焊缝金属的结晶

焊缝金属的结晶第1页，课件共46页，创作于2023年2月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2页，课件共46页，创作于2023年2月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）第3页，课件共46页，创作于2023年2月第4页，课件共46页，创作于2023年2月二、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=0

Ek´=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越小第5页，课件共46页，创作于2023年2月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第6页，课件共46页，创作于2023年2月三、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

第7页，课件共46页，创作于2023年2月第8页，课件共46页，创作于2023年2月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，不能用大的焊速第9页，课件共46页，创作于2023年2月四、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）第10页，课件共46页，创作于2023年2月3.固溶体的结晶形态（如图3-16）

①温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高，液相温度低

②成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低，快速结晶时，易出现树枝晶第11页，课件共46页，创作于2023年2月第12页，课件共46页，创作于2023年2月3.成分过冷对结晶形态的影响

①平面结晶（如图3-18）

G>T②胞状结晶（如图3-20）

G与T少量相交

③胞状树枝结晶（如图3-22）（Flash演示）

G与T相交较大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质，故横向也出现分枝

④树枝状结晶（如图3-24）（Flash演示）

当成分过冷进一步增大，树枝晶显著

⑤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第13页，课件共46页，创作于2023年2月第14页，课件共46页，创作于2023年2月第15页，课件共46页，创作于2023年2月第16页，课件共46页，创作于2023年2月第17页，课件共46页，创作于2023年2月第18页，课件共46页，创作于2023年2月⑥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，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

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向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面晶第19页，课件共46页，创作于2023年2月第20页，课件共46页，创作于2023年2月五、焊缝的化学不均匀性

1.焊缝中的化学不均匀性

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：冷却速度快，来不及均匀化

要求细晶化，降低偏析

②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

③层状偏析结晶（熔滴过渡）的周期性所致第21页，课件共46页，创作于2023年2月2.熔合区的化学不均匀性

①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）

②熔合区宽度

第22页，课件共46页，创作于2023年2月③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

S、P、C、B、O、N等熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）第23页，课件共46页，创作于2023年2月第24页，课件共46页，创作于2023年2月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（否则出现胞状晶或树枝晶）焊接电流

IG,胞状晶粗大树枝状晶第25页，课件共46页，创作于2023年2月二、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加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等

2.振动结晶机械振动、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26页，课件共46页，创作于2023年2月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20~30℃

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，硬度升高第27页，课件共46页，创作于2023年2月二、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

①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长，呈块状

②侧板条F（700-550℃）：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）

③针状F（500℃附近）：大都非自发形核，在奥实体内形成

④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，接近上贝氏体第28页，课件共46页，创作于2023年2月3.珠光体（P）转变

①一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体

②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

①上贝氏体（B下）转变

形成温度：450-550℃

形态：羽毛状形成机理

第29页，课件共46页，创作于2023年2月

②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，针与针之间呈一定的角度形成机理

③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组织或残余奥氏体

第30页，课件共46页，创作于2023年2月5.马氏体(M)转变

①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

②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：孪晶第31页，课件共46页，创作于2023年2月三、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

①单道焊缝变小，改善结晶条件

②后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用

3.锤击

①细化前一层的晶粒

②降低后层焊缝熔合线形核晶粒

③降低应力

4.跟踪回火第32页，课件共46页，创作于2023年2月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①类型：表面气孔、内部气孔

②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）冶金反应产生的不溶于金属的气体（CO、H2O）

2.氢（H）气孔

①出现在低合金焊缝中，大都为表面气孔，含

H2O多时，也会出现在内部第33页，课件共46页，创作于2023年2月

②形状

表面气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状内部气孔：圆球状

③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，就会形成气孔。氢由于受到表面的吸附作用，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，形成具有喇叭形的表面气孔第34页，课件共46页，创作于2023年2月2.氮（N）气孔一般在表面成堆出现，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，易发生反应：FeO+[C]CO+Fe,反应产生的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

第35页，课件共46页，创作于2023年2月（二）气孔形成机理

1.气孔形成条件

①液体中有过饱和气体存在

②非自发形核，质点较多（在枝晶间凹陷处，未熔晶粒表面，界面等）

③结晶速度大于气泡上浮速度

2.形核

①纯金属中气泡形核的可能性极小

②焊接熔池中，存在很多现成的表面（易聚集

N、H、C等活性元素），产生气泡就较为容易第36页，课件共46页，创作于2023年2月③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表面易形核第37页，课件共46页，创作于2023年2月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——表面张力所构成的附加压力

σ——金属与气体之间的表面张力

r——气泡半径所以气泡半径越大，越易长大第38页，课件共46页，创作于2023年2月4.上浮

①气泡成长到一定大小脱离现成表面的能力主要决定于液态金属、气相和现成表面之间的表面张力（如图），即：第39页，课件共46页，创作于2023年2月第40页，课件共46页，创作于2023年2月②当θ＜90°时，有利于气泡的逸出，而θ＞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σ2.g和σ1.2，以及增大σ1.g都可以有利于气泡快速逸出。因为可以减小θ值③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）第41页，课件共46页，创作于2023年2月第42页，课件共46页，创作于2023年2