焊接冶金基本知識-鋼的熱處理
作者：小編 時間：2025/6/10 16:11:19
鋼的熱處理是將鋼在固態下采用適當方式加熱到預定的溫度，保溫預定的時間，然后以預定的方式冷卻下來，以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。在冷卻過程中，不同的冷卻速度對鋼的組織變化將產生重大的影響。
熱處理主要是作為一種金屬熱加工工藝在工業中應用，使得某一金屬材料在不同的熱處理以后獲得多種不同的組織和性能。此外，焊接時，靠近焊縫的母材熱影響區受到焊接加熱及冷卻過程的影響，實際上是經受了熱處理，在多層焊時，熱影響區和已焊完的前面幾層焊縫要經受多次的熱處理。
常用的熱處理方法有淬火、回火、正火和退火等。
1.淬火
將鋼加熱到臨界點(A?或A?)線以上某一溫度，在此溫度下保持一段時間，使鋼的組織全部轉變為奧氏體，然后在水或油等冷卻介質中快速冷卻，使奧氏體來不及分解為珠光體和鐵素體，而是形成馬氏體，這個過程叫做淬火。對w(C)<0.77%的鋼，其加熱溫度為A?+(30～50)℃;對w(C)≥0.77%的鋼，其加熱溫度為A?+(30～50)℃。碳鋼淬火的加熱溫度范圍見圖1-4所示。
淬火的目的是獲得馬氏體組織，以提高金屬材料的強度和硬度。同時，與適當溫度的回火相配合，可獲得所需要的力學性能。
在焊接中碳鋼和某些低合金結構鋼時，在
近縫區可能發生淬火現象，即產生高硬度的含馬氏體帶。為了避免焊接時出現馬氏體組織和防止產生冷裂紋，在焊接有淬火傾向的鋼時，往往采取以下工藝措施：
圖1-4碳鋼淬火的加熱溫度范圍
1)預熱 預熱可以減慢焊縫及熱影響區的冷卻速度，有利于避免產生淬火組織。這種方法廣泛用于中碳鋼、某些合金鋼的焊接和工具鋼的堆焊中。
2)采用較大的焊接線能量 即較大的焊接電流和較小的焊接速度，將在一定程度上減慢焊接接頭的冷卻速度，有助于避免淬火組織和冷裂紋的產生。
焊后需要將整個焊接件進行一次淬火熱處理的情況在生產中較少，但有時也能遇到。例如，刀具堆焊或焊接后，鍛模堆焊后，彈簧鋼焊接后，往往要在加工后(加工前常常需要退火，降低硬度)進行淬火熱處理，以得到高的硬度。
2.回火
將淬火鋼重新加熱到A?點以下預定溫度，保溫預定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。鋼淬火后一般都要進行回火，可以在一定程度上恢復鋼的韌性，同時獲得所需要的組織和性能。根據回火溫度的不同，回火分為以下三種：
1)低溫回火 回火溫度為150～250℃,所得組織為回火馬氏體。低溫回火保持了鋼的高硬度，降低了淬火內應力和脆性，且韌性有所提高。常用于要求高硬度的耐磨的工具和零件。
2)中溫回火 回火溫度為400～500℃,所得組織為回火托氏體。這種回火提高了鋼的彈性極限和屈服點，使鋼獲得良好的韌性。
3)高溫回火 回火溫度為500～650℃,所得組織為回火索氏體。這種回火提高了鋼的強度、硬度，改善了鋼的塑性及韌性。
某些合金鋼及其焊接結構，在淬火后隨即進行高溫回火，這一連續的熱處理操作叫做調質處理。調質處理能使鋼在保持高的沖擊韌度的同時，獲得高的強度，使鋼獲得其他處理方法所達不到的優良的力學性能。
如果單純為了消除焊接殘余內應力而對焊件進行650℃的處理，也可以叫做消除應力回火處理。
3.退火
將鋼加熱到A?或A?線以上適當溫度，在該溫度保持一段時間，然后緩慢而均勻地冷卻到常溫或者冷卻到低于A?線的某一溫度，做一定時間的停留后，再在空氣中或隨爐冷卻，這一過程稱為退火。
退火可以降低硬度，便于切削加工，還能使鋼的晶粒細化以及消除內應力。
1)完全退火 主要用于w(C)<0.77%的低碳鋼、中碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件，以及熱軋型材和焊接件等。加熱溫度：碳鋼約為A?+(30～50)℃,合金鋼約為A?+(50~70)℃。
