第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制

第五章铸件及焊缝宏观组织及其控制第1页，课件共102页，创作于2023年2月2第一节铸件的宏观组织第二节表面激冷区及柱状晶区的形成第三节内部等轴晶的形成机理第四节铸件宏观结晶组织的控制第五节焊接熔池凝固及控制主要内容第2页，课件共102页，创作于2023年2月3第一节铸件的宏观组织铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。铸件的微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态已经这些形态的细化程度等。两者表现形式不同，但其形成过程密切相关，并对铸件的各项性能产生强烈的影响。本章侧重分析铸件宏观组织的成因及其影响因素，并在此基础上总结出生产中控制铸件结晶组织的有效方法。第3页，课件共102页，创作于2023年2月4第一节铸件的宏观组织通常，铸件的宏观结晶组织可能包含三个不同的晶区：1：表面细晶粒区；2：柱状晶区；3：内部等轴晶区第4页，课件共102页，创作于2023年2月5第一节铸件的宏观组织激冷晶区的晶粒细小;柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.内部等轴晶区的晶粒较为粗大;表层急冷晶区中间柱状晶区内部等轴晶区第5页，课件共102页，创作于2023年2月6

不是每个铸件都有上述三个晶区，有以下特殊情况：第一节铸件的宏观组织第6页，课件共102页，创作于2023年2月7图5-2几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶几种不同类型的铸件宏观组织第7页，课件共102页，创作于2023年2月8不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响第8页，课件共102页，创作于2023年2月9500℃砂模700℃浇注1室温砂模700℃浇注2室温铁模700℃浇注3500℃铁模700℃浇注4室温铁模800℃浇注（加Ti）5第9页，课件共102页，创作于2023年2月10不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响试样编号铸型材料铸型温度(℃)浇注温度(℃)组织形貌特征1砂模500700多边形的粗大等轴晶2砂模室温700粗大柱状晶，中心处有等轴晶3铁模室温700较粗大柱状晶4铁模500700较粗大柱状晶，中心少量等轴晶5铁模室温800（加Ti变质）细小等轴晶第10页，课件共102页，创作于2023年2月11大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。第11页，课件共102页，创作于2023年2月12第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成第12页，课件共102页，创作于2023年2月13一、表面激冷区的形成

型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核,各种形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。

一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。第13页，课件共102页，创作于2023年2月14二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速

。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示第14页，课件共102页，创作于2023年2月15柱状晶生长过程的动态演示铸型液态金属第15页，课件共102页，创作于2023年2月16二、柱状晶区的形成柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。其存在和宽窄程度取决于二者的综合结果。如果界面前方始终不利于等轴晶的形成和生长，则柱状晶一直延伸到铸件中心，形成所谓的穿晶组织。如果柱状晶没来的及形成，断面内面全部形成等轴晶，形成全部等轴晶。第16页，课件共102页，创作于2023年2月17第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、枝晶熔断及结晶雨理论第17页，课件共102页，创作于2023年2月18一、“成分过冷”理论

该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。不足第18页，课件共102页，创作于2023年2月19等轴晶不锈钢筛网等轴晶7500C水淬,摇动在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验第19页，课件共102页，创作于2023年2月20二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论Chalmers1963；在浇注的过程中及凝固的初期激冷，促使大量的晶核形成并形成细小等轴晶，这些小等轴晶随浇注分布整个铸件并发展为内部等轴晶的核心。在浇注的过程中及凝固的初期激冷，小等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成，浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。第20页，课件共102页，创作于2023年2月21型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况密度、热流引起的游离晶的游离第21页，课件共102页，创作于2023年2月22溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。

图5-6晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论第22页，课件共102页，创作于2023年2月23游离晶体的生长、局部熔化与增殖二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论溶质析出第23页，课件共102页，创作于2023年2月24二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论大野笃美利用电镜对Sn-10Bi合金的凝固进行了直接观察和连续摄影，证实了凝固初期通过型壁晶粒脱落而产生的晶粒游离现象。为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?

