碳钢焊缝、热影响区魏氏组织的形成及性能特点
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）
共析转变(三)
亚共析钢中先共析铁素体的析出：
1. 块状F的析出
当P转变温度高，Fe原子自扩散便利，且晶粒较细时；
2. 网状F的析出
当转变温度较高，或冷速较大、A晶粒粗大时，Fe自扩 散能力下降，F易沿晶界析出并连成网状；
3. 片状F的析出
当转变温度较低，晶粒粗大时；
过共析钢中先共析渗碳体的析出：
过共析钢加热到Acm温度以上，经保温获得均匀奥氏体 后，再在Acm点以下GS延长线以上等温保持或缓慢冷
② 晶体点阵重构
珠光体团：珠光体片层方向大致相同的区域。
珠光体片间距SO
8.02 S0 10 3 nm T
过冷度越大，片间距 越小
不同的温度形成的珠光体片层间距不同：
在温度区间（A1～ 650℃）：SO大约为400nm;珠光体P 在温度区间（650℃～600℃）：SO大约为400nm～200nm，称为索氏体S 在温度区间（600℃～500℃）：SO小于200nm，称为托氏体T（或屈氏体）
当含碳量为0.77%的奥氏体（ γ）冷却到共析温度（727℃ ），将分解成铁素体（α）和 渗碳体（Fe3C）的机械混合 物——珠光体转变
0.77%C 0.0218%C Fe3C6.69%C
珠光体： 铁素体、渗碳体交替分布的片层状共析组织.
珠光体的形成过程：
① 碳的扩散；
二、珠光体的形成过程：
珠 光 体 形 成 过 程
碳 的 扩 散 过 程
三、共析转变动力学
共析转变和其他类型的相变一样，也遵循着形核和长大的过程。
1、影响因素：
影响形核率I和长大速度μ的因素有①过冷度的大小和②等温时间。
结论：形核率I和长大速度μ随过冷度的增大先增后减小！
魏氏组织形成原因的及如何解决
魏氏组织的形成原因及如何解决魏氏体的起因我们认为：一是锻造的加热温度过高；二是冷却速度过快所致；在亚共析钢或过共析钢中，由高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，呈针状析出。
在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界上生长出来的铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的组织。
这种组织称为魏氏组织。
实际生产中遇到的魏氏组织大多是铁素体魏氏组织.魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现，魏氏体的危害：1.在最终热处理会有增大变形的倾向；2.使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。
魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。
钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。
钢中的魏氏组织一般可通过细化晶粒的正火、退火以及锻造等方法加以消除，程度严重的可采用二次正火方法加以消除。
带状组织产生，低碳钢在低温锻造时候会形成带状组织，一般通过正火可以消除。
魏氏体产生，锻造时候，热处理的时候过热组织，缓慢冷却产生。
一般可以通过高温退火或多次正火消除！这两种组织会引起强度降低，对低温冲击更敏感，会明显降低低温冲击值！魏氏体组织是含碳0.6%的碳钢或低合金钢在奥氏体晶粒体较粗和冷速适中的条件下，先共析出铁素体呈片状或粗大羽毛状，与原奥氏体呈一定的位向关系的组织。
过共析钢魏氏体组织中的渗碳体呈针状或杆状出现于原奥氏体晶粒内部。
热锻造中的魏氏组织是怎么产生的？后续的热处理工序怎么去消除它？锻造后比较高的温度淬火，也就是直接放入水中冷却就会形成魏氏体。
锻后正火就可以消除。
淬火操作不会造就魏氏体。
回复5#含碳量＜0.5%时，先共析铁素体常分为:轴状、网状及针状三类奥氏体晶粒较细，冷速较快，多呈轴状；奥氏体晶粒较粗，冷速较慢，多呈网；奥氏体晶粒粗大，冷速较适中，多呈针状。
所以魏氏组织是在奥氏体晶粒粗大的前提下，空冷时在适中的冷速下析出片状、针状铁素体形成的。
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
材料成形原理 试 卷(4)
试题一一、填空题1、液体原子的分布特征为 长程 无序、短程 有序。
实际液态金属存在着能量、结构 和成分三种起伏 。
2、物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 正 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 反 比。
衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越 小 。
非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角越小，非均质形核率越 大 ；硫等杂质元素降低Fe 液表面张力，所以 增大 凝固热裂纹倾向。
3、合金的液相线温度T L 及固相线温度T S之差越大，其浇注过程的充型能力越 差 ，凝固过程越倾向于体积凝固方式，缩松形成倾向越 大 ，热裂倾向越 大 。
4、晶体连续生长速度与动力学过冷度ΔT k成 正 比关系。
过冷度较小时，晶体台阶方式生长速度比连续生长的 小 ，过冷度很大时，两者速度相等．．。
5、根据“成分过冷”的判据，固液界面处的温度梯度G L 越 小 ，合金原始成分C 0越 大 ，平衡分配系数K 0（K 0<1情况下）越 小 ，则成分过冷倾向越大。
6、对于气体在金属中溶解为吸热反应的情况，气体的溶解度随温度 降低 而降低。
