3第三章 焊接接头的组织和性能

第3章焊接接头的组织和性能
☞焊接熔池的结晶特点:非平衡结晶、联生结晶和竞争成长以及成长速度动态变化。

联生结晶：一般情况下，以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中心成长，而且成长的取向与母材晶粒相同，从而形成所谓的联生结晶。

（焊缝的柱状晶是从半熔化的母材晶粒开始成长的，其初始尺寸等于焊缝边界母材晶粒的尺寸，因而可以预料，在焊接热循环的作用下，晶粒易过热粗化的母材，其焊缝柱状晶也会发生粗化。

）
竞争成长：只有最优结晶取向与温度梯度最大的方向（即散热最快的方向，亦即熔池边界的垂直方向）相一致的晶粒才有可能持续成长，并一直长到熔池中心。

☞焊接熔池的结晶形态：主要存在两种晶粒，柱状晶粒（有明显方向性）和少量的等轴晶粒。

其中，柱状晶粒是通过平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶或树枝状结晶所形成。

等轴晶粒一般是通过树枝状结晶形成的。

具体呈何种形态，完全取决于结晶期间固-液界面前沿成分过冷的程度。

熔池结晶的典型形态：（1）平面结晶：固-液界面前方液相中的温度梯度G很大，液相温度曲线T不与结晶温度曲线T
相交，因而液相中不存在成分过冷（实际温度低于结晶温度）
L
区。

在短距离内相交，形成较小的成分过冷（2）胞状结晶：液相温度曲线T与结晶温度曲线T
L
区。

断面呈六角形胞状形态。

(3)胞状树枝结晶：随固-液界面前方液相中的温度梯度G的减小，液相温度曲线T与结晶温
相交的距离增大，所形成的成分过冷区增大。

度曲线T
L
（4）树枝状结晶：当固-液界面前方液相中的温度梯度G进一步减小时，液相温度曲线T 与结晶温度曲线T
相交的距离进一步增大，从而形成较大的成分过冷区。

L
（5）等轴结晶：自由成长，几何形状几乎对称。

随着成分过冷程度的增加，依次出现平面晶（形成较缓慢）、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶、等轴晶形态。

影响成分过冷的主要因素：熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R、液相温度梯度G。

溶质含量W增加，成分过冷程度增大；结晶速度R越快，成分过冷程度越大；温度梯度G越大，成分过冷程度越小。

随晶体逐渐远离焊缝边界而向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐减小，结晶速度R逐渐增大，溶质含量逐渐增加，成分过冷区液逐渐加大，因而结晶形态将依次向胞状晶、胞状树枝晶及树枝晶发展。

熔池中心附近可能导致等轴晶粒的形成。

☞焊缝的相变组织：
1、低碳钢焊缝的相变组织。

（1）铁素体和珠光体。

冷却速度越快，焊缝金属中珠光体越多，而且组织细化，
显微硬度增高。

采用多层焊或对焊缝进行焊后热处理，也可破坏焊缝的柱状晶，得
到细小的铁素体和少量珠光体，从而起到改善焊缝组织的性能。

（2）魏氏组织。

由过热导致。

焊缝含碳量和冷却速度处在一定范围内时产生，更易在粗晶奥氏体内形成。

2、低合金钢焊缝的相变组织。

低合金钢焊缝中可能形成铁素体F、珠光体P、贝氏体
B、马氏体M。

（1）铁素体F：先共析铁素体GBF、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、细晶铁素体FGF。

