焊接冶金学及金属材料焊接-课件模块二

主编吴金杰（第二版）焊接冶金学及金属材料焊接课题一

熔池的凝固课题二

焊缝组织与性能控制模块二焊缝组织与性能的控制课题一

熔池的凝固定义：熔焊时母材上所形成的具有一定几何形状的液体金属部分叫熔池。一、熔池凝固的特点和规律（一）熔池结晶的特点

回目录熔池的体积小，冷却速度大。（1）熔池中的液态金属处于过热状态（2）（二）熔池结晶的一般规律

1.熔池中晶核的形成非自发晶核依附在熔合区附近半熔化状态基本金属表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓的交互结晶（或称联生结晶），如图所示。熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶课题一

熔池的凝固

2.熔池中的晶核长大熔池金属开始结晶时，总是从靠近熔合线处的母材上联生地长大起来。当晶体最易长大方向与散热最快方向（或最大温度梯度方向）相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先得到生长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。焊缝中柱状晶优先生长方向课题一

熔池的凝固二、熔池结晶的形态焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树枝状晶等），而等轴晶内一般都呈现树枝晶。

（一）纯金属的结晶形态冷却速度越大，过冷度（△T）越大，过冷度的大小只决定于温度的梯度。

1.正温度梯度（G＞0）纯金属焊缝凝固时，一般均属于这种情况，如下图b所示。课题一

熔池的凝固纯金属的结晶形态a)G＞0时的温度分布b)G＞0时的界面结晶形态c)G＜0是的温度分布d)G＜0时的界面结晶形态TM—纯金属的凝固点△T—过冷度

课题一

熔池的凝固

2.负温度梯度（G＜0）

由于液体内部的温度比界面低，过冷度大，伸入液体金属内部的晶体成长速度很快，除了主干之外，还有分支，形成所谓树枝状晶，如图2-4d所示。树枝状晶体的立体模型如图所示。树枝状晶体模型课题一

熔池的凝固

（二）固溶体合金的结晶形态合金的结晶温度与成分有关，合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固-液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶时不必很大的过冷就可以出现树枝结晶。由于过冷程度的不同，就会使焊缝组织出现不同的形态。经分析、归纳，大致可分为以下五种结晶形态。

课题一

熔池的凝固纯铌板焊缝平面晶（三）成分过冷对结晶形态的影响

1.平面结晶

多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大，如图所示。课题一

熔池的凝固2.胞状结晶

因平面结晶界面处于不稳定的状态，凝固界面长出许多平行束状的芽胞伸入过冷的金属内，断面是六角形的胞状结晶形态，如同细胞或蜂窝状。金相照片如图所示。胞状晶组织课题一

熔池的凝固

3.胞状树枝结晶焊缝中出现的胞状树枝结晶如图所示。焊缝中的胞状树枝晶a)含Ti的HY80钢的TIG焊焊缝中的胞状树枝晶b)316L不锈钢焊缝中的胞状树枝晶课题一

熔池的凝固4.树枝状结晶

304不锈钢TIG焊缝中心部位的树枝状晶课题一

熔池的凝固5.等轴结晶晶粒的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶，如图所示。铝板TIG焊时焊缝等轴晶课题一

熔池的凝固总括以上，五种不同的结晶形态都是具有内在的因素。大量的实验证明，结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、结晶速度（或晶粒长大速度）和液相中温度梯度的综合作用。它们对结晶形态的影响关系如图所示。C0、R、G对结晶形态的影响

课题一

熔池的凝固（四）焊接条件下的熔池结晶形态如图示意地表示了结晶形态的变化过程。焊缝结晶形态变化示意图课题一

熔池的凝固除了焊缝金属成分对结晶形态有影响之外，焊接工艺参数也有很大的影响。

1)焊接速度的影响

2)焊接电流的影响三、焊缝金属的化学成分不均匀性

（一）焊缝中的化学不均匀性定义：焊缝金属在结晶过程中，由于合金元素来不及扩散而存在化学成分的不均匀性。

1.显微偏析由于焊接过程中冷却较快，固相的成分来不及扩散，而在相当大的程度上保持着由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性。

课题一

熔池的凝固

2.区域偏析当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附近相遇。使溶质和杂质都聚集在那里，凝固后在焊缝中心附近出现区域偏析。

