焊接热影响区的组织和性能变化
热影响区的组织与性能
焊接热影响区的性能
软化
热影响区软化是指焊后其强度、硬度低 于焊前母材的现象。
软化主要出现在：焊前经过调质处理的 钢；具有沉淀强化的钢；弥散强化合金。
焊接热影响区的性能
调质钢焊接时热影响区软化
钢经过淬火处理后，在回火过程中随回 火温度提高，强度与硬度逐渐下降。
焊接条件下，如热影响区的加热温度超 过了焊前回火温度，相当于提高了回火 温度，强度必然比焊前低。
不同位置的最高加热温度不同 加热温度高
热处理：AC3以上100-200℃，如45号钢AC3：770 ℃； 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ℃左右。 加热速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。
高温停留时间短 手工电弧焊：4-20S；
埋弧焊：20-40S。
自然条件下连续冷却
焊接热循环条件下
焊接热循环条件下
加热时组织转变特点
影响冷却时的组织转变
焊接热循环条件下
冷却时的组织转变特点
组织转变向低温推移 马氏体转变临界冷速发生变化
焊接条件下
连续组织转变与CCT图
CCT图是连续冷却转变曲线的简称，可以比 较方便的预测焊接热影响区的组织和性能。
CCT图绘制时，将奥氏体化试件以各种冷却 速度连续冷却到室温、测定冷却过程中过冷 奥氏体转变的开始点(温度和时间)与终了点。 把测到的数据描绘在温度—时间坐标平面上， 最后将分别连结各个开始点与终了点．就得 到CCT图。
CCT图的应用
焊接热影响区的组织特征
焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位 组织不同
不同的钢材，焊接热影响区的组织也不 同
焊接热影响区的组成
低碳钢
过热区 相变重结晶区 不完全重结晶 区 再结晶区
焊接热影响区讲解
T
E
r02
e 4at
2 t
T
E / 2( ct)1/ 2
e
y0 4at
上二式未考虑初始温度和表面散热的影响。
当 T 0 可求得最高温度 Tm： t
点热源 线热源
0.234E
Tm cr02
0.242E / Tm cy0
相变温度以上停留时间tH的计算
根据理论与实验求得的时间停留时间tH：
冷却速度（ωc）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）
冷却速度是决定焊接HAZ组织性能的主要参数。
焊接热循环是焊接接头经受热作用的里程，研究 它对于应力变形、接头组织和力学性能等是十分重要 的，是提高焊接质量的重要途径。
ห้องสมุดไป่ตู้ 焊接热循环参数的数值模拟
峰值温度Tm（最高温度）的计算
厚大焊件（点热源） 薄板（线热源）
厚大焊件（点热源） T E
2 t
薄板（线热源）
T
E / 2( ct)1/ 2
厚大焊件
c
2
(Tc
T0 )2 E
薄板
c
2 c
(Tc T0)3
(E / )2
如焊件厚度在8～25mm，确定冷却速度应上式进行修 正：
c
K
2 (Tc T0)2
E
K f ( )
E
c(Tc T0)
冷却时间的计算
1 500
T0
2
1 800
T0
2
cr
E
2c
1 500 T0
1 800 T0
理论经验公式
三维传热
t8 / 5
(0.67
5104T0)E
1 500
第五章 焊接热影响区的组织和性能
第五章焊接热影响区的组织和性能焊接分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。
其中熔化焊是最常见最广泛的焊接方法。
而本书讨论的焊接冶金主要是以熔化焊为基础进行讨论的。
所谓熔化焊是采用一种高温热源使两种同质或非同质的材料利用原子间或分子间的分散与聚合而形成一个整体的过程。
这个热源贯穿于焊接过程的始终:一部分热量用于加热焊件和母材，一部分用于热损失（飞溅、周围介质等）。
用于加热母材和焊材的热功率称为有效功率，其实这部分热量：一部分用于熔化金属形成焊缝，另一部分用于热传导而流失于母材形成HAZ （包含熔合线）。
HAZ：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊接接头：焊缝和和热影响区p161 图4-1焊接热影响区示意图前面讨论焊缝的合金化，焊缝金属的脱S、脱O、脱P、H及晶粒的细化等，均是如何控制焊缝的质量，主要是焊缝区的问题。
由于早些年代里，制造焊接结构所采用的钢种是低碳钢，焊缝是至关重要的环节。
