金屬焊接熱影響區(qū)的組織和性能

材料(cáiliào)成形原理（焊接部分）5焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)和性能共七十六頁5.1

焊接(hànjiē)熱循環(huán)共七十六頁熱影響區(qū)——熔焊時在高溫熱源的作用下，焊縫兩側母材上發(fā)生組織(zǔzhī)和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”（HeatAffectedZone，簡稱HAZ）或稱“近縫區(qū)”（NearWeldZone）。焊接(hànjiē)接頭=焊縫+熱影響區(qū)或：焊接接頭=焊縫+熔合區(qū)+熱影響區(qū)早期：母材主要是低碳鋼，HAZ一般不會出現(xiàn)什么問題，焊接質量取決于焊縫質量，人們的主要精力用于解決焊縫中可能出現(xiàn)的問題?，F(xiàn)在：母材材料的品種不斷擴大（如低合金高強度鋼、高合金特殊鋼，鋁、銅、鈦等有色金屬的合金等），這些材料大多對加熱敏感，有些化學性質還相當活潑。HAZ的組織與性能將發(fā)生較大的變化，甚至會產(chǎn)生嚴重的缺陷。隨著鋼材強度、結構的尺寸與板厚不斷增加，HAZ脆化傾向增大，產(chǎn)生焊接缺陷的可能性增加，焊縫質量不再是決定焊接質量的唯一要素。共七十六頁一、研究焊接(hànjiē)熱循環(huán)的意義焊接熱循環(huán)——在焊接熱源(rèyuán)的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。 焊件上距熱源遠近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同，從而會發(fā)生不同的組織與性能變化。研究焊接熱循環(huán)的意義為：①找出最佳的焊接熱循環(huán)不同的金屬材料對焊接熱循環(huán)的敏感性不同，對焊接熱循環(huán)作適當調整，找出適合某種金屬的最佳熱循環(huán)，從而保證最佳的焊接質量。②用工藝手段改善焊接熱循環(huán)如：預熱、后熱、控制線能量等。③預測焊接應力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征2、加熱的最高溫度Tm

峰值溫度過高，將使晶粒嚴重長大，甚至(shènzhì)產(chǎn)生過熱的魏氏體組織，造成晶粒脆化；同時還影響到焊接接頭的應力應變，形成較大的焊接殘余應力或變形。

3、相變溫度以上的停留時間tH

tH越大，越有利于奧氏體均質化，但晶粒長大越嚴重。

tH

＝t‘＋t’’ t‘－加熱過程停留時間，

t’’－冷卻過程的停留時間1、加熱速度ωH

ωH越快，相變溫度提高，均質化和碳化物在奧氏體的溶解也越不充分。必然影響在冷卻過程中熱影響區(qū)的組織轉變及其性能。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征4、冷卻速度ωc和冷卻時間（t8/5、t8/3、t100)

冷卻速度冷卻速度，特別是在固態(tài)相變溫度范圍內冷卻速度，即800～500℃及800～300℃時的冷卻速度是焊接熱循環(huán)中極其重要的參數(shù)，它將決定焊接接頭的組織、性能及接頭質量。準確地測量瞬時冷卻速度有一定地困難，多采用一定溫度范內的冷卻時間來代替冷卻速度，以此作為研究焊接接頭的組織、性能及抗裂性的重要參數(shù)。

t8/5

－800~500℃時冷卻時間

t8/3－800~300℃時冷卻時間

t100－Tm~100℃的冷卻時間

碳鋼及低合金鋼：固態(tài)相變溫度范圍的800～500℃冷卻時間t8/5；淬硬傾向比較(bǐjiào)大的鋼種：采用冷卻時間t8/3或冷卻時間t100。共七十六頁二、焊接熱循環(huán)的參數(shù)(cānshù)及特征共七十六頁三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計算

主要介紹焊接熱源高速運動時厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計算（推導過程略）：

峰值溫度Ｔm的計算相變溫度以上(yǐshàng)的停留時間tH

的計算冷卻速度ωC和冷卻時間的計算

數(shù)值模擬——是指用一組控制方程來描述一個過程的基本參數(shù)變化關系；利用數(shù)值方法求解，以獲得該過程定量的結果。 根據(jù)焊接傳熱理論建立了許多描述焊接傳熱過程的數(shù)學模型(包括焊接熱循環(huán)參數(shù))。 隨著計算機的發(fā)展和普及，計算機的容量日益增大，計算速度也越來越快，過去難以用分析方法求解的非線性問題現(xiàn)在可以在計算機上用數(shù)值方法迎刃而解。共七十六頁點熱源(rèyuán)（厚板）：

