第四章-熱影響區(qū)課件

本章主要根據(jù)低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中，由于快速不均勻加熱和冷卻影起熱影響區(qū)組織性能的變化，進(jìn)行系統(tǒng)地討論

基本概念：

1.熱影響區(qū)（HeatAffectedZone，簡(jiǎn)稱(chēng)HAZ）：熔焊時(shí)在集中熱源的作用下，焊縫兩側(cè)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域2.焊接接頭:由兩個(gè)主要部分所組成，焊縫和焊接熱影響區(qū)示意圖4-1第一節(jié)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的概念焊接過(guò)程中熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)溫度由低而高，達(dá)到最高值后，又由高而低隨時(shí)間的變化稱(chēng)為焊接熱循環(huán)一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)

（一）加熱速度（ωH）

ωH=dT/dtωHT相變

A均質(zhì)化和碳化物溶解越不充分（二）加熱的最高溫度（Tm）

低碳鋼和低合金鋼焊接時(shí)，在熔合線(xiàn)附近的過(guò)熱區(qū)，由于溫度高（1300～1350℃），晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大，從而使韌性嚴(yán)重下降（三）在相變溫度以上的停留時(shí)間（tH）

高溫停留時(shí)間tH為焊接加熱和冷卻過(guò)程中在相變溫度以上的停留時(shí)間，分為加熱過(guò)程的停留時(shí)間t′和冷卻過(guò)程的停留時(shí)間t′′tH＝t′＋t′′tH

越長(zhǎng)，越有利于奧氏體的均質(zhì)化過(guò)程，但tH

越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越容易長(zhǎng)大；特別是在溫度較高時(shí)（如1100℃以上)，即使停留時(shí)不長(zhǎng)，也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大。（四）冷卻速度（ωc）和冷卻時(shí)間

（t8／5、t8／3、t100等）1.冷卻速度是一個(gè)不易準(zhǔn)確描述的變化量，在工程實(shí)際應(yīng)用中常用冷卻時(shí)間t8／5、t8／3或t100來(lái)表述焊接冷卻過(guò)程2.t8／5、t8／3為焊接冷卻過(guò)程中溫度從800~500℃或800~300℃的冷卻時(shí)間3.t100為焊后冷卻到100℃所花時(shí)間（一）長(zhǎng)段多層焊焊接熱循環(huán)

1.長(zhǎng)段多層焊：每道焊縫的長(zhǎng)度較長(zhǎng)（一般1m以上），焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層已基本冷至較低的溫度（一般在100～200℃以下），其特點(diǎn)是相鄰各層之間有依次熱處理的作用，不適用于淬硬傾向較大的鋼種

2.焊接熱循環(huán)的變化如圖4－17所示。二、焊接熱循環(huán)的形式（二）短段多層焊焊接熱循環(huán)

1.短段多層焊：每道焊縫長(zhǎng)度較短（約為50～400mm），未等前層焊縫冷卻到較低溫度（如Ms點(diǎn)）就開(kāi)始焊接下一道焊縫，其特點(diǎn)是后焊一層對(duì)先焊層具有緩冷作用，可以防止焊接接頭產(chǎn)生淬硬組織，適于焊接晶粒易長(zhǎng)大而又易于淬硬的鋼種

2.短段多層焊的熱循環(huán)如圖4－18所示

第二節(jié)焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)

一、HAZ熱循環(huán)的特點(diǎn)（五點(diǎn)）：1.加熱溫度高2.加熱速度快3.高溫停留時(shí)間短4.焊接時(shí)，一般都是在自然條件下連續(xù)冷卻，個(gè)別情況下才進(jìn)行焊后保溫或焊后熱處理5.局部加熱

1.加熱速度越快，被焊金屬的相變點(diǎn)Acl和

Ac3的溫度越高，而且Acl和Ac3之間的溫差越大，如圖4－19和表4－8所示。含有碳化物合金元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等）的鋼，加熱速度對(duì)相變溫度的影響更大

2.奧氏體均質(zhì)化程度較低二、焊接對(duì)加熱過(guò)程組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

三、焊接時(shí)冷卻過(guò)程組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)1.組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中熱循環(huán)特點(diǎn)

ωc大、Tm高、tH短

2.焊接過(guò)程組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：對(duì)于一般的低碳鋼，焊接時(shí)淬硬傾向比熱處理時(shí)要大;對(duì)于合金鋼，焊接時(shí)比熱處理的淬硬傾向要小3.在焊接和熱處理?xiàng)l件下連續(xù)冷卻的組織轉(zhuǎn)變圖（即CCT圖），如圖4－21和圖4-22所示

