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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。:..焊接过程是个局部快速加热到高温并随后冷却的过程,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均匀温度场,温度场的分布决定着焊缝区和热影响区的范围,对焊接接头的质量有着直接影响。由于焊接过程中的特殊传热过程,焊接所连接的材料上距离热源的远近不同,其组织和性能也各有差异。通常将受到焊接热作用后组织和性能相对于基材发生改变的区域称为焊接接头。焊接接头不仅包括结合区,也包括其周围区域。焊接冶金基础焊接时,焊件或同焊接材料被加热到高温而熔化,冷却后形成的结合部分叫做焊缝。焊件材料称为母材。由于局部加热,焊缝邻近区域的母材势必会因热量的传导而受影响。母材因受热的影响(但未熔化)而发生组织与力学性能变化的区域叫热影响区。焊缝与热影响区的交界线叫做熔合线或熔合区,实际为具有一定尺寸的过渡区,常称为熔合区。对于焊接结构件来说,其安全性主要取决于焊接接头,特别是焊接热影响区的组织和性能。焊缝、热影响区与熔合区共同构成焊接接头,如图i—i所示。号缝熔合区I】未变化的母材热影响区图1—1焊接接头示意图I在焊接过程中,随着温度的变化,焊缝区要发生熔化、化学反应、凝固及固态相变一系列过程;热影响区则会发生组织变化。这些变化总称为焊接冶金过程。冶金过程将决定焊缝的成分和接头的组织以及某些缺陷的形成,从而决定了焊接接头的质量。下面就介绍一下焊接冶金的基本知识与基本规律。,被焊金属由于热的输入和传播,和随后而经历加热、熔化(或达到热塑性状态)的凝固及连续冷却过程,称之为焊接热过程。凡是通过局部加热来达到连接金属的焊接方法,不论是熔焊或固态焊接(如电阻焊接、摩擦焊)得焊,由于其加热的瞬时性和局部性使缝附近的母材都经受了一种特殊热循环的作用。其特点为升温速度快,冷却速度快;焊:..接加热的另一个特点为热场分步极不均匀,紧靠焊缝的高温区内接近熔点,远离焊缝的低温区内接近室温,这一加热特点也造成焊件的温度分布不均匀,并随时间而不断变化,参见图1-2。而温度的变化势必影响冶金过程各个阶段的进行。因此,在焊接过程中,焊缝形成的同时不可避免的形成了组织和性能极不均匀的焊接热影响区,使得一些部位的组织和性能变得很坏(如过热区),成为整个焊接接头中的最薄弱的环节,对焊接质量有着控制作用。这就是为什么要重视和研究焊接热影响区组织和性能变化的原因。绯卜酎rA一去尚苑雄幼百卜鳍工也蝴图1-。与磁场、电场一样,温度场观察的对象是空间的一定范围,具体的说就是焊件上各点的温度分布情况。此外,焊件上的温度不仅分布不均匀,而且因热源的运动还将使各点的温度随时间而变化。因此,焊接温度场是某一瞬时的温度场。在焊接过程中,焊件上温度分布的规律总是热源中心处的温度最高,向焊件边缘温度逐渐下降。不同的母材或热源,下降的快慢不同。根据物理学的知识,热量的传递共有传导、对流、辐射三种基本方式。在焊接过程中,上述三种方式都存在。热源的热量传递到焊件主要是通过对流与辐射;母材与焊丝获得热量后在其内部的传递则以传导为主。这里主要关心的是焊件上温度分布与变化规律,因此以传递为主,适当考虑对流与辐射。正常焊接条件下,焊接热源都是以一定速度沿接缝移动的。因此,相应的焊接温度场也是运动的。由电弧或其他集中热源阐述大运动温度场,在加热开始时温度升高的范围会逐渐扩大,而达到一定的极限尺寸后,不再变化,只随热源移动。即热源周围的温度分布变为恒定,将这种状态称为准稳态,其温度场就是准稳态温度场。焊接热源不同其功率不同,加热面积不同,焊接温度场的分布有所差异,进而形成焊接接头时熔合区与热影响区范围有所差别。