線熱源(rèyuán)（薄板）：

由兩式可以看出：焊件上某點離開熱源軸心距離越遠，最高溫度Ｔm越低；焊件上某一定點，隨著線能量E

的提高，其Ｔm增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預熱溫度與焊件熱物理性質的影響。三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算峰值溫度Ｔm的計算共七十六頁三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計算峰值溫度(wēndù)Ｔm的測量共七十六頁點熱源（厚板）線熱源（薄板）由公式可以看出：提高線能量E，高溫停留時間tH延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始(chūshǐ)溫度T0（預熱溫度），也會在一定程度上延長高溫停留時間tH。三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計算相變溫度以上的停留時間tH

的計算共七十六頁冷卻時間(shíjiān)：

厚板薄板

冷卻速度ωc隨著線能量E和初始溫度T0的提高而降低，冷卻時間隨著線能量E和初始溫度T0的提高而延長。母材的熱物理性質、焊件的形狀、尺寸(chǐcun)、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，

三、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算冷卻速度：

厚板薄板共七十六頁

為了方便，在理論計算的基礎(jīchǔ)上建立了不同條件下從線算圖上直接獲取t8/5或t8/5的圖解法。手弧焊、CO2

氣體保護焊和埋弧焊時的t8/5線算法如圖所示。

三、焊接熱循環(huán)參數(shù)(cānshù)的計算共七十六頁四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點

焊接生產(chǎn)中常采用多層焊接，研究多層焊接熱循環(huán)的傳熱特點具有更為普遍意義。從提高焊接質量來看，多層往往具有很大的優(yōu)越性：熱循環(huán)參數(shù)調節(jié)范圍大：單層焊時，因為受到焊縫截面積的限制，不能在更大的范圍內調節(jié)功率和焊速，焊接熱循環(huán)的調整也受到了限制。多層焊是許多單層熱循環(huán)聯(lián)合在一起的綜合(zōnghé)作用，多層焊比起單層焊具有更大的調節(jié)范圍。相鄰焊層之間彼此具有熱處理的作用：多層焊時，對后一焊道面言，前一焊道具有預熱作用，層間溫度相當與預熱溫度；對前一焊道來說，后一焊道起后熱作用，產(chǎn)生一定熱處理效果。多層焊主要考慮焊道層數(shù)和層間溫度：層間溫度——多層焊時，開始焊接后一焊層時前一層焊道所具有的最低溫度即為層間溫度。多層焊可分為“長段多層焊”和“短段多層焊”。共七十六頁1、長段多層焊接熱循環(huán)長段多層焊——就是每次焊縫的長度較長(1.0～1.5m)，當焊完第一層再焊第二層時，第一層已基本冷卻(lěngquè)到較低的溫度(約100～200℃)。四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點由圖可知，相鄰各層之間有依次熱處理的作用，為防止最后一層淬火，可多加一層退火焊道。

不適于焊接淬硬傾向大的鋼種。焊接這種鋼時，應特別注意與其他工藝措施的配合，如預熱和層間溫度的控制等。 進行長段多層焊時，如果第一層和最后一層不產(chǎn)生淬火組織，則其他各層將不會產(chǎn)生淬火組織。共七十六頁2、短段多層焊接(hànjiē)熱循環(huán)短段多層焊——就是每層的焊縫長度較短(約50～400mm)，還未等前一層焊縫冷卻到較低溫度（如Ms點）就開始了下一層的焊接。四、多層焊焊接(hànjiē)熱循環(huán)的特點由圖可知，焊件近縫區(qū)1點和4點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)是比較理想的。1點：一方面使該點在Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大，另一方面由于層間的熱作用，減緩了冷卻速度，從而防止產(chǎn)淬火組織。4點：它是在預熱基礎上開始焊接的，只要焊縫長度控制合適，Ac3

以上停留時間仍可很短，晶粒不會長大。為了防止最后一層產(chǎn)生淬火組織，可另加一層退火焊遵，以增加奧氏體的分解時間。短段多層焊對于晶粒易長大而又易淬火鋼種的熱影響區(qū)和焊縫具有改善作用。但短段多層焊的操作十分繁瑣，生產(chǎn)率低，因此除非在特殊的情況下才采用。共七十六頁5.2

焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織(zǔzhī)轉變特點共七十六頁一、焊接(hànjiē)過程的特殊性與熱處理條件相比，焊接熱循環(huán)的特點：①加熱溫度高

