考研华科材料人网七章

1第二节焊缝金属的组织与性能一、焊接熔池的结晶二、焊缝金属的组织三、焊缝金属性能的控制2重点内容1、熔池凝固条件和特点及一般规律2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变3、焊缝性能问题讨论3第二节焊缝金属的组织与性能一、焊接熔池的结晶（一）熔池的特征

1.熔池的体积小，冷却速度大熔池的形状与尺寸

（≤30cm3

，≤100g）冷却速度大平均4～100℃/s，约为铸造的104倍。（钢锭的平均冷却速度约为3～150×10-4℃/s）42.熔池的温度高

1770±100℃>钢锭：～1550℃熔池中的液态金属处于过热状态3.熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动熔池金属存在对流运动5（二）熔池凝固的特点焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。但由于非平衡凝固，焊缝组织具有独特的特点。6联生结晶示意图1.联生结晶（外延结晶）

焊接熔池边界正是固液相的相界面，熔池边界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成为新相晶核的“基底”，非均匀生核，焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系，好似母材晶粒外延长大。这种依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，称为外延结晶或联生结晶。7每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于体心立方点阵金属，最优结晶取向为<100>。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度最大。当母材晶粒最易长大方向与导热最快的方向一致，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。2.择优成长893.凝固线速度ds=dxcosθR=Vcosθ10R=vcos晶粒成长的平均线速度在0～v范围内变化在熔池边界（Y=OB）∵＝90°，∴R→0

在焊缝中心（Y＝0）∵＝0°，∴R＝v111）晶粒成长的平均线速度是变化的

晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道中心处最大，为焊速。2）焊接规范的影响当焊速大时，则θ大，晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向晶。12131.柱状晶 （三）焊缝金属凝固组织的形态

焊缝金属凝固组织的形态具有柱状晶及多种亚结构，包括平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶以及等轴晶。

纯金属的结晶形态过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之间的温度差。正的温度梯度（G＞0）：形成平面晶14负的温度梯度（G＜0）－－形成树枝晶15固溶体合金的结晶形态“成分过冷”（ConstitutionalUndercooling）：由于液固界面处溶质成分起伏而造成的过冷。溶质局部浓集“成分过冷”判据16（1）平面结晶产生条件：G＞0，且G很大，无成分过冷特征：平面晶17（2）胞状晶条件：有较小的成分过冷特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。18（3）胞状树枝晶产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。19（4）树枝晶产生条件：过冷度较大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二、三次横枝，并能得到很好的生长。202.等轴晶产生条件：Ｇ很小，成分过冷度大。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。21成分过冷与合金中溶质的浓度C0，结晶速度R以及温度梯度有关。当G、R一定时，C0↑→成分过冷↑当C0一定时，R↑→成分过冷↑当C0

，R一定时，G↑→成分过冷↓22

3.焊缝各部位结晶形态的变化熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。231）溶质浓度影响纯AL99.99%焊缝熔合线附近为平面晶，中心为胞状晶。若纯AL99.6%，焊缝出现胞状晶，中心为等轴晶2）焊接速度的影响

V↑，熔池中心出现等轴晶。

V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。243）电流的影响I小，胞状晶,

I较大，胞状树枝晶

I大，粗大树枝晶

焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树枝晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶。252627实际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的足足形态不一定具有上述全部结晶形态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。柱状晶+少量等轴晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶内：树枝晶28

焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢29

埋弧焊接凝固组织Q235A钢30

钨极氩弧焊接凝固组织纯度为99.99%的铝焊缝-a）纯度为99.6%的铝焊缝-b）、c）31焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接速度的影响V↑→G↓→成分过冷区↑等轴晶胞状树枝晶32焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响粗胞状树枝晶胞状晶胞状树枝晶33（四）改善焊缝金属一次结晶形态的措施1.调节焊接工艺参数焊接工艺参数：焊接电流I、电弧电压U、焊接速度V、预热温度T、送丝速度Vs等。目的：控制母材半熔化区晶粒大小，熔池的温度梯度、冷却速度和几何尺寸，最终控制晶粒尺寸和成长方向。在不预热的情况下，一般提高焊接速度，降低热输入，可以达到细化18-8镍铬不锈钢和低合金钢焊缝金属凝固组织的目的，在消除镍基合金微裂纹中起重要作用。342.变质剂处理通过焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）加入变质剂：Ti、B、Ce、Zr等元素目的：作为表面活性物质促进形核，阻止微小晶粒的生长和聚集，达到细化晶粒的目的。加入量在0.03~0.5%。由于焊缝金属的外延生长，变质处理的效果不太显著。353.熔池搅拌效应搅拌熔池的方法：机械振荡、超声波振荡和电磁搅拌等。目的：破坏正在成长的晶粒从而获得细晶组织。目前，实际应用于铝合金的焊接，利用强磁场搅拌，改善凝固组织。364.高能束扫描电子束焊接细化原理：利用高能束周期性横向扫动，以一定距离熔切生长的晶粒，实现晶粒细化。铝合金焊缝晶粒的细化。37二、焊缝金属的组织固态相变（二次结晶组织）焊接熔池完全凝固以后，随着连续冷却过程的进行，对于钢铁材料来讲，焊缝金属将发生组织转变。转变后的组织，是根据焊缝的化学成分和冷却条件而定。

