合金钢焊接的金相组织

2025-03-14 15:01:25 作者：每天学点热处理来源：每天学点热处理分享至：

合金钢具有一定淬透性，因此，合金钢焊接，焊缝及其周围组织复杂，需要根据具体情况对焊接工艺或者辅助措施做必要调整，区别对待。

本期讲述合金钢焊接的金相组织。

▲图1 100X

图号:图1材料:16Mn

工艺说明:自动电弧焊接

浸蚀方法:经4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图上部分焊缝组织:块状以及沿柱状晶分布的铁素体，晶内少量珠光体。图中下

部为半熔化区和过热区为珠光体、铁素体及部分贝氏体，晶粒较粗大。图片下部(少部分区域)为细小的等轴晶，为重结晶区。

▲图2 6X ▲图3 500X

▲图4 500X ▲图5 500X

▲图6 100X ▲图7 500X

▲图8 200X ▲图9 200X

图号:图2~图9

材料:40Cr钢与4 钢(重型汽车花键轴头)

工艺情况:CO2气体保护自动焊，用H08Mn2SiA/中1.6焊条

浸蚀方法:均经4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图2为焊接接头低倍形貌。1区域为焊缝;2区域为40Cr钢一侧热影响区;3区域为40Cr钢母材:4区域为45钢一侧热影响区;5区域为45钢母材。3与5之间有一条两种钢材的间隙。

图3为焊缝组织(1区)，铁素体沿柱状晶析出，并以针状向晶内伸展，呈魏氏组织形态，并有少量无碳贝氏体平行分布。

图4为40Cr钢热影响区(2 区)组织形貌。可见羽毛状上贝氏体、黑色针状下贝氏体;浅灰色马氏体以及残余奥氏体的混合组织。图中棱形维氏硬度压痕反映出各组织的不同硬度。马氏体区硬度为502HV0.1(压痕最小);上贝氏体区硬度为216HV0.1(压痕最大):下贝氏体区硬度为321HV0.1。表明该区经历不完全淬透过程。

图5为40Cr钢热影响区(近母材)组织形貌，为索氏体和铁素体，呈细小等轴状晶粒。

图6为40Cr锕母材(3区)组织形貌:索氏体和少量铁素体，为调质不良组织。图11-59为45钢母材(5区)组织形貌:细片状珠光体和网状分布铁素体，少量铁素体呈针状。

图7为40Cr钢处的熔合区(1与2之间)组织形貌。图上方为焊缝(1区);图下方为热影响区(同图4)，熔合良好，未见缺陷。

图9为45钢处的熔合区(1与4之间)组织形貌。图上方为焊缝，呈胞晶状分布;图下方为45钢热影响区，组织为索氏体和细网分布的铁素体。熔合良好。

▲图10 2.4X ▲图11 100X

▲图12 100X ▲图13 500X

▲图14 200X

▲图15 500X ▲图16 500X

图号:图10~图16

材料:20CrMnTi与35钢

工艺情况:摩擦焊接，摩擦压力:60MPa:顶锻压力:160MPa:转速1500r/min。

浸蚀方法:4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图10为两种钢材经过摩擦挤压生热熔化焊接结合区低倍下形貌。熔合线2处未见宏观缺陷，如夹渣、孔隙等。

图11为图11-62中1区，即20CrMnTi原始材料基体组织:铁素体和珠光体，趋带状分布。硬度为94~96HRB。

图13为图11-62中5区，即35钢原始材料基体组织:铁素体和珠光体，明显带状分布。硬度为 91HRB。

图14为图10中3区，近熔合区的20CrMnTi一侧，由于受摩擦熔化高温影响发生相变，组织为:低碳马氏体和少量铁素体。硬度为38HRC。

图14为图 10中2区，即熔合线及其两侧钢材的组织形貌。上方为20CrMnTi，下方为35钢。熔合线很窄，成为分叉不均匀，组织复杂而不均匀。

图15为图10中4区，近熔合区的35钢一侧，同样原因，发生相变，组织为索氏体和条状铁素体。

图16为图10中6区，较4区温度低些，铁素体相对更多。

▲图17 500X

图号:图17。

材料:12Cr1MoV。

工艺情况:手工电弧焊，焊后750℃回火。

浸蚀方法:经4%硝酸酒精溶液浸蚀。

组织说明:

熔合区组织形貌。图上方为焊缝组织:回火索氏体和少量呈网络状分布的铁素体。图下方为焊接热影响区，组织为回火索氏体及条块状分布的铁素体，组织较粗大。

图中可见，熔合区焊缝一侧中的一些铁素体与热影响区的铁素体连成一体，表明焊缝凝固时以母材金属晶核为基底。

▲图18 200X

图号：图18。

材料：ZG25CrNiMo。

工艺情况：用热307焊条焊补后去应力退火。

浸蚀方法：经4%硝酸酒精溶液浸蚀。

组织说明：

熔合区组织形貌。图上部为焊缝显微组织:树枝状晶的铁素体和珠光体，以及少量粒状贝氏体。

图下部为热影响区的显微组织：珠光体和铁素体呈等轴状，为典型的完全正火组织。

该组织为正常的焊补组织。

▲图19 500X

图号:图19。

材料:30CrMnSiA。

工艺情况:手工电弧焊。

浸蚀方法:4%硝酸酒精溶液浸蚀。

组织说明:

图上部为焊缝显微组织:铁素体、贝氏体和少量珠光体，呈枝状晶分布。

图下部为母材半熔化区和过热区的显微组织:粗大的羽毛状贝氏体，过热区过热程度较明显，晶粒也有明显的长大，所以此区是焊缝脆性比较大的地方，也是焊缝最薄弱的区域，使用时疲劳裂缝最容易在此区域萌生。

▲图20 500X

图号:20

材:料:30CrMoSiA

工艺情况:手工电弧焊。

浸蚀方法:4%硝酸酒精溶液浸蚀。

组织说明:

图上部为图19焊缝母材热影响区的完全正火区和不完全正火区的显微组织:珠光体和铁素体。组织较细小，呈等轴状，表明经再结晶。

图下部为母材高温回火区的显微组织:索氏体和少量铁素体，保持原始晶粒形貌。

▲图21 200X ▲图22 200X

▲图23 400X

图号:图21~图23

材料:W6M05Cr4V2、60Si2Mn

工艺情况:两种金属经真空电子束焊接后高温淬火、回火处理

浸蚀方法:均经 4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图21:双金属锯带截面形貌。上部为刃齿W6M05Cr4高速钢;箭头所指为焊缝区:焊缝下为锯背母材。

图22:焊缝及两侧母材组织分布形貌。上部为高速钢区;下部为合金钢区;中间为焊缝区，其色泽不一，表明其成分不均匀，未充分熔合。

图23:锯背60Si2Mn一侧熔合区形貌。上部焊缝区，近熔合线处为针状马氏体和残余奥氏体:下部为索氏体和少量贝氏体。

真空电子束焊接，具有熔池纯度高、杂质少，熔化区窄，工件变形小的特点。

▲图24 800X

图号:图24

材料:W6Mo5Cr4V2、60Si2Mn

工艺情况:经真空电子束焊接后淬火、回火浸蚀方法:4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图23中齿部材料组织形貌:马氏体、块状共晶碳化物、颗粒状碳化物和残余奥氏体。电子束焊接瞬间能量高，焊接熔池小，对齿部材料成分、组织无明显影响。

▲图25 200X ▲图26 200X

▲图27 200X ▲图28 200X

图号:图25~图26

材料:W6Mo5Cr4V2、50CrMn

工艺情况:经真空电子束焊接后高温淬火、回火处理浸蚀方法:均经 4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图257:双金属锯条截面形貌。上部刃齿部(高速钢W6Mo5Cr4V2)，箭头所指狭带为焊缝;焊缝下为锯背部(合金材料50CrMn)。

图26:焊缝及两旁母材分布形貌。上部为刃齿高速钢区，下部为锯背合金钢区，中间为焊缝，可见熔状金属流动留下的波纹花样。

图27:熔合区形貌，右部为焊缝，两组材料熔化混合一体，经热处理其组织为保持马氏体位向的索氏体和极少量碳化物;图左部为高速钢母材，细针状马氏体、颗粒状碳化物和残余奥氏体。

图28:合金钢一侧熔合区形貌。右部为焊缝，由于焊接合金钢一侧，故本处焊缝组织与图11-79中焊缝一侧组织有差异，为索氏体;左部为合金钢母材，粗大的索氏体组织和少量贝氏体，并可见有长条的铁素体，显然为过热组织。

▲图29 63X ▲图30 500X

▲图31 500X

图号:图29~图31

材料:W6Mo5C14V2、Q235

工艺情况:压力对焊

浸蚀方法:均经 4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图29为焊接区全貌。图左边大部分区域(包括白色区域)为 W6Mo5Cr4V2(高速钢)材料区域:右下角一部分为0235钢材区域，两者间黑色区为熔合区。白色区域为高速钢的热影响区，已发生马氏体转变:在热影响区与母材间有一贯穿的较宽弯曲裂纹。