:..奥氏体奥氏体是碳与合金元素溶解在丫—Fe中的间隙型固溶体,晶格类型为面心立方结构。奥氏体在光学显微镜下呈现规则多边形,由于碳钢中的奥氏体在低温时很不稳定,所以通常不能直接观察到奥氏体,但是可以看到奥氏体晶粒边界遗留的痕迹。用高温金相显微镜能看到高温下的奥氏体。如果钢中加入大量的Mn和Ni等奥氏体化元素,就能大大提高奥氏体在低温下的稳定性,从而使奥氏体组织一直保持到室温,这种钢称为奥氏体钢。奥氏体钢中有挛晶或滑移线,晶界比较直。淬火钢中的残余奥氏体分布在马氏体针的空隙处,颜色浅黄发亮。,是按一定质量比例混合而成的,其中渗碳体的质量分数为12%,铁素体的质量分数为88%。由于渗碳体数量比铁索体少、二者密度又相差不大,因此,片状珠光体中渗碳体呈现窄条,铁素体呈宽条。。如用***酒精腐蚀,由于渗碳体片远比两侧的铁素体片硬,耐磨、耐腐蚀,因此,突起的细薄条是渗碳体,在金相显微镜下看到的细黑线是渗碳体条的阴影。腐蚀后的金相表面闪闪发光,形如珠光,故称为珠光体。珠光体转变具有以下三个主要特点。①珠光体转变是一种扩散型的相变,必须有足够的能量和扩散时间,因此必须存在一个孕育期。②随着温度降低,过冷度增大,能量梯度加大,使孕育期缩短,转变速度加快,成核率增高,渗碳体薄片间距缩短。但当温度进一步降低时,由于扩散速度减慢而使转变速度降低。③珠光体组织的形貌取决于钢的转变温度和冷却速度。冷却速度越低,转变温度越低,珠光体片间距离越小,组织越细密。显微镜放大倍数500倍以下能分辨层片状珠光体,500倍以上能分辨层片状索氏体。电子显微镜下才能分辨层者称屈氏体。从奥氏体直接冷却获得的珠光体一般呈片状。电子显微镜金相分析证明,无论是索氏体还是屈氏体,都仍然是铁素体和渗碳体层片相间的组织。所以又将珠光体、索氏体和屈氏体统称为珠光体类组织。珠光体、索氏体和屈氏体之间的差别可以从片间距和硬度来表征。-Fe中的固溶体。铁素体与渗碳体相比,是个软韧的相。亚共析钢高温快冷,铁素体在晶粒内呈针状,慢冷呈块状,或沿晶粒边界析出。铁素体晶界比较圆滑,很少见挛晶或滑移线。光学显微镜下观察到的铁素体颜色呈浅绿色,加深浸蚀稍变暗。:..渗碳体是碳与铁和合金元素的化合物,%,属斜方晶格。一次渗碳体为块状,边角不尖锐;共晶渗碳体呈骨骼状,破碎后呈多角形块状。二次渗碳体可呈网状、带状、针状。共析渗碳体呈片状,退火、回火后呈球状、点状。渗碳体硬度很高,但韧性极低,几乎等于0,所以非常脆。渗碳体在钢与铸铁中呈片状、球状、网状或板状(一次渗碳体),是碳钢中的主要强化相。渗碳体的形状与分布对钢的性能有很大的影响。钢中的一次渗碳体多在树枝晶间处,二次渗碳体可在晶粒内、晶界处;三次渗碳体析出到二次渗碳体或晶界处。光学显微镜下观察到渗碳体颜色白亮,退火状态呈珠光色。渗碳体也可以与其他元素形成固溶体,其中碳原子可能被氮等小原子置换,而铁原子可被其他金属原子(Mn、Cr等)代替,这种以渗碳体为基的固溶体称为合金渗碳体。:①无碳贝氏体在低、中碳合金钢的贝氏体形成温度范围内的高温区域内形成。基本无碳,与魏氏组织相似,只是尺寸更细些,铁素体针片间为珠光体或马氏体,或两者的混合。②上贝氏体是含碳过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物,渗碳体在铁素体在铁素体针之间,是过冷奥氏体在中温区(约350550C)的相变产物,以晶界为对称轴呈羽毛状。这种羽毛组织是由平行排列的针状或板条状铁素体间的短条状渗碳体所组成,短条状渗碳体的方向大体与板条状铁素体平行。羽毛可对称,也可以不对称,铁素体羽毛针可呈板条状、点状、块状。高碳合金钢中的针看不清楚,呈灰蓝黑色;中碳中合金钢中的针较清楚,羽毛状明显;低碳低合金钢中的羽毛很清楚,针粗。