熔池凝固和焊缝固态相变(焊接冶金学)

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院熔池凝固熔池凝固焊缝固态相变焊缝固态相变焊缝中的气孔和夹杂焊缝中的气孔和夹杂焊缝的性能控制焊缝的性能控制主要内容主要内容材料科学与工程学院铁碳合金铁碳合金铁碳合金：以铁、碳为主要成分的合铁碳合金：以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于金。其中铁的含量大于95%95%。材料科学与工程学院金属的结晶金属的结晶什么是金属的结晶？什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝固转变为固态晶液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程体的过程 结晶的过程可用（温度结晶的过程可用（温度-时间曲时间曲线）线）冷却曲线冷却曲线来表示来表示 水结晶成冰的实验，可以看出晶水结晶成冰的实验，可以

2、看出晶体结晶存在体结晶存在“过冷过冷”现象现象过冷度过冷度 过冷度的大小与冷却速度的关系过冷度的大小与冷却速度的关系材料科学与工程学院结晶过程的基本规律结晶过程的基本规律 结晶过程（形核及长大）结晶过程（形核及长大） 自发形核（均质形核）自发形核（均质形核） 晶核的形成晶核的形成 非自发形核（异质形核）非自发形核（异质形核） 晶核的长大晶核的长大：树枝状长大：树枝状长大材料科学与工程学院晶粒大小及控制晶粒大小及控制 晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细

3、化而提高般是随晶粒细化而提高影响晶粒大小的因素有哪些？影响晶粒大小的因素有哪些？ 形核率形核率N N ( (晶核数晶核数/ /scmscm3 3) ) 长大速度长大速度G G (cm/s)(cm/s)晶粒大小的控制晶粒大小的控制：（：（1 1）增大过冷度；（）增大过冷度；（2 2）变质）变质处理；（处理；（3 3）振动）振动材料科学与工程学院（1 1）过冷度的影响）过冷度的影响l冷却速度愈大，冷却速度愈大，过冷度愈大过冷度愈大l实线部分，随着实线部分，随着TT的增大，形核的增大，形核率和长大速度都率和长大速度都大，且形核率大，且形核率N N的的增加比长大速率增加比长大速率G G增加要快，晶粒增

4、加要快，晶粒愈细愈细材料科学与工程学院（2 2）变质处理）变质处理 在液态金属结晶前，特意加入某些元素或合在液态金属结晶前，特意加入某些元素或合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高形核率，细化晶粒，这种处理方法即为高形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变变质处理质处理。如孕育铸铁加入硅铁小颗粒孕育剂。如孕育铸铁加入硅铁小颗粒孕育剂；铸造铝合金加入钠盐，减慢硅的长大速度；铸造铝合金加入钠盐，减慢硅的长大速度等等材料科学与工程学院（3 3）振动）振动 对正在结晶的金属施以机械振动、超

5、声对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化细化材料科学与工程学院纯铁的晶体结构纯铁的晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列 ，可用晶格来表示。根据对晶胞（晶格中一个最基可用晶格来表示。根据对晶胞（晶格中一个最基本的几何单元）的分析，最常见的晶格类型有体本的几何单元）的分析，最常见的晶格类型有体心立方晶格心立方晶格 、面心立方晶格、密排六方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格纯铁的晶格有纯铁的晶格有体心立方体心

6、立方和和面心立方面心立方两种两种材料科学与工程学院 体心立方晶格体心立方晶格 晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a=b=c a=b=c ； 每个体心立方晶胞中每个体心立方晶胞中仅含有：仅含有：2 2个原子；个原子； 晶格中有晶格中有68%68%（致密（致密度）的体积被原子占有度）的体积被原子占有 面面心立方晶格心立方晶格 晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a=b=c a=b=c ； 每个体心立方晶胞中每个体心立方晶胞中仅含有：仅含有：4 4个原子；个原子； 晶格中有晶格中有74%74%的体积的体积被原子占有被原子占有 材料科学与工程学院纯铁同素异晶转变纯铁同素异晶转变液态铁缓慢冷却到熔液态铁缓慢冷却到熔点

7、左右经过第一次结点左右经过第一次结晶后，到室温的过程晶后，到室温的过程中，晶格类型将发生中，晶格类型将发生改变。这种随着温度改变。这种随着温度的改变，的改变，固态金属固态金属晶晶格也随之改变的现象格也随之改变的现象称为称为同素异晶转变同素异晶转变纯铁的冷却曲线及晶体纯铁的冷却曲线及晶体结构变化结构变化 材料科学与工程学院铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织基本概念基本概念 合金、组元、相、组织合金、组元、相、组织将将一种金属元素一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有起所形成的具有金属特性金属特性的新物质，称为的新物质，称为合金合金 组成合金的最基本的

