焊缝及热影响区的组织和性能

12第一节焊接及其冶金特点3焊接：通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件(同种或异种金属或非金属，也可以是金属与非金属)产生原子(分子)间结合而形成永久性连接的工艺工程。物理本质：独立工件实现原子(分子)间结合，对金属材料实现金属键的结合。从金属学的观点来看：两个被焊金属连接件处与焊缝金属形成共同晶粒。4焊接方法依据工艺特点分为：熔焊、压焊和钎焊。熔焊(FusionWelding)：局部加热使连接处达熔化状态，冷却结晶形成晶粒。压焊：加压、摩擦、扩散等物理作用克服表面的不平度，挤出氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。钎焊：用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热温度仅是钎料熔化而母材并不熔化。是钎料与母材的粘合。硬钎焊(熔点高于450℃)和软钎焊(熔点低于450℃)之分。除加热温度较高的扩散焊之外，无需保护措施。5熔焊焊接接头的形成及其冶金过程熔焊焊接接头的形成经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接头。亦可归纳为焊接热过程、焊接化学冶金过程和焊接物理冶金过程三个相互交错进行且彼此联系的局部过程。见图7-2(P137)焊接热过程：整个焊接过程自始至终都是在焊接热作用过程发生和发展的。焊接化学冶金过程：液态金属、熔渣及气相之间进行一系列化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱磷、脱硫、合金化等。这些反应可以直接影响焊缝金属、组织和性能。6熔焊焊接接头的形成及其冶金过程近年在化学冶金方面的研究重点：1控制焊缝金属中夹杂物的种类、直径大小，作为形核质点细化焊缝金属晶粒，提高焊缝的强度与韧性；2向焊缝中加入微量合金元素(如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和RE等)进行变质处理；3适当降低焊缝的含碳量，最大限度的排出焊缝中S、P、O、N、H等杂质，提高焊缝的韧性。4计算机模拟如对焊缝的化学成分和力学性能进行优化设计，建立数学模型。7焊接物理冶金过程：焊接热源作用→焊材及母材局部熔化→热源移走金属凝固结晶(原子近程有序→远程有序)→温度降低，同素异构金属固态相变热影响区(HeatAffectedZone,HAZ)：焊接过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生显微组织和力学性能变化的区域。该区主要发生物理冶金过程。焊接接头由焊缝(WeldMetal)、热影响区(HAZ)、熔合区(FusionZone)和母材(BaseMetal)组成。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程8保证焊接接头的措施：1选择合适的母材；2选择合适的焊材；3控制焊接热过程，保证焊缝金属达到成分和组织要求及焊接接头的力学性能；4控制HAZ的组织转变，使接头满足设计和使用要求；5控制使焊接接头性能下降且在局部加热和冷却过程中产生的成分偏析、夹杂、气孔、裂纹、催化等缺陷。熔焊焊接接头的形成及其冶金过程9焊接温度场见“第二章凝固的温度场”“第三节熔焊过程温度场”10第二节焊缝金属的组织与性能11一焊接熔池的结晶见“第五章铸件凝固组织及其控制”“第五节焊接熔池凝固及控制”二焊缝金属的组织焊缝金属在连续冷却过程中发生固态相变的类型取决于化学成分及冷却条件。对碳钢和低合金钢焊缝，高温奥氏体在不同温度区间转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。12低碳钢焊缝的室温组织因含碳量较低，沿A晶界析出F，然后发生共析转变：A→P(F+Fe3C)焊缝过热时，可能出现魏氏组织，其特征是F在原A晶界呈网状或沿原A晶粒内部一定方向析出，具有长短不一的针状或片状，亦可直接插入P晶粒之中。焊缝金属是一种多相组织，是晶界F、侧板条F和P混合组织的总称。