上贝氏体转变一般在晶界处形成,经晶内长大,不穿晶。③下贝氏体在针片状铁素体基体上分布着很细的碳化物片,这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈55度66度的角度。是过冷奥氏体在中温区(350c以下至马氏体点M以上)形成的产物。在晶内呈针状、两端尖、针叶基本不交叉,但可交换,与回火马氏体不易区分。不同之处是:马氏体有层次之分,下贝氏体颜色一致,没有层次分别。下贝氏体的炭化物质点比回火马氏体粗,易受侵蚀变黑,回火马氏体颜色较浅,不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢大,针也比较细,颜色蓝黑;低碳低合金钢中的下贝氏体为灰色。④粒状贝氏体大块铁素体内包含着一些渗碳体颗粒和“小岛状”组织。这些小岛状组织起初是富碳的奥氏体,在随后的转变过程中可分解为铁素体和渗碳体,或转变为马氏体,或仍保留为奥氏体。—Fe中的过饱和固溶体。当钢的碳含量较低时,钢自奥氏体态急速冷却时,奥氏体将从Ms点开始,在连续冷却过程中转变为板条状马氏体,又称为低碳马氏体。板条状马氏体束与束之间的位向较大。在一个原始奥氏体晶粒内可有几个取向不同可板条马氏体束,每一束马氏体是由许多板条马氏体组成。板条马氏体形似薄木条,相互平行排列在一个晶面上。①针状马氏体高碳奥氏体形成片状马氏体,也称为针状马氏体。在每个奥氏体晶粒内马氏体针具有一定的几何取向,长大时不能穿越奥氏体晶界。针状马氏体的立体形态呈双:..或竹叶状,而且针状的取向是多方位的。针状马氏体的形成温度较低,不可能经受“自回火”作用,在显微镜下观察到的多半是白色的针状组织。由奥氏体晶粒形成的第一片马氏体一般比较粗大,横贯整个奥氏体晶粒;并将奥氏体一分为二,以后相继形成的马氏体片就受到限制,尺寸较小。这样,在一个奥氏体晶粒内形成的马氏体大小不均匀。有些片状马氏体的中间有一条中脊线。片状马氏体之间没有转变的奥氏体,称为残余奥氏体。在实际生产中,马氏体需经过回火后使用。②板条马氏体回火低碳马氏体的组织形态呈板条状,又称为板条马氏体。在低碳低合金钢焊缝及热影响区中形成的马氏体多半是板条马氏体。在某些情况下,下贝氏体与板条马氏体组织很难区分的,这时需借助电子显微镜来加以鉴别。板条马氏体的形貌具有典型特征。在光学显微镜下观察,板条马氏体是呈束状定向排列的()条状晶体。在每束晶体中,相同取向的相邻板条以小角度晶界相间,而不同取向的板条之间存在大角度晶界。在一个奥氏体晶粒内,往往形成有限的几个晶区,一个晶区就是一组板条束。魏氏组织魏氏组织是针状铁素体或渗碳体呈方向性的分布在珠光体上的显微住在。亚共析钢中,先共析体铁素体不仅沿晶界析出,而且也在晶内沿一定晶面呈针状或片状析出。过热的中碳或低碳钢在较快的冷却速度下容易产生魏氏组织。在过共析钢中,先共析渗碳体针或片在奥氏体晶粒内部互成一定角度排列,不穿晶,也可见到晶内不连晶界的针。铸钢的组织一般比较粗大,容易出现魏氏组织。焊缝金属的显微组织与性能在化学成分一定的条件下,焊缝金属的性能取决于组织。焊缝金属的组织则与结晶过程和固态相变有关。随焊接热源的前进,熔池温度开始下降,而进入从液态到固态的结晶过程。焊缝的结晶过程服从金属结晶的普遍规律;结晶温度总是低于理论结晶温度,即结晶过程是在一定过冷度的条件下才能进行。此外,焊缝金属的结晶也是由形核与长大两个基本过程组成。但是焊接热循环的特殊条件,也将对焊缝结晶过程产生明显的影响。因此,讨论焊缝结晶时必须结合焊接热循环的特点与焊缝具体的工艺条件。焊接熔池完全凝固以后,随着连续冷却过程进行,大多数焊缝金属将发生固态相变。其相变产生的显微组织决定于焊缝金属的化学成分和冷却条件,此处以低碳钢和低合金钢的焊缝金属为例加以说明。