焊缝及其热影响区的组织和性能.ppt

第三章 金属凝固热力学与动力学,1,第七章焊缝及其热影响区的组织和性能,材料与冶金学院 李伟,第三章 金属凝固热力学与动力学,2,主要内容 7.1 金属焊接概述 7.2 焊接接头成形及其冶金过程 7.3 焊接温度场 7.4 焊缝金属的组织性能 7.5 焊接热影响区的组织性能,第三章 金属凝固热力学与动力学,3,7.1 金属焊接概述,公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。19世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、金属弧、电阻热）。20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。,第三章 金属凝固热力学与动力学,4,第三章 金属凝固热力学与动力学,5,第三章 金属凝固热力学与动力学,6,1921年，第一艘全焊远洋船；30年代，大规模制造焊接结构；60年代，焊接结构空前普及；中国：上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。,第三章 金属凝固热力学与动力学,7,第三章 金属凝固热力学与动力学,8,第三章 金属凝固热力学与动力学,9,第三章 金属凝固热力学与动力学,10,7.1金属焊接成形概述,常见连接成形方法：,A 焊接B 胶接使用胶粘剂来连接材料。优点：适应性广、工艺简单，应力变形小，适用于各种材料 缺点：固化时间长，胶接剂易老化，耐热性差。C 机械连接螺纹连接、销钉连接、键连 接和铆钉连接 优点：标准件，良好的互换性，选用方便，工作可靠，易于 检修。缺点：增加了机械加工工序，结构重量大，密封性差，成本较高。,第三章 金属凝固热力学与动力学,11,焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接的实质用加热或加压等手段，借助于金属原子的结 合与扩散作用，依靠原子间的结合力使分离 的金属材料牢固地连接起来。焊接方法熔化焊、压力 焊及钎焊。应用在机械制造业中以 熔化焊的应用最为 广泛。,第三章 金属凝固热力学与动力学,12,熔化焊：将工件局部加热到熔化状态，形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合成不可分离的整体。常见有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。压焊：无论加热与否，均需要加压的焊接方法。常见的有电阻焊、摩擦焊、冷压 焊、扩散焊和爆炸焊等。钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料熔化以后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，一般没有塑性变形。,焊接的分类：,加热,加压,第三章 金属凝固热力学与动力学,13,从冶金角度:液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料间原子结合。固相焊接：压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩散实现原子结合。固液相焊接：待接表面不接触，通过两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界面扩散，实现原子结合。（钎焊）,第三章 金属凝固热力学与动力学,14,金属焊接成形概述,第三章 金属凝固热力学与动力学,15,金属焊接成形概述,第三章 金属凝固热力学与动力学,16,第三章 金属凝固热力学与动力学,17,第三章 金属凝固热力学与动力学,18,第三章 金属凝固热力学与动力学,19,焊接的优点：,（1）焊接生金属材料，结构重量轻。（2）能制造重型、复杂的机械零部件，简化铸造、锻造及 切削加工工艺。（3）焊接接头不仅具有良好的力学性能，还具有良好的密 封性。（4）能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。（5）可实现不同材料的连接成型，是不可拆卸的永久性连 接。,第三章 金属凝固热力学与动力学,20,焊接的缺点：（1）焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；（2）焊接结构中存在焊接应力和变形；（3）接头的组织性能往往不均匀，并会产生裂纹、夹渣、气孔等焊接缺陷，从而引起应力集中，降低连接件的 承载能力。,第三章 金属凝固热力学与动力学,21,7.2 焊接接头成形及其冶金过程,熔化焊时焊接接头的形成一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，最后形成焊接接头。这一过程可从焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接时的金属凝固和相变过程三个方面加以学习。,焊接接头 焊接热过程+焊接化学冶金+焊接物理冶金,第三章 金属凝固热力学与动力学,22,一、焊接热过程,1、焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属及焊接材料由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）、凝固、固体相变的过程，称之为焊接热过程。2、焊接热过程的特点局部性热源的运动性瞬时性传热过程的复合性,第三章 金属凝固热力学与动力学,23,3、焊接热过程的作用热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸决定了焊接熔池进行冶金反应的程度影响熔池金属凝固、相变过程不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率,第三章 金属凝固热力学与动力学,24,二、焊接化学冶金,熔焊时，焊接区内的各种物质，即液态金属、熔渣和气相之间在高温下进行的极为复杂的物理化学变化的过程，称为焊接化学冶金过程。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、性能、焊接缺陷（如气孔、裂纹等）以及焊接工艺性能都有重要的影响。,焊接化学冶金的特殊性焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊缝金属的合金化及其成分控制,包括内容：,第三章 金属凝固热力学与动力学,25,焊接化学冶金的特点：,1.焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护，使其免受空气中气体的有害作用，从而减少焊缝中有害杂质含量，减少有益合金元素损失，使焊缝金属得到合适的化学成分，提高焊接质量。