熔池结晶第三章熔池结晶和焊缝组织

金属的结晶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

①金属烧损严重

②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

①自发形核所需能量：

其中：σ——新相-液相界面张力

ΔFv

——单位体积内固液两相自由能之差

②非自发形核所需能量：

θ=0Ek´=0现成晶核

θ=180°Ek´=Ek

全自发形核固-液界面张力差越小，θ越小，同时σ越小，故Ek越小③熔池中的现成表面

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

①晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向一致，位向有序

②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

①晶粒生长线速度分析图（如图3-8）

②在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，则dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化ds，则ds/dt=Vc,当dt0时，BC垂直于AC，则

即：cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状

③cosθ值的确定

厚大件：薄件：④对Vc的讨论θ=0°时，Vc=V(最大处中心线）

θ=90°时，Vc=0即晶粒生长速度是变化的Vθ，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

①正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）

②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.固溶体的的结晶形态（（如图3-16）①温度过冷:结结晶潜热所致致固相前部温温度高，液相温度低②成分过冷：先先结晶温度高高，后结晶温温度低，快速结晶时，，易出现树枝枝晶3.成分过冷冷对结晶形态态的影响①平面结晶（（如图3-18）G>T②胞状结晶（（如图3-20）G与T少量相相交③胞状树枝结结晶（如图3-22）（Flash演示）G与T相交较较大，晶粒主主轴快速伸向向液内，横向向排溶质，故横向也出现现分枝④树枝状结晶（（如图3-24）（Flash演示）当成分过冷进进一步增大，，树枝晶显著著⑤等轴结晶（（如图3-26）液相成分过冷冷区很宽，不不仅在前沿生生成树枝晶，，内部也形成树枝晶等轴晶⑥综合（如图3-28）当结晶速度R和温度梯度度G不变时，，随合金中溶溶质浓度的提高，则成成分过冷增加加，从而使结结晶形态由平平面晶变为胞状晶、胞胞状树枝晶、、树枝状晶、、最后到等轴轴晶当合金中溶质质的浓度C0一定时，结晶晶速度R越快快，成分过冷的程度越越大，结晶形形态也可由平平面品过渡到到胞状晶、树枝状晶晶，最后到等等轴晶当合金中溶溶质浓度C0和结晶速度R一定时，随随液相温度梯度的提高，，成分过冷的的程度减小，，因而结晶形形态的演变方向恰好相相反，由等轴轴晶、树枝品品逐步演变到到平面晶五、焊缝的化化学不均匀性性1.焊缝中的的化学不均匀匀性①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：冷却速速度快，来不不及均匀化要求细晶化化，降低偏析析②区域偏析熔池中心部位位聚集较多低低熔点杂质，，柱状晶结晶的结果果③层状偏析结晶（熔滴过过渡）的周期期性所致2.熔合区的的化学不均匀匀性①熔合区的形成成母材与焊缝交交界的地方并并不是一条线线，而是一个个区熔合区熔化化不均（传热热、晶粒散热热）②熔合区宽度③熔合区成分分分布（如图3-39)在液相中的的溶解度>在在固相中的溶溶解度故：固相浓度度界界面液液相相浓度C0-C´C0+C´分配取决于于扩散系数和和分配系数，，特别是S、P、C、、B、O、N等熔合区还存存在物理不均均匀（组织、、性能）第二节焊焊缝金属的一一次结晶组织织一、焊接条件件下的凝固结结晶形态1.理论上熔合线处：：G最大、R最小平面面晶中心处：G最小、R最最大等轴晶晶2.实际上（（不一定全部部形态都出现现，与许多因因素有关）成分板厚和接头头形式焊接速度vR,熔合线处G,焊缝中中心处G出现大量等等轴晶（否则出出现胞状晶或或树枝晶）焊接电流IG,胞状晶粗粗大树枝状晶晶二、凝固组织织形态对性能能的影响生成粗大的树树枝状晶，韧韧性降低，对对气孔、夹杂、热裂都都有影响三、焊缝金属属的性能的改改善措施1.