焊缝及其热影响区的组织和性能PPT课件

1、Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学17.1 金属焊接概述金属焊接概述公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。焊（秦始皇陵铜车马等）。 19世纪，现代焊接技术得以发展（世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、弧、金属弧、电阻热）。金属弧、电阻热）。 20世纪，金属电弧用于金属结构生产，发世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。明厚药皮焊条。第1页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学2第2页/共122页Principle o

2、f Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学3第3页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学41921年，第一艘全焊远洋船；年，第一艘全焊远洋船；30年代，大规模制造焊接结构；年代，大规模制造焊接结构；60年代，焊接结构空前普及；年代，焊接结构空前普及；中国：中国：上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。九江长江大桥、芜湖长江大桥等。第4页/共122页Principle of Mate

3、rials Forming 第三章 凝固热力学与动力学5第5页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学6第6页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学7第7页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学87.17.1金属焊接成形概述金属焊接成形概述常见连接成形方法：常见连接成形方法：A 焊接焊接B 胶接胶接使用胶粘剂来连接材料。使用胶粘剂来连接材料。 优点：适应性广、工艺简单，应力变形小，优点：适应性广、工艺简单，应力变

4、形小， 适用于各种材料适用于各种材料 缺点：固化时间长，胶接剂易老化，耐热性差。缺点：固化时间长，胶接剂易老化，耐热性差。C 机械连接机械连接螺纹连接、销钉连接、键连螺纹连接、销钉连接、键连 接和铆钉连接接和铆钉连接 优点：标准件，良好的互换性，选用方便，优点：标准件，良好的互换性，选用方便， 工作可靠，易于工作可靠，易于 检修。检修。 缺点：增加了机械加工工序，结构重量大，缺点：增加了机械加工工序，结构重量大， 密封性差，成本较高。密封性差，成本较高。第8页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学9焊接焊接是一种永久性连接金属材料的

5、工艺方法。是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接的实质焊接的实质用加热或加压等手段，借助于金属原子的结用加热或加压等手段，借助于金属原子的结 合与扩散作用，合与扩散作用，依靠原子间的结合力依靠原子间的结合力使分离使分离 的金属材料牢固地连接起来。的金属材料牢固地连接起来。焊接方法焊接方法熔化焊、压力熔化焊、压力 焊及钎焊。焊及钎焊。应用应用在机械制造业中以在机械制造业中以 熔化焊熔化焊的应用最为的应用最为 广泛。广泛。第9页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学10熔化焊：熔化焊：将工件局部加热到熔化状态，形成将工件局部加热到熔化

6、状态，形成熔池，冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合熔池，冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合成不可分离的整体。常见有气焊、电弧焊、成不可分离的整体。常见有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。压焊：压焊：无论加热与否，均需要加压的焊接方无论加热与否，均需要加压的焊接方法。常见的有电阻焊、摩擦焊、冷压法。常见的有电阻焊、摩擦焊、冷压 焊、扩散焊和爆炸焊等。焊、扩散焊和爆炸焊等。钎焊：钎焊：采用熔点低于被焊金属的钎料熔化以采用熔点低于被焊金属的钎料熔化以后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散后，填充接头间隙，并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊

7、工件不熔化，一实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化，一般没有塑性变形。般没有塑性变形。焊接的分类：焊接的分类：加热钎钎料料加热加压第10页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学11从冶金角度从冶金角度: 液相焊接：液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料间原基材和填充材料熔化液相互溶材料间原子结合。子结合。 固相焊接：固相焊接：压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩散实现原子结合。散实现原子结合。 固液相焊接：固液相焊接：待接表面不接触，通过两者之间的毛细待接表面不接触，通过两者之间的毛细间隙中的液相

8、金属在固液界面扩散，实现原子结合。间隙中的液相金属在固液界面扩散，实现原子结合。 （钎（钎焊）焊）第11页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学12金属焊接成形概述金属焊接成形概述第12页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学13金属焊接成形概述金属焊接成形概述第13页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学14第14页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与

