金属焊接热影响区的组织和性能.ppt

单击此处编辑母版文啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,材料成形原理（焊接部分）,5,焊接热影响区的组织和性能,5.1,焊接热循环,热影响区,熔焊时在高温热源的作用下，焊缝两侧母材上发生,组织和性能变化的区域,称为“热影响区”（,Heat Affected Zone,，简称,HAZ,）或称“近缝区”（,Near Weld Zone,）。,焊接接头,=,焊缝,+,热影响区,或：焊接接头,=,焊缝,+,熔合区,+,热影响区,早期：,母材主要是低碳钢，,HAZ,一般不会出现什么问题，焊接质量取决于焊缝质量，人们的主要精力用于解决焊缝中可能出现的问题。,现在：,母材材料的品种不断扩大（如低合金高强度钢、高合金特殊钢，铝、铜、钛等有色金属的合金等），这些材料大多对加热敏感，有些化学性质还相当活泼。,HAZ,的组织与性能将发生较大的变化，甚至会产生严重的缺陷。,随着钢材强度、结构的尺寸与板厚不断增加，,HAZ,脆化倾向增大，产生焊接缺陷的可能性增加，焊缝质量不再是决定焊接质量的唯一要素。,一、研究焊接热循环的意义,焊接热循环,在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。,焊件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参数不同，从而会发生不同的组织与性能变化。,研究焊接热循环的意义为：,找出最佳的焊接热循环,不同的金属材料对焊接热循环的敏感性不同，对焊接热循环作适当调整，找出适合某种金属的最佳热循环，从而保证最佳的焊接质量。,用工艺手段改善焊接热循环,如：预热、后热、控制线能量等。,预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。,二、焊接热循环的参数及特征,2,、加热的最高温度,T,m,峰值温度过高，将使晶粒严重长大，甚至产生过热的魏氏体组织，造成晶粒脆化；同时还影响到焊接接头的应力应变，形成较大的焊接残余应力或变形。,3,、相变温度以上的停留时间,t,H,t,H,越大，越有利于奥氏体均质化，但晶粒长大越严重。,t,H,t,t,t,加热过程停留时间，,t,冷却过程的停留时间,1,、加热速度,H,H越快，相变温度提高，均质化和碳化物在奥氏体的溶解也越不充分。,必然影响在冷却过程中热影响区的组织转变及其性能。,二、焊接热循环的参数及特征,4,、冷却速度,c,和冷却时间（,t,8/5,、,t,8/3,、,t,100,),冷却速度冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度，即,800,500,及,800,300,时的冷却速度是焊接热循环中极其重要的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。,准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，多采用一定温度范内的,冷却时间来代替冷却速度,，以此作为研究焊接接头的组织、性能及抗裂性的重要参数。,t,8/5,800500,时冷却时间,t,8/3,800300,时冷却时间,t,100,Tm100,的冷却时间,碳钢及低合金钢：,固态相变温度范围的,800,500,冷却时间,t,8/5,；,淬硬倾向比较大的钢种：,采用冷却时间,t,8/3,或冷却时间,t,100,。,二、焊接热循环的参数及特征,三、焊接热循环参数的计算,主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板的热循环参数的计算（推导过程略）：,峰值温度,m,的计算,相变温度以上的停留时间,t,H,的计算,冷却速度,C,和冷却时间的计算,数值模拟,是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数变化关系；利用数值方法求解，以获得该过程定量的结果。,根据焊接传热理论建立了许多描述焊接传热过程的数学模型,(,包括焊接热循环参数,),。,随着计算机的发展和普及，计算机的容量日益增大，计算速度也越来越快，过去难以用分析方法求解的非线性问题现在可以在计算机上用数值方法迎刃而解。,点热源（厚板）：,线热源（薄板）：,由两式可以看出：,焊件上某点离开热源轴心,距离越远，最高温度,m,越低,；,焊件上某一定点，随着,线能量,E,的提高，其,m,增高,，焊接热影响区的宽度增大。,峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。,三、焊接热循环参数的计算,峰值温度,m,的计算,三、焊接热循环参数的计算,峰值温度,m,的测量,点热源（厚板）,线热源（薄板）,由公式可以看出：,提高线能量,E,，高温停留时间,t,H,延长也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。,提高初始温度,T,0,（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间,t,H,。,三、焊接热循环参数的计算,相变温度以上的停留时间,t,H,的计算,冷却时间：,厚板 薄板,冷却速度,c,随着线能量,E,和初始温度,T,0,的提高而降低,，,冷却时间随着线能量,E,和初始温度,T,0,的提高而延长。,母材的热物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数都会影响焊接热循环参数，,三、焊接热循环参数的计算,冷却速度：,厚板 薄板,为了方便，在理论计算的基础上建立了不同条件下从线算图上直接获取,t8/5,或,t8/5,的图解法。手弧焊、,CO,2,气体保护焊和埋弧焊时的,t8/5,线算法如图所示。,三、焊接热循环参数的计算,四、多层焊焊接热循环的特点,焊接生产中常采用多层焊接，研究多层焊接热循环的传热特点具有更为普遍意义。,从提高焊接质量来看，多层往往具有很大的优越性：,热循环参数调节范围大：,单层焊时，因为受到焊缝截面积的限制，不能在更大的范围内调节功率和焊速，焊接热循环的调整也受到了限制。多层焊是许多单层热循环联合在一起的综合作用，多层焊比起单层焊具有更大的调节范围。,相邻焊层之间彼此具有热处理的作用：,多层焊时，对后一焊道面言，前一焊道具有,预热作用,，层间温度相当与预热温度；对前一焊道来说，后一焊道起后热作用，产生一定,热处理,效果。多层焊主要考虑,焊道层数,和,层间温度,：,层间温度,多层焊时，开始焊接后一焊层时前一层焊道所具有的最低温度即为层间温度。,多层焊可分为“,长段多层焊,”和“,短段多层焊,”。,1,、长段多层焊接热循环,长段多层焊,就是每次焊缝的长度较长,(1.0,1.5m),，当焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度,(,约,100,200),。,四、多层焊焊接热循环的特点,由图可知，相邻各层之间有依次热处理的作用，为防止最后一层淬火，可多加一层退火焊道。,不,适于焊接淬硬倾向大的钢种,。焊接这种钢时，应特别注意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。,进行长段多层焊时，如果第一层和最后一层不产生淬火组织，则其他各层将不会产生淬火组织。,2,、,短段多层焊接热循环,短段多层焊,就是每层的焊缝长度较短,(,约,50,400mm),，还未等前一层焊缝冷却到较低温度（如,Ms,点）就开始了下一层的焊接。,四、多层焊焊接热循环的特点,由图可知，焊件近缝区,1,点和,4,点所经历的焊接热循环是比较理想的。,1,点：,一方面使该点在,Ac3,以上停留时间较短，避免了晶粒长大，另一方面由于层间的热作用，减缓了冷却速度，从而防止产淬火组织。,4,点：,它是在预热基础上开始焊接的，只要焊缝长度控制合适，,Ac3,以上停留时间仍可很短，晶粒不会长大。,为了防止最后一层产生淬火组织，可另加一层退火焊遵，以增加奥氏体的分解时间。,短,段多层焊对于,晶粒易长大而又易淬火钢种,的热影响区和焊缝具有改善作用。,但,短段多层焊的操作十分繁琐，生产率低，因此除非在特殊的情况下才采用。,5.2,焊接热循环条件下的金属组织转变特点,一、焊接过程的特殊性,与热处理条件相比，焊接热循环的特点：,加热温度高,热处理：,Ac,3,以上,100200,焊 接：近缝区熔合区接近熔点（低碳钢、低合金钢为,1350,）,加热速度快,热处理：随热处理炉缓慢升温（几度,几十度,/S,）,焊 接：采用的热源强烈集中，比热处理快几十到几百倍（手弧焊：,2001000/s,）,高温停留时间短,热处理：保温时间可任意控制,焊 接：,Ac,3,以上停留时间短（手弧焊,420s,，埋弧焊,30100s,）,自然条件下冷却,热处理：冷却速度可控制,焊 接：为自然条件下冷却,加热的局部性和移动性,热处理：炉中整体加热,焊 接：局部集中加热，热源在移动,二、焊接时加热过程组织转变的特点,由于焊接热影响区升温速度快、高温停留时间短及冷却速度快，使得与扩散有关的过程都难于进行，从而影响到组织转变的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。