第七章焊接及其熱影響區(qū)的組織和性能

1連接成形理論基礎(chǔ)24學(xué)時(shí)劉順洪電話：87543677-mail:liusang@2焊縫及其熱影響區(qū)組織和性能焊接過程的冶金反應(yīng)原理焊接缺欠的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施教學(xué)內(nèi)容3主要參考書目1、張文鉞，焊接冶金學(xué)（基本原理）.機(jī)械工業(yè)出版社，19962、陳伯蠡，焊接冶金原理.清華大學(xué)出版社，19913、陳伯蠡，焊接工程缺欠分析與對策.機(jī)械工業(yè)出版社，19984、專業(yè)期刊雜志—焊接學(xué)報(bào)；焊接；電焊機(jī)等;welding;

ScienceandTechnologyofWeldingandJoiningetc;

4第七章焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能焊接及其冶金特點(diǎn)焊縫金屬的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能5焊接熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程焊接溫度場第一節(jié)焊接及其冶金特點(diǎn)6一、焊接（Welding/Joining）

定義：被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。

（一）焊接及其物理本質(zhì)7從理論上講，當(dāng)兩個(gè)被連接的固體材料表面接近到一定程度（0.3～0.5nm)，就可以在接觸表面上進(jìn)行擴(kuò)散、再結(jié)晶等物理化學(xué)過程，形成金屬鍵，達(dá)到連接的目的。為使金屬表面緊密接觸：

1.加壓：破壞氧化膜，增加接觸面積。(冷焊)2.加熱：使結(jié)合處達(dá)到塑性或熔化狀態(tài)，接觸表面的氧化膜迅速破壞，降低變形阻力，促進(jìn)擴(kuò)散，結(jié)晶形成冶金結(jié)合。

3.同時(shí)加熱加壓。8實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件:外界提供相應(yīng)的能量加熱加壓既加熱又加壓純鐵焊接時(shí)所需的溫度及壓力熔焊區(qū)電阻焊區(qū)Ⅰ高壓焊接區(qū)Ⅳ不能焊接區(qū)9（二）、焊接方法的分類

（1）熔焊

(fusionwelding)

將焊接接頭局部加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力而完成焊接的方法。（2）壓焊

(pressurewelding)

必須對焊件施加壓力而完成焊接的方法。（3）釬焊

(brazing,soldering)

采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。10螺栓焊手弧焊埋弧焊氬弧焊CO2焊電弧焊熔化極不熔化極鎢極氬弧焊原子氫焊等離子弧焊氣焊氧氫氧乙炔空氣乙炔鋁熱焊電渣焊電子束焊激光束焊電阻點(diǎn)、縫焊電阻對焊冷壓焊超聲波焊鍛焊爆炸焊擴(kuò)散焊摩擦焊壓力焊釬焊熔化焊基本焊接方法火焰釬焊感應(yīng)釬焊爐釬焊鹽浴釬焊電子束釬焊焊接方法有100種之多11熔焊與釬焊的組織區(qū)別12

焊接熱源的種類、特點(diǎn)及示例電弧熱：利用氣體介質(zhì)中的電弧放電過程所產(chǎn)生的熱能作為熱源（手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等）化學(xué)熱：利用可燃?xì)怏w（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑與氧或氧化物發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能作為熱源（氣焊、熱劑焊）電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體及其界面時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源（電阻焊和電渣焊）摩擦熱：由機(jī)械高速摩擦所產(chǎn)生的熱能作為熱源（摩擦焊、攪拌摩擦焊）電子束：在真空中利用高壓下高速運(yùn)動(dòng)的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能（電子束焊）激光束：利用受激輻射而增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割）13焊接熱源的特點(diǎn)熱源最小加熱面積cm2最大功率密度W.cm-2溫度K乙炔火焰10-22×1033400~3500金屬極電弧10-31046000鎢極氬弧焊（TIG）10-31.5×1048000埋弧焊10-32×1046400電渣焊10-21042300熔化極氬弧焊(MIG)10-4104~105CO2氣體保護(hù)焊10-4104~

105等離子焰10-51.5×10518000~24000電子束10-7107~

109激光束10-8107~

10916焊接熱源及焊接方法實(shí)例一

ArcWelding(電弧焊)電?。ˋrc）17手工焊條電弧焊（SMAW）焊條焊芯保護(hù)氣氛電弧熔池焊渣SMAW：ShieldedMetalArcWeldingAlsoknowas:ManualMetalArcWelding,StickWelding

