2.3.1 接头微观组织演化简介
焊接过程中焊缝及近缝区金属要经历一次或多次焊接热循环作用，其中焊金属由熔化到凝固经历一类相变，而邻近焊接的区域即焊接热影响区虽然经历了较高的温度，但还不足以发生熔化而发生固态下的相变。
相变作为影响焊接结构力学性能的重要因素之一，越来越多地引起了人们的重视。例如，低合金钢在焊接热循环过程中，其热影响区的不同区域会发生不同的固态组织转变，产生性能各异的接头区域。不同的微观组织转变与焊接热循环参数、材料化学成分、晶粒大小及冷却速度等都有着密切的联系，而这不仅会对焊接变形和残余应力产生重要的影响，而且会明显改变结构应力-应变关系，影响焊接结构的最终使用寿命。
对于低合金钢，焊缝及焊接热影响区的力学性能主要取决于奥氏体晶粒尺寸及其转变产物。焊接能量输入产生的热循环是引起晶粒长大和焊接热影响区微观组织转变的主要因素。在焊接低合金钢时，奥氏体晶粒粗大及其脆性转变产物(如马氏体和贝氏体）的出现会导致脆性断裂的发生。此外，这些硬而脆的新相也使接头对应力和腐蚀极为敏感,产生易引起冷裂纹的内应力,增加脆断发生的可能性。从宏观角度来讲，接头的力学性能可以用焊接热影响区内各组成相的含量、成分及晶粒尺寸来描述。在低合金钢中，焊接热影响区的微观组织主要为铁素体(F）、珠光体(P）、奥氏体(A）、贝氏体(B）及马氏体(M）。如图2-7所示为焊接热循环下热影响区组织转变示意图。
图 2-7 焊接热循环下热影响区组织转变示意图
1）区域1：初始组织。绝大多数焊接结构钢的微观组织为铁素体+珠光体或铁素体+奥氏体+马氏体组织。
2）区域 2：奥氏体化。当将低合金钢加热至奥氏体开始转变温度4或共析温度以上时，金属中的珠光体、铁素体等组织迅速转变成具有相同成分的奥氏体。直至奥氏体转变结束温度4，焊缝及热影响区金属全部转换成奥氏体为止。
3）区域3：再结晶。金属再结晶是指将金属加热到该金属熔点的0.4倍时(T、）,金属原子获得更多的热能,使塑性变形后的金属被拉长了的晶粒重新形核、结晶，变为与变形前晶格结构相同的无应变的新晶粒的过程。
4）区域4：奥氏体晶粒长大。重新形核的奥氏体晶粒在继续加热到最高温度(T)及随后冷却至4;线以上过程中持续长大。
5) 区域 5:铁素体形成。当低合金钢缓慢冷却至;时，奥氏体开始分解为铁素体，至 4 转变结束。
6) 区域 6:珠光体形成。当低合金钢缓慢冷却至时，奥氏体开始分解为珠光体，至B转变结束。
7) 区域7:贝氏体形成。当低合金钢缓慢冷却至B时，奥氏体开始分解为贝氏体，至M、转变结束。
8)区域 8:马氏体形成。当低合金钢缓慢冷却至M、时，奥氏体开始分解为马氏体。
焊接过程中的温度变化极为迅速，相的转变取决于冷却速度、加热速度及其他因素。对于低合金钢，可以通过对比加热峰值温度和铁碳相图平衡点来描述焊缝附近不同微观组织区域，如图2-8所示。
图 2-8 左侧曲线被分为不同的区域，显示了焊接接头热影响区各区域的峰值温度及对应组织。峰值温度曲线下方显示了从加热到达到峰值温度历经的4个区域(以 4、B、C和 D表征)的微观组织。在图 2-8底部显示了冷却后的微观组织图 2-8右侧则是铁碳平衡相图。焊接接头热影响区是指左侧图中的 B~D 区域，其在焊接热循环的作用下将发生固态相变。
焊缝区是以焊缝金属表征的材料熔化的区域。基体材料(区域)是指没有发生相变的区域。在焊接中的加热和随后的缓慢冷却过程中，接头微观组织转变的定性描述如下:假设基体金属是由铁素体和珠光体组成的含碳量为x%的退火微观组织，珠光体是铁素体和渗碳体FeC的混合物(含碳量为0.76%)，通过杠杆定律可以得出铁素体和渗碳体的比例。当温度上升到4 时，珠光体直接转变为奥氏体。随着温度的断续上升，铁素体逐渐转变为奥氏体。奥氏体中的含碳量从共析点的0.76%向x%减少。当温度达到43时，转变完成。B区域材料部分转变为奥氏体，而C区域材料完全奥氏体化。C区域和D区域的区别在于后者的温度略高，促进了晶粒的长大。在靠近熔合线区域温度会达到或超过固相线温度，此部分区域会发生部分熔化。温度达到液相线温度的焊缝区材料将发生完全熔化。
在随后的冷却过程中，由加热过程产生的奥氏体组织将会发生逆转变，也就是奥氏体的分解。图 2-8右侧是一个平衡相图，反映的是在缓慢加热和冷却状态下的组织转变。而焊接过程中的热影响区是一个很小的区域，通常加热速度和冷却速度都很快。此时，冷却过程中相的改变不仅受到冷却速度的影响，同时还会受晶粒尺寸及形成奥氏体中含碳量的影响。
图2-8 焊接接头热影响区典型组织转变与加热峰值温度及铁碳相图关系
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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