HAZ一般不会出现什么问题，但随着科学技术和生产规模的发展，各种高温、耐压、耐蚀、低温容器、深水潜艇、宇航设备以及核电站锅炉、管道等不断建造，各种高强钢、高合金钢以及某些特种材料（Al合金、钛合金、镍基合金、复合材料和陶瓷等）也得到广泛的应用，这种情况下，焊接的质量不仅仅取决于焊缝，同时取决于HAZ，有时HAZ存在的问题比起焊缝更为复杂。
如：如今大型水电站，尤其高水头电站（包括抽水蓄能电站）的建造要求提供流量大、承压高的输水压力管道，如果采用普通钢材，必须增加管壁的厚度，无疑给压力钢管的制造、运输和安装带来极大的困难。
随之发展起来的适用于压力钢管的焊接结构用高强钢，如700MPa，800Mpa级钢具有很高的屈服强度和抗拉强度，同普通钢相比，可以大大减少压力钢管壁的厚度，克服了普通钢的局限性，（WEL—TEN80 WCF—62（80））它具有良好的低温冲击韧性也为钢管的可靠运行提供了保证，但它焊接时，易出现HAZ软化（投影）或产生裂纹。
四、焊接热影响区(2010)
1 熔合区（半熔化区）
焊缝与母材相邻的部位，是液－ 固相结合的部位。化学成分、组织、 性能非常不均匀，是产生裂纹、脆性 破坏的发源地。
t8/5：焊缝从800℃冷却到500℃所用的时间；
t8/3：焊缝从800℃冷却到300℃所用的时间；
t100：焊缝从Tm冷却到100℃所用的时间。
影响焊接热影响区的冷却速度的因素（1）
（1）被焊金属的热物理性质： 金属的导热系数越大，冷却速 度就越快。 （2）钢板的厚度： 钢板的尺寸越大、越厚，冷 却速度就越快（图5－66）。但板厚 超过25mm后，冷却速度趋于一 定值。
焊接热影响区的最新划分方法（图4－35）
表 4— 12 部位(名称) 完全混合区
焊缝及热影响区新的划分及建议 所包括的范围(定义) 现在通用的划分 填充金属与母材金属完全均匀混合形 成化学成分均一的焊缝金属 焊缝金属 焊缝金属的外侧部分，母材金属与填 充金属不完全混合的地方 明显的完全熔化边界 熔合区 焊缝边界的外侧母材部分，晶粒边界 有不同程度的熔化(0％~100％) 固相母材发生组织变化的区域 热影响区
（3）钢板的初始温度对HAZ冷却速度的影响
初始温度越高，冷却速度越慢（图5－67）。
预热对减缓600℃以下的冷 却速度特别显著，是控制淬硬 组织、避免产生冷裂纹的重要 手段。
（4）焊接规范对HAZ冷却速度的影响 HAZ的冷却速度受焊接电流、电弧 电压、焊接速度等的影响，冷却速度随 着焊接线能量的增加而降低（图5－68）。 焊接接头的形状对冷却速度也有影 响。角焊缝、 T 字接头的冷却速度比对 接焊缝的冷却速度要快得多。 调整焊接线能量、预热、缓冷等措 施都可以降低焊缝的冷却速度。
2.30 焊接热影响区的组织和性能 PPT.pptx
成参差不齐的分界面
组织：组织性能不均，母材一侧晶
粒大
性能：性能不均，对接头的强度、 图2 焊接热影响区的分布特征
韧性影响大，是裂纹、脆
1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6—
性破坏发源地
淬火区7—部分淬火区 8—回火区
2、过热区（粗晶区）
温度：1100℃（晶粒开始急剧长大的温度）
4、不完全重结晶区（不完全正火 区）
温度：Ac1~Ac3之间（700~850 ℃）
特征：一部分组织发生了相变重结 晶过程，形成晶粒细小的铁
素体+珠光体，另一部分未 相变的铁素体长大成为粗大
铁素体。 组织：组织不均，原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区 性能：力 Nhomakorabea性能差。
图5 焊接热影响区的分布特征 1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6— 淬火区7—部分淬火区 8—回火区
一、焊接热影响区的组织和性能
1.概念：在焊接过程中，母材因受热影响（但未熔化）而 发生金相组织和力学性能变化的区域。
2.热影响区的组织分布 ： 1).正火区 2).过热区 3).再结晶区 4).不完全重结晶区
对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢(16Mn.15MnTi等)除过 热区外其它各区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
一、焊接热影响区的组织和性能
图1 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系 a）热影响区的组织分布 b)铁碳状态图 c）热循环 （图中Tm—峰值温度 TG—晶粒长大温度）
（一）不易淬火钢的热影响区组织
