焊接热影响区的性能
热影响区的组织与性能
焊接热影响区的性能
软化
热影响区软化是指焊后其强度、硬度低 于焊前母材的现象。
软化主要出现在：焊前经过调质处理的 钢；具有沉淀强化的钢；弥散强化合金。
焊接热影响区的性能
调质钢焊接时热影响区软化
钢经过淬火处理后，在回火过程中随回 火温度提高，强度与硬度逐渐下降。
焊接条件下，如热影响区的加热温度超 过了焊前回火温度，相当于提高了回火 温度，强度必然比焊前低。
不同位置的最高加热温度不同 加热温度高
热处理：AC3以上100-200℃，如45号钢AC3：770 ℃； 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 ℃左右。 加热速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。
高温停留时间短 手工电弧焊：4-20S；
埋弧焊：20-40S。
自然条件下连续冷却
焊接热循环条件下
焊接热循环条件下
加热时组织转变特点
影响冷却时的组织转变
焊接热循环条件下
冷却时的组织转变特点
组织转变向低温推移 马氏体转变临界冷速发生变化
焊接条件下
连续组织转变与CCT图
CCT图是连续冷却转变曲线的简称，可以比 较方便的预测焊接热影响区的组织和性能。
CCT图绘制时，将奥氏体化试件以各种冷却 速度连续冷却到室温、测定冷却过程中过冷 奥氏体转变的开始点(温度和时间)与终了点。 把测到的数据描绘在温度—时间坐标平面上， 最后将分别连结各个开始点与终了点．就得 到CCT图。
CCT图的应用
焊接热影响区的组织特征
焊接热影响区上距焊缝远近不同的部位 组织不同
不同的钢材，焊接热影响区的组织也不 同
焊接热影响区的组成
低碳钢
过热区 相变重结晶区 不完全重结晶 区 再结晶区
(完整版)焊接热影响区的组织和性能
图4-37 Hmax与CE的关系
钢种HT50～HT100 板厚25～50mm， E＝17KJ/cm，t8/5＝6.5s
图4-38 Hmax与t8/5及Pcm的关系 钢材：18MnMoNb 板厚16～36mm
t8/5（s)
(2) 析出脆化
图4-47 析出物的间距λ与位错运动及脆性的关系
（三）调质钢HAZ软化
1.调质钢HAZ软化
图4-48 调质钢HAZ的硬度分布 A－焊前淬火＋低温回火 B－焊前淬火＋高温回火 C－焊前退火
图4-49
图4-50
2.热处理强化合金焊接HAZ软化
Thanks
国产低合金钢公式
（二）焊接热影响区脆化
1. 粗晶脆化
晶粒长大影响因素：
化学成分、组织状态、加热温度、时间
碳化物形成元素：Ti、Nb、Mo、V、W
lg( D 4
D04 )
2 lg E
l
0.129
/E 1.587
10 3
92.64
焊接HAZ晶粒尺寸与焊接线能量的关系
图4-41 碳锰钢HAZ的脆化分布
24 16 15 20
5
A(C) 0.75 0.25tgh[20(C 0.12)]
（4-24)
适用于 C含量0.034～0.254％范围内的钢 A（C)－碳的适应系数
2. 碳当量及冷却时间t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系
Hmax＝1274Pcm＋45
Hmax＝559CE＋100
图4-36 Hmax与Pcm的关系
埋弧自动焊 电渣焊
氧乙炔气焊 真空电子束焊
各区的平均尺寸（mm）
2.30 焊接热影响区的组织和性能 PPT.pptx
成参差不齐的分界面
组织：组织性能不均，母材一侧晶
粒大
性能：性能不均，对接头的强度、 图2 焊接热影响区的分布特征
韧性影响大，是裂纹、脆
1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6—
性破坏发源地
淬火区7—部分淬火区 8—回火区
2、过热区（粗晶区）
温度：1100℃（晶粒开始急剧长大的温度）
4、不完全重结晶区（不完全正火 区）
温度：Ac1~Ac3之间（700~850 ℃）
特征：一部分组织发生了相变重结 晶过程，形成晶粒细小的铁
素体+珠光体，另一部分未 相变的铁素体长大成为粗大
铁素体。 组织：组织不均，原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区 性能：力 Nhomakorabea性能差。
图5 焊接热影响区的分布特征 1—熔合区 2—过热区 3—相变量结晶 区 4—不完全重结晶区 5—母材 6— 淬火区7—部分淬火区 8—回火区
