焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织4课件.pptx

1、第第4 4章熔池凝固与焊缝组织章熔池凝固与焊缝组织4.1 焊接熔池的结晶形核焊接熔池的结晶形核4.2 焊接熔池的晶核长大焊接熔池的晶核长大4.3 焊缝的凝固组织焊缝的凝固组织4.4 焊缝金属的不均匀性焊缝金属的不均匀性4.5 焊缝金属的固态转变焊缝金属的固态转变4.5 焊缝金属的固态相变焊缝金属的固态相变4.5.1 低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的类型低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的类型1、铁素体转变、铁素体转变先共析铁素体（先共析铁素体（Proeutectoid Ferrite，PF）特点：特点：1）转变温度高，770680；2）沿奥氏体晶界析出，晶界铁素体（Grain Boundary Fer

2、rite，GBF）；形态：形态：条状分布在奥氏体晶界，有时也以块状出现，块状铁素体影响因素：影响因素：与钢的化学成分和焊接条件（焊接热循环的冷却条件）有关，一般而言，高温停留时间越长，冷却速度越慢，先共析铁素体越多16Mn钢双丝半自动埋弧焊焊缝柱晶区先共析铁素体15MnVN钢焊条电弧焊等轴晶区先共析铁素体侧板条铁素体侧板条铁素体(Ferrite Side Plate，FSP)20钢等离子弧焊焊缝中的侧板条铁素体焊缝中心等轴晶区焊缝柱晶区特点：特点：1）形成温度比GBF稍低，约在700550；2）奥氏体晶界先共析铁素体的侧面以板条状向奥氏体晶内成长，板条的长宽比约为20:1，从形态上看如镐牙状。

3、针状铁素体针状铁素体(Acicular Ferrite，AF)特点：特点：形成温度比侧板条铁素体更低些(约在500附近形成)，大部分在奥氏体晶内形成，常以某些质点（主要是氧化物夹杂）为核心放射性成长。针状铁素体的增加可以显著改善焊缝金属的力学性能。焊条电弧焊Fe-Cr-C 低合金焊缝金属中的针状铁素体焊条电弧焊C-Mn-Ni 低合金焊缝金属中针状铁素体内的氧化物夹杂核心细晶铁素体（细晶铁素体（Fine grain Ferrite，FGF）当钢中有细化晶粒的元素如（Ti，B等）存在且转变温度较低时，在奥氏体晶内可形成细小的铁素体，在细晶之间有Fe3C析出。从其本质来讲，细晶是介于铁素体与贝氏体之

4、间的转变产物，故又称为贝氏铁素体（Bainitic Ferrite）。细晶铁素体的转变温度通常在500以下，如果在更低的温度转变（约445）可转变为上贝氏体。16Mn钢手工电弧焊多层焊焊缝层间细晶铁素体含铌（Nb）低合金管线钢焊缝中的细晶铁素体2、珠光体转变、珠光体转变 在缓慢冷却条件下珠光体转变大体发生在Ar1550之间，其转变产物是铁素体和渗碳体的两相混合物。根据组织中渗碳体的形态，可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。片状珠光体随冷速增大，转变温度降低（过冷度增大），片层间距减小。根据片层间距的大小（片层细密程度），片状珠光体又可分为片状珠光体（Lamellar Pearlite）、索氏体(

5、Sorbite)和屈氏体(Tyusite)三种。低碳钢气体保护电弧焊（GMAW）焊缝金属（添加Nb）中的珠光体片状珠光体（1020 2h正火）索氏体（920 2h正火）3、贝氏体转变、贝氏体转变奥氏体化的钢过冷到Bs（约550）-Ms温度范围进行等温将发生贝氏体转变。贝氏体转变是中温转变，一种介于扩散性珠光体转变与非扩散性马氏体转变之间的中间转变。按照贝氏体的生成温度区间和形貌（结构）特征可分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。光学显微镜扫描电镜透射电镜1）上贝氏体）上贝氏体组织形态：组织形态：似羽毛状，铁素体大致平行，取向差约为似羽毛状，铁素体大致平行，取向差约为68，渗碳体，渗碳体分布于铁素

6、体板条之间，沿长轴方向成短竿状、链状或粒分布于铁素体板条之间，沿长轴方向成短竿状、链状或粒状不连续排列；状不连续排列；形成条件：形成条件：550450区域转变产物；区域转变产物；力学性能：力学性能：冲击韧性较差，生产上应力求避免。冲击韧性较差，生产上应力求避免。2）下贝氏体）下贝氏体组织形态：组织形态：在显微镜下呈黑色针状，各针之间有一定的交角，电镜下可以在显微镜下呈黑色针状，各针之间有一定的交角，电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成铁素体片的长轴成5560的角度；的角度；形成条件形成条件：4

7、50Ms区域转变产物；区域转变产物；力学性能：力学性能：冲击韧性较好。冲击韧性较好。光学显微镜扫描电镜透射电镜3）粒状贝氏体）粒状贝氏体组织形态：组织形态：块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成，岛状富碳奥氏体根据冷块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成，岛状富碳奥氏体根据冷却条件和奥氏体稳定性的不同却条件和奥氏体稳定性的不同（1）部分或全部分解为铁素体部分或全部分解为铁素体和碳化物，和碳化物，（2）部分富碳奥氏体转变为马氏体，出现马氏体部分富碳奥氏体转变为马氏体，出现马氏体+残余奥氏体组织，称为残余奥氏体组织，称为M-A组元（可能性最大），组元（可能性最大），（3）富碳奥富碳奥氏体全部保留至室温。氏体全