熱處理：Ac3以上100~200℃焊接：近縫區(qū)熔合區(qū)接近熔點（低碳鋼、低合金鋼為1350℃）②加熱速度快

熱處理：隨熱處理爐緩慢升溫（幾度~幾十度/S）焊接：采用的熱源(rèyuán)強烈集中，比熱處理快幾十到幾百倍（手弧焊：200~1000℃/s）③高溫停留時間短

熱處理：保溫時間可任意控制焊接：Ac3以上停留時間短（手弧焊4~20s，埋弧焊30~100s）

④自然條件下冷卻

熱處理：冷卻速度可控制焊接：為自然條件下冷卻

⑤加熱的局部性和移動性熱處理：爐中整體加熱焊接：局部集中加熱，熱源在移動共七十六頁二、焊接時加熱過程(guòchéng)組織轉變的特點

由于焊接熱影響區(qū)升溫速度快、高溫停留時間短及冷卻速度快，使得與擴散有關的過程都難于進行，從而影響到組織轉變的過程及其進行的程度，由此出現(xiàn)(chūxiàn)了與等溫過程和熱處理過程的組織轉變明顯不同的特點。1、組織轉變向高溫推移加熱速度越快，實際相變溫度Ac1、Ac3越高，且Ac1和Ac3的溫差越大。見圖、表 珠光體和鐵素體轉變?yōu)閵W氏體的過程是擴散重結晶過程，需孕育期。快速加熱時，低溫時來不及完成的擴散過程，會在更高溫度下進行，從而導致相變溫度升高。隨鋼中碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb）增多，Ac1、Ac3的增高越顯著。 碳化物合金元素的擴散速度?。ū忍夹?000到10000倍）、同時它們還阻礙碳的擴散。導致相變溫度進一步升高。2、奧氏體均質化程度降低、部分晶粒嚴重長大 加熱速度越快，相變以上停留時間越短，對已形成的奧氏體的均質化過程越不利，均質化程度越差。 見圖，45鋼奧氏體晶粒開始長大溫度低，高溫區(qū)晶粒粗大；

40Cr奧氏體晶粒開始長大溫度高，高溫區(qū)晶粒小。共七十六頁焊接快速加熱對Ac1、Ac3和晶粒長大的影響d—晶粒的平均直徑；A—奧氏體；P—珠光體；F—鐵素體；K—碳化物45鋼40CrωH：1—1400℃/s；2—270℃/s；

3—35℃/s；4—7.5℃/s)ωH

：1—1600℃/s；2—300℃/s；

4—42℃/s；5—7.2℃/s共七十六頁鋼種相變點平衡狀態(tài)加熱速度ωH/（℃·S-1）AC1與AC3的溫差/℃/℃6~840~50250~3001400~170040~50250~3001400~170045鋼AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加熱速度(sùdù)對相變點Ac1和Ac3及其溫差的影響共七十六頁三、焊接(hànjiē)時冷卻過程組織轉變的特點1、組織轉變向低溫推移、可形成非平衡組織在奧氏體均質化程度相同的情況下，隨著焊接冷卻速度的加快，鋼鐵材料的相變溫度Ac1、Ac3

以及Am均降低。在快冷條件下，共析成分也發(fā)生變化，甚至得到非平衡狀態(tài)的偽共析組織。這種組織轉變特點也是因為奧氏體向鐵素體或珠光體的轉變是由擴散過程控制的結果。但應指出，由于奧氏體均質化程度受到焊接加熱過程的影響，因而加熱過程也會對冷卻過程的組織轉變產(chǎn)生影響，對此必須給予充分(chōngfèn)注意。否則，在分析具體問題時，可能得出不準確的結論。共析成分成為一個成分范圍

共七十六頁三、焊接(hànjiē)時冷卻過程組織轉變的特點2、馬氏體轉變(zhuǎnbiàn)臨界冷速發(fā)生變化例：45鋼、40Cr鋼焊接和熱處理比較。圖4-2145鋼、圖4-2240Cr鋼45鋼在Ms附近，焊接曲線右移，即同樣冷卻速度條件下，焊接比熱處理淬硬傾向大。40Cr在Ms附近，焊接曲線左移，即同樣冷卻速度下，熱處理比焊接淬硬傾向大。原因：在焊接熱循環(huán)的作用下：一方面，熔合線附近晶粒因過熱而粗化，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向增大；另一方面，鋼中的碳化物合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb)只有充分溶解在奧氏體的內部，才能增加奧氏體的穩(wěn)定性(即增加淬硬傾向)。在熱處理條件下，可以有充分的時間使碳化物合金元素向奧氏體的內部溶解。在焊接條件下，由于加熱速度快、高溫停留時間短，所以這些合金元素不能充分地溶解在奧氏體中，因此降低了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬硬傾向降低。正是由于這兩方面的共同作用，使冷卻過程中馬氏體轉變臨界冷速發(fā)生變化，亦促使焊接連續(xù)冷卻組織轉變圖(焊接CCT圖)上Ms點附近的曲線右移或左移。共七十六頁四、連續(xù)冷卻組織轉變(zhuǎnbiàn)圖的應用CCT圖的建立：采用焊接熱模擬試驗裝置來建立某種鋼的CCT圖。

