熔池结晶-第三章熔池结晶和焊缝组织

1、熔池结晶-第三章熔池结晶和焊缝组织熔池结晶过程研究目的： 防止气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹 防止晶体缺陷 第一节 熔池结晶特点和形态一、特殊性 1.体积小、冷速大 产生淬硬、粒状晶等组织 2.过热 金属烧损严重 非自发形核小 3.运动状态下结晶如图3-2二、熔池结晶的一般规律 1.形核 自发形核 所需能量： 其中：新相-液相界面张力 Fv 单位体积内固液两相自由能之差 非自发形核 所需能量： =0 Ek=0 现成晶核 =180Ek=Ek 全自发形核 固-液界面张力差越小，越小，同时越小，故 Ek越小 熔池中的现成外表 悬浮质点 熔合线上半熔化的晶粒联生结晶交互 结晶结晶的主要方式2.晶核生长 晶

2、粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向 一致，位向有序 晶粒生长有方向性，某一方向的生长速度最 大，当最大的生长速度方向与最大温度梯度方 向最快散热方向一致时，可优先长成，不 一致时会中止生长三、熔池结晶线速度 1.晶粒主轴生长线速度(Vc)分析 晶粒生长线速度分析图如图3-8 在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，那么 dx/dt=V焊接速度， 此时该晶粒生长由 AC，变化ds，那么 ds/dt=Vc,当dt0时，BC垂 直于AC，那么 即： cos取决于焊接标准和材料的热物理性质及形状 cos值确实定 厚大件： 薄件： 对Vc的讨论 =0时，Vc=V(最大处中心线 =90时，Vc=0 即

3、晶粒生长速度是变化的 V，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 VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速四、熔池结晶的形态 1.分类 2.纯金属的结晶形态 正的温度梯度：平面晶，生长缓慢主要 负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还 有分枝，生成树枝晶较少3.固溶体的结晶形态如图3-16 温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高，液 相温度低 成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低， 快速结晶时，易出现树枝晶3.成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶 如图3-18 GT 胞状结晶 如图3-20 G与T少量相交 胞状树枝结晶如图3-22Flash演示 G与T相交较大，晶粒主轴快速伸向液内

4、，横向排溶质， 故横向也出现分枝 树枝状结晶 如图3-24Flash演示 当成分过冷进一步增大，树枝晶显著 等轴结晶 如图3-26 液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也形 成树枝晶等轴晶综合如图3-28 当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓度 的提高，那么成分过冷增加，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 当合金中溶质的浓度C0一定时，结晶速度R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 晶、树枝状晶，最后到等 轴晶 当合金中溶质浓度C0和结晶速度R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 变方

5、向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶 五、焊缝的化学不均匀性 1.焊缝中的化学不均匀性 显微偏析： 先结晶C0低，后结晶C0高，即晶粒 中心C0高，边缘低 原因：冷却速度快，来不及均匀化 要求细晶化，降低偏析 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 层状偏析 结晶熔滴过渡的周期性所致2.熔合区的化学不均匀性 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 熔合区熔化不均传热、晶粒散热 熔合区宽度 熔合区成分分布如图3-39) 在液相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相浓度 界面 液相浓度 C0 - C C0 + C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是

6、 S、P、C、B、O、N等 熔合区还存在物理不均匀组织、性能第二节 焊缝金属的一次结晶组织一、焊接条件下的凝固结晶形态 1.理论上 熔合线处：G最大、R最小平面晶 中心处：G最小、R最大等轴晶 2.实际上不一定全部形态都出现，与许多因素有关 成分 板厚和接头形式 焊接速度 vR,熔合线处G,焊缝中心处G出现大量等轴 晶 否那么出现胞状晶或树枝晶 焊接电流 IG,胞状晶粗大树枝状晶二、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、热裂都有影响三、焊缝金属的性能的改善措施 1.固溶强化和变质处理 参加Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 2.振动结晶 机械振动、

