1、6.1焊接熱影響區組織轉變特點焊接熱影響區組織轉變特點6.2焊接熱影響區組織轉變焊接熱影響區組織轉變6.3焊接熱影響區的性能焊接熱影響區的性能6.4焊接熱焊接熱/力物理模擬技術力物理模擬技術第六章第六章 熱影響區的組織與性能熱影響區的組織與性能6.3熱影響區的性能熱影響區的性能 焊接熱影響區的性能損傷主要包括軟化、硬化、脆化、抗腐性能和疲勞性能等。6.3.1 熱影響區的硬度熱影響區的硬度1、再結晶軟化、再結晶軟化熱影響區再結晶軟化示意圖對于形變強化狀態材料的焊接熱影響區，焊接熱循環將產生退火熱處理效果，使得一定范圍的熱影響區組織發生回復與再結晶過程，使該區的硬度與強度硬度低于母材。1）硬度分布

2、）硬度分布2）防止措施）防止措施單位長度焊縫熱輸入對加工硬化5356鋁合金的熱影響加工硬化2219-T37鋁合金熔化區邊界附近的顯微組織a) 電子束焊接，b) 鎢極惰性氣體保護焊降低熱輸入；采用高能束焊接。2、過時效軟化、過時效軟化1）硬度分布）硬度分布Al-Cu合金人工時效狀態下焊接接頭的組織與性能分布AW：焊態，PWNA焊后自然時效，AWNA焊后人工時效對于人工時效2219鋁合金 峰值溫度高于母材時效溫度時，細小的相將開始發生分解，而粗大相同時開始長大，距離焊縫越近相溶解越多； 焊縫以及非常接近焊縫的熱影響區部分完全溶解，較高的焊接冷卻速度使晶格處于過飽和狀態。焊后自然時效（PWNA）可以

3、使焊縫及熱影響區的硬度略有上升； 焊后人工時效（AWAA）可以使焊縫及非常接近焊縫的熱影響區強化效果得到恢復；對距離焊縫稍遠的熱影響區；焊后人工時效也沒有辦法使其強度得到恢復。焊前熱處理含有GP區的Al-Cu合金：a)相圖；b）熱循環曲線；c）沉淀C-曲線；d）微觀組織結構；e）硬度分布討論自然時效討論自然時效2219鋁合金軟化問題鋁合金軟化問題2）防止措施）防止措施焊接方法的影響熱輸入的影響3、鋼的高溫回火軟化、鋼的高溫回火軟化1）硬度分布）硬度分布低合金鋼不同處理狀態下焊接接頭的硬度分布 在接近焊縫區域由于其峰值溫度高且冷卻速度快，發生了較強的淬硬傾向； 熱影響區的峰值溫度在Ac1附近焊前

4、為退火狀態時熱影響區不出現軟化區域；若焊前為淬火+回火處理狀態，則焊接熱影響區的硬度降低的程度和范圍隨回火溫度降低而增大； AC1至AC3的溫度區域軟化程度最大。2）防止措施）防止措施 鋼的回火軟化程度取決于回火溫度與回火時間。焊后重新進行調質處理可以將鋼熱影響區的性能回復到焊前水平。但是，很多大型的結構件沒有辦法進行焊后熱處理，采用合適的焊接方法和焊接工藝就成為必然選擇。 鋼的回火軟化程度和軟化區的寬度與焊接線能量、焊接方法有很大關系。一般地，線能量越小，加熱冷卻速度越快，受熱時間越短，軟化程度越小，軟化區的寬度越窄。焊接方法及其線能量對軟化區寬度b和接頭強度J的影響（42Cr2MnSiNi