電弧基體金屬焊縫18SubmergedArcWelding(埋弧焊,SAW)19MetalInertGasWelding（熔化極惰性氣體保護(hù)焊，MIG焊）20TungstenInertGasWelding（鎢極氬弧焊，TIG焊）21焊接熱源及焊接方法示例二

化學(xué)反應(yīng)熱氧乙炔焊22焊接熱源及焊接方法示例二

化學(xué)反應(yīng)熱鋁熱劑焊Thermit23焊接熱源及焊接方法示例三

電阻熱電阻焊24焊接熱源及焊接方法示例四

釬焊軟釬焊soldering<450℃軟釬料SnPb硬釬焊brazing>450℃硬釬料銀基、銅基、鎳基等合金25二、熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程熔焊焊接接頭的形成過程：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。焊接熱過程焊接化學(xué)冶金過程焊接物理冶金過程26（一）焊接熱過程熔焊時(shí)，被焊金屬及焊接材料在熱源作用下局部受熱并熔化，熱源移走后焊接熔池冷卻凝固，焊縫及熱影響區(qū)金屬發(fā)生固態(tài)相變，直至冷卻至室溫的過程。特點(diǎn)：快；短；??；動(dòng)。整個(gè)焊接過程自始至終都是在焊接熱作用過程中發(fā)生和發(fā)展的。影響：與冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變、焊接溫度場和應(yīng)力變形密切相關(guān)，是影響焊接接頭質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。27（二）焊接化學(xué)冶金過程熔焊時(shí)，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間發(fā)生一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬的氧化、還原、脫硫、脫磷、合金化等。影響：直接影響焊縫金屬的成分、組織和性能，因此控制焊接化學(xué)冶金過程是提高焊接質(zhì)量重要途徑之一。1）微合金化；細(xì)化晶粒；變質(zhì)處理；2）降低焊縫C含量，最大限度排除雜質(zhì)；3）焊縫化學(xué)成分和力學(xué)性能計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。28（三）焊接物理冶金過程焊接時(shí)的金屬凝固結(jié)晶和相變過程，包括焊縫金屬的凝固結(jié)晶、固態(tài)相變以及熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變。29焊接接頭的組成（分區(qū)）焊縫（WeldMetal,WM）熔合區(qū)（FusionZone,FZ）熱影響區(qū)（Heat-affectedZone,HAZ）母材（BaseMetal,BM）30物理冶金過程對焊接質(zhì)量的影響焊縫金屬的凝固結(jié)晶和固態(tài)相變：與偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、脆化等缺陷相關(guān)。熱影響區(qū)：與脆性、組織轉(zhuǎn)變、裂紋等相關(guān)。如何保證焊接接頭的性能：1）根據(jù)母材，選擇或設(shè)計(jì)合適的焊接材料；2）控制焊接熱過程，使焊縫金屬達(dá)到成分和組織要求，保證焊縫力學(xué)性能；3）控制HAZ的組織轉(zhuǎn)變，保證HAZ的力學(xué)性能。31三、焊接溫度場熔焊時(shí)焊接傳熱的基本形式：熱能由熱源傳給焊件：輻射和對流為主；熱能在母材和焊接材料中的傳播：熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過程的研究內(nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化問題。因此，研究焊接溫度場時(shí)主要考慮熱傳導(dǎo)，適當(dāng)考慮輻射和對流。32（一）焊接溫度場的一般特征焊接溫度場的定義：焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時(shí)的溫度分布。T=f(x,y,z,t)

式中T---焊件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度;

x,y,z----焊件某點(diǎn)的空間坐標(biāo);t---時(shí)間.可以用等溫線或等溫面表示，如右圖所示。33穩(wěn)定溫度場非穩(wěn)定溫度場準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場