7、高频超声振动、电磁振动 3.焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪 回火等第三节 焊缝固态相变一、低碳钢焊缝 组织特征：F+少量P,A晶界析出 F，有 时F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，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，一般 经A3点以上2030 正火后，柱状晶可消 除 冷速不同，组织不同：冷速增加，P增多，F 减少，硬度升高二、低合金钢的固态相变 1.总的来说，以F+P为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关 2.铁素体F转变 粒界F高温转变900-700：为先共析F,由奥氏 体晶界析出向晶内生

8、长，呈块状 侧板条F700-550：由奥氏体晶界形核，以板 条状向晶内生长由于F形成温度较高，F内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体 针状F500附近：大都非自发形核，在奥实体 内形成 细晶F：奥氏体晶内形成，有细晶元素Ti、B出 现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体3.珠光体P转变 一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体 原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C扩散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构4.贝氏体B转变 上贝氏体B上转变 形成温度：450-550 形态：羽毛状 形成机理 下贝氏体B下转变 转变温度：450-Ms 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针

9、与 针之间呈一定的角度 形成机理 粒状贝氏体B粒 形成温度高于上贝氏体 形态：无碳铁素体包围着富碳物质 转变产物：F + Cm、M-A组织或剩余奥氏体 5.马氏体(M)转变 低碳马氏体板条马氏体 转变温度：MS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，条与条之间有一定的交角 形成机理：位错 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，使以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶三、改善焊缝组织的途径 1.焊后热处理 改善焊缝和HAZ的性能 2.多层焊 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 3.锤击 细化前一层的晶粒 降低后层焊缝

10、熔合线形核晶粒 降低应力 4.跟踪回火第四节 焊缝中的气孔和夹杂一、气孔 一气孔的类型及其分布特征 1.气孔的类型及形成原因 类型：外表气孔、内部气孔 形成原因 结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在 焊缝内部的气体H2、N2 冶金反响产生的不溶于金属的气体CO、H2O 2.氢H气孔 出现在低合金焊缝中，大都为外表气孔，含 H2O多时，也会出现在内部 形状 外表气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状 内部气孔：圆球状 形成原因 在相邻树枝晶的凹陷最深处是氢气泡的胚胎场所 ，冷 却中，氢的溶解度从液态下32ml/100g下降到固态下的 10ml/100g,由于焊接熔池冷却快，H2来不及逸出时，

11、 就会形成气孔。氢由于受到外表的吸附作用，液体的 粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综合作用 下，形成具有喇叭形的外表气孔2.氮N气孔 一般在外表成堆出现，呈蜂窝状，只有在保护不良时出现，形成原因与氢气孔相似3.一氧化碳CO气孔 在熔池后部，结晶期间，在柱状晶界区域，由于温低，C浓度高，产生C的偏析，易发生反响：FeO+CCO+Fe,反响产生的CO因粘度大，浮出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进行而不断形成，故气孔是沿结晶方向分布的 二气孔形成机理 1.气孔形成条件 液体中有过饱和气体存在 非自发形核，质点较多在枝晶间凹陷处， 未熔晶粒外表，界面等 结晶速度大于气泡上浮速度 2.形核 纯金

12、属中气泡形核的可能性极小 焊接熔池中，存在很多现成的外表易聚集 N、H、C等活性元素，产生气泡就较为容易 形核能量 Fa/F越大，Ep越小，越易形核，故在枝晶晶界 凹陷处及未熔化晶粒外表易形核3.长大 长大的条件：ph内压p0外压 p0 pa + pc = 1+2/r pa大气压 pc外表张力所构成的附加压力 金属与气体之间的外表张力 r气泡半径 所以气泡半径越大，越易长大4.上浮 气泡成长到一定大小脱离现成外表的能力主要决定于液 态金属、气相和现成外表之间的外表张力如图， 即：当 90时，有利于气泡的逸出，而 90时，由于形成细颈需要时间，当结晶速度较大的情况下，气泡来不及逸出而形成气孔如图3-61 因此：减小 2. g和 1. 2，以及增大 1. g都可以有利 于气泡快速逸出。因为可以减小值当结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间逸出，易得到无气孔的焊缝。当结晶速度较大时，气泡有可能来不及逸出而形成气孔 如图3-62气泡浮出的速度 气泡的半径越大，熔池中液体金属的密度越大，粘度越小时，那么