根据热影响区组织特征分四个区：
1、熔合区（半熔化区）
温度：固液相线之间，范围很窄
第十章 焊接热影响区的组织和性能
焊接热影响区的软化
焊接热影响区的性能控制
1、焊接热影响区的硬化
母材的淬硬倾向（内因） HAZ的硬度 化学成分 HAZ的冷却速度（外因） 焊接规范
焊接热影响区的最高硬度Hmax：
高低取决于
Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5
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
件母材的淬透性不是太高时，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。
2、 不完全淬火区
母材被加热到Ac1～Ac3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
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
第一节 焊接热循环 第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点 第三节 焊接热影响区的组织与性能
第一节 焊接热循环
一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
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。
四 焊接热影响区
1 — 1/6 1/15 1/15 1/5 1/5 1/5 — l 1/30 1/20 1/20 1/60 1/20 1/15 1/10 5 1 1/24 1/6 — 1/40 1/5 1/4 1/14 — 1 1/25 1/16 1/16 1/60 1/20 1/40 1/15 — 1 — 1/6 1/40 1/20 1/10 1/10 — — 1 1/24 1/6 1/15 1/20 1/5 1/5 1/5 5
易淬硬钢不易采用长段多层焊.
二 短段多层焊
短段多层焊[五0～四00mm]是 在第一道焊缝仍处于高温时,进行 第二道焊接[图四－一八].
短段多层焊适于焊接晶粒易 长大而又易于淬硬的钢种,尤其 是用于铸铁补焊.
第二节 焊接热影响区的组织转变
与热处理加热进行比较[图四－ 二0] ,焊接[热影响区]加热具有：加 热温度高、加热速度快、高温停留 时间短、自然冷却和局部加热等特 点.
影响MW-CCT图的因素[四]
T [ ℃]
五 应力应变的影响
焊接时不可避免产生各种应 力和应变.有拉伸应力时会明显 降低奥氏体的稳定性,使CCT曲 线向左上方偏移.
第三节 焊接热影响区的组织和性能
一、焊接热影响区的组织分布
距焊缝中心不同距离的热影响 区经历了不同的热循环,因而出现 不同的组织.
对于不易淬火的低碳钢和低合 金钢焊缝,焊接热影响区按组织变 化可分为四个区[图四－二九].
纯热影响区
明显的完全熔化边界 焊缝边界的外侧母材部分，晶粒边界 有不同程度的熔化(0％~100％) 固相母材发生组织变化的区域
熔合区 热影响区
二、 焊接热影响区性能
硬度是判断材料力学性能的 重要指标,也是判断能否发生裂纹、 脆化可能性,所以有时用焊后硬度 作为材料的可焊性.
焊接热影响区显微组织及性能分析
焊接热影响区显微组织及性能分析当我们进行焊接工艺时，焊接热影响区(HAZ)往往会被忽略。
这个区域受到了高温，快速冷却和热应力的影响，导致了焊接材料性能的改变。
因此，对焊接热影响区的显微组织及性能分析至关重要，以便确保焊接后材料的质量和可靠性。
1. 焊接热影响区的显微组织分析焊接热影响区受到的热影响主要包括多种因素，例如熔池温度、加热速率、冷却速率和焊接残余应力。
这导致了焊接热影响区显微组织的改变。
在焊接中，焊接热影响区可以分为三个区域：粗晶区、细晶区和回火区。
(1) 粗晶区：在这个区域，材料暴露在高温下的时间更长，导致了晶粒的长大。
这进一步导致晶粒间的间隔增加，因此这个区域的强度和韧性都会下降。
(2) 细晶区：这个区域中的晶粒被迅速加热并迅速冷却，导致了晶粒尺寸的减小。
然而，这个区域的强度和韧性仍然会下降。
因为这个区域，晶界比粗晶区更脆弱。
(3) 回火区：当焊接完成后，渐进升温，晶格结构变松弛，导致材料中的应力逐渐减小。
这个区域的显微组织与原始材料相似，因为它经历了温度和压力的缓慢升高。
2. 焊接热影响区的性能分析焊接热影响区的性能分析往往涉及到强度和韧性这两个方面。
焊接热影响区不仅影响焊接点的性能，还对整个结构的性能产生影响。