正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動(dòng)的，在加熱開始時(shí)，溫度升高的范圍會(huì)逐步擴(kuò)大，而達(dá)到一定極限后，不再變化，只是隨熱源移動(dòng)。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。34根據(jù)焊件的尺寸和熱源的性質(zhì)，焊接傳熱可分為：1）三維傳熱（空間傳熱）：厚大焊件表面堆焊，點(diǎn)狀熱源；2）二維傳熱（平面?zhèn)鳠幔阂淮魏竿傅谋“?，線狀熱源；3）一維傳熱（線性傳熱）：細(xì)棒的電阻焊對，面熱源。（二）焊接溫度場的表達(dá)式35（1）厚板q---有效熱功率;---熱導(dǎo)率;a---熱擴(kuò)散率;V---焊接速度;36（2）薄板37（三）影響溫度場的因素焊接工藝參數(shù)的影響（a）焊接速度V（b）熱源的有效功率q（c）q與V同時(shí)變化382.金屬熱物理性質(zhì)的影響λ-導(dǎo)熱系數(shù)J/(cm*s*℃)α-熱擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s，α=λ/(c*ρ)c-比熱容J/(g*℃)ρ-密度g/cm340第二節(jié)焊縫金屬的組織與性能一、焊接熔池的結(jié)晶（一）熔池的特征

1.熔池的體積小，冷卻速度大熔池的形狀與尺寸

（≤30cm3

，≤100g）冷卻速度大平均4～100℃/s，約為鑄造的104倍。（鋼錠的平均冷卻速度約為3～150×10-4℃/s）412.熔池的溫度高

1770±100℃>鋼錠：～1550℃熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)合金元素?zé)龘p,非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減少;3.熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶結(jié)晶熔化前沿隨熱源同步運(yùn)動(dòng)液態(tài)金屬受到力的攪拌運(yùn)動(dòng)熔池金屬存在對流運(yùn)動(dòng)凝固速度快42（二）熔池凝固的特點(diǎn)

與鋼錠的結(jié)晶一樣都經(jīng)歷形核和晶核長大的過程。但由于非平衡凝固，焊縫組織具有獨(dú)特的特點(diǎn)。43焊接熔池的凝固過程是從熔池邊界開始的，是一種非均質(zhì)形核，焊縫金屬呈柱狀晶形式由半熔化的母材晶粒向熔池生長而成，且與母材有相同取向。這種同軸生長的結(jié)晶方式稱為外延結(jié)晶或聯(lián)生結(jié)晶。聯(lián)生結(jié)晶示意圖1.聯(lián)生結(jié)晶（外延結(jié)晶）44θ：非自發(fā)晶核的浸潤角θ=0°,Ek`=046每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)晶取向,對于立方點(diǎn)陣的金屬（Fe,Ni,Cu,Al），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)?lt;100>。溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當(dāng)母材晶粒取向<100>與導(dǎo)熱最快的方向一致時(shí)，即垂直熔池邊界時(shí)，晶粒生長最快而優(yōu)先長大。2.擇優(yōu)成長47483.凝固線速度ds=dxcosθR=vcosθ49

R=vcos晶粒成長的平均線速度在0～v范圍內(nèi)變化在熔池邊界（Y=OB）∵＝90°，∴R→0

在焊縫中心（Y＝0）∵＝0°，∴R＝v有波動(dòng);凝固速度快501.柱狀晶 （三）焊縫金屬凝固組織的形態(tài)

焊縫金屬凝固組織的形態(tài)具有柱狀晶及多種亞結(jié)構(gòu)，包括平面晶、胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝晶以及等軸晶。

純金屬的結(jié)晶形態(tài)過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之間的溫度差。正的溫度梯度（G＞0）：形成平面晶51負(fù)的溫度梯度（G＜0）－－形成樹枝晶52固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)“成分過冷”（ConstitutionalUndercooling）：由于液固界面處溶質(zhì)成分起伏而造成的過冷。溶質(zhì)局部濃集“成分過冷”判據(jù)53（1）平面結(jié)晶產(chǎn)生條件：G＞0，且G很大，無成分過冷特征：平面晶54（2）胞狀晶條件：有較小的成分過冷特征：斷面六角形，細(xì)胞或蜂窩狀。55（3）胞狀樹枝晶產(chǎn)生條件：過冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。56（4）樹枝晶產(chǎn)生條件：過冷度較大。特征：主枝長，主枝向四周伸出二、三次橫枝，并能得到很好的生長。57582.等軸晶產(chǎn)生條件：Ｇ很小，成分過冷度大。特征：結(jié)晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，形成自由長大的等軸樹枝晶。59成分過冷與合金中溶質(zhì)的濃度C0，結(jié)晶速度R以及溫度梯度有關(guān)。當(dāng)G、R一定時(shí)，C0↑→成分過冷↑當(dāng)C0一定時(shí)，R↑→成分過冷↑當(dāng)C0