9、动力学15第15页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学16第16页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学17焊接的优点：焊接的优点：（1）焊接生金属材料，）焊接生金属材料，结构重量轻结构重量轻。（2）能制造重型、复杂的机械零部件，简化铸造、锻造及）能制造重型、复杂的机械零部件，简化铸造、锻造及 切削加工工艺。切削加工工艺。（3）焊接接头不仅具有）焊接接头不仅具有良好的力学性能良好的力学性能，还具有，还具有良好的密良好的密 封性封性。（4）能够制造）能够制造双金属结构双金

10、属结构，使材料的性能得到充分利用。，使材料的性能得到充分利用。（5）可实现不同材料的连接成型，是不可拆卸的）可实现不同材料的连接成型，是不可拆卸的永久性连永久性连 接接。第17页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学18焊接的焊接的缺点：缺点：（1）焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；）焊接结构不可拆卸，给维修带来不便； （2）焊接结构中存在焊接应力和变形；）焊接结构中存在焊接应力和变形；（3）接头的组织性能往往不均匀，并会产生裂纹、夹渣、）接头的组织性能往往不均匀，并会产生裂纹、夹渣、 气孔等焊接缺陷，从而引起应力集中，降低连接件的

11、气孔等焊接缺陷，从而引起应力集中，降低连接件的 承载能力。承载能力。第18页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学197.2 焊接接头成形及其冶金过程焊接接头成形及其冶金过程 熔化焊时焊接接头的形成一般都熔化焊时焊接接头的形成一般都要经历加热、熔化、冶金反应、要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，最凝固结晶、固态相变等过程，最后形成焊接接头。这一过程可从后形成焊接接头。这一过程可从焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接时的金属凝固和相变过程三焊接时的金属凝固和相变过程三个方面加以学习。个方面

12、加以学习。焊接接头焊接接头 焊接热过程焊接热过程 + 焊接化学冶金焊接化学冶金 + 焊接物理冶金焊接物理冶金第19页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学20一、焊接热过程1 1、焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属及焊接材料由、焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属及焊接材料由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）、凝固、固体相变的过程，称之为焊接热过程。状态）、凝固、固体相变的过程，称之为焊接热过程。2 2、焊接热过程的特点、焊接热过程的特点局部性局部性热源的运动性热源的

13、运动性瞬时性瞬时性传热过程的复合性传热过程的复合性第20页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学213 3、焊接热过程的作用、焊接热过程的作用热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸决定了焊接熔池进行冶金反应的程度决定了焊接熔池进行冶金反应的程度影响熔池金属凝固、相变过程影响熔池金属凝固、相变过程不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷种焊接裂

14、纹和其他缺陷影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率第21页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学22二、焊接化学冶金 熔焊时，焊接区内的各种物质，即液态金属、熔渣和熔焊时，焊接区内的各种物质，即液态金属、熔渣和气相之间在高温下进行的极为复杂的物理化学变化的气相之间在高温下进行的极为复杂的物理化学变化的过程，称为过程，称为焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程。焊接化学冶金过程对。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分

15、、性能、焊接缺陷（如气孔、裂纹等）焊缝金属的成分、性能、焊接缺陷（如气孔、裂纹等）以及焊接工艺性能都有重要的影响。以及焊接工艺性能都有重要的影响。焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内的气体和焊接熔渣焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊缝金属的合金化及其成分控制焊缝金属的合金化及其成分控制包括内容：包括内容：第22页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学23焊接化学冶金的特点焊接化学冶金的特点：1.1.焊接化学冶金的首要任务就是焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保

