焊接物理冶金_第三章 焊缝金属

1、第三章第三章熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变第四节 焊缝性能的控制第一节 熔池凝固第二节 焊缝固态相变第三节 焊缝中的气孔和夹杂3熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程对焊缝金属的熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能组织、性能具有重要影响。具有重要影响。焊接工程中，由于熔池焊接工程中，由于熔池 中的中的冶金条件和冷却条件冶金条件和冷却条件不同，可得到性能不同，可得到性能差异很大的差异很大的组织组织。同时有许多同时有许多缺陷缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。和结晶裂纹等。另一方面，焊接过程

2、是处于另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多固过程中会产生许多晶体缺陷晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属的性能。的性能。熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混合而形成合而形成焊接熔池焊接熔池（Weld Pool）。）。与此同时，进行了短暂而复杂的与此同时，

3、进行了短暂而复杂的冶金反应冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝凝固固（结晶），如图（结晶），如图3-1。第一节第一节 熔池凝固熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点一、熔池的凝固条件和特点 焊接熔池与铸钢锭的凝固过程基本相同，其结晶过程也是晶核生成焊接熔池与铸钢锭的凝固过程基本相同，其结晶过程也是晶核生成和晶核长大的过程。但凝固又有其特殊性。和晶核长大的过程。但凝固又有其特殊性。1.熔池的体积小（熔池的体积小（30cm3,100g）、冷却速度大（）、冷却速度大（4-100度度/s） 含碳高、合金元素较多的钢种，含碳高、合金元素较多的钢种， 容易产生容易产生

4、淬硬组织淬硬组织，甚至焊道上产生裂纹，甚至焊道上产生裂纹 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很大熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少量的发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少量的等轴晶（电渣焊除外）。等轴晶（电渣焊除外）。2.熔池中的液态金属处于过热状态熔池中的液态金属处于过热状态 熔池温度熔池温度1770度，熔滴度，熔滴2300度，钢锭度，钢锭1550度度 合金元素的烧损比较严重，使熔池合金元素的烧损比较严重，使熔池 中非自发形核的质点大为减少（柱状晶的形成原因之一）。中非自发形核的质点大

5、为减少（柱状晶的形成原因之一）。4 联生结晶联生结晶 熔池壁相当于铸型壁，熔池熔池壁相当于铸型壁，熔池内金属和熔池壁局部熔化的母材在凝固内金属和熔池壁局部熔化的母材在凝固过程中长成共同晶粒（体）。熔池壁作过程中长成共同晶粒（体）。熔池壁作为非自发形核的基底。为非自发形核的基底。 3.熔池是在运动状态下结晶熔池是在运动状态下结晶（如图（如图3-2）熔池以等速随热源移动，熔化和凝熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊条摆动、固同时进行。气体吹力，焊条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂，有利于得到致于排除气体和夹杂，有利于得到致密而性能

6、好的焊缝。密而性能好的焊缝。6二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律 焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。 1.熔池中晶核的形成熔池中晶核的形成 晶核有两种，自发形核和非自发形核，形成两种晶核都需晶核有两种，自发形核和非自发形核，形成两种晶核都需要能量。要能量。自发形核所需能量：自发形核所需能量：其中：其中：新相新相-液相的界面张力液相的界面张力 Fv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所需能量：非自发形核所需

7、能量： =0 Ek =0 液相中有大量的悬浮质点和现成表面。液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 =180Ek =Ek全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 = 0 180时，时，Ek / Ek=01，说明在液相中有现成表面存在时，将会，说明在液相中有现成表面存在时，将会降低形成临界晶核所需的能量。降低形成临界晶核所需的能量。23316vkFE)4cos3cos32(3kkEE 角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似如果新核与液相中的原有表面固体粒

8、子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常数相似），则二者之间的表面张力（即点阵类型与晶格常数相似），则二者之间的表面张力越小，越小， 角也越小，那么自发非自发晶核的能量也越小。角也越小，那么自发非自发晶核的能量也越小。 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。熔池中的现成表面熔池中的现成表面 合金元素或杂质的合金元素或杂质的悬浮质点悬浮质点（在一般情况下所起作用不大）（在一般情况下所起作用不大） 熔合区附近加热到熔合区附近加热到半熔化半熔化状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形

9、态向焊缝中心成长，形成就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓所谓交互结晶交互结晶（或称（或称联生结晶联生结晶），如图），如图3-4、3-5所示。所示。 焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如金元素（如钼、钒、钛、铌钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池等），可以作为熔池中非自发形核的中非自发形核的质点质点，从而使焊缝金属，从而使焊缝金属晶粒细化晶粒细化。2.熔池中的晶核长大熔池中的晶核长大 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断向焊缝

10、中心成长。熔合区附近母材晶粒作为现成表面向焊向焊缝中心成长。熔合区附近母材晶粒作为现成表面向焊缝中成长起了主要作用。即熔池金属开始结晶时总是从靠缝中成长起了主要作用。即熔池金属开始结晶时总是从靠近熔合线的母材上联生长大起来。近熔合线的母材上联生长大起来。 但是，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一但是，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。 晶粒由为数众多的晶粒由为数众多的晶胞晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具组成，在一个晶粒内部这些晶胞具有相同的方位，称为有相同的方位，称为“

