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(diǎn),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(gè)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(chǎn)生原子(分子)間結(jié)合而形成永久性連接的工藝工程。物理本質(zhì)：獨(dú)立工件實(shí)現(xiàn)原子(分子)間結(jié)合，對(duì)金屬材料實(shí)現(xiàn)金屬鍵的結(jié)合。從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來看：兩個(gè)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(diǎn)

2、分為：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊(Fusion Welding)：局部加熱使連接處達(dá)熔化狀態(tài)，冷卻結(jié)晶形成晶粒。壓焊：加壓、摩擦、擴(kuò)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(shí)現(xiàn)連接。釬焊：用熔點(diǎn)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(diǎn)高于450℃)和軟釬焊(熔點(diǎn)低于450℃)之分。除加熱溫度較高的擴(kuò)散焊之外，無需保護(hù)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(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)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(xué)冶金過程和焊接物理冶金過程三個(gè)相互交錯(cuò)進(jìn)行且彼此聯(lián)系的局部過程。見圖7-2(P137)焊接熱過程：整個(gè)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(xué)冶金過程：液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進(jìn)行一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬的氧化、還原、脫磷、脫硫、合金化等。這些反應(yīng)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(xué)冶金方面的研究重點(diǎn)：1 控制焊縫金屬中夾雜物的種類、直徑大小，作為形核質(zhì)點(diǎn)細(xì)化焊縫金屬晶粒，提高焊縫的強(qiáng)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(jìn)行變質(zhì)處理；3 適當(dāng)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(zhì)，提高焊縫的韌性。4 計(jì)算機(jī)模擬 如對(duì)焊縫的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)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(jié)晶(原子近程有序→遠(yuǎn)程有序) →溫度降低，同素異構(gòu)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(xué)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(dá)到成分和組織要求及焊接接頭的力學(xué)性能；控制HAZ的組織轉(zhuǎn)變，使接頭滿足設(shè)計(jì)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(chǎn)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(jié)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(xué)成分及冷卻條件。 對(duì)碳鋼和低合金鋼焊縫，高溫奧氏體在不同溫度區(qū)間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變：A→P(F+Fe3C)焊縫過熱時(shí)，可能出現(xiàn)魏氏組織，其特征是F在原A晶界呈

8、網(wǎng)狀或沿原A晶粒內(nèi)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(cè)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(kuò)展，也以多邊形狀，互相連接沿晶分布。 是低屈服強(qiáng)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(cè)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(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長，多呈鎬牙狀。有人認(rèn)為其屬魏氏組織，也有人由于其轉(zhuǎn)變溫

10、度偏低稱為無碳貝氏體。由于其位錯(cuò)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(nèi)以針狀分布，寬度約為2µm,長寬比在3：1～5：1范圍內(nèi)常以彌散氧化物和氮化物夾雜物為形核質(zhì)點(diǎn)并放射性成長。由于其位錯(cuò)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(xì)晶F (Fine Grain Ferrite,FGF) ，又稱貝氏體F (Binetic Ferrite)----焊縫冷卻到500℃以下、有細(xì)化晶粒的Ti、B等元素存在、在原A晶內(nèi)得到的F。如果在更低溫度下轉(zhuǎn)變(約450 ℃)，可轉(zhuǎn)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(shí)的連續(xù)冷卻)低合金鋼中

12、出現(xiàn)的組織，其轉(zhuǎn)變溫度大約在Ar1～550℃之間出現(xiàn)。依細(xì)密程度可分為層狀P、粒狀P及細(xì)P。在焊接非平衡條件下，原子擴(kuò)散減緩，P來不及轉(zhuǎn)變，擴(kuò)大了F和B的區(qū)域。當(dāng)焊縫中有細(xì)化元素Ti、B時(shí)，P可被完全抑制。低合金鋼固態(tài)相變時(shí)很少得到P。P會(huì)增加焊縫金屬強(qiáng)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(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)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(jī)械混合物。轉(zhuǎn)變溫度大約在450℃ ～Ms。下貝氏體具有強(qiáng)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(shí)，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(zhuǎn)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(cuò)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(nèi)部平行生長成群的細(xì)條狀M板條。因含碳量較低，具有較高強(qiáng)度和良好韌性，抗裂紋能力強(qiáng)，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(shí)出現(xiàn)。該種相硬度高而脆，容易產(chǎn)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(yù)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(zhuǎn)變圖，即WM-CCT(Weld Metal Continuous Cooling Transformation)圖。其分析原理及應(yīng)用與熱處理CCT相同。依此圖(與成分有關(guān))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