16、护对金属加强保护，使其免受空气，使其免受空气中中气体的有害作用气体的有害作用，从而减少焊缝中有害，从而减少焊缝中有害杂质含量杂质含量，减少有益，减少有益合合金元素损失金元素损失，使焊缝金属得到合适的，使焊缝金属得到合适的化学成分化学成分，提高，提高焊接质量焊接质量。2.2.焊接化学冶金过程是焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续分区域（或阶段）连续进行的，各区的反进行的，各区的反应物应物性质性质和和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动动等反应条件也有着较大的差异。等反应条件也有着较大的差异。反应条件反应条件的差异就影响着反应的差异就影响

17、着反应进行的进行的可能性、方向、速度及限度可能性、方向、速度及限度。不同的。不同的焊接方法焊接方法有不同的有不同的反反应区应区。钨极气体保护焊和电子束焊只有。钨极气体保护焊和电子束焊只有熔池反应区熔池反应区；熔化极气体；熔化极气体保护焊有保护焊有熔滴反应区熔滴反应区和和熔池反应区熔池反应区两个反应区；焊条电弧焊有三两个反应区；焊条电弧焊有三个反应区：个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。第23页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学24 温度变化范围大；温度变化范围大；停留时间短；停留时间短

18、；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；响因素；3 3、焊接冶金反应分析、焊接冶金反应分析第24页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学25三、焊接物理冶金过程三、焊接物理冶金过程熔化焊时，熔化焊时，焊接焊接材料材料及母材金属及母材金属在高温热源作用下发生在高温热源作用下发生了局部熔化，在此过程中发生了冶金

19、反应。当热源离开后，了局部熔化，在此过程中发生了冶金反应。当热源离开后，熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变，最终形成焊缝熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变，最终形成焊缝，这个，这个过程主要是物理冶金过程过程主要是物理冶金过程。靠近熔池的金属，由于经历了焊接高温热源的热循环作靠近熔池的金属，由于经历了焊接高温热源的热循环作用，其组织和性能也会发生变化，这一区域称之为用，其组织和性能也会发生变化，这一区域称之为焊接热影焊接热影响区响区（Heat Affected ZoneHeat Affected Zone，简称，简称HAZHAZ）或近缝区）或近缝区，此区域，此区域主要发生物理冶金过程主要发生物理冶金

20、过程。介于焊缝和热影响区之间的。介于焊缝和热影响区之间的薄层薄层过过渡区称为渡区称为熔合区熔合区。第25页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学26焊接接头主要是由焊缝和热影响区组成的焊接接头主要是由焊缝和热影响区组成的：由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的，所由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的，所以会形成不同的微观组织，有时甚至会产生缺陷，从而影响到以会形成不同的微观组织，有时甚至会产生缺陷，从而影响到整个接头的作用。在很多情况下，焊接热影响区的质量与焊缝整个接头的作用。在很多情况下，焊接热影响区的质

21、量与焊缝质量是同等重要的，有些金属的焊接热影响区存在的问题比焊质量是同等重要的，有些金属的焊接热影响区存在的问题比焊缝更要复杂。缝更要复杂。焊接接头组成示意图1-焊缝 2-熔合区 3-热影响区 4-母材第26页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学277.3 焊接温度场焊接温度场1.焊接时热作用的特点焊接时热作用的特点（1）集中性）集中性（2）瞬时性）瞬时性2. 焊接传热基本形式焊接传热基本形式（根据传热学基本理论）（根据传热学基本理论）（1）热传导）热传导 （2）热对流）热对流 （3）热辐射）热辐射 焊接过程中：热源焊接过程中：热

22、源 焊件焊件 ： 对流、辐射为主对流、辐射为主 母材、焊条本身母材、焊条本身 ： 热传导为主热传导为主第27页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学28 热传导过程的偏微分方程热传导过程的偏微分方程（根据傅立叶公式和能量守恒定律建立）（根据傅立叶公式和能量守恒定律建立） 三维传热三维传热 二维传热二维传热 一维传热一维传热具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布边界条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。边界