2.焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，各区的反应物性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动等反应条件也有着较大的差异。反应条件的差异就影响着反应进行的可能性、方向、速度及限度。不同的焊接方法有不同的反应区。钨极气体保护焊和电子束焊只有熔池反应区；熔化极气体保护焊有熔滴反应区和熔池反应区两个反应区；焊条电弧焊有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。,第三章 金属凝固热力学与动力学,26,温度变化范围大；,停留时间短；,基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；,不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；,利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；,3、焊接冶金反应分析,第三章 金属凝固热力学与动力学,27,三、焊接物理冶金过程,熔化焊时，焊接材料及母材金属在高温热源作用下发生了局部熔化，在此过程中发生了冶金反应。当热源离开后，熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变，最终形成焊缝，这个过程主要是物理冶金过程。靠近熔池的金属，由于经历了焊接高温热源的热循环作用，其组织和性能也会发生变化，这一区域称之为焊接热影响区（Heat Affected Zone，简称HAZ）或近缝区，此区域主要发生物理冶金过程。介于焊缝和热影响区之间的薄层过渡区称为熔合区。,第三章 金属凝固热力学与动力学,28,焊接接头主要是由焊缝和热影响区组成的：,由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的，所以会形成不同的微观组织，有时甚至会产生缺陷，从而影响到整个接头的作用。在很多情况下，焊接热影响区的质量与焊缝质量是同等重要的，有些金属的焊接热影响区存在的问题比焊缝更要复杂。,焊接接头组成示意图1-焊缝 2-熔合区 3-热影响区 4-母材,第三章 金属凝固热力学与动力学,29,7.3 焊接温度场,1.焊接时热作用的特点（1）集中性（2）瞬时性2.焊接传热基本形式（根据传热学基本理论）（1）热传导（2）热对流（3）热辐射 焊接过程中：热源 焊件：对流、辐射为主 母材、焊条本身：热传导为主,第三章 金属凝固热力学与动力学,30,热传导过程的偏微分方程（根据傅立叶公式和能量守恒定律建立）三维传热 二维传热 一维传热,具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布边界条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件：第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系 第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系 第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介 质的换热系数a。,第三章 金属凝固热力学与动力学,31,第三章 金属凝固热力学与动力学,32,3.焊接温度场的概念,焊接温度场某瞬时焊件上各点的温度分布 T=f(x,y,z,t),等温线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面）,每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度来表示：Grad T,第三章 金属凝固热力学与动力学,33,（2）当恒定热功率的热源固定作用在焊件上时，开始阶段温度场是不稳定的，经过一段时间后便达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，这种情况称为准稳定温度场。,（3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。温度场与热源作同步运动，可采用移动坐标系，使坐标原点与热源中心重合。,（1）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。,第三章 金属凝固热力学与动力学,34,第三章 金属凝固热力学与动力学,35,4.数学分析法,数学解析的简化条件：1）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀2）三维或二维传热时，各方向传热互不影响3）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：半无限大物体 三维传热 点热源无限薄物体 二维传热 线热源无限长细杆 一维传热 面热源4）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表 面与介质间的热传导忽略不计5）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点 的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响。,第三章 金属凝固热力学与动力学,36,厚板温度场表达式：,1.正常速度运动时的特解：,2.热源高速度运动时的近似解：,薄板温度场表达式：,1.正常速度运动时的特解：,2.热源稿速度运动时的近似解：,第三章 金属凝固热力学与动力学,37,第三章 金属凝固热力学与动力学,38,X-Y方向温度场分布/全图,第三章 金属凝固热力学与动力学,39,三维温度场分布,第三章 金属凝固热力学与动力学,40,第三章 金属凝固热力学与动力学,41,实测结果,第三章 金属凝固热力学与动力学,42,薄板二维传导，板厚方向无温差，近似全熔透对接焊,第三章 金属凝固热力学与动力学,43,5.影响温度场的因素,（1）热源的性质（2）焊接工艺参数（有效热功率q、焊接速度v）q一定 v增大 等温线的范围变小，热源集中程度增大 v一定 q增大 温度场的范围增大 grad T q/v一定 v 较大时 grad T（3)金属的热物理性质（热导率、体积比热容c等）热物理性质主要是指 热扩散率=/c 焊接线能量 E 相同 a grad T 板厚：其他因素不变，随板厚的减小，焊件表面的高温区域,第三章 金属凝固热力学与动力学,44,第三章 金属凝固热力学与动力学,45,第三章 金属凝固热力学与动力学,46,一、熔池凝固,1、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；熔池的形状与尺寸(30cm3,100g)，冷却速度平均 达100/s，约为铸造的104。焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池平均温度(1770100)钢锭:1550；熔池 过热度大，合金元素烧损严重，非自发形核质点减 少，促使柱状晶发展。,7.4 焊缝金属的组织与性能,第三章 金属凝固热力学与动力学,47,一、熔池凝固,熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动。液态金属受到电弧搅拌力、气流吹 力、电磁力、熔滴作用力、表面张 力及金属密度差的作用。熔池金属存在对流运动，有利于除气和除渣。凝固速度很大，固液界面的推进速度比铸件高10-100倍。化学成分不均匀,1、焊接熔池凝固过程差别,第三章 金属凝固热力学与动力学,48,二、熔池结晶的一般规律（1）形核 自发形核 所需能量：其中：新相-液相界面张力 Fv 单位体积内固液两相自由能之差 非自发形核 所需能量：=0 Ek=0 现成晶核=180 Ek=Ek 全自发形核 固-液界面张力差越小，越小，同时越小，故Ek越小,第三章 金属凝固热力学与动力学,49,二、熔池结晶的一般规律（1）形核 自发形核和非自发形核在焊接熔池中，温度达到1600，自发形核几乎不可能，非自发形核起主要作用。,在焊接条件下，熔池中存在两种所谓现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点表面；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态基体金属的晶体表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（联生结晶）。,在焊接材料中加入一定的合金元素可作为熔池非自发形核的质点，细化晶粒。,外延结晶示意图,第三章 金属凝固热力学与动力学,50,二、熔池结晶的一般规律（2）晶核长大 择优生长每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Al），最优结晶取向为。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。当母材晶粒取向与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大,焊缝金属柱状晶的择优生长,第三章 金属凝固热力学与动力学,51,（3）焊接工艺对一次组织结构的影响 焊接熔池的外形是椭球状的曲面，即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面，因此晶粒的生长方向也是垂直于结晶等温面。由于等温面是曲线，那么晶粒生长的主轴也是弯曲的。,第三章 金属凝固热力学与动力学,52,（3）焊接工艺对一次组织结构的影响,低速焊接条件下：焊缝的柱状晶朝向焊接方向弯曲并指向焊缝中心，称 为“偏向晶”。高速焊接条件下：柱状晶成长方向可垂直于焊缝边界，一直长到焊缝中心，称“定向晶”。低熔点杂质偏析于焊缝中心，易出现纵向裂纹。,第三章 金属凝固热力学与动力学,53,原因：高速移动，熔池变成细长条，最快散热方向垂直于焊缝轴线。,第三章 金属凝固热力学与动力学,54,三、熔池结晶线速度 1.晶粒主轴生长线速度(Vc)分析 晶粒生长线速度分析图,第三章 金属凝固热力学与动力学,55,在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，则 dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化 ds，则 ds/dt=Vc,当dt0时，BC垂直于AC，则 即平均成长速度Vc有 cos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状,第三章 金属凝固热力学与动力学,56,cos值的确定 厚大件：薄件：对Vc的讨论=0时，Vc=V，焊缝中心处=90时，Vc=0，焊缝边界处 V，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结 合线，产生纵向裂纹 VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速,第三章 金属凝固热力学与动力学,57,四、熔池结晶的形态（1）分类（2）纯金属的结晶形态 正的温度梯度：平面晶，生 长缓慢（主要）负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝，生成 树枝晶（较少）,第三章 金属凝固热力学与动力学,58,（3）固溶体的结晶形态温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高，液相温度低。成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低，快速结晶时，易出现树枝晶。,第三章 金属凝固热力学与动力学,59,（4）成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶：GT，多见于高纯金属焊缝或溶质含量低的液态合金，在熔合线附件温度梯度很高而结晶速度很小的边界层中。,第三章 金属凝固热力学与动力学,60,胞状结晶 G与T少量相交,第三章 金属凝固热力学与动力学,61,胞状树枝结晶：G与T相交较大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质，故横向也出现分枝,第三章 金属凝固热力学与动力学,62,树枝状结晶:当成分过冷进一步增大，树枝晶显著,第三章 金属凝固热力学与动力学,63,等轴结晶:液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也形成树枝晶等轴晶,第三章 金属凝固热力学与动力学,64,综合 当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓度 的提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变 为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶 当合金中溶质的浓度C0一定时，结晶速度R越快，成分 过冷的程度越大，结晶形态也可由平面品过渡到胞状 晶、树枝状晶，最后到等轴晶 当合金中溶质浓度C0和结晶速度R一定时，随液相温度 梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演 变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶,第三章 金属凝固热力学与动力学,65,第三章 金属凝固热力学与动力学,66,熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。