11、位向位向”。不同的晶粒具有不同的位。不同的晶粒具有不同的位向，称为向，称为各向异性各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒就最易。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长大。此外，长大。此外，散热的方向散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。对晶粒的长大也有很大的影响。 当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。成粗大的柱状晶体。 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一致

12、，这时晶粒的成长就停止下来。致，这时晶粒的成长就停止下来。 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。三、熔池结晶的线速度三、熔池结晶的线速度熔池的熔池的结晶方向和结晶速度结晶方向和结晶速度对焊对焊接质量有很大的影响，特别是对接质量有很大的影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成等缺陷的形成影响更大。影响更大。焊接熔池的外形为椭球状的曲面，焊接熔池的外形为椭球状的曲面，即结晶的即结晶的等温面等温面，熔池的散热方，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面的，因此，向是垂直于结晶等温面的，因此，晶粒的成长方向也是垂直于结晶晶粒的成长方向也是垂

13、直于结晶等温面的。等温面的。由于结晶等温面是曲面，因此晶由于结晶等温面是曲面，因此晶粒成长的主轴必然是弯曲的。粒成长的主轴必然是弯曲的。如图如图3-7所示，晶粒主轴的成长方所示，晶粒主轴的成长方向与结晶等温面正交，并且以弯向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝中心成长。曲的形状向焊缝中心成长。任一个晶粒主轴，在任一个晶粒主轴，在任一点任一点A的成长方向是的成长方向是A点的切线点的切线(S-S线线),与与X轴夹角为轴夹角为，如果结晶等温面在，如果结晶等温面在dt时间内，沿时间内，沿X轴移动了轴移动了dx，此时，此时结结晶面从晶面从A移到移到B，同时晶粒主轴由，同时晶粒主轴由A成长到成长到C。

14、当。当dx很小时，可把很小时，可把AC弧看作是弧看作是AC直线，认为直线，认为ACB是直角三角形。是直角三角形。令令AC弧弧=ds， 则则ds=dxcos， ds/dt=dx/dtcos, Vs=VcosVs-晶粒成长平均线速度；晶粒成长平均线速度；V-焊接速度；焊接速度；cos取决于焊接规范和材料取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状。的热物理性质及形状。晶粒成长的平均线速度，决定于晶粒成长的平均线速度，决定于cos值值. Vc=Vcos对于厚大件对于厚大件1 晶粒成长的平均线速度是变晶粒成长的平均线速度是变化的化的 当当Y=OB时，时，Ky=1，cos=0，=90，Vc=0，Y=0时，时，

15、cos=1，=0，Vc=VY=OB0时时,=900，Vc=0V，晶，晶粒成长方向和线速度都是变化，粒成长方向和线速度都是变化，熔熔合线上最小，在焊缝中心最大，为合线上最小，在焊缝中心最大，为焊速。焊速。2 焊接工艺参数对晶粒成长方焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均线速度均有影响向及平均线速度均有影响 焊速越大时，焊速越大时， 角越大，晶粒主轴角越大，晶粒主轴成长方向越垂直于焊缝的中心线成长方向越垂直于焊缝的中心线（图（图3-10a）；）；焊速越小时，晶粒主焊速越小时，晶粒主轴的成长方向越弯曲轴的成长方向越弯曲（图（图3-10b） 。薄板薄板厚板厚板2/ 1222211coszyzyMKKKKTa

16、qvA2/ 122211cosyyMKKTqA 晶粒成长的线速度围绕平均线速度作波浪晶粒成长的线速度围绕平均线速度作波浪式变化，而且波浪起伏的振幅越来越小，式变化，而且波浪起伏的振幅越来越小，最后趋向平均线速度。最后趋向平均线速度。 晶核的长大也需要能量，由两部分组成，晶核的长大也需要能量，由两部分组成，一是体积长大而使自由能下降，二是长大一是体积长大而使自由能下降，二是长大产生的新固相表面使体系自由能增高。产生的新固相表面使体系自由能增高。（一）纯金属结晶形态（一）纯金属结晶形态1 正温度梯度正温度梯度 G0。液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液体

17、金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。体金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。2 负温度梯度负温度梯度 G0时的温度分布b)G0时的界面结晶形态d)G G 实际结晶温度实际结晶温度T T，无，无成分过冷，平面晶，高纯度的金属成分过冷，平面晶，高纯度的金属 G G与与T T少量相交，具有较小的成分过冷少量相交，具有较小的成分过冷 G G与与T T相交较大，具有较大的成分过冷区相交较大，具有较大的成分过冷区域晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，域晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故横向也出现分枝。故横向也出现分枝。 当成分过冷进一步增大，即温度梯度当成分过冷进一步增大，即温度梯度G G与