23、条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件：常见的三种边界条件： 第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系 第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系 第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介 质的换热系数质的换热系数a。)(222222zTyTxTctT)(2222yTxTctT22xTctT第28页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学29第29页/共122页Pr

24、inciple of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学303.3.焊接温度场的概念焊接温度场的概念焊接温度场焊接温度场某瞬时焊件上各点的温度分布某瞬时焊件上各点的温度分布 T= f(x,y,z,t) 等温线（面）等温线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面） 每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度来表示：来表示：Grad T第30页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学31（2 2）当恒定热功率的热源固定作用在焊件上

25、时，开始阶段温度场是不）当恒定热功率的热源固定作用在焊件上时，开始阶段温度场是不稳定的，经过一段时间后便达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，这稳定的，经过一段时间后便达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场，这种情况称为准稳定温度场。种情况称为准稳定温度场。 （3 3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。温度场与热源作同步运动，可采用移动坐时，温度场是准稳态温度场。温度场与热源作同步运动，可采用移动坐标系，使坐标原点与热源中心重合。标系，使坐标原点与热源中心重合。（1 1）正常焊接条件下，焊接

26、热源是以一定速度沿焊缝移动的。）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。 第31页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学32第32页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学334.4.数学分析法数学分析法数学解析的简化条件：数学解析的简化条件：1 1）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀2 2）三维或二维传热时，各方向传热互不影响）三维或二维传热时，各方向传热互不影响3 3）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：

27、）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：a)a)半无限大物体半无限大物体 三维传热三维传热 点热源点热源b)b)无限薄物体无限薄物体 二维传热二维传热 线热源线热源c)c)无限长细杆无限长细杆 一维传热一维传热 面热源面热源4 4）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表 面与介质间的热传导忽略不计面与介质间的热传导忽略不计5 5）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6 6）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于

28、不同点 的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响。的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响。第33页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学34厚板温度场表达式：厚板温度场表达式：1.1.正常速度运动时的特解：正常速度运动时的特解：2.2.热源高速度运动时的近似解：热源高速度运动时的近似解： 薄板温度场表达式：薄板温度场表达式：1.1.正常速度运动时的特解：正常速度运动时的特解：2.2.热源稿速度运动时的近似解：热源稿速度运动时的近似解：第34页/共122页Principle of Materials Form

29、ing 第三章 凝固热力学与动力学35第35页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学36X-Y方向温度场分布/全图第36页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学37三维温度场分布第37页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学38第38页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学39实测结果第39页/共122页Principle of Materials

30、Forming 第三章 凝固热力学与动力学40薄板二维传导，薄板二维传导，板厚方向无温差，板厚方向无温差，近似全熔近似全熔透对接焊透对接焊第40页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学415.5.影响温度场的因素影响温度场的因素（1 1）热源的性质）热源的性质（2 2）焊接工艺参数（有效热功率）焊接工艺参数（有效热功率q q 、焊接速度、焊接速度v v） q q一定一定 v v增大增大 等温线的范围变小，热源集中程度增大等温线的范围变小，热源集中程度增大 v v一定一定 q q增大增大 温度场的范围增大温度场的范围增大 grad T

31、 grad T q/v q/v一定一定 v v 较大时较大时 grad T grad T （3) 3) 金属的热物理性质（热导率金属的热物理性质（热导率、体积比热容、体积比热容c等等） 热物理性质主要是指热物理性质主要是指 热扩散率热扩散率 = = /c/c 焊接线能量焊接线能量 E E 相同相同 a grad T a grad T 板厚：其他因素不变，随板厚的减小，板厚：其他因素不变，随板厚的减小， 焊件表面的高温区域焊件表面的高温区域第41页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学42第42页/共122页Principle of

