焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能

1、1,第十一章 凝固缺陷與控制,第七章 焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能,2,第一節(jié) 焊接及其冶金特點,3,焊接：通過加熱或加壓，或者兩者并用，用或不用填充材料，使兩個分離的工件(同種或異種金屬或非金屬，也可以是金屬與非金屬)產生原子(分子)間結合而形成永久性連接的工藝工程。物理本質：獨立工件實現(xiàn)原子(分子)間結合，對金屬材料實現(xiàn)金屬鍵的結合。從金屬學的觀點來看：兩個被焊金屬連接件處與焊縫金屬形成共同晶粒。,4,焊接方法依據(jù)工藝特點

2、分為：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊(Fusion Welding)：局部加熱使連接處達熔化狀態(tài)，冷卻結晶形成晶粒。壓焊：加壓、摩擦、擴散等物理作用克服表面的不平度，擠出氧化膜等污物，在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接。釬焊：用熔點低于母材的金屬材料做釬料，加熱溫度僅是釬料熔化而母材并不熔化。是釬料與母材的粘合。硬釬焊(熔點高于450℃)和軟釬焊(熔點低于450℃)之分。除加熱溫度較高的擴散焊之外，無需保護措施。,5,熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程

3、,熔焊焊接接頭的形成經歷加熱、熔化、冶金反應、凝固結晶、固態(tài)相變直至形成焊接接頭。亦可歸納為焊接熱過程、焊接化學冶金過程和焊接物理冶金過程三個相互交錯進行且彼此聯(lián)系的局部過程。見圖7-2(P137)焊接熱過程：整個焊接過程自始至終都是在焊接熱作用過程發(fā)生和發(fā)展的。焊接化學冶金過程：液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進行一系列化學冶金反應，如金屬的氧化、還原、脫磷、脫硫、合金化等。這些反應可以直接影響焊縫金屬、組織和性能。,6,熔焊焊接接頭的

4、形成及其冶金過程,近年在化學冶金方面的研究重點：1 控制焊縫金屬中夾雜物的種類、直徑大小，作為形核質點細化焊縫金屬晶粒，提高焊縫的強度與韌性；2 向焊縫中加入微量合金元素(如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和RE等) 進行變質處理；3 適當降低焊縫的含碳量，最大限度的排出焊縫中S、P、O、N、H 等雜質，提高焊縫的韌性。4 計算機模擬 如對焊縫的化學成分和力學性能進行優(yōu)化設計，建立數(shù)學模型。,7,焊接物理冶金過程：焊接熱源作用→

5、焊材及母材局部熔化→熱源移走金屬凝固結晶(原子近程有序→遠程有序) →溫度降低，同素異構金屬固態(tài)相變熱影響區(qū)(Heat Affected Zone, HAZ)：焊接過程中，焊縫周圍未熔化的母材在加熱和冷卻過程中，發(fā)生顯微組織和力學性能變化的區(qū)域。該區(qū)主要發(fā)生物理冶金過程。焊接接頭由焊縫(Weld Metal)、熱影響區(qū)(HAZ)、熔合區(qū)(Fusion Zone)和母材(Base Metal)組成。,熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程,,

6、8,保證焊接接頭的措施：1 選擇合適的母材；選擇合適的焊材；3 控制焊接熱過程，保證焊縫金屬達到成分和組織要求及焊接接頭的力學性能；控制HAZ的組織轉變，使接頭滿足設計和使用要求；5 控制使焊接接頭性能下降且在局部加熱和冷卻過程中產生的成分偏析、夾雜、氣孔、裂紋、催化等缺陷。,熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程,9,焊接溫度場見“第二章凝固的溫度場”“第三節(jié) 熔焊過程溫度場”,10,第二節(jié) 焊縫金屬的組織與

7、性能,11,一 焊接熔池的結晶 見“第五章 鑄件凝固組織及其控制”“第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制”二 焊縫金屬的組織 焊縫金屬在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的類型取決于化學成分及冷卻條件。 對碳鋼和低合金鋼焊縫，高溫奧氏體在不同溫度區(qū)間轉變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。,12,低碳鋼焊縫的室溫組織,因含碳量較低，沿A晶界析出F，然后發(fā)生共析轉變：A→P(F+Fe3C)焊縫過熱時，可能出現(xiàn)魏氏組織，其特征是F在原A晶界呈

8、網狀或沿原A晶粒內部一定方向析出，具有長短不一的針狀或片狀，亦可直接插入P晶粒之中。焊縫金屬是一種多相組織，是晶界F、側板條F和P混合組織的總稱。,13,1 鐵素體(Ferrite)低合金鋼焊縫中F大體分為以下四類：先共析F (Proeutectoid Ferrite,PF)，亦稱晶界或粒界F(Grain Boundary Ferrite, GBF)，塊狀F----焊縫冷卻到較低高溫區(qū)間(770～680℃)、沿A晶界首先析出的F。

