焊接物理冶金_第三章 焊縫金屬

1、第三章第三章熔池凝固和焊縫固態(tài)相變?nèi)鄢啬毯秃缚p固態(tài)相變第四節(jié) 焊縫性能的控制第一節(jié) 熔池凝固第二節(jié) 焊縫固態(tài)相變第三節(jié) 焊縫中的氣孔和夾雜3熔池凝固過程的研究目的：熔池凝固過程的研究目的：熔池凝固過程對(duì)焊縫金屬的熔池凝固過程對(duì)焊縫金屬的組織、性能組織、性能具有重要影響。具有重要影響。焊接工程中，由于熔池焊接工程中，由于熔池 中的中的冶金條件和冷卻條件冶金條件和冷卻條件不同，可得到性能不同，可得到性能差異很大的差異很大的組織組織。同時(shí)有許多同時(shí)有許多缺陷缺陷是在熔池凝固的過程中產(chǎn)生的，如氣孔、夾雜、偏析是在熔池凝固的過程中產(chǎn)生的，如氣孔、夾雜、偏析和結(jié)晶裂紋等。和結(jié)晶裂紋等。另一方面，焊接過程

2、是處于另一方面，焊接過程是處于非平衡的熱力學(xué)條件非平衡的熱力學(xué)條件，因此熔池金屬在凝，因此熔池金屬在凝固過程中會(huì)產(chǎn)生許多固過程中會(huì)產(chǎn)生許多晶體缺陷晶體缺陷，如點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）、線缺，如點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）、線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷（界面）。這些缺陷的發(fā)展嚴(yán)重影響焊縫的金屬陷（位錯(cuò)）和面缺陷（界面）。這些缺陷的發(fā)展嚴(yán)重影響焊縫的金屬的性能。的性能。熔焊時(shí)，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟拢覆膶l(fā)熔焊時(shí)，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，母材將發(fā)生局部熔化，并與熔化了焊絲金屬攪拌混生局部熔化，并與熔化了焊絲金屬攪拌混合而形成合而形成焊接熔池焊接熔池（Weld Pool）。）。與此同時(shí)，進(jìn)行了短暫而復(fù)雜的與此同時(shí)，

3、進(jìn)行了短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)冶金反應(yīng)。當(dāng)焊接熱源離開以后，熔池金屬便開始當(dāng)焊接熱源離開以后，熔池金屬便開始凝凝固固（結(jié)晶），如圖（結(jié)晶），如圖3-1。第一節(jié)第一節(jié) 熔池凝固熔池凝固一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)一、熔池的凝固條件和特點(diǎn) 焊接熔池與鑄鋼錠的凝固過程基本相同，其結(jié)晶過程也是晶核生成焊接熔池與鑄鋼錠的凝固過程基本相同，其結(jié)晶過程也是晶核生成和晶核長大的過程。但凝固又有其特殊性。和晶核長大的過程。但凝固又有其特殊性。1.熔池的體積?。ㄈ鄢氐捏w積小（30cm3,100g）、冷卻速度大（）、冷卻速度大（4-100度度/s） 含碳高、合金元素較多的鋼種，含碳高、合金元素較多的鋼種， 容易產(chǎn)生容易產(chǎn)生

4、淬硬組織淬硬組織，甚至焊道上產(chǎn)生裂紋，甚至焊道上產(chǎn)生裂紋 熔池中心和邊緣有較大的溫度梯度，致使焊縫中柱狀晶得到很大熔池中心和邊緣有較大的溫度梯度，致使焊縫中柱狀晶得到很大發(fā)展，一般情況下沒有等軸晶，只有在焊縫斷面的上部有少量的發(fā)展，一般情況下沒有等軸晶，只有在焊縫斷面的上部有少量的等軸晶（電渣焊除外）。等軸晶（電渣焊除外）。2.熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài) 熔池溫度熔池溫度1770度，熔滴度，熔滴2300度，鋼錠度，鋼錠1550度度 合金元素的燒損比較嚴(yán)重，使熔池合金元素的燒損比較嚴(yán)重，使熔池 中非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)大為減少（柱狀晶的形成原因之一）。中非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)大

5、為減少（柱狀晶的形成原因之一）。4 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶 熔池壁相當(dāng)于鑄型壁，熔池熔池壁相當(dāng)于鑄型壁，熔池內(nèi)金屬和熔池壁局部熔化的母材在凝固內(nèi)金屬和熔池壁局部熔化的母材在凝固過程中長成共同晶粒（體）。熔池壁作過程中長成共同晶粒（體）。熔池壁作為非自發(fā)形核的基底。為非自發(fā)形核的基底。 3.熔池是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶熔池是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶（如圖（如圖3-2）熔池以等速隨熱源移動(dòng)，熔化和凝熔池以等速隨熱源移動(dòng)，熔化和凝固同時(shí)進(jìn)行。氣體吹力，焊條擺動(dòng)、固同時(shí)進(jìn)行。氣體吹力，焊條擺動(dòng)、內(nèi)部氣體逸出等產(chǎn)生攪拌作用，利內(nèi)部氣體逸出等產(chǎn)生攪拌作用，利于排除氣體和夾雜，有利于得到致于排除氣體和夾雜，有利于得到致密而性能

6、好的焊縫。密而性能好的焊縫。6二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。生核熱力學(xué)條件是過冷度而造成的自由能降低；生核的動(dòng)力學(xué)條件是自由能降低的程度。 1.熔池中晶核的形成熔池中晶核的形成 晶核有兩種，自發(fā)形核和非自發(fā)形核，形成兩種晶核都需晶核有兩種，自發(fā)形核和非自發(fā)形核，形成兩種晶核都需要能量。要能量。自發(fā)形核所需能量：自發(fā)形核所需能量：其中：其中：新相新相-液相的界面張力液相的界面張力 Fv單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差非自發(fā)形核所需能量：非自發(fā)形核所需

7、能量： =0 Ek =0 液相中有大量的懸浮質(zhì)點(diǎn)和現(xiàn)成表面。液相中有大量的懸浮質(zhì)點(diǎn)和現(xiàn)成表面。 =180Ek =Ek全自發(fā)形核，不存在非自發(fā)晶核的現(xiàn)成表面。全自發(fā)形核，不存在非自發(fā)晶核的現(xiàn)成表面。 = 0 180時(shí)，時(shí)，Ek / Ek=01，說明在液相中有現(xiàn)成表面存在時(shí)，將會(huì)，說明在液相中有現(xiàn)成表面存在時(shí)，將會(huì)降低形成臨界晶核所需的能量。降低形成臨界晶核所需的能量。23316vkFE)4cos3cos32(3kkEE 角的大小決定于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力。角的大小決定于新相晶核與現(xiàn)成表面之間的表面張力。如果新核與液相中的原有表面固體粒子的晶體結(jié)構(gòu)越相似如果新核與液相中的原有表面固體粒