，R一定時(shí)，G↑→成分過冷↓60

3.焊縫各部位結(jié)晶形態(tài)的變化熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。61實(shí)際焊縫凝固金屬的組織形態(tài)實(shí)際焊縫凝固金屬的各種形態(tài)不一定具有上述全部結(jié)晶形態(tài)，一般來說由柱狀晶和少量等軸晶構(gòu)成。柱狀晶+少量等軸晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶等軸晶內(nèi)：樹枝晶62

焊條電弧焊接凝固組織Q235、14MnMoNbB鋼63

埋弧焊接凝固組織Q235A鋼64

電阻點(diǎn)焊焊核凝固組織GH140鐵基高溫合金鋼65

鎢極氬弧焊接凝固組織純度為99.99%的鋁焊縫-a）純度為99.6%的鋁焊縫-b）、c）66焊接工藝參數(shù)對焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響焊接速度的影響V↑→G↓→成分過冷區(qū)↑等軸晶胞狀樹枝晶67焊接工藝參數(shù)對焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響粗胞狀樹枝晶胞狀晶胞狀樹枝晶68（四）改善焊縫金屬一次結(jié)晶形態(tài)的措施1.調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)：焊接電流I、電弧電壓U、焊接速度V、預(yù)熱溫度T、送絲速度Vs等。目的：控制母材半熔化區(qū)晶粒大小，熔池的溫度梯度、冷卻速度和幾何尺寸，最終控制晶粒尺寸和成長方向。在不預(yù)熱的情況下，一般提高焊接速度，降低熱輸入，可以達(dá)到細(xì)化18-8鎳鉻不銹鋼和低合金鋼焊縫金屬凝固組織的目的，在消除鎳基合金微裂紋中起重要作用。692.變質(zhì)劑處理通過焊接材料（焊條、焊絲、焊劑）加入變質(zhì)劑：Ti、B、Ce、Zr等元素目的：作為表面活性物質(zhì)促進(jìn)形核，阻止微小晶粒的生長和聚集，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。加入量在0.03~0.5%。由于焊縫金屬的外延生長，變質(zhì)處理的效果不太顯著。703.熔池?cái)嚢栊?yīng)攪拌熔池的方法：機(jī)械振蕩、超聲波振蕩和電磁攪拌等。目的：破壞正在成長的晶粒從而獲得細(xì)晶組織。目前，實(shí)際應(yīng)用于鋁合金的焊接，利用強(qiáng)磁場攪拌，改善凝固組織。714.高能束掃描電子束焊接細(xì)化原理：利用高能束周期性橫向掃動(dòng)，以一定距離熔切生長的晶粒，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。鋁合金焊縫晶粒的細(xì)化。72二、焊縫金屬的組織（一）低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織以鐵素體（F）（白色）為主，加上少量的珠光體（P）。焊縫過熱度越大，可促使魏氏組織形成。魏氏組織固態(tài)相變（二次結(jié)晶組織）73Q23574（二）低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織1.鐵素體（Firrite，F(xiàn)）（1）先共析鐵素體（Pro-eutectoidFerrite，PF）溫度：770-680℃；位置：沿奧氏體晶界,又稱為粒界鐵素體（GrainBoundaryFerrite,GBF)形態(tài)：長條形或多邊形塊狀性能特點(diǎn)：使韌性下降（低屈服點(diǎn)）條狀塊狀75x7076（2）側(cè)板條鐵素體（FerriteSidePlate，F(xiàn)SP）溫度：700-550℃位置：從晶界鐵素體側(cè)面向晶內(nèi)生長形狀：板條狀，形態(tài)如鎬牙狀性能特點(diǎn)：使韌性下降777879（3）針狀鐵素體（AcicularFerrite，AF）溫度：500℃；位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形態(tài)：針狀條件：中等冷卻速度性能特點(diǎn)：韌性好80（4）細(xì)晶鐵素體（FineGrainFerrite，F(xiàn)GF）溫度：500℃以下位置：在奧氏體晶粒內(nèi)部形狀：細(xì)晶狀條件：存在細(xì)化晶粒的元素（Ti，B等）性能特點(diǎn)：韌性好晶內(nèi)白色塊狀為FGF81x70822.珠光體（Pearite，P）珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型相變，需要Fe和C原子相當(dāng)大的擴(kuò)散遷移運(yùn)動(dòng)。它是接近平衡下的組織，焊接條件(非平衡)下,得到的P量很少。只有在較高溫度（Ar1～550℃）和較慢的冷卻速度下才能進(jìn)行。83843.貝氏體（Bainite，B）中溫轉(zhuǎn)變，550℃~Ms（1）上貝氏體(UpperBainite，Bu)溫度：550-450℃；位置：沿奧氏體晶界析出形態(tài)：呈羽毛狀，平行的條狀鐵素體之間分布有滲碳體性能特點(diǎn)：韌性較差（小條狀Fe3C分割了基體的連續(xù)性）85（2）下貝氏體（LowerBainite