18、与实际结晶温度相交的面积很大时，形成明显的实际结晶温度相交的面积很大时，形成明显的树枝晶。树枝晶。 当液相的温度梯度当液相的温度梯度G很小，能在液相中形成很小，能在液相中形成很宽的成分过冷区，不仅在结晶前沿生成树枝很宽的成分过冷区，不仅在结晶前沿生成树枝晶，同时液相的内部也形成树枝晶晶，同时液相的内部也形成树枝晶等轴晶等轴晶综合（如图综合（如图3-28）结晶形态的不同，主要决定于结晶形态的不同，主要决定于合金中溶质合金中溶质的浓度（杂质）的浓度（杂质）C0、结晶速度（或晶粒长、结晶速度（或晶粒长大速度）大速度）R和液相的温度梯度的综合作用和液相的温度梯度的综合作用。 当结晶速度当结晶速度R和温

19、度梯度和温度梯度G不变时，随合不变时，随合金中金中溶质浓度的提高溶质浓度的提高，则成分过冷增加，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、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C0和温度梯度一定和温度梯度一定时，时，结晶速度结晶速度R越快越快，成分过冷的程度，成分过冷的程度越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞状晶、树枝状晶，最后到等轴晶状晶、树枝状晶，最后到等轴晶 当合金中溶质浓度当合金中溶质浓度C0和结晶速度和结晶速度R一定一定时，随时，随液相温度梯度

20、的提高液相温度梯度的提高，成分过冷，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演变方向的程度减小，因而结晶形态的演变方向恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变到平面晶到平面晶0001kDkCmRGLLL (四四)焊接条件下的凝固焊接条件下的凝固(结晶结晶)形态形态熔化边界熔化边界，由于温度梯度，由于温度梯度G较大，结晶速度较大，结晶速度R又较小，成分过冷接又较小，成分过冷接近于零，所以近于零，所以平面晶得到发展平面晶得到发展。随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐渐变小，而结逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态将由平

21、面晶向胞状晶、树枝胞状晶晶速度逐渐增大，所以结晶形态将由平面晶向胞状晶、树枝胞状晶(柱状晶区柱状晶区)，一直到等轴晶发展。，一直到等轴晶发展。 化学成分，板厚和接头型式不同化学成分，板厚和接头型式不同,不一定具有上述全部结晶形态。不一定具有上述全部结晶形态。1 化学成分化学成分 99.99%铝焊缝中，铝焊缝中，在熔合线附近为平面晶，焊缝在熔合线附近为平面晶，焊缝中心为胞状晶；中心为胞状晶； 99.6铝焊缝铝焊缝就出现胞状树枝晶，焊缝中心就出现胞状树枝晶，焊缝中心可出现等轴晶。可出现等轴晶。2 焊接速度的影响焊接速度的影响 快速焊接时，快速焊接时，焊缝中心出现等轴晶；低速焊焊缝中心出现等轴晶；低

22、速焊接时，熔合线附近出现胞状树接时，熔合线附近出现胞状树枝晶，焊缝中心为较细胞状树枝晶，焊缝中心为较细胞状树枝晶。枝晶。3 焊接电流的影响电流小焊接电流的影响电流小(150A)，得到胞状组织；，得到胞状组织； (300A)，胞状树枝晶，胞状树枝晶， (450A)，更粗大胞状树枝晶。更粗大胞状树枝晶。影响熔池结晶形态的因素影响熔池结晶形态的因素Cellular growth of Zn-rich ZnAg alloys processed by rapid solidificationFigure 1. A schematic diagram showing the interaction be

23、tween the heat source and the base metal. Three distinct regions in the weldment are the fusion zone, the heat-affected zone, and the base metal. Figure 2. The calculated fluid-flow pattern in a stainless-steel stationary arc weld pool 25 s after the initiation of the arc. Welding-Solidification and

24、 Microstructure Figure 3. A scanning-electron micrograph showing the development of dendrites in a nickel-based superalloy single-crystal weldFigure 4. An optical micrograph shows the change in dendrite morphology from cellular to dendritic as the growth velocity increases toward the center of spot

25、weld (from bottom to top) after the spot weld arc is extinguishedFigure 5. Epitaxial and columnar growth near the fusion line in an iridium alloy electron-beam weld. The figure also shows the grain-growth selection process of the grains from the fusion line. plane front will be stable planar instabi

26、lity will occur Figure 6. (a) An Fe-15Cr-15Ni single-crystal electron-beam weld made along 100 direction on (001) plane, and (b) the calculated dendritic growth pattern for a similar weld orientation in (a). Figure 7. An optical micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal n

27、ickel-based superalloy showing the formation of stray grains at the center of the weld. 33 焊条电弧焊接凝固组织焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢钢34 埋弧焊接凝固组织埋弧焊接凝固组织Q235A钢钢五、焊缝金属的化学成分不均匀性五、焊缝金属的化学成分不均匀性(一一)焊缝中的化学不均匀性焊缝中的化学不均匀性 焊缝金属在结晶进程中来不及扩散焊缝金属在结晶进程中来不及扩散而存在化学成分不均匀性。焊缝中偏析有以下三种。而存在化学成分不均匀性。焊缝中偏析有以下三种。1 显微偏析显微偏析先结晶的先结