9、多以長條形沿晶界擴展，也以多邊形狀，互相連接沿晶分布。 是低屈服強度的脆弱相，使焊縫金屬韌性下降。,低合金鋼焊縫的室溫組織,14,(2)側板條F (Ferrite Side Plate,FSP)，亦稱無碳貝氏體(Carbon Free Binete, CFB) ----焊縫冷卻到較低高溫區(qū)間(700～550℃)、比PF形成溫度稍低的F。多在晶界F的側面以板條狀向晶內生長，多呈鎬牙狀。有人認為其屬魏氏組織，也有人由于其轉變溫

10、度偏低稱為無碳貝氏體。由于其位錯密度比PF稍高，使焊縫金屬韌性顯著下降。,低合金鋼焊縫的室溫組織,15,(3)針狀F (Acicular Ferrite,AF) ----焊縫冷卻到更低500℃左右、在中等冷速下得到的F。在原A晶內以針狀分布，寬度約為2µm,長寬比在3：1～5：1范圍內常以彌散氧化物和氮化物夾雜物為形核質點并放射性成長。由于其位錯密度更高，可以顯著改善焊縫的韌性，是提高焊縫金屬韌性的理想組織。,低合金鋼焊縫的

11、室溫組織,16,(4)細晶F (Fine Grain Ferrite,FGF) ，又稱貝氏體F (Binetic Ferrite)----焊縫冷卻到500℃以下、有細化晶粒的Ti、B等元素存在、在原A晶內得到的F。如果在更低溫度下轉變(約450 ℃)，可轉變?yōu)樯县愂象w。以上四種組織亦可在低碳鋼焊縫中出現(xiàn)，只是所含比例不同而已。,低合金鋼焊縫的室溫組織,17,2 珠光體(Pearite)在接近平衡狀態(tài)(如熱處理時的連續(xù)冷卻)低合金鋼中

12、出現(xiàn)的組織，其轉變溫度大約在Ar1～550℃之間出現(xiàn)。依細密程度可分為層狀P、粒狀P及細P。在焊接非平衡條件下，原子擴散減緩，P來不及轉變，擴大了F和B的區(qū)域。當焊縫中有細化元素Ti、B時，P可被完全抑制。低合金鋼固態(tài)相變時很少得到P。P會增加焊縫金屬強度，但其韌性往往下降。,低合金鋼焊縫的室溫組織,18,3 貝氏體(Bainite)屬中溫轉變，轉變溫度大約在550℃ ～Ms。依形成溫度區(qū)間及其特性可為上貝氏體(Upper B)

13、和下貝氏體(Lower B)。上貝氏體的特征 光鏡下呈羽毛狀，多沿A晶界析出。電鏡下相鄰條狀晶的位相接近于平行，且在平行的條狀F間分布有Fe3C。其韌性較差。下貝氏體的特征 光鏡下與回火片狀M相似。電鏡下呈許多針狀F和針狀Fe3C的機械混合物。轉變溫度大約在450℃ ～Ms。下貝氏體具有強度和韌性均良好的綜合性能。,低合金鋼焊縫的室溫組織,19,4 馬氏體(Martensite)焊縫金屬含碳量較高或合金元素較多時，在快速冷卻條

14、件下，A過冷到Ms溫度以下發(fā)生該相的轉變。依含碳量不同可為板條狀M和片狀M。(1)板條狀M，又稱位錯型M，低碳M 常出現(xiàn)在低碳低合金鋼焊縫金屬中。其特征 在A晶粒內部平行生長成群的細條狀M板條。因含碳量較低，具有較高強度和良好韌性，抗裂紋能力強，綜合性能好。(2)片狀M，又稱孿晶M，高碳M 焊縫金屬中wc≥0.4%時出現(xiàn)。該種相硬度高而脆，容易產生焊接冷裂紋，在焊縫中要避免。,低合金鋼焊縫的室溫組織,20,WM-CCT圖—焊接

15、工作者為了專門預測低合金鋼焊縫制定的低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉變圖，即WM-CCT(Weld Metal Continuous Cooling Transformation)圖。其分析原理及應用與熱處理CCT相同。依此圖(與成分有關)和焊接條件(決定冷卻曲線)，可以推斷焊縫金屬的組織與性能；反之，由焊縫的性能要求可以確定其組織組成，選擇母材與焊接材料，制定焊接參數(shù)。,WM-CCT圖,21,三 焊縫金屬性能的控制,1 焊縫合金化與變