一、焊接热影响区的组织和性能
1.概念：在焊接过程中，母材因受热影响（但未熔化）而 发生金相组织和力学性能变化的区域。
2.热影响区的组织分布 ： 1).正火区 2).过热区 3).再结晶区 4).不完全重结晶区
对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢(16Mn.15MnTi等)除过 热区外其它各区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
一、焊接热影响区的组织和性能
图1 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系 a）热影响区的组织分布 b)铁碳状态图 c）热循环 （图中Tm—峰值温度 TG—晶粒长大温度）
（一）不易淬火钢的热影响区组织
根据热影响区组织特征分四个区：
1、熔合区（半熔化区）
温度：固液相线之间，范围很窄
第十章 焊接热影响区的组织和性能
焊接热影响区的软化
焊接热影响区的性能控制
1、焊接热影响区的硬化
母材的淬硬倾向（内因） HAZ的硬度 化学成分 HAZ的冷却速度（外因） 焊接规范
焊接热影响区的最高硬度Hmax：
高低取决于
Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5
缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，
而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。当焊
件母材的淬透性不是太高时，还会出现贝氏体、索
氏体等正火组织与马氏体共存的混合组织。
2、 不完全淬火区
母材被加热到Ac1～Ac3温度之间的热影响区，
相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热
条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏
熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧 一定范围内发生组织和性能变化的区域称
为“焊接热影响区” 。
图10-1 焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
第一节 焊接热循环 第二节 焊接热循环下的金属组织转变特点 第三节 焊接热影响区的组织与性能
第一节 焊接热循环
一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
材料淬硬倾向的评价指标 — 碳当量
钢中含碳量显著影响奥氏体的稳定性，对淬硬倾向影响最大。
含碳量越高，越容易得到马氏体组织，且马氏体的硬度随含
碳量的增高而增大。 合金元素的影响与其所处的形态有关。溶于奥氏体时提高淬 硬性(和淬透性)；而形成不溶碳化物、氮化物时，则可成为 非马氏体相变形核的核心，促进细化晶粒，使淬硬性下降。 碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成分对硬化 程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬 （包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。
焊接热影响区显微组织及性能分析
焊接热影响区显微组织及性能分析当我们进行焊接工艺时，焊接热影响区(HAZ)往往会被忽略。
这个区域受到了高温，快速冷却和热应力的影响，导致了焊接材料性能的改变。
因此，对焊接热影响区的显微组织及性能分析至关重要，以便确保焊接后材料的质量和可靠性。
1. 焊接热影响区的显微组织分析焊接热影响区受到的热影响主要包括多种因素，例如熔池温度、加热速率、冷却速率和焊接残余应力。
这导致了焊接热影响区显微组织的改变。
在焊接中，焊接热影响区可以分为三个区域：粗晶区、细晶区和回火区。
(1) 粗晶区：在这个区域，材料暴露在高温下的时间更长，导致了晶粒的长大。
这进一步导致晶粒间的间隔增加，因此这个区域的强度和韧性都会下降。
(2) 细晶区：这个区域中的晶粒被迅速加热并迅速冷却，导致了晶粒尺寸的减小。
然而，这个区域的强度和韧性仍然会下降。
因为这个区域，晶界比粗晶区更脆弱。