28、晶的合金溶质浓度合金溶质浓度C0低，后结晶的合金溶质浓度低，后结晶的合金溶质浓度C0高，高，即晶粒中心即晶粒中心C0高，边缘低高，边缘低原因：原因：冷却速度快冷却速度快，来不及均匀化，来不及均匀化要求要求细晶化细晶化，降低偏析，降低偏析2 区域偏析区域偏析 焊缝结晶时，由于柱状晶体继续长大和推移，此时焊缝结晶时，由于柱状晶体继续长大和推移，此时会把溶质或杂质会把溶质或杂质“赶赶”向溶池的中心，在最后凝固的部位产向溶池的中心，在最后凝固的部位产生较严重的区域偏析。生较严重的区域偏析。3 层状偏析层状偏析 由于结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能输入由于结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能输入周期

29、性变化，致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的周期性变化，致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化。产生层状偏析的原因是由于热的周期性作用而引起的。变化。产生层状偏析的原因是由于热的周期性作用而引起的。晶轴上含有熔点较高的成分，熔点较低的成分则集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界，称枝晶偏析。38层状偏析层状偏析特征 由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。 (1)晶粒主轴与层状线垂直, 越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。 (2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间距并不相等。(3)层状线的存

30、在，一般相溶质(特别是硫)的不均匀分布有重要关系。可将每一个结晶层大体区分为三个小区域： 初始区 溶质富集区，即溶质成分高于平均浓度的区域。在侵蚀照片上呈最暗黑的颜色。 中间区 为平均浓度区，是结晶层中最宽的一段其特征为溶质成分均匀，颜色稍暗。 结尾区 为溶质贫化区，即溶质成分低于平均浓度的区域，颜色最为浅淡。（）层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。 危害：层状偏析不仅造成焊缝力学性能不均匀性，还可沿层状线形成裂纹或气孔。（二）熔合区的化学成分不均匀性（二）熔合区的化学成分不均匀性 熔合区是整个焊接接头中一个薄弱地带，许多焊接结构的失效常常是熔合区是整个焊接接头中一个薄弱地带，许多焊接结构的

31、失效常常是由熔合区的某些缺陷而引起的。如冷裂纹、再热裂纹和脆性相等常起由熔合区的某些缺陷而引起的。如冷裂纹、再热裂纹和脆性相等常起源于熔合区。源于熔合区。熔合区的形成熔合区的形成 热能的传播极不均匀；热能的传播极不均匀； 晶粒导热方向不同，熔化程度不同。晶粒导热方向不同，熔化程度不同。 所以母材与焊缝交界的地方不是一条线，而是一个区。所以母材与焊缝交界的地方不是一条线，而是一个区。熔合区宽度（熔合区宽度（P131）度（被焊金属的固相线温）度（被焊金属的液相线温）温度梯度（）熔合区的宽度（CTCT/CYTmm)(SLmmAYTTTASL)(5 . 0133. 08030040/mmYTTTASL

32、碳钢、低合金钢熔合区的宽度碳钢、低合金钢熔合区的宽度（三）（三） 熔合区的成分分布熔合区的成分分布 熔合区存在着严重的化学不均匀性，成为焊接接头中一个薄熔合区存在着严重的化学不均匀性，成为焊接接头中一个薄弱的地带。弱的地带。 界面附近溶质浓度的波动较大界面附近溶质浓度的波动较大(实线是表示固液共存时的溶质实线是表示固液共存时的溶质浓度的变化，虚线表示凝固后的溶质浓度变化浓度的变化，虚线表示凝固后的溶质浓度变化)。 界面杂质（界面杂质（S，右图）浓度分布也不均匀。，右图）浓度分布也不均匀。 物理不均匀性物理不均匀性界面溶质浓度分布界面溶质浓度分布熔合区熔合区S浓度分布浓度分布第二节第二节 焊缝金

33、属的一次结晶组织焊缝金属的一次结晶组织一、焊接条件下的凝固结晶形态一、焊接条件下的凝固结晶形态1.理论上理论上 熔合线处：熔合线处：G最大、最大、R最小最小平面晶平面晶 焊缝中心处：焊缝中心处：G最小、最小、R最大最大等轴晶等轴晶2.实际上实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关）（不一定全部形态都出现，与许多因素有关） 成分成分：溶质浓度：溶质浓度C0对成分过冷的影响对成分过冷的影响 板厚和接头形式：影响温度梯度板厚和接头形式：影响温度梯度 焊接速度焊接速度 VR,熔合线处熔合线处G,焊缝中心处焊缝中心处G出现出现大量等大量等轴晶轴晶（否则出现胞状晶或树枝晶）（否则出现胞状晶或树枝晶）

34、焊接电流焊接电流 IG,胞状晶胞状晶粗大胞状树枝状晶粗大胞状树枝状晶4445 钨极氩弧焊接凝固组织钨极氩弧焊接凝固组织纯度为纯度为99.99%的铝焊缝的铝焊缝-a）：）：平面晶平面晶-胞状晶胞状晶纯度为纯度为99.6%的铝焊缝的铝焊缝-b）、）、c）：）：胞状树枝晶胞状树枝晶-等轴晶等轴晶焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响p焊接速度的影响焊接速度的影响 VR成分过冷成分过冷等轴晶等轴晶胞状树枝晶胞状树枝晶焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接电流焊接电流 IG成分过冷成分过冷粗胞状树粗胞状树枝晶枝晶胞状晶胞状晶胞状树枝晶胞状树枝晶二、