,（5）焊缝各部位晶粒形态的变化,第三章 金属凝固热力学与动力学,67,理论上:熔合线处：G最大、R最小平面晶 中心处：G最小、R最大等轴晶 实际上（主要是柱状晶和少量的等轴晶）:成分 板厚和接头形式 焊接速度 vR,熔合线处G,焊缝中心处G出现大量等轴 晶（否则出现胞状晶或树枝晶）焊接电流 IG,胞状晶粗大树枝状晶,第三章 金属凝固热力学与动力学,68,五、焊缝的化学不均匀性 1.焊缝中的化学不均匀性 显微偏析：先结晶C0低，后结晶C0高，即晶粒中心C0高，边缘低 原因：冷却速度快，来不及均匀化 要求细晶化，降低偏析 区域偏析 熔池中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶的结果 层状偏析 结晶（熔滴过渡）的周期性所致,第三章 金属凝固热力学与动力学,69,2.熔合区的化学不均匀性 熔合区的形成 母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区 熔合区熔化不均（传热、晶粒散热）熔合区成分分布 在液相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相浓度 界面 液相浓度 C0-C C0+C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是 S、P、C、B、O、N等 熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）,第三章 金属凝固热力学与动力学,70,第三章 金属凝固热力学与动力学,71,六、焊缝固态相变,1、低碳钢焊缝 组织特征：A P，形成F+少量P,A晶界析出F，有时F 呈魏氏组织形态。魏氏组织特征：铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，也可从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短 不一的针状或片条状，可直接插入珠光体晶粒之中 冷速不同，组织不同：冷速增加，P增多，F减少，硬度升高,第三章 金属凝固热力学与动力学,72,2、低合金钢（1）多以F+P为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关。（2）铁素体（F）转变 粒界F（高温转变900-700）：为先共析F,由奥氏 体晶界析出向晶内生长，呈块状 侧板条F（700-550）：由奥氏体晶界形核，以板 条状向晶内生长（由于F形成温度较高，F内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体）针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成 细晶F（500以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素（Ti、B）出现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体。,第三章 金属凝固热力学与动力学,73,（3）珠光体（P）转变 一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或 粒状的珠光体 原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C 扩散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构（4）贝氏体（B）转变 上贝氏体（B下）转变 形成温度：450-550 形态：羽毛状 形成机理：切变-扩散型,第三章 金属凝固热力学与动力学,74,下贝氏体（B下）转变 转变温度：450-Ms 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与 针之间呈一定的角度 形成机理 粒状贝氏体（B粒）形成温度高于上贝氏体 形态：无碳铁素体包围着富碳物质 转变产物：F+Cm、M-A组织或残余奥氏体,第三章 金属凝固热力学与动力学,75,（5）马氏体(M)转变 低碳马氏体（板条马氏体）转变温度：MS温度以下 形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板 条，条与条之间有一定的交角 形成机理：位错 高碳马氏体（片状马氏体）形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶 粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶,第三章 金属凝固热力学与动力学,76,1.凝固组织形态对性能的影响 生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂都有影响2.焊缝金属的性能的改善措施固溶、细晶等强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动 焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。,七、改善焊缝组织的途径,第三章 金属凝固热力学与动力学,77,熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称为“焊接热影响区”。,图10-1 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材,7.5 焊接热影响区的组织与性能,第三章 金属凝固热力学与动力学,78,1、研究焊接热循环的意义,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。焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。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；用工艺手段改善焊接热循环；预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。