(1) 焊接强度：焊接热影响区的强度是由显微组织和残余应力共同决定的。
因此，在评估焊接强度时，必须对热影响区进行适当的检测。
(2) 焊接韧性：焊接热影响区的韧性能够反应焊接后材料的冲击韧性和裂纹扩展性。
由于热影响区的强度下降，它的韧性也会受到影响，并可能导致焊接点的脆性断裂。
3. 如何提高焊接后材料的性能为了提高焊接点的性能，需要在选择焊接材料、焊接工艺和焊接参数时进行仔细的选择和控制。
同时，还需要进行适当的后处理，例如回火和淬火，以降低焊接热影响区的残余应力和提高焊接点的强度和韧性。
在焊接材料的选择时，必须选择适用于特定应用的焊接材料。
它的成分、热特性和机械特性等方面必须与基础材料相匹配。
焊接冶金学
焊接冶金基础三、焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区焊接接头各部位的加热峰值温度分布如图10所示。
加热时各部位组织变化情况是：加热温度超过Ac3开始发生α－γ的转变，在且Ac1～Ac3之间转变继进行，到达Ac3转变完了，温度继续升高达1100℃时，晶粒急剧长大，热影响区各点的组织变化首先取决于峰值温度Tmax不同焊接方法热影响区的平均尺寸如表2所示。
按照Tmax的不同，淬硬倾向小的低碳钢和淬硬倾向大的钢种热影响区的组织可分为以下几个区。
表2 不同焊接方法热影响区的平均尺寸1．低碳钢接头的热影响区组织和性能（1）熔合区焊缝金属和母材之间的过渡区，即半熔化区和未混合区，称为熔合区，其温度处于固相线与液相线宰。
熔合区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性，在接近母材一侧的金属组织是过热组织，塑性差。
同时又因温度梯度大，所以熔合区是很窄的，但对强度、塑性都有很大的影响。
在许多情况下，熔合区是产生裂纹、局部脆性破坏的发源地。
（2）过热区此区段处于1100℃到固相线温度的高温范围。
在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，尤其在1300℃以上时晶粒十分粗大，冷却后就获得粗大的过热组织（气焊时还可能得到魏氏组织），使材料的塑性大大降低，特别冲击韧性的影响尤为显著（通常要降低20％～30％）。
如果焊件的刚性很大，则常在此区产生裂纹。
所以，过热区是焊接接头中最危险的区段。
（3）正火区（相变重结晶区）金属被加热到止Ac3以上稍高的温度下，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体。
由于焊接时加热速度很快，在高温下停留时间又短，所以奥氏体晶粒还未十分长大。
故该区空冷下来后，得到均匀细小的铁素体和珠光体组织，相当于热处理中的正火组织，是接头中综合力学性能最好的区段。
此区的温度范围约在Ac3～1000℃之间。
（4）不完全重结晶区此区段是温度范围在Ac1～Ac3之间的热影响区。
温度稍高于Ac1是地，首先珠光体转变为奥氏体，随温度的升高，在Ac1～Ac3温度范围内只有部分铁素体溶入奥氏体，其余部分铁素体则保留下来。
5焊接热影响区的组织和性能
5焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）是指在焊接过程中，未被完全熔化但受到高温加热的区域。
在焊接过程中，高温会引起HAZ的组织和性能发生变化，这可能会对焊接接头的性能和可靠性产生重要影响。
本文将讨论HAZ的组织和性能的变化，并重点介绍几个重要的影响因素。
首先，HAZ的组织变化是由高温引起的。
在焊接过程中，焊接电弧和熔化池的高温作用下，HAZ的温度会迅速升高，达到几百摄氏度甚至更高的温度。
高温会导致HAZ中的晶粒长大、晶格变形和相结构改变。
通常情况下，HAZ中的晶粒比母材中的晶粒要大，且晶格常常发生变形。
晶粒尺寸的增加和晶格变形会导致材料硬度的提高，并可能降低材料的韧性。
其次，HAZ的性能变化是由组织变化引起的。
HAZ中的晶粒长大和晶格变形会导致材料的硬度提高，但与此同时，硬度的增加也会导致韧性的降低。
在一些情况下，HAZ还可能出现脆性相的形成，这会极大地降低焊接接头的可靠性。
此外，HAZ还可能出现裂纹和变形等缺陷，这也会对焊接接头的性能产生严重影响。
因此，在焊接接头设计和制造过程中，必须对HAZ的组织和性能进行充分考虑，以确保焊接接头的质量和可靠性。
HAZ的组织和性能变化受多种因素影响，以下列举几个重要因素：1.焊接热输入：焊接热输入是指在单位长度或单位面积上输送到工件中的热量。
热输入的大小与焊接电压、电流和焊接速度等参数有关。
过高或过低的热输入都会导致HAZ中的晶粒长大和晶格变形，从而影响HAZ的性能。