5、Mo）調質狀態下的30CrMnSi鋼焊接接頭的強度分布電弧焊電弧焊氣焊氣焊4、鋼的硬化、鋼的硬化1）硬度分布）硬度分布低合金鋼焊接接頭的硬度分布硬化是鋼焊接熱影響區的一個比較普遍的現象。熱影響區硬化可以明顯地提高熱影響區冷裂傾向，脆性增大。 不易淬火鋼焊接接頭在熱影響區發生硬化現象； 對于易淬火鋼在正火或退火條件下焊接，其熱影響區的淬火區必然會發生較大的淬硬傾向，這種淬硬傾向與回火軟化恰恰相反，焊前強化程度越低，淬硬傾向也就越明顯。常用熱影響區的最高硬度Hmax來間接判斷熱影響區的性能。焊接熱影響區的最高硬度主要取決于被焊鋼材的化學成分和冷卻條件。因此，可將Hmax寫成碳當量Ceq和冷卻時間t

6、8/5的函數，即Hmax=f（Ceq,t8/5）碳當量Ceq是將鋼中包含碳在內的所有合金元素按其對淬硬傾向的影響程度，認為折算成相當于碳的影響而得到的一個量值，即1neqiiiCc w 和 分別是某合金元素的質量分數和碳當量系數iwicciCSiMnCuNiCrMoVBCE(IIW)1-1/61/151/151/51/51/5-Pcm11/301/201/201/601/201/151/105Ceq(WES)11/241/6-1/401/51/41/14-D2.6(Deren)11/251/161/161/601/201/401/15-CES(Stout)1-1/61/401/201/101/

7、10- 國際焊接學會（IIW）推薦的CE主要適用于中、高強度的非調質合金高強鋼b=500900MPa。當CE(IIW)0.40%，且板厚小于20mm時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好；而當CE(IIW)=0.40%0.60%，特別當大于0.5%時，鋼材易于淬硬，焊接性能較差碳當量對焊接熱影響區最高硬度的影響隨著鋼種（Pcm、CE(IIW)）的增加，硬度也隨之增加，即淬硬性增加。最高硬度和碳當量大致呈線性關系。HAZ最高硬度與冷卻時間的關系隨著冷卻時間的增加，HAZ的最高硬度明顯降低2）防止措施。）防止措施。除了進行焊后回火處理之外，對于不能進行熱處理的工件可以采用預熱的辦法或采用較大的熱輸入方法

8、來降低母材的淬硬傾向。但是對于某些調質鋼來說，在焊接的熱影響可能又同時存在著軟化問題，因此在選擇焊接工藝過程中要同時考慮硬化和軟化兩方面的因素。6.3.2焊接熱影響區的韌性焊接熱影響區的韌性韌性是材料在塑性應變和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現。材料的韌性越高，意味著材料的脆性越小，抵抗沖擊破壞的能力也就越強。材料的韌性可以用沖擊韌性或韌-脆轉變溫度來表征。 沖擊韌性是反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值（ak）和沖擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm2和J（焦耳）。一般地，沖擊韌性值或沖擊功越大，材料的韌性也越高。 韌脆轉變溫度為溫度降低時金屬材料由韌

9、性狀態變化為脆性狀態的臨界溫度。韌脆轉變溫度越低，材料在韌性條件下服役的溫度越寬，材料的韌性也越高。不易淬火鋼焊接接頭的韌性分布對于不易淬火鋼，細晶區（峰值溫度900左右）的韌性最好，過熱粗晶區的韌性最差，同時存在峰值溫度較低的時效脆化區。1、粗晶脆化、粗晶脆化粗晶脆化是指焊接熱影響區因晶粒粗大而發生韌性降低的現象。焊接過程中由于受熱的影響程度不同，在焊接熱影響區靠近熔合線附近的過熱區將發生嚴重的晶粒粗化。晶粒直徑d對VTrs的影響晶粒越粗大，則脆性轉變溫度越高，也就是脆性增加。母材的化學成分是影響晶粒長大的本質因素： 鋼中含有Nb、Ti、Mo、V、W、Cr等氮化物或碳化物強形成元素，就會阻礙

