第04讲材料成型热过程4精.ppt
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1、第04讲材料成型热过程4301第1页,本讲稿共33页302 1.4.2 1.4.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能v焊接热影响区组织分布的不均匀性,必然要反映在性能上焊接热影响区组织分布的不均匀性,必然要反映在性能上的差异。的差异。v对于一般的焊接结构来讲,主要是考虑热影响区的硬度对于一般的焊接结构来讲,主要是考虑热影响区的硬度变化、力学性能、脆化倾向和软化现象。变化、力学性能、脆化倾向和软化现象。第2页,本讲稿共33页303 1 1、焊接热影响区的力学性能焊接热影响区的力学性能v采用焊接热模拟技术,研究焊接热采用焊接热模拟技术,研究焊接热影响区不同部位的力学性能。影响区不同部位的力学性
2、能。v图图1-221-22是淬硬倾向不大的钢种是淬硬倾向不大的钢种(相当于相当于16Mn16Mn钢钢)热影响区的常热影响区的常温力学性能。温力学性能。v由该图可以看出,当加热最高温度由该图可以看出,当加热最高温度超过超过900900以后,随着加热最高温以后,随着加热最高温度的升高,强度、硬度升高,而塑度的升高,强度、硬度升高,而塑性下降;性下降;图图1-22 1-22 热影响区的力学性能热影响区的力学性能(C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%)第3页,本讲稿共33页304v当当T Tm m值达到值达到13001300附近时,强附近
3、时,强度达到最高值度达到最高值(相当于粗晶过热相当于粗晶过热区区);在在T Tm m超过超过13001300的部位,在的部位,在塑性继续下降的同时,强度也有塑性继续下降的同时,强度也有所下降。所下降。v这可能是由于晶粒过于粗大和晶这可能是由于晶粒过于粗大和晶界疏松造成的。界疏松造成的。v对于加热温度在对于加热温度在AcAc1 1AcAc3 3的不完的不完全重结晶区,由于晶粒大小不均全重结晶区,由于晶粒大小不均匀,匀,s s反而降低。反而降低。v在热影响区中,硬度最高、塑在热影响区中,硬度最高、塑性最差的部位是过热区,性最差的部位是过热区,属于接属于接头的薄弱环节。头的薄弱环节。图图1-22 1
4、-22 热影响区的力学性能热影响区的力学性能(C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%)第4页,本讲稿共33页305 2 2、焊接热影响区的硬度焊接热影响区的硬度v研究表明,焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相研究表明,焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。关。v一般而言,随着硬度的增大,强度升高,塑性、韧性下降,一般而言,随着硬度的增大,强度升高,塑性、韧性下降,冷裂纹倾向增大。冷裂纹倾向增大。v因此,因此,通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接地估通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接地估计热影响区的力学性能及抗裂性等。计热影响
5、区的力学性能及抗裂性等。第5页,本讲稿共33页306v图图1-231-23为相当于为相当于20Mn20Mn钢的低合钢的低合金钢单道焊时热影响区的硬度金钢单道焊时热影响区的硬度分布。分布。v可以看出,在焊接热影响区的可以看出,在焊接热影响区的熔合线附近硬度值最高,远离熔合线附近硬度值最高,远离熔合线,硬度降低,逐渐接近熔合线,硬度降低,逐渐接近于母材的硬度水平。于母材的硬度水平。v这进一步说明,熔合线附近这进一步说明,熔合线附近是焊接接头中的最薄弱处。是焊接接头中的最薄弱处。图图1-23 1-23 相当于相当于16Mn16Mn钢的焊接热影响区的硬度分布钢的焊接热影响区的硬度分布材料:材料:0.2