，BL）溫度：450℃-Ms形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體的機(jī)械混合物性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性都較好86（3）粒狀貝氏體(GrainBainite，BG)M－A組元（ConstitutionM-A)

在塊狀鐵素體形成之后，待轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體呈島狀分布在塊狀鐵素體之中，在一定的合金成分和冷卻速度下，這些富碳的奧氏體島可轉(zhuǎn)變?yōu)楦惶捡R氏體和殘余奧氏體。富碳馬氏體和殘余奧氏體,硬度高。在塊狀鐵素體上的Ｍ－Ａ組元以粒狀分布時(shí)，即為“粒狀貝氏體”。87X70粗晶區(qū)粒狀B88X70模擬粗晶區(qū)組織894.馬氏體（Martensite，M）當(dāng)焊縫中含Ｃ量較高或合金元素含量較多時(shí)，在快冷條件下，冷卻到Ｍs以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。（1）板條馬氏體（LathMartensite）、低碳馬氏體、位錯(cuò)型馬氏體低碳低合金鋼奧氏體內(nèi)部細(xì)條狀綜合性能指標(biāo)在馬氏體中最好90（2）片狀馬氏體（PlateMartensite）、高碳馬氏體、孿晶馬氏體焊縫中含碳量大于0.4%粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部硬度高而脆91（三）焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

（WM－CCT圖）WM-CCT圖對于預(yù)測焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能具有重要意義。92三、焊縫金屬性能的控制影響焊縫性能的因素結(jié)晶形態(tài)與組織的影響化學(xué)成分的影響焊接缺陷的影響939495固溶強(qiáng)化加入碳、錳、硅、鉻、鎳、鉬等，均有固溶強(qiáng)化的作用。細(xì)晶強(qiáng)化加入鈦、鈮、硼、鋁、鉻、鎳、稀土等，可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。沉淀強(qiáng)化加入碳、氮化物形成元素。相變強(qiáng)化加入合金元素，改變相變組織。（一）焊縫合金化與變質(zhì)處理961.優(yōu)化合金成分（1）嚴(yán)格限制有害的雜質(zhì)元素：S、P、N、O和H；（2）通過合金元素來提高焊縫韌性促使高熔點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)的析出，通過釘扎作用阻止奧氏體晶粒長大；降低奧氏體分解溫度，減少邊界鐵素體的形成；在奧氏體內(nèi)形成鐵素體形核核心，促使奧氏體在500-550溫度區(qū)間分解得到針狀鐵素體，防止在奧氏體晶界形成側(cè)板條鐵素體；防止M-A組元的形成；防止或減少低溫產(chǎn)物馬氏體、上貝氏體的形成；（二）焊縫金屬韌化的途徑97（3）配置多種微量合金元素，則可能在大幅度地提高焊縫金屬的強(qiáng)度的同時(shí)提高韌性和抗裂性。Mn和Si最為常用的強(qiáng)化焊縫的元素例如低合金鋼（C:0.10-0.13%）埋弧焊時(shí)，Mn、Si分別處于0.8~1.0%和0.1~0.25%時(shí)，可以得到細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體，具有較好的韌性。Mn和Si對低合金鋼焊縫韌性的影響98在Mn-Si系基礎(chǔ)上復(fù)合添加Ti和B等微量元素B在高溫下易向奧氏體晶界擴(kuò)散，在晶界沉淀聚集而降低晶界擴(kuò)散，使晶界奧氏體的穩(wěn)定性增大，抑制了PF和FSP的形核與生長，從而使轉(zhuǎn)變開始溫度向低溫方向移動(dòng)。Ti與氧的親和力很大，焊縫中的Ti以微小顆?？梢宰鳛椤搬斪印蔽挥诰Я＿吔?，阻礙奧氏體晶粒的長大。99Mo降低奧氏體分解溫度，抑制邊界鐵素體形成，加入少量的Mo不僅可以提高強(qiáng)度，同時(shí)也能改善韌性。Nb和V焊縫金屬中可固溶，推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，能夠抑制焊縫中先共析鐵素體的產(chǎn)生，而激發(fā)形成細(xì)小的AF組織。所形成的氮化物使強(qiáng)度大大提高，而使韌性下降。通過正火處理可改善韌性。稀土元素Y，Ce＋Te，Se：促進(jìn)組織細(xì)化，提高韌性1002.調(diào)整焊接工藝參數(shù)（1）焊接熱輸入過大的熱輸入使結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生粗大的柱狀晶，同時(shí)，由于降低了冷卻速度，可能得到較多的邊界鐵素體；過小的熱輸入，則在較高合金成分焊縫形成馬氏體，也會(huì)使焊縫韌性下降。（2）多層焊（3）焊后熱處理（4）振動(dòng)結(jié)晶101第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱循環(huán)焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化102