32、Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学43第43页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学44一、熔池凝固一、熔池凝固1 1、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别、焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；焊接熔池体积小，冷却速度高； 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸(30cm(30cm3 3, 100g), 100g)，冷却速度平均，冷却速度平均 达达100/s100/s，约为铸造的，约为铸造的10104 4。焊接熔池的液态金属处于过热状态焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池平均温度熔池

33、平均温度 (1770(1770100) 100) 钢锭钢锭:1550 :1550 ；熔池；熔池 过热度大，合金元素烧损严重，非自发形核质点减过热度大，合金元素烧损严重，非自发形核质点减 少，促使柱状晶发展。少，促使柱状晶发展。7.4 7.4 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能第44页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学45一、熔池凝固一、熔池凝固熔池在运动状态下结晶熔池在运动状态下结晶u结晶前沿随热源同步运动。结晶前沿随热源同步运动。u液态金属受到电弧搅拌力、气流吹液态金属受到电弧搅拌力、气流吹 力、电磁力、熔滴作用力、表面

34、张力、电磁力、熔滴作用力、表面张 力及金属密度差的作用。力及金属密度差的作用。u熔池金属存在对流运动，有利于除气和除渣。熔池金属存在对流运动，有利于除气和除渣。u凝固速度很大，固液界面的推进速度比铸件高凝固速度很大，固液界面的推进速度比铸件高10-100倍。倍。化学成分不均匀化学成分不均匀1、焊接熔池凝固过程差别、焊接熔池凝固过程差别第45页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学46 二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律 （1 1）形核）形核 自发形核自发形核 所需能量：所需能量： 其中：其中：新相新相- -液相界面张力液相

35、界面张力 F Fv v 单位体积内固液两相自由能之差单位体积内固液两相自由能之差 非自发形核非自发形核 所需能量：所需能量： =0 =0 E Ek k =0 =0 现成晶核现成晶核 =180=180 E Ek k =E=Ek k 全自发形核全自发形核 固固- -液界面张力差越小，液界面张力差越小，越小，同时越小，同时越小，故越小，故E Ek k越小越小2v3kF316E)4cos3cos32(3kkEE2v3kF316E第46页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学47二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律（1 1）形核）形核

36、 自发形核和非自发形核自发形核和非自发形核在焊接熔池中，温度达到在焊接熔池中，温度达到16001600，自发形核几乎不可能，非自发形自发形核几乎不可能，非自发形核起主要作用。核起主要作用。在焊接条件下，熔池中存在两种在焊接条件下，熔池中存在两种所谓现成表面：一种是合金元素所谓现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点表面；另一种或杂质的悬浮质点表面；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态是熔合区附近加热到半熔化状态基体金属的晶体表面，非自发形基体金属的晶体表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（成所

37、谓交互结晶（联生结晶联生结晶）。）。在焊接材料中加入一定的合金元素可作为在焊接材料中加入一定的合金元素可作为熔池非自发形核的质点，细化晶粒。熔池非自发形核的质点，细化晶粒。外延结晶示意图第47页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学48 二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律 （2 2）晶核长大）晶核长大 择优生长择优生长 每一种晶体点阵都存在一个最优每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向结晶取向, , 对于立方点阵的金属对于立方点阵的金属（Fe, Ni, Cu, AlFe, Ni, Cu, Al），最优结晶），最优结晶取向为取

38、向为。 温度梯度大的方向，也是晶粒易温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度垂直的方向温度梯度G G最大。最大。 当母材晶粒取向当母材晶粒取向与导热最快与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大时，晶粒生长最快而优先长大焊缝金属柱状晶的择优生长第48页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学49（3 3）焊接工艺对一次组织结构的影响）焊接工艺对一次组织结构的影响 焊接熔池的外形是椭球状的曲面，即焊接熔池的外形是椭球状的曲面，