6、0%C0.20%C,1.38%Mn1.38%Mn,0.23%Si 0.23%Si 焊接条件:焊接条件:170A170A,25V25V,150mm/min150mm/min,板厚,板厚20mm20mm第6页,本讲稿共33页307 3 3、焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化v经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合金,在金,在HAZHAZ会产生不同程度的软化或失强。会产生不同程度的软化或失强。v焊接调质钢时,焊接调质钢时,HAZHAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。关。母材焊前调质处理的回火温度越低母
7、材焊前调质处理的回火温度越低(即强化程度越即强化程度越大大),则焊后的软化程度越严重,则焊后的软化程度越严重,如图,如图1-241-24所示。所示。第7页,本讲稿共33页308v因为焊前调质时回火温度因为焊前调质时回火温度T Tt t越低,析出的碳化物颗粒越越低,析出的碳化物颗粒越弥散细小。焊接时加热温度弥散细小。焊接时加热温度在在AcAc1 1T Tt t范围内的碳化物聚范围内的碳化物聚集长大越明显,因此回火软集长大越明显,因此回火软化现象越严重。化现象越严重。图图1-24 1-24 调质钢焊接调质钢焊接HAZHAZ的硬度分布的硬度分布AA焊前淬火焊前淬火+低温回火低温回火BB焊前淬火焊前淬
8、火+高温回火高温回火CC焊前退火焊前退火11淬火区淬火区 2 2部分淬火区部分淬火区 3 3回火区回火区 第8页,本讲稿共33页309v实验证明,热影响区中软化最明显的部位大都是在实验证明,热影响区中软化最明显的部位大都是在AcAc1 1AcAc3 3之间,这与该区的不完全淬火过程有关。由于在该区之间,这与该区的不完全淬火过程有关。由于在该区内铁素体和碳化物并未完全溶解,形成的奥氏体未达到饱内铁素体和碳化物并未完全溶解,形成的奥氏体未达到饱和浓度。因此,冷却后得到粗大铁素体、粗大碳化物和低和浓度。因此,冷却后得到粗大铁素体、粗大碳化物和低碳奥氏体的分解产物,这种组织抗塑性变形的能力很小,碳奥氏
9、体的分解产物,这种组织抗塑性变形的能力很小,因而强度、硬度很低。因而强度、硬度很低。v焊接具有热处理强化的合金时,则因发生焊接具有热处理强化的合金时,则因发生“过时效软化过时效软化”而而导致导致HAZHAZ的软化。的软化。第9页,本讲稿共33页3010 4 4、焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化v热影响区脆化是热影响区在焊接热循环作用下所发生的塑性、热影响区脆化是热影响区在焊接热循环作用下所发生的塑性、韧性严重下降的现象。韧性严重下降的现象。HAZHAZ的脆化在焊接应力的作用下会导的脆化在焊接应力的作用下会导致接头或结构产生脆性断裂,必须予以重视。致接头或结构产生脆性断裂,必须予以重视。v脆
10、化类型:脆化类型:粗晶脆化、析出相脆化、粗晶脆化、析出相脆化、M-AM-A脆化、热应变脆化、脆化、热应变脆化、氢脆化、石墨脆化氢脆化、石墨脆化v利用韧脆转变温度利用韧脆转变温度(T(Trs rs)作为判据,碳锰钢热影响区不同作为判据,碳锰钢热影响区不同部位部位T Trs rs的变化如图的变化如图1-251-25所示。所示。第10页,本讲稿共33页3011vT Trs rs越高,说明脆化倾向较大。越高,说明脆化倾向较大。从图中可看出,从焊缝到热影从图中可看出,从焊缝到热影响区韧脆转变温度有两个峰值,响区韧脆转变温度有两个峰值,即过热粗晶区和即过热粗晶区和AcAc1 1以下以下(约约4004006