2)球化退火 主要用于w(C)≥0.77%的碳鋼和合金鋼。其主要月的是降低硬度，改善切削加工性能，并為淬火作準備工作。因為過共析鋼經軋制或鍛造后，組織中會出現網狀二次滲碳體，硬度和脆性都較大，通過球化退火使網狀滲碳體球化，降低硬度。球化退火加熱溫度：A?+(20～30)℃,保溫2～4h,可得到球狀珠光體組織。
3)去應力退火 要用于消除鑄件、鍛
件及焊接件的殘余應力。是鍋爐、壓力容器焊接件中最常用的熱處理方法。焊接結構的消除應力退火屬于低溫退火。由于這種退火的加熱溫度與高溫回火的溫度近似，所以也可以叫做消除應力回火。
消除應力退火的加熱溫度是A?線下的某一溫度，一般采用600℃或650℃左右，保溫時間按每毫米厚度4～5min計算(但不應小于1h),然后在空氣中或在爐中冷卻。
鋼的消除應力退火過程中沒有組織變化，常用的各種退火的加熱溫度范圍，如圖1-5所示。
4.正火
將鋼加熱到A?或Acm線以上30～50℃,保溫一定時間，出爐后在空氣中冷卻，這一過程稱為正火。正火的特點是加熱溫度很高，得到均勻的單相奧氏體組織，經均熱后在空氣中冷卻。正火工藝的加熱溫度范圍見圖1-5所示。
圖1-5各種退火、正火工藝的加熱溫度范圍
實質上，正火是退火的一種特殊形式，兩者主要區別在于過冷度不同。正火時冷卻速度快，得到的組織較細，所以同一種鋼材正火后的強度和硬度比退火后高，具有較好的力學性能。正火的生產周期短，設備利用率高，操作簡便，所以，在可能的條件下，應盡量以正火代替退火。退火與正火后的硬度值比較見表1-3。
5.焊后熱處理
焊接后，為改善焊接接頭的組織和性能，或消除殘余應力而進行的熱處理稱為焊后熱處理。焊后熱處理是防止延遲裂紋、消除內應力、改善焊接接頭性能的有效措施。
1)消氫處理 焊接后立即對焊件的全部(或局部)進行加熱或保溫，使其緩冷的工藝措施，也稱后熱處理。消氫處理的溫度-般為300~350℃,保溫2～6h后空冷。消氫處理的目的主要是使焊縫金屬中的擴散氫迅速逸出，降低焊縫及熱影響區的氫含量，防止產生冷裂紋。
由于消氫處理的溫度較低，不能起到松弛焊接應力的作用。對于焊后立即進行熱處理的焊件，熱處理過程中可以達到消氫的目的，不需另作消氫處理。對于焊后有產生延遲裂紋傾向的鋼材，焊后應及時進行熱處理，避免產生冷裂紋。
2)消除應力熱處理 消除應力熱處理的主要目的是消除焊接拉伸殘余應力，以保證結構使用時安全可靠。在進行消除應力熱處理時應注意以下三個問題：
①消除應力熱處理的加熱溫度應比母材的回火溫度低30～60℃,以避免使焊接接頭和母材的組織及性能發生變化。
②對于含有一定數量的鉻、鉬、釩、鈮等元素的低合金高強度鋼及其焊接接頭，為避免產生再熱裂紋，通常應避免在500～650℃左右加熱，尤其是避免在敏感溫度600℃左右加熱。
③對于含有一定數量的釩、鈦、鈮的低合金鋼及其焊接接頭，應避免在其回火脆性溫度區間加熱，否則將使焊接接頭的沖山韌度下降，
3)改善焊后性能熱處理
①對于低碳鋼、不易淬火的低合金高強度鋼、低溫鋼及鐵素體不銹鋼，一般不需進行焊后改善性能熱處理。
②對于易淬火鋼和耐熱鋼，為了改善焊接接頭的性能，提高高溫性能，焊后必須進行高溫回火熱處理，以消除淬硬組織。
③對于奧氏休不銹鋼，為了改善焊接接頭的抗晶間腐蝕性能，可在焊后進行穩定化處理。
④鐵素體不銹鋼，焊后在600℃以上短時加熱后空冷，可消除475℃脆化；加熱到930～980℃急冷可消除σ相脆化，使焊接接頭的性能得到改善。
⑤對于馬氏體不銹鋼，焊縫及熱影響區淬硬傾向較大，易產生延遲裂紋，焊后應進行高溫回火處理?；鼗饻囟纫话阍?30～790℃之間。不得從預熱或層間保持溫度直接進行熱處理，應冷卻到150～120℃保溫2h,防止晶粒粗化，使奧氏體的主要部分轉變為馬氏體，然后及時進行高溫回火處理，以獲得具有足夠韌性的細晶粒組織。
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