(3) 回火区：当焊接完成后，渐进升温，晶格结构变松弛，导致材料中的应力逐渐减小。
这个区域的显微组织与原始材料相似，因为它经历了温度和压力的缓慢升高。
2. 焊接热影响区的性能分析焊接热影响区的性能分析往往涉及到强度和韧性这两个方面。
焊接热影响区不仅影响焊接点的性能，还对整个结构的性能产生影响。
(1) 焊接强度：焊接热影响区的强度是由显微组织和残余应力共同决定的。
因此，在评估焊接强度时，必须对热影响区进行适当的检测。
(2) 焊接韧性：焊接热影响区的韧性能够反应焊接后材料的冲击韧性和裂纹扩展性。
由于热影响区的强度下降，它的韧性也会受到影响，并可能导致焊接点的脆性断裂。
3. 如何提高焊接后材料的性能为了提高焊接点的性能，需要在选择焊接材料、焊接工艺和焊接参数时进行仔细的选择和控制。
同时，还需要进行适当的后处理，例如回火和淬火，以降低焊接热影响区的残余应力和提高焊接点的强度和韧性。
在焊接材料的选择时，必须选择适用于特定应用的焊接材料。
它的成分、热特性和机械特性等方面必须与基础材料相匹配。
5焊接热影响区的组织和性能
5焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）是指在焊接过程中，未被完全熔化但受到高温加热的区域。
在焊接过程中，高温会引起HAZ的组织和性能发生变化，这可能会对焊接接头的性能和可靠性产生重要影响。
本文将讨论HAZ的组织和性能的变化，并重点介绍几个重要的影响因素。
首先，HAZ的组织变化是由高温引起的。
在焊接过程中，焊接电弧和熔化池的高温作用下，HAZ的温度会迅速升高，达到几百摄氏度甚至更高的温度。
高温会导致HAZ中的晶粒长大、晶格变形和相结构改变。
通常情况下，HAZ中的晶粒比母材中的晶粒要大，且晶格常常发生变形。
晶粒尺寸的增加和晶格变形会导致材料硬度的提高，并可能降低材料的韧性。
其次，HAZ的性能变化是由组织变化引起的。
HAZ中的晶粒长大和晶格变形会导致材料的硬度提高，但与此同时，硬度的增加也会导致韧性的降低。
在一些情况下，HAZ还可能出现脆性相的形成，这会极大地降低焊接接头的可靠性。
此外，HAZ还可能出现裂纹和变形等缺陷，这也会对焊接接头的性能产生严重影响。
因此，在焊接接头设计和制造过程中，必须对HAZ的组织和性能进行充分考虑，以确保焊接接头的质量和可靠性。
HAZ的组织和性能变化受多种因素影响，以下列举几个重要因素：1.焊接热输入：焊接热输入是指在单位长度或单位面积上输送到工件中的热量。
热输入的大小与焊接电压、电流和焊接速度等参数有关。
过高或过低的热输入都会导致HAZ中的晶粒长大和晶格变形，从而影响HAZ的性能。
2.材料的化学成分和微观结构：不同材料的化学成分和微观结构会对HAZ的组织和性能产生重要影响。
一些合金元素的存在可以改变晶粒的生长速率和晶格的变形行为。
此外，材料的粗晶相和弥散相等局部微观结构也会对HAZ的性能产生重要影响。
3.冷却速率：冷却速率是指焊接过程中HAZ冷却的速度。
冷却速率的快慢会影响晶粒生长和晶格变形行为。
通常情况下，快速冷却会导致HAZ 中的晶粒更细小，且硬度更高。
焊接原理焊接热影响区组织和性能
3.注意问题
1).热影响区中熔合区,过热区晶粒严重 长大,是焊接接头的薄弱地带. 2).低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急 热的条件下,会表现出高碳钢的行为. 3).成分偏析严重,C.P.S高时易产生淬硬 组织,裂纹.
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二.焊接热影响区的性能
(一)HAZ的硬化 硬度
为了方便起见,常常用硬度的变化来判定 热影响区的性能变化,硬度高的区域,强度 也高,塑性.韧性下降,测定热影响区的硬 度分布可以间接来估计热影响区的强度, 塑性和裂纹倾向影响硬度的因素。
5பைடு நூலகம்
熔合区 焊缝金属 母材
16Mn钢焊接热 影响区
过热 区
不完全重结晶区
6
7
2.易淬火钢
此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热 处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬 火+高回火) 1).完全淬火区 2).不完全淬火区 3).对于调质处理的钢(母材焊前处于调质状 态)回火区以下,发生不同程度的回火处理 ─回火区.组织性能变化取决于焊前调质 状态的温度.