8、子的晶體結(jié)構(gòu)越相似（即點(diǎn)陣類型與晶格常數(shù)相似），則二者之間的表面張力（即點(diǎn)陣類型與晶格常數(shù)相似），則二者之間的表面張力越小，越小， 角也越小，那么自發(fā)非自發(fā)晶核的能量也越小。角也越小，那么自發(fā)非自發(fā)晶核的能量也越小。 因此，對(duì)于焊接熔池來講，非自發(fā)晶核起了主要作用。因此，對(duì)于焊接熔池來講，非自發(fā)晶核起了主要作用。熔池中的現(xiàn)成表面熔池中的現(xiàn)成表面 合金元素或雜質(zhì)的合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)懸浮質(zhì)點(diǎn)（在一般情況下所起作用不大）（在一般情況下所起作用不大） 熔合區(qū)附近加熱到熔合區(qū)附近加熱到半熔化半熔化狀態(tài)的基體金屬晶粒表面，非自發(fā)晶核狀態(tài)的基體金屬晶粒表面，非自發(fā)晶核就依附在這個(gè)表面上，并以柱狀晶的形

9、態(tài)向焊縫中心成長，形成就依附在這個(gè)表面上，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形成所謂所謂交互結(jié)晶交互結(jié)晶（或稱（或稱聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶），如圖），如圖3-4、3-5所示。所示。 焊接時(shí)，為改善焊縫金屬的性能，通過焊接材料加入一定量的合焊接時(shí)，為改善焊縫金屬的性能，通過焊接材料加入一定量的合金元素（如金元素（如鉬、釩、鈦、鈮鉬、釩、鈦、鈮等），可以作為熔池等），可以作為熔池中非自發(fā)形核的中非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，從而使焊縫金屬，從而使焊縫金屬晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化。2.熔池中的晶核長大熔池中的晶核長大 熔池中晶核形成之后，就以這些新生的晶核為核心，不斷熔池中晶核形成之后，就以這些新生的晶核為核心，不斷向焊縫

10、中心成長。熔合區(qū)附近母材晶粒作為現(xiàn)成表面向焊向焊縫中心成長。熔合區(qū)附近母材晶粒作為現(xiàn)成表面向焊縫中成長起了主要作用。即熔池金屬開始結(jié)晶時(shí)總是從靠縫中成長起了主要作用。即熔池金屬開始結(jié)晶時(shí)總是從靠近熔合線的母材上聯(lián)生長大起來。近熔合線的母材上聯(lián)生長大起來。 但是，長大的趨勢(shì)各不相同，有的柱狀晶體嚴(yán)重長大，一但是，長大的趨勢(shì)各不相同，有的柱狀晶體嚴(yán)重長大，一直可以成長到焊縫中心，有的晶體卻只成長到半途而停止。直可以成長到焊縫中心，有的晶體卻只成長到半途而停止。 晶粒由為數(shù)眾多的晶粒由為數(shù)眾多的晶胞晶胞組成，在一個(gè)晶粒內(nèi)部這些晶胞具組成，在一個(gè)晶粒內(nèi)部這些晶胞具有相同的方位，稱為有相同的方位，稱為“

11、位向位向”。不同的晶粒具有不同的位。不同的晶粒具有不同的位向，稱為向，稱為各向異性各向異性。因此，在某一個(gè)方向上的晶粒就最易。因此，在某一個(gè)方向上的晶粒就最易長大。此外，長大。此外，散熱的方向散熱的方向?qū)Я５拈L大也有很大的影響。對(duì)晶粒的長大也有很大的影響。 當(dāng)晶體的最易長大方向與最大溫度梯度方向（最快散熱方當(dāng)晶體的最易長大方向與最大溫度梯度方向（最快散熱方向）相一致時(shí)，可優(yōu)先成長，可一直長至熔池的中心，形向）相一致時(shí)，可優(yōu)先成長，可一直長至熔池的中心，形成粗大的柱狀晶體。成粗大的柱狀晶體。 有的晶體由于取向不利于成長，與散熱最快的方向又不一有的晶體由于取向不利于成長，與散熱最快的方向又不一致

12、，這時(shí)晶粒的成長就停止下來。致，這時(shí)晶粒的成長就停止下來。 以上稱之為焊縫中柱狀晶體的選擇長大，如圖以上稱之為焊縫中柱狀晶體的選擇長大，如圖3-6。三、熔池結(jié)晶的線速度三、熔池結(jié)晶的線速度熔池的熔池的結(jié)晶方向和結(jié)晶速度結(jié)晶方向和結(jié)晶速度對(duì)焊對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，特別是對(duì)接質(zhì)量有很大的影響，特別是對(duì)裂紋、夾雜、氣孔裂紋、夾雜、氣孔等缺陷的形成等缺陷的形成影響更大。影響更大。焊接熔池的外形為橢球狀的曲面，焊接熔池的外形為橢球狀的曲面，即結(jié)晶的即結(jié)晶的等溫面等溫面，熔池的散熱方，熔池的散熱方向是垂直于結(jié)晶等溫面的，因此，向是垂直于結(jié)晶等溫面的，因此，晶粒的成長方向也是垂直于結(jié)晶晶粒的成長方向也是垂

13、直于結(jié)晶等溫面的。等溫面的。由于結(jié)晶等溫面是曲面，因此晶由于結(jié)晶等溫面是曲面，因此晶粒成長的主軸必然是彎曲的。粒成長的主軸必然是彎曲的。如圖如圖3-7所示，晶粒主軸的成長方所示，晶粒主軸的成長方向與結(jié)晶等溫面正交，并且以彎向與結(jié)晶等溫面正交，并且以彎曲的形狀向焊縫中心成長。曲的形狀向焊縫中心成長。任一個(gè)晶粒主軸，在任一個(gè)晶粒主軸，在任一點(diǎn)任一點(diǎn)A的成長方向是的成長方向是A點(diǎn)的切線點(diǎn)的切線(S-S線線),與與X軸夾角為軸夾角為，如果結(jié)晶等溫面在，如果結(jié)晶等溫面在dt時(shí)間內(nèi)，沿時(shí)間內(nèi)，沿X軸移動(dòng)了軸移動(dòng)了dx，此時(shí)，此時(shí)結(jié)結(jié)晶面從晶面從A移到移到B，同時(shí)晶粒主軸由，同時(shí)晶粒主軸由A成長到成長到C。

14、當(dāng)。當(dāng)dx很小時(shí)，可把很小時(shí)，可把AC弧看作是弧看作是AC直線，認(rèn)為直線，認(rèn)為ACB是直角三角形。是直角三角形。令令A(yù)C弧弧=ds， 則則ds=dxcos， ds/dt=dx/dtcos, Vs=VcosVs-晶粒成長平均線速度；晶粒成長平均線速度；V-焊接速度；焊接速度；cos取決于焊接規(guī)范和材料取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀。的熱物理性質(zhì)及形狀。晶粒成長的平均線速度，決定于晶粒成長的平均線速度，決定于cos值值. Vc=Vcos對(duì)于厚大件對(duì)于厚大件1 晶粒成長的平均線速度是變晶粒成長的平均線速度是變化的化的 當(dāng)當(dāng)Y=OB時(shí)，時(shí)，Ky=1，cos=0，=90，Vc=0，Y=0時(shí)，時(shí)，

15、cos=1，=0，Vc=VY=OB0時(shí)時(shí),=900，Vc=0V，晶，晶粒成長方向和線速度都是變化，粒成長方向和線速度都是變化，熔熔合線上最小，在焊縫中心最大，為合線上最小，在焊縫中心最大，為焊速。焊速。2 焊接工藝參數(shù)對(duì)晶粒成長方焊接工藝參數(shù)對(duì)晶粒成長方向及平均線速度均有影響向及平均線速度均有影響 焊速越大時(shí)，焊速越大時(shí)， 角越大，晶粒主軸角越大，晶粒主軸成長方向越垂直于焊縫的中心線成長方向越垂直于焊縫的中心線（圖（圖3-10a）；）；焊速越小時(shí)，晶粒主焊速越小時(shí)，晶粒主軸的成長方向越彎曲軸的成長方向越彎曲（圖（圖3-10b） 。薄板薄板厚板厚板2/ 1222211coszyzyMKKKKTa