2.材料的化学成分和微观结构：不同材料的化学成分和微观结构会对HAZ的组织和性能产生重要影响。
一些合金元素的存在可以改变晶粒的生长速率和晶格的变形行为。
此外，材料的粗晶相和弥散相等局部微观结构也会对HAZ的性能产生重要影响。
3.冷却速率：冷却速率是指焊接过程中HAZ冷却的速度。
冷却速率的快慢会影响晶粒生长和晶格变形行为。
通常情况下，快速冷却会导致HAZ 中的晶粒更细小，且硬度更高。
焊接热影响区名词解释
焊接热影响区名词解释
焊接热影响区是指焊缝两侧处于固态的母材受到焊接热循环作用后，发生组织和性能变化的区域。
该区域受到高温和高压的作用，会使母材的晶粒粗化，组织和性能发生变化，从而导致整个焊接接头的薄弱地带。
焊接热影响区的宽度和深度会根据母材的材质、焊接工艺和冷却速度等因素而有所不同。
焊接热影响区的组织和性能变化会影响焊接接头的力学性能、塑性和韧性等性能。
如果焊接热影响区的性能不符合要求，可能会出现裂纹等质量问题。
因此，在焊接过程中，需要控制焊接热影响区的宽窄和深度，以保证焊接接头的质量和性能。
焊接热影响区的研究和探讨是焊接领域的重要课题之一。
随着焊接技术的不断发展，人们对焊接热影响区的研究也越来越深入，包括焊接热影响区的组织演变、性能变化、影响因素等方面的问题。
通过对焊接热影响区的研究和探讨，可以更好地掌握焊接技术，提高焊接接头的质量和性能，为工业发展做出贡献。
焊接热影响区的组织和性能变化
10
二、焊接热热影响区的组织转变特点
1. 焊接热循环的特点
1）加热的温度高 热处理AC3以上100-200℃，例如45号钢AC3：770 ℃ 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ℃
2）加热的速度快 ➢ 比热处理快几十倍甚至上百倍。
3）高温停留时间短 ➢ 手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S
❖性能：较好的综合性能。
17
➢ 不完全重结晶区Ⅲ（不完全正 火区）
❖温度： Ac3 ～ Ac1 ❖现间象，：金加属热的温内度部结Ac构3到不A发c1之生
变化,只有部分金属经受了
重结晶相变。 ❖组织：原始的铁素体晶粒（
粗大）和细晶粒的混合区。 ❖性能：性能不好
18Байду номын сангаас
过热区
重结晶区
不完全重结 晶区
母材
➢Ac1～ Ac3，室温组织为M＋F。
➢在快速加热条件下F很少溶入A，
而P、B、S等转变为A；随后快
冷，形成M+粗大F。
20
（2）焊前为调质状态 BM 回火组织
➢ 完全淬火区
➢ 不完全淬火区
➢ 回火区
➢Ac1～Tt，Tt为焊 前调质时的回火温 度，低于此温度， 组织不变；高于此 温度，出现软化。
21
如Q235、16Mn、15MnV等，可分为如 下四个区：
➢ 熔合区（半熔化区）
➢ TL～TS，化学成分与组织不均匀 分布，过热严重，塑性差，对焊 接接头的强度、韧性都有很大的 影响。是焊接接头的薄弱环节。
15
➢ 过热区Ⅰ（粗晶区）
❖温度： TS - 1100 ℃
❖现象：加热温度高，在固相线附近， 一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶 入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。
焊缝及其热影响区的组织和性能
24
七、改善焊缝组织的途径
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 ①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 ②振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动 ③焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。
20
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 ①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 ②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） ③针状F（500℃附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成 ④细晶F （500℃以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素