图30为高速钢热影响区中部组织形貌:白色淬火隐针马氏体、黑色针状马氏体、残留奥氏体和少量粒状碳化物，系过热而发生二次淬火(马氏体相变)。

图31为高速钢母材基体组织形貌:回火马氏体、颗粒和条状碳化物及残余奥氏体;碳化物趋网分布，马氏体针隐约可见，并有疏松，明显留有铸造形态。

由于工艺控制不当，极大的组织应力引发了焊接冷裂纹。

▲图32 100X

图号:图32

材料:W6Mo5Cr4V2、Q195工艺情况:压力对焊

浸蚀方法:经 4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图上部深色区为W6Mo5Cr4V2(高速钢)材料，组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体;图中上区为熔合区及0195的热影响区，为等轴状铁素体，内有较多黑色夹渣、气孔。接下为异常大晶粒的铁素体(可能因局部变形量达临界点)。图下方是Q195母材，其组织为铁素体和少量珠光体。

此样品焊接质量欠佳。

▲图33 100X

图号:图33

材料:W6MoSCr4V2、Q195工艺情况:压力对焊

浸蚀方法:经4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图左侧为W6MaSCr4V2(高速钢)母材，组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。图右侧为Q195母材的热影响区，异常长大的铁素体。两种材料有一半(上部)未熔合。熔合区部分，右侧Q195材料发生重结晶，呈等轴状，而左侧因是高速钢，红热性好，故未有明显组织变化。

▲图34 25X ▲图35 100X

▲图36 100X

图号:图34~图36

材料:X70(管线钢，C:0.04%;Mn:1.6%;Cr:0.24%;Ni: 0.15%;Mo:0.24%)

工艺情况:手工电弧焊，焊丝(C:0.036%;Mn:1.20%;Ni:1.05%)

浸蚀方法:均经 4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明:

图34:焊缝区及裂纹形貌。焊缝区内柱状晶发达;裂纹与柱状晶方向垂直，并且不露出表面，尾端也在焊缝区内。

图35:近焊缝表面区裂纹形貌。组织为铁素体沿柱状晶分布，晶内呈针状:平行成束的无碳贝氏体;珠光体以及粒状贝氏体。裂纹宽窄不一曲折走向，端部圆浑。

图36:焊缝内层裂纹尾部形貌。裂纹曲折锯齿状发展，每一拐点均为孔状，尾端也为一小孔状。裂纹呈现沿晶状。

由裂纹所处部位及形态确定属于热裂纹，即在高温阶段产生的，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。

▲图37 5X ▲图38 500X

▲图39 500X ▲图40 500X

图号:图37~图40

材料:1Cr18Ni9Ti

工艺情况:A132焊条单面手工多层埋弧焊

浸蚀方法:

图37:5%盐酸水溶液浸蚀;图38~图40:王水酒精溶液浸蚀。

组织说明:

图37为焊接接头的宏观组织形貌。中心部位为焊缝区，由于多层焊，呈现多层圆弧状，弧内为径向凝固而形成的胞状枝晶。焊缝两侧及右端为母材(热影响区);母材与焊缝间狭带区域为熔合区。

图38为焊缝区组织形貌:奥氏体和呈树枝状分布的铁素体。

图39为母材热影响区形貌:孪晶奥氏体和黑色带状分布的铁素体。

图40为母材组织形貌:沿变形方向分布的奥氏体和带状铁素体。对各区域进行维氏硬度测定:焊缝区为225~231HV0.2;热影响区为231~237HV0.2;母材为220~231HV0.2。

对于高合金钢焊接接头，由于热循环中组织变化较复杂，其热影响区一般又可分为高温区(难熔沉淀物溶解，粗晶马氏体等)、固溶退火区(沉淀物溶解、马氏体等再结晶)和回火区(碳化物、氮化物等析出、马氏体分解、回复再结晶等)。

▲图41 200X ▲图42 500X

图号:图41、图42

材料:1Cr18Ni9Ti

工艺情况:电弧焊，P5 焊条

焊条成分:C:0.037%; Si:0.60%;M:1.13%;P:0.017%; S: 0.018%;Cr:21.9%;Ni: 14.00%;Mo:2.11%)

浸蚀方法:10%过硫酸铵水溶液电解浸蚀

组织说明:

