Part VII 焊接热影响区的组织和性能

材料科学基础 之焊接

材料成型基础

Part VII

HAZ的组织和性能

材料科学基础 之焊接

HAZ的组织和性能1 HAZ的概念2 焊接加热过程中金属组织转变特点 3焊接热循环过程中晶粒的长大 4 焊接冷却过程中的组织转变 5 焊接条件下的CCT图及其应用 6 焊接热影响区的组织 7 焊接热影响区的性能 8 焊接热力模拟技术简介

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§1 HAZ的概念热影响区概念:焊接过程中母材因受焊接热的影响，金相组

织和性能发生变化的区域称为“热影响区” (Heat Affected Zone,简记HAZ)。热影响 区是焊接接头的薄弱环节 。焊缝 HAZ

热影响区 焊接接头焊缝

母材

焊接接头的宏观组织和热影响区示意图 Part VII HAZ的组织与性能

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§1 HAZ的概念

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点一、与热处理相比，焊接热过程主要特点：(1)加热温度高 在热处理条件下，加热最高温度一般为950~ 1050℃(Ac3以上l00~200℃),而焊接时熔合 焊接低碳钢和低合金钢时，一般都在1350℃左右。

线区附近的加热温度最高，一般接近于金属的熔点。

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点一、与热处理相比，焊接热过程主要特点：(2)加热速度快 热处理时为了保证加热均匀和减少热应力，对 加热速度作了较严格的限制，一般为0.1~1℃/s。

由于焊接采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点一、与热处理相比，焊接热过程主要特点：(3)高温停留时间短 热处理时的保温时间可以根据需要确定，而焊 接时由于热循环的特点，在Ac3以上的停留时间很

短，一般手工电弧焊约为4~20s,埋弧焊为30~100s。

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点一、与热处理相比，焊接热过程主要特点：(4)自然条件下连续冷却 热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷 却过程的不同阶段进行保温。而焊接时，一般都是

在自然条件下连续冷却，冷却速度较快，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点一、与热处理相比，焊接热过程主要特点：(5)局部加热 热处理时工件是在炉中整体加热，而焊接属于 局部集中加热，温度分布不均匀，且随热源移动， 局部加热区域也在不断地向前移动，这势必在焊接 区造成一个复杂的应力应变场，而焊接热影响区就 是在这样一个复杂的应力应变状态下进行着不均匀 的组织转变。Part VII HAZ的组织与性能

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点二、焊接加热过程中的组织转变特点1、

相变温度提高 大量的试验

结果表明, 加热速 度越快, 母材相变 点Ac1和Ac3的温 度越高, 而且Ac1 焊接加热速度对Ac 、Ac 和晶粒长大的影响 和Ac3之间的温 a)45钢( :1-1400℃/s 2-270℃/s 3-35℃/s 4-7.5℃/s) 度差越大。 b) 40Cr钢( :1-1600℃/s 2-300℃/s 3-150℃/s 4-42℃/s 5-7.2℃)1 3 H H

d-晶粒的平均直径 A-奥氏体 P-珠光体 F-铁素体 K-碳化物

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§2 焊接时加热过程中金属组织转变特点加热速度对相变点和Ac1与Ac3温差的影响 加热速度 H (℃/s) Ac1与Ac3温差(℃) 相变 平衡温 钢种 点 度(℃) 6~8 40~50 250~300 1400~1700 40~50 250~300 1400~1700 45钢 40Cr 23Mn Ac1 730 770 775 790 840 45 60 110

Ac3Ac1 Ac3 Ac1 Ac3

770740 780 735 830 740 820 710 810

820735 775 750 810 740 790 800 860

835750 800 770 850 775 835 860 930

860770 850 785 890 825 890 930 1020

950840 940 830 940 920 980 1000 1120

6515 25 35 40 35 45 60 70

9035 75 50 80 85 100 130 160

180105 165 95 130 180 190 200 260

30Cr Ac1 MnSi Ac3 18Cr2 Ac1 WV Ac3

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点 加热时珠光体向奥氏体的转变和铁素体向奥氏体的溶解过程均属于扩散性转变，转变时形 成晶核需要孕育期。在焊接快速加热的条件下， 还没达到扩散过程所需的孕育期，温度就已经 提高了。因此，Ac1和Ac3都推向了更高的温 度，在这种条件下，转变过热度大，形核率高， 转变速度更快。Part VII HAZ的组织与性能