16、qvA2/ 122211cosyyMKKTqA 晶粒成長的線速度圍繞平均線速度作波浪晶粒成長的線速度圍繞平均線速度作波浪式變化，而且波浪起伏的振幅越來越小，式變化，而且波浪起伏的振幅越來越小，最后趨向平均線速度。最后趨向平均線速度。 晶核的長大也需要能量，由兩部分組成，晶核的長大也需要能量，由兩部分組成，一是體積長大而使自由能下降，二是長大一是體積長大而使自由能下降，二是長大產(chǎn)生的新固相表面使體系自由能增高。產(chǎn)生的新固相表面使體系自由能增高。（一）純金屬結(jié)晶形態(tài)（一）純金屬結(jié)晶形態(tài)1 正溫度梯度正溫度梯度 G0。液體金屬的溫度高，過冷度小或?yàn)樨?fù)，伸入液液體金屬的溫度高，過冷度小或?yàn)樨?fù)，伸入液體

17、金屬內(nèi)部的晶體成長緩慢，形成平滑的晶界。體金屬內(nèi)部的晶體成長緩慢，形成平滑的晶界。2 負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度 G0時(shí)的溫度分布b)G0時(shí)的界面結(jié)晶形態(tài)d)G G 實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T T，無，無成分過冷，平面晶，高純度的金屬成分過冷，平面晶，高純度的金屬 G G與與T T少量相交，具有較小的成分過冷少量相交，具有較小的成分過冷 G G與與T T相交較大，具有較大的成分過冷區(qū)相交較大，具有較大的成分過冷區(qū)域晶粒主軸快速伸向液相內(nèi)部，橫向排溶質(zhì)，域晶粒主軸快速伸向液相內(nèi)部，橫向排溶質(zhì)，故橫向也出現(xiàn)分枝。故橫向也出現(xiàn)分枝。 當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，即溫度梯度當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，即溫度梯度G G與

18、與實(shí)際結(jié)晶溫度相交的面積很大時(shí)，形成明顯的實(shí)際結(jié)晶溫度相交的面積很大時(shí)，形成明顯的樹枝晶。樹枝晶。 當(dāng)液相的溫度梯度當(dāng)液相的溫度梯度G很小，能在液相中形成很小，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，不僅在結(jié)晶前沿生成樹枝很寬的成分過冷區(qū)，不僅在結(jié)晶前沿生成樹枝晶，同時(shí)液相的內(nèi)部也形成樹枝晶晶，同時(shí)液相的內(nèi)部也形成樹枝晶等軸晶等軸晶綜合（如圖綜合（如圖3-28）結(jié)晶形態(tài)的不同，主要決定于結(jié)晶形態(tài)的不同，主要決定于合金中溶質(zhì)合金中溶質(zhì)的濃度（雜質(zhì)）的濃度（雜質(zhì)）C0、結(jié)晶速度（或晶粒長、結(jié)晶速度（或晶粒長大速度）大速度）R和液相的溫度梯度的綜合作用和液相的溫度梯度的綜合作用。 當(dāng)結(jié)晶速度當(dāng)結(jié)晶速度R和溫

19、度梯度和溫度梯度G不變時(shí)，隨合不變時(shí)，隨合金中金中溶質(zhì)濃度的提高溶質(zhì)濃度的提高，則成分過冷增加，則成分過冷增加，從而使結(jié)晶形態(tài)由平面晶變?yōu)榘麪罹А亩菇Y(jié)晶形態(tài)由平面晶變?yōu)榘麪罹?、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶 當(dāng)合金中溶質(zhì)的濃度當(dāng)合金中溶質(zhì)的濃度C0和溫度梯度一定和溫度梯度一定時(shí)，時(shí)，結(jié)晶速度結(jié)晶速度R越快越快，成分過冷的程度，成分過冷的程度越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面晶過渡到胞越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面晶過渡到胞狀晶、樹枝狀晶，最后到等軸晶狀晶、樹枝狀晶，最后到等軸晶 當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度C0和結(jié)晶速度和結(jié)晶速度R一定一定時(shí)，隨時(shí)，隨液相溫度梯度

20、的提高液相溫度梯度的提高，成分過冷，成分過冷的程度減小，因而結(jié)晶形態(tài)的演變方向的程度減小，因而結(jié)晶形態(tài)的演變方向恰好相反，由等軸晶、樹枝晶逐步演變恰好相反，由等軸晶、樹枝晶逐步演變到平面晶到平面晶0001kDkCmRGLLL (四四)焊接條件下的凝固焊接條件下的凝固(結(jié)晶結(jié)晶)形態(tài)形態(tài)熔化邊界熔化邊界，由于溫度梯度，由于溫度梯度G較大，結(jié)晶速度較大，結(jié)晶速度R又較小，成分過冷接又較小，成分過冷接近于零，所以近于零，所以平面晶得到發(fā)展平面晶得到發(fā)展。隨著遠(yuǎn)離熔化邊界向焊縫中心過渡時(shí)，溫度梯度隨著遠(yuǎn)離熔化邊界向焊縫中心過渡時(shí)，溫度梯度G逐漸變小，而結(jié)逐漸變小，而結(jié)晶速度逐漸增大，所以結(jié)晶形態(tài)將由平

21、面晶向胞狀晶、樹枝胞狀晶晶速度逐漸增大，所以結(jié)晶形態(tài)將由平面晶向胞狀晶、樹枝胞狀晶(柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū))，一直到等軸晶發(fā)展。，一直到等軸晶發(fā)展。 化學(xué)成分，板厚和接頭型式不同化學(xué)成分，板厚和接頭型式不同,不一定具有上述全部結(jié)晶形態(tài)。不一定具有上述全部結(jié)晶形態(tài)。1 化學(xué)成分化學(xué)成分 99.99%鋁焊縫中，鋁焊縫中，在熔合線附近為平面晶，焊縫在熔合線附近為平面晶，焊縫中心為胞狀晶；中心為胞狀晶； 99.6鋁焊縫鋁焊縫就出現(xiàn)胞狀樹枝晶，焊縫中心就出現(xiàn)胞狀樹枝晶，焊縫中心可出現(xiàn)等軸晶。可出現(xiàn)等軸晶。2 焊接速度的影響焊接速度的影響 快速焊接時(shí)，快速焊接時(shí)，焊縫中心出現(xiàn)等軸晶；低速焊焊縫中心出現(xiàn)等軸晶；低

22、速焊接時(shí)，熔合線附近出現(xiàn)胞狀樹接時(shí)，熔合線附近出現(xiàn)胞狀樹枝晶，焊縫中心為較細(xì)胞狀樹枝晶，焊縫中心為較細(xì)胞狀樹枝晶。枝晶。3 焊接電流的影響電流小焊接電流的影響電流小(150A)，得到胞狀組織；，得到胞狀組織； (300A)，胞狀樹枝晶，胞狀樹枝晶， (450A)，更粗大胞狀樹枝晶。更粗大胞狀樹枝晶。影響熔池結(jié)晶形態(tài)的因素影響熔池結(jié)晶形態(tài)的因素Cellular growth of Zn-rich ZnAg alloys processed by rapid solidificationFigure 1. A schematic diagram showing the interaction be

