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焊接金相简介

Test.Wang 2017-1-11 19:37:46 来自PC 复制链接
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      焊接金相主要是研究焊接接头的宏观和微观组织,了解金属的可焊性,确定焊接工艺的合理性。在焊接过程中,焊缝金属被加热到熔化,冷却时又经历了凝固结晶(一次结晶)和固态相变(二次结晶)的过程;焊接接头各部位受到不同的热循环,相当于金属受到一系列的热处理,造成焊接接头各处组织的差异及不均匀性。
      一、焊缝金属组织
      焊接接头由焊缝、热影响区及母材三部分组成。焊接时,由于热源的作用,焊接熔池在极短时间内,在高温下发生一些列的冶金反应,当热源离开后,便冷却结晶。焊缝金属的结晶过程也是形核与长大的过程。然而,焊接熔池的结晶有着一定的特殊性:由于熔池体积小,周围被冷金属所包围,所以熔池冷却速度很大;熔池中的液体金属处于很高的温度;焊接时,熔池随热源的移动而移动,由于焊条的摆动和电弧的吹力,使熔池发生强烈的搅拌作用。因而,熔池内的熔化金属处于运动状态下结晶。
      由于焊接熔池结晶的特点,因此焊缝的凝固组织具有连续长大和柱状晶的基本特征。熔化的液态金属冷却时,在熔合线附近的半熔化段的母材温度较低,起着熔化的模壁作用。它和焊缝金属具有相似的化学成分,相同的晶格类型,成焊缝金属凝固时的结晶表面。在一定过冷度下,就直接从熔池壁母材金属的晶粒上进行长大,因此焊缝金属的晶粒和熔合线附近的母材晶粒是相连结的。在凝固时,它的晶体是从与液态金属相接触的母材晶粒连结地长大。
      由于熔池结晶处于很大的温差条件下进行,因而焊缝的金属组织,有着与散热相反方向长成的柱状组织。对于较高合金成分的焊缝而言,柱状组织内部为胞状组织或树枝状组织。
      焊缝中的偏析主要有以下三种:
      树枝晶偏析(显微偏析) 焊缝冷却时,以树枝状结晶成长,造成先凝固的结晶轴成分较纯,后凝固的枝晶末端及枝晶空间杂质和成分偏析。试片经浸蚀后可以看到树枝状结构偏析。碳钢焊口的显微偏析不严重,高碳钢和合金钢焊口较严重。可采用热处理方法予以消除。
      区域偏析(宏观偏析) 由于焊接熔池中心最后凝固,杂质及低熔点混合物易在此处集中,造成区域性偏析,又称中心线偏析。偏析的程度与熔池的形状及熔深有关。狭焊缝的偏析位于焊缝中心,宽焊缝的区域偏析出现在焊缝上部。
      层状偏析 焊缝横断面经浸蚀后可看到色泽深浅不同的分层组织,这是由于化学成分的不均匀性所致,也称层状偏析。
      焊缝的二次结晶组织对低碳钢而言,为铁素体和珠光体。随含碳量的增加,组织中的珠光体量亦增加;当焊缝含合金元素较多或冷却速度较大时,焊缝中会出现贝氏体和马氏体;焊缝经多层焊接后,由于后焊层对前焊层的再加热,可获得细小的等轴晶粒,改善了焊缝的机械性能。
      焊缝中的非金属夹杂物多为氧化物、氮化物和硫化物。点状分散的氧化物夹杂对性能影响不大;以针状分布于晶粒中间或贯穿晶界的氮化物夹杂使焊缝硬度增高、塑性降低,容易发生脆断。以MnS形式出现的硫化物夹杂,因呈分散颗粒状,影响不大;而以FeS形式出现的硫化物夹杂,由于沿晶界析出,形成低熔点共晶,增加了焊缝的热裂倾向。
      合金钢电弧焊当采用掺合金药皮焊条时,由于合金颗粒较大,在熔池内来不及溶解,而形成金属夹杂。
      焊缝中如存在较多的夹杂,会降低接头的强度、塑性和抗蚀性,增加脆性和热裂倾向。
      二、焊接热影响区的组织
      临近焊缝金属的原材料,在焊接过程中被加热到低于熔点的各种温度,然后又冷却到室温。焊接时受热的这部分原材料称为热影响区。
      1、不易淬火钢的热影响区组织
      焊前母材通常以热轧或正火状态供货。热影响区主要分为四个区域。
      (1)半熔化区 该区很狭,实际观察不易区分。温度处于固、液相之间的范围,对接头的强度、塑性影响很大。熔合线附近是裂缝、夹杂及局部脆性破坏的源点。
      (2)过热区 该区温度处于1100℃~T熔。组织特征是粗大的魏氏组织和细珠光体。在快速冷却时,也会出现贝氏体及低碳马氏体等混合组织。是接头的薄弱区,塑性差。
      (3)相变重结晶区(正火区) 该区温度处于Ac3~1100℃左右,组织为均匀的细小的铁素体和珠光体,是接头组织性能最佳的区域。
      (4)不完全重结晶区 该区温度处于Ac1~Ac3之间,组织为分布不均匀的铁素体和细小珠光体,对机械性能有不良影响。
      当焊前金属处于冷变形状态时,在500℃~Ac1温度范围,金属发生再结晶,呈再结晶区。
      2、易淬火钢的热影响区组织
      焊前母材常以调质状态供货。热影响区分为三个区域。
      (1)淬火区 超过Ac3以上的温度区。紧靠焊缝部分为粗大的马氏体。正常淬火区为细小马氏体或贝氏体、托氏体,从而形成混合组织。
      (2)不完全淬火区 温度在Ac1~Ac3之间。组织为马氏体和网状铁素体。如冷速缓慢也可得到珠光体和铁素体组织。
      (3)回火区 焊前母材为退火状态,温度低于Ac1的区域一般不发生组织变化;焊前母材为淬火状态时,则在该区(回火温度~Ac1)由于温度不同,得到不同的回火组织——回火索氏体、回火托氏体和回火马氏体;如焊前母材为调质状态,则焊接过程中加热温度低于调质回火温度的区域无组织变化,高于调质回火温度的区域组织将发生相应的变化。
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