35、凝固组织形态对性能的影响二、凝固组织形态对性能的影响 生成生成粗大的树枝状晶粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂都有影响杂、热裂都有影响 消除消除粗大的树枝晶粗大的树枝晶三、焊缝金属的性能的改善措施三、焊缝金属的性能的改善措施1.固溶强化和变质处理固溶强化和变质处理 加入加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土、稀土Te等等2.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3.焊接工艺焊接工艺 焊后热处理、多层焊（层间回火）、锤击、跟焊后热处理、多层焊（层间回火）、锤击、跟踪回火等踪回火等48第三节第三节 焊缝固态相变焊缝固

36、态相变 焊接熔池完全凝固后，随连续冷却过程进行，焊缝金属将发生组焊接熔池完全凝固后，随连续冷却过程进行，焊缝金属将发生组织转变织转变(AF，P，B，M)。 焊缝金属固态相变的机理焊缝金属固态相变的机理: 形核、长大。形核、长大。 影响焊缝金属固态相变的组织的因素影响焊缝金属固态相变的组织的因素： 焊接材料（化学成分）焊接材料（化学成分） 不同焊接材料、母材金属，使焊缝金属的不同焊接材料、母材金属，使焊缝金属的固态相变组织发生变化。固态相变组织发生变化。 焊接方法和焊接工艺参数焊接方法和焊接工艺参数 采用不同焊接方法，因焊缝的凝固和相采用不同焊接方法，因焊缝的凝固和相变是在非平衡连续冷却的条件下

37、进行的。变是在非平衡连续冷却的条件下进行的。冷却条件明显地影响焊冷却条件明显地影响焊缝的固态相变。缝的固态相变。一、低碳钢焊缝的固态相变组织一、低碳钢焊缝的固态相变组织转变组织类型：转变组织类型：AF+P 低碳钢焊缝低碳钢焊缝(如如E4303焊条焊接焊条焊接Q225钢的焊缝钢的焊缝)，由于碳含量较低，由于碳含量较低，主要采用锰、硅固溶强化。主要采用锰、硅固溶强化。 F通常沿原奥氏体边界析出，焊缝中铁素体组织晶粒较粗大，呈通常沿原奥氏体边界析出，焊缝中铁素体组织晶粒较粗大，呈柱状晶，有时甚至具有柱状晶，有时甚至具有魏氏组织魏氏组织(W)形态。形态。W的特征：的特征： (1) F在在A晶界呈网状析

38、出；晶界呈网状析出； （2）在）在A内部沿一定的方向析出，形成长短不同的针状或片条状内部沿一定的方向析出，形成长短不同的针状或片条状 （3）直接插入珠光体晶粒内。）直接插入珠光体晶粒内。影响因素：影响因素： (1)冷却速度越大，焊缝冷却速度越大，焊缝P越多，组织细化、硬度升高；越多，组织细化、硬度升高； (2)焊缝过热度越大，促进魏氏组织的形成；焊缝过热度越大，促进魏氏组织的形成； (3)多层焊或热处理的焊缝，其组织为细小的铁素体和少量的珠光多层焊或热处理的焊缝，其组织为细小的铁素体和少量的珠光体，并使焊缝的柱状晶遭到破坏。体，并使焊缝的柱状晶遭到破坏。低碳钢焊缝冷却速度对组织的影响低碳钢焊缝

39、冷却速度对组织的影响冷却速度冷却速度(/s)焊缝组织（焊缝组织（%）焊缝硬度焊缝硬度HV铁素体铁素体珠光体珠光体18218165579211671065351853561391955040602051003862228相同化学成分焊缝金属，冷却速度越大，焊缝金属中珠光体越多，相同化学成分焊缝金属，冷却速度越大，焊缝金属中珠光体越多，而且组织细化，硬度增高。而且组织细化，硬度增高。热处理对组织和性能的影响热处理对组织和性能的影响在在900以上短时间加热，可使柱状组织消失。以上短时间加热，可使柱状组织消失。低碳钢单层焊缝受不同温度的再加热时，使柱状晶的细化程度不同，低碳钢单层焊缝受不同温度的再加热

40、时，使柱状晶的细化程度不同，因而具有不同的冲击韧性。因而具有不同的冲击韧性。900附近的再加热效果最好附近的再加热效果最好，超过，超过1100时则发生晶粒粗化，而在时则发生晶粒粗化，而在500600加热时，由于焊缝金加热时，由于焊缝金属中的碳、氮元素发生时效而使冲击韧度下降。属中的碳、氮元素发生时效而使冲击韧度下降。 图图3-42 柱状晶消失临界温度柱状晶消失临界温度 图图3-43 单层焊缝再加热时单层焊缝再加热时k变化变化魏氏组织 与低碳钢焊缝金属组织比较：与低碳钢焊缝金属组织比较：(1)合金元素多合金元素多 除碳、锰、硅固溶强化外，还采取其他合金元素；除碳、锰、硅固溶强化外，还采取其他合金