39、即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面，因此晶粒的生长方向也是垂直于晶等温面，因此晶粒的生长方向也是垂直于结晶等温面。由于等温面是曲线，那么晶粒结晶等温面。由于等温面是曲线，那么晶粒生长的主轴也是弯曲的。生长的主轴也是弯曲的。第49页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学50（3 3）焊接工艺对一次组织结构的影响）焊接工艺对一次组织结构的影响低速焊接条件下：低速焊接条件下： 焊缝的柱状晶朝向焊接方向弯曲并指向焊缝中心，称焊缝的柱状晶朝向焊接方向弯曲并指向焊缝中心，称 为为“偏向晶偏向晶

40、”。高速焊接条件下：高速焊接条件下： 柱状晶成长方向可柱状晶成长方向可垂直于焊缝边界，一垂直于焊缝边界，一直长到焊缝中心，称直长到焊缝中心，称“定向晶定向晶”。低熔点杂。低熔点杂质偏析于焊缝中心，质偏析于焊缝中心，易出现纵向裂纹。易出现纵向裂纹。第50页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学51原因：高速移动，熔池原因：高速移动，熔池变成细长条，最快散热变成细长条，最快散热方向垂直于焊缝轴线。方向垂直于焊缝轴线。第51页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学52三、熔池结

41、晶线速度三、熔池结晶线速度 1.1.晶粒主轴生长线速度晶粒主轴生长线速度(V(Vc c) )分析分析 晶粒生长线速度分析图晶粒生长线速度分析图 第52页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学53在在dtdt内，当结晶等温面由内，当结晶等温面由A AB B时，变化时，变化dxdx，则，则 dx/dt=Vdx/dt=V（焊接速度），（焊接速度）， 此时该晶粒生长由此时该晶粒生长由A AC C， 变化变化 dsds，则，则 ds/dt=Vc,ds/dt=Vc,当当dtdt0 0时，时，BCBC垂直于垂直于ACAC，则则 即平均成长速度即平

42、均成长速度V Vc c有有 coscos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状 cosdtdxdtdscosVVc 第53页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学54 coscos值的确定值的确定 厚大件：厚大件： 薄件：薄件： 对对V Vc c的讨论的讨论 =0=0时，时，V Vc c=V =V ，焊缝中心处，焊缝中心处 =90=90时，时，V Vc c=0=0，焊缝边界处，焊缝边界处 V V ，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结 合线，产生纵向裂纹合线

43、，产生纵向裂纹 V VV Vc c ，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速所以焊易裂材料时，不能用大的焊速21222211)(coszyzykkkkqvA2122211)()(cosyyMkkTqA第54页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学55 四、熔池结晶的形态四、熔池结晶的形态 （1 1）分类）分类 （2 2）纯金属的结晶形态）纯金属的结晶形态 正的温度梯度：平面晶，生正的温度梯度：平面晶，生 长缓慢（主要）长缓慢（主要） 负的温度梯度：生长速度快，负的温度梯度：生长速度快， 除主轴外，还有分枝，生成除主轴外，还有分枝，生成 树

44、枝晶（较少）树枝晶（较少）等轴晶（树枝晶）树枝晶晶胞平面晶柱状晶形态第55页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学56（3 3）固溶体的结晶形态）固溶体的结晶形态温度过冷温度过冷: :结晶潜热所结晶潜热所致固相前部温度高，液致固相前部温度高，液相温度低。相温度低。成分过冷：先结晶温度成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低，快高，后结晶温度低，快速结晶时，易出现树枝速结晶时，易出现树枝晶。晶。第56页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学57（4 4）成分过冷对结晶形态的影响

45、）成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶：平面结晶： GTGT，多见于高纯金属焊缝或溶质含量低，多见于高纯金属焊缝或溶质含量低的液态合金，在熔合线附件温度梯度很高而结晶速度很小的液态合金，在熔合线附件温度梯度很高而结晶速度很小的边界层中。的边界层中。第57页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学58胞状结晶胞状结晶 G G与与T T少量相交少量相交第58页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学59胞状树枝结晶：胞状树枝结晶： G G与与T T相交较大，晶粒主轴快速伸向液相交较

