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讨目的：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状一、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.运动形状下结晶〔如图3-2〕二、熔池结晶的普通规律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在能之差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，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：cosθ取决于焊接规范和资料的热物理性质及外形③cosθ值确实定厚大件：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，易构成脆弱的结合线，产生纵向裂纹VVc，所以焊易裂资料时，不能用大的焊速四、熔池结晶的形状1.分类2.纯金属的结晶形状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.固溶体的结晶形状〔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3.成分过冷对结晶形状的影响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，那么成分过冷添加，从而使结晶形状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，结晶形状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，因此结晶形状的演变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐渐演化到平面晶五、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，边缘低缘由：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2.熔合区的化学不均匀性①熔合区的构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

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´分配取决于分散系数和分配系数，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状1.实际上熔合线处：G最大、R最小平面晶中心处：G最小、R最大等轴晶2.实践上〔不一定全部形状都出现，与许多要素有关〕成分板厚和接头方式焊接速度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、凝固组织形状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.固溶强化和蜕变处置参与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.焊接工艺焊后处置、热处置、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呈魏氏组织形状魏氏组织特征：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，普通经A3点以上20~30℃正火后，柱状晶可消除冷速不同，组织不同：冷速添加，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构成温度较高，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，在奥实体内构成④细晶F：奥氏体晶内构成，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①普通情况不出现P，只需在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体②缘由：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C分散遭到抑制，很难出现F/Fe3C片状构造4.贝氏体〔B〕转变①上贝氏体〔B上〕转变构成温度：450-550℃形状：羽毛状构成机理②下贝氏体〔B下〕转变转变温度：450℃-Ms形状：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构成机理③粒状贝氏体〔B粒〕构成温度高于上贝氏体形状：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①低碳马氏体〔板条马氏体〕转变温度：MS温度以下形状：在奥氏体晶粒的内部构成细条状马氏体板条，条与条之间有一定的交角构成机理：位错②高碳马氏体〔片状马氏体〕形状：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后构成的马氏体片遭到妨碍构成机理：孪晶三、改善焊缝组织的途径1.焊后热处置改善焊缝和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置作用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.气孔的类型及构成缘由①类型：外表气孔、内部气孔②构成缘由结晶时因气体溶解度忽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①出如今低合金焊缝中，大都为外表气孔，含H2O多时，也会出如今内部②外形外表气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状内部气孔：圆球状③构成缘由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，就会构成气孔。氢由于遭到外表的吸附作用，液体的粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综协作用下，构成具有喇叭形的外表气孔2.氮〔N〕气孔普通在外表成堆出现，呈蜂窝状，只需在维护不良时出现，构成缘由与氢气孔类似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+[C]CO+Fe,反响产生的CO因粘度大，浮出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进展而不断构成，故气孔是沿结晶方向分布的

〔二〕气孔构成机理1.气孔构成条件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，未熔晶粒外表，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能够性极小②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外表易形核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——外表张力所构成的附加压力σ——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①气泡生长到一定大小脱离现成外表的才干主要决议于液态金属、气相和现成外表之间的外表张力〔如图〕，即：②当θ＜90°时，有利于气泡的逸出，而θ＞90°时，由于构成细颈需求时间，当结晶速度较大的情况下，气泡来不及逸出而构成气孔〔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。由于可以减小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，气泡有能够来不及逸出而构成气孔