两图均为熔合区组织形貌。

图41:左上方为焊缝显微组织，奥氏体和铁素体，呈枝晶状分布;右下方为母材热影响区的显微组织，奥氏体、铁素体和碳化物，呈带状分布。

图42为图41焊缝交界处显微组织的放大形貌，熔合线处组织形貌更为清晰。

手工电弧焊时由于焊条药皮具有增碳作用，降低焊缝的耐蚀性能，所以必须选择含碳量低于母材的焊条，最好含碳量≤0.02%，以使焊缝和母材有相同的耐蚀性能。

焊接过程中，由于熔池的快速形成和连续熔化，加热熔化和冷却结晶都很快，为合金元素的偏析和聚集创造了热力学条件，硫、磷、硅、铌、铜等元素在枝晶之间偏析，形成低熔点共晶体而容易引起凝固热裂纹。铬、钼、铌、硅等元素的偏析则可能形成金属间化合物，如σ、X、C相等，降低焊缝的耐蚀性和力学性能。

此外由于快速结晶，柱状晶粗大，对18-8不锈钢来说，又不能通过热处理细化晶粒，降低了焊缝的塑性。同时快速冷却也使夹渣微粒不易上浮在枝晶之间形成夹杂，不仅降低焊缝的力学性能，也成为应力腐蚀破裂的源头。

▲图43 50X ▲图44 500X

▲图45 500X

图号:图43~图45

材料:

2205(SAF)

C≤0.03%;Mn≤2.0%;Cr:22%;Ni:5.5%;Mo:3.2%;N:0.18，

相当于00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢)

工艺情况:手弧焊对接，焊丝为22.83L

浸蚀方法:均经碱性铁氰化钾水溶液热蚀(75~80℃，1~2min)

组组织说明:

图43为焊缝内层组织形貌。白色奥氏体基体上分布有浅灰色条状、块状铁素体，铁素体含量约为30%。

图44为热影响区组织形貌:白色奥氏体基体上分布有灰色条状铁素体。铁素体含量为50%~60%。

图45为母材组织形貌:白色奥氏体基体上布有灰色条状铁素体，铁素体含量为40%~45%。

含有较多δ铁素体的双相母材或焊缝金属，长时间高温(500~900℃)下，会发生δ相向σ相转变使接头变脆，在某些介质中δ铁素体还会引发选择性腐蚀。因此要对焊缝中8相含量进行控制。

奥氏体一铁素体双相钢过热区常发生铁素体长大现象，故图44中铁素体含量相对高些。

▲图46 200X ▲图47 500X

▲图48 200X

图号:图46-图28

材料:ZG00Cr18Ni10

工艺情况:手工电弧焊

浸蚀方法:双钾试剂(20%铁氰化钾和20%氢氧化钾水溶液)热蚀

组织说明:

图46:上部为焊缝组织:奥氏体和铁素体。因母材体积很大，冷却快、焊缝组织比较细小，接近母材的焊缝由于母材的传热作用，焊缝沿散热方向呈树枝状组织状态，焊缝中心最后结晶呈等轴晶。下部为母材热影响组织:奥氏体和铁素体，呈铸态的树枝状分布。

图47:焊缝表面组织的放大:白色为奥氏体，灰色为铁素体，铁素体部分呈等轴晶，部分呈沿散热方向分布的条状。

图48:母材心部显微组织，白色为奥氏体，灰色为铁素体，呈铸造树枝状分布。

焊缝中铁素体形态及含量对其力学性能、抗腐蚀性能均有明显影响，因此常列为检测项目。

▲图49 400X

图号:图49

材料:ZG1Cr13

工艺情况:焊条A207，手工电弧焊，焊后1050℃淬水，750℃回火空冷。

浸蚀方法:王水甘油擦蚀。

组织说明:

熔合区组织形貌。图上部:焊缝显微组织为奥氏体和少量碳化物颗粒。

图下部:母材显微组织为呈马氏体位向的索氏体和少量的铁素体。

焊缝和母材结合情况良好。

Cr13 型马氏体不锈钢焊接过程中，由于冷却速度快，容易产生淬火作用，使母材热影响区或焊缝产生马氏体转变，而容易产生焊接冷裂纹。随着碳含量的增加，产生冷裂纹的倾向增大。所以用来作焊接结构的一般只用1Cr13 和 2Cr13;含碳量更高的 3Cr13和 4Crl3，由于冷裂的倾向较大，一般都不能焊接。

为了防止焊接接头冷裂纹的出现，焊前应进行预热，焊后应立刻进行消除应力处理预热温度200~400℃，根据含碳量不同而定:焊后消除应力处理一般为650~750℃。采用奥氏体焊条焊接时，由于氢在奥氏体中的溶解度大，有利于减少氢的扩散和防止冷裂的产生，有时可以不进行焊后热处理。