,1,、组织转变向高温推移,加热速度越快，实际相变温度,Ac,1,、,Ac,3,越高，且,Ac,1,和,Ac,3,的温差越大。见,图,、,表,珠光体和铁素体转变为奥氏体的过程是扩散重结晶过程，需孕育期。快速加热时，低温时来不及完成的扩散过程，会在更高温度下进行，从而导致相变温度升高。,随钢中碳化物形成元素（如,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Nb,）增多，,Ac,1,、,Ac,3,的增高越显著。,碳化物合金元素的扩散速度小（比碳小,1000,到,10000,倍）、同时它们还阻碍碳的扩散。导致相变温度进一步升高。,2,、奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大,加热速度越快，相变以上停留时间越短，对已形成的奥氏体的均质化过程越不利，均质化程度越差。,见图，,45,钢奥氏体晶粒开始长大温度低，高温区晶粒粗大；,40 Cr,奥氏体晶粒开始长大温度高，高温区晶粒小。,焊接快速加热对,Ac,1,、,Ac,3,和晶粒长大的影响,d,晶粒的平均直径；,A,奥氏体；,P,珠光体；,F,铁素体；,K,碳化物,45,钢,40Cr,H,：,11400/s,；,2270/s,；,335/s,；,47.5/s),H,：,11600/s,；,2300/s,；,442/s,；,57.2/s,钢种,相变点,平衡状态,加热速度,H,/,（,S,-1,）,A,C1,与,A,C3,的温差,/,/,68,4050,250300,14001700,4050,250300,14001700,45,钢,A,C1,730,770,775,790,840,45,60,110,A,C3,770,820,835,860,950,65,90,180,40Cr,A,C1,740,735,750,770,840,15,35,105,A,C3,780,775,800,850,940,25,75,165,23Mn,A,C1,735,750,770,785,830,35,50,95,A,C3,830,810,850,890,940,40,80,130,30CrMnSi,A,C1,740,740,775,825,920,35,85,180,A,C3,820,790,835,890,980,45,100,190,18Cr2WV,A,C1,710,800,860,930,1000,60,130,200,A,C3,810,860,930,1020,1120,70,160,260,加热速度对相变点,Ac,1,和,Ac,3,及其温差的影响,三、焊接时冷却过程组织转变的特点,1,、组织转变向低温推移、可形成非平衡组织,在奥氏体均质化程度相同的情况下，随着焊接冷却速度的加快，钢铁材料的相变温度,Ac,1,、,Ac,3,以及,A,m,均,降低,。,在快冷条件下，共析成分也发生变化，甚至得到非平衡状态的,伪共析组织,。,这种组织转变特点也是因为奥氏体向铁素体或珠光体的转变是由,扩散过程,控制的结果。,但应指出，由于奥氏体均质化程度受到焊接加热过程的影响，因而加热过程也会对冷却过程的组织转变产生影响，对此必须给予充分注意。否则，在分析具体问题时，可能得出不准确的结论。,共析成分成为一个成分范围,三、焊接时冷却过程组织转变的特点,2,、马氏体转变临界冷速发生变化,例：,45,钢、,40Cr,钢焊接和热处理比较。,图,4-21,45,钢、,图,4-22,40Cr,钢,45,钢在,Ms,附近，焊接曲线右移，即同样冷却速度条件下，焊接比热处理淬硬倾向大。,40Cr,在,Ms,附近，焊接曲线左移，即同样冷却速度下，热处理比焊接淬硬倾向大。,原因：,在焊接热循环的作用下：,一方面，熔合线附近晶粒因过热而粗化，增加了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向增大；,另一方面，钢中的碳化物合金元素,(,如Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Nb),只有充分溶解在奥氏体的内部，才能增加奥氏体的稳定性,(,即增加淬硬倾向,),。