23、tween the heat source and the base metal. Three distinct regions in the weldment are the fusion zone, the heat-affected zone, and the base metal. Figure 2. The calculated fluid-flow pattern in a stainless-steel stationary arc weld pool 25 s after the initiation of the arc. Welding-Solidification and

24、 Microstructure Figure 3. A scanning-electron micrograph showing the development of dendrites in a nickel-based superalloy single-crystal weldFigure 4. An optical micrograph shows the change in dendrite morphology from cellular to dendritic as the growth velocity increases toward the center of spot

25、weld (from bottom to top) after the spot weld arc is extinguishedFigure 5. Epitaxial and columnar growth near the fusion line in an iridium alloy electron-beam weld. The figure also shows the grain-growth selection process of the grains from the fusion line. plane front will be stable planar instabi

26、lity will occur Figure 6. (a) An Fe-15Cr-15Ni single-crystal electron-beam weld made along 100 direction on (001) plane, and (b) the calculated dendritic growth pattern for a similar weld orientation in (a). Figure 7. An optical micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal n

27、ickel-based superalloy showing the formation of stray grains at the center of the weld. 33 焊條電弧焊接凝固組織焊條電弧焊接凝固組織Q235、14MnMoNbB鋼鋼34 埋弧焊接凝固組織埋弧焊接凝固組織Q235A鋼鋼五、焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性五、焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性(一一)焊縫中的化學(xué)不均勻性焊縫中的化學(xué)不均勻性 焊縫金屬在結(jié)晶進(jìn)程中來不及擴(kuò)散焊縫金屬在結(jié)晶進(jìn)程中來不及擴(kuò)散而存在化學(xué)成分不均勻性。焊縫中偏析有以下三種。而存在化學(xué)成分不均勻性。焊縫中偏析有以下三種。1 顯微偏析顯微偏析先結(jié)晶的先結(jié)

28、晶的合金溶質(zhì)濃度合金溶質(zhì)濃度C0低，后結(jié)晶的合金溶質(zhì)濃度低，后結(jié)晶的合金溶質(zhì)濃度C0高，高，即晶粒中心即晶粒中心C0高，邊緣低高，邊緣低原因：原因：冷卻速度快冷卻速度快，來不及均勻化，來不及均勻化要求要求細(xì)晶化細(xì)晶化，降低偏析，降低偏析2 區(qū)域偏析區(qū)域偏析 焊縫結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶體繼續(xù)長大和推移，此時(shí)焊縫結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶體繼續(xù)長大和推移，此時(shí)會(huì)把溶質(zhì)或雜質(zhì)會(huì)把溶質(zhì)或雜質(zhì)“趕趕”向溶池的中心，在最后凝固的部位產(chǎn)向溶池的中心，在最后凝固的部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。3 層狀偏析層狀偏析 由于結(jié)晶過程放出結(jié)晶潛熱和熔滴過渡時(shí)熱能輸入由于結(jié)晶過程放出結(jié)晶潛熱和熔滴過渡時(shí)熱能輸入周期

29、性變化，致使凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的周期性變化，致使凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的變化。產(chǎn)生層狀偏析的原因是由于熱的周期性作用而引起的。變化。產(chǎn)生層狀偏析的原因是由于熱的周期性作用而引起的。晶軸上含有熔點(diǎn)較高的成分，熔點(diǎn)較低的成分則集中在枝晶枝干與枝干間的孔隙以及柱狀枝晶的晶粒邊界，稱枝晶偏析。38層狀偏析層狀偏析特征 由于化學(xué)成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕之后，可以看到顏色深淺不同的分層結(jié)構(gòu)形態(tài)稱為結(jié)晶層。 (1)晶粒主軸與層狀線垂直, 越先靠近熔合線處越清析，遠(yuǎn)離熔合線不清晰，線距越寬。 (2)層狀線與熔合線輪廓相似，但層與層的間距并不相等。(3)層狀線的存

30、在，一般相溶質(zhì)(特別是硫)的不均勻分布有重要關(guān)系?？蓪⒚恳粋€(gè)結(jié)晶層大體區(qū)分為三個(gè)小區(qū)域： 初始區(qū) 溶質(zhì)富集區(qū)，即溶質(zhì)成分高于平均濃度的區(qū)域。在侵蝕照片上呈最暗黑的顏色。 中間區(qū) 為平均濃度區(qū)，是結(jié)晶層中最寬的一段其特征為溶質(zhì)成分均勻，顏色稍暗。 結(jié)尾區(qū) 為溶質(zhì)貧化區(qū)，即溶質(zhì)成分低于平均濃度的區(qū)域，顏色最為淺淡。（）層狀線不是連續(xù)的，是間斷的鏈狀偏析帶。 危害：層狀偏析不僅造成焊縫力學(xué)性能不均勻性，還可沿層狀線形成裂紋或氣孔。（二）熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻性（二）熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻性 熔合區(qū)是整個(gè)焊接接頭中一個(gè)薄弱地帶，許多焊接結(jié)構(gòu)的失效常常是熔合區(qū)是整個(gè)焊接接頭中一個(gè)薄弱地帶，許多焊接結(jié)構(gòu)的

31、失效常常是由熔合區(qū)的某些缺陷而引起的。如冷裂紋、再熱裂紋和脆性相等常起由熔合區(qū)的某些缺陷而引起的。如冷裂紋、再熱裂紋和脆性相等常起源于熔合區(qū)。源于熔合區(qū)。熔合區(qū)的形成熔合區(qū)的形成 熱能的傳播極不均勻；熱能的傳播極不均勻； 晶粒導(dǎo)熱方向不同，熔化程度不同。晶粒導(dǎo)熱方向不同，熔化程度不同。 所以母材與焊縫交界的地方不是一條線，而是一個(gè)區(qū)。所以母材與焊縫交界的地方不是一條線，而是一個(gè)區(qū)。熔合區(qū)寬度（熔合區(qū)寬度（P131）度（被焊金屬的固相線溫）度（被焊金屬的液相線溫）溫度梯度（）熔合區(qū)的寬度（CTCT/CYTmm)(SLmmAYTTTASL)(5 . 0133. 08030040/mmYTTTASL

32、碳鋼、低合金鋼熔合區(qū)的寬度碳鋼、低合金鋼熔合區(qū)的寬度（三）（三） 熔合區(qū)的成分分布熔合區(qū)的成分分布 熔合區(qū)存在著嚴(yán)重的化學(xué)不均勻性，成為焊接接頭中一個(gè)薄熔合區(qū)存在著嚴(yán)重的化學(xué)不均勻性，成為焊接接頭中一個(gè)薄弱的地帶。弱的地帶。 界面附近溶質(zhì)濃度的波動(dòng)較大界面附近溶質(zhì)濃度的波動(dòng)較大(實(shí)線是表示固液共存時(shí)的溶質(zhì)實(shí)線是表示固液共存時(shí)的溶質(zhì)濃度的變化，虛線表示凝固后的溶質(zhì)濃度變化濃度的變化，虛線表示凝固后的溶質(zhì)濃度變化)。 界面雜質(zhì)（界面雜質(zhì)（S，右圖）濃度分布也不均勻。，右圖）濃度分布也不均勻。 物理不均勻性物理不均勻性界面溶質(zhì)濃度分布界面溶質(zhì)濃度分布熔合區(qū)熔合區(qū)S濃度分布濃度分布第二節(jié)第二節(jié) 焊縫金

