31碳素结构钢焊接热影响区组织Ms点测试分析系统的研究与开发-第14页
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31碳素结构钢焊接热影响区组织Ms点测试分析系统的研究与开发-14
因为我们的试样的峰值温度比CCT中热模拟的峰值温；却时间t8/5为2.98s，那么对照CCT图时，；试样1的过热区组织为：粗大的板条马氏体和细小的针；试样3的过热区组织：针状马氏体、板条马氏体、黑色；试样4的过热区组织：马氏体、黑色细珠光体、屈氏体；试样6的过热区组织：针状马氏体、羽毛状上贝氏体以；试样7的过热区组织：针状马氏体和板条马氏体；试样8的过热区组
因为我们的试样的峰值温度比CCT中热模拟的峰值温度要低，从我们的分析来说，CCT图应该左移，如果要联系图5.15和图5.16的CCT图[59]，那么试样的冷却时间t8/5要考虑长一些，这样分析冷却下来的组织形态才合理。如试样1的冷却时间t8/5为2.98s，那么对照CCT图时，要考虑冷却时间大于2.98s的冷却速度。试样1的过热区组织为：粗大的板条马氏体和细小的针状马氏体、羽毛状贝氏体、屈氏体和极少量的白色铁素体，黑色屈氏体沿晶界分布。从图5.15的CCT图看，试样1的冷却过程应该是处于维氏硬度值为660和640两冷却曲线之间。当焊接冷却后，冷却到600℃以上时，从过冷奥氏体中开始析出极少量铁素体，然后冷却到发生贝氏体转变，但是很快就结束，最后发生马氏体转变，最后的组织中马氏体大约占98％多，贝氏体占2％。冷却到室温组织维氏硬度在640左右。试样3的过热区组织：针状马氏体、板条马氏体、黑色针状下贝氏体、白色铁素体组织和块状黑色珠光体，以及屈氏体。与试样1相比，试样3明显出现了块状珠光体和晶粒比较粗大，且马氏体以片状马氏体（针状马氏体）为主。这种组织形成原因：试样3的线能量比试样1要大，当线能量提高时，高温停留的时间增加，这会引起晶粒长大；因为该试样加热速度快，铁素体基本没有发生变化，奥氏体主要由珠光体转变而来，因此，在随后的快速冷却过程中，也只有奥氏体能转变成马氏体。但是当冷却速度足够快时，而且此时奥氏体的含碳量高，因此得到的马氏体为非常淬硬的高碳马氏体，在金相图上表现为灰亮组织。黑色部分为珠光体，主要时快速升温过程中残留下来的、未经转变的珠光体。对照图5.15的CCT图，试样3的冷却过程应该是处于维氏硬度值为640和610两冷却曲线之间。冷却到600℃以上，从过冷奥氏体中开始开始析出少量铁素体，然后继续冷却发生贝氏体转变，冷却到320℃左右时发生马氏体转变，最后组织中马氏体的含量占约92％，珠光体和贝氏体占约7％。最后室温组织的维氏硬度大约为610。试样4的过热区组织：马氏体、黑色细珠光体、屈氏体和少量针状贝氏体，以及极少量白色铁素体。屈氏体以小条状分布在晶界，勾画出原奥氏体的晶粒的形状，马氏体细针状。试样4的的峰值温度接近1200℃，晶粒只有部分急剧长大，然后就快速冷却下来形成的晶粒大小尺寸相差比较大。对照图5.15的CCT图，根据t8/5的时间，试样4的冷却过程应该处于维氏硬度值为610和510两冷却曲线之间。在600℃上析出微量铁素体和一部分细珠光体组织，继续冷却然后形成针状贝氏体，最后形成的马氏体组织。在室温组织中马氏体约占80％。最后室温组织的维氏硬度大约为510～610。试样6的过热区组织：针状马氏体、羽毛状上贝氏体以及块状黑色珠光体，以及少量铁素体。贝氏体在原奥氏体晶界上形成，马氏体针叶比较短小。因为峰值温度高的缘故，所以晶粒显得比较粗大。对照图5.15的CCT图，根据t8/5的时间，试样6的冷却过程应该处于维氏硬度值为510和425两冷却曲线之间。