焊接热影响区的脆化机理及防治措施

焊接热影响区的脆化机理及防治措施1HAZ的脆化定义：HAZ脆化是热影响区在焊接热循环作用下所发生的塑性、韧性严重下降的现象。分类：粗晶脆化、析出相脆化、组织转变脆化、热应变脆化、氢脆化和石墨脆化等。2粗晶脆化（CGHAZ）焊接粗晶热影响区处在焊缝和母材的过渡区域。焊接过程中，其加热温度接近钢材的熔化温度，虽然高温停留时间短暂，但与一般热处理不同，在焊接的连续加热和冷却条件下，奥氏体晶粒长大具有热惯性，实际晶粒度较粗。根据Hall-Petch公式可知，晶粒越粗大，脆性转变温度越高，即脆性增加。晶粒直径d与脆性转变温度VTrs的关系如下图所示。2粗晶脆化（CGHAZ）焊接热影响区的粗晶脆化与一般热处理过程中单纯晶粒长大造成的脆化不同，原因在于晶粒粗大的同时着化学成分、组织状态不均匀，这种伴随非平衡条件下形成的粗晶脆化程度更为严重。2粗晶脆化（CGHAZ）例如，对于不易淬火刚，粗晶脆化主要是由于晶粒长大，甚至形成粗大的魏氏体组织；对于易淬火刚，则主要是由于产生脆硬的孪晶马氏体所致。3析出相脆化对于某些金属或合金，在焊接冷却过程中，或是在焊后回火或时效过程中，从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物或金属间化合物时，引起金属或合金脆性增大的现象，称为析出相脆化。在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时，在过热区，母材原有第二相（碳化物或氮化物）均可大部分溶解。在冷却过程中，由于溶解度的降低，这些碳、氮化合物将再次发生沉淀。但由于焊接时高温停留时间短，奥氏体均质化程度低，因此，再次沉淀的碳、氮化合物将以块状形式呈不均匀析出。3析出相脆化例如，AlN在晶界析出，Ti（C,N）在晶内析出，都呈块状形式。这种状态的第二相会严重阻碍位错的运动，从而导致过热区的脆化。若Fe3C沿晶界呈薄膜状析出，或形成粗大碳化物，也会导致脆化。在快速冷却条件下，若碳、氮化合物来不及析出，则在焊后回火或时效过程中也可能产生脆化（如回火脆化）。4组织脆化（1）M-A组元脆化M-A组元一般是在中等冷却速度下形成。在焊接冷却过程中，奥氏体不断向铁素体转变，碳及合金元素向未转变的奥氏体中扩散，造成奥氏体的碳浓度不断增加，在随后的冷却过程中，这些高碳奥氏体转变成高碳马氏体与残余奥氏体组成的岛状组织即M-A组元，有时M-A组元中的马氏体也包含低碳板条马氏体。M-A组元中的马氏体一般为高碳马氏体，容易引发微裂纹。随着M-A组元数量的增多，韧脆转变4组织脆化温度将显著升高。因此，在HAZ内出现M-A组元将会导致HAZ韧性降低，引起脆化。M-A组元引发裂纹的可能微观机制有四种:①脆硬的条状M-A组元发生开裂引发裂纹;②相邻块状M-A组元间的残余拉应力相互叠加，有助于微裂纹的产生;③M-A/基体界面(尤其是沿晶分布的块状M-A组元)的应力集中和碳的偏析导致M-A组元与基体分离而产生微裂纹;④M-A组元的变形导致其与基体分离而引发微裂纹。4组织脆化（2）遗传脆化所谓“组织遗传”是指厚板结构钢多层焊时，若第一焊道的HAZ粗晶区位于第二焊道的正火区(相变重结晶区)或两相区晶区的组织仍保留粗晶组织和结晶学的位向关系。其典型组织特征是，在晶粒周围或亚晶界上出现成串非连续分布的等轴细晶，此外过热的粗晶组织基本上保留了加热前的大小和形貌。4组织脆化“组织遗传”引起脆化的原因是晶粒粗大、M-A组元的产生以及孪晶马氏体的增加。总之，不管是M-A组元脆化还是“组织遗传”脆化，脆化原因与M-A组元的存在密切相关。M-A组元是一种脆硬性组织，其存在一定程度上导致HAZ韧性降低，这一点毋庸置疑。5热应变时效脆化定义：在制造焊接结构的过程中，不可避免地要进行各种加工，如下料、剪切、弯曲变形、气割、矫形、锤击、焊接和其他热加工等程序。有这些加工引起的局部应变、塑性应变对焊接HAZ脆化有很大的影响，由此而引起的脆化称为热应变时效脆化。分类：（1）静应变时效脆化在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现象。5热应变时效脆化其特征是强度和硬度增强，而塑性、韧性下降。只有钢中存在碳、氮自由间隙原子时才会发生这种现象。（2）动应变时效脆化一般在较高的温度下，特别是200~400˚C温度范围的预应变所产生的时效脆化现象。HAZ的热应变脆化多数属于动应变时效脆化所引起，通常所说的“蓝脆性”就属于动应变时效脆化现象。5热应变时效脆化关于热应变时效脆化的机理，目前多数人认为是由于柯氏气团对于位错的钉扎作用。例如，Q245（原20钢）厚壁高压管在服役过程中可能会发生应变时效脆化。冷加工Q245钢的应变时效是间隙原子(碳、氮，尤其是氮原子)与金属位错间的钉扎和解扎相互作用的结果，应变时效现象中危害最大的是冲击吸收能量、断裂韧度等韧性指标的降低，也就是通常所说的应变时效脆化。首选正火作为消除应变时效脆化的处理方法。6防治措施为了防止CGHAZ脆化，一般应严格控制焊接热输入，采用预热、后热等工艺措施。常规的焊接工艺是焊前退火或正火处理，焊后进行调质处理。但有时鉴于焊接的实际情况，焊前无法退火或正火，焊后无法进行调质处理，必须通过焊后热处理保证其韧性满足要求。防止或消除M-A组元和遗传脆化，应制定严格的焊接工艺参数:焊前预热温度选MS+50~80˚C，层间温度不低于马氏体转变点MS，以避免在焊缝和热影响区产生非平衡的淬火组织，焊后应进行紧急后热及调质处理。6防治措施对于不同的材料进行焊接，要防止脆化也必须制定相应的措施。但是，简言之，大概分为以下几个方面：焊前适当预热，合理选择层间温度，焊后紧急后热及调质处理，在两次热循环之间加上一次热循环等等。