33、屬的一次結(jié)晶組織焊縫金屬的一次結(jié)晶組織一、焊接條件下的凝固結(jié)晶形態(tài)一、焊接條件下的凝固結(jié)晶形態(tài)1.理論上理論上 熔合線處：熔合線處：G最大、最大、R最小最小平面晶平面晶 焊縫中心處：焊縫中心處：G最小、最小、R最大最大等軸晶等軸晶2.實(shí)際上實(shí)際上（不一定全部形態(tài)都出現(xiàn)，與許多因素有關(guān)）（不一定全部形態(tài)都出現(xiàn)，與許多因素有關(guān)） 成分成分：溶質(zhì)濃度：溶質(zhì)濃度C0對(duì)成分過冷的影響對(duì)成分過冷的影響 板厚和接頭形式：影響溫度梯度板厚和接頭形式：影響溫度梯度 焊接速度焊接速度 VR,熔合線處熔合線處G,焊縫中心處焊縫中心處G出現(xiàn)出現(xiàn)大量等大量等軸晶軸晶（否則出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶）（否則出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶）

34、焊接電流焊接電流 IG,胞狀晶胞狀晶粗大胞狀樹枝狀晶粗大胞狀樹枝狀晶4445 鎢極氬弧焊接凝固組織鎢極氬弧焊接凝固組織純度為純度為99.99%的鋁焊縫的鋁焊縫-a）：）：平面晶平面晶-胞狀晶胞狀晶純度為純度為99.6%的鋁焊縫的鋁焊縫-b）、）、c）：）：胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶-等軸晶等軸晶焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響p焊接速度的影響焊接速度的影響 VR成分過冷成分過冷等軸晶等軸晶胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響焊接電流焊接電流 IG成分過冷成分過冷粗胞狀樹粗胞狀樹枝晶枝晶胞狀晶胞狀晶胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶二、

35、凝固組織形態(tài)對(duì)性能的影響二、凝固組織形態(tài)對(duì)性能的影響 生成生成粗大的樹枝狀晶粗大的樹枝狀晶，韌性降低，對(duì)氣孔、夾，韌性降低，對(duì)氣孔、夾雜、熱裂都有影響雜、熱裂都有影響 消除消除粗大的樹枝晶粗大的樹枝晶三、焊縫金屬的性能的改善措施三、焊縫金屬的性能的改善措施1.固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理 加入加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土、稀土Te等等2.振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)結(jié)晶 機(jī)械振動(dòng)、高頻超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)、高頻超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)3.焊接工藝焊接工藝 焊后熱處理、多層焊（層間回火）、錘擊、跟焊后熱處理、多層焊（層間回火）、錘擊、跟蹤回火等蹤回火等48第三節(jié)第三節(jié) 焊縫固態(tài)相變焊縫固

36、態(tài)相變 焊接熔池完全凝固后，隨連續(xù)冷卻過程進(jìn)行，焊縫金屬將發(fā)生組焊接熔池完全凝固后，隨連續(xù)冷卻過程進(jìn)行，焊縫金屬將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變織轉(zhuǎn)變(AF，P，B，M)。 焊縫金屬固態(tài)相變的機(jī)理焊縫金屬固態(tài)相變的機(jī)理: 形核、長大。形核、長大。 影響焊縫金屬固態(tài)相變的組織的因素影響焊縫金屬固態(tài)相變的組織的因素： 焊接材料（化學(xué)成分）焊接材料（化學(xué)成分） 不同焊接材料、母材金屬，使焊縫金屬的不同焊接材料、母材金屬，使焊縫金屬的固態(tài)相變組織發(fā)生變化。固態(tài)相變組織發(fā)生變化。 焊接方法和焊接工藝參數(shù)焊接方法和焊接工藝參數(shù) 采用不同焊接方法，因焊縫的凝固和相采用不同焊接方法，因焊縫的凝固和相變是在非平衡連續(xù)冷卻的條件下

37、進(jìn)行的。變是在非平衡連續(xù)冷卻的條件下進(jìn)行的。冷卻條件明顯地影響焊冷卻條件明顯地影響焊縫的固態(tài)相變?？p的固態(tài)相變。一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織轉(zhuǎn)變組織類型：轉(zhuǎn)變組織類型：AF+P 低碳鋼焊縫低碳鋼焊縫(如如E4303焊條焊接焊條焊接Q225鋼的焊縫鋼的焊縫)，由于碳含量較低，由于碳含量較低，主要采用錳、硅固溶強(qiáng)化。主要采用錳、硅固溶強(qiáng)化。 F通常沿原奧氏體邊界析出，焊縫中鐵素體組織晶粒較粗大，呈通常沿原奧氏體邊界析出，焊縫中鐵素體組織晶粒較粗大，呈柱狀晶，有時(shí)甚至具有柱狀晶，有時(shí)甚至具有魏氏組織魏氏組織(W)形態(tài)。形態(tài)。W的特征：的特征： (1) F在在A晶界呈網(wǎng)狀析

38、出；晶界呈網(wǎng)狀析出； （2）在）在A內(nèi)部沿一定的方向析出，形成長短不同的針狀或片條狀內(nèi)部沿一定的方向析出，形成長短不同的針狀或片條狀 （3）直接插入珠光體晶粒內(nèi)。）直接插入珠光體晶粒內(nèi)。影響因素：影響因素： (1)冷卻速度越大，焊縫冷卻速度越大，焊縫P越多，組織細(xì)化、硬度升高；越多，組織細(xì)化、硬度升高； (2)焊縫過熱度越大，促進(jìn)魏氏組織的形成；焊縫過熱度越大，促進(jìn)魏氏組織的形成； (3)多層焊或熱處理的焊縫，其組織為細(xì)小的鐵素體和少量的珠光多層焊或熱處理的焊縫，其組織為細(xì)小的鐵素體和少量的珠光體，并使焊縫的柱狀晶遭到破壞。體，并使焊縫的柱狀晶遭到破壞。低碳鋼焊縫冷卻速度對(duì)組織的影響低碳鋼焊縫

39、冷卻速度對(duì)組織的影響冷卻速度冷卻速度(/s)焊縫組織（焊縫組織（%）焊縫硬度焊縫硬度HV鐵素體鐵素體珠光體珠光體18218165579211671065351853561391955040602051003862228相同化學(xué)成分焊縫金屬，冷卻速度越大，焊縫金屬中珠光體越多，相同化學(xué)成分焊縫金屬，冷卻速度越大，焊縫金屬中珠光體越多，而且組織細(xì)化，硬度增高。而且組織細(xì)化，硬度增高。熱處理對(duì)組織和性能的影響熱處理對(duì)組織和性能的影響在在900以上短時(shí)間加熱，可使柱狀組織消失。以上短時(shí)間加熱，可使柱狀組織消失。低碳鋼單層焊縫受不同溫度的再加熱時(shí)，使柱狀晶的細(xì)化程度不同，低碳鋼單層焊縫受不同溫度的再加熱