8、部保留至室温。形成条件：形成条件：低碳或中碳合金钢，一定速度连续冷却，稍高于上贝氏体形成低碳或中碳合金钢，一定速度连续冷却，稍高于上贝氏体形成温度温度力学性能：力学性能：强度最低，仍有较好的韧性强度最低，仍有较好的韧性光学显微镜扫描电镜透射电镜M-AM-AF上贝氏体下贝氏体粒状/条状贝氏体下贝氏体中针状铁素体内的碳化物低合金钢焊缝中的贝氏体4、马氏体转变、马氏体转变当焊缝的含碳量偏高或合金元素较复杂时，在快速冷却的条件下，奥氏体过冷到M 温度以下将发生马氏体转变。马氏体转变是典型的非扩散型相变，此时铁原子和碳原子都不能扩散，相变过程中完全依靠切变进行点阵重构，没有成分变化，因此，马氏体也被视为

9、碳在 中的过饱和固溶体。按组织形态分类，马氏体主要有板条马氏体（低碳马氏体）和片状马氏体两种（高碳马氏体）。焊缝板条马氏体组织焊缝板条马氏体显微结构1）板条马氏体）板条马氏体组织形态组织形态：奥氏体晶粒的内部形成几束马氏体板条，束与束之间具有一定的交角；在透射电镜下观察可以看到，板条马氏体内位错密度较高，又称位错马氏体、低碳马氏体。形成条件形成条件：含碳量低的低碳钢和低合金钢、连续冷却、温度低于Ms点形成机理：形成机理：点阵重构的切变主要以滑移方式进行焊缝片状马氏体组织片状马氏体中的孪晶带2）片状马氏体）片状马氏体组织形态：组织形态：粗大的片状、竹叶状，马氏体片之间不平行形成条件：形成条件：含

10、碳量（或碳当量）较高(C0.4)，又称高碳马氏体。形成机理：形成机理：点阵重构的切变主要以孪生方式进行，又称孪晶马氏体低碳钢和低合金钢焊缝固态转变的分类及其组织形态和显微结构4.5.2 低碳钢和低合金钢焊缝的固态转变组织低碳钢和低合金钢焊缝的固态转变组织1、低碳钢焊缝的固态组织转变、低碳钢焊缝的固态组织转变低碳钢焊缝含碳量较低，其固态转变组织相对简单，通常都是铁素体加少量珠光体。铁素体与珠光体的相对量与钢的含碳量及冷却速度有关，一般地说，随冷却速度提高焊缝珠光体增加、硬度增加而塑性降低焊缝冷却速度(/s)焊缝组织（%）焊缝硬度 （HV）铁素体 珠光体15103550110 82 79 65 6

11、1 40 38 18 21 35 39 60 621651671851952052282、低合金钢焊缝的固态转变组织、低合金钢焊缝的固态转变组织低合金钢焊缝的固态转变组织比较丰富，随焊接材料化学成分和焊接条件（热循环条件）的不同，各种固态转变类型及其组织在低合金钢焊缝中均有出现的可能，一般情况下是几种组织（相）的混合组织。由于焊缝含碳量普遍低于母材，在多数情况下低合金钢焊缝组织仍以铁素体和珠光体为主，但在高强钢焊缝中，也会有贝氏体甚至马氏体组织。钢的连续冷却组织转变图（CCT图）原理一样，焊缝金属的固态转变组织可以借助“焊缝金属连续冷却组织转变图”（简称“WM-CCT图”）来进行预测3、低合金

12、钢焊缝固态转变组织的影响因素、低合金钢焊缝固态转变组织的影响因素 合金元素合金元素合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响随着合金元素含量的增加，连续冷却转变图将向较长的时间和较低的温度方向移动，亦即意味着随合金元素增加，在相同冷却速度条件下，焊缝更容易得到较低温度的转变组织（如贝氏体、马氏体等）焊缝金属Ti含量对API 5L-X70 管线钢埋弧焊焊缝组织结构的影响0.004Ti0.02Ti0.05Ti0.09Ti 含氧量含氧量合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响焊缝中的氧对连续冷却组织转变图的位置有明显影响，随氧含量的增加，CCT 图或WM-CCT图会向较短的时间和较高的

13、温度方向移动，焊缝更容易得到较高温度的转变组织SAE 1020钢（0.196C-0.6Mn-0.26Si）埋弧焊焊缝组织线能量2kJ/mm线能量0.5kJ/mm 焊接工艺焊接工艺合金元素和氧含量对低合金钢焊缝固态转变行为的影响主要体现在改变冷却速度。对手工电弧焊堆焊0.08C-0.4S-1.5Mn-0.4Mo 焊缝组织的影响8 5t1.89s,B+M0.94s,M 12.03s,Bu4.06s,BL4.5.3 焊缝固态转变组织的调控焊缝固态转变组织的调控1、冶金调控、冶金调控添加合金元素，如添加Ti、B、Zr等细化晶粒。2、焊接参数调控、焊接参数调控主要控制冷却速度，获得希望的组织、避免和减少有害组织。3、焊后热处理、焊后热处理热处理包括正火、回火和调质等，常见的方法可以整体热处理或局部热处理、跟踪热处理等。A3钢多层埋弧焊焊缝组织末道焊缝组织层间焊缝组织4、多层多道焊、多层多道焊前一层焊缝的余热对后一层焊缝的焊接相当于预热，而后一层焊缝的焊接对前一层焊缝可以起到热处理的作用。对于厚板焊接，低线能量的多层焊接往往比大线能量的单道焊接具有更好的性能。5、锤击焊道、锤击焊道使焊缝金属产生塑性变形，细化焊缝固态转变组织