3.层状偏析焊缝断面经浸蚀之后，可以明显的看出层状分布。实验证明，这些分层是由于结晶过程周期性变化而化学成分分布不均匀造成的，因此成为层状偏析，如后图所示。层状偏析常集中一些有害的元素（碳、硫、磷等），因而缺陷也往往出现在偏析层中。课题一

熔池的凝固焊缝的层状偏析层状偏析与气孔

a)手弧焊b)电子束焊课题一

熔池的凝固（二）熔合区的化学成分不均匀性

1.熔合区的形成对于不同的晶粒，熔化程度可能有很大的不同。如图所示，有阴影的地方是熔化了的晶粒，其中有些晶粒有利于导热而熔化的较多（1、3、5），而有些晶粒熔化较少（2、4）。所以母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区，即所谓熔合区。课题一

熔池的凝固熔合区晶粒熔化情况

2.熔合区宽度熔合区的大小决定于材料的液-固温度范围、被焊材料本身的热物理性质和组织状态，可以按下式进行估计：对于碳钢、低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300-800℃／mm，液-固相线的温度差约为40℃。因此，一般电弧焊的条件下，熔合区宽度：A=40/（300～800）=0.133～0.15(mm)对于奥氏体钢的电弧焊时A=0.06～0.12mm。A=课题一

熔池的凝固

3.熔合区的成分分布在固-液界面溶质浓度的分布如图所示，界面附近溶质浓度的波动比较大。固-液界面溶质浓度的分布实线表示液固共存时溶质浓度的变化虚线表示凝固后溶质浓度的变化课题一

熔池的凝固一、焊缝金属的固态相变焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁相变的基本规律。一般情况下，相变形式取决于焊缝金属的化学成分和连续冷却过程的冷却速度。（一）低碳钢焊缝的固态相变

由于低碳钢的含碳量较低，故焊缝的相变后的二次组织主要是铁素体+少量的珠光体。冷速越高，珠光体比例越大，与此同时，组织细化，硬度上升。

回目录课题二焊缝组织与性能控制（二）低合金钢焊缝的固态相变（1）铁素体转变

1）先共析铁素体

当高温停留时间较长，冷速较低时，先共析铁素体数量增加。

2）侧板条铁素体

侧板条铁素体的析出抑制了焊缝金属的珠光体转变，因而扩大了贝氏体转变的范围。

3）针状铁素体

针状铁素体组织具有优良的韧性。冷速越高，针状铁素体越细，韧性越高。

4）细晶铁素体

细晶铁素体通常形成于含有细化晶粒元素（如Ti、B等）的焊缝金属中。课题二焊缝组织与性能控制（2）珠光体转变一般情况下，低合金钢焊缝中很少会发生珠光体转变，只有在冷却速度很低的情况下，才能得到少量的珠光体。（3）贝氏体转变当冷却速度较高或过冷奥氏体更稳定时，珠光体转变被抑制而出现贝氏体转变。（4）马氏体转变过冷奥氏体保持在Ms点一下，就会发生扩散型的马氏体转变。

1）板条马氏体通常出现在低碳合金钢焊缝中，因而又称为低碳马氏体。

2）片状马氏体

片状马氏体一般出现于含碳量较高（wC≥0.40％）的焊缝中。

课题二焊缝组织与性能控制二、焊缝金属组织与性能的改善

（一）焊缝金属的固溶强化和变质处理定义：焊接时通过焊接材料（焊条、焊丝或焊剂）在金属熔池中加入少量某些合金元素，使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方法叫做变质处理。目前变质处理常用的元素有Ｍo、V、Ti、Nb、Zr、Al及稀土元素。

1.Mn和Si对焊缝性能的影响

Mn和Si是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素。它们一方面起到脱氧作用另一方面通过固溶强化作用提高焊缝金属的抗拉强度。课题二焊缝组织与性能控制

2.铌（Nb）和钒（V）对焊缝性能的影响只有经过正火处理的焊缝，才能改善韧性和降低强度。在这种情况下才可以通过焊接材料向焊缝添加Nb或V。

3.钛（Ti）、硼（B）对焊缝韧性的影响低合金钢焊缝中有Ti、B存在可以大幅度地提高韧性。

4.钼（Mo）对焊缝韧性的影响