焊縫金屬的結(jié)晶

1、焊縫金屬的結(jié)晶第1頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四熔池結(jié)晶過程研究目的： 防止氣孔、夾雜、偏析、結(jié)晶裂紋 防止晶體缺陷 第2頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第一節(jié) 熔池結(jié)晶特點和形態(tài)一、特殊性 1.體積小、冷速大 產(chǎn)生淬硬、粒狀晶等組織 2.過熱 金屬燒損嚴重 非自發(fā)形核小 3.運動狀態(tài)下結(jié)晶（如圖3-2）第3頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第4頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 1.形核 自發(fā)形核 所需能量： 其中：新相-液相界面張力 Fv 單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差

2、 非自發(fā)形核 所需能量： =0 Ek=0 現(xiàn)成晶核 =180Ek=Ek 全自發(fā)形核 固-液界面張力差越小，越小，同時越小，故 Ek越小第5頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四 熔池中的現(xiàn)成表面 懸浮質(zhì)點 熔合線上半熔化的晶粒聯(lián)生結(jié)晶（交互 結(jié)晶）結(jié)晶的主要方式2.晶核生長 晶粒由晶胞組成，同一晶粒內(nèi)部，晶胞取向 一致，位向有序 晶粒生長有方向性，某一方向的生長速度最 大，當最大的生長速度方向與最大溫度梯度方 向（最快散熱方向）一致時，可優(yōu)先長成，不 一致時會中止生長第6頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四三、熔池結(jié)晶線速度 1.晶粒主軸生長線速度(V

3、c)分析 晶粒生長線速度分析圖（如圖3-8） 在dt內(nèi)，當結(jié)晶等溫面由AB時，變化dx，則 dx/dt=V（焊接速度）， 此時該晶粒生長由 AC，變化ds，則 ds/dt=Vc,當dt0時，BC垂 直于AC，則 即： cos取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀 第7頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第8頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四 cos值的確定 厚大件： 薄件： 對Vc的討論 =0時，Vc=V(最大處中心線） =90時，Vc=0 即晶粒生長速度是變化的 V，生長越垂直于焊縫中心，易形成脆弱的結(jié)合 線，產(chǎn)生縱向裂紋 VVc，所以焊易裂材料

4、時，不能用大的焊速第9頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四四、熔池結(jié)晶的形態(tài) 1.分類 2.純金屬的結(jié)晶形態(tài) 正的溫度梯度：平面晶，生長緩慢（主要） 負的溫度梯度：生長速度快，除主軸外，還 有分枝，生成樹枝晶（較少）第10頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四3.固溶體的結(jié)晶形態(tài)（如圖3-16） 溫度過冷:結(jié)晶潛熱所致固相前部溫度高，液 相溫度低 成分過冷：先結(jié)晶溫度高，后結(jié)晶溫度低， 快速結(jié)晶時，易出現(xiàn)樹枝晶第11頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第12頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四3.成分過冷對結(jié)

5、晶形態(tài)的影響 平面結(jié)晶 （如圖3-18） GT 胞狀結(jié)晶 （如圖3-20） G與T少量相交 胞狀樹枝結(jié)晶（如圖3-22）（Flash演示） G與T相交較大，晶粒主軸快速伸向液內(nèi)，橫向排溶質(zhì)， 故橫向也出現(xiàn)分枝 樹枝狀結(jié)晶 （如圖3-24）（Flash演示） 當成分過冷進一步增大，樹枝晶顯著 等軸結(jié)晶 （如圖3-26） 液相成分過冷區(qū)很寬，不僅在前沿生成樹枝晶，內(nèi)部也形 成樹枝晶等軸晶第13頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第14頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第15頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第16頁，共46頁，2

6、022年，5月20日，14點30分，星期四第17頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第18頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四綜合（如圖3-28） 當結(jié)晶速度R和溫度梯度G不變時，隨合金中溶質(zhì)濃度 的提高，則成分過冷增加，從而使結(jié)晶形態(tài)由平面晶變 為胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶 當合金中溶質(zhì)的濃度C0一定時，結(jié)晶速度R越快，成分 過冷的程度越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面品過渡到胞狀 晶、樹枝狀晶，最后到等 軸晶 當合金中溶質(zhì)濃度C0和結(jié)晶速度R一定時，隨液相溫度 梯度的提高，成分過冷的程度減小，因而結(jié)晶形態(tài)的演 變方向恰好相反，由等軸晶、樹枝

7、品逐步演變到平面晶 第19頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第20頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四五、焊縫的化學(xué)不均勻性 1.焊縫中的化學(xué)不均勻性 顯微偏析： 先結(jié)晶C0低，后結(jié)晶C0高，即晶粒 中心C0高，邊緣低 原因：冷卻速度快，來不及均勻化 要求細晶化，降低偏析 區(qū)域偏析 熔池中心部位聚集較多低熔點雜質(zhì)，柱狀 晶結(jié)晶的結(jié)果 層狀偏析 結(jié)晶（熔滴過渡）的周期性所致第21頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四2.熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性 熔合區(qū)的形成 母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個區(qū) 熔合區(qū)熔化不均（傳熱、晶粒散熱