18
2.熔合区的化学不均匀性
①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）
②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）
Pcm
C
Si 30
Mn
Cu 20
Cr
Ni 60
Mo 15
V 10
焊接热影响区的组织和性能
焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区（HAAZ）是在焊接过程中由于热输入而受到热影响的区域。
在焊接过程中，瞬态温度变化导致了材料的相变和微观结构的改变，这些改变在HAZ中发生，并对HAZ的组织和性能产生重要影响。
下面将详细讨论焊接热影响区的组织和性能。
HAZ的组织主要受到瞬态温度变化的影响。
在焊接过程中，焊缝和周围材料会受到高温热源的加热，使材料达到或超过其变形温度。
在这种高温环境下，材料的晶粒会发生生长、形状改变和巨大的奥氏体晶化。
当焊缝冷却时，发生了相反的变化，晶粒迅速长大并恢复到正常的晶粒尺寸。
这种急剧的温度变化导致了晶粒的细化和球化，称为冷却受限效应。
此外，还可能发生再结晶现象，即材料的原始晶粒会被新的细小晶粒所取代。
HAZ的性能主要取决于材料的相组成和晶粒细化程度。
HAZ之所以存在多种不同的相，是因为热输入导致了材料的相变。
例如，在一些金属中，由于快速冷却，奥氏体晶体可能无法完全转变为马氏体，从而在HAZ内形成马氏体残余；在一些合金中，冷却速率过快可能导致奥氏体中的碳无法扩散到马氏体中去，形成残余奥氏体。
这些残余相的存在会对材料的硬度、韧性、强度和耐腐蚀性等性能产生重要影响。
此外，由于冷却速率的不同，HAZ的晶粒细化程度也会发生变化。
晶粒细化可以提高材料的强度和韧性，但过度细化可能导致材料的脆性增加。
在HAZ中，还可能发生残余应力的积累。
由于焊接过程中的瞬态温度变化，材料会经历瞬时的热膨胀和收缩，导致HA在冷却过程中产生残余应力。
这些残余应力可能对材料产生不均匀的应力分布，进而导致裂纹和变形的产生。
因此，在焊接设计和工艺控制中，需要考虑到HAZ中的残余应力情况，以确保焊接件的性能和可靠性。
总结起来，焊接热影响区的组织和性能受到瞬态温度变化的影响。
热输入导致了晶粒的细化和相变，从而影响了材料的硬度、韧性、强度和耐腐蚀性等性能。
此外，残余应力的积累以及晶粒的冷却受限效应也会对HAZ的性能产生重要影响。
5焊接热影响区的组织和性能
钢种
冷却速度
铁素体
45钢
4
18
30
60
5(10) 1(3) 1(1) 0(0
40Cr
4
1（0）
14
0（0）
22
0（0）
36
0（0）
组 织 （%）
马氏体
0（0） 90（27） 92（69） 98（98）
75（95） 90（98） 95（100） 100（100）
珠光体及中间组 织
95（90） 9（70） 7（30） 2（2）
相反，40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条 件下的CCT曲线向左移动，也就是在同样冷却速度下 焊接时比热处理时的淬硬倾向小。例如，焊接条件 下当冷却速度为36℃／s时，可得到l00％的马氏体， 而热处理条件下只要22℃／s即可得到l00％马氏体。
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根据金属学原理可以知道，碳化物合金元素
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由此可见，短段多层焊对焊缝和热影响 区组织都具有一定的改善作用，适于焊接 晶粒十分繁琐， 生产率低，只有在特殊情况下才采用。
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第二节 焊接热循环条件下的 金属组织转变特点
特点： 1.加热温度高 热处理加热温度都不超过Ac3以上 100～200℃
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（三）在相变温度以上的停留时间（th）
在相变温度Th以上停留的时间越长，越 有利于奥氏体的均质化过程，但温度太高 时(如1100℃以上)即使停留时不长，也会产 生严重的晶粒长大。为便于分析研究，把 高温停留时间th分为加热过程的停留时间t’ 和冷却过程的停留时间t’’,即th ＝t’十t’’(参见 图4-5)。
24（5） 10（2） 5（0） 0（0）