8、、独立的物质称为组成合金的最基本的、独立的物质称为组元组元，通，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金组元组成的二元合金 材料科学与工程学院相相是指在合金中，凡是指在合金中，凡成分相同、晶体结构成分相同、晶体结构相同相同并并有界面有界面与其它部分分开的均匀组成与其它部分分开的均匀组成部分部分 在显微镜下能观察到的金属和合金在显微镜下能观察到的金属和合金微观形微观形

9、貌、图象貌、图象称为组织，合金具有不同的组织称为组织，合金具有不同的组织铁碳合金的组织可分为铁碳合金的组织可分为固溶体固溶体、金属化合金属化合物物和和机械混合物机械混合物三种类型三种类型材料科学与工程学院 固溶体固溶体在一种金属元素的晶格中，溶入另一种在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相或多种元素所形成的相 在固溶体中保持其原晶体结构的组元（在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）元素）-溶剂溶剂，其余的元素（组元），其余的元素（组元）- -溶质溶质根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为同，固溶体可分为间隙固溶体间隙固溶体和置和置

10、换固换固溶体溶体两类两类 材料科学与工程学院( (a)a)间隙固溶体间隙固溶体 ( (b)b)置换固溶体置换固溶体溶剂原子溶剂原子 溶质原子溶质原子 置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子 固溶体固溶体 间隙固溶体：溶质原子在固溶体中处于溶剂晶体结构的间隙位置 铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体材料科学与工程学院铁素体（铁素体（F F）铁素体是碳溶解在铁素体是碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体由于由于-Fe-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有大溶碳量

11、只有0.0218%0.0218%（727727），几乎不含碳），几乎不含碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却低。它在度却低。它在770770以下具有磁性。以下具有磁性。 性能：性能： b b =180=180230MPa HB=50230MPa HB=508080 =30 =3050% =7050% =7080%80% a ak k=156=156196Jcm196Jcm-2-2材料科学与工程学院显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。粒形状。位相不同而呈现不同的颜色位相不同而呈现不同的颜色。材料

12、科学与工程学院奥氏体（奥氏体（A A）奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体-Fe-Fe的溶碳能力较高，最大为的溶碳能力较高，最大为2.11%2.11%（11481148）由于由于-Fe-Fe一般存在于一般存在于72772713941394之间，所以奥之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内氏体也只出现在高温区域内性能：性能：=40=4050%50%，具有良好的塑性和低的变形具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工压力加工所需所需的组织的组织材料科学与工程学院显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状显微镜

13、观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织材料科学与工程学院固溶强化固溶强化当溶质元素的含量极少时，固溶体的性当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。升高，固溶体的性能将发生明显改变。一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等电性逐渐下降等材料科学

14、与工程学院通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为金属的强度、硬度升高的现象称为固溶固溶强化强化。可见，固溶强化的产生是由于溶。可见，固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径主要的强化途径 材料科学与工程学院金属化合物金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性金属特性的物质，称为金属化合物的物

15、质，称为金属化合物金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性均有所提高，而塑性和韧性硬度和耐磨性均有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相成相 铁碳合金中的铁碳合金中的渗碳体渗碳体属金属化合物属金属化合物 材料科学与工程学院渗碳体渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物是铁与碳形成的稳定化合物 含碳量：含碳量：6.69%6.69% 性能：性能：HBW=800HBW=800，硬度很高，脆性极大，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相是钢中的

16、强化相 显微镜下观察，渗碳体显微镜下观察，渗碳体( (FeFe3 3C)C)呈银白色呈银白色光泽光泽 渗碳体在一定条件下可以分解出石墨渗碳体在一定条件下可以分解出石墨材料科学与工程学院机械混合物机械混合物它是它是两种或两种以上的两种或两种以上的相相按一定质量百分按一定质量百分数组成的物质数组成的物质混合物的性能：取决于各组成相的性能，混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布、形态、数量、大小以及它们分布、形态、数量、大小铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体体材料科学与工程学院珠光体（珠光体（P P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体珠光体是铁素体和

17、渗碳体组成的共析体珠光体的平均含碳量为珠光体的平均含碳量为0.77%0.77%，在，在727727以以下温度范围内存在下温度范围内存在性能：性能：b b =750MPa HB=160=750MPa HB=160180 180 较高较高 =20% =20%25% =3025% =3040% 40% 适中适中材料科学与工程学院显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。这是泽，因此得名。这是T8T8钢的退火组织钢的退火组织材料科学与工程学院莱氏体（莱氏体（ LdLd ） 由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物由奥氏体和渗碳体组成的两相机械

18、混合物 奥氏体在奥氏体在727727时将转变为珠光体，所以在时将转变为珠光体，所以在室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为物，称为低温莱氏体低温莱氏体。莱氏体硬度很高，。莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差脆性大，塑性很差 材料科学与工程学院这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近相近材料科学与工程学院铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是研究在铁碳合金状态图是研究在平衡条件平衡条件下，铁碳下，