40、時(shí)，使柱狀晶的細(xì)化程度不同，因而具有不同的沖擊韌性。因而具有不同的沖擊韌性。900附近的再加熱效果最好附近的再加熱效果最好，超過，超過1100時(shí)則發(fā)生晶粒粗化，而在時(shí)則發(fā)生晶粒粗化，而在500600加熱時(shí)，由于焊縫金加熱時(shí)，由于焊縫金屬中的碳、氮元素發(fā)生時(shí)效而使沖擊韌度下降。屬中的碳、氮元素發(fā)生時(shí)效而使沖擊韌度下降。 圖圖3-42 柱狀晶消失臨界溫度柱狀晶消失臨界溫度 圖圖3-43 單層焊縫再加熱時(shí)單層焊縫再加熱時(shí)k變化變化魏氏組織 與低碳鋼焊縫金屬組織比較：與低碳鋼焊縫金屬組織比較：(1)合金元素多合金元素多 除碳、錳、硅固溶強(qiáng)化外，還采取其他合金元素；除碳、錳、硅固溶強(qiáng)化外，還采取其他合金

41、元素； 強(qiáng)化方式強(qiáng)化方式 通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀硬化；通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀硬化； 出現(xiàn)不同的組織出現(xiàn)不同的組織：鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體相變。鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體相變。(2)低合金鋼焊縫中某些相變?cè)谝欢l件下將被抑制（如珠光體）。低合金鋼焊縫中某些相變?cè)谝欢l件下將被抑制（如珠光體）。(3)低合金鋼焊縫中的低合金鋼焊縫中的F、P，與低碳鋼焊縫中的，與低碳鋼焊縫中的F、P雖然在組織結(jié)構(gòu)雖然在組織結(jié)構(gòu)上相同，但形態(tài)上有很大的差別，因此也會(huì)反映出不同的性能。上相同，但形態(tài)上有很大的差別，因此也會(huì)反映出不同的性能。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組

42、織鐵鐵素素體體珠珠光光體體貝貝氏氏體體馬馬氏氏體體高溫高溫A冷卻速度變化不同溫度區(qū)間PF（先共析鐵素體）（先共析鐵素體）FSP（側(cè)板鐵素體）（側(cè)板鐵素體）AF（針狀鐵素體）（針狀鐵素體）FGF（細(xì)晶鐵素體）（細(xì)晶鐵素體）層狀珠光體層狀珠光體粒狀珠光體（屈氏體）粒狀珠光體（屈氏體）細(xì)珠光體（索氏體）細(xì)珠光體（索氏體）上貝氏體上貝氏體(Bu)下貝氏體下貝氏體(BL)M-A組元組元板條板條M片狀片狀M(一一)鐵素體轉(zhuǎn)變鐵素體轉(zhuǎn)變 低合金鋼焊縫中鐵素體大體分為四類：低合金鋼焊縫中鐵素體大體分為四類：1 先共析鐵素體先共析鐵素體(簡稱簡稱PF) 焊縫冷卻到焊縫冷卻到 770680，由，由A A晶界首先析

43、晶界首先析出，出，稱粒界稱粒界F F (簡稱簡稱GBF)。高溫停留時(shí)間較長，冷卻的較慢，。高溫停留時(shí)間較長，冷卻的較慢，PF較多。較多。PF呈細(xì)條狀分布在呈細(xì)條狀分布在A A晶界，有時(shí)也呈塊狀。晶界，有時(shí)也呈塊狀。 2 側(cè)板條鐵素體側(cè)板條鐵素體(簡稱簡稱FSP) 形成溫度形成溫度700550，從，從A A晶界晶界PF的側(cè)面的側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)成長，從形態(tài)上如鎬牙狀。轉(zhuǎn)變溫度偏低，以板條狀向晶內(nèi)成長，從形態(tài)上如鎬牙狀。轉(zhuǎn)變溫度偏低，P P受受到抑制，擴(kuò)大貝氏體的轉(zhuǎn)變領(lǐng)域，故有人把這種組織稱為無碳到抑制，擴(kuò)大貝氏體的轉(zhuǎn)變領(lǐng)域，故有人把這種組織稱為無碳B B。3 針狀鐵素體針狀鐵素體(簡稱簡稱AF)

44、 形成溫度約形成溫度約500，是在原始，是在原始A晶內(nèi)以針狀晶內(nèi)以針狀分布，常以某些質(zhì)點(diǎn)分布，常以某些質(zhì)點(diǎn)(氧化物彌散夾雜氧化物彌散夾雜)為核心放射性成長。為核心放射性成長。4 細(xì)晶鐵素體細(xì)晶鐵素體(簡稱簡稱FGF) 在在A晶粒內(nèi)形成，一般都有細(xì)化晶粒的元素晶粒內(nèi)形成，一般都有細(xì)化晶粒的元素(如如Ti、B等等)存在，在細(xì)晶之間有存在，在細(xì)晶之間有P和碳化物和碳化物(Fe3C)析出。析出。FGF是是介于鐵素體與貝氏體之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，介于鐵素體與貝氏體之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，故又稱貝氏鐵素體故又稱貝氏鐵素體。 FGF轉(zhuǎn)變溫度低于轉(zhuǎn)變溫度低于500，如果在更低的溫度轉(zhuǎn)變時(shí)，如果在更低的溫度轉(zhuǎn)變時(shí)(約約450

45、)，可轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w可轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w(Bu)。條狀條狀塊狀塊狀晶內(nèi)白色塊狀為晶內(nèi)白色塊狀為FGF59隨著合金化程度的隨著合金化程度的提高，提高，AFAF組織增多組織增多的同時(shí)，焊縫強(qiáng)度的同時(shí)，焊縫強(qiáng)度也隨之提高。也隨之提高。AFAF增增多，有利于多，有利于改善韌改善韌性性。(二二)珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變1 珠光體形成條件：珠光體形成條件：焊接條件是屬非平衡的介穩(wěn)狀態(tài)，所以低合金焊接條件是屬非平衡的介穩(wěn)狀態(tài)，所以低合金鋼焊縫的組織固態(tài)轉(zhuǎn)變很少能得到鋼焊縫的組織固態(tài)轉(zhuǎn)變很少能得到P，除非在很緩慢的冷卻條件除非在很緩慢的冷卻條件下下(預(yù)熱、緩冷和后熱等預(yù)熱、緩冷和后熱等)，才有少量，才有少量P組織存在

46、。組織存在。 焊接條件下，焊接條件下，P P轉(zhuǎn)變將受到抑制，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)變將受到抑制，擴(kuò)大了F F和和B B轉(zhuǎn)變的領(lǐng)域。轉(zhuǎn)變的領(lǐng)域。 當(dāng)焊縫中含有硼、鈦等細(xì)化晶粒的元素，當(dāng)焊縫中含有硼、鈦等細(xì)化晶粒的元素，P P轉(zhuǎn)變可全部被抑制。轉(zhuǎn)變可全部被抑制。 圖圖3-48 含鈦及硼低合金鋼含鈦及硼低合金鋼焊縫金屬的焊縫金屬的CCT圖圖 (C=0.09，Ti=0.025, B=6ppm, O=0.034) 珠光體轉(zhuǎn)變Ar1-550 ， C、Fe原子擴(kuò)散比較容易。珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型相變。圖圖3- 49 焊縫的珠光體焊縫的珠光體(a)鐵素體鐵素體+珠光體珠光體400 b)屈氏體屈氏體150 c)索氏體索氏體150

