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材料成型04-2班
第十章 焊接热影响区的组织与性能
1、何谓焊接热循环？焊接热循环的主要特征参数有那些？
答：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，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。
决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：
（1）加热速度ωH　焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。
（2）最高加热温度Ｔmax　也称为峰值温度。距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。
（3）相变温度以上的停留时间tH　在相变温度TH以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。
（4）冷却速度ωC(或冷却时间t8 / 5) 　冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t8 / 5，800～300℃的冷却时间t8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100。
总之，焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点

2、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？
答：（1）对组织的影响：
A 不易淬火钢的热影响区组织：
在一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区
1) 熔合区: 焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具有明显的化学成分不均匀性。
2) 过热区(粗晶区): 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100℃左右)范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却后得到粗大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。
3) 相变重结晶区(正火区或细晶区): 该区的母材金属被加热到AC3至1100℃左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。
4) 不完全重结晶区: 焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于AC1～AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。
B 易淬火钢的热影响区组织:
母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：
1) 完全淬火区：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，得到粗大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。
2) 不完全淬火区：母材被加热到AC1～AC3温度之间的热影响区。快速加热和冷却过程得到马氏体和铁素体的混合组织；含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，其组织可能为索氏体或珠光体。
母材焊前是调质状态，则焊接热影响区的组织分布除上述两个外，还有一个回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度：若焊前调质时回火温度为Tt低于此温度的部位，组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1的部位得到回火索氏体，离焊缝较远的区域得到回火马氏体。
(2) 对性能的影响
使HAZ发生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。
（3）改善HAZ组织性能的措施
1）母材焊后选择合理的热处理方法（调质、淬火等）。
2）选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。
3）控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。

3．简要说明易淬火钢和不易淬火钢HAZ粗晶区的组织特点和对性能的影响？
答：（1）易淬火钢HAZ粗晶区
在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，故得到粗大的马氏体，强度硬度很高，塑性韧性较低；正火区得到细小的马氏体，强度硬度较高，但是比粗大马氏体要低，塑性韧性比粗大马氏体好。
（2）不易淬火钢HAZ粗晶区：
由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却之后便得到粗大的组织。并极易出现脆性的魏氏组织。故该区的塑性、韧性较差。焊接刚度较大的结构时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。

4．焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？
答： 焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理是相同的。但由于焊接过程的特殊性，使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点。
焊接热过程概括起来有以下六个特点：
（1）一般热处理时加热温度最高在AC3以上l00～200℃，而焊接时加热温度远超过AC3，在熔合线附近可达l350～l400℃。
（2）焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。
（3）焊接时由于热循环的特点，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s)，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。
（4）在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温。然而在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。
（5）焊接加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变；而热处理过程一般不会出现。
（6）焊接过程中，在应力状态下进行组织转变；而热处理过程不是很明显。
所以焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性。
此外，焊接过程的快速加热，首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。这一过程必然影响冷却过程的组织转变。
焊接过程属于非平衡热力学过程，在这种情况下，随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。在焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8％而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关。

5．在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，哪一种钢的近缝区淬硬倾向大？为什么？
答： 在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，淬硬倾向45钢的近缝区淬硬倾向大。因为45钢不含碳化物形成元素，奥氏体开始长大温度低，高温区晶粒粗大，容易形成粗大的马氏体，而40Cr含强碳化物形成元素，强碳化物分解温度高，碳化物的存在会阻碍奥氏体晶粒长大，形成细小的马氏体；钢的淬硬倾向取决于钢的含碳量，45钢的含碳量比40Cr高，综合以上两方面的原因可知淬硬倾向。