第24页，课件共102页，创作于2023年2月25三、枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。第25页，课件共102页，创作于2023年2月26目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。第26页，课件共102页，创作于2023年2月27第四节铸件宏观结晶组织的控制柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。本质上是：晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果。第27页，课件共102页，创作于2023年2月28第四节铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的影响因素1．金属性质方面2．浇注条件方面3．铸件性质和铸件结构方面第28页，课件共102页，创作于2023年2月29铸件宏观结晶组织的影响因素1．金属性质方面1)强生核剂在过冷熔体中的存在；2)宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度G。3)合金溶质元素含量较高、平衡分配系数偏离1较远。4)熔体在凝固过程中存在长时间的激烈的对流。

第29页，课件共102页，创作于2023年2月30铸件宏观结晶组织的影响因素2．浇注条件方面

1)低的浇注温度。有利等轴晶的形成和晶粒细化。

2)合适的浇注工艺。强化液流对型壁的冲刷有利等轴晶的形成和晶粒细化。第30页，课件共102页，创作于2023年2月31铸件宏观结晶组织的影响因素3．铸件性质和铸件结构方面第31页，课件共102页，创作于2023年2月32第四节铸件宏观结晶组织的控制思路:

晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。

第32页，课件共102页，创作于2023年2月33一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化第四节铸件宏观结晶组织的控制第33页，课件共102页，创作于2023年2月34合理的浇注工艺冷却条件的控制第34页，课件共102页，创作于2023年2月35合理的浇注工艺浇注温度浇注方式

合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。

通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。

第35页，课件共102页，创作于2023年2月36铸型中间浇注单孔上注沿型壁六孔浇注

图5-8不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织细小等轴晶粗大等轴晶较细小等轴晶第36页，课件共102页，创作于2023年2月37通过改变浇注方式强化对流对型壁的冲刷作用，能有效促进等轴晶的形成。在铸件浇注过程中，液态金属在型壁的急冷作用下大量形核，被液流冲击带进液相区，并发生增殖，成为后续凝固的结晶核心。第37页，课件共102页，创作于2023年2月38水流冷却的斜板浇注方法第38页，课件共102页，创作于2023年2月39冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。

对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。

第39页，课件共102页，创作于2023年2月40冷却条件的控制

对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。

第40页，课件共102页，创作于2023年2月41悬浮浇注法是在浇注过程中将一定量的固态金属颗粒加入到金属液中，从而改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统料斗离心集液包直浇道第41页，课件共102页，创作于2023年2月42悬浮浇注法的特点

1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；

2)减小凝固收缩，使冒口减小15～35%；

3)减少缩松，提高铸件致密性；

4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；5)改善宏观偏析；

6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；

7)可以实现浇注过程合金化。第42页，课件共102页，创作于2023年2月43技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。第43页，课件共102页，创作于2023年2月44二、孕育处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。

第44页，课件共102页，创作于2023年2月45孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非自发形核作用通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质

孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核第45页，课件共102页，创作于2023年2月孕育铸铁孕育处理后的灰铸铁叫做孕育铸铁。

孕育处理就是：在浇注前，向铁水中加入一定量的孕育剂硅铁、硅钙合金等，使铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。孕育铸铁适合于动载荷较小、静载荷较大、要求耐磨和减震的重要铸件，尤其是厚大截面的铸件。46第46页，课件共102页，创作于2023年2月47第47页，课件共102页，创作于2023年2月球墨铸铁1947年1)、定义：在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理，获得石墨呈球状分布的铸铁，称为球墨铸铁，简称“球铁”。灰口铸铁经孕育处理后虽然细化了石墨片，但球状石墨则是最为理想的一种石墨形态。2)、球墨铸铁的组织