46、大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质，故横向也出现分枝内，横向排溶质，故横向也出现分枝第59页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学60树枝状结晶树枝状结晶 : :当成分过冷进一步增大，树枝晶显著当成分过冷进一步增大，树枝晶显著第60页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学61等轴结晶等轴结晶 : :液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也形成树枝晶枝晶，内部也形成树枝晶等轴晶等轴晶第61页/共122页Principle of

47、Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学62综合综合 当结晶速度当结晶速度R R和温度梯度和温度梯度G G不变时，随合金中溶质浓度不变时，随合金中溶质浓度 的提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变的提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变 为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶 当合金中溶质的浓度当合金中溶质的浓度C C0 0一定时，结晶速度一定时，结晶速度R R越快，成分越快，成分 过冷的程度越大，结晶形态也可由平面品过渡到胞状过冷的程度越大，结晶形态也可由平面品过渡到胞状 晶、树枝状晶，最后到等轴晶晶、树

48、枝状晶，最后到等轴晶 当合金中溶质浓度当合金中溶质浓度C C0 0和结晶速度和结晶速度R R一定时，随液相温度一定时，随液相温度 梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演 变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶 第62页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学63第63页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学64 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷熔

49、池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。（5 5）焊缝各部位晶粒形态的变化）焊缝各部位晶粒形态的变化第64页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学65 理论上理论上: : 熔合线处：熔合线处：G G最大、最大、R R最小最小平面晶平面晶 中心处：中心处：G G最小、最小、R R最大最大等轴晶等轴晶 实际上（主要是柱状晶和少量的等轴晶）实际上（主要是柱状晶和少量的等轴晶）: : 成

50、分成分 板厚和接头形式板厚和接头形式 焊接速度焊接速度 v vR R , ,熔合线处熔合线处G G , ,焊缝中心处焊缝中心处G G出现大量等轴出现大量等轴 晶晶 （否则出现胞状晶或树枝晶）（否则出现胞状晶或树枝晶） 焊接电流焊接电流 I IG G , ,胞状晶胞状晶粗大树枝状晶粗大树枝状晶第65页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学66五、焊缝的化学不均匀性五、焊缝的化学不均匀性 1.1.焊缝中的化学不均匀性焊缝中的化学不均匀性 显微偏析：显微偏析： 先结晶先结晶C C0 0低，后结晶低，后结晶C C0 0高，即晶粒中心高，即晶

51、粒中心C C0 0高，边缘低高，边缘低 原因：冷却速度快，来不及均匀化原因：冷却速度快，来不及均匀化 要求细晶化，降低偏析要求细晶化，降低偏析 区域偏析区域偏析 熔池中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶的结果熔池中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶的结果 层状偏析层状偏析 结晶（熔滴过渡）的周期性所致结晶（熔滴过渡）的周期性所致第66页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学672.2.熔合区的化学不均匀性熔合区的化学不均匀性 熔合区的形成熔合区的形成 母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区母材与焊缝交界的地方并不是一条线，

52、而是一个区 熔合区熔化不均（传热、晶粒散热）熔合区熔化不均（传热、晶粒散热） 熔合区成分分布熔合区成分分布 在液相中的溶解度在液相中的溶解度 在固相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相浓度故：固相浓度 界面界面 液相浓度液相浓度 C C0 0 - C- C C C0 0 + C+ C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是分配取决于扩散系数和分配系数，特别是 S S、P P、C C、B B、O O、N N等等 熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）第67页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学68第6

53、8页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学69六、焊缝固态相变六、焊缝固态相变 1 1、低碳钢焊缝、低碳钢焊缝 组织特征：组织特征：A PA P，形成，形成F+F+少量少量P,AP,A晶界析出晶界析出F F，有时，有时F F 呈魏氏组织形态。呈魏氏组织形态。 魏氏组织特征：铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，魏氏组织特征：铁素体在奥氏体晶界呈网状析出， 也可从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短也可从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短 不一的针状或片条状，可直接插入珠光体晶粒之中不一的针状或片条状，可直接插入珠光体晶粒之中 冷速不同