,在热处理条件下，可以有充分的时间使碳化物合金元素向奥氏体的内部溶解。,在焊接条件下，由于加热速度快、高温停留时间短，所以这些合金元素不能充分地溶解在奥氏体中，因此降低了奥氏体的稳定性，使淬硬倾向降低。,正是由于这两方面的共同作用，使冷却过程中马氏体转变临界冷速发生变化，亦促使焊接连续冷却组织转变图,(,焊接,CCT,图,),上,Ms,点附近的曲线右移或左移。,四、连续冷却组织转变图的应用,CCT,图的建立：,采用焊接热模拟试验装置来建立某种钢的,CCT,图。,焊接,CCT,图描述的是组织随冷却时间的变化，而冷却时间是由焊接工艺参数,(,如焊接热输入及预热温度等,),决定的。因此，在应用焊接,CCT,图时，需要通过冷却时间这个媒介，建立起组织与焊接工艺参数的联系，从而进行组织预测或制定焊接工艺。,具体应用包括两个方面：,1,）预测给定工艺条件下接头的组织和性能；,2,）根据接头组织和性能的要求制定相应的焊接工艺。,此外，也可判定钢种的淬硬倾向及产生冷裂纹的可能性。,用途：,1,）确定给定,t,8/5,时热影响区的组织及硬度，,2,）按照热影响区组织及硬度的要求确定所需的,t,8/5,例如：,若,t,8/5,36s,，热影响区的组织组成约为：,10,F5,P+85,B,HV,5,硬度值为,240,。,Q345(16Mn),钢的,CCT,图,5.3,焊接热影响区的组织和性能,一、焊接热影响区的组织分布,用于焊接的结构钢，从,热处理特性,来看，可分为两类：,一类是,淬火倾向很小,的，如低碳钢和某些低合金钢,(16Mn,、,15MnTi,、,15MnV,等,),，称为不易淬火钢；,另一类是,淬硬倾向较大,的钢种，如中碳钢，低、中碳调质合金钢等，称为易淬火钢。,由于淬火倾向不同，这两类钢的焊接热影响区组织也不同。,一、焊接热影响区的组织分布,一、焊接热影响区的组织分布,（一）不易淬火钢的热影响区组织,根据热影响区组织特征分四个区：,1,、熔合区（半熔化区）,温度：,固液相线之间，范围很窄,特征：,焊缝与母材不规则结合，形成参差不齐的分界面,组织：,组织性能不均，母材一侧晶粒大,性能：,性能不均，对接头的强度、韧性影响大，是裂纹、脆性破坏发源地,熔合区,一、焊接热影响区的组织分布,2,、过热区（粗晶区）,温度：,1100,（晶粒开始急剧长大的温度）,固相线以下,特征：,加热温度高，在固相线附近，一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。,组织：,粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成过热组织,魏氏组织,性能：,韧性很低，韧性下降,20%30%,，塑性低，与熔合区一样，是接头的薄弱环节,措施：,严重时采用焊后正火处理（如电渣焊过热区,3,、相变重结晶区（正火区或细晶区）,温度：,Ac,3,1100,特征：,加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变，使晶粒得到显著的细化。,组织：,相当于低碳钢正火处理后的组织。,性能：,较好的综合性能,一、焊接热影响区的组织分布,正火区,4,、不完全重结晶区（不完全正火区）,温度：,Ac,1,Ac,3,之间（,700850,）,特征：,一部分组织发生了相变重结晶过程，形成晶粒细小的铁素体,+,珠光体，另一部分未相变的铁素体长大成为粗大铁素体。,组织：,组织不均，原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区,性能：,力学性能差。,一、焊接热影响区的组织分布,不完全正火区,返回,不易淬火钢焊接热影响区的组织分布,（一）易淬火钢的热影响区组织,热影响区的组织与焊前母材的热处理状态有关，若母材焊前为退火或正火状态则分为：,1,、完全淬火区,温度：,热影响区,Ac,3,以上,特征：,加热时转变为奥氏体，在快速冷却时，淬硬倾向较大，得到淬火组织,组织：,相当于低碳钢过热区的部位为,粗大马氏体,，相当于正火区的部位为,细小马氏体,。当焊件母材的淬硬性不是太高时，还会出现贝氏体、索氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织,性能：,塑性、韧性差,一、焊接热影响区的组织分布,完 全淬火区,2,、不完全淬火区,温度：,Ac,1,Ac,3,之间,特征：,加热时珠光体等转变为奥氏体，冷却时得到淬火组织；原铁素体保持不变，有不同程度长大,组织：,马氏体,+,铁素体。