19、铁碳合金的合金的成分成分、组织组织和和性能性能之间的关系及变之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（。它以温度为纵坐标、合金成分（ FeFe3 3C C或或含碳量）为横坐标的图形。它是说明含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金合金成分成分、温度温度和和组织组织三者关系的图形三者关系的图形材料科学与工程学院600SP4.01.02.03.0FeQ2004005.0 6.0 6.69Fe31200EA1600CDFK温 度LL+L+Fe3C+Fe3CA+Fe3C+LeLe+Fe3CLeP+Fe3CP

20、+Fe3C+LeFe3C+Le+PP+4912A31148(2.11)(4.3)LeH1394（0.77）0.02B(0.09)L+(0.53)Fe -Fe3C 合金相图合金相图 材料科学与工程学院材料科学与工程学LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+APQSECDFKG图2.27 Fe-Fe3C状态图wC/%0.772.114.36.69温度/72711480123材料科学与工程学院铁碳合金状态图的建立铁碳合金状态图的建立 合金状态图就是通过一系列实验测出不同合金状态图就是

21、通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在成分的铁碳合金在缓慢冷却缓慢冷却过程中的过程中的冷却冷却曲线和组织转变曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图状态图材料科学与工程学院合金序号 舍金成分 上临界点下临界点 含碳量 含铁量 1 2 3 4 5 0 0.40 0 77 1.20 l 60 100 99 60 99.23 98.80 98.40 912 790

22、 727 880 l 000 727 727 727 727各成分合金的临界点材料科学与工程学院铁碳合金状态图的分析铁碳合金状态图的分LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+APQSECDFKG图2.27 Fe-Fe3C状态图wC/%0.772.114.36.69温度/72711480123材料科学与工程学院ACDACD线线-液相线液相线 AECFAECF线线-固相线固相线 ECFECF线线-共晶线共晶线ACAC线线-奥氏体结晶开始线奥氏体结晶开始线AEAE线线-奥氏体结晶终了

23、线奥氏体结晶终了线GSGS线（线（A A3 3)-)-铁素体从铁素体从A A中析出开始线中析出开始线PQPQ线线-C-C在铁素体中的溶解度曲线，此线以右有在铁素体中的溶解度曲线，此线以右有FeFe3 3C C析出析出QAPSECDFKG图2.27 Fe-Fe3C状态图wC/%0.772.114.36.09温度/912153872711480材料科学与工程学院ESES线（线（A Acmcm)-C)-C在在A A中的溶解度曲中的溶解度曲线，此线以右线，此线以右有有FeFe3 3C C析出线析出线PSKPSK线线-共析线共析线CDCD线线-一次渗碳一次渗碳体结晶开始线体结晶开始线QAPSECDFKG

24、图2.27 Fe-Fe3C状态图wC/%0.772.114.36.09温度/912153872711480材料科学与工程学院铁碳合金的分类铁碳合金的分类工业纯铁：工业纯铁：C%0.0218C%0.0218共析钢：共析钢：C%=0.77C%=0.77亚共析钢：亚共析钢：0.02180.0218C%0.77C%0.77过共析钢：过共析钢：0.770.77C%=2.11C%=2.11共晶白口铁：共晶白口铁：C%=4.3C%=4.3亚共晶白口铁：亚共晶白口铁：2.112.11C%4.3C%4.3过共晶白口铁：过共晶白口铁：4.34.3C%6.69C%0G0时时 G-G-温度梯度（正的温温度梯度（正的温

25、度梯度）过冷度小，度梯度）过冷度小，结晶缓慢，形成平面结晶缓慢，形成平面晶晶G0时的温度分布G0时的界面结晶形态材料科学与工程学院G0时的温度分布G0时的界面结晶形态 G0G 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 取决于扩散系数和分配系数，特别是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）材料科学与工程学院材料科学与工程学院凝固过渡层的形成：凝固过渡层的形成：由于凝固过程中母材

26、与焊条熔由于凝固过程中母材与焊条熔敷金属末能很好混合而形成未混合区敷金属末能很好混合而形成未混合区( (或不完全混合或不完全混合区区) )，焊后可以立即发现。这是一种表现，焊后可以立即发现。这是一种表现化学不均匀化学不均匀性的过渡层，由于与凝固过程有关，可称为性的过渡层，由于与凝固过程有关，可称为“凝固凝固过渡层过渡层”材料科学与工程学院碳迁移过渡层的形成碳迁移过渡层的形成类钢类钢( (体心立方的珠体心立方的珠光体钢光体钢) )与与类钢类钢( (面面心立方的奥氏体钢心立方的奥氏体钢) )焊接焊接时出现的一种时出现的一种熔合熔合区区碳迁移碳迁移现象（显现象（显微镜下观察）微镜下观察）碳在碳在Fe