焊接CCT圖描述的是組織隨冷卻時間的變化，而冷卻時間是由焊接工藝參數(shù)(如焊接熱輸入及預熱溫度等)決定的。因此，在應用焊接CCT圖時，需要通過冷卻時間這個媒介(méijiè)，建立起組織與焊接工藝參數(shù)的聯(lián)系，從而進行組織預測或制定焊接工藝。具體應用包括兩個方面：1）預測給定工藝條件下接頭的組織和性能；2）根據(jù)接頭組織和性能的要求制定相應的焊接工藝。此外，也可判定鋼種的淬硬傾向及產(chǎn)生冷裂紋的可能性。

共七十六頁用途：1）確定給定t8/5時熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)及硬度，2）按照熱影響區(qū)組織及硬度的要求確定所需的t8/5例如：若t8/5＝36s，熱影響區(qū)的組織組成約為：10％F+5％P+85％BHV5硬度值為240。Q345(16Mn)鋼的CCT圖共七十六頁5.3

焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)和性能共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布

用于焊接的結構鋼，從熱處理特性來看，可分為兩類： 一類是淬火傾向很小的，如低碳鋼和某些低合金鋼(16Mn、15MnTi、15MnV等)，稱為不易淬火鋼； 另一類是淬硬傾向較大(jiàodà)的鋼種，如中碳鋼，低、中碳調質合金鋼等，稱為易淬火鋼。 由于淬火傾向不同，這兩類鋼的焊接熱影響區(qū)組織也不同。共七十六頁一、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的組織分布共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布（一）不易淬火鋼的熱影響區(qū)組織根據(jù)熱影響區(qū)組織特征分四個區(qū)：1、熔合區(qū)（半熔化區(qū)）溫度：固液相線之間，范圍很窄特征：焊縫與母材不規(guī)則結合，形成參差不齊(cēncībùqí)的分界面組織：組織性能不均，母材一側晶粒大性能：性能不均，對接頭的強度、韌性影響大，是裂紋、脆性破壞發(fā)源地熔合區(qū)共七十六頁一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布2、過熱區(qū)（粗晶區(qū)）溫度：1100℃（晶粒開始急劇長大(chánɡdà)的溫度）~固相線以下特征：加熱溫度高，在固相線附近，一些難熔質點如碳化物和氮化物等溶入奧氏體，奧氏體晶粒粗大。組織：粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下形成過熱組織—魏氏組織性能：韌性很低，韌性下降20%~30%，塑性低，與熔合區(qū)一樣，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)措施：嚴重時采用焊后正火處理（如電渣焊）過熱區(qū)共七十六頁3、相變重結晶區(qū)（正火區(qū)或細晶區(qū)）溫度(wēndù)：Ac3~1100℃特征：加熱和冷卻過程中經(jīng)受了兩次重結晶相變，使晶粒得到顯著的細化。組織：相當于低碳鋼正火處理后的組織。性能：較好的綜合性能一、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的組織分布正火區(qū)共七十六頁4、不完全重結晶區(qū)（不完全正火區(qū)）溫度：Ac1~Ac3之間（700~850℃）特征：一部分組織發(fā)生了相變重結晶過程，形成晶粒細小(xìxiǎo)的鐵素體+珠光體，另一部分未相變的鐵素體長大成為粗大鐵素體。組織：組織不均，原始的鐵素體晶粒和細晶粒的混合區(qū)性能：力學性能差。一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布不完全正火區(qū)共七十六頁返回(fǎnhuí)不易淬火(cuìhuǒ)鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布共七十六頁（一）易淬火鋼的熱影響區(qū)組織熱影響區(qū)的組織與焊前母材的熱處理狀態(tài)有關，若母材焊前為退火或正火狀態(tài)則分為：

1、完全淬火區(qū)溫度：熱影響區(qū)Ac3以上特征：加熱時轉變?yōu)閵W氏體，在快速冷卻時，淬硬傾向較大，得到淬火組織組織：相當于低碳鋼過熱區(qū)的部位為粗大馬氏體，相當于正火區(qū)的部位為細小馬氏體。當焊件母材的淬硬性不是太高時，還會出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織與馬氏體共存的混合組織性能(xìngnéng)：塑性、韌性差一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布完全淬火區(qū)共七十六頁2、不完全淬火區(qū)溫度：