131铁素体(Ferrite)低合金钢焊缝中F大体分为以下四类：(1)先共析F(ProeutectoidFerrite,PF)，亦称晶界或粒界F(GrainBoundaryFerrite,GBF)，块状F----焊缝冷却到较低高温区间(770～680℃)、沿A晶界首先析出的F。多以长条形沿晶界扩展，也以多边形状，互相连接沿晶分布。是低屈服强度的脆弱相，使焊缝金属韧性下降。低合金钢焊缝的室温组织14(2)侧板条F(FerriteSidePlate,FSP)，亦称无碳贝氏体(CarbonFreeBinete,CFB)----焊缝冷却到较低高温区间(700～550℃)、比PF形成温度稍低的F。多在晶界F的侧面以板条状向晶内生长，多呈镐牙状。有人认为其属魏氏组织，也有人由于其转变温度偏低称为无碳贝氏体。由于其位错密度比PF稍高，使焊缝金属韧性显著下降。低合金钢焊缝的室温组织15(3)针状F(AcicularFerrite,AF)----焊缝冷却到更低500℃左右、在中等冷速下得到的F。在原A晶内以针状分布，宽度约为2µm,长宽比在3：1～5：1范围内常以弥散氧化物和氮化物夹杂物为形核质点并放射性成长。由于其位错密度更高，可以显著改善焊缝的韧性，是提高焊缝金属韧性的理想组织。低合金钢焊缝的室温组织16(4)细晶F(FineGrainFerrite,FGF)，又称贝氏体F(BineticFerrite)----焊缝冷却到500℃以下、有细化晶粒的Ti、B等元素存在、在原A晶内得到的F。如果在更低温度下转变(约450℃)，可转变为上贝氏体。以上四种组织亦可在低碳钢焊缝中出现，只是所含比例不同而已。低合金钢焊缝的室温组织172珠光体(Pearite)在接近平衡状态(如热处理时的连续冷却)低合金钢中出现的组织，其转变温度大约在Ar1～550℃之间出现。依细密程度可分为层状P、粒状P及细P。在焊接非平衡条件下，原子扩散减缓，P来不及转变，扩大了F和B的区域。当焊缝中有细化元素Ti、B时，P可被完全抑制。低合金钢固态相变时很少得到P。P会增加焊缝金属强度，但其韧性往往下降。低合金钢焊缝的室温组织183贝氏体(Bainite)属中温转变，转变温度大约在550℃～Ms。依形成温度区间及其特性可为上贝氏体(UpperB)和下贝氏体(LowerB)。上贝氏体的特征光镜下呈羽毛状，多沿A晶界析出。电镜下相邻条状晶的位相接近于平行，且在平行的条状F间分布有Fe3C。其韧性较差。下贝氏体的特征光镜下与回火片状M相似。电镜下呈许多针状F和针状Fe3C的机械混合物。转变温度大约在450℃～Ms。下贝氏体具有强度和韧性均良好的综合性能。低合金钢焊缝的室温组织194马氏体(Martensite)焊缝金属含碳量较高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，A过冷到Ms温度以下发生该相的转变。依含碳量不同可为板条状M和片状M。(1)板条状M，又称位错型M，低碳M常出现在低碳低合金钢焊缝金属中。其特征在A晶粒内部平行生长成群的细条状M板条。因含碳量较低，具有较高强度和良好韧性，抗裂纹能力强，综合性能好。(2)片状M，又称孪晶M，高碳M焊缝金属中wc≥0.4%时出现。该种相硬度高而脆，容易产生焊接冷裂纹，在焊缝中要避免。低合金钢焊缝的室温组织20WM-CCT图—焊接工作者为了专门预测低合金钢焊缝制定的低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图，即WM-CCT(WeldMetalContinuousCoolingTransformation)图。其分析原理及应用与热处理CCT相同。依此图(与成分有关)和焊接条件(决定冷却曲线)，可以推断焊缝金属的组织与性能；反之，由焊缝的性能要求可以确定其组织组成，选择母材与焊接材料，制定焊接参数。WM-CCT图21三焊缝金属性能的控制1焊缝合金化与变质处理合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度与韧性。常采用固溶强化(Mn、Si等元素)、细晶强化(Ti、Nb、V等元素)、弥散强化(Ti、V、Mo等元素)、相变强化等措施。在焊接熔池中加入Ti、B、Zr、RE等元素起变质作用，有效细化焊缝组织，提高韧性。2工艺措施除上述冶金措施外，还可以通过调整焊接参数的方法提高焊缝性能，如采取振动结晶、焊后热处理等措施。22第三节焊缝金属的组织与性能