焊接热影响区组织和性能
1
2
3
焊接热影响区的组织和性能
一.焊接热影响区的组织分布
焊接结构钢根据热处理特性不同分为两类 :淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和 不易淬火钢的组织分布.
1.不易淬火钢:如低碳钢,某些不易淬硬的
低合金钢,如16Mn.15MoV.15MnTi等
4
热影响区的组织分布
1).熔合区 2).过热区 3).相变重结晶区 4).不完全重结晶区 对于低碳钢,一些淬硬倾向不大的钢 (16Mn.15MnTi等)除过热区外其它各 区组织基本相同. 低碳钢过热区主要是魏氏组织W
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(二)焊接热影响区的脆化 1)粗晶脆化
焊接热影响区的性能
焊接热影响区（HAZ）与焊缝不同，焊缝可以通过化学成分的调整、再分配及适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性能不可能通过化学成分来调整，它是在热循环作用下才产生的组织分布不均匀性问题。
对于一般焊接结构来讲，主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等，这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。
01焊接热影响区的硬化焊接热影响区的硬度主要决定于被焊钢种的化学成分和冷却条件，其实质是反应不同金相组织的性能。
由于硬度试验比较方便，因此，常用热影响区（一般在熔合区）的最高硬度Hmax判断热影响区的性能，它可以间接预测热影响区的韧性、脆性和抗裂性等。
近年来，尾巴HAZ的Hmax作为评定焊接性的重要标志。
应当指出，即使同一组织，也有不同的硬度。
这与钢的含碳量、合金成分及冷却条件有关。
02焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化常常是引起焊接接头开裂和脆性破坏的主要原因。
目前其脆化的形式有粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等。
①粗晶脆化。
在热循环的作用下，焊接接头的熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。
晶粒粗大严重影响组织的脆性。
一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。
②析出脆化。
在时效或回火过程中，其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其他亚稳定的中间相等。
由于这些新相的析出，使金属或合金的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆化。
③组织脆化。
焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称为组织脆化。
对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化主要是M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组织等造成的。
但对含碳量较高的钢（一般≥0.2%），则组织脆化主要是由高碳马氏体引起的。
④ HAZ的热应变时效脆化。
在制造过程中要对焊接结构进行加工，如下料、剪切、冷变成型、气割、焊接和其他热加工等。
由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接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。
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焊接HAZ的力学性能
焊接热影响区脆化
焊接热影响区脆化有多种类 型：粗晶脆化、析出脆化、 组织脆化、热应变时效脆 化、氢脆化及石墨脆化等。
-
粗晶脆化
晶粒长大是相互吞并、晶界迁移的过程。钢中含有氮、 碳化合物的合金元素（Ti、Nb、Mo、V、W、Cr） 就会阻碍晶界迁移，防止晶粒长大。
Q a D a D0 t exp RT E 4 4 lg(D D0 ) 2 lg
韧性是材料在塑性应变和断裂过程中吸收能量的能力， 是强度和塑性的综合表现。
焊接HAZ的韧性只能通过某些工艺措施在一定范围内 得到改善。