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点 钢中含有较多的碳化物形成元素时，随着加

热速度的提高, 相变点Ac1和Ac3有更显著的提高(如18Cr2WV)。这是由于该类钢的碳化 物形成元素(Cr、W、Mo、Ti、V、Nb等)本 身的扩散速度更小(比碳小1000~10000倍 ), 同时它们阻碍碳的扩散, 因而大大减慢了奥氏 体的转变过程。Part VII HAZ的组织与性能

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点 随着加热速度的提高，Ac1和Ac3的温度差加

大，则是由于珠光体向奥氏体的转变是在铁素体和渗碳体的界面上形核，由于相界面积大，碳的

扩散距离短，形核所需的孕育期较短，故Ac1提高的较少。而铁素体转变为奥氏体，需要碳原子

和铁原子做较长距离的扩散，孕育期较长，因而

Ac3推向了更高的温度，结果使Ac1和Ac3的温差加大。Part VII HAZ的组织与性能

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§2 焊接加热过程中金属组织转变特点2 奥氏体的均质化

刚刚转变完了形成的奥氏体，其成分是不均匀的，原来为渗碳体的区域含碳量高，而原来 为铁素体的区域含碳量低，甚至还有残留的碳 化物质点。如在Ac3以上的停留时间长，则成 分扩散均匀化，使奥氏体的成分趋于一致。

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§2 焊接加热过

程中金属组织转变特点2 奥氏体的均质化焊接的加热速度快，在Ac3以上的停留时 间短，合金元素来不及完成扩散均匀化，所以 奥氏体的均质化程度低，甚至残留碳化物，这 对冷却时的相变有明显地影响。特别是钢中含

有碳化物形成元素时，影响更为显著。

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§3 焊接热循环过程中晶粒的长大焊接热影响区晶粒的粗大对韧性极 为不利。奥氏体晶粒的长大实质上是大 晶粒吞并小晶粒的晶格改建过程，是自 动进行的。进行这一过程需要原子的扩

散，温度越高，原子的扩散能力越强，奥氏体晶粒的长大速度越快。Part VII HAZ的组织与性能

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§3 焊接热循环过程中晶粒的长大一、 焊接热影响区奥氏体晶粒长大的计算恒温加热时的经历长大与加热温度、保温时

间有关，晶粒大小可以计算：

D

E D0 K 0 t exp RT

式中：D—加热长大了的晶粒直径(mm); D0—加 热前的晶粒直径(mm); t—保温时间(s);T—加热 温度(K); α—常数; K0—与温度无关的常数；E— 激活能(J/mol); R—气体常数。Part VII HAZ的组织与性能

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§3 焊接热循环过程中晶粒的长大计算焊接热循环条件下的晶粒长大时，则把热

循环曲线在时间域上离散化，可认为在每个时间段 的加热温度不变，即将热循环曲线分为若干个加热 温度不同的恒温加热过程。则可利用恒温晶粒长大 计算公式，采用叠加原理的方法计算出热循环过程 中晶粒长大的尺寸： j

D Dj

0

式中：Dj—第j个加热时间段终了的晶粒直径(mm); ti—第i个加热时间段的加热时间(s);Ti—第i个加热时 间段的加热温度(K);Part VII HAZ的组织与性能

E K 0 t i exp i 1 RT i

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§3 焊接热循环过程中晶粒的长大0 .2

S35C钢0.15

Dr/mm

0 .1

D

0

0.025mm

计算曲线

D0.25

0

0mm

实测值

0 800

加热1000 1200 1400 T /oC

冷却1200 1000 800

焊接热循环中S35C钢加热温度与奥氏体晶粒直径Dγ的关系 Part VII HAZ的组织与性能

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§3 焊接热循环过程中晶粒的长大在1373K以上，随 着温度的上升奥氏体晶粒 急剧长大，并且其长大主 要集中在最高温度附近。Austenite grain size D/mm0.40 0.351

0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 400 800 1200 T emperatur T / o C e 16002

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在冷却过程中，奥氏体晶粒尺寸还会进一步长 大，与加热过程相比，其 长大量减小。由最高温度 少许降温，奥氏体晶粒的

长大过程基本完成。

Q195低碳钢HAZ不同部位的奥氏体晶粒长大 板厚6mm,GMAW,I=240A, V=25V, v=430mm/min, d=1.2mm. 曲线1~6分别距离熔合线0mm 0.1mm、 0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm

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