固溶强化化和变质处理理加入Mo、V、Ti、Zr、Al、、B、N、稀稀土Te等2.振动结晶晶机械振动、高高频超声振动动、电磁振动动3.焊接工艺艺焊后处理、热热处理、多层层焊、锤击、、跟踪回火等第三节焊焊缝固态相相变一、低碳钢焊焊缝组织特征：F+少量P,A晶界析出出F，有时F呈魏氏组组织形态魏氏组织特特征：铁素体体在奥氏体晶晶界呈网状析出，也也可从奥氏体体晶粒内部沿沿一定方向析出，，具有长短不不一的针状或或片条状，可直接接插入珠光体体晶粒之中，，一般经A3点以上20~30℃正火后，柱状状晶可消除冷速不同，，组织不同：：冷速增加，，P增多，F减少，硬度升升高二、低合金钢钢的固态相变变1.总的来说，以以F+P为主，有时出出现B及M,与焊材及工工艺有关2.铁素体（（F）转变①粒界F（高温转变变900-700℃）：：为先共析F,由奥氏体晶界析出向向晶内生长，，呈块状②侧板条F（700-550℃））：由奥氏体体晶界形核，，以板条状向晶内生生长（由于F形成温度较较高，F内含含碳极低，故又称为为无碳贝氏体体）③针状F（500℃附近）：大都都非自发形核核，在奥实体体内形成④细晶F：奥氏体晶晶内形成，有有细晶元素（（Ti、B））出现时，晶界有有Fe3C出现，接近近上贝氏体3.珠光体（（P）转变①一般情况不出出现P，只有在缓缓冷时，才会会出现片状或或粒状的珠光光体②原因：焊接过过程是一个不不平衡过程，，冷却速度快快，C扩散受到抑制制，很难出现现F/Fe3C片状结构4.贝氏体（（B）转变①上贝氏体（B上）转变形成温度：：450-550℃形态：羽毛毛状形成机理②下贝氏体（B下）转变转变温度：：450℃-Ms形态：针状状铁素体和针针状渗碳体机机械混合，针针与针之间呈一定定的角度形成机理③粒状贝氏体体（B粒）形成温度高高于上贝氏体体形态：无碳碳铁素体包围围着富碳物质质转变产物：：F+Cm、M-A组织织或残余奥氏氏体5.马氏体(M)转变①低碳马氏体（（板条马氏体体）转变温度：：MS温度以下形态：在奥奥氏体晶粒的的内部形成细细条状马氏体体板条，条与条之之间有一定的的交角形成机理：：位错②高碳马氏体（（片状马氏体体）形态：马氏体较粗大大，往往贯穿穿整个奥氏体体晶粒，使以后形形成的马氏体体片受到阻碍碍形成机理：：孪晶三、改善焊缝缝组织的途径径1.焊后热处处理改善焊缝和HAZ的性能能2.多层焊①单道焊缝变小小，改善结晶晶条件②后一道焊缝对对前一道焊缝缝有热处理作作用3.锤击①细化前一层的的晶粒②降低后层焊缝缝熔合线形核核晶粒③降低应力4.跟踪回火第四节焊焊缝中的气孔孔和夹杂一、气孔（一）气孔的的类型及其分分布特征1.气孔的类类型及形成原原因①类型：表面气气孔、内部气气孔②形成原因结晶时因气气体溶解度突突然下降来不不及逸出残留留在焊缝内部的气气体（H2、N2）冶金反应产产生的不溶于于金属的气体体（CO、H2O）2.氢（H））气孔①出现在低合金金焊缝中，大大都为表面气气孔，含H2O多时，也会会出现在内部部②形状表面气孔：：喇叭口形，，内壁光滑，，形如螺钉状状内部气孔：：圆球状③形成原因在相邻树枝晶晶的凹陷最深深处是氢气泡泡的胚胎场所所，冷却中，氢的溶溶解度从液态态下32ml/100g下降到固态态下的10ml/100g,由由于焊接熔池池冷却快，H2来不及逸出时时，就会形成气孔孔。氢由于受受到表面的吸吸附作用，液液体的粘度以及机械械阻力的影响响，在上浮与与受阻的综合合作用下，形成具有有喇叭形的表表面气孔2.氮（N））气孔一般在表面成成堆出现，呈呈蜂窝状，只只有在保护不不良时出现，，形成原因与与氢气孔相似似3.一氧化碳碳（CO）气气孔在熔池后部，，结晶期间，，在柱状晶界界区域，由于于温低，[C]浓度高，，产生C的偏偏析，易发生生反应：FeO+[C]CO+Fe,反应产生生的CO因粘粘度大，浮出出阻力大而滞滞留内部，并并随结晶过程程的进行而不不断形成，故故气孔是沿结结晶方向分布布的（二）气孔形形成机理1.气孔形成成条件①液体中有过饱饱和气体存在在②非自发形核，，质点较多（（在枝晶间凹凹陷处，未熔晶粒表面面，界面等））③结晶速度大大于气泡上浮浮速度2.形核①纯金属中气泡泡形核的可能能性极小②焊接熔池中，，存在很多现现成的表面（（易聚集N、H、C等活性元素）），产生气泡泡就较为容易易③形核能量Fa/F越大，Ep越小，越易形形核，故在枝枝晶晶界凹陷处及未熔熔化晶粒表面面易形核3.长大①长大的条件：：ph（内压）>p0（外压）②p0≈pa+pc=1+2σ/rpa——大气压pc——表面张力所构构成的附加压压力σ——金属与气气体之间的表表面张力r——气泡半径径所以气泡半径径越大，越易易长大4.