,固态相变后的显微组织主要是铁素体和少量珠光体,铁素体首先沿原奥氏体边界析出,其晶粒十分粗大。相同化学成分的焊缝金属,由于冷却速度不同,也会使其显微组织有明显的不同,冷却速度越大,焊缝金属中的珠光体越多,而且组织细化,硬度增高。:..1-2),其特征是铁素体在原奥氏体晶粒内部沿一定方向析出,具有长短不一的针状或片条状,可直接插入珠光体晶粒中。一般认为它是一种多相组织,是晶界铁素体、侧板条铁素体和珠光体混合组织的总和。这种组织的塑性和冲击韧性差,但脆性转变温度上升。魏氏组织是在一定的含碳量,一定冷却速度下形成的,在粗晶奥氏体中更容易形成,其条件如图方法。图1—2低碳钢焊缝中的魏氏组织(400X)低合金钢焊缝的显微组织与性能铁素体低合金钢焊缝中的铁素体大致分为以下四类:(1)先共析铁素体是焊缝在高温区(转变温度约在770680C)沿奥氏体晶界首先析出的铁素体,因此也称为晶界铁素体,在晶界析出的形态可以是长条形沿晶扩展,也可以是多边形块状,互相连接沿晶分布,如图1-3所示。晶界铁素体析出的数量与焊缝成分及焊接热循环的冷却条件有关,合金含量较低、高温停留时间较长、冷却较慢时,其量就较多,其内部的位错密度较低,低屈服点的脆弱相,使焊缝金属韧性下降。:..侧板条铁素体其形成温度比先共析铁素体稍低,转变温度范围较宽,约为700550Co它一般从晶界铁素体的侧面以板条状向晶内生长,从形态上看如镐牙状,其长宽比在20:1以上,如图1—4所示,它使焊缝金属韧性显著下降。a)b)图1-4低合金钢焊缝中的侧板条铁素体a)Q420钢焊缝(J507焊条)(160X)b)Q420钢焊缝(J507焊条)(400X)(3)针状铁素体,其形成温度比侧板条铁素体更低些,约在500c附近,在中等冷却速度才能得到,它在原奥氏体晶内以针状分布,其宽度约为2um,长宽3:1至5:1范围内,常以某些弥散氧化物或氮化物夹杂物质点为核心放射性成长,使形成的针状铁素体相互限制而不能任意长大,如图1—5所示。:..a))图1—5低合金钢焊缝中的针状铁素体Q420钢焊缝晶内(500X)Q420钢焊缝晶内(800X)(4)细晶铁素体一般是在有细化晶粒的元素(如Ti、B等)存在的条件下,在奥氏体晶粒内形成的铁素体,在细晶之间有珠光体和碳化物析出,如图1—6所示。它实质上是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物,故又称贝氏铁素体。转变温度一般在500c以下,如果在更低的温度转变时(约为450C),可转变为上贝氏体。-6低合金钢焊缝中的细晶铁素体(含少量珠光体)550c以下,:..WQ420钢(J507焊条)焊缝中的细晶铁素体(400X珠光体是在接***衡状态下低合金钢常见的组织,珠光体转变大约发生在:..1—7所示。图1—7低合金钢焊缝中的珠光体组织a)铁素体+珠光体(400x)b)托氏体(150x)c)索氏体(150X)贝氏体贝氏体转变属于中温转变,,可分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体的特征为,在光学显微镜下呈羽毛状,一般沿奥氏体晶界析出。在电镜下可以看出,相邻条状晶的位向接近于平行,且在平行的条状铁素体间分布有渗碳体。在各类贝氏体中以上贝氏体的韧性最差。下贝氏体的特征为,在光学显微镜下观察时,有些与回火片状马氏体相似。在电镜下可以看到许多针状铁素体和针状渗碳体机械混合,针与针之间呈一定的角度。下贝氏体具有强度和韧性均良好的综合性能。如图1—8所示。图1—7低合金钢焊缝中的贝氏体组织a)上贝氏体(500x)b)下贝氏体(300x)c)粒状贝氏体(150X),在快速冷却条件下,奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变,根据其含碳量不同,可形成不同形态的马氏体。