焊接金相组织.doc

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第四章焊接接头组织性能分析

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。

4.1焊接冶金基础

图1－1焊接接头示意图

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1－1所示。

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。

4.1.1.焊接传热过程的特点

在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）和随后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），由于其加热的瞬时性和局部性使得焊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。

图1-2半无限体上移动点热源周围的温度场

4.1.2焊接温度场

焊接温度场是指某一瞬时焊件上各点的温度分布。

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。

4.2钢中的常见组织及影响因素

4.2.1奥氏体

奥氏体是碳与合金元素溶解在γ－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。

奥氏体钢中有孪晶或滑移线，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。

4.2.2珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，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。

珠光体片层间距在0.1～1.0μm范围内波动。

如用硝酸酒精腐蚀，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。

4.2.3铁素体

铁素体是碳与合金元素溶解在α－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，很少见孪晶或滑移线。

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。

4.2.4渗碳体

渗碳体是碳与铁和合金元素的化合物，碳含量为6.67％，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。

4.2.5贝氏体

贝氏体类组织分为下述几种：

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350～550℃）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（350℃以下至马氏体点Ms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。

4.2.6马氏体

马氏体是碳在α－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凸透镜状，在金相磨片上，按截面与马氏体交角的不同，所见到的马氏体形貌是片状、针状或竹叶状，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（宽约0.5um）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。

4.2.7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。

4.3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