Ac1~Ac3之間特征：加熱時珠光體等轉變?yōu)閵W氏體，冷卻時得到淬火組織(zǔzhī)；原鐵素體保持不變，有不同程度長大組織：馬氏體+鐵素體。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時，奧氏體也可能轉變成索氏體或珠光體。性能：塑性、韌性有所降低一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布不完全淬火區(qū)共七十六頁若焊前母材為調質狀態(tài)（淬火+回火）除完全、不完全淬火區(qū)外，還有一個回火區(qū)：3、回火區(qū)溫度：焊前母材的回火溫度以上~Ac1以下特征：對于加熱溫度高于焊前回火溫度的部分，相當于又進行了更高溫度的回火處理組織：回火組織性能：出現(xiàn)(chūxiàn)回火軟化現(xiàn)象一、焊接熱影響區(qū)的組織(zǔzhī)分布回火區(qū)共七十六頁二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能

問題的嚴重性：

焊縫可以通過化學成分的調整再配合(pèihé)適當?shù)暮附庸に噥肀ＷC性能的要求，而熱影響區(qū)性能只能通過控制焊接熱循環(huán)作用來改善。焊接熱影響區(qū)的硬化焊接熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的性能控制共七十六頁1、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的硬化

HAZ的硬度(yìngdù)

高低取決于母材的淬硬傾向（內因）HAZ的冷卻速度（外因）化學成分焊接規(guī)范二、焊接熱影響區(qū)的性能共七十六頁1）化學成分的影響含碳量的影響：鋼中含碳量顯著影響奧氏體的穩(wěn)定性，對淬硬傾向影響最大。含碳量越高，越容易得到馬氏體組織，含碳量越高，馬氏體的硬度(yìngdù)越高。合金元素的影響：合金元素的影響與其所處的形態(tài)有關。溶于奧氏體時提高淬硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物時，則可成為非馬氏體相變形核的核心，促進細化晶粒，使淬硬性下降。碳當量（CarbonEquivalent.簡稱Ceq或CE）

碳當量——是把鋼中合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度，折合成碳的相當含量，其折算值即為該鋼種的碳當量。碳當量反映鋼中化學成分對硬化程度的影響。二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能共七十六頁20世紀60年代以后，發(fā)展了低碳微量多合金元素的低合金高強鋼。日本的伊藤等人采用Ｙ形坡口對接裂紋試驗對200多個低合金鋼進行研究，建立(jiànlì)了Pcm公式：二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能國際焊接學會推薦的CE(IIW)，用于中等強度的非調質低合金鋼（

b＝400～700MPa）：共七十六頁2）冷卻條件的影響降低冷卻速度，一定程度上可降低HAZ的硬化性；高溫停留時間tH越長，晶粒粗化，易使合金(héjīn)元素溶于奧氏體，會提高淬硬性二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能3）碳當量及冷卻時間t8/5與HAZ最高硬度Hmax的關系碳當量越高→Hmax越大t8/5越小(冷速越快)→Hmax越大

Hmax是反映鋼種焊接性的重要標志之一，不僅反映了化學成分的作用，同時也反映了不同組織形態(tài)的作用。國產(chǎn)低合金鋼Hmax的估算公式：

Hmax（HV10）＝140＋1089Pcm－8.2t8/5

表4-15為日本焊接協(xié)會制定的不同鋼種的Hmax最大允許值。共七十六頁二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能

2、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的脆化 不同材料的焊接熱影響區(qū)及熱影響區(qū)的不同部位都會發(fā)生程度不同的材料脆化。HAZ脆化的類型有：粗晶脆化組織脆化析出脆化熱應變時效脆化氫脆化及石墨脆化