47、2 2 珠光體形態(tài)珠光體形態(tài) P P是是F F和滲碳體的層狀混合物，領(lǐng)先和滲碳體的層狀混合物，領(lǐng)先相為相為Fe3C。隨隨轉(zhuǎn)變溫度的降低，珠光體的層狀轉(zhuǎn)變溫度的降低，珠光體的層狀結(jié)構(gòu)越來越薄而密。結(jié)構(gòu)越來越薄而密。P P又分為層狀又分為層狀P P、粒狀、粒狀P P（屈氏體），（屈氏體），及細(xì)及細(xì)P P（索氏體）。（索氏體）。P+F粒粒P+AF (三三)貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 貝氏體貝氏體(B)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 (550Ms)，碳能擴(kuò)散，合金元素不能擴(kuò)散。，碳能擴(kuò)散，合金元素不能擴(kuò)散。上貝氏體（上貝氏體（B上上）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 形成溫度：形成溫度：550450 形態(tài)：羽毛狀形態(tài)：羽毛狀 形成機(jī)理：擴(kuò)散形成機(jī)理：

48、擴(kuò)散下貝氏體（下貝氏體（B下下）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度：轉(zhuǎn)變溫度：450MS 形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體機(jī)械混合，針與針之間呈一定的形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體機(jī)械混合，針與針之間呈一定的角度角度 形成機(jī)理：擴(kuò)散形成機(jī)理：擴(kuò)散粒狀貝氏體（粒狀貝氏體（B粒粒） 形成溫度高于上貝氏體形成溫度高于上貝氏體 形態(tài)：無碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì)形態(tài)：無碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：F + Cm、M-A組織或殘余奧氏體組織或殘余奧氏體6364中溫轉(zhuǎn)變，中溫轉(zhuǎn)變， 550 Ms（1）上貝氏體）上貝氏體 (Upper Bainite， Bu)v溫度：溫度：550-450 ；v位置：沿奧氏體晶界析出位

49、置：沿奧氏體晶界析出v形態(tài)：呈羽毛狀，平行的條狀形態(tài)：呈羽毛狀，平行的條狀鐵素體之間分布有滲碳體鐵素體之間分布有滲碳體v性能特點(diǎn)：韌性較差（小條狀性能特點(diǎn)：韌性較差（小條狀Fe3C分割了基體的連續(xù)性）分割了基體的連續(xù)性）（2）下貝氏體）下貝氏體 （Lower Bainite ，BL）v溫度：溫度：450 -Msv形態(tài)：針狀鐵素體和形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體的機(jī)械混針狀滲碳體的機(jī)械混合物合物v性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性都較好性都較好（3）粒狀貝氏體）粒狀貝氏體 (Grain Bainite， BG) MA組元（組元（Constitution M-A) 在塊狀鐵素體形成之后，待轉(zhuǎn)變的

50、富碳奧氏體呈島狀分布在塊狀鐵素體形成之后，待轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體呈島狀分布在塊狀鐵素體之中，在一定的合金成分和冷卻速度下，這在塊狀鐵素體之中，在一定的合金成分和冷卻速度下，這些富碳的奧氏體島可轉(zhuǎn)變?yōu)楦惶捡R氏體和殘余奧氏體的混些富碳的奧氏體島可轉(zhuǎn)變?yōu)楦惶捡R氏體和殘余奧氏體的混合組織，合組織，稱為稱為M-A組元組元。富碳馬氏體和殘余奧氏體。富碳馬氏體和殘余奧氏體,硬度高。硬度高。 在塊狀鐵素體上的組元以粒狀分布時(shí)，即為在塊狀鐵素體上的組元以粒狀分布時(shí)，即為“粒狀粒狀貝氏體貝氏體”。M-A組元M-A組元組元在塊狀在塊狀F中以粒狀分布時(shí)，稱為粒狀中以粒狀分布時(shí)，稱為粒狀B（BG）在塊狀在塊狀F中以條狀分布

51、時(shí)，稱為條狀中以條狀分布時(shí)，稱為條狀B（Bl）粒狀粒狀B對(duì)韌性的影響對(duì)韌性的影響取決于富取決于富C的的A的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變A冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镸時(shí)，時(shí)，k降低降低A冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s轉(zhuǎn)變?yōu)镕+Fe3C及及Ar時(shí)，時(shí)， k升高升高(四四)馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)焊縫中含量較高或合金元素含量較多時(shí)，在快冷條件下，冷當(dāng)焊縫中含量較高或合金元素含量較多時(shí)，在快冷條件下，冷卻到卻到s以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。1 板條馬氏體板條馬氏體(MD) 是是A A晶粒內(nèi)形成細(xì)條狀晶粒內(nèi)形成細(xì)條狀M M板條，條與條之間有一定板條，條與條之間有一定夾角。夾角。M板條內(nèi)位錯(cuò)密度很高板條內(nèi)位錯(cuò)密度很高-位

52、錯(cuò)型位錯(cuò)型M-低碳低碳M。低碳。低碳M具有較具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。低碳低合金鋼焊縫中高的強(qiáng)度和良好的韌性。低碳低合金鋼焊縫中M主要是低碳主要是低碳M。2 片狀片狀M(MT) 當(dāng)焊縫中含碳量較高當(dāng)焊縫中含碳量較高(C0.4)，將會(huì)出現(xiàn)片狀，將會(huì)出現(xiàn)片狀M。初始初始形成的形成的M較粗大，往往貫穿整個(gè)較粗大，往往貫穿整個(gè)A晶粒，使以后形成的晶粒，使以后形成的M片受到片受到阻礙。片狀阻礙。片狀M內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)孿晶內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)孿晶-孿晶孿晶M。其含碳量較高，又稱其含碳量較高，又稱高碳高碳M。硬度很高，而且很脆。硬度很高，而且很脆。 一般焊接時(shí)一般焊接時(shí)都盡可能降低焊縫中的碳含量都盡可能降低焊縫中的碳

53、含量，對(duì)于某些中、高碳低，對(duì)于某些中、高碳低合金鋼焊接時(shí)，甚至采用合金鋼焊接時(shí)，甚至采用A焊條，所以焊縫中一般不會(huì)出現(xiàn)焊條，所以焊縫中一般不會(huì)出現(xiàn)MT 。含碳較高焊接熱影響區(qū)，在預(yù)熱溫度不足情況下才會(huì)出現(xiàn)含碳較高焊接熱影響區(qū)，在預(yù)熱溫度不足情況下才會(huì)出現(xiàn)MT 。板條馬氏體板條馬氏體片狀片狀M低合金低合金鋼焊縫鋼焊縫的組織的組織形態(tài)分形態(tài)分類類三、三、WMCCT圖的建立與應(yīng)用圖的建立與應(yīng)用在熱處理中，用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖在熱處理中，用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖(CCT)估測(cè)估測(cè)A轉(zhuǎn)變所得到組織。轉(zhuǎn)變所得到組織?？刹捎孟嗤姆椒ǎ刹捎孟嗤姆椒?，建立焊縫金屬的建立焊縫金屬的CCT圖圖(WM-CCT)來估測(cè)來估測(cè)