27、Fe中的扩散活动中的扩散活动能力均比在能力均比在FeFe中大得中大得多，但后者溶解度大多，但后者溶解度大材料科学与工程学院材料科学与工程学院晶界液化现象：晶界液化现象：在近缝区，特别是在半熔化区，常在近缝区，特别是在半熔化区，常会存在化学不均匀性会存在化学不均匀性晶界发生迁移，使最易扩散活动的物质晶界发生迁移，使最易扩散活动的物质(C(C，S S，P P等等) )易于被推动而析集干晶界易于被推动而析集干晶界母材的带状偏析组织与原奥氏体晶界交合时的局母材的带状偏析组织与原奥氏体晶界交合时的局部熔化而造成的溶质偏析部熔化而造成的溶质偏析固液相间的相互作用固液相间的相互作用( (分布系数分布系数K

28、K0 01)1)，使溶质，使溶质易于转入液相之中，从而使晶界偏析增大易于转入液相之中，从而使晶界偏析增大(“(“上坡上坡”扩散扩散) )材料科学与工程学院不均匀的局部熔化所造成的溶质偏析现不均匀的局部熔化所造成的溶质偏析现象，与晶格位向不同的晶界具有不同的能象，与晶格位向不同的晶界具有不同的能量有关量有关不均匀的新相沉淀不均匀的新相沉淀( (硫化物、碳化物、硫化物、碳化物、氮化物氮化物) )近缝区的晶界偏析常常会促使在真实固近缝区的晶界偏析常常会促使在真实固相线以下产生所谓相线以下产生所谓晶界局部液化晶界局部液化现象现象材料科学与工程学院物理不均匀性：物理不均匀性：近缝区、半熔化区在不平衡加热

29、时，出现近缝区、半熔化区在不平衡加热时，出现空位和位错、残余应力，因此熔合区组织空位和位错、残余应力，因此熔合区组织性能不均的，成为焊接接头薄弱环节性能不均的，成为焊接接头薄弱环节 温度对空位数量的影响如下式所示：温度对空位数量的影响如下式所示：材料科学与工程学院空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过程中，空位的平衡浓度显然要下降，在不平程中，空位的平衡浓度显然要下降，在不平衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超过平衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超过平衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而半熔化区本身就易于形成较多空位，

30、因此，半熔化区本身就易于形成较多空位，因此，熔合线附近将是空位密度最大的部位。这熔合线附近将是空位密度最大的部位。这种空位的聚合可能是熔合区延迟断裂的原因种空位的聚合可能是熔合区延迟断裂的原因之一之一材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 1 焊接条件下的凝固结晶形态焊接条件下的凝固结晶形态 在实际焊缝中，由于在实际焊缝中，由于化学成分化学成分、板厚板厚和和接头型式接头型式不同，不一定具不同，不一定具有全部的结晶形态（平面晶、胞有全部的结晶形态（平面晶、胞状树枝晶状树枝晶等轴晶），当然焊等轴晶），当然焊接规范对焊缝结晶形态也具有很接规范对焊缝结晶形态也具有很大影响大影响材料科学与工程学院溶质浓

31、度影响溶质浓度影响 纯纯AlAl， 99 .99%99 .99%，焊缝熔合线附近为平面，焊缝熔合线附近为平面晶，中心为胞状晶。纯晶，中心为胞状晶。纯AlAl，99.6%99.6%，焊缝出，焊缝出现胞状晶，中心为等轴晶现胞状晶，中心为等轴晶 焊接速度的影响焊接速度的影响 VV，结晶速度，结晶速度 熔池中心出现等轴晶熔池中心出现等轴晶 V V小，熔合线附近出现胞状树枝晶小，熔合线附近出现胞状树枝晶材料科学与工程学院电流的影响电流的影响 电流电流I I小，胞状晶小，胞状晶, ,焊接速度一定焊接速度一定 电流电流I I较大，胞状树枝晶较大，胞状树枝晶 电流电流I I大，粗大树枝晶大，粗大树枝晶焊接速度

32、过大时，焊缝中心出现等轴晶，焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树枝晶。焊接电低速时，焊缝中心有胞状树枝晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶流大时，出现粗大的树枝晶材料科学与工程学院2 一次结晶组织对性能的影响一次结晶组织对性能的影响 一般而言，柱状晶粒粗大，性能下一般而言，柱状晶粒粗大，性能下降剧烈降剧烈 强度、韧性、抗腐蚀性强度、韧性、抗腐蚀性 高温合金和不锈钢最为明显高温合金和不锈钢最为明显材料科学与工程学院3 改善焊缝凝固组织的措施改善焊缝凝固组织的措施 材料科学与工程学院 （1 1）变质处理）变质处理 在液态金属中加入一定量的变质剂（也称在液态金属中加入一定量的变