共七十六頁二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能鋼中含有碳、氮化物形成(xíngchéng)元素，就會阻礙晶界遷移，防止晶粒長大。例如18CrWV鋼，晶粒顯著長大溫度可達1140℃之高不含碳化物元素的23Mn和45號鋼，超過1000℃晶粒就顯著長大。晶粒直徑d對脆性轉變溫度VTrs的影響晶粒直徑越大，脆性轉變溫度越高。1）粗晶脆化 在熱循環(huán)作用下，熔合線附近和過熱區(qū)將發(fā)生晶粒粗化。粗化程度受鋼種的化學成分、組織狀態(tài)、加熱溫度和時間的影響。應當注意脆化程度和粗晶區(qū)的組織有關：對于不易淬火鋼，主要是晶粒長大，形成粗大魏氏組織(W)；降低焊接線能量，提高冷卻速度，可提高韌性。對于易淬火鋼（如高碳低合金高強鋼），提高冷卻速度會產(chǎn)生脆硬的孿晶M，使脆性增加。應適當提高焊接線能量，降低冷卻速度。共七十六頁2）組織脆化組織脆化——HAZ出現(xiàn)脆性組織引起的脆化稱之組織脆化。低碳低合金高強鋼：組織脆化主要是M-A組元、上貝氏體、粗大的魏氏組織等所造成。含碳量較高的鋼（Ｃ≥0.2％）：組織脆化主要是高碳馬氏體。M-A組元脆化M-A組元——即高碳馬氏體和殘余奧氏體的混合物。M-A組元是焊接高強鋼時在一定冷卻速度下形成的。它不僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，也出現(xiàn)在焊縫中。粗大的奧氏體冷卻過程中先形成鐵素體，而使殘余奧氏體的碳濃度增高(zēnggāo)，隨后這種高碳奧氏體可轉變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。M-A組元分布在粗大鐵素體基底上的組織稱為粒狀貝氏體。M-A組元只在生成上貝氏體的冷卻條件下才能觀察到，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元。焊縫和HAZ有M-A組元存在時，會降低接頭韌性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁3）析出脆化析出脆化——在時效(shíxiào)或回火過程中，從非穩(wěn)態(tài)固熔體中沿晶界析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其它亞穩(wěn)態(tài)的中間相等，使金屬的強度、硬度和脆性提高，這種現(xiàn)象稱為析出脆化。在焊接碳化物或氮化物形成元素的鋼時，在過熱區(qū)母材中原有第二相（各類碳、氮化物的沉淀相）經(jīng)一定溫度和一定時間后沿晶界不均勻析出，或發(fā)生聚集，或沿晶界以薄膜狀分布，阻礙位錯運動，從而使金屬的強度和硬度提高，造成脆化。若析出物以細小彌散的質點均勻地分布在晶內和晶界時，不但不發(fā)生脆化，還將有利于改善韌性。雜質元素（如S、P、Sn、Sb等）在晶界的偏析也會嚴重損害韌性。鋼中雜質元素越多，脆性越嚴重，因為這些雜質元素將降低金屬的結合能。因此，母材純度越低，近縫區(qū)的韌性越難控制。應指出，強度和硬度提高并不一定發(fā)生脆化（如時效馬氏體鋼等）。但發(fā)生脆化必然伴隨強度和硬度的提高。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁HAZ焊縫封頭4）熱應變時效脆化熱應變時效脆化——在制造(zhìzào)過程中要對焊接結構進行一系列冷、熱加工，如下料、剪切、彎曲成形、氣割、矯形、錘擊等。若加工引起的局部應變、塑性變形的部位在隨后又經(jīng)歷焊接熱循環(huán)作用（處于HAZ內）便會引起材料脆化，稱為熱應變時效脆化。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能產(chǎn)生應變時效脆化的原因：

主要是由于應變引起位錯增殖，焊接熱循環(huán)時，碳、氮原子析集到這些位錯的周圍形成所謂Cottrell氣團，對位錯產(chǎn)生釘扎和阻塞作用而使材料脆化。明顯產(chǎn)生熱應變時效脆化的部位是HAZ的熔合區(qū)和Ar1以下的亞臨界HAZ（200～400℃）200℃以下氮、碳原子擴散能力弱。400℃以上位錯擴散速度快，不易聚集。共七十六頁根據(jù)應變產(chǎn)生的原因，熱應變時效脆化分為兩大類：

1）靜應變時效脆化——在室溫或低溫下受到預應變后產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象，叫作靜應變時效脆化。特征(tèzhēng)是強度和硬度增高，而塑性、韌性下降。只有鋼中存在碳、氮自由間隙原子時才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。在室溫或低溫下受到預應變，如工件下料、剪切、彎曲成形等，隨后加熱產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象。2）動應變時效脆化——一般在較高溫度下，特別是200~400℃溫度范圍的預應變所產(chǎn)生的時效脆化現(xiàn)象稱為動應時效脆化。因加熱預應變的同時，氮、碳的擴散也在進行，所以稱為“動”。焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化多數(shù)是由動應變時效所引起。通常所說的“藍脆性”就屬于動應變時效脆化現(xiàn)象。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能共七十六頁