氢在Fe 液中溶解度随熔滴过渡频率的增大而 降低 ，随焊接气氛氧化性的 增强 而降低。
7、根据熔渣粘度随温度变化速率，可将焊接熔渣分为“长渣”与“短渣”。
“ 长 渣”是指随温度升高而粘度下降速度缓慢的熔渣。
碱性渣为“ 短 渣”，含SiO 2多的酸性渣为“ 长 渣”。
8、熔炼钢时，根据脱磷反应原理，提高脱磷效率的原则是希望 低 温、高碱度、 强 氧化性（FeO ）熔渣、熔渣的粘度低及足够的渣量。
9、影响钢焊缝冷裂纹的三大主要因素是 拘束应力状态 、 氢的含量及分布 以及钢的淬硬倾向 。
10、铸件产生集中性缩孔及分散性缩松的根本原因是金属的液态收缩和凝固收缩之和 大 于固态收缩，对产生集中性缩孔倾向大的合金，通常采用“顺序 凝固”的工艺原则。
二、判断题 请判断以下各种说法是否正确，正确的请在括号中打“√”，错误的请打“×”1、成分确定的合金，其铸件断面固液两相区的宽度取决于铸件断面温度梯度[ √ ]。
魏氏组织形成原因的及如何解决
魏氏组织的形成原因及如何解决魏氏体的起因我们认为：一是锻造的加热温度过高；二是冷却速度过快所致；在亚共析钢或过共析钢中，由高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，呈针状析出。
在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界上生长出来的铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的组织。
这种组织称为魏氏组织。
实际生产中遇到的魏氏组织大多是铁素体魏氏组织.魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现，魏氏体的危害：1.在最终热处理会有增大变形的倾向；2.使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。
魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。
钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。
钢中的魏氏组织一般可通过细化晶粒的正火、退火以及锻造等方法加以消除，程度严重的可采用二次正火方法加以消除。
带状组织产生，低碳钢在低温锻造时候会形成带状组织，一般通过正火可以消除。
魏氏体产生，锻造时候，热处理的时候过热组织，缓慢冷却产生。
一般可以通过高温退火或多次正火消除！这两种组织会引起强度降低，对低温冲击更敏感，会明显降低低温冲击值！魏氏体组织是含碳0.6%的碳钢或低合金钢在奥氏体晶粒体较粗和冷速适中的条件下，先共析出铁素体呈片状或粗大羽毛状，与原奥氏体呈一定的位向关系的组织。
过共析钢魏氏体组织中的渗碳体呈针状或杆状出现于原奥氏体晶粒内部。
热锻造中的魏氏组织是怎么产生的？后续的热处理工序怎么去消除它？锻造后比较高的温度淬火，也就是直接放入水中冷却就会形成魏氏体。
锻后正火就可以消除。
淬火操作不会造就魏氏体。
回复5#含碳量＜0.5%时，先共析铁素体常分为:轴状、网状及针状三类奥氏体晶粒较细，冷速较快，多呈轴状；奥氏体晶粒较粗，冷速较慢，多呈网；奥氏体晶粒粗大，冷速较适中，多呈针状。
所以魏氏组织是在奥氏体晶粒粗大的前提下，空冷时在适中的冷速下析出片状、针状铁素体形成的。
材料成型原理(材料成形热过程) 资料习题
材料成型原理（材料成形热过程） 资料习题1、与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短（3） 热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。
2、影响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。
•热源的性质•焊接工艺参数•被焊金属的热物理性质•焊件的板厚和形状3、何谓焊接热循环？答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。
焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？•加热速度•峰值温度•高温停留时间•冷却速度 或 冷却时间决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。
（2）峰值温度Ｔmax 。
距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。
焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。
（3）相变温度以上的停留时间t H 在相变温度T H 以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。
（4）冷却速度ωC (或冷却时间t 8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。
对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。
也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t 8 / 5，800～300℃的冷却时间t 8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t 100。
5、焊接热循环中冷却时间5/8t 、3/8t 、100t 的含义是什么？焊接热循环中的冷却时间5/8t 表示从800︒C 冷却到500︒C 的冷却时间。