33、质剂（也称孕育剂孕育剂），作为异质晶核以获得细晶组织），作为异质晶核以获得细晶组织称为变质处理。如加入称为变质处理。如加入V V、TiTi、AlAl、NbNb等，等，可以降低固相界面的表面能或附着在晶体可以降低固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍晶粒长大，也可获得细的结晶前缘，阻碍晶粒长大，也可获得细晶组织晶组织材料科学与工程学院向焊缝中添加某些合金元素向焊缝中添加某些合金元素变质剂作为结晶核心，使结晶数目增多变质剂作为结晶核心，使结晶数目增多-晶粒变细晶粒变细变质剂吸附在晶粒表面，使晶粒不易长大变质剂吸附在晶粒表面，使晶粒不易长大材料科学与工程学院常用变质剂：常用变质剂：MoMo、V

34、 V、TiTi、NbNb、AlAl、B B、N N、稀土等、稀土等加加TiTi、B B，改善组织形态，低温冲击，改善组织形态，低温冲击韧性提高韧性提高加稀土，细化晶粒，减少夹杂物，加稀土，细化晶粒，减少夹杂物，净化晶界，降氢等净化晶界，降氢等材料科学与工程学院 （2 2）振动结晶）振动结晶 金属结晶时施以机械振动、超声波振金属结晶时施以机械振动、超声波振动、电磁振动或搅拌等都可使树枝晶动、电磁振动或搅拌等都可使树枝晶或大晶块或大晶块破碎破碎而增加新的晶核。振动而增加新的晶核。振动还能补充生核时所需的能量，提高生还能补充生核时所需的能量，提高生核率核率材料科学与工程学院低频机械振动低频机械振动(

35、f(f1000HZ) ) 振幅振幅2 2以下，可以细化晶粒，对铝合金以下，可以细化晶粒，对铝合金效果明显效果明显超声振动超声振动(f(f20000HZ) ) 振幅振幅1010-4-4, ,使结晶金属受到拉、压交替使结晶金属受到拉、压交替的应力作用，破坏晶粒成长，增加结晶中的应力作用，破坏晶粒成长，增加结晶中心，细化晶粒心，细化晶粒材料科学与工程学院电磁振动电磁振动研究阶段，一方面细化晶粒，另一方面可以研究阶段，一方面细化晶粒，另一方面可以打乱结晶方向打乱结晶方向 管线钢制管焊接应用管线钢制管焊接应用 材料科学与工程学院（3 3）焊接工艺）焊接工艺焊后处理焊后处理热处理热处理 改善焊缝和改善焊缝

36、和HAZHAZ的性能的性能 多层焊多层焊 单道焊缝变小，改善结晶条件；后一单道焊缝变小，改善结晶条件；后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用道焊缝对前一道焊缝有热处理作用 锤击锤击 细化前一层的晶粒；降低后层焊缝熔合细化前一层的晶粒；降低后层焊缝熔合线形核晶粒；降低应力线形核晶粒；降低应力 跟踪回火跟踪回火 水力喷射用管焊接技术水力喷射用管焊接技术 材料科学与工程学院材料科学与工程学院晶粒度与材料性能的关系晶粒度与材料性能的关系晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金愈

37、细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料的强度和硬度显著提高属材料的强度和硬度显著提高材料科学与工程学院晶粒度与材料性能的关系晶粒度与材料性能的关系当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外力作用下，变形的晶粒也多，可使应在外力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形均匀，并使得金属具有较好力分散，变形均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性。的塑性和韧性。晶粒细化不仅是提高金属晶粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑性和韧性的重强度、硬度，而又是提高塑性和韧性的重要途径要途径材料科学与工程学院晶粒大小及控制晶粒大小及控制 晶粒晶粒-每个晶核长成的晶体称

38、为晶粒每个晶核长成的晶体称为晶粒影响晶粒大小的因素：影响晶粒大小的因素： 形核率形核率N N ( (晶核数晶核数/scm/scm3 3) ) 长大速度长大速度G G (cm/s)(cm/s)晶粒大小的控制晶粒大小的控制 增大过冷度增大过冷度 ；变质处理；振动；变质处理；振动材料科学与工程学院纯铁的晶格有纯铁的晶格有体心立方和面心立方体心立方和面心立方两种两种体心立方晶体结构体心立方晶体结构典型金属：典型金属：-Fe-Fe、CrCr、MoMo、NaNa、BaBa、NbNb性能特点：强度很高，塑性较好性能特点：强度很高，塑性较好致密度：致密度：6868（原子占有晶胞体积的百分数）（原子占有晶胞体积

39、的百分数）材料科学与工程学院面心立方晶体结构面心立方晶体结构典型金属：典型金属：-Fe-Fe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg性能特点：塑性极好性能特点：塑性极好致密度：致密度：7474材料科学与工程学院纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度温度时间时间16001500500700900110013001400912 - Fe -Fe - Fe液态金属液态金属材料科学与工程学院铁素体（铁素体（F F，FerrousFerrous）铁素体是碳溶解在铁素体是碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体奥氏体（奥氏体（A A， Aus