綜上所述，影響熱影響區(qū)脆化的因素很多，不同材料產(chǎn)生脆化的原因也不相同。當熱影響區(qū)的脆化嚴重時，即使母材和焊縫韌性再高也是沒有(méiyǒu)意義的。為了提高焊接結構安全運行的可靠性，必須設法保證焊接熱影響區(qū)的韌性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能熱影響區(qū)沖擊韌度的變化如圖所示。沖擊韌度低的部位有兩處：一是從1200℃以上的粗晶區(qū)到熔合線部位另一處是焊縫以外靠近母材的脆化區(qū)。低碳鋼的脆化區(qū)常在近縫區(qū)的200~400℃的區(qū)域內，高強鋼的脆化區(qū)常在靠近相變點Ac1~Ac3之間熱影響區(qū)沖擊韌度分布示意圖共七十六頁調質鋼焊接HAZ的硬度分布A—焊前淬火+低溫回火；B—焊前淬火+高溫回火；C—焊前退火(tuìhuǒ)

1—淬火區(qū)；2—部分淬火；3—回火區(qū)1）調質鋼HAZ的軟化焊接調質處理后的鋼（特別是中碳調質鋼），在重新加熱到超過它的調質處理時的回火溫度(wēndù)后就會出現(xiàn)軟化問題。焊前所處的熱處理狀態(tài)不同，軟化區(qū)的溫度范圍和軟化程度有很大差別。母材焊前調質處理的回火溫度越低，焊后HAZ軟化區(qū)域越寬，它相對于母材的軟化程度也越大。二、焊接熱影響區(qū)的性能3、焊接熱影響區(qū)的軟化共七十六頁氣焊：熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度大，抗拉強度：590~685MPa。電弧焊：熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度窄，抗拉強度：880~1030MPa。

焊接熱源越集中(jízhōng)對減小軟化區(qū)越有利。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能（a）電弧焊（b）氣焊調質狀態(tài)30CrMnSi鋼焊接接頭的強度變化見圖共七十六頁原因：時效回歸(regressofaging)

合金時效過程中，由于析出(xīchū)不同的脫溶產(chǎn)物而使其強化。低溫時效時以形成原子偏聚區(qū)（即GP區(qū)）為主，其強化作用來源于形成GP區(qū)時造成的應力場對位錯運動的阻礙作用。經(jīng)低溫時效的合金重新加熱到較高溫度時，低溫下形成的GP區(qū)將迅速溶解于基體中，GP區(qū)所造成的強化效果也隨之消失。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能LD2鋁合金HAZ的軟化現(xiàn)象(HR為表面洛氏硬度)(自動TIG焊)LD2（Al-Mg-Si-Cu合金）2）熱處理強化合金焊接HAZ的軟化

經(jīng)過固溶和時效處理的合金（如鎳合金、鋁合金、鈦合金等）在焊接HAZ出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象，即所謂“過時效軟化”。 如圖：HAZ溫度在430~300℃范圍內有明顯的軟化現(xiàn)象。共七十六頁4、焊接熱影響區(qū)的性能控制 熱影響區(qū)不參與化學冶金反應，不能像焊縫那樣通過調整成分來改善性能。因此，改善熱影響區(qū)的性能要從選材和調整熱過程入手。常用的措施有以下幾個：1）采用高韌性母材

采用低碳微合金化鋼：利用微量元素彌散強化、固溶強化，提高材料的熱穩(wěn)定性（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。這些鋼在焊接熱影響區(qū)可獲得韌性較高的組織——針狀鐵素體、下貝氏體或低碳馬氏體，同時還有彌散分布的強化質點。

采用控軋工藝：得到細晶粒鋼。采用爐內精練、爐外提純等一系列工藝：使鋼中的雜質(S、P、N、O等)含量(hánliàng)極低，加之微量元素的強化作用，而得到高純度、細晶粒的高強度鋼。這些鋼有很高的韌性，熱影響區(qū)的韌性相應也有明顯的提高。

在母材選用上，必須注重合理性。也就是說，鋼材的質量與價格應與產(chǎn)品的重要性及工作條件相匹配，而不是一味追求高質量。二、焊接(hànjiē)熱影響區(qū)的性能共七十六頁2)焊后熱處理

焊后熱處理(如正火或正火加回火)可以改善組織，有效提高性能，是重要產(chǎn)品制造中常用的一種工藝方法。但對大型的、復雜的或在工地裝配的結構，即使采用局部熱處理也很困難，因此(yīncǐ)焊后熱處理的應用很有局限性。二、焊接熱影響(yǐngxiǎng)區(qū)的性能3)合理制定焊接工藝