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。,性能：,塑性、韧性有所降低,一、焊接热影响区的组织分布,不完全淬火区,若焊前母材为调质状态（淬火,+,回火）除完全、不完全淬火区外，还有一个回火区：,3,、回火区,温度：,焊前母材的回火温度以上,Ac,1,以下,特征：,对于加热温度高于焊前回火温度的部分，相当于又进行了更高温度的回火处理,组织：,回火组织,性能：,出现,回火软化现象,一、焊接热影响区的组织分布,回火区,二、焊接热影响区的性能,问题的严重性：,焊缝,可以通过,化学成分的调整,再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而,热影响区,性能只能通过,控制焊接热循环,作用来改善。,焊接热影响区的硬化,焊接热影响区的脆化,焊接热影响区的软化,焊接热影响区的性能控制,1,、焊接热影响区的硬化,HAZ,的硬度,高低取决于,母材的淬硬倾向（内因）,HAZ,的冷却速度（外因）,化学成分,焊接规范,二、焊接热影响区的性能,1,）化学成分的影响,含碳量的影响：,钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。,含碳量越高，越容易得到马氏体组织，,含碳量越高，马氏体的硬度越高。,合金元素的影响：,合金元素的影响与其所处的形态有关。,溶于奥氏体时提高淬硬性,(,和淬透性,),；,而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。,碳当量,（,Carbon Equivalent.,简称,Ceq,或,CE,）,碳当量,是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度，折合成碳的相当含量，其折算值即为该钢种的碳当量。,碳当量反映钢中化学成分对硬化程度的影响。,二、焊接热影响区的性能,20,世纪,60,年代以后，发展了,低碳微量多合金元素的低合金高强钢,。日本的伊藤等人采用形坡口对接裂纹试验对,200,多个低合金钢进行研究，建立了,P,cm,公式：,二、焊接热影响区的性能,国际焊接学会,推荐的,CE(IIW),，用于,中等强度的非调质低合金钢,（,b,400,700MPa,）,：,2,）冷却条件的影响,降低冷却速度，一定程度上可降低,HAZ,的硬化性；,高温停留时间,t,H,越长，晶粒粗化，易使合金元素溶于奥氏体，会提高淬硬性,二、焊接热影响区的性能,3,）碳当量及冷却时间,t,8/5,与,HAZ,最高硬度,H,max,的关系,碳当量越高,H,max,越大,t,8/5,越小,(,冷速越快,)H,max,越大,H,max,是反映钢种焊接性的重要标志之一，不仅反映了化学成分的作用，同时也反映了不同组织形态的作用。,国产低合金钢,H,max,的估算公式：,H,max,（,HV10,）,140,1089 P,cm,8.2 t,8/5,表,4-15,为日本焊接协会制定的不同钢种的,H,max,最大允许值。,二、焊接热影响区的性能,2,、,焊接热影响区,的脆化,不同材料的焊接热影响区及热影响区的不同部位都会发生程度不同的材料脆化。,HAZ,脆化的类型有：,粗晶脆化,组织脆化,析出脆化,热应变时效脆化,氢脆化及石墨脆化,二、焊接热影响区的性能,钢中含有碳、氮化物形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。例如,18CrWV,钢，晶粒显著长大温度可达,1140,之高,不含碳化物元素的,23Mn,和,45,号钢，超过,1000,晶粒就显著长大。,晶粒直径,d,对脆性转变温度,VT,rs,的影响,晶粒直径越大，脆性转变温度越高。,1,）粗晶脆化,在热循环作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的,化学成分,、,组织状态,、,加热温度,和,时间,的影响。,应当注意脆化程度和粗晶区的组织有关：,对于不易淬火钢，主要是晶粒长大，形成粗大魏氏组织,(W),；降低焊接线能量，提高冷却速度，可提高韧性。,对于易淬火钢（如高碳低合金高强钢），提高冷却速度会产生脆硬的孪晶,M,，使脆性增加。应适当提高焊接线能量，降低冷却速度。,2,）组织脆化,组织脆化,HAZ,出现脆性组织引起的脆化称之组织脆化。,低碳低合金高强钢：组织脆化主要是,M-A,组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。