40、teniteAustenite）奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体马氏体（马氏体（M, martensite M, martensite ）钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火QuenchQuench），得），得到的碳在到的碳在 铁中的过饱和固溶体铁中的过饱和固溶体材料科学与工程学院渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C，cementitecementite）渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物珠光体（珠光体（P P，PerlitePerlite）珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物珠光体是铁素体

41、和渗碳体组成的机械混合物（F+FeF+Fe3 3C C ） 莱氏体莱氏体(L(Ld d Ledeburite)Ledeburite)由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物（含碳由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物（含碳4.3%4.3%） 材料科学与工程学院1 1 低碳钢焊缝的固态相变组织低碳钢焊缝的固态相变组织 组织特征：组织特征：F+F+少量少量P,AP,A晶界析出晶界析出 F F，有，有时时F F呈魏氏组织形态呈魏氏组织形态冷速不同，组织不同：冷速增加，冷速不同，组织不同：冷速增加，P P增增多，多，F F减少，硬度升高减少，硬度升高材料科学与工程学院低碳低碳钢焊钢焊缝的缝的魏氏魏氏组织组织

42、材料科学与工程学院 魏氏组织特征：铁素魏氏组织特征：铁素体在奥氏体晶界呈网体在奥氏体晶界呈网状析出，也可从奥氏状析出，也可从奥氏体晶粒内部沿一定方体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短不向析出，具有长短不一的针状或片条状，一的针状或片条状，可直接插入珠光体晶可直接插入珠光体晶粒之中，一般经粒之中，一般经A A3 3点点以上以上202030 30 正火正火后，柱状晶可消除后，柱状晶可消除材料科学与工程学院改善低碳钢焊缝组织的途径改善低碳钢焊缝组织的途径多层焊多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏体，使柱状晶组织破坏焊后热处理：焊后热处理：柱状晶消失柱状晶消失冷

43、却速度：冷却速度：冷却速度冷却速度，硬度，硬度材料科学与工程学院低合金钢焊缝的固态相变组织低合金钢焊缝的固态相变组织 低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，具有材料化学成分和冷却条件的不同，具有不同的组织。以不同的组织。以F F为主，为主， P P 、 B B、M M为辅为辅。以以F F为主，为主，F F越细小，则韧脆性转变温越细小，则韧脆性转变温度越低，一般以度越低，一般以V V型缺口冲击试件断口中型缺口冲击试件断口中纤维区占纤维区占50%50%时的温度为判据时的温度为判据材料科学与工程学院(1)(1)铁素体转变铁素体转变焊缝中铁素体的

44、类型焊缝中铁素体的类型 粒界铁素体粒界铁素体(GBF)(GBF)(先共析铁素体先共析铁素体PF)PF)先共析铁素体先共析铁素体(PF)(PF)是沿原奥氏体晶界析出的铁素是沿原奥氏体晶界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素体。有的沿晶界呈长体。先共析铁素体也称晶界铁素体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以多边形形状互相连结沿晶界分布条状扩展，有的以多边形形状互相连结沿晶界分布在高温区发生在高温区发生，相变时优先形成，因晶界能量，相变时优先形成，因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较高而易于形成新相核心。先共析铁素体的位错密度较低较低材料科学与工程学院侧板条铁素体（侧板条铁素体（

45、FSPFSP）：）：生成于生成于700-500700-500是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体，是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素体，实质是魏氏组织实质是魏氏组织。其长宽比在。其长宽比在2020：以上。侧板：以上。侧板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但在焊缝中出现的机会比母材中多在焊缝中出现的机会比母材中多当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其当先共析铁素体和侧板条铁素体长大时，其界面上界面上一侧的碳浓度增加，接近共析成分，一侧的碳浓度增加，接近共析成分，故故易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间易分解为珠光体而出现于侧板条铁素体的间

46、隙之中隙之中材料科学与工程学院材料科学与工程学院针状铁素体（针状铁素体（AFAF） 出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体宽约出现于原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体宽约2m2m左右，长宽比多在左右，长宽比多在3 3：1 1以至以至1010：1 1的范围内。的范围内。针状铁素体可能是以针状铁素体可能是以氧化物或氮化物氧化物或氮化物( (如如TiOTiO或或TiN)TiN)为基点，呈放射状生长，相邻为基点，呈放射状生长，相邻AFAF间的方位差为大倾间的方位差为大倾角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是角，其间隙存在有渗碳体或马氏体，多半是M MA A组组元，决定于合金化程度针状铁素体晶内位错密