54、，组织不同：冷速增加，冷速不同，组织不同：冷速增加，P P增多，增多，F F减少，减少， 硬度升高硬度升高第69页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学702、低合金钢、低合金钢 （1）多以多以F+P为主，有时出现为主，有时出现B及及M, ,与焊材及工艺有关。与焊材及工艺有关。 （2）铁素体（）铁素体（F）转变）转变 粒界粒界F（高温转变（高温转变900-700）：为先共析）：为先共析F,由奥氏由奥氏 体晶界析出向晶内生长，呈块状体晶界析出向晶内生长，呈块状 侧板条侧板条F（700-550）：由奥氏体晶界形核，以板）：由奥氏体晶界形

55、核，以板 条状向晶内生长（由于条状向晶内生长（由于F形成温度较高，形成温度较高，F内含碳极内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体）低，故又称为无碳贝氏体） 针状针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥实体附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成内形成 细晶细晶F （500以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素以下）：奥氏体晶内形成，有细晶元素（Ti、B）出现时，晶界有）出现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体。出现，接近上贝氏体。第70页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学71（3 3）珠光体（）珠光体（P P）转变）转变 一般情况不出现

56、一般情况不出现P P，只有在缓冷时，才会出现片状或，只有在缓冷时，才会出现片状或 粒状的珠光体粒状的珠光体 原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C C 扩散受到抑制，很难出现扩散受到抑制，很难出现F/FeF/Fe3 3C C片状结构片状结构（4 4）贝氏体（）贝氏体（B B）转变）转变 上贝氏体（上贝氏体（B B下下）转变）转变 形成温度：形成温度：450-550450-550 形态：羽毛状形态：羽毛状 形成机理：切变形成机理：切变- -扩散型扩散型第71页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固

57、热力学与动力学72 下贝氏体（下贝氏体（B下下）转变）转变 转变温度：转变温度：450-Ms 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与 针之间呈一定的角度针之间呈一定的角度 形成机理形成机理 粒状贝氏体（粒状贝氏体（B粒粒） 形成温度高于上贝氏体形成温度高于上贝氏体 形态：无碳铁素体包围着富碳物质形态：无碳铁素体包围着富碳物质 转变产物：转变产物：F + Cm、M-A组织或残余奥氏体组织或残余奥氏体 第72页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学73（5 5）马氏体）马氏体(M)(M)转变

58、转变 低碳马氏体（板条马氏体）低碳马氏体（板条马氏体） 转变温度：转变温度：M MS S温度以下温度以下 形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板 条，条与条之间有一定的交角条，条与条之间有一定的交角 形成机理：位错形成机理：位错 高碳马氏体（片状马氏体）高碳马氏体（片状马氏体） 形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶 粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶形成机理：孪晶第73页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力

59、学与动力学741.1.凝固组织形态对性能的影响凝固组织形态对性能的影响 生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂都有影响都有影响2.2.焊缝金属的性能的改善措施焊缝金属的性能的改善措施固溶、细晶等强化和变质处理固溶、细晶等强化和变质处理 加入加入MoMo、V V、TiTi、ZrZr、AlAl、B B、N N、稀土、稀土TeTe等等 振动结晶振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动机械振动、高频超声振动、电磁振动 焊接工艺焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等。七、改善焊缝组织的途

60、径七、改善焊缝组织的途径第74页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学75 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化的区域称为发生组织和性能变化的区域称为“焊接热影响区焊接热影响区” 。 图10-1 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材7.5 7.5 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能第75页/共122页Principle of Materials Forming 第三章 凝固热力学与动力学761 1、研究焊接热循环的意义、研究