41、元素； 强化方式强化方式 通过固溶强化、细晶强化、沉淀硬化；通过固溶强化、细晶强化、沉淀硬化； 出现不同的组织出现不同的组织：铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体相变。铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体相变。(2)低合金钢焊缝中某些相变在一定条件下将被抑制（如珠光体）。低合金钢焊缝中某些相变在一定条件下将被抑制（如珠光体）。(3)低合金钢焊缝中的低合金钢焊缝中的F、P，与低碳钢焊缝中的，与低碳钢焊缝中的F、P虽然在组织结构虽然在组织结构上相同，但形态上有很大的差别，因此也会反映出不同的性能。上相同，但形态上有很大的差别，因此也会反映出不同的性能。二、低合金钢焊缝的固态相变组织二、低合金钢焊缝的固态相变组

42、织铁铁素素体体珠珠光光体体贝贝氏氏体体马马氏氏体体高温高温A冷却速度变化不同温度区间PF（先共析铁素体）（先共析铁素体）FSP（侧板铁素体）（侧板铁素体）AF（针状铁素体）（针状铁素体）FGF（细晶铁素体）（细晶铁素体）层状珠光体层状珠光体粒状珠光体（屈氏体）粒状珠光体（屈氏体）细珠光体（索氏体）细珠光体（索氏体）上贝氏体上贝氏体(Bu)下贝氏体下贝氏体(BL)M-A组元组元板条板条M片状片状M(一一)铁素体转变铁素体转变 低合金钢焊缝中铁素体大体分为四类：低合金钢焊缝中铁素体大体分为四类：1 先共析铁素体先共析铁素体(简称简称PF) 焊缝冷却到焊缝冷却到 770680，由，由A A晶界首先析

43、晶界首先析出，出，称粒界称粒界F F (简称简称GBF)。高温停留时间较长，冷却的较慢，。高温停留时间较长，冷却的较慢，PF较多。较多。PF呈细条状分布在呈细条状分布在A A晶界，有时也呈块状。晶界，有时也呈块状。 2 侧板条铁素体侧板条铁素体(简称简称FSP) 形成温度形成温度700550，从，从A A晶界晶界PF的侧面的侧面以板条状向晶内成长，从形态上如镐牙状。转变温度偏低，以板条状向晶内成长，从形态上如镐牙状。转变温度偏低，P P受受到抑制，扩大贝氏体的转变领域，故有人把这种组织称为无碳到抑制，扩大贝氏体的转变领域，故有人把这种组织称为无碳B B。3 针状铁素体针状铁素体(简称简称AF)

44、 形成温度约形成温度约500，是在原始，是在原始A晶内以针状晶内以针状分布，常以某些质点分布，常以某些质点(氧化物弥散夹杂氧化物弥散夹杂)为核心放射性成长。为核心放射性成长。4 细晶铁素体细晶铁素体(简称简称FGF) 在在A晶粒内形成，一般都有细化晶粒的元素晶粒内形成，一般都有细化晶粒的元素(如如Ti、B等等)存在，在细晶之间有存在，在细晶之间有P和碳化物和碳化物(Fe3C)析出。析出。FGF是是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，故又称贝氏铁素体故又称贝氏铁素体。 FGF转变温度低于转变温度低于500，如果在更低的温度转变时，如果在更低的温度转变时(约约450

45、)，可转变为上贝氏体可转变为上贝氏体(Bu)。条状条状块状块状晶内白色块状为晶内白色块状为FGF59随着合金化程度的随着合金化程度的提高，提高，AFAF组织增多组织增多的同时，焊缝强度的同时，焊缝强度也随之提高。也随之提高。AFAF增增多，有利于多，有利于改善韧改善韧性性。(二二)珠光体转变珠光体转变1 珠光体形成条件：珠光体形成条件：焊接条件是属非平衡的介稳状态，所以低合金焊接条件是属非平衡的介稳状态，所以低合金钢焊缝的组织固态转变很少能得到钢焊缝的组织固态转变很少能得到P，除非在很缓慢的冷却条件除非在很缓慢的冷却条件下下(预热、缓冷和后热等预热、缓冷和后热等)，才有少量，才有少量P组织存在

46、。组织存在。 焊接条件下，焊接条件下，P P转变将受到抑制，扩大了转变将受到抑制，扩大了F F和和B B转变的领域。转变的领域。 当焊缝中含有硼、钛等细化晶粒的元素，当焊缝中含有硼、钛等细化晶粒的元素，P P转变可全部被抑制。转变可全部被抑制。 图图3-48 含钛及硼低合金钢含钛及硼低合金钢焊缝金属的焊缝金属的CCT图图 (C=0.09，Ti=0.025, B=6ppm, O=0.034) 珠光体转变Ar1-550 ， C、Fe原子扩散比较容易。珠光体转变为扩散型相变。图图3- 49 焊缝的珠光体焊缝的珠光体(a)铁素体铁素体+珠光体珠光体400 b)屈氏体屈氏体150 c)索氏体索氏体150