6．焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？
答： 焊接热影响区的脆化类型及防止措施：
（1）粗晶脆化：对于某些低合金高强钢，由于希望出现下贝氏体或低碳马氏体，可以适当降低焊接线能量和提高冷却速度，从而起到改善粗晶区韧性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高强钢与此相反，提高冷却速度会促使生成孪晶马氏体，使脆性增大。所以，应采用适当提高焊接线能量和降低冷却速度的工艺措施。
（2）析出脆化：控制加热速度和冷却速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。
（3）组织脆化：控制冷却速度，中等的冷速才能形成M-A组元，冷速太快和太慢都不能产生M-A组元氏体(孪晶马氏体)；控制合金元素的含量，合金化程度较高时，奥氏体的稳定性较大，因而不易分解而形成M-A组元；控制母材的含碳量，选用合适含碳量的材料。
（4）HAZ 的热应变时效脆化(HSE): 焊接接头的HSE往往是静态应变时效和动态应变时效的综合作用的结果。尽量使焊接接头无缺口，从而减轻动态应变时效脆化程度；采用合适的冷作工序，静态应变时效脆化的程度取决于钢材在焊前所受到的预应变量以及轧制、弯曲、冲孔、剪切、校直、滚圆等冷作工序。焊接工艺上控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量。

7．何谓热影响区的热应变时效脆化？在焊接工艺上如何防止？
答： 在制造过程中要对焊接结构进行加工，如下料、剪切、冷弯成型、气割、焊接和其它热加工等。由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接HAZ 脆化有很大的影响，由此而引起的脆化称为热应变时效脆化(Hot Straining Embrittlement，简称HSE)。
防止措施:由于明显产生HSE的部位是HAZ的熔合区和A ri以下的亚临界HAZ200～600℃，反映在在焊接工艺上就是控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量。

8.试叙中碳调质钢焊接热影响区软化机制？应如何改善和控制?
答： 中碳钢淬火后得到粗大的马氏体，强度硬度很高，中碳钢经过调质处理后得到回火索氏体，它的硬度和强度比淬火马氏体低，即中碳调质钢发生了热处理强化，在焊接热影响区出现了不同程度的失强。
控制调质处理的回火温度，提高回火温度可以降低中碳调质钢焊接热影响区软化。因为焊接调质钢时，HAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。母材焊前调质处理的回火温度越低(即强化程度越大)，则焊后的软化程度越严重。

9．如何提高热影响区的韧性？韧化的途经有那些？
答：（1）提高热影响区的韧性的措施
1)控制组织：对低合金钢，应控制含碳量，使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系,应尽量控制晶界偏析。
2)韧化处理: 对于一些重要的结构，常采用焊后热处理来改善接头的性能。合理制定焊接工艺,正确地选择焊接线能量和预热、后热温度是提高焊接韧性的有效措施。
（2）韧化的途径：除了上述措施外，还有如细晶粒钢(利用微量元素弥散强化、固熔强化、控制析出相的尺寸及形态等)采用控轧工艺，进一步细化铁素体的晶粒，也会提高材质的韧性；采用炉内精炼，炉外提纯等一系列措施，从而得到高纯净钢，使钢中的杂质(S、P、O、N等)含量极低，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接HAZ的韧性。

10．某厂制造大型压力容器，钢材为14MnMoVN钢，壁厚36mm，采用手弧焊：
1)计算碳当量及HAZ最大硬度Hmax（t8/5=4s）;
2)根据Hmax来判断是否应预热；
3）如何把Hmax降至350HV以下；
解：（1）依据
查得14MnMoVN的成分wC=（0.10-0.18）%,wMn=（1.2-1.6）%,wMo=（0.41-0.65）%,
wV=（0.05-0.15）%,代入上式得
Pcm=0.255
依据 H max（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8∕5 t 8∕5=4s, Pcm=0.255得
H max=524.89 HV
（2）H max=524.89 HV 说明其淬硬倾向较大，冷裂倾向也随之较大，应该预热
（3）依据 H max（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8∕5 H max<350，Pcm=0.255得
t 8∕5>8.26 s
由壁厚36mm可知钢板为厚板
所以

冷却时间随着线能量E和初始温度T0的提高而延长，焊接方式和材料确定，则线能
量E确定，主要是通过提高初始温度即预热温度来降低冷却速度，延长时间大于8.26s。从而降低Hmax.