焊接热影响区的组织和性能

Mn Cu Ni Cr Mo V CE( IIW ) C 6 15 5 Mn Si Ni Cr Mo V Ceq(WES ) C 6 24 40 5 4 14 Si Mn Cu Cr Ni Mo V Pcm C 5B 30 20 60 15 10
2.不完全淬火区
– a.母材被加热到Acl～Ac3温度之间的热影响区 – b.原铁素体保持不变，有不同程度的长大，形成马氏体 -铁素体的组织
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3.回火区（低于Acl以下的区域）
– a .母材在焊前是调质状态 – b.焊前调质时的回火温度为Tt，低于此温度的部位，其 组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能 将发生变化，出现软化现象
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二、焊接时加热过程组织转变的特点
1.加热速度越快，被焊金属的相变点Acl和Ac3的 温度越高，而且Acl和Ac3之间的温差越大，如 图4-19和表4-8所示。含有碳化物合金元素（Cr 、W、Mo、V、Ti、Nb等）的钢，加热速度对 相变温度的影响更大 2.奥氏体均质化程度较低（不利于扩散过程）
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3.原因：
– （1）碳化物合金元素（如Cr、Mo、V、Ti、Nb等） 只有充分溶解在奥氏体的内部，才会增加奥氏体的稳 定性（即增加淬硬倾向） – （2）热处理条件下，有充分的时间使碳化物合金元素 向奥氏体内部溶解 – （3）焊接条件下，加热速度快，高温停留时间短，合 金元素不能充分地溶解在奥氏中，降低了淬硬倾向 – （4）不含碳化物合金元素的钢（如45钢），一方面不 存在碳化物的溶解过程，另一方面在焊接条件下，近 缝区组织粗化，淬硬倾向比热处理条件下要大
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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
（一）低碳钢和某些低合金钢（不 易淬火钢）的HAZ可分为四个区 （如图4-29所示） 1.熔合区 – a.焊缝与母材相邻的部位（温 度处于固液相线之间） – b.范围很窄，在化学成分上和 组织性能上都有较大的不均 匀性，对焊接接头的强度、 韧性都有很大的影响
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– 由图4-21、图4-22和表4-9可以看出，45钢在焊 接条件下比在热处理条件下的CCT曲线稍向右 移（主要考虑MS点附近）。说明在相同冷却速 度条件下，焊接时比热处理时的淬硬倾向大。 – 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。
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3.影响CCT图的因素 （1）母材化学成分的影响 – 除钴之外，所有固溶于奥氏体的合金元素都使S曲线向 右移，即增加淬硬倾向，并降低Ms点，其中以碳的影 响为最大 （2）冷却速度的影响 – a.随着冷却速度的增高，对于Fe-C合金，A1、A3、A cm 均移向更低的温度，共析成分由C 0.83％转为C 0.4 ％～0.8％。 – b.马氏体增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式 进行，马氏体就由条状变为片状 Nhomakorabea33
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（二）易淬火钢 1．完全淬火区
– a.处于Ac3以上的区域 – b.钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马氏体） – c.靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），晶粒严重 长大，得到粗大的马氏体；稍远处相当于低碳钢的正 火区的部位得到细小的马氏体
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（二）短段多层焊焊接热循环 – 1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为50～ 400mm），未等前层焊缝冷却到较低温度（如 MS点）就开始焊接下一道焊缝，其特点是后焊 一层对先焊层具有缓冷作用，可以防止焊接接 头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易 于淬硬的钢种 – 2.短段多层焊的热循环如图4-18所示
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基本概念：
1.热影响区（Heat Affected Zone，简称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 2.焊接接头: 由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响 区，示意图如图4-1
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3.相变重结晶区（正火区） – a.母材金属加热到Ac3以上的部位，发生重结晶（即铁 素体和珠光体全部转变为奥氏体），在空气中冷却就 会得到均匀而细小的珠光体和铁素体 – b.塑性和韧性都比较好，所处的温度范围约在A3～ 1000℃之间
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4.不完全重结晶区 – a. 处于Acl～Ac3之间范围内的热影响区 – b.处于Acl～Ac3范围内只有一部分组织发生了相变重结 晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分 始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体 – c. 晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不均匀 5.母材 – 处于A1以下
– （5）应力应变的影响 – a.有拉伸应力存在时会明显地降低奥氏体的稳定性，使 CCT曲线明显地向左上方偏移 – b.应力和应变都会增加奥氏体的内能，加速扩散过程， 有利扩散型相变的进行 – c.应力应变影响到马氏体转变，拉伸应力可促进马氏体 转变，即MS升高和马氏体转变量增加。切应力也能促 进马氏体转变，正压应力则会阻碍马氏体转变
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（四）冷却速度（ωc）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100 等）
1. 冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际 应用中常用冷却时间t8/5、t8/3或t100来表述焊接冷却过程 2. t8/5、t 8/3为焊接冷却过程中温度从800~500 ℃或 800~300 ℃的冷却时间 3. t100为焊后冷却到100 ℃所花时间
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三、焊接条件下的CCT图及其应用
1.图4-23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化 图 2.在焊接条件下熔合区附近（Tm=1300～1350℃ ）t8/5冷却时间，可以在图上查出相应的组织和 硬度
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（一）焊接热影响区的硬化
1. 淬硬：成分对淬硬倾向的影响 （1）碳当量（表4-14） – a.简称Ceq或CE，反映钢中化学成分对硬化程度的影响，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
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– 国际焊接学会推荐的CEПW和日本焊接协会的Ceq(WES) 公式、Pcm公式
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第二节 焊接热循环条件下的 金属组织转变特点
一、HAZ热循环的特点（五点）：
– – – – 1.加热温度高 2.加热速度快 3.高温停留时间短 4.焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况 下才进行焊后保温或焊后热处理 – 5.局部加热
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二、多层焊焊接热循环的特点
（一）长段多层焊焊接热循环 – 1.长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m 以上），焊完第一层再焊第二层时，第一层已 基本冷至较低的温度（一般在100～200℃以下 ），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作 用，不适用于淬硬倾向较大的钢种 – 2.焊接热循环的变化如图4-17所示。
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– 以低碳钢为例，热影响区各部分的组织特征归纳如表411所示
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– 焊接热影响区各部位的名称及其所包括的范围如表4-12 所示
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二、焊接热影响区（HAZ）的性能
（二）加热的最高温度（Tm） – 低碳钢和低合金钢焊接时， 在熔合线附近的过热区，由 于温度高（1300～1350℃） ，晶粒发生严重长大，从而 使韧性严重下降
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（三）在相变温度以上的停留时间（t H）
– 高温停留时间t H为焊接加热和冷却过程中在相变温度 以上的停留时间，分为加热过程的停留时间t′和冷却过 程的停留时间t′′ t H＝t′＋t′′ – t H越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但t H越长， 奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如 1100℃以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒 长大。
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（3）峰值温度的影响（峰值温度越高） – a.使过冷奥氏体的稳定性加大 – b.促使奥氏体晶粒粗化 – c.奥氏体的稳定性增大，淬硬倾向增大 （4）晶粒粗化的影响 – 晶粒越粗大，晶界的总面积越少，减少了形核的机会 ，不利于奥氏体的转变
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