焊接熱影響區(qū)的定義：熔焊時(shí)在焊接熱源的作用下，焊縫周圍的母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“熱影響區(qū)”(HeatAffectedZone，HAZ)，或稱為“近縫區(qū)”(NearWeldZone)。103

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。104一、焊接熱循環(huán)距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)1.定義：焊接過程中，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)。105106

2.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)

107t8/5：800～500℃的冷卻時(shí)間。

t8/3：800～300℃的冷卻時(shí)間。

t100：從峰值溫度Tm冷至100℃的冷卻時(shí)間。1081.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）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)109★加熱速度快，相變溫度升高

VH↑→Ac1，Ac3↑奧氏體化過程是一個(gè)擴(kuò)散重結(jié)晶過程，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.焊接加熱過程奧氏體化的特點(diǎn)110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)重長大當(dāng)加熱溫度在1100℃以上時(shí)，奧氏體晶粒嚴(yán)重長大。加熱過程形成的奧氏體晶粒度和均勻化程度，對冷卻時(shí)的相變過程和相變產(chǎn)物有很大影響。1113.焊接時(shí)冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)（1）奧氏體化溫度高，加熱與冷卻速度快SH-CCT圖（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）：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）：淬硬傾向比熱處理?xiàng)l件下要小112三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化（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)）TL～TS，化學(xué)成分與組織不均勻分布，過熱嚴(yán)重，塑性差，對焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。113過熱區(qū)Ⅰ（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）。114相變重結(jié)晶區(qū)Ⅱ（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P＋F）。性能：較好的綜合性能。115不完全重結(jié)晶區(qū)Ⅲ（不完全正火區(qū)）溫度：Ac3

～Ac1現(xiàn)象：加熱溫度Ac3到Ac1之間，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116Q235A鋼焊接熱影響區(qū)的組織特點(diǎn)過熱區(qū)重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)母材117

2.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M＋F。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)。118（2）焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)BM回火組織完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)回火區(qū)Ac1～Tt，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。119（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1201.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121（1）碳當(dāng)量CarbonEquivalent（Ceq或CE）定義：把鋼中合金元素（包括碳）按其對淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響折合成碳的相當(dāng)含量。它反映了化學(xué)成分對硬化程度的影響122適合于C≥0.18%的鋼種式1）主要適用于中等強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼（b＝400～700MPa）式2）主要適用于強(qiáng)度級別較高的低合金高強(qiáng)鋼（b=500～1000MPa）1）2）123主要適用于C≤0.17%，b=400～900MPa的低合金高強(qiáng)鋼。應(yīng)用用碳當(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。124（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Ceq↑→Hmax↑經(jīng)驗(yàn)公式，Hmax=1274Pcm+45

Hmax=559CE（IIW）+100（HV）125Ceq一定，t8/5↓→Hmax↑。Hmax間接反映了HAZ的淬硬傾向，而Hmax測量方便，故可用Hmax來評價(jià)鋼材的冷裂傾向126

2.HAZ