对于碳钢与合金钢焊缝金属，高温奥氏体将在不同温度区间转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体，在室温下得到相应的混合组织。焊缝金属固态相变的机理与一般钢铁固态相变的机理是一致的，这里仅根据焊接的特点和钢铁材料成分的不同进行扼要地分析。38二、焊缝金属的组织（一）低碳钢焊缝的固态相变组织以铁素体（F）（白色）为主，加上少量的珠光体（P）。焊缝过热度越大，可促使魏氏组织形成。魏氏组织39改善组织的方法：1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。2)焊后热处理：加热A3+20~30%消失柱状晶。3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑40（二）低合金钢焊缝的固态相变组织低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可有不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。以F为主，F越细小，则延性－脆性转变温度越低，一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度VTS为判断。411.铁素体（Firrite，F）转变焊缝中铁素体的类型（1）先共析铁素体（Pro-eutectoidFerrite，PF）温度：770-680℃；位置：沿奥氏体晶界,又称为粒界铁素体（GrainBoundaryFerrite,GBF)形态：长条形或多边形块状性能特点：使韧性下降（低屈服点）条状块状42（2）侧板条铁素体（FerriteSidePlate，FSP）温度：700-550℃位置：从晶界铁素体侧面向晶内生长形状：板条状，形态如镐牙状性能特点：使韧性下降43（3）针状铁素体（AcicularFerrite，AF）温度：500℃；位置：在奥氏体晶粒内部形态：针状条件：中等冷却速度性能特点：韧性好44（4）细晶铁素体（FineGrainFerrite，FGF）温度：500℃以下位置：在奥氏体晶粒内部形状：细晶状条件：存在细化晶粒的元素（Ti，B等）性能特点：韧性好晶内白色块状为FGF45

随着合金化程度的提高，AF组织增多的同时，焊缝强度也随之提高。AF增多，有利于改善韧性。46热处理平衡状态珠光体转变Ar--550℃，C、Fe原子扩散比较容易。珠光体转变为扩散型相变。（P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C）焊接状态,非平衡转变，得到P量少，珠光体转变量小。若添加B、Ti合金元素，P转变全部被抑制。2.珠光体（Pearite，P）转变47P+F粒P+AF48中温转变，550℃~Ms（1）上贝氏体(UpperBainite，Bu)温度：550-450℃；位置：沿奥氏体晶界析出形态：呈羽毛状，平行的条状铁素体之间分布有渗碳体性能特点：韧性较差（小条状Fe3C分割了基体的连续性）3.贝氏体（Bainite，B）转变49（2）下贝氏体（LowerBainite，BL）温度：450℃-Ms形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物性能特点：强度和韧性都较好50（3）粒状贝氏体(GrainBainite，BG)M－A组元（ConstitutionM-A)

在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。富碳马氏体和残余奥氏体,硬度高。在块状铁素体上的Ｍ－Ａ组元以粒状分布时，即为“粒状贝氏体”。514.马氏体（Martensite，M）当焊缝中含Ｃ量较高或合金元素含量较多时，在快冷条件下，冷却到Ｍs以下，将发生马氏体转变。（1）板条马氏体（LathMartensite）、低碳马氏体、位错型马氏体低碳低合金钢奥氏体内部细条状综合性能指标在马氏体中最好52（2）片状马氏体（PlateMartensite）、高碳马氏体、孪晶马氏体焊缝中含碳量大于0.4%粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部硬度高而脆53（三）焊缝金属连续冷却组织转变图

（WM－CCT图）WM-CCT图对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要意义。54三、焊缝金属性能的控制影响焊缝性能的因素结晶形态与组织的影响化学成分的影响焊接缺陷的影响55固溶强化加入碳、锰、硅、铬、镍、钼等，均有固溶强化的作用。细晶强化加入钛、铌、硼、铝、铬、镍、稀土等，可细化晶粒，提高强度。沉淀强化加入碳、氮化物形成元素。相变强化加入合金元素，改变相变组织。（一）焊缝合金化与变质处理561.优化合金成分（1）严格限制有害的杂质元素：S、P、N、O和H；（2）通过合金元素来提高焊缝韧性促使高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在500-550温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素体；防止M-A组元的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；（二）焊缝金属韧化的途径57（3）配置多种微量合金元素，则可能在大幅度地提高焊缝金属的强度的同时提高韧性和抗裂性。Mn和Si最为常用的强化焊缝的元素例如低合金钢（C:0.10-0.13%