1、6.1焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区组织转变特点6.2焊接热影响区组织转变焊接热影响区组织转变6.3焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能6.4焊接热焊接热/力物理模拟技术力物理模拟技术第六章第六章 热影响区的组织与性能热影响区的组织与性能6.3热影响区的性能热影响区的性能 焊接热影响区的性能损伤主要包括软化、硬化、脆化、抗腐性能和疲劳性能等。6.3.1 热影响区的硬度热影响区的硬度1、再结晶软化、再结晶软化热影响区再结晶软化示意图对于形变强化状态材料的焊接热影响区，焊接热循环将产生退火热处理效果，使得一定范围的热影响区组织发生回复与再结晶过程，使该区的硬度与强度硬度低于母材。1）硬度分布
2、）硬度分布2）防止措施）防止措施单位长度焊缝热输入对加工硬化5356铝合金的热影响加工硬化2219-T37铝合金熔化区边界附近的显微组织a)电子束焊接，b)钨极惰性气体保护焊降低热输入；采用高能束焊接。2、过时效软化、过时效软化1）硬度分布）硬度分布Al-Cu合金人工时效状态下焊接接头的组织与性能分布AW：焊态，PWNA焊后自然时效，AWNA焊后人工时效对于人工时效2219铝合金 峰值温度高于母材时效温度时，细小的相将开始发生分解，而粗大相同时开始长大，距离焊缝越近相溶解越多；焊缝以及非常接近焊缝的热影响区部分完全溶解，较高的焊接冷却速度使晶格处于过饱和状态。焊后自然时效（PWNA）可以使焊缝
3、及热影响区的硬度略有上升；焊后人工时效（AWAA）可以使焊缝及非常接近焊缝的热影响区强化效果得到恢复；对距离焊缝稍远的热影响区；焊后人工时效也没有办法使其强度得到恢复。焊前热处理含有GP区的Al-Cu合金：a)相图；b）热循环曲线；c）沉淀C-曲线；d）微观组织结构；e）硬度分布讨论自然时效讨论自然时效2219铝合金软化问题铝合金软化问题2）防止措施）防止措施焊接方法的影响热输入的影响3、钢的高温回火软化、钢的高温回火软化1）硬度分布）硬度分布低合金钢不同处理状态下焊接接头的硬度分布 在接近焊缝区域由于其峰值温度高且冷却速度快，发生了较强的淬硬倾向；热影响区的峰值温度在Ac1附近焊前为退火状态
4、时热影响区不出现软化区域；若焊前为淬火+回火处理状态，则焊接热影响区的硬度降低的程度和范围随回火温度降低而增大；AC1至AC3的温度区域软化程度最大。2）防止措施）防止措施 钢的回火软化程度取决于回火温度与回火时间。焊后重新进行调质处理可以将钢热影响区的性能回复到焊前水平。但是，很多大型的结构件没有办法进行焊后热处理，采用合适的焊接方法和焊接工艺就成为必然选择。钢的回火软化程度和软化区的宽度与焊接线能量、焊接方法有很大关系。一般地，线能量越小，加热冷却速度越快，受热时间越短，软化程度越小，软化区的宽度越窄。焊接方法及其线能量对软化区宽度b和接头强度J的影响（42Cr2MnSiNiMo）调质状态
5、下的30CrMnSi钢焊接接头的强度分布电弧焊电弧焊气焊气焊4、钢的硬化、钢的硬化1）硬度分布）硬度分布低合金钢焊接接头的硬度分布硬化是钢焊接热影响区的一个比较普遍的现象。热影响区硬化可以明显地提高热影响区冷裂倾向，脆性增大。不易淬火钢焊接接头在热影响区发生硬化现象；对于易淬火钢在正火或退火条件下焊接，其热影响区的淬火区必然会发生较大的淬硬倾向，这种淬硬倾向与回火软化恰恰相反，焊前强化程度越低，淬硬倾向也就越明显。常用热影响区的最高硬度Hmax来间接判断热影响区的性能。焊接热影响区的最高硬度主要取决于被焊钢材的化学成分和冷却条件。因此，可将Hmax写成碳当量Ceq和冷却时间t8/5的函数，即H
6、max=f（Ceq,t8/5）碳当量Ceq是将钢中包含碳在内的所有合金元素按其对淬硬倾向的影响程度，认为折算成相当于碳的影响而得到的一个量值，即1neqiiiCc w 和 分别是某合金元素的质量分数和碳当量系数iwicciCSiMnCuNiCrMoVBCE(IIW)1-1/61/151/151/51/51/5-Pcm11/301/201/201/601/201/151/105Ceq(WES)11/241/6-1/401/51/41/14-D2.6(Deren)11/251/161/161/601/201/401/15-CES(Stout)1-1/61/401/201/101/10-国际焊接学会
7、（IIW）推荐的CE主要适用于中、高强度的非调质合金高强钢b=500900MPa。当CE(IIW)0.40%，且板厚小于20mm时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好；而当CE(IIW)=0.40%0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接性能较差碳当量对焊接热影响区最高硬度的影响随着钢种（Pcm、CE(IIW)）的增加，硬度也随之增加，即淬硬性增加。最高硬度和碳当量大致呈线性关系。HAZ最高硬度与冷却时间的关系随着冷却时间的增加，HAZ的最高硬度明显降低2）防止措施。）防止措施。除了进行焊后回火处理之外，对于不能进行热处理的工件可以采用预热的办法或采用较大的热输入方法来降低母材的淬硬倾向
