热处理对材料性能的影响及分析

1.焊接热循环概念

在焊接过程中热源沿焊件移动，在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为该点的焊接热循环。当热源向该点靠近时，该点的温度随之升高，直至达到最大值，随着热源的离开，温度又逐渐降低，整体过程可以用一条曲线表示，这条曲线叫焊接热循环曲线，如图3-13所示。由图3-13可见，距焊缝两侧远近不同的各点所经历的焊接热循环是不同的，距焊缝越近的点加热的最高温度越高，越远的点加热的最高温度越低。由此可知，焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，这种过程必然会造成热影响区组织和性能的不均匀性。

图3-13 热影响区各点的焊接热循环曲线

（1）焊接热循环的主要参数 焊接热循环的主要参数有最高加热温度和高温停留时间。

1）最高加热温度。焊接接头在加热过程中所达到的最高温度。最高加热温度会影响焊接接头热影响区的显微组织。

2）高温停留时间。在加热过程中，焊接接头在1100℃以上的停留时间即高温停留时间。高温停留时间过长，会出现晶粒长大现象，其韧性明显降低。

（2）冷却速度 焊缝和热影响区的显微组织和力学性能不仅与最高加热温度及高温停留时间有关，而且与焊后冷却速度的快慢有直接关系。当钢材具有淬硬倾向时，冷却速度快，易形成淬硬组织——马氏体，不仅使塑性和韧性不好，还容易产生焊接裂纹。常用从800℃冷却到500℃的冷却时间，表示冷却速度，此时间短，说明冷却快。有时也用650℃的冷却速度进行对比。

2.焊接热影响区的组织与性能

（1）低碳钢热影响区的组织和性能 低碳钢焊接接头热影响区的组织变化如图3-14所示。

图3-14 低碳钢焊接接头的金相组织示意图

1—焊缝 2—熔合区 3—过热区 4—正火区 5—部分相变区 6—再结晶区 7—蓝脆区

1）过热区。焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域，称为过热区。对于低碳钢，这个区域的金属被加热到1100～1490℃，晶粒严重长大，冷却后得到粗大的过热组织，使金属塑性降低，对韧性的影响尤其显著（一般比基本金属低20%～30%），是热影响区中的薄弱区域。

2）正火区。这个区域被加热到900～1100℃，冷却后产生正火组织，金属晶粒较细。正火区是热影响区中综合力学性能最好的区域，既具有较高的强度，又有较好的塑性和韧性。该区又称重结晶区或细晶区。(www.xing528.com)

3）部分相变区。低碳钢在这个区域被加热到750～900℃，使一部分金属受到了正火处理，另一部分仍保持原来状态，由于组织转变不完全，晶粒大小不均匀，所以力学性能也不均匀，强度有所下降。该区又称不完全重结晶区。

4）再结晶区。这个区域被加热到450～750℃，对于经过冷变形加工的母材，在此温度区域内发生再结晶。该区域的组织没有变化，仅塑性稍有改善。

5）蓝脆区。这个区域被加热到200～500℃，特别是在200～300℃时，组织没有变化，强度稍有提高，但塑性急剧下降，发生脆性现象。

焊接热影响区的大小受焊接方法、板厚、热输入及施工条件等因素影响。不同焊接方法焊接低碳钢时的热影响区平均尺寸见表3-4。

表3-4 不同焊接方法焊接低碳钢时的热影响区平均尺寸

（2）低合金结构钢热影响区的组织和性能 对于不易淬火的低合金结构钢，如Q345（16Mn）钢、Q390（15MnTi、15MnV）钢，其热影响区组织与低碳钢相似，主要有三个区域：过热区、正火区和部分相变区（见图3-15）。

对于易淬火的低合金结构钢，如含合金元素较多的高强度钢和耐热钢，将出现马氏体组织，硬度高、脆性大、容易开裂。其热影响区显微组织分布与母材焊前热处理状态有关。如果母材焊前是退火状态，则热影响区的组织可分为：淬火区和部分淬火区；如果母材焊前是淬火状态，还要形成一个回火区，如图3-15所示。

图3-15 合金钢的热影响区组织分布

1—过热区 2—正火区 3—不完全相变区 4—母材 5—淬火区 6—不完全淬火区 7—回火区

综上分析，钢在焊接热循环作用下，热影响区的组织分布是不均匀的。熔合区和过热区有严重的晶粒长大现象，是整个焊接接头的薄弱地带。对于碳含量高、合金元素较多、淬硬倾向较大的钢种，将出现淬火组织马氏体，使焊接接头塑性降低，而且容易产生裂纹。

实践表明，焊接接头的质量不仅仅取决于焊缝区，同时还取决于熔合区和热影响区，有时熔合区和热影响区存在的问题比焊缝区还要复杂，特别是焊接合金钢时更是如此。