47、2 2 珠光体形态珠光体形态 P P是是F F和渗碳体的层状混合物，领先和渗碳体的层状混合物，领先相为相为Fe3C。随随转变温度的降低，珠光体的层状转变温度的降低，珠光体的层状结构越来越薄而密。结构越来越薄而密。P P又分为层状又分为层状P P、粒状、粒状P P（屈氏体），（屈氏体），及细及细P P（索氏体）。（索氏体）。P+F粒粒P+AF (三三)贝氏体转变贝氏体转变 贝氏体贝氏体(B)转变转变 (550Ms)，碳能扩散，合金元素不能扩散。，碳能扩散，合金元素不能扩散。上贝氏体（上贝氏体（B上上）转变）转变 形成温度：形成温度：550450 形态：羽毛状形态：羽毛状 形成机理：扩散形成机理：

48、扩散下贝氏体（下贝氏体（B下下）转变）转变 转变温度：转变温度：450MS 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角度 形成机理：扩散形成机理：扩散粒状贝氏体（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6364中温转变，中温转变， 550 Ms（1）上贝氏体）上贝氏体 (Upper Bainite， Bu)v温度：温度：550-450 ；v位置：沿奥氏体晶界析出位

49、置：沿奥氏体晶界析出v形态：呈羽毛状，平行的条状形态：呈羽毛状，平行的条状铁素体之间分布有渗碳体铁素体之间分布有渗碳体v性能特点：韧性较差（小条状性能特点：韧性较差（小条状Fe3C分割了基体的连续性）分割了基体的连续性）（2）下贝氏体）下贝氏体 （Lower Bainite ，BL）v温度：温度：450 -Msv形态：针状铁素体和形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混针状渗碳体的机械混合物合物v性能特点：强度和韧性能特点：强度和韧性都较好性都较好（3）粒状贝氏体）粒状贝氏体 (Grain Bainite， BG) MA组元（组元（Constitution M-A) 在块状铁素体形成之后，待转变的

50、富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体的混些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体的混合组织，合组织，称为称为M-A组元组元。富碳马氏体和残余奥氏体。富碳马氏体和残余奥氏体,硬度高。硬度高。 在块状铁素体上的组元以粒状分布时，即为在块状铁素体上的组元以粒状分布时，即为“粒状粒状贝氏体贝氏体”。M-A组元M-A组元组元在块状在块状F中以粒状分布时，称为粒状中以粒状分布时，称为粒状B（BG）在块状在块状F中以条状分布

51、时，称为条状中以条状分布时，称为条状B（Bl）粒状粒状B对韧性的影响对韧性的影响取决于富取决于富C的的A的转变的转变A冷却时转变为冷却时转变为M时，时，k降低降低A冷却转变为冷却转变为F+Fe3C及及Ar时，时， k升高升高(四四)马氏体转变马氏体转变 当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条件下，冷当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条件下，冷却到却到s以下，将发生马氏体转变。以下，将发生马氏体转变。1 板条马氏体板条马氏体(MD) 是是A A晶粒内形成细条状晶粒内形成细条状M M板条，条与条之间有一定板条，条与条之间有一定夹角。夹角。M板条内位错密度很高板条内位错密度很高-位

52、错型位错型M-低碳低碳M。低碳。低碳M具有较具有较高的强度和良好的韧性。低碳低合金钢焊缝中高的强度和良好的韧性。低碳低合金钢焊缝中M主要是低碳主要是低碳M。2 片状片状M(MT) 当焊缝中含碳量较高当焊缝中含碳量较高(C0.4)，将会出现片状，将会出现片状M。初始初始形成的形成的M较粗大，往往贯穿整个较粗大，往往贯穿整个A晶粒，使以后形成的晶粒，使以后形成的M片受到片受到阻碍。片状阻碍。片状M内部的亚结构孪晶内部的亚结构孪晶-孪晶孪晶M。其含碳量较高，又称其含碳量较高，又称高碳高碳M。硬度很高，而且很脆。硬度很高，而且很脆。 一般焊接时一般焊接时都尽可能降低焊缝中的碳含量都尽可能降低焊缝中的碳

53、含量，对于某些中、高碳低，对于某些中、高碳低合金钢焊接时，甚至采用合金钢焊接时，甚至采用A焊条，所以焊缝中一般不会出现焊条，所以焊缝中一般不会出现MT 。含碳较高焊接热影响区，在预热温度不足情况下才会出现含碳较高焊接热影响区，在预热温度不足情况下才会出现MT 。板条马氏体板条马氏体片状片状M低合金低合金钢焊缝钢焊缝的组织的组织形态分形态分类类三、三、WMCCT图的建立与应用图的建立与应用在热处理中，用连续冷却转变图在热处理中，用连续冷却转变图(CCT)估测估测A转变所得到组织。转变所得到组织。可采用相同的方法，可采用相同的方法，建立焊缝金属的建立焊缝金属的CCT图图(WM-CCT)来估测来估测

54、焊缝金属的组织。焊缝金属的组织。焊缝金属的焊缝金属的A转变过程以及显微组织的影响因素转变过程以及显微组织的影响因素:(1)焊接方法焊接方法 它决定了熔池尺寸形状，影响冷却速度。它决定了熔池尺寸形状，影响冷却速度。(2)熔池金属的成分熔池金属的成分 它决定于填充材料、母材，焊剂和药皮，以它决定于填充材料、母材，焊剂和药皮，以及化学冶金反应。及化学冶金反应。(3)焊接工艺参数焊接工艺参数 它影响熔池加热速度，最高温度，及冷却速度、它影响熔池加热速度，最高温度，及冷却速度、并对一次结晶组织产生影响。并对一次结晶组织产生影响。(4)焊接应力、应变的影响焊接应力、应变的影响 低合金钢焊缝连续冷却组织转变