,一、焊接热循环,第三章 金属凝固热力学与动力学,79,2、焊接热循环的参数及特征,加热速度H 最高加热温度m 相变温度以上 的停留时间tH 冷却速度C(或冷却时间t8/5),晶粒大小,相变组织,第三章 金属凝固热力学与动力学,80,3、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tH 的计算 冷却速度C和冷却时间的计算,第三章 金属凝固热力学与动力学,81,点热源（厚板）,线热源（薄板）,由两式可以看出，当焊接线能量E（单位长度上的焊接热输入量，E=IU/v)一定，焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度m越低；而对焊件上某一定点，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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,82,由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高线能量 E，高温停留时间 tH 延长，也就是说发生粗晶脆化的可能性增大。提高初始温度 T0（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间 tH。,第三章 金属凝固热力学与动力学,83,冷却速度：厚板 薄板冷却时间：厚板 薄板,冷却速度c随着线能量E和初始温度T0的提高而降低，冷却时间随着线能量E和初始温度T0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，,第三章 金属凝固热力学与动力学,84,二、焊接热循环条件下的金属组织转变特点,与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理相同，又具有与热处理不同的特点。焊接过程的特殊性 焊接加热过程的组织转变 焊接时冷却过程的组织转变,第三章 金属凝固热力学与动力学,85,1、焊接过程的特殊性,五个特点（以低合金钢为例）：加热温度高 在熔合线附近温度可达l350l400；加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；高温停留时间短 在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为420s，埋弧焊时30l00s)；在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓冷）；有热应力作用状态下进行的组织转变。,第三章 金属凝固热力学与动力学,86,2、焊接加热过程的组织转变,焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一影响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小(比碳小100010000倍)，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。,第三章 金属凝固热力学与动力学,87,图10-4 焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响（CCT图）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,第三章 金属凝固热力学与动力学,88,表10-1 加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响,第三章 金属凝固热力学与动力学,89,3、焊接冷却过程中的组织转变,焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同。随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。,共析成分成为一个成分范围,第三章 金属凝固热力学与动力学,90,通过进行焊接热模拟试验，研究各种材料热影响区的组织转变，建立“模拟焊接热影响区连续冷却组织转变图SH-CCT”技术资料数据库，它可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能，同时也能作为选择焊接线能量、预热温度和制定焊接工艺的依据。有关典型钢种的CCT图及组织的变化可参阅有关焊接手册。,第三章 金属凝固热力学与动力学,91,1、焊接热影响区的组织分布,接头不同部位，经历的焊接热循环不同，便有不同的组织特点。按照热循环过程特点，将接头进行分区研究。,三、焊接热影响区的组织与性能,第三章 金属凝固热力学与动力学,92,不易淬火钢焊接热影响区的组织分布,熔合区：又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。加热温度：14901530（固、液相线之间）组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地。,过热区：紧靠熔合区加热温度：11001490（1100固相线）组织：粗大的过热组织。特点：宽度为13mm，塑性和韧性下降。,相变重结晶区(正火区)：紧靠着过热区加热温度：8501100（AC3至1100）组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）特点：宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材。,不完全重结晶区：加热温度：AC1AC3之间组织：F+P(F粗、细不均)特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能差。,第三章 金属凝固热力学与动力学,93,1-熔合区；2-过热区；3-相变重结晶区；4-不完全重结晶区；5-母材；6-完全淬火区；7-不完全淬火区；8-回火软化区,焊接热影响区的组织分布特征,第三章 金属凝固热力学与动力学,94,1、完全淬火区,焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应。加热时铁素体、珠光体全部转变为奥氏体，冷却时很容易得到淬火组织。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,95,2、不完全淬火区,母材被加热到Ac1Ac3温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,96,3、回火软化区,如母材焊前是调质状态，焊接热影响区的组织分布除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。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t：热循环温度低于t 的部位，其组织性能不发生变化，而高于t 的部位，将发生软化现象；若焊前为淬火态，则可获得不同的回火组织。