:..板条马氏体是低碳合金钢焊缝金属中最常出现的马氏体形态,它的特征是在奥氏体晶粒内部平行生长的成群的细条状马氏体板条图1-9所示,由于这种马氏体的含碳量的,故也称低碳马氏体。这种马氏体不仅具有较高的强度,同时也具有良好的韧性,抗裂能力强,在各种马氏体中它的综合性能最好。(2)马氏体当焊缝中含碳量较高时,将会出现片状马氏体,它与低碳板条马氏体在形态上的主要区别是:马氏体片状不相互平行,初始形成的马氏体较粗大,往往贯穿整个奥氏体晶粒,使以后形成的马氏体片受阻碍。因其含碳量较高,所以又称高碳马氏体。这种马氏体硬度高而脆,容易产生焊缝冷裂纹,是焊缝中应予避免的组织。图1—9低碳钢中的马氏体组织(500X)焊接热影响区焊接热影响区是一个相对狭窄的区域,而在这狭窄的区域内,存在着组织层状变化,决定了焊接接头力学性能的梯度变化。然而,焊接热影响区各局部位置所经历的焊接热循环,实质上是各自在进行着一个特殊的热处理过程,从而会在整个热影响区引起不均匀的组织变化,显然会对焊接接头的组织和性能发生强烈的影响。问题在于这种焊接热循环所造成的热处理,往往带给焊接接头以不良的效果,对于不同的金属,会在热影响区的不同部位引起不同的组织。由于焊接热影响区是焊缝附近母材受到焊接热循环作用后形成的一个组织和性能不同:..过热区该区邻近焊缝,它的温度范围包括了从晶粒急剧长大的温度开始一直到固相线温度,对于普通的低碳钢来说,大约在11001490c之间,由于加热温度很高,特别是在固相线附近处,一些难溶质点(如碳化物和***化物等)也都溶入奥氏体,因此奥氏体晶粒长得非常粗大。这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成一种特殊的过热组织一一魏氏组织。其组织特征为:魏氏组织中的铁素体是以切变机制形成的;往往由晶界网状铁素体向奥氏体晶粒内部生长,在一个粗大的奥氏体晶粒内形成许多平行的铁素体片,在铁素体片之间的剩余奥图1—10低碳钢母材显微组织图1—11低合金钢母材显微组织氏体最后转变称为珠光体如图这种魏氏组织是由结晶位向相近的铁素体片形成的粗大组织单元,严重的降低了热影响区的韧性。重结晶区该区加热到的峰值温度范围对于普通钢的低碳钢来说大约在900?1100c之间,该区的组织特征是由于在加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变的作用,使晶粒得到显著的细:..化,对于不易淬火钢来说,该区冷却下来后的组织为均匀而细小的铁素体和珠光体,相当于低碳钢正火处理后的细晶粒组织。因此,该区具有较高的力学性能,甚至还优于母材的性能。不完全重结晶区该区加热到的峰值温度范围对于普通钢的低碳钢来说大约在750900C之间。该区的特点为,只有部分金属经受了重结晶相变,剩余部分为未经重结晶的原始铁素体晶粒。因此,它是一个粗晶粒和细晶粒的混合区。不易淬火钢该区的组织为在为经重结晶的粗大铁素体之间分布有经重结晶后的细小铁素体和粒状珠光体的群体。由于这一区域除了细的粒状珠光体图1—14低碳钢重结晶区显微组织图1—15低合金钢重结晶区显微组织外,还存在有部分未经重结晶的粗大的铁素体,因此它的力学性能也并不很好。再结晶区再结晶与重结晶不同,其发生温度低于相变点,重结晶时金属的内部晶体结构要发生变化,即指的是同素异构转变时金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。低碳钢再结晶区的组织为等轴铁素体晶粒,明显不同于母材冷作变形后的纤维状组织,再结晶区的强度和硬图1-16低碳钢不完全重结晶区显微组织图1-17低合金钢不完全重结晶区显微组织:..接头中也是一个软化区。