-
母材的原始组织
对于低合金高强钢，母材的合金强化方式和组织状态对 HAZ的韧性有重大影响。
低碳微量多种合金元素的强化体系，在焊接冷却条件下， 使HAZ分布有弥散性的强化质点，并具有足够的韧性， 在组织上希望得到针状铁素体、下贝氏体或低碳马氏 体等组织。
脆化机理：由于析出物出现阻碍位错运动，且析出产物 不均匀，使金属的强度和硬度提高。
“科氏气团”脆化 析出物脆化 相界或晶界析出脆化
遗传脆化
“组织遗传”：某些钢种形成粗化组织后，重结晶得 到的组织仍保留粗晶组织和结晶学的位向关系。
遗传脆化：由组织遗传而引起的脆化。
组织遗传主要发生在有淬硬倾向的调质钢，并在快速 加热和快速冷却的非平衡组织中才能发生。
伊藤等采用Y形坡口对焊接裂纹试验对200多低合金 钢进行研究，建立了Pcm公式：
Si Mn Cu Cr Ni Mo V Pcm C 5B 30 20 60 15 10
碳当量及t8/5与HAZ最高硬度Hmax的关系
H max 1274Pcm 45 H max 559CE( W ) 100
-
Hale Waihona Puke 韧化处理 合理制定焊接工艺、正确选择预热温度，配合后热，可 以在一定范围内提高中碳调质钢焊接HAZ韧性。
例 手工焊30CrMnSiNi2A，采用焊前预热250℃， 后热250℃×1h，HAZ得到9.8%残余A′， 从而提 高焊接HAZ的韧性。
另外，控制焊接线能量对 HAZ韧性也有影响。
E↑晶粒粗化，形成粗大 铁素体，甚至魏氏组织； 低合金钢还可能出现上贝 氏体及M-A组元，对韧性 不利。 E↓出现淬硬组织， 对韧性也不利。
在加热调质钢时，奥氏体的形成可有两种机制，有序 转变和无序转变。
由于非平衡组织从奥氏体中是按有序生成马氏体或贝 氏体，快速加热情况下，很容易按有序转变生成奥 氏体，新生成的奥氏体与原始非平衡组织有一定的 位向关系，新形成的奥氏体继承了原奥氏体的晶粒 大小、形状和取向，这便是组织遗传现象。
研究表明，当非平衡组织加热到Ac3以上，Tr以下时， 除在原始晶粒周界或亚晶界上出现不连续的等轴晶外， 过热粗晶粒组织基本上保留了加热前的大小和形貌。
-
碳当量
碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成 分对硬化程度的影响，是把钢中合金元素按其对淬硬 的影响程度折合成碳的相当含量。
Mn Cu Ni Cr Mo V 6 15 15 Mn Si Ni Cr Mo V Ceq(WES ) C 6 24 40 5 4 14 CE( W ) C
-
HAZ的热应变时效脆化
由各种成形加工引起的局部应变、塑性变形对焊接HAZ 脆化称为热应变时效脆化。
焊接HAZ脆化可分为：
① 静应变时效脆化 在室温或低温下受到预应变后产生的 时效脆性现象称为～。
② 动应变时效脆化 在较高温度下，特别是200～400℃ 的预应变产生的时效脆化称为～。
焊接热影响区的韧化
焊接热影响区的性能
由前面讨论可以得出，热影响区组织分布不均匀，因而 在 性能上也不均匀。对一般焊接结构，主要考虑热影 响区的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合力学性能、 抗腐蚀性能和疲劳性能等。
焊接热影响区的硬化
硬度主要决定于被焊钢材的化学成分和冷却条件，实质 是反映了不同的金相组织和性能。
M-A组元脆化
形成M-A组元的条件：
① 奥氏体的合金化程度越高，奥氏体的稳定性越强，因 此越易形成M-A组元。 ②M-A组元只有在中间冷却速度内最易形成。
析出脆化
析出脆化： 新相析出，使金属或合金的强度、硬度和 脆性提高的现象。
焊接HAZ的熔合区部位在化学成分和组织上的不 均匀比其它更严重，极易产生析出脆化。
0.129 l / E 1.587 10
3
92.64
一般晶粒越粗，脆性 转变温度越高，脆性 增加。
HAZ的粗晶脆化与一般单纯晶粒长大造成脆化不同， 由于化学成分、组织状态不均匀的非平衡态下形成， 脆化程度更严重，常常与组织脆化交混在一起，是两 种脆化的叠加。
- 组织脆化
组织脆化是焊接HAZ出现脆化组织而造成的。 对于常用的低碳低合金高强钢，焊接HAZ的组织脆化 主要是由于出现M-A组元、上贝氏体、粗大的魏氏组 织以及“组织遗传”等。
焊接HAZ的软化
调质钢焊接HAZ的软化
在不同的焊接方法和不同的焊接线能量的条件下，热 影响区中软化最明显的部位大都在Ac1～Ac3之间， 失强最大的部位在Ac1附近。 焊接方法和线能量主要影响软化区宽度。
软化程度可用失强率表示：
B J psd 100% B
热处理强化合金焊接HAZ的软化