焊接热影响区的组织和性能5-2
（2）易淬火钢的组织分布 • 易淬火钢是指在焊接空冷条件下容易淬火形成马 氏体的钢种，如低碳调质钢（18MnMoNb）、中 碳钢（如45钢）和中碳调质高强度钢（如 30CrMnSi）等。 • 这类钢焊接热影响区的组织分布特征与母材焊前 的热处理状态有关。 • 如图5-30所示，如母材焊前是正火或退火状态， 焊接热影响区根据其组织特征可分为完全淬火区 和不完全淬火区。 • 如果母材焊前为调质状态，焊接热影响区除上述 完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火 软化区。
美国学者W.F.Savage等提出了焊接热影响区的划分方法，具体划分 方法见图5-34，各部分的名称及其所包括的范围见表5-12。
图5-34 焊接热影响区划分方法示意图
（3）焊接热影响区组织的分析 • 在焊接快速加热和连续冷却的条件下，热 影响区的转变属于非平衡转变，往往会得 到多种混合组织，给金相组织的鉴别造成 了困难。 • 在一定条件下，热影响区组织主要与母材 的化学成分和焊接工艺条件有关，在鉴别 热影响区组织时应该注意如下四点： 1) 母材的化学成分及原始状态 母材的化学成分是决定热影响区组织的主 要因素。
• 对于含碳或合金元素较低的低碳钢及低合金钢（如16Mn等），淬硬倾 向较小，其热影响区主要为铁素体、珠光体和魏氏组织，并可能有少量 的贝氏体或马氏体。 • 对于淬硬倾向较大的钢种，其热影响区主要为马氏体，并依冷却速度的 不同可能出现贝氏体、索氏体等组织。 • 对于不含碳化物形成元素的钢，其奥氏体的稳定性（即淬硬倾向）主要 取决于奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏休晶粒越粗大，越容易产生淬硬组 织。 • 对于含碳化物形成元素的钢（如18MnMoNb、40Cr等），只有当碳化 物溶解于高温奥氏体时，才增加淬便倾向。否则，会降低淬硬倾向。 • 对于易淬硬钢，其马氏体类型主要取决于含碳量。当含碳量较低时，会 得到低碳马氏体。否则会得到高碳马氏体。 • 钢中存在较严重的偏析时，往往会出现反常情况。当在正常成分范围内 出现一些预料不到的硬化和裂纹时，偏析常是造成这种情况的原因之一。 • 母材的原始组织状态也是分析热影响区组织的重要依据。清楚地了解母 材的原始组织，对认识热影响区经焊接热循环作用之后的组织性能变化 有重要帮助。尤其对于不完全重结晶区更是如此。
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➢ 熔合区（半熔化区）
➢ TL～TS，化学成分与组织不均匀 分布，过热严重，塑性差，对焊 接接头的强度、韧性都有很大的 影响。是焊接接头的薄弱环节。
➢ 过热区Ⅰ（粗晶区）
❖温度： TS - 1100 ℃
❖现象：加热温度高，在固相线附近， 一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶 入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。
而P、B、S等转变为A；随后快 冷，形成M+粗大F。
（2）焊前为调质状态 BM 回火组织
➢ 完全淬火区
➢ 不完全淬火区
➢ 回火区
➢Ac1～Tt，Tt为焊 前调质时的回火温 度，低于此温度， 组织不变；高于此 温度，出现软化。
（二）焊接热影响区的性能变化
➢HAZ的硬化 ➢HAZ的脆化 ➢HAZ的软化
焊接热影响区的组织和性能变化
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
焊接热影响区概述
焊接热影响区的定义：熔焊时在焊接热源的作 用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域 称为“热影响区”(Heat Affected Zone，HAZ)，或 称为“近缝区”(Near Weld Zone)。
材料因受焊接热影响（但未熔化）而发生金相组 织和力学性能变化的区域。
➢ 含碳化物合金元素（如40Cr钢）：碳化物不能 充分溶解，奥氏体稳定性下降，淬硬倾向比热 处理条件下要小
三、焊接热影响区的组织与性能变化
Fe-C合金：在固态下合金中除了有同素异构 转变外，还有成分变化和第二相析出，即共 析转变和Fe3c的析出。
（一）焊接热影响区的组织分布
1. 低碳钢及不易淬火的低合金钢HAZ 组织分布
❖组织：粗大的奥氏体在较慢的冷却速 度下形成过热组织—魏氏组织。
❖性能：韧性很低。