对基体割裂作用进一步减轻第48页，课件共102页，创作于2023年2月球墨铸铁的生产（1）铁液的化学成分:C↑(3.6-4.0%)，Si（1.8-3.2%），

S、P↓球化剂（稀土镁合金)的作用：使石墨呈球状析出；加入量1-1.6%铁液质量。（2）球化剂和孕育剂孕育剂(硅铁75%Si)的作用：促使石墨化，防白口。加入量0.4-1%铁液质量。第49页，课件共102页，创作于2023年2月球墨铸铁的生产球化处理常用冲入法第50页，课件共102页，创作于2023年2月51合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0.1~0.2铁合金V0.06~0.30B0.005~0.01铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，与Si-Fe复合铁合金铝合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；复合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中间合金过共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中间合金铜合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02-0.04纯金属或中间合金镍基高温合金WC,NbC碳化物粉末合金常用孕育剂的主要元素情况第51页，课件共102页，创作于2023年2月52锆和稀土元素细化Al-Mg合金铸态组织的机理探讨（2005）实验：在Al-Mg合金中加入相同含量的Zr,La和Er不同成分的实验合金在800℃下熔化并保温相同时间.苏婕,肖于德,黎文献,吴永玉-材料与冶金学报第52页，课件共102页，创作于2023年2月53锆和稀土元素细化Al-Mg合金铸态组织的机理探讨金相观察第53页，课件共102页，创作于2023年2月54锆和稀土元素细化Al-Mg合金铸态组织的机理探讨铸态组织第54页，课件共102页，创作于2023年2月55Zr的分布第55页，课件共102页，创作于2023年2月56Re的分布第56页，课件共102页，创作于2023年2月57锆和稀土元素细化Al-Mg合金铸态组织的机理探讨结论(1)Zr和RE的加入都能使铝镁合金凝固时形成的柱状晶区减小或退化,等轴晶区相应增大,合金的凝固结晶方式发生了变化.其中Zr和RE的复合添加效果最好,单独添加Zr次之,单独添加RE效果较差.(2)Zr能明显地细化铝镁合金的铸态组织,其细化机理是凝固时作为α-Al的领先相,起异质形核作用,从而细化晶粒.(3)RE在铝镁合金的细化机理是凝固时富集于界面前沿,增大了合金的成分过冷从而细化晶粒。(4)RE(La、Er)的加入,并未与Zr形成面心立方Al3X型金属间化合物.Zr与RE在铝合金中的细化机制不相同.第57页，课件共102页，创作于2023年2月58孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。第58页，课件共102页，创作于2023年2月59三、动力学细化1．铸型振动2．超声波振动3．液相搅拌4．流变铸造第59页，课件共102页，创作于2023年2月601．铸型振动在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。振动铸型可促使“晶雨”的形成。立式离心铸造机第60页，课件共102页，创作于2023年2月612．超声波振动

超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。第61页，课件共102页，创作于2023年2月623．液相搅拌采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。第62页，课件共102页，创作于2023年2月634．流变铸造

流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金属凝固达50～60％时，在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。第63页，课件共102页，创作于2023年2月64传统铸造和流变铸造所获得的显微组织传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织

第64页，课件共102页，创作于2023年2月65第五节焊接熔池凝固及控制一、熔池凝固条件二、熔池结晶特征三、熔池结晶组织的细化第65页，课件共102页，创作于2023年2月66一、熔池凝固条件体积小、冷速快温差大、过热度高动态凝固过程液态金属对流激烈

第66页，课件共102页，创作于2023年2月671.熔池金属的体积小，冷却速度快在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3

，重量不超过100g;周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4～100℃/s，远高于一般铸件的冷却速度;由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。第67页，课件共102页，创作于2023年2月682.温差大、过热温度高熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。第68页，课件共102页，创作于2023年2月693.动态凝固过程处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。图5-11熔池的运动状态下结晶第69页，课件共102页，创作于2023年2月704.液态金属对流激烈

熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。第70页，课件共102页，创作于2023年2月71二、熔池结晶特征非平衡结晶

联生结晶

柱状晶生长方向与速度的变化

熔池凝固组织形态的多样性

第71页，课件共102页，创作于2023年2月1.非平衡的动态结晶熔池体积小、冷却速度大

焊接熔池体积小，其周围被体积很大的母材金属所包围，熔池界面导热条件很好，故熔池冷却速度很快，其平均值可达到100℃/s，约为铸造时的104倍。72第72页，课件共102页，创作于2023年2月1.非平衡的动态结晶熔池过热、温度梯度大

焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。73第73页，课件共102页，创作于2023年2月1.非平衡的动态结晶熔池在动态下结晶焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的，结晶前沿随焊接热源而移动，而且焊接条件下各种力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。74第74页，课件共102页，创作于2023年2月75

2.联生结晶和竞争成长在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。第75页，课件共102页，创作于2023年2月76第76页，课件共102页，创作于2023年2月竞争成长结晶理论告诉我们，每一种晶体点阵都存在一个结晶速度最快的最优结晶取向，而且温度梯度的方向对结晶速度也有极为重要的影响。77第77页，课件共102页，创作于2023年2月783.柱状晶生长方向与速度的变化典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度增大,L增加,Bmax减小.第78页，课件共102页，创作于2023年2月79熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反,因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。生长速度R与焊接速度υ满足关系式:第79页，课件共102页，创作于2023年2月柱状晶生长方向与速度的变化第80页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A成长速度和方向的变化由式可以看出，在焊接速度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角α或晶粒成长方向与焊接方向的夹角3.柱状晶生长方向与速度的变化第81页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（如图5-15中H和F点）,Ψ=90，cosΨ=0，晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），Ψ=0，cosΨ=1,晶粒生长速度R与焊接速度υ相等，即晶体生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。3.柱状晶生长方向与速度的变化第82页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接熔池的结晶特点

晶粒成长速度与焊接速度的关系第83页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接熔池的结晶特点晶粒成长速度和方向的变化第84页，课件共102页，创作于2023年2月85熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反,因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。生长速度R与焊接速度υ满足关系式:在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中

H和F点）,晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度R与焊接速度υ相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变形成了特有的弯曲柱状晶的形态。第85页，课件共102页，创作于2023年2月86焊接速度大时，焊接熔池长度增加,柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长;焊接速度越慢,柱状晶越弯曲。最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。焊接速度快焊接速度慢第86页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接速度对晶粒成长方向的影响

a)高速焊b)低速焊3.柱状晶生长方向与速度的变化第87页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A3.柱状晶生长方向与速度的变化高速焊和热裂ASS/Alalloy第88页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A3.柱状晶生长方向与速度的变化高速焊和热裂第89页，课件共102页，创作于2023年2月904.熔池凝固组织形态的多样性在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R非常小，温度梯度G较大，G/R则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时,结晶速度R逐渐增大，而温度梯度G减小,G/R逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长；随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。第90页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接熔池的结晶形态1.熔池结晶的典型形态

(1)平面结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G(即温度曲线的斜率dT/dx)很大时，液相温度曲线T不与结晶温度曲线TL相交，因而液相中不存在成分过冷区，如图3-6a所示。图3-6平面结晶形态

a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)平面晶微观照片第91页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接熔池的结晶形态(2)胞状结晶当固-液界面前方液相中的温度梯度G较大时，液相温度曲线T与结晶温度曲线TL在短距离x内相交，形成较小的成分过冷区，如图3-7a所示。图3-7胞状结晶形态

a)成分过冷条件b)形成机理示意图c)胞状晶微观照片第92页，课件共102页，创作于2023年2月20921-3A焊接熔池的结晶形态(3)胞状树枝结晶随固-液界面前方液相中的温度梯度G的减小，液相温度曲线T与