,含碳量较高的钢（,0.2,）：组织脆化主要是高碳马氏体。,M-A,组元脆化,M-A,组元,即高碳马氏体和残余奥氏体的混合物。,M-A,组元是焊接高强钢时在一定冷却速度下形成的。它,不仅出现在热影响区，也出现在焊缝中。,粗大的奥氏体冷却过程中先形成铁素体，而使残余奥氏体的碳浓度增高，随后这种高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即,M-A,组元。,M-A,组元分布在粗大铁素体基底上的组织称为粒状贝氏体。,M-A,组元只在生成上贝氏体的冷却条件下才能观察到，,冷速太快和太慢,都不能产生,M-A,组元。,焊缝和,HAZ,有,M-A,组元存在时，会降低接头韧性。,二、焊接热影响区的性能,3,）析出脆化,析出脆化,在时效或回火过程中，从非稳态固熔体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳态的中间相等，使金属的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。,在焊接碳化物或氮化物形成元素的钢时，在过热区母材中原有第二相（各类碳、氮化物的沉淀相）经一定温度和一定时间后沿晶界不均匀析出，或发生聚集，或沿晶界以薄膜状分布，,阻碍位错运动,，从而使金属的强度和硬度提高，造成脆化。,若析出物以,细小弥散,的质点均匀地分布在晶内和晶界时，不但不发生脆化，还将有利于改善韧性。,杂质元素（如,S,、,P,、,Sn,、,Sb,等）在晶界的偏析也会严重损害韧性。钢中杂质元素越多，脆性越严重，因为这些杂质元素将降低金属的结合能。因此，母材纯度越低，近缝区的韧性越难控制。,应指出，,强度和硬度提高并不一定发生脆化,（如,时效马氏体钢,等）。但,发生脆化必然伴随强度和硬度的提高,。,二、焊接热影响区的性能,HAZ,焊缝,封头,4,）热应变时效脆化,热应变时效脆化,在制造过程中要对焊接结构进行一系列冷、热加工，如下料、剪切、弯曲成形、气割、矫形、锤击等。若加工引起的局部应变、塑性变形的部位在随后又经历焊接热循环作用（处于,HAZ,内）便会引起材料脆化，称为热应变时效脆化。,二、焊接热影响区的性能,产生应变时效脆化的原因：,主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓,Cottrell,气团，,对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。,明显产生热应变时效脆化的部位是,HAZ,的熔合区和,Ar1,以下的亚临界,HAZ,（,200,400,）,200,以下氮、碳原子扩散能力弱。,400,以上位错扩散速度快，不易聚集。,根据应变产生的原因，热应变时效脆化分为两大类：,1,）静应变时效脆化,在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象，叫作静应变时效脆化。,特征是强度和硬度增高，而塑性、韧性下降。,只有钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会产生这种现象。,在室温或低温下受到预应变，如工件下料、剪切、弯曲成形等，随后加热产生的时效脆化现象。,2,）动应变时效脆化,一般在较高温度下，特别是,200400,温度范围的预应变所产生的时效脆化现象称为动应时效脆化。,因加热预应变的同时，氮、碳的扩散也在进行，所以称为“动”。,焊接热影响区的热应变脆化多数是由动应变时效所引起。,通常所说的“,蓝脆性,”就属于动应变时效脆化现象。,二、焊接热影响区的性能,综上所述，影响热影响区脆化的因素很多，不同材料产生脆化的原因也不相同。当热影响区的脆化严重时，即使母材和焊缝韧性再高也是没有意义的。为了提高焊接结构安全运行的可靠性，必须设法保证焊接热影响区的韧性。,二、焊接热影响区的性能,热影响区冲击韧度的变化如图所示。冲击韧度低的部位有两处：,一是从,1200,以上的粗晶区到熔合线部位,另一处是焊缝以外靠近母材的脆化区。低碳钢的脆化区常在近缝区的,200400,的区域内，高强钢的脆化区常在靠近相变点,A,c1,A,c3,之间,热影响区冲击韧度分布示意图,调质钢焊接,HAZ,的硬度分布,A,焊前淬火,+,低温回火；,B,焊前淬火,+,高温回火；,C,焊前退火,1,淬火区；,2,部分淬火；,3,回火区,1,）调质钢,HAZ,的软化,焊接调质处理后的钢（特别是中碳调质钢），在重新加热到,超过,它的调质处理时的,回火温度,后就会出现软化问题。