55、图低合金钢焊缝连续冷却组织转变图(简称简称WM-CCT图图) WM-CCT图可用图可用于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能，因此近，因此近年来进行了许多研究，建立了低合金钢焊缝的年来进行了许多研究，建立了低合金钢焊缝的WM-CCT图。图。 WM-CCT图如图所示，图如图所示，缓慢冷却可得到块状的缓慢冷却可得到块状的PF和和FSP，冷却，冷却快时可得到快时可得到AF、细晶铁素体、细晶铁素体(FGF)和和M。图图3-55 WM-CCT焊缝金属成分：焊缝金属成分： C=0.11，Si=0.31，Mn=1.44，O=0.071影响影响WMCCT图的因素图的因素1 合金元素合

56、金元素 如果焊缝中合金元素增多或含氧量降低时，使如果焊缝中合金元素增多或含氧量降低时，使WM-CCT图向右移动。图向右移动。 C、N、Mn、Ni、Cu等等阻碍阻碍A A相变，相变，CCT图向右移动。图向右移动。 强碳化物形成元素强碳化物形成元素(Mo、Cr、Nb、V、Ti、A1)抑制块状及先共抑制块状及先共析析F F，使块状使块状F F和和PFPF转变曲线下移转变曲线下移图图3-56 合金元素和含氧合金元素和含氧量对量对WM-CCT的影响的影响2 A A化温度与停留时间的影响化温度与停留时间的影响 A A所处的所处的温度越高，时间越长，过冷温度越高，时间越长，过冷A A稳定性就越大稳定性就越大

57、。原因：。原因： (1)A A晶粒长大，减少晶粒长大，减少F F析出的成核场所；析出的成核场所；(2)(2)使易于成为使易于成为F F析出核心的碳化物分解、溶于析出核心的碳化物分解、溶于A A中，阻碍中，阻碍F F析出。析出。(3)(3)增大增大A A的均匀化程度，故的均匀化程度，故CCT图曲线有移。图曲线有移。奥氏体化温度奥氏体化温度对对WM-CCT的影响的影响虚线虚线-900实线实线-13003 冷却速度的影响冷却速度的影响 冷却速度对于冷却速度对于M形成温度形成温度Ms点有一定影响。点有一定影响。有资料认为有资料认为Ms点随冷却速度的提高而上升，如图所示点随冷却速度的提高而上升，如图所示

58、,但也有相但也有相反的数据。反的数据。这种矛盾可能是在不同冷却速度下，因奥氏体合金元素的影响，这种矛盾可能是在不同冷却速度下，因奥氏体合金元素的影响，马氏体的转变机制有差别所致。马氏体的转变机制有差别所致。一般生产中的冷却速度下，缓慢冷却时一般生产中的冷却速度下，缓慢冷却时Ms点却升高。点却升高。冷却速度对冷却速度对Ms点点的影响的影响4 4 应力应变的影响应力应变的影响 过冷过冷A A转变过程中，如有应力、应变作用时，不仅会影响扩散型转变过程中，如有应力、应变作用时，不仅会影响扩散型P P转变，也会影响无扩散型转变，也会影响无扩散型M M的转变。的转变。扩散型相变扩散型相变，在高温下对，在高

59、温下对A A施加应力作用，可以增加晶体中的位错施加应力作用，可以增加晶体中的位错和空位等缺陷，同时使晶格变形，和空位等缺陷，同时使晶格变形，促进扩散型相变进行。促进扩散型相变进行。非扩散型的非扩散型的M M相变相变，由于它与晶格剪切形变有密切关系，所以，由于它与晶格剪切形变有密切关系，所以应力应力应变将促进应变将促进M M转变。转变。拉伸应力对拉伸应力对CCT图影响图影响1-1-有应力作用有应力作用2-2-无应力作用无应力作用三、几种常见焊缝金属的组织特征三、几种常见焊缝金属的组织特征1 E5015焊缝焊缝 焊缝呈柱状晶特征、柱状晶粗大，晶界上为焊缝呈柱状晶特征、柱状晶粗大，晶界上为PF；有；

60、有从晶界向晶内平形生长的从晶界向晶内平形生长的FSP，板条之间有少量，板条之间有少量P；晶内为；晶内为AF和和P。2 E7015焊缝焊缝 组织为组织为B+少量少量GBF, 薄膜样品在透射电镜下观察薄膜样品在透射电镜下观察,岛岛状物为状物为M-A岛。岛。 3 E8015焊缝焊缝 几乎全是几乎全是B、 分布在基体上的岛状分布在基体上的岛状M-A增多，尺寸增多，尺寸增大，呈颗粒状。增大，呈颗粒状。4 E9015焊缝和焊缝和E10015焊缝焊缝 组织为组织为B+少量少量 MD。 E10015焊缝金属中的焊缝金属中的M量更多。由于其碳含量均较低，量更多。由于其碳含量均较低，M板条板条间的角度很小，板条内