47、度较元，决定于合金化程度针状铁素体晶内位错密度较高，为先共析铁素体的高，为先共析铁素体的2 2倍左右。位错之间也互相倍左右。位错之间也互相缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形缠结，分布也不均匀，但又不同于经受剧烈塑性形变后出现的位错形态变后出现的位错形态材料科学与工程学院细晶铁素体细晶铁素体(FGF)(FGF)、( (贝氏体铁素体贝氏体铁素体) ) 生成于生成于450450以下。板条间为小倾角，板条内的位错以下。板条间为小倾角，板条内的位错密度很高。如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝密度很高。如在用不同强度级别焊条所焊接的焊缝J507J507焊条的焊缝中有侧板条铁素体焊条的焊缝中有侧板

48、条铁素体FSPFSP，其间存在的，其间存在的确为珠光体，未见确为珠光体，未见M MA AJ807J807焊条的焊缝中已无先共析铁素体焊条的焊缝中已无先共析铁素体PFPF，MAMA组元组元呈颗粒状呈颗粒状J907J907焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板条焊条的焊缝中，因合金化程度提高而出现板条状马氏体，部分状马氏体，部分M MA A组元由颗粒状变成条状组元由颗粒状变成条状材料科学与工程学院AFFGF细晶铁素体细晶铁素体+P材料科学与工程学院 随着合金化程随着合金化程度的提高，度的提高，AFAF组织增多的同组织增多的同时，焊缝强度时，焊缝强度也随之提高。也随之提高。AFAF增多，有利增多，有

49、利于改善韧性于改善韧性材料科学与工程学院合金元素的增加使固溶强化作用增加，而强度提高带合金元素的增加使固溶强化作用增加，而强度提高带来的有害作用，会抵消来的有害作用，会抵消AFAF的有利作用，最终反而会恶的有利作用，最终反而会恶化韧性。另外，随着合金化程度的提高，焊缝组织可化韧性。另外，随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现能出现M M，在强度提高同时，焊缝韧性就势必降低，在强度提高同时，焊缝韧性就势必降低材料科学与工程学院铁素体（铁素体（F F）转变）转变粒界粒界F F（高温转变（高温转变900-700900-700）：为先共析）：为先共析F,F,由奥由奥氏体晶界析出向晶内生长，呈块状氏体晶

50、界析出向晶内生长，呈块状侧板条侧板条F F（700-550700-550）：由奥氏体晶界形核，以）：由奥氏体晶界形核，以板条状向晶内生长（由于板条状向晶内生长（由于F F形成温度较高，形成温度较高，F F内内含碳极低，故又称为无碳贝氏体）含碳极低，故又称为无碳贝氏体）针状针状F F（500500附近）：大都非自发形核，在奥氏附近）：大都非自发形核，在奥氏体内形成体内形成细晶细晶F F：奥氏体晶内形成，有细晶元素（：奥氏体晶内形成，有细晶元素（TiTi、B B）出现时，晶界有出现时，晶界有FeFe3 3C C出现出现材料科学与工程学院 (2)(2)珠光体转变珠光体转变热处理平衡状态热处理平衡状态

51、 珠光体转变珠光体转变Ar-550 CAr-550 C、FeFe原子扩散比较容原子扩散比较容易。珠光体转变扩散型相变易。珠光体转变扩散型相变 （P P是是F F和和FeFe3 3C C的层状混合物）的层状混合物）焊接状态焊接状态 非平衡转变，得到非平衡转变，得到P P量少，珠光体转变量小量少，珠光体转变量小 若若B B 、TiTi合金元素较多时，合金元素较多时，P P转变会被抑制转变会被抑制材料科学与工程学院珠光体（珠光体（P P）转变）转变 一般情况不出现一般情况不出现P P，只有在缓冷时，才会出现片，只有在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体状或粒状的珠光体 原因：焊接过程是一个不平衡过程，

52、冷却速度原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，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片状结构片状结构材料科学与工程学院P+F粒粒P+AF材料科学与工程学院 （3 3）贝氏体转变）贝氏体转变贝氏体转变机理复杂贝氏体转变机理复杂 上贝氏体特征：上贝氏体特征：在光学金相显微镜下在光学金相显微镜下观察呈羽毛状，沿奥氏体晶界析出，在观察呈羽毛状，沿奥氏体晶界析出，在平行的条状平行的条状F F间分布有渗碳体。形成温间分布有渗碳体。形成温度度 550550M Ms s之间。之间。材料科学与工程学院粒贝粒贝羽状羽状Bu+板板M材料科学与工程学院粒状贝氏体：粒状

