊縫金屬的組織和性能。合金化元素主要包括錳、硅、鈦、硼、鉬、鈮、釩、鋯、鋁以及稀土等。錳和硅的作用錳和硅不僅能脫氧而使焊縫得到強化，還能改變焊縫組織形態(tài)而影響焊縫的韌性。當錳和硅的含量適中時，得到細晶鐵素體和針狀鐵素體的焊縫組織，具有較高的韌性。反之，含量較低時得到粗大的先共析鐵素體，含量較高時得到側(cè)板條鐵素體，二者均使韌性降低。應(yīng)當指出，單純采用錳和硅來提高焊縫韌性是有限的，特別是大線能量焊接時，難以避免產(chǎn)生粗大的先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體，此時必須向焊縫中加入晶粒細化元素，以進一步改善焊縫的組織和韌性。鈦和硼的作用在焊縫中加入微量的鈦和硼等活性元素，能明顯起到細化焊縫組織的作用，顯著提高焊縫的韌性。鈦能與硼、氮和氧形成TiB2、TiN和TiO等微小顆粒，作為非自發(fā)形核的質(zhì)點而細化晶粒；在由3向丫轉(zhuǎn)變中，像釘子”一樣阻礙奧氏體晶粒的長大；在由丫向a轉(zhuǎn)變中，促進針狀鐵素體的大量形核，從而形成細小均勻的針狀鐵素體，改善焊縫的韌性。硼是表面活性元素，在鈦的保護作用下得以自由存在，高溫下極易向奧氏體晶界擴散，降低晶界能，增強奧氏體的穩(wěn)定性，使其向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度降低，因而抑制了先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的形核與長大，促進了針狀鐵素體的生成，改善了焊縫的韌性。工藝方面的控制（1）工藝優(yōu)化及多層焊接（2）震動與錘擊處理（3）焊后熱處理一、焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變特點1、加熱過程組織轉(zhuǎn)變的的特點。（1）焊接加熱速度快，導(dǎo)致ac1和ac3升高，而且ac1和ac3之間的溫差越大。即焊接加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變不同于平衡狀態(tài)的組織轉(zhuǎn)變。本質(zhì)原因：鐵素體和珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程是擴散重結(jié)晶過程，需要孕育期?？焖偌訜醽聿患巴瓿稍杏^程，造成相變溫度提高。鋼中含有碳化物形成元素時，其擴散速度慢，還阻止碳的擴散過程，明顯減慢奧氏體均質(zhì)化過程，使轉(zhuǎn)變溫度升的更高。（2）奧氏體均質(zhì)化程度降低，部分晶粒嚴重長大奧氏體均質(zhì)化是擴散過程，焊接的快速加熱和短暫的高溫停留，