包括正確選擇預熱溫度、合理控制焊接參數(shù)及后熱等。具體的數(shù)據(jù)，則因鋼的成分不同而異。例如：焊接線能量線能量過大，HAZ晶粒粗化形成粗大的鐵素體，甚至出現(xiàn)魏氏組織；線能量過小，冷速太快，出現(xiàn)淬硬馬氏體組織等。焊接線能量對熱影響區(qū)組織及VTrs的影響共七十六頁5.4

焊接熱模擬(mónǐ)試驗方法和特點共七十六頁

焊接熱模擬技術從20世紀40年代開始,在美國、前蘇聯(lián)及日本等國家興起。后來各國對該項技術及其裝置的研究都非常重視,并取得了很大的進展。 我國從20世紀60年代開始研究焊接熱模擬技術,相繼推出各種類型的焊接熱模擬試驗機,利用這項技術為我國的國民經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻。 目前(mùqián)我國材料及熱加工模擬技術已取得了很大的進步,該領域的研究和應用已達到了很高的水平,由于計算機技術的發(fā)展,材料及加工模擬技術已經(jīng)成為材料科學中非?；钴S的研究領域。物理模擬及數(shù)值模擬技術使材料科學的研究“定量化”及“科學化”,不再是“定性“的經(jīng)驗型的低水平研究。熱模擬技術對于推動材料科學的發(fā)展具有重要意義。共七十六頁一、焊接熱模擬試驗(shìyàn)的目的HAZ是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)焊接接頭的力學性能是指焊縫和HAZ的綜合力學性能。對某些材料，如低合金高強鋼，HAZ是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，接頭性能往往(wǎngwǎng)取決于HAZ的力學性能。常規(guī)力學性能試驗不能準確反映HAZ各區(qū)性能由于HAZ十分狹窄，且又分為組織特征極不相同的許多更小的區(qū)域，因此，常規(guī)試驗只能反映HAZ整體性能，不能反映各小區(qū)性能。焊接熱模擬試驗的目的焊接熱模擬試驗方法就是在上述情況下提出來的，其目的就是用來研究焊接熱影響區(qū)中各個小區(qū)的組織和性能的變化規(guī)律。

共七十六頁二、試驗方法(fāngfǎ)及原理試驗裝置及原理： 焊接模擬試驗技術的基本原理是采用靈敏(línɡm(xù)ǐn)而又精確的控制系統(tǒng)和可靠的機械系統(tǒng)，在此試驗裝置上，使具有一定尺寸的小型試樣，再現(xiàn)與實際焊接HAZ某一點完全一致的熱、應力、應變循環(huán)，并用該試樣的組織性能代表實際焊接HAZ某點的組織性能。試驗的主要參數(shù)熱循環(huán)參數(shù)：加熱速度ωH，加熱的最高溫度Tm，相變溫度以上的停留時間tH，冷卻速度ωc和冷卻時間（t8/5、t8/3、t100)。應力、應變控制：應能模擬焊接應力、應變過程。試驗過程中的氣氛：研究焊接結構的工作介質的影響。

共七十六頁三、焊接熱模擬(mónǐ)試驗的應用

采用熱模擬技術,就可以在一定尺寸的試件上,模擬焊接熱循環(huán)及焊接應力應變對焊接熱影響區(qū)中某個區(qū)段的影響,從而研究該區(qū)段的組織及性能的變化規(guī)律。利用該項技術可以研究金屬的焊接性,主要應用有：研究焊接熱影響區(qū)不同區(qū)段的組織及力學性能研究焊接熱影響區(qū)的粗晶脆化研究焊接熱影響區(qū)的熱應變脆化研究冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂的形成條件及產(chǎn)生機理繪制焊接連續(xù)冷卻轉變圖(SHCCT圖)

此外,還可以應用于金屬材料的熱強性、熱塑性、熱疲勞、高溫蠕變、動態(tài)再結晶等方面的研究工作。 冶金工業(yè)中的鑄鋼高溫流變(liúbiàn)行為、連鑄鋼的高溫力學性能以及變形速度對不同溫度下材料強度的影響,模擬軋制、模擬鍛造工藝等方面也成功地應用了焊接熱模擬技術。共七十六頁三、焊接熱模擬(mónǐ)試驗的應用例如:模擬焊接冷裂紋模擬焊接冷裂紋的淬硬組織、氫的聚集、拘束應力等三個因素利用焊接熱模擬試驗機對試樣(shìyànɡ)進行按照給定程序的加熱及加載；試樣加熱到峰值溫度后,冷卻到900℃左右時,對試進行恒溫充氫；然后按規(guī)定的冷卻