53、贝氏体： 块状铁素体形成之后，待转变的富碳块状铁素体形成之后，待转变的富碳A A呈岛呈岛状分布于块状状分布于块状F F中，这些高碳中，这些高碳AA富碳富碳M M和残和残余奥氏体，称为余奥氏体，称为M MA A组织。组织。在块状在块状F F中，中，M MA A组织以粒状分布，因此称组织以粒状分布，因此称粒状贝氏体，若以条状存在称为条状粒状贝氏体，若以条状存在称为条状B B氏体氏体（强度韧性影响争论不一）（强度韧性影响争论不一）下贝氏体：下贝氏体：针状，力学性能优异针状，力学性能优异材料科学与工程学院材料科学与工程学院贝氏体（贝氏体（B B）转变）转变上贝氏体（上贝氏体（B B上上）转变）转变 形

54、成温度：形成温度：450-550450-550 形态：羽毛状形态：羽毛状下贝氏体（下贝氏体（B B下下）转变）转变 转变温度：转变温度：450-Ms450-Ms 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与针之间形态：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呈一定的角度 粒状贝氏体（粒状贝氏体（B 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 + CF + Cm m、M-AM-A组织或残余奥氏体组织或残余奥氏体材料科学与工程学院（4 4）马氏体转变）马氏体转变当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂

55、时，冷当焊缝含碳量偏高或合金元素较复杂时，冷却速度快，冷却至却速度快，冷却至M Ms s时会形成时会形成M M。板条板条M M（含碳量很低）（含碳量很低）特征：奥氏体晶粒内形成几束特征：奥氏体晶粒内形成几束M M板条，束与束板条，束与束之间有一定夹角之间有一定夹角位错量多位错量多位错位错M M含碳量低含碳量低低碳低碳M M 强度好，韧性高强度好，韧性高材料科学与工程学院板条马氏体显微组织特征示意图材料科学与工程学院板板M与与M-AM+M-A材料科学与工程学院片状片状M M C0C04 4马氏体片不相互平行，初始形成的马氏体片不相互平行，初始形成的M M片较大，片较大，往往贯穿往往贯穿A A晶粒

56、晶粒 透射电镜观察，片透射电镜观察，片M M存在许多细小平行的带存在许多细小平行的带纹纹-孪晶带，硬度高、脆孪晶带，硬度高、脆材料科学与工程学院M+M-A材料科学与工程学院马氏体马氏体(M)(M)转变转变 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条，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粒，使形态：马氏体较粗大，往往贯穿整

57、个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶形成机理：孪晶材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院焊后热处理：焊后热处理：局部热处理、整体热处理局部热处理、整体热处理退火、正火、调质、回火、去应力等退火、正火、调质、回火、去应力等多层焊：改善结晶条件多层焊：改善结晶条件第一层对第二层有预热作用第一层对第二层有预热作用第二层对第一层有热处理作用第二层对第一层有热处理作用材料科学与工程学院锤击焊道表面：锤击焊道表面：晶粒破碎，在多层焊中较明显晶粒破碎，在多层焊中较明显跟踪回火：跟踪回火：每焊完一道立即用气焊火焰（中性焰）加热每焊完一道立即用气焊

58、火焰（中性焰）加热焊道表面，温度控制在焊道表面，温度控制在90090010001000，跟，跟踪回火大致可影响三道踪回火大致可影响三道第一道正火第一道正火90090010001000第二道高温回火第二道高温回火750750第三道回火第三道回火600600材料科学与工程学院多层焊与多多层焊与多道焊区别？道焊区别？材料科学与工程学院材料科学与工程学院焊缝的内部缺陷焊缝的内部缺陷材料科学与工程学院1 1 焊缝中的气孔焊缝中的气孔气孔是焊接生产中经常遇到的一种缺陷气孔是焊接生产中经常遇到的一种缺陷下列情况易出现气孔：下列情况易出现气孔：焊条、焊剂中水分焊条、焊剂中水分工件表面的油、铁锈工件表面的油、铁

59、锈焊接工艺参数不稳定焊接工艺参数不稳定气体保护焊电弧不良气体保护焊电弧不良材料科学与工程学院气孔的危害气孔的危害材料科学与工程学院（1 1）气孔的类型及分布特征）气孔的类型及分布特征 气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内部，有的以单个存在，有的成堆出现部，有的以单个存在，有的成堆出现第一类气孔：某些气体在高温时溶解于熔池第一类气孔：某些气体在高温时溶解于熔池金属中，在结晶和相变时，溶解度突降，金属中，在结晶和相变时，溶解度突降，来不及逸出，残留于内部，如来不及逸出，残留于内部，如H H2 2、N N2 2第二类气孔：冶金反应生成的气体所致，如第二类气孔：

60、冶金反应生成的气体所致，如COCO材料科学与工程学院材料科学与工程学院氢气孔氢气孔形貌形貌材料科学与工程学院产生原因产生原因：焊接过程中，熔池金属吸：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔有喇叭口形的表面气孔材料科学与工程学院多出现在低碳钢、低合金钢，一般表面气多出现在低碳钢、低合金钢，一般表面气孔，但当药皮中水分增多时，也可能出