焊接熱影響區(qū)的脆化機(jī)理及防治措施

1、焊接熱影響區(qū)的脆化機(jī)焊接熱影響區(qū)的脆化機(jī) 理及防治措施理及防治措施 1 HAZ的脆化的脆化 l定義： lHAZ脆化是熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下所發(fā)生的塑性、 韌性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。 l分類： l粗晶脆化、析出相脆化、組織轉(zhuǎn)變脆化、熱應(yīng)變脆化、氫 脆化和石墨脆化等。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） l 焊接粗晶熱影響區(qū)處在焊縫和母材的過(guò)渡區(qū)域。 焊接過(guò)程中，其加熱溫度接近鋼材的熔化溫度， 雖然高溫停留時(shí)間短暫，但與一般熱處理不同， 在焊接的連續(xù)加熱和冷卻條件下，奧氏體晶粒長(zhǎng) 大具有熱慣性，實(shí)際晶粒度較粗。 l根據(jù)Hall-Petch公式 可知，晶粒 越粗大，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，即脆性增加。晶粒

2、 直徑d與脆性轉(zhuǎn)變溫度VTrs的關(guān)系如下圖所示。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） 焊接熱影響區(qū)的粗晶脆化與一般熱處理過(guò)程 中單純晶粒長(zhǎng)大造成的脆化不同，原因在于晶粒 粗大的同時(shí)著化學(xué)成分、組織狀態(tài)不均勻，這種 伴隨非平衡條件下形成的粗晶脆化程度更為嚴(yán)重。 2 粗晶脆化（粗晶脆化（CGHAZ） l例如，對(duì)于不易淬火剛，粗晶脆化主要是由于 晶粒長(zhǎng)大，甚至形成粗大的魏氏體組織；對(duì)于 易淬火剛，則主要是由于產(chǎn)生脆硬的孿晶馬氏 體所致。 3 析出相脆化析出相脆化 l對(duì)于某些金屬或合金，在焊接冷卻過(guò)程中，或是在 焊后回火或時(shí)效過(guò)程中，從過(guò)飽和固溶體中析出氮 化物、碳化物或金屬間化合物時(shí)，引起金屬或合

3、金 脆性增大的現(xiàn)象，稱為析出相脆化。 l在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的鋼時(shí)，在過(guò) 熱區(qū)，母材原有第二相（碳化物或氮化物）均可大 部分溶解。在冷卻過(guò)程中，由于溶解度的降低，這 些碳、氮化合物將再次發(fā)生沉淀。但由于焊接時(shí)高 溫停留時(shí)間短，奧氏體均質(zhì)化程度低，因此，再次 沉淀的碳、氮化合物將以塊狀形式呈不均勻析出。 3 析出相脆化析出相脆化 l例如，AlN在晶界析出，Ti（C,N）在晶內(nèi)析出， 都呈塊狀形式。這種狀態(tài)的第二相會(huì)嚴(yán)重阻礙位 錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)的脆化。若Fe3C沿晶 界呈薄膜狀析出，或形成粗大碳化物，也會(huì)導(dǎo)致 脆化。 l在快速冷卻條件下，若碳、氮化合物來(lái)不及析出， 則在焊后回火

4、或時(shí)效過(guò)程中也可能產(chǎn)生脆化（如 回火脆化）。 4 組織脆化組織脆化 （1）M-A組元脆化 lM-A組元一般是在中等冷卻速度下形成。在焊接 冷卻過(guò)程中，奧氏體不斷向鐵素體轉(zhuǎn)變，碳及合 金元素向未轉(zhuǎn)變的奧氏體中擴(kuò)散，造成奧氏體的 碳濃度不斷增加，在隨后的冷卻過(guò)程中，這些高 碳奧氏體轉(zhuǎn)變成高碳馬氏體與殘余奧氏體組成的 島狀組織即M-A組元，有時(shí)M-A組元中的馬氏體 也包含低碳板條馬氏體。 lM-A組元中的馬氏體一般為高碳馬氏體，容易引 發(fā)微裂紋。隨著M-A組元數(shù)量的增多，韌脆轉(zhuǎn)變 4 組織脆化組織脆化 l溫度將顯著升高。因此，在HAZ內(nèi)出現(xiàn)M-A組元將 會(huì)導(dǎo)致HAZ韌性降低，引起脆化。 l M-A組