,焊前所处的,热处理状态不同,，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。,母材焊前调质处理的回火温度,越低,，焊后,HAZ,软化区域,越宽,，它相对于母材的软化程度也,越大,。,二、焊接热影响区的性能,3,、焊接热影响区的软化,气 焊：,热影响区软化区的宽度大，抗拉强度：,590685MPa,。,电弧焊：,热影响区软化区的宽度窄，抗拉强度：,8801030MPa,。,焊接热源越集中对减小软化区越有利。,二、焊接热影响区的性能,（,a,）电弧焊 （,b,）气焊,调质状态,30CrMnSi,钢焊接接头的强度变化见图,原因：,时效回归,(regress of aging),合金时效过程中，由于析出不同的,脱溶产物,而使其强化。,低温时效时以形成原子,偏聚区（即,GP,区）,为主，其强化作用来源于形成,GP,区时造成的应力场对,位错运动的阻碍,作用。,经低温时效的合金重新加热到较高温度时，低温下形成的,GP,区将,迅速溶解,于基体中，,GP,区所造成的强化效果也随之消失。,二、焊接热影响区的性能,LD2,铝合金,HAZ,的软化现象,(,HR,为表面洛氏硬度,)(,自动,TIG,焊,),LD2,（,Al-Mg-Si-Cu,合金）,2,）热处理强化合金焊接,HAZ,的软化,经过固溶和时效处理的合金,（如镍合金、铝合金、钛合金等）在焊接,HAZ,出现强度下降的现象，即所谓“,过时效软化,”。,如图：,HAZ,温度在,430300,范围内有明显的软化现象。,4,、焊接热影响区的性能控制,热影响区不参与化学冶金反应，不能像焊缝那样通过调整成分来改善性能。因此，改善热影响区的性能要从,选材和,调整热过程,入手。常用的措施有以下几个：,1,）采用高韧性母材,采用低碳微合金化钢：,利用微量元素弥散强化、固溶强化，提高,材料的热稳定性,（控制析出相的尺寸及母材晶粒尺寸）。这些钢在焊接热影响区可获得韧性较高的组织,针状铁素体、下贝氏体或低碳马氏体，同时还有弥散分布的强化质点。,采用控轧工艺：,得到,细晶粒钢,。,采用炉内精练、炉外提纯等一系列工艺：,使钢中的杂质,(S,、,P,、,N,、,O,等,),含量极低，加之微量元素的强化作用，而得到,高纯度、细晶粒的高强度钢,。这些钢有很高的韧性，热影响区的韧性相应也有明显的提高。,在母材选用上，必须注重合理性。也就是说，钢材的质量与价格应与产品的重要性及工作条件相匹配，而不是一味追求高质量。,二、焊接热影响区的性能,2),焊后热处理,焊后热处理,(,如正火或正火加回火,),可以改善组织，有效提高性能，是重要产品制造中常用的一种工艺方法。,但对大型的、复杂的或在工地装配的结构，即使采用局部热处理也很困难，因此焊后热处理的应用很有局限性。,二、焊接热影响区的性能,3),合理制定焊接工艺,包括正确选择,预热温度,、合理控制,焊接参数,及,后热,等。具体的数据，则因钢的成分不同而异。,例如：焊接线能量,线能量过大，,HAZ,晶粒粗化形成粗大的铁素体，甚至出现魏氏组织；,线能量过小，冷速太快，出现淬硬马氏体组织等。,焊接线能量对热影响区组织及,VTrs,的影响,5.4,焊接热模拟试验方法和特点,焊接热模拟技术从,20,世纪,40,年代开始,在,美国、前苏联及日本,等国家兴起。后来各国对该项技术及其装置的研究都非常重视,并取得了很大的进展。,我国从,20,世纪,60,年代,开始研究焊接热模拟技术,相继推出各种类型的焊接热模拟试验机,利用这项技术为我国的国民经济发展做出了贡献。,目前我国材料及热加工模拟技术已取得了很大的进步,该领域的研究和应用已达到了很高的水平,由于计算机技术的发展,材料及加工模拟技术已经成为材料科学中非常活跃的研究领域。物理模拟及数值模拟技术使材料科学的研究,“,定量化,”,及,“,科学化,”,不再是,“,定性的经验型的低水平研究。热模拟技术对于推动材料科学的发展具有重要意义。,一、焊接热模拟试验的目的,HAZ,是接头中的薄弱环节,焊接接头的力学性能是指焊缝和,HAZ,的综合力学性能。对某些材料，如低合金高强钢，,HAZ,是接头中的薄弱环节，接头性能往往取决于,HAZ,的力学性能。,常规力学性能试验不能准确反映,HAZ,各区性能,由于,HAZ,十分狭窄，且又分为组织特征极不相同的许多更小的区域，因此，常规试验只能反映,HAZ,整体性能，不能反映各小区性能。,焊接热模拟试验的目的,焊接热模拟试验方法就是在上述情况下提出来的，其目的就是用来研究焊接热影响区中各个小区的组织和性能的变化规律。