上浮①气泡成长到一一定大小脱离离现成表面的的能力主要决决定于液态金属、气相相和现成表面面之间的表面面张力（如图），即：②当θ＜90°时，，有利于气泡泡的逸出，而而θ＞90°时，，由于形成细细颈需要时间间，当结晶速速度较大的情情况下，气泡泡来不及逸出出而形成气孔孔（如图3-61）因此：减小σσ2.g和σ1.2，以及增大σσ1.g都可以有利于于气泡快速速逸出。因为为可以减小θθ值③当结晶速度较较小时，气泡泡可以有充分分的时间逸出出，易得到无无气孔的焊缝缝。当结晶速速度较大时，，气泡有可能能来不及逸出出而形成气孔孔（如图3-62）④气泡浮出的的速度气泡的半径越越大，熔池中中液体金属的的密度越大，，粘度越小时时，则气泡的的上浮速度也也就越大，焊焊缝中就不易易产生气孔（三）影响因因素及防治措措施1.冶金方面面①熔渣的氧化性性氧化性CO气孔还原性H2气孔一般焊缝中用用[C]×[O]乘积表示CO气孔倾向，在酸性焊条中中，有时乘积积大，但未见见气孔，因为为[O]活度小；而碱碱性渣乘积小小，[O]活度大，易出出现气孔②药皮成分CaF2、SiO2、氧化物及碳碳酸盐都可脱脱H③铁锈、油污污特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2(H2O)气孔都比较敏感二、夹杂1.氧化物夹夹杂（以SiO2为主的硅酸盐盐、MnO、、TiO2、Al2O3）焊缝中易引引起热裂纹母材中易出出现层状撕裂裂2.氮化物夹夹杂焊缝中很少出出现（时效时时可能出现Fe4N析出）3.硫化物夹夹杂加强脱S、、脱O，控制制焊材中的S、P量注意工艺操操作9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。05:31:0205:31:0205:3112/25/20225:31:02AM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2205:31:0205:31Dec-2225-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。05:31:0205:31:0205:31Sunday,December25,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2205:31:0205:31:02December25,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。25十十二二月月20225:31:02上上午午05:31:0212月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。。十二月225:31上午午12月-2205:31December25,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/255:31:0205:31:0225December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。5:31:02上午午5:31上午午05:31:0212月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。05:31:0205:31:0205:3112/25/20225:31:02AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2205:31:0205:31Dec-2225-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。05:31:0205:31:0205:31Sunday,December25,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2205:31:0205:31:02December25,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。25十十二二月月20225:31:02上上午午05:31:0212月月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通。。。。。十二月月225:31上上午午12月月-2205:31December25,202216、少年年十五五二十十时，，步行行夺得得胡马马骑。。。2022/12/255:31:0205:31:0225December202217、空山山新雨雨后，，天气气晚来来秋。。。5:31:02上上午5:31上上午午05:31:0212月月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Sunday,December25,20221