焊缝金属的结晶.ppt

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1、第三章 焊缝金属的结晶天津大学 王惜宝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 金属烧损严重 非自发形核小 3.运动状态下结晶（如运动状态下结晶（如图图3-2）二、熔池结晶的一般规律 1.形核 自发形核 所需能量：其中：新相-液相界面张力 Fv 单位体积内固液两相自由能之差 非自发形核 所需能量：=0 Ek=0 现成晶核 =180Ek=Ek 全自发形核 固-液界面张力差越小，越小，同时越小，故 Ek越小 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

2、的主要方式2.晶核生长 晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向 一致，位向有序 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 晶粒生长线速度分析图（如图3-8）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：cos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状 cos值的确定 厚大件：薄件：对Vc的讨论 =0时，Vc=V(最大处中心线）

3、=90时，Vc=0 即晶粒生长速度是变化的 V，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，不能用大的焊速四、熔池结晶的形态 1.分类 2.纯金属的结晶形态 正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）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.固溶体的结晶形态（如图3-16）温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高，液 相温度低 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.成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶（如图3-18）GT 胞状结晶（如图3-20）G与T少量相交 胞状树枝结晶（如图3-22）（Flash演示）G

4、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 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 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

5、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 五、焊缝的化学不均匀性 1.焊缝中的化学不均匀性 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 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 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 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）熔合区宽度 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

6、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

7、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2030 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 粒界F（高温转变900-700

8、）：为先共析F,由奥氏 体晶界析出向晶内生长，呈块状 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）针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥实体 内形成 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3.珠光体（P）转变 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 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 上贝氏体（B下）转变 形成温度：450-550 形态：羽毛状 形成机理 下贝氏体（B下

9、）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 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 5.马氏体(M)转变 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 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 单道焊缝变小，改善结晶条件 后

10、一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用 3.锤击 细化前一层的晶粒 降低后层焊缝熔合线形核晶粒 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.气孔的类型及形成原因 类型：表面气孔、内部气孔 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 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 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 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

11、/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+CCO+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（二）气孔形成机理 1.气孔形成条件 液体中有过饱和气体存在 非自发形

12、核，质点较多（在枝晶间凹陷处，未熔晶粒表面，界面等）结晶速度大于气泡上浮速度 2.形核 纯金属中气泡形核的可能性极小 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 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3.长大 长大的条件：ph（内压）p0（外压）p0 pa+pc=1+2/r pa大气压 pc表面张力所构成的附加压力 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4.上浮 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：当 90时，有利于气

13、泡的逸出，而 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 2.g和 1.2，以及增大 1.g都可以有利 于气泡快速逸出。因为可以减小值当结晶速度较小时，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）气泡浮出的速度 气泡的半径越大，熔池中液体金属的密度越大，粘度越小时，则气泡的上浮速度也就越大，焊缝中就不易产生气孔 （三）影响因素及防治措施 1.冶金方面 熔渣的氧化性 氧化性 CO气孔 还原性 H2气孔 一般焊缝中用CO乘积表示CO气孔倾向，在酸性焊条中，有时乘积大，但未见气孔，因为 O活度小；而碱性渣乘积小，O活度大，易出 现气孔 药皮成分 CaF2、SiO2、氧化物及碳酸盐都可脱H 铁锈、油污 特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2(H2O)气孔都 比较敏感二、夹杂 1.氧化物夹杂 （以SiO2为主的硅酸盐、MnO、TiO2、Al2O3）焊缝中易引起热裂纹 母材中易出现层状撕裂 2.氮化物夹杂 焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出）3.硫化物夹杂 加强脱S、脱O，控制焊材中的S、P量 注意工艺操作