11、00)600)的时效脆化区。的时效脆化区。v在在900900附近的细晶区具有最附近的细晶区具有最低的脆性转变温度,说明这低的脆性转变温度,说明这个部位的韧性高,抗脆化的个部位的韧性高,抗脆化的能力较强。能力较强。图图1-25 1-25 碳锰钢碳锰钢HAZHAZ的脆化分布的脆化分布 第11页,本讲稿共33页3012 1 1)粗晶脆化粗晶脆化v对不易淬火钢,粗晶脆化主要是由于晶粒长大,甚至形成对不易淬火钢,粗晶脆化主要是由于晶粒长大,甚至形成粗大的粗大的魏氏组织魏氏组织。v对于易淬火钢,则主要是由于产生脆硬的对于易淬火钢,则主要是由于产生脆硬的孪晶马氏孪晶马氏体体所致。所致。v注意:注意:脆化程度
12、与粗晶区的马氏体类型有关。脆化程度与粗晶区的马氏体类型有关。一般来讲,低碳马氏体反而有改善粗晶区韧性一般来讲,低碳马氏体反而有改善粗晶区韧性的作用。对于含碳高的高强钢在热影响区出现的高的作用。对于含碳高的高强钢在热影响区出现的高碳马氏体(孪晶),则脆化严重。由此看来,碳马氏体(孪晶),则脆化严重。由此看来,影响影响粗晶脆化的主要因素是钢种的化学成分和焊后粗晶区粗晶脆化的主要因素是钢种的化学成分和焊后粗晶区的金相组织。的金相组织。第12页,本讲稿共33页3013 2 2)析出相脆化)析出相脆化v对于某些金属或合金,在焊接冷却过程中,或是在焊后回对于某些金属或合金,在焊接冷却过程中,或是在焊后回火
13、或时效过程中,从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物火或时效过程中,从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物或金属间化合物时,引起金属或合金脆性增大的现象,称或金属间化合物时,引起金属或合金脆性增大的现象,称为析出相脆化。为析出相脆化。v在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时,在过热在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时,在过热区,母材原有第二相(碳化物或氮化物)均可大部分区,母材原有第二相(碳化物或氮化物)均可大部分溶解。在冷却过程中,由于溶解度的降低,这些碳、溶解。在冷却过程中,由于溶解度的降低,这些碳、氮化物将再次发生沉淀。氮化物将再次发生沉淀。第13页,本讲稿共33页3014v但由于焊接时高温停
14、留时间短,奥氏体均质化程度低,但由于焊接时高温停留时间短,奥氏体均质化程度低,因此,再次沉淀的碳、氮化物将以块状形式呈不均匀因此,再次沉淀的碳、氮化物将以块状形式呈不均匀析出。例如,析出。例如,AlNAlN在晶界析出,在晶界析出,Ti(C,NTi(C,N)在晶内析出,)在晶内析出,都呈块状形式。都呈块状形式。v这种形态的第二相会严重阻碍位错的运动,从而导致过这种形态的第二相会严重阻碍位错的运动,从而导致过热区的脆化。若热区的脆化。若FeFe3 3C C沿晶界呈薄膜状析出,或形成粗沿晶界呈薄膜状析出,或形成粗大碳化物,也会导致脆化。大碳化物,也会导致脆化。v在快速冷却条件下,若碳、氮化物来不及析
15、出,则在在快速冷却条件下,若碳、氮化物来不及析出,则在焊后回火或时效过程中也可能产生脆化(如回火脆性)焊后回火或时效过程中也可能产生脆化(如回火脆性)。第14页,本讲稿共33页3015 3 3)M-AM-A组元脆化组元脆化v在焊接低合金高强钢时,焊缝和热影响区均可能形成在焊接低合金高强钢时,焊缝和热影响区均可能形成M-AM-A组元。组元。M-A M-A组元是在上贝氏体转变温度区间形成组元是在上贝氏体转变温度区间形成的。的。v在上贝氏体形成过程中,由于铁素体含碳量低,随着在上贝氏体形成过程中,由于铁素体含碳量低,随着铁素体的长大,大部分碳富集到被铁素体包围的岛状铁素体的长大,大部分碳富集到被铁素
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