先共析铁素体GBF ：沿晶界分布，低屈服点的脆性相，使焊缝金属韧性降低。

侧板条铁素体FSP ：从先共析铁素体侧面以板条状向原奥氏体晶内生长。

形如镐牙，内部位错密度高，使焊缝金属的韧性显著降低。

针状铁素体AF ：在原奥氏体内以针状生长，可显著改善焊缝金属的韧性。

细晶铁素体FGF ：在原奥氏体晶内形成，介于铁素体与贝氏体之间的转变产物。

（2）珠光体：层状珠光体P L 、粒状珠光体P r （托氏体）、细珠光体P S （索氏体）。

（3）贝氏体B ：上贝氏体B U 、下贝氏体B L 、粒状贝氏体B G 或条状贝氏体B P 。

粒状贝氏体或条状贝氏体：块状铁素体上分布M-A 组元，韧性下降。

上贝氏体B U ：呈羽毛状，沿原奥氏体晶界析出，韧性最差。

下贝氏体B L ：针状铁素体与针状渗碳体机械混合，针与针之间呈一定的角度。

具有良好的强度和韧性。

（4）马氏体：切变型相变产物。

板条马氏体M D 、片状马氏体M T 。

板条马氏体M D （位错型）：低碳马氏体或位错马氏体，具有较高的强度及韧性，综合性能好。

片状马氏体M T （孪晶型）：高碳马氏体，硬度高，脆，容易产生冷裂纹。

☞焊接CCT 图是焊接条件下连续冷却组织转变图的简称，它给出了一定成分的焊缝或热影响区组织（有时还有硬度）与冷却时间（或冷却速度）的关系。

除了钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使CCT 曲线右移并使M S 点降低（M S 点下降即在较长冷却时间下亦能得到M ），即增加淬硬倾向。

☞焊缝组织和性能的控制
1、 冶金方面的控制：通过向焊缝中填加合金化元素来改善焊缝金属的组织和性能。

（1） 锰和硅的作用：脱氧、提高韧性。

（2） 钛和硼的作用：细化焊缝组织，改善韧性。

（3） 钼的作用：降低奥氏体分解温度，抑制先共析铁素体的形成，提高强度与
韧性。

（4） 稀土元素的作用：改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，提高韧性。

2、 工艺方面的控制
（1） 焊接工艺优化
1） 工艺参数调整：工艺参数调整是控制焊缝组织和性能唯一可行的方法。

2） 采用多层焊接：减小了熔池过热，改善了结晶条件，细化了晶粒；同时
每个后一层焊缝对前一层焊缝具有附加的热处理作用，改善了焊缝的相
变组织。

（2） 振动结晶与锤击处理。

（3） 焊后热处理。

☞焊接热影响区的组织特征：焊接结构钢根据热处理特性不同可分为两类：淬火钢、不易淬火钢。

1、 不易淬火钢热影响区的组织分布：主要由过热区、完全重结晶区、不完全重结
晶区及再结晶区组成。

当母材为热轧态时，热影响区中没有再结晶区。

1).过热区 ，(1100－1490℃)
γ→ F 粗+P 粗,脆
2).相变（完全）重结晶区（正火区），(900－1100℃)
γ→ F细+P细,韧
3).不完全重结晶区（不完全正火区）， (750－900℃)
F粗，γ→ F细+P细,（铁素体大小不一，铁素体与
珠光体分布不均）力学性能不均匀
4).再结晶区， (500－750℃) 软化区
晶粒拉长→晶粒等轴，强度↓韧性↑
5).蓝脆区， (250－750℃)热应变时效脆化
塑性↓ ，韧性↓
2、易淬火钢热影响区的组织分布：其焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关，当母材为调质状态时，热影响区由完全淬火区、不完全淬火区、回火区组成；当母材为退火或正火状态时，热影响区只由完全淬火区和不完全淬火区组成。

1).完全淬火区
A3－1490℃γ→M粗（相当于过热区）＋M细（相当于正火区）硬脆
完全淬火区的组织特征是粗细不同的马氏体与少量贝氏体的混合组织，同属马氏体类型。

2).不完全淬火区（相当于不完全重结晶区）
A1 －A3 F, γ→M（高碳）硬脆
该区组织特征是马氏体、铁素体以及中间体构成的混合组织。

3). 回火区
软化区
回火区内组织和性能的变化程度取决于焊前调质状态的回火温度，该回火温度越低，热影响区中的回火区越大，组织和性能变化越大。

☞焊接热影响区的脆化：粗晶脆化、组织脆化、时效脆化。