由圖4－21、圖4－22和表4－9可以看出，45鋼在焊接條件下比在熱處理?xiàng)l件下的CCT曲線(xiàn)稍向右移（主要考慮MS附近）。說(shuō)明在相同冷卻速度條件下，焊接時(shí)比熱處理時(shí)的淬硬傾向大。相反，40Cr鋼在焊接條件下的CCT曲線(xiàn)比熱處理?xiàng)l件下的CCT曲線(xiàn)向左移動(dòng)，也就是在同樣冷卻速度下焊接時(shí)比熱處理時(shí)的淬硬傾向小。3.原因：（1）碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb等）只有充分溶解在奧氏體的內(nèi)部，才會(huì)增加奧氏體的穩(wěn)定性（即增加淬硬傾向）（2）熱處理?xiàng)l件下，有充分的時(shí)間使碳化物合金元素向奧氏體內(nèi)部溶解（3）焊接條件下，加熱速度快，高溫停留時(shí)間短，合金元素不能充分地溶解在奧氏中，降低了淬硬傾向（4）不含碳化物合金元素的鋼（如45鋼），一方面不存在碳化物的溶解過(guò)程，另一方面在焊接條件下，近縫區(qū)組織粗化，淬硬傾向比熱處理?xiàng)l件下要大三、焊接條件下CCT圖及其應(yīng)用1.圖4－23是16Mn鋼的CCT圖及組織和硬度的變化圖2.在焊接條件下熔合區(qū)附近（Tm=1300～1350℃）t8／5冷卻時(shí)間，可以在圖上查出相應(yīng)的組織和硬度3.影響CCT圖的因素

（1）母材化學(xué)成分的影響

除鈷之外，所有固溶于奧氏體的合金元素都使S曲線(xiàn)向右移，即增加淬硬傾向，并降低Ms點(diǎn)，其中以碳的影響為最大（2）冷卻速度的影響

a.隨著冷卻速度的增高，對(duì)于Fe－C合金，

A1、A3、Acm均移向更低的溫度，共析成分由C0．83％轉(zhuǎn)為C0.4％～0.8％。

b.馬氏體增大滑移的抗力，不均勻切變就會(huì)以孿晶方式進(jìn)行，馬氏體就由條狀變?yōu)槠瑺?/p>

3.峰值溫度的影響（峰值溫度越高）

a.使過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性加大

b.促使奧氏體晶粒粗化

c.奧氏體的穩(wěn)定性增大，淬硬傾向增大

4.晶粒粗化的影響

晶粒越粗大，晶界的總面積越少，減少了形核的機(jī)會(huì)，不利于奧氏體的轉(zhuǎn)變

5.應(yīng)力應(yīng)變的影響

a.有拉伸應(yīng)力存在時(shí)會(huì)明顯地降低奧氏體的穩(wěn)定性，使CCT曲線(xiàn)明顯地向左上方偏移

b.應(yīng)力和應(yīng)變都會(huì)增加奧氏體的內(nèi)能，加速擴(kuò)散過(guò)程，有利擴(kuò)散型相變的進(jìn)行

c.應(yīng)力應(yīng)變影響到馬氏體轉(zhuǎn)變，拉伸應(yīng)力可促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，即Ms升高和馬氏體轉(zhuǎn)變量增加。切應(yīng)力也能促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，正壓應(yīng)力則會(huì)阻礙馬氏體轉(zhuǎn)變

第三節(jié)焊接熱影響區(qū)的組織和性能一、焊接熱影響區(qū)的組織分布（一）低碳鋼和某些低合金鋼（不易淬火鋼）的HAZ可分為四個(gè)區(qū)（如圖4－29所示）1.熔合區(qū)

a.焊縫與母材相鄰的部位（溫度處于固液相線(xiàn)之間）

b.范圍很窄，在化學(xué)成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響2.過(guò)熱區(qū)a.溫度范圍處在固相線(xiàn)以下1100℃左右，金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大現(xiàn)象，冷卻之后得到粗大的組織

b.在氣焊和電渣焊條件下常出現(xiàn)魏氏組織（見(jiàn)圖4－30）

c.韌性很低，常在過(guò)熱粗晶區(qū)產(chǎn)生脆化或裂紋3.相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）

a.母材金屬加熱到Ac3以上的部位，發(fā)生重結(jié)晶（即鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體），在空氣中冷卻就會(huì)得到均勻而細(xì)小的珠光體和鐵素體

b.塑性和韌性都比較好，所處的溫度范圍約在A(yíng)3～1000℃之間4.不完全重結(jié)晶區(qū)

a.處于A(yíng)cl～Ac3之間范圍內(nèi)的熱影響區(qū)處于

b.Acl～Ac3范圍內(nèi)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程，成為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，另一部分始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體

c.晶粒大小不一，組織不均勻，力學(xué)性能不均勻5.母材

處于A(yíng)1以下（二）易淬火鋼1．完全淬火區(qū)

a.處于A(yíng)c3以上的區(qū)域

b.鋼的淬硬傾向較大，焊后得到淬火組織（馬氏體）

c.靠近焊縫附近（相當(dāng)于低碳鋼的過(guò)熱區(qū)），晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，得到粗大的馬氏體，相當(dāng)于正火區(qū)的部位得到細(xì)小的馬氏體2.不完全淬火區(qū)

a.母材被加熱到Acl～Ac3溫度之間的熱影響區(qū)

b.原鐵素體保持不變，有不同程度的長(zhǎng)大，形成馬氏體-鐵素體的組織3.回火區(qū)（低于A(yíng)cl以下的區(qū)域）

a.母材在焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)

b.