,二、试验方法及原理,试验装置及原理：,焊接模拟试验技术的基本原理是采用灵敏而又精确的,控制系统,和可靠的,机械系统,，在此试验装置上，使具有一定尺寸的小型试样，再现与实际焊接,HAZ,某一点完全一致的,热、应力、应变循环,，并用该试样的组织性能代表实际焊接,HAZ,某点的组织性能。,试验的主要参数,热循环参数：,加热速度,H,，加热的最高温度,Tm,，相变温度以上的停留时间,tH,，冷却速度,c,和冷却时间（,t8/5,、,t8/3,、,t100),。,应力、应变控制：,应能模拟焊接应力、应变过程。,试验过程中的气氛：,研究焊接结构的工作介质的影响。,三、焊接热模拟试验的应用,采用热模拟技术,就可以在一定尺寸的试件上,模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响,从而研究该区段的组织及性能的变化规律,。利用该项技术可以研究金属的焊接性,主要应用有：,研究焊接热影响区不同区段的组织及力学性能,研究焊接热影响区的粗晶脆化,研究焊接热影响区的热应变脆化,研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹及层状撕裂的形成条件及产生机理,绘制焊接连续冷却转变图,(SHCCT,图,),此外,还可以应用于金属材料的热强性、热塑性、热疲劳、高温蠕变、动态再结晶等方面的研究工作。,冶金工业中的铸钢高温流变行为、连铸钢的高温力学性能以及变形速度对不同温度下材料强度的影响,模拟轧制、模拟锻造工艺等方面也成功地应用了焊接热模拟技术。,三、焊接热模拟试验的应用,例如,:,模拟焊接冷裂纹,模拟焊接冷裂纹的,淬硬组织、氢的聚集、拘束应力,等三个因素,利用焊接热模拟试验机对试样进行按照给定程序的加热及加载；,试样加热到峰值温度后,冷却到,900,左右时,对试进行恒温充氢；,然后按规定的冷却速度冷却。在冷却过程中,控制其应变和应力,保持一定时间后,检查是否产生裂纹；,通过上述试验,即可研究冷却速度、吸氢时间、应力值、延迟时间等因素对裂纹产生的影响,从而可以,获得临界冷却速度、临界氢含量、临界拘束应力等指标,。,进而可以深入研究冷裂纹的敏感性,提出最佳焊接工艺参数,等。,四、,焊接热模拟技术的局限性,约束条件的差异,实际的焊接接头中,热影响区是一个很狭窄的区域。在这个小区域中,焊接时的温度梯度变化急剧,各点的组织性能连续变化而又彼此相互制约。,焊接热模拟试件是加热温度、组织变化均匀的隔离体,因此,这些试件在加热和冷却过程中的动态行为及变化必然与实际焊接接头中的相应部位存在差异。,热力循环条件的差异,在模拟焊接热循环的测定与控制方面也会有些误差；,在实际的焊接接头中,热影响区的应力应变动态过程相当复杂。而焊接热模拟试验中应力应变的模拟为一特别设定的曲线,这与实际的应力应变规律存在差异。,如：,实际热影响区中某点的奥氏体晶粒的长大受到,温度梯度,及,组织梯度,的障碍,而模拟试样中的奥氏体不存在这些障碍,造成在相同的热循环条件下,模拟试样的奥氏体晶粒比实际焊接热影响区中相应部位的晶粒要大。,习题与思考,1,、什么是焊接热循环？研究焊接热循环有什么意义？,2,、焊接热循环的参数有哪些？它们对,HAZ,的组织和性能有什么影响？,3,、什么是长段多层焊,”,和,“,短段多层焊？多层焊对提高焊接质量有什么作用？,4,、,焊接热循环与热处理相比有何特点,？,试用这些特点来说明45钢和40Cr钢热影,响区的组织转变，并加以比较。,5,简要说明易淬火钢和不易淬火钢,HAZ,的组织特点和对性能的影响,?,6,试分析钢种淬硬倾向的影响因素,?,用什么指标来衡量高强钢的淬硬倾向比较合理,?,7,试分析焊接热影响区的脆化类型及防治措施,?,8,、中碳调质钢焊接,HAZ,软化的机制？应如何改善和控制？,9,试述焊接热影响区韧化的途径有那些,?,本章结束,返回,45,钢在,Ms,附近，焊接曲线右移，即同样冷却速度条件下，焊接比热处理淬硬倾向大。,40Cr,在,Ms,附近，焊接曲线左移，即同样冷却速度下，热处理比焊接淬硬倾向大。,返回,返回,Q235A,钢焊接热影响区的组织特点,返回,低碳调质钢焊条电弧焊完全淬火区组织,400,a),过热区,(,粗大马氏体,)b),细晶区,(,细小马氏体,),图,10-10,调质钢焊接,HAZ,的硬度分布,焊前淬火,+,低温回火；,B,焊前淬火,+,高温回火；,C,焊前退火,1,淬火区；,2,部分淬火；,3,回火区,HAZ,硬度分布,X60,管线钢,HAZ,在不同冷速下组织,END,