从800℃冷却下来时，形成少量铁素体组织，然后形成一定量的珠光体组织，然后进入贝氏体转变区间，发生贝氏体转变，其余都发生马氏体转变，贝氏体和马氏体的最后转变量应该是差不多的。最后室温组织的维氏硬度大约为510。试样7的过热区组织：针状马氏体和板条马氏体。以为峰值温度高，所以晶粒特别粗大。结合图5.16的CCT图，那么试样7的冷却过程相当维氏硬度值为765那条冷却曲线，基本上形成100％的马氏体组织。最后室温组织的维氏硬度值大约700以上。试样8的过热区组织：针状马氏体和上贝氏体。贯穿晶粒的马氏体是较先形成的，马氏体长大至互相碰遇或长大至晶界、孪晶界就停止不前，但是可以穿过滑移线。继续降温时由于马氏体不断将奥氏体分割，因此在较低温度下形成的马氏体较短。根据试样8的冷却时间，其冷却过程应该处于维氏硬度值为640和700两冷却曲线之间。在冷却过程中，当冷却到510℃时开始发生贝氏体转变，继续冷却到马氏体开始转变，最后得到得90％以上得马氏体组织。维氏硬度值大约640以上。从上面六个试样的过热区组织的马氏体形态来看，随着马氏体开始转变温度降低，片状马氏体的形成量逐渐增多，而板条马氏体的量逐渐减少，40Cr和45钢相比，前者的过热区易生成片状马氏体，说明合金元素Cr能加大形成片状马氏体的倾向。总之，45钢和40Cr钢，它们的可焊性差，所以焊接时需要焊前热和焊后消除应力处理。本课题由于研究的需要，并没有焊后处理，在热影响区容易出现马氏体组织，马氏体硬度高，脆性大，容易引起应变产生的应力集中，而不能产生变形来吸收应变能量，从而诱发冷裂纹的产生，也会使焊接结构在使用过程中易产生疲劳裂纹，特别是过热区的粗大马氏体更是焊缝的薄弱区域。为了选择合适的焊接工艺，应该从调节奥氏体分解时的冷却速度来看，采用预热比加大线能量的效果要好。因为预热基本不影响到焊接时热影响区的高温停留时间，只改变奥氏体分解时的冷却速度。这样可以防止在高温停留的时间过长，引起晶粒长大和奥氏体稳定性增加，使淬硬性加大和性能较差。5.3.3 焊接热影响区硬度分布及分析不同热影响区的硬度变化，实质上是反映了不同金属组织性能，因此，通常用硬度来判断热影响区的性能，也可以间接预测热影响区的韧性、脆性和抗裂性等。根据金属学理论：热影响区的硬度随着含碳量和合金元素的增加而提高，随t8/5时间的减少而提高。焊接热影响区的最高硬度值不超过350HV，否则焊接性显著恶化，对于碳钢，当维氏硬度值超过350标志马氏体的出现[58]。根据上面的理论，为了正确评价焊接热影响区的机械性能的变化情况，因此本课题采用维氏硬度检测方法来进行研究。主要考虑到维氏硬度检测方法的优点：维氏硬度法与布氏、洛氏法相比较，它所获得的压痕不受检测力影响，并具有相似几何形状，对任一性质相同的材料在变换检测力后得到的硬度值是相同或相近的；压痕具有清晰轮廓的正方形，对角线的测量精度，这能保证硬度测量的准确度，能真实反映硬度的变化情况。在硬度测试中，维氏硬度值的检测是从母材开始，沿垂直于熔合线的法线，每隔0.2mm就打一硬度点[58] [62]。 图5.20
试样1、3、4、6硬度曲线Fig5.20