❖措施：严重时采用焊后正火处理（如 电渣焊）。
➢ 相变重结晶区Ⅱ（正火区） ❖温度： 1100 ℃ - Ac3 ❖现象：母材完全奥氏体化，加热 和冷却过程中经受了两次重结晶 相变，使晶粒得到显著的细化。
❖组织：相当于低碳钢正火处理后 的组织（细小的P＋F）。
• 很多焊接结构的破坏事故都与焊接热影响区的 性能恶化有关。
• 重视和研究焊接热影响区的组织和性能变化。
影响焊接热影响区组织和性能的主要因素
取决于材料本身的特性和工艺条件，主要冶金和 工艺因素：
1）被焊金属与合金系统的特点 • 无相变的金属和合金：非常简单 • 有相变的材料：很复杂 2）焊前母材的原始状态 • 焊前为冷作硬化或热处理态：退火软化 • 易淬火材料焊前为退火态：淬火的硬化区
影响焊接热影响区组织和性能的主要因素
3）焊接工艺方法和工艺参数
• 热源特点与焊接工艺参数 密切相关：温度场分布和 焊接热循环的特点。
• 影响到焊接热影响区特殊 热处理的各项参数：升温 速度、高温停留时间和冷 却速度等。
一、焊接热循环
1. 定义：焊接过程 中，热源沿焊件移 动时，焊件上某点 的温度由低而高， 达到最大值后，又 由高而低的变化称 为焊接热循环。
➢ 近缝区奥氏体晶粒严重长大
➢当加热温度在1100℃以上时，奥氏体晶粒严 重长大。
➢ 加热过程形成的奥氏体晶粒度和均匀化程度， 对冷却时的相变过程和相变产物有很大影响。
3. 焊接时冷却过程中的组织转变特点 （1）奥氏体化温度高，加热与冷却速度快
（2）奥氏体的稳定性越大，淬硬倾向越大
➢ 不含碳化物合金元素（如45钢）：近缝区组织 粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大
距焊缝不同距离各点的焊接热循环
2. 焊接热循环的主要参数
❖ 加热速度VH ❖ 加热的最高温度（Tm） ❖ 在相变以上的停留时间(tH) ❖ 冷却速度(VC)和冷却时间
(t8/5、t8/3、t100)
焊接热循环的参数
➢ t8/5：800～500℃的冷却时间。 ➢ t8/3：800～300℃的冷却时间。 ➢ t100：从峰值温度Tm冷至100℃
4）局部加热
2. 焊接加热过程奥氏体化的特点
★加热速度快，相变温度升高
VH↑→Ac1， Ac3↑ ➢ 奥氏体化过程是一个扩散重
结晶过程，需要有孕育期。
➢ 钢中含有碳化物形成元素时 影响更显著。
➢ 形成的碳化物阻碍碳的 扩散
➢ 碳化物本身扩散速度低
➢ 奥氏体均质化程度低
➢高温停留时间短，不利于扩散过程进行，从 而均质化程度低。
❖性能：较好的综合性能。
➢ 不完全重结晶区Ⅲ（不完全正 火区）
❖温度： Ac3 ～ Ac1 ❖现象：加热温度Ac3到Ac1之
间，金属的内部结构不发生
变化,只有部分金属经受了
重结晶相变。
❖组织：原始的铁素体晶粒（ 粗大）和细晶粒的混合区。
❖性能：性能不好
过热区
重结晶区
不完全重结 晶区
母材
Q235A钢焊接热影响区的组织特点
1. HAZ的硬化
➢ HAZ硬度分布不均匀，在 熔合区附近具有最大硬度 Hmax。
➢ 不同的组织形态硬度不同
➢ 同一组织，也有不同的硬 度
➢ 硬度主要决定于材料的化 学成分和冷却条件
（1）碳当量Carbon Equivalent （Ceq或CE）
的冷却时间。
二、焊接热热影响区的组织转变特点
1. 焊接热循环的特点
1）加热的温度高 热处理AC3以上100-200℃，例如45号钢AC3：770 ℃ 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ℃
2）加热的速度快 ➢ 比热处理快几十倍甚至上百倍。
3）高温停留时间短 ➢ 手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S
❖焊接过程中，在形成 焊缝的同时，不可避 免地使其附近的母材 经受了一次特殊的热 处理，形成组织和性 能及不均匀的热影响 区。
❖热影响区一些部位的 组织和性能很差，成 为整个接头的薄。
• 一些部位的组织和性能变坏（如过热区），成 为整个焊接接头的薄弱环节，对焊接质量起着 控制作用。
2. 易淬火钢HAZ组织分布
焊接淬硬倾向较大的钢种，如18MnMoNb、45、30CrMnSi 等，热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。 （1）焊前是正火或退火状态
焊前BM为F+P（S、B）
➢ 完全淬火区（完全奥氏体化）
➢Ac3 以上，室温组织为M。 ➢ 不完全淬火区（部分奥氏体化）
➢Ac1～ Ac3，室温组织为M＋F。 ➢在快速加热条件下F很少溶入A，