8、。但是对于某些调质钢来说，在焊接的热影响可能又同时存在着软化问题，因此在选择焊接工艺过程中要同时考虑硬化和软化两方面的因素。6.3.2焊接热影响区的韧性焊接热影响区的韧性韧性是材料在塑性应变和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。材料的韧性越高，意味着材料的脆性越小，抵抗冲击破坏的能力也就越强。材料的韧性可以用冲击韧性或韧-脆转变温度来表征。冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。一般地，冲击韧性值或冲击功越大，材料的韧性也越高。韧脆转变温度为温度降低时金属材料由韧性状态变化为脆性状态的临
9、界温度。韧脆转变温度越低，材料在韧性条件下服役的温度越宽，材料的韧性也越高。不易淬火钢焊接接头的韧性分布对于不易淬火钢，细晶区（峰值温度900左右）的韧性最好，过热粗晶区的韧性最差，同时存在峰值温度较低的时效脆化区。1、粗晶脆化、粗晶脆化粗晶脆化是指焊接热影响区因晶粒粗大而发生韧性降低的现象。焊接过程中由于受热的影响程度不同，在焊接热影响区靠近熔合线附近的过热区将发生严重的晶粒粗化。晶粒直径d对VTrs的影响晶粒越粗大，则脆性转变温度越高，也就是脆性增加。母材的化学成分是影响晶粒长大的本质因素：钢中含有Nb、Ti、Mo、V、W、Cr等氮化物或碳化物强形成元素，就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大；1
10、8Cr2WV钢，含Cr、W、V等合金元素，晶粒长大受到抑制；23Mn和45钢，不含碳化物元素，加热超过1000时晶粒显著长大。晶粒越粗，脆性转变温度越高，脆性增加。含Nb钢HAZ晶粒尺寸与Tm、E与t8/5的关系（埋弧焊，T0=20）焊接线能量对HAZ的晶粒粗化也有较大的影响，线能量越大，晶粒越容易长大 HAZ的粗晶脆化与一般单纯晶粒长大所造成的脆化不同，它是在化学成分、组织状态不均匀的非平衡态条件下形成的，故而脆化的程度更为严重；它常常与组织脆化交混在一起，是两种脆化的叠加；对于淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶粒长大所致；对于易淬火钢，则主要是由于产生脆性组织所造成的（如孪晶马氏体、非平衡
11、态的粒状贝氏体以及遗传组织等）2、组织脆化、组织脆化组织脆化是指焊接热影响区因形成脆硬组织而引起韧性降低的现象，具有包括片状马氏体脆化、M-A组元脆化、遗传脆化等等1）片状马氏体脆化）片状马氏体脆化 对于不易淬火的低碳钢和某些低合金钢来讲，焊接热影响区即使出现马氏体，一般也是韧性较好的板条马氏体，不会使脆性增加；对于易淬火的低碳调质钢、中碳钢和中碳调质钢来讲，焊接热影响区很容易出现又脆又硬的片状马氏体，从而引起脆化；冷却速度越大，越容易形成片状马氏体，脆化倾向越大；单纯从减小这种脆化倾向出发，应采用较高的焊接热输入，以降低冷却速度过高带来的不利影响；但焊接热输入较高时，会增大粗晶脆化倾向，故应
12、采用适中的热输入，最好是配合预热及缓冷措施。2）M-A组元脆化组元脆化 某些低合金钢的焊接热影响区处于中温上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大，而使碳大部分集富到被铁素体包围的岛状残余奥氏体中去，随后这些高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，这种组织即M-A组元。在合金成分简单、合金化程度较低的钢中，奥氏体的稳定性较小，不会形成M-A组元，而是分解为铁素体和碳化物；在含碳量和合金成分高的钢中，易于形成片状马氏体；只有在低碳低合金钢中，并且冷却速度在中等范围内，才能形成M-A组元。形成条件：形成条件：低碳贝氏体钢埋弧焊热影响区M-A组元a)M-A组元扫描电镜照片，
13、b)M-A组元透射电镜照片，c)M-A组元微观形貌，d)成分分布M-A含量与t8/5的关系a)M-A组元含量随冷却时间的变化，b)M-A组元含量对脆性转变温度的影响焊接热输入对过热区组织及脆性转变温度VTrs的影响3）遗传组织脆化）遗传组织脆化厚板结构多层焊时，若第一焊道的HAZ粗晶区位于第二道的正火区（相变重结晶区），按一般的规律，粗晶区的组织将得到细化，从而改善了第一粗晶区的性能。但对某些钢种实际上并未得到改善，仍保留粗晶组织和结晶学取向，这种现象称为“组织遗传”（包括粗晶和组织），有这种遗传而引起的脆化称为遗传脆化，又称局部脆化。钢在多层焊时遗传组织示意图40CrNi2Mo钢热模拟粗晶区
14、经915二次热循环后的显微组织3、时效脆化、时效脆化时效脆化是指焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范围内经一定时间的时效后，因出现碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而发生的脆化现象，其具体包括热应变时效脆化和相析出脆化。1）热应变时效脆化）热应变时效脆化焊接过程中，200400温度范围内的区域，由于承受热应变而引起碳、氮原子向位错移动，经一定时间的聚集，在位错周围形成对位错产生钉扎作用的“柯氏”气团，从而造成该区域的脆化，即所谓的热应变时效脆化。2）相析出时效脆化。）相析出时效脆化。焊接过程中，温度处于一定范围内（一般为400600）内的区域，由于快速冷却造成了碳和氮的过饱和而处于不稳定状态，经一定时间的时效后，在晶界析出对位错运动产生阻碍作用的碳化物和氮化物沉淀相，从而造成热影响区的脆化