10、晶界遷移，防止晶粒長大； 18Cr2WV鋼，含Cr、W、V等合金元素，晶粒長大受到抑制； 23Mn和45鋼，不含碳化物元素，加熱超過1000時晶粒顯著長大。晶粒越粗，脆性轉變溫度越高，脆性增加。含Nb鋼HAZ晶粒尺寸與Tm、E與t8/5的關系（埋弧焊，T0=20） 焊接線能量對HAZ的晶粒粗化也有較大的影響，線能量越大，晶粒越容易長大 HAZ的粗晶脆化與一般單純晶粒長大所造成的脆化不同，它是在化學成分、組織狀態不均勻的非平衡態條件下形成的，故而脆化的程度更為嚴重； 它常常與組織脆化交混在一起，是兩種脆化的疊加； 對于淬硬傾向較小的鋼，粗晶脆化主要是晶粒長大所致； 對于易淬火鋼，則主要是由于產生

11、脆性組織所造成的（如孿晶馬氏體、非平衡態的粒狀貝氏體以及遺傳組織等）2、組織脆化、組織脆化組織脆化是指焊接熱影響區因形成脆硬組織而引起韌性降低的現象，具有包括片狀馬氏體脆化、M-A組元脆化、遺傳脆化等等1）片狀馬氏體脆化）片狀馬氏體脆化 對于不易淬火的低碳鋼和某些低合金鋼來講，焊接熱影響區即使出現馬氏體，一般也是韌性較好的板條馬氏體，不會使脆性增加； 對于易淬火的低碳調質鋼、中碳鋼和中碳調質鋼來講，焊接熱影響區很容易出現又脆又硬的片狀馬氏體，從而引起脆化； 冷卻速度越大，越容易形成片狀馬氏體，脆化傾向越大； 單純從減小這種脆化傾向出發，應采用較高的焊接熱輸入，以降低冷卻速度過高帶來的不利影響；

12、但焊接熱輸入較高時，會增大粗晶脆化傾向，故應采用適中的熱輸入，最好是配合預熱及緩冷措施。2）M-A組元脆化組元脆化 某些低合金鋼的焊接熱影響區處于中溫上貝氏體的轉變區間，先析出含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴大，而使碳大部分集富到被鐵素體包圍的島狀殘余奧氏體中去，隨后這些高碳奧氏體可轉變為高碳馬氏體與殘余奧氏體的混合物，這種組織即M-A組元。 在合金成分簡單、合金化程度較低的鋼中，奧氏體的穩定性較小，不會形成M-A組元，而是分解為鐵素體和碳化物； 在含碳量和合金成分高的鋼中，易于形成片狀馬氏體； 只有在低碳低合金鋼中，并且冷卻速度在中等范圍內，才能形成M-A組元。形成條件：形成條件：低碳貝氏體鋼埋

13、弧焊熱影響區M-A組元a)M-A組元掃描電鏡照片，b)M-A組元透射電鏡照片，c)M-A組元微觀形貌，d)成分分布M-A含量與t8/5的關系a)M-A組元含量隨冷卻時間的變化，b)M-A組元含量對脆性轉變溫度的影響焊接熱輸入對過熱區組織及脆性轉變溫度VTrs的影響3）遺傳組織脆化）遺傳組織脆化厚板結構多層焊時，若第一焊道的HAZ粗晶區位于第二道的正火區（相變重結晶區），按一般的規律，粗晶區的組織將得到細化，從而改善了第一粗晶區的性能。但對某些鋼種實際上并未得到改善，仍保留粗晶組織和結晶學取向，這種現象稱為“組織遺傳”（包括粗晶和組織），有這種遺傳而引起的脆化稱為遺傳脆化，又稱局部脆化。鋼在多層焊時遺傳組織示意圖40CrNi2Mo鋼熱模擬粗晶區經915二次熱循環后的顯微組織3、時效脆化、時效脆化時效脆化是指焊接熱影響區在Ac1以下的一定溫度范圍內經一定時間的時效后，因出現碳、氮原子的聚集或析出碳、氮的化合物沉淀相而發生的脆化現象，其具體包括熱應變時效脆化和相析出脆化。1）熱應變時效脆化）熱應變時效脆化焊接過程中，200