The hardness diagram of No.1,No.3, No.4 and No.6 specimens.从图5.20中，试样1的最高硬度值明显高于试样3，试样6的硬度也高于试样4，且试样3和试样4的硬度变化比较平缓。反映预热可以显著降低硬度值。这主要是预热温度越高，那么冷却速度越慢，冷却到室温形成马氏体量也减少。因此预热条件下的焊接热影响区可以获得较好的强度和韧性的匹配。此外，试样1和6的最高硬度值出现在熔合线附近，而离熔合线较远的地方，其硬度值迅速降低。从试样1的硬度曲线还可以看出，当峰值温度接近1300℃时，最高硬度值表现最大。这主要因为峰值温度越高，那么使过冷奥氏体体的稳定性加大，CCT图要向右移，增大热影响区的淬硬性。但是当峰值温度超过1300℃后，晶粒急剧长大，反而会使硬度值降低。由于焊道和板厚等原因，使得试样3的冷却时间t8/5反而比试样1的t8/5要小，但是我们从焊接后的室温组织和硬度曲线还是能看到预热的效果。对于合金结构钢，预热同样能极大改变热影响区的淬硬倾向，这可以从图5.21看出。从图中我们还可以看出试样7和8的峰值硬度值普遍要比前面几个试样的硬度值要高，主要是因为铬能固溶于奥氏体，显著增加过冷奥氏体的稳定，使得钢在冷却时的淬硬倾向加大，故40Cr钢的淬硬倾向要比45钢大。图5.21
试样7、8硬度曲线Fig5.21
The hardness distribution in No.7 and No.8 specimens.根据图5.20和图5.21硬度分布情况，试样3和试样7其硬度曲线在靠近母材的不完全正火区出现硬度值降低的现象，这主要是由于焊接快速加热，珠光体组织首先奥氏体化形成细小的奥氏体，并且受热晶粒稍有长大。在以后连续冷却时，奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，未溶入奥氏体的铁素体不发生转变，最后该区的组织，就变成由细小的铁素体和珠光体的重结晶组织和未发生相变的粗大铁素体组成，形成晶粒大小不均匀的区域，所以导致该区不同位置的组织不完全一样，表现不同程度的强度和硬度性能，如HV下降。 综上所述，由于热影响区呈现各种金相组织，与此相应焊接热影响区的硬度也是不均匀的。热影响区的硬度峰值落在熔合线附近，远离熔合线的硬度迅速下降。其硬度变化与组织密切相关，马氏体数量越多，那么硬度值越高，虽属同一组织，也有不同的硬度，高碳马氏体的硬度值要高，而低碳马氏体的硬度则低。常用硬度值来判断焊接热影响的性能，也可以间接预测热影响区的韧性、脆性和抗裂性等。晶粒越粗大越易降低韧性，而细晶有利于提高韧性。仅从单一组织考虑，下贝氏体比上贝氏体韧性要好，低碳马氏体成条状，故比高碳马氏体的韧性要好。对上面的几个试样的硬度曲线分析还能得出：焊接热影响区的硬化能力与钢材本身的化学成分有关，取决于含碳量和合金元素，因此在分析钢的硬度变化时，必须把钢材的化学成分与硬度变化联系起来；研究焊接热影响区硬度变化情况，可以看出硬度一般在过热区会急剧上升，焊缝及母材的硬度值相差不大；过热区硬度值的变化是与马氏体出现有关，马氏体转变的数量决定过热区的硬化程度；当过热区是全部马氏体时，则其硬度值基本相近，即使冷却速度再增加，最后的硬度值也不会发生太大的变化；一般允许过热区组织有一定量的马氏体存在，室温组织最好是马氏体和贝氏体的混合组织，这样可以降低最大硬度值，这种混合组织对焊接结构可能是有利的。总之，对于任何一种焊接接头，焊接热影响区的硬度分布都是了解焊接接头性能最重要的一套数据。对于任一焊接热影响区，找出接头HAZ中硬度最大值，是作为钢材可焊性的衡量标准。 包含各类专业文献、外语学习资料、中学教育、行业资料、应用写作文书、专业论文、文学作品欣赏、31碳素结构钢焊接热影响区组织Ms点测试分析系统的研究与开发等内容。　