54、焊縫金屬的組織。焊縫金屬的組織。焊縫金屬的焊縫金屬的A轉(zhuǎn)變過程以及顯微組織的影響因素轉(zhuǎn)變過程以及顯微組織的影響因素:(1)焊接方法焊接方法 它決定了熔池尺寸形狀，影響冷卻速度。它決定了熔池尺寸形狀，影響冷卻速度。(2)熔池金屬的成分熔池金屬的成分 它決定于填充材料、母材，焊劑和藥皮，以它決定于填充材料、母材，焊劑和藥皮，以及化學(xué)冶金反應(yīng)。及化學(xué)冶金反應(yīng)。(3)焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù) 它影響熔池加熱速度，最高溫度，及冷卻速度、它影響熔池加熱速度，最高溫度，及冷卻速度、并對(duì)一次結(jié)晶組織產(chǎn)生影響。并對(duì)一次結(jié)晶組織產(chǎn)生影響。(4)焊接應(yīng)力、應(yīng)變的影響焊接應(yīng)力、應(yīng)變的影響 低合金鋼焊縫連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變

55、圖低合金鋼焊縫連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖(簡稱簡稱WM-CCT圖圖) WM-CCT圖可用圖可用于預(yù)測(cè)焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能于預(yù)測(cè)焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能，因此近，因此近年來進(jìn)行了許多研究，建立了低合金鋼焊縫的年來進(jìn)行了許多研究，建立了低合金鋼焊縫的WM-CCT圖。圖。 WM-CCT圖如圖所示，圖如圖所示，緩慢冷卻可得到塊狀的緩慢冷卻可得到塊狀的PF和和FSP，冷卻，冷卻快時(shí)可得到快時(shí)可得到AF、細(xì)晶鐵素體、細(xì)晶鐵素體(FGF)和和M。圖圖3-55 WM-CCT焊縫金屬成分：焊縫金屬成分： C=0.11，Si=0.31，Mn=1.44，O=0.071影響影響WMCCT圖的因素圖的因素1 合金元素合

56、金元素 如果焊縫中合金元素增多或含氧量降低時(shí)，使如果焊縫中合金元素增多或含氧量降低時(shí)，使WM-CCT圖向右移動(dòng)。圖向右移動(dòng)。 C、N、Mn、Ni、Cu等等阻礙阻礙A A相變，相變，CCT圖向右移動(dòng)。圖向右移動(dòng)。 強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)碳化物形成元素(Mo、Cr、Nb、V、Ti、A1)抑制塊狀及先共抑制塊狀及先共析析F F，使塊狀使塊狀F F和和PFPF轉(zhuǎn)變曲線下移轉(zhuǎn)變曲線下移圖圖3-56 合金元素和含氧合金元素和含氧量對(duì)量對(duì)WM-CCT的影響的影響2 A A化溫度與停留時(shí)間的影響化溫度與停留時(shí)間的影響 A A所處的所處的溫度越高，時(shí)間越長，過冷溫度越高，時(shí)間越長，過冷A A穩(wěn)定性就越大穩(wěn)定性就越大

57、。原因：。原因： (1)A A晶粒長大，減少晶粒長大，減少F F析出的成核場(chǎng)所；析出的成核場(chǎng)所；(2)(2)使易于成為使易于成為F F析出核心的碳化物分解、溶于析出核心的碳化物分解、溶于A A中，阻礙中，阻礙F F析出。析出。(3)(3)增大增大A A的均勻化程度，故的均勻化程度，故CCT圖曲線有移。圖曲線有移。奧氏體化溫度奧氏體化溫度對(duì)對(duì)WM-CCT的影響的影響虛線虛線-900實(shí)線實(shí)線-13003 冷卻速度的影響冷卻速度的影響 冷卻速度對(duì)于冷卻速度對(duì)于M形成溫度形成溫度Ms點(diǎn)有一定影響。點(diǎn)有一定影響。有資料認(rèn)為有資料認(rèn)為Ms點(diǎn)隨冷卻速度的提高而上升，如圖所示點(diǎn)隨冷卻速度的提高而上升，如圖所示

58、,但也有相但也有相反的數(shù)據(jù)。反的數(shù)據(jù)。這種矛盾可能是在不同冷卻速度下，因奧氏體合金元素的影響，這種矛盾可能是在不同冷卻速度下，因奧氏體合金元素的影響，馬氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)制有差別所致。馬氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)制有差別所致。一般生產(chǎn)中的冷卻速度下，緩慢冷卻時(shí)一般生產(chǎn)中的冷卻速度下，緩慢冷卻時(shí)Ms點(diǎn)卻升高。點(diǎn)卻升高。冷卻速度對(duì)冷卻速度對(duì)Ms點(diǎn)點(diǎn)的影響的影響4 4 應(yīng)力應(yīng)變的影響應(yīng)力應(yīng)變的影響 過冷過冷A A轉(zhuǎn)變過程中，如有應(yīng)力、應(yīng)變作用時(shí)，不僅會(huì)影響擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變過程中，如有應(yīng)力、應(yīng)變作用時(shí)，不僅會(huì)影響擴(kuò)散型P P轉(zhuǎn)變，也會(huì)影響無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，也會(huì)影響無擴(kuò)散型M M的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變，在高溫下對(duì)，在高

59、溫下對(duì)A A施加應(yīng)力作用，可以增加晶體中的位錯(cuò)施加應(yīng)力作用，可以增加晶體中的位錯(cuò)和空位等缺陷，同時(shí)使晶格變形，和空位等缺陷，同時(shí)使晶格變形，促進(jìn)擴(kuò)散型相變進(jìn)行。促進(jìn)擴(kuò)散型相變進(jìn)行。非擴(kuò)散型的非擴(kuò)散型的M M相變相變，由于它與晶格剪切形變有密切關(guān)系，所以，由于它與晶格剪切形變有密切關(guān)系，所以應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變將促進(jìn)應(yīng)變將促進(jìn)M M轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。拉伸應(yīng)力對(duì)拉伸應(yīng)力對(duì)CCT圖影響圖影響1-1-有應(yīng)力作用有應(yīng)力作用2-2-無應(yīng)力作用無應(yīng)力作用三、幾種常見焊縫金屬的組織特征三、幾種常見焊縫金屬的組織特征1 E5015焊縫焊縫 焊縫呈柱狀晶特征、柱狀晶粗大，晶界上為焊縫呈柱狀晶特征、柱狀晶粗大，晶界上為PF；有；

60、有從晶界向晶內(nèi)平形生長的從晶界向晶內(nèi)平形生長的FSP，板條之間有少量，板條之間有少量P；晶內(nèi)為；晶內(nèi)為AF和和P。2 E7015焊縫焊縫 組織為組織為B+少量少量GBF, 薄膜樣品在透射電鏡下觀察薄膜樣品在透射電鏡下觀察,島島狀物為狀物為M-A島。島。 3 E8015焊縫焊縫 幾乎全是幾乎全是B、 分布在基體上的島狀分布在基體上的島狀M-A增多，尺寸增多，尺寸增大，呈顆粒狀。增大，呈顆粒狀。4 E9015焊縫和焊縫和E10015焊縫焊縫 組織為組織為B+少量少量 MD。 E10015焊縫金屬中的焊縫金屬中的M量更多。由于其碳含量均較低，量更多。由于其碳含量均較低，M板條板條間的角度很小，板條內(nèi)