焊前調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度為T(mén)t，低于此溫度的部位，其組織性能不發(fā)生變化，熱影響區(qū)高于此溫度的部位，組織性能將發(fā)生變化，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象

4.母材以低碳鋼為例，可以把熱影響區(qū)各部分所經(jīng)受的焊接熱循環(huán)，對(duì)照鐵碳合金狀態(tài)圖的組織轉(zhuǎn)變歸納如圖4－34所示焊接熱影響區(qū)的劃分方法新的建議，具體劃分方案如圖4－35所示以低碳鋼為例，熱影響區(qū)各部分的組織特征歸納如表4－11所示焊接熱影響區(qū)各部位的名稱(chēng)及其所包括的范圍如表4－12所示二、焊接熱影響區(qū)（HAZ）的性能（一）焊接熱影響區(qū)的硬化

1.淬硬：成分對(duì)淬硬傾向的影響

（1）碳當(dāng)量（表4-14）

a.簡(jiǎn)稱(chēng)Ceq或CE，反映鋼中化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響，把鋼中合金元素（包括碳）按其對(duì)淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當(dāng)含量b.國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的CEПW和日本焊接協(xié)會(huì)的Ceq（WES）公式

2.隨鋼種碳當(dāng)量（Pcm、CE（IIW））的增加，硬度也隨之增加，即淬硬傾向增加

3.t8/5越大，淬硬傾向越小

圖4-39

4.硬度分布圖

圖4-405．焊接HAZ最高硬度的計(jì)算公式（1）國(guó)產(chǎn)鋼硬度計(jì)算公式

HAZ的最大硬度Hmax與Pcm和t8／5的關(guān)系建立的硬度計(jì)算公式：

a.當(dāng)t8/5<τM100時(shí)

Hmax=292+812Cb.當(dāng)t8／5＞τM100時(shí)

Hmax＝52.0＋147.0Pcm-81lgt8／5c.對(duì)于國(guó)產(chǎn)低合金鋼，作為粗略估算，可采用下面的公式：

Hmax(HV10)=140+1089Pcm-8.2t8/5（2）鈴木公式引根據(jù)日本的低合金高強(qiáng)鋼，研究不同冷卻時(shí)間t8／5對(duì)Hmax的影響，建立了如下的公式：（二）焊接熱影響區(qū)脆化

1．組織脆化（1）M－A組元脆化

a.M－A組元：某些低合金鋼的焊接HAZ處于中溫上貝氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)間，先析出含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴(kuò)大，而使碳大部分集富到被鐵素體包圍的島狀殘余奧氏體中去。當(dāng)連續(xù)冷卻到

400～350℃時(shí)，殘余奧氏體的碳濃度可達(dá)0．5

％～0．8％，隨后這些高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，這種組織即M－A組元

b.M－A組元是焊接低合金高強(qiáng)鋼時(shí)在中等冷卻速度條件下形成的，出現(xiàn)在焊縫、HA

（2）高碳馬氏體脆化（3）魏氏組織脆化（4）上貝氏體脆化（5）遺傳組織脆化

2.析出脆化（1）在時(shí)效或回火過(guò)程中，從非穩(wěn)態(tài)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，對(duì)于一般低合金鋼來(lái)講主要是析出碳（氮）化物

（2）新相的析出，使金屬或合金的強(qiáng)度、硬度和脆性提高3.遺傳脆化

（1）厚板結(jié)構(gòu)多層焊時(shí)，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)）保留粗晶組織和結(jié)晶學(xué)的位向關(guān)系，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“組織遺傳”

（2）組織遺傳而引起的脆化稱(chēng)為“遺傳脆化”（3）遺傳組織脆化條件

a.

有淬硬傾向的調(diào)質(zhì)鋼中

b.原始組織為非平衡組織

c.快速加熱或冷卻

d.晶界上出現(xiàn)細(xì)小等軸晶4.粗晶脆化

（1）焊接過(guò)程中由于受熱的影響程度不同，在HAZ靠近熔合線(xiàn)附近和過(guò)熱區(qū)將發(fā)生嚴(yán)重的晶粒?；?/p>

（2）晶粒越粗，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，脆性增加

（3）淬硬傾向較小的鋼，粗晶脆化主要是晶粒長(zhǎng)大所致，而易淬火鋼，主要是產(chǎn)生