5、元引發(fā)裂紋的可能微觀機(jī)制有四種: 脆硬的條狀M-A組元發(fā)生開(kāi)裂引發(fā)裂紋; 相鄰塊狀M-A組元間的殘余拉應(yīng)力相互疊加，有助 于微裂紋的產(chǎn)生; M-A/基體界面(尤其是沿晶分布的塊狀M-A組元)的 應(yīng)力集中和碳的偏析導(dǎo)致M-A組元與基體分離而產(chǎn) 生微裂紋; M-A組元的變形導(dǎo)致其與基體分離而引發(fā)微裂紋。 4 組織脆化組織脆化 l（2）遺傳脆化 l所謂“組織遺傳”是指厚板結(jié)構(gòu)鋼多層焊時(shí)，若第一 焊道的HAZ粗晶區(qū)位于第二焊道的正火區(qū)(相變重 結(jié)晶區(qū))或兩相區(qū)晶區(qū)的組織仍保留粗晶組織和結(jié) 晶學(xué)的位向關(guān)系。 l其典型組織特征是，在晶粒周圍或亞晶界上出現(xiàn) 成串非連續(xù)分布的等軸細(xì)晶，此外過(guò)熱的粗晶組 織基本

6、上保留了加熱前的大小和形貌。 4 組織脆化組織脆化 l“組織遺傳”引起脆化的原因是晶粒粗大、M-A組元 的產(chǎn)生以及孿晶馬氏體的增加。 l總之， 不管是M-A組元脆化還是“組織遺傳”脆化， 脆化原因與M-A組元的存在密切相關(guān)。M-A組元是 一種脆硬性組織，其存在一定程度上導(dǎo)致HAZ韌 性降低，這一點(diǎn)毋庸置疑。 5 熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化 l定義：在制造焊接結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，不可避免地要 進(jìn)行各種加工，如下料、剪切、彎曲變形、氣割、 矯形、錘擊、焊接和其他熱加工等程序。有這些 加工引起的局部應(yīng)變、塑性應(yīng)變對(duì)焊接HAZ脆化 有很大的影響，由此而引起的脆化稱為熱應(yīng)變時(shí) 效脆化。 l分類： l（1）靜

7、應(yīng)變時(shí)效脆化 l 在室溫或低溫下受到預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生的時(shí)效脆化 現(xiàn)象。 5 熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化 l其特征是強(qiáng)度和硬度增強(qiáng)，而塑性、韌性下降。 只有鋼中存在碳、氮自由間隙原子時(shí)才會(huì)發(fā)生這 種現(xiàn)象。 l（2）動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化 l 一般在較高的溫度下，特別是200400C溫度 范圍的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的時(shí)效脆化現(xiàn)象。 lHAZ的熱應(yīng)變脆化多數(shù)屬于動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化所引 起，通常所說(shuō)的“藍(lán)脆性”就屬于動(dòng)應(yīng)變時(shí)效脆化現(xiàn) 象。 5 熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化 l關(guān)于熱應(yīng)變時(shí)效脆化的機(jī)理，目前多數(shù)人認(rèn)為是 由于柯氏氣團(tuán)對(duì)于位錯(cuò)的釘扎作用。 l例如，Q245（原20鋼）厚壁高壓管在服役過(guò)程中 可能會(huì)發(fā)生應(yīng)變時(shí)效脆

8、化。冷加工Q245鋼的應(yīng)變 時(shí)效是間隙原子(碳、氮，尤其是氮原子)與金屬位 錯(cuò)間的釘扎和解扎相互作用的結(jié)果，應(yīng)變時(shí)效現(xiàn) 象中危害最大的是沖擊吸收能量、斷裂韌度等韌 性指標(biāo)的降低，也就是通常所說(shuō)的應(yīng)變時(shí)效脆化。 l首選正火作為消除應(yīng)變時(shí)效脆化的處理方法。 6 防治措施防治措施 l為了防止CGHAZ脆化，一般應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸 入，采用預(yù)熱、后熱等工藝措施。常規(guī)的焊接工藝 是焊前退火或正火處理，焊后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。但有 時(shí)鑒于焊接的實(shí)際情況，焊前無(wú)法退火或正火，焊 后無(wú)法進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，必須通過(guò)焊后熱處理保證其 韌性滿足要求。 l防止或消除M-A組元和遺傳脆化，應(yīng)制定嚴(yán)格的焊 接工藝參數(shù):焊前預(yù)熱溫度選MS+5080 C，層間溫 度不低于馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS，以避免在焊縫和熱影響 區(qū)產(chǎn)生非平衡的淬火組織，