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6.1焊接热影响区组织转变特点6.2焊接热影响区组织转变6.3焊接热影响区的性能6.4焊接热/力物理模拟技术第六章热影响区的组织与性能1、相变强化材料概述合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。沉淀强化也是相变强化的一种简单形式。相变强化涉及的组织转变过程：重结晶、马氏体转变、回火等金属从一种晶体状态过渡到另一种晶体状态的过程称为二次结晶或者重结晶。讨论：重结晶与再结晶的区别？驱动力不同。再结晶为自残存的形变贮能；重结晶为自由能差；温度不同。再结晶温度、重结晶温度；形成条件不同。再结晶冷变形后加热，重结晶加热至相变温度以上；再结晶无相变，重结晶有相变。举例：冷轧板在焊接热影响区存在一个明显的晶粒无畸变的再结晶区。钢的焊接过程中，峰值温度超过Ac3以上的部位，将发生重结晶过程（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），然后再空气中冷却就会得到均匀细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织马氏体转变是非平衡条件下金属和合金中发生的非扩散的晶型转变，是固态相变的一种基本类型，产物称为马氏体，通常具有板、片状的外形。马氏体转变是钢材强化的一种重要的相变强化方式，一般采用淬火处理的方式获得；淬火是金属加工热处理工艺的一种，淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却，常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等；对于易淬火钢的焊接过程中的热影响区将会得到硬脆的马氏体组织；对于一些不易淬火钢而言，在高能束焊接时的热影响区也有可能获得马氏体组织。回火是指将经过淬火硬化的钢材在低于临界温度下（Ac1）放置一段时间后，以一定的速率冷却下来，以增加材料韧性的一种处理方法。将经过淬火后的工件放在中温环境下（时效）一段时间，可促使一部分之碳化物析出，同时可消除一部分因急速冷却所造成的残余应力，因此可提高材料的韧性；将钢材在淬火之后再进行回火处理的过程称为调质处理；在某些调质的焊接热影响区，其峰值温度高于焊前回火温度的区域有可能出现过回火的问题。2、相变强化材料热影响区的结构特征钢的焊接热影响区结构特征3、不易淬火钢焊接热影响区组织转变不易淬火钢主要包括低碳钢和一些低合金钢，如16Mn、15MnV、15MnTi等。不易淬火钢热影响区组织转变1）不完全重结晶区（又称不完全正火区、部分相变区和部分细晶区）焊接热循环峰值温度对应于在Ac1到Ac3之间，普通低碳钢约为750～900℃；它是一个粗晶粒和细晶粒的混合区；2）重结晶区（又称正火区或细晶区）峰值温度范围在Ac3到晶粒开始急剧长大以前的温度区间，大约在900～1100℃之间；由于在加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变的作用；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；该区具有较高的综合力学性能，甚至还优于母材的性能。不易淬火钢热影响区组织转变3）过热区（粗晶区）紧邻熔合区，温度范围从晶粒急剧长大的温度开始一直到固相线温度，低碳钢，大约在1100~1490℃之间；由于加热温度很高，奥氏体晶粒非常粗大，一些难熔质点都溶入奥氏体，较快冷却速度下形成一种特殊的过热组织——魏氏组织。魏氏体组织是由结晶位向相近的铁素体片形成的粗大组织单元，严重地降低了热影响区的韧性。不易淬火钢热影响区组织转变魏氏体：先共析的片(针)状铁素体或片(针)状碳化物加珠光体组织称魏氏组织，用W表示。前者称α-Fe魏氏组织，后者称碳化物魏氏组织；组织形态：(1)羽毛状；(2)三角状；(1)两者混合型的；形成条件：过热的中碳钢或低碳钢在较快的冷却速度；力学性能：晶粒粗大，则使钢的力学性能下降，尤以冲击性能下降为甚魏氏组织形成示意图低碳钢TIG焊接1018钢热影响区母材不完全重结晶区重结晶区过热区低碳钢激光焊接1018钢热影响区微观组织母材不完全重结晶区重结晶区过热区4、易淬火钢焊接热影响区组织转变1）转变机理对于具有较强淬火倾向的钢种，如中碳钢，低、中碳调质合金钢等，称为易淬火钢。调质态完全淬火区不完全淬火区回火区退火态完全淬火区不完全淬火区1）回火区焊前处于调质态或淬火态的母材，焊接热循环峰值温度低于Ac1，但高于原来调质处理的回火温度的区域被称为回火区；焊前是完全淬火态时，距焊缝越近的点，经历的峰值越高，回火作用越大，硬度越低；焊前是调质状态时，组织和性能发生的变化程度决定于焊前调质状态的回火温度，峰值温度低于回火温度的区域其组织性能不发生变化；峰值温度高于回火温度的区域将会出现软化现象。2）不完全淬火区峰值温度被加热到Ac1~Ac3之间时，铁素体基本上不发生变化，只有珠光体及贝氏体等转变为含碳量较高的奥氏体，若焊接冷却速度较快时奥氏体转变为马氏体，冷却速度较慢时也可能形成铁素体与碳化物构成的中间体，这种发生不完全淬火的区域称为不完全淬火区。不完全淬火区组织转变机理在加热阶段与上述不完全重结晶区域类似，其组织转变主要取决于冷却速度，但是该区域的冷却速度较过热区略低;在不完全淬火区的各类组织中，由于马氏体是由含碳量较高的奥氏体转变而来，因而它属于高碳马氏体，具有又脆又硬的性质。因此，不完全淬火区的脆性也较大，韧性较低，仅次于完全淬火区中的过热区。3）完全淬火区易淬火钢在焊接过程中近缝区的峰值温度被加热到Ac3以上时，将彻底地进行了奥氏体转变，在焊接快冷后形成的淬火组织的区域，被称为完全淬火区；包括相当于不易淬火钢焊接热影响区的过热区和正火区（重结晶区）两部分，分别称为粗晶淬火区和细晶淬火区。其中，在粗晶淬火区，由于晶粒严重长大以及奥氏体均质化程度高而增大了淬火倾向，易于形成粗大的马氏体组织；在细晶淬火区，由于淬火倾向较低而能够形成细小的马氏体组织；由于焊接热输入和冷却速度的不同，完全淬火区还有可能得到少量的贝氏体。因此，完全淬火区的组织特征是粗细不同的马氏体与少量的贝氏体的混合组织，他们同属马氏体类型。在完全淬火区内，过热区部分的粗大马氏体组织决定了该区具有较高的硬度、较低的塑性与韧性，并使该区成为易淬火钢焊接接头中性能较差、易于出现焊接缺陷的一个薄弱环节。因此，在分析焊接热影响区淬硬倾向和脆化倾向时，通常都以过热区部分为具体的研究对象。2）典型组织1040中碳钢TIG焊热影响区组织母材不完全淬火区细晶完全淬火区粗晶完全淬火区1040钢的冷却转变图