紧靠Ac1的部位，相当于瞬时高温回火，得到回火索氏体；离焊缝较远的区域，获得回火马氏体。,第三章 金属凝固热力学与动力学,97,2、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,第三章 金属凝固热力学与动力学,98,（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,焊接热影响区的最高硬度Hmax：Hmax（HV10）=140+1089 Pcm-8.2 t 8/5,第三章 金属凝固热力学与动力学,99,材料淬硬倾向的评价指标 碳当量,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，且马氏体的硬度随含碳量的增高而增大。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）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,100,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（b400700MPa）：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Pcm公式：,第三章 金属凝固热力学与动力学,101,焊接热影响区 Hmax 与 t8/5 的关系板厚20mm，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%,第三章 金属凝固热力学与动力学,102,（2）焊接热影响区的脆化,粗晶脆化 组织转变脆化 析出脆化 热应变时效脆化 氢脆以及石墨脆化,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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,103,粗晶脆化,在热循环的作用下，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。如：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，而不含碳化物元素的23Mn和45号钢，超过1000晶粒就显著长大。,第三章 金属凝固热力学与动力学,104,组织转变脆化,焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化主要是M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等所造成。但对含碳量较高的钢（一般0.2），则组织脆化主要是高碳马氏体。,第三章 金属凝固热力学与动力学,105,M-A 组元,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。,第三章 金属凝固热力学与动力学,106,析出脆化,由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程中，其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。,析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。若析出物以弥散的细颗粒分布于晶内或晶界，将有利于改善韧性。但以块状或沿晶界以薄膜状分布的析出物会造成材料脆化。,第三章 金属凝固热力学与动力学,107,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、弯曲成型、气割等。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。,冷成形 静应变时效脆化热成形 动应变时效脆化（特别是在200400的预应变）,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（200600）,第三章 金属凝固热力学与动力学,108,（3）焊接热影响区的软化,经冷作强化的金属经热处理强化的金属,第三章 金属凝固热力学与动力学,109,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,第三章 金属凝固热力学与动力学,110,图10-11 LD2铝合金HAZ的软化现象(HR为表面洛氏硬度)(自动TIG焊),第三章 金属凝固热力学与动力学,111,（4）焊接热影响区的性能控制,控制焊接工艺过程改善母材的焊接性能,第三章 金属凝固热力学与动力学,112,针对不同母材焊接热影响区的性能变化分析，合理制定焊接工艺，包括：选择焊接线能量 预热与缓冷 焊后热处理（正火、调质、去应力退火）,控制焊接热循环,控制HAZ组织,第三章 金属凝固热力学与动力学,113,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）。采用控轧工艺得到细晶粒钢。近年来在国际上大力发展了冶金精炼技术，使钢中的杂质含量极低(O、N、H、S、P 等杂质元素总和小于50PPM)，得到高纯净钢，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接热影响区的韧性。,第三章 金属凝固热力学与动力学,114,图10-8 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),第三章 金属凝固热力学与动力学,115,800/800h,800/1452h,800/12h,焊 态,G102,G102,G102,G102,第三章 金属凝固热力学与动力学,116,Fe-C相图中的3个恒温转变,在1495发生的包晶转变：LBHYJ转变产物是奥氏体,在1148发生的共晶转变：LcE+Fe3C，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体；,在727发生共析转变：sP+Fe3C，转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。,共析转变温度称为Al温度,奥氏体铁素体转变温度称为A3温度,第三章 金属凝固热力学与动力学,117,X60管线钢HAZ在不同冷速下组织,第三章 金属凝固热力学与动力学,118,HAZ脆化,第三章 金属凝固热力学与动力学,119,HAZ硬度分布,第三章 金属凝固热力学与动力学,120,45,第三章 金属凝固热力学与动力学,121,40Cr,第三章 金属凝固热力学与动力学,122,第三章 金属凝固热力学与动力学,123,