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辊的焊接接头的组织形成及其性能是由焊缝区和热影响区所决定的，焊缝区金属由熔池的液态金属凝固而成，热影响区的金属受焊接热源影响而造成与母材有较大的变化.　　焊接接头由焊缝区、熔合面(截面为熔化线)、热影响和基本毋材四部分组成.习惯上常把焊接接头和焊缝相互代替，这是不严格的。　　a.焊缝区金属以低碳钢为例，焊缝金属由高温液态冷却到室溢要经过两次组织变化:“一次结晶”是从液态到固态(奥氏体);“二次结晶”是从固相线冷却到常温组织。　　一次结晶液态金属沿着垂直熔合面的方向向熔池中心不断形成层状树枝柱状晶并长大，晶粒内部存在成分不均匀现象，称做微观偏析或枝晶偏析。整个焊缝区也存在成分不均匀现象，称作宏观偏析或区域偏析。区域偏析除与成分、部位等因素有关外，还与焊缝形状系数lp的大小有关.　　二次结晶即由奥氏体冷却至室温组织的转变，与热影响区的金属组织转变很相似。　　b.热影响区金属对于低碳钢或强度级别较低的普低钢，其热影响区可近似看做是在tm,.温度下的正火热处理组织，如图5-11所示.由图可知，根据其组织特征低碳钢的热影响区可分为以下六个温度区。半熔化区(熔合区)此区在焊缝与母材的交界处，处于半熔化状态，是过热组织，卜和组织都不均匀.异种金属焊接时，这种情况更为严重，因此遨县与桩材相连，所以对焊接接头的影响很大。　　过热区金属处于过热状态。奥氏体晶粒产生严重增大现象，冷却后得到过热组织。冲击韧性明显降低，约下降250/~& 30%左右，对刚性较大的结构常在此区开裂。过热程度与高a停留时间T。有关.如气焊比电弧焊过热严重。对同一种焊接方法，线能最越大，过热现象越严重。　　正火区(完全重结晶区)加热沮度范围如图5-11所示，金属在A:线与1100℃之间的温度范围内将发生重结晶，使晶粒细化，室温组织相当于正火组织，力学性能较好.　　部分相变区(不完全重结晶区)此区的温度范围在A:线和A，线之间.卷板机辊的焊接接头焊接时加热温度稍高于A..线时，便开始有珠光体转变为奥氏体，随着温度升高，有部分铁素体逐步溶解到奥氏体中，冷却时，又由奥氏体中析出细微的铁素体，直到A,:线，残余的奥氏体转变为珠光体，晶粒也很细。可见，在上述转变过程中，始终未溶人奥氏体的部分铁素体不断长大，变成粗大的铁素体组织。所以，此区金属组织是不均匀的，晶粒大小不同，力学性能不好.此区越窄，焊接接头性能越好.　　再结晶区此区温度范围为450-500℃到A,，线之间，没有奥氏体的转变。若焊前经过冷变形，则有加工硬化组织，加热到此区后产生再结晶.加工硬化现象得到消除，性能有所改善。若焊前没有冷变形，则无上述过程.　　蓝脆区此区沮度范围在200-500'C.由于加热、冷却速度却较快，强度稍有增加，塑性下降，可能会出现裂纹.此区的显微组织与母材相同。　　七述六个区总称为热影响区，在显微镜下一般只能见到过热区、正火区和部分相变区.总的来说，热影响区的性能比母材焊前性能差，是焊接接头较薄弱的部位。一般情况下，热影响区越窄越好.　　G易淬火钢的热影响区金属当焊接易淬火钢时，热影响区的组织与钢材焊前的热处理状态有关。　　
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焊接低碳钢时，热影响区的组织和性能的变化
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用手工电弧焊或埋弧焊自动焊时，热影响区尺寸较小;对于低合金钢焊接结构或用电渣焊焊接的结构低碳钢的焊接结构，通常可用正火的方法，细化颗粒，对焊接产品质量影响较小，均匀组织，焊后可不进行热处理，合理制定焊接工艺来减小焊接热影响区，一保证焊接质量，热影响区较小;对于焊后不能进行热处理的焊接结构，只能通过正确选择焊接方法，焊后必须进行处理，改善焊接接头的质量
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