8、） 熔合區(qū)寬度 第22頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四熔合區(qū)成分分布（如圖3-39) 在液相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相濃度 界面 液相濃度 C0 - C C0 + C 分配取決于擴散系數(shù)和分配系數(shù)，特別是 S、P、C、B、O、N等 熔合區(qū)還存在物理不均勻（組織、性能）第23頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第24頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第二節(jié) 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) 1.理論上 熔合線處：G最大、R最小平面晶 中心處：G最小、R最大等軸晶 2.實際上（不一定全部形態(tài)都出現(xiàn)，

9、與許多因素有關(guān)） 成分 板厚和接頭形式 焊接速度 vR,熔合線處G,焊縫中心處G出現(xiàn)大量等軸 晶 （否則出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶） 焊接電流 IG,胞狀晶粗大樹枝狀晶第25頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四二、凝固組織形態(tài)對性能的影響 生成粗大的樹枝狀晶，韌性降低，對氣孔、 夾雜、熱裂都有影響三、焊縫金屬的性能的改善措施 1.固溶強化和變質(zhì)處理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等 2.振動結(jié)晶 機械振動、高頻超聲振動、電磁振動 3.焊接工藝 焊后處理、熱處理、多層焊、錘擊、跟蹤 回火等第26頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第三節(jié) 焊縫

10、固態(tài)相變一、低碳鋼焊縫 組織特征：F+少量P,A晶界析出 F，有 時F呈魏氏組織形態(tài) 魏氏組織特征：鐵素體在奧氏體晶界呈 網(wǎng)狀析出，也可從奧氏體晶粒內(nèi)部沿一 定方向析出，具有長短不一的針狀或片 條狀，可直接插入珠光體晶粒之中，一般 經(jīng)A3點以上2030 正火后，柱狀晶可消 除 冷速不同，組織不同：冷速增加，P增多，F(xiàn) 減少，硬度升高第27頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四二、低合金鋼的固態(tài)相變 1.總的來說，以F+P為主，有時出現(xiàn)B及M,與焊材及工藝有關(guān) 2.鐵素體（F）轉(zhuǎn)變 粒界F（高溫轉(zhuǎn)變900-700）：為先共析F,由奧氏 體晶界析出向晶內(nèi)生長，呈塊狀 側(cè)板條F（

11、700-550）：由奧氏體晶界形核，以板 條狀向晶內(nèi)生長（由于F形成溫度較高，F(xiàn)內(nèi)含碳極 低，故又稱為無碳貝氏體） 針狀F（500附近）：大都非自發(fā)形核，在奧實體 內(nèi)形成 細晶F：奧氏體晶內(nèi)形成，有細晶元素（Ti、B）出 現(xiàn)時，晶界有Fe3C出現(xiàn)，接近上貝氏體第28頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四3.珠光體（P）轉(zhuǎn)變 一般情況不出現(xiàn)P，只有在緩冷時，才會出現(xiàn)片狀或粒狀的珠光體 原因：焊接過程是一個不平衡過程，冷卻速度快，C擴散受到抑制，很難出現(xiàn)F/Fe3C片狀結(jié)構(gòu)4.貝氏體（B）轉(zhuǎn)變 上貝氏體（B下）轉(zhuǎn)變 形成溫度：450-550 形態(tài)：羽毛狀 形成機理 第29頁，共

12、46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四 下貝氏體（B下）轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度：450-Ms 形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體機械混合，針與 針之間呈一定的角度 形成機理 粒狀貝氏體（B粒） 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) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：F + Cm、M-A組織或殘余奧氏體 第30頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四5.馬氏體(M)轉(zhuǎn)變 低碳馬氏體（板條馬氏體） 轉(zhuǎn)變溫度：MS溫度以下 形態(tài)：在奧氏體晶粒的內(nèi)部形成細條狀馬氏體板 條，條與條之間有一定的交角 形成機理：位錯 高碳馬氏體（片狀馬氏體） 形態(tài)：馬氏體較粗大，往往貫穿整個奧氏體晶 粒，使以后形

13、成的馬氏體片受到阻礙 形成機理：孿晶第31頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四三、改善焊縫組織的途徑 1.焊后熱處理 改善焊縫和HAZ的性能 2.多層焊 單道焊縫變小，改善結(jié)晶條件 后一道焊縫對前一道焊縫有熱處理作用 3.錘擊 細化前一層的晶粒 降低后層焊縫熔合線形核晶粒 降低應(yīng)力 4.跟蹤回火第32頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第四節(jié) 焊縫中的氣孔和夾雜一、氣孔 （一）氣孔的類型及其分布特征 1.氣孔的類型及形成原因 類型：表面氣孔、內(nèi)部氣孔 形成原因 結(jié)晶時因氣體溶解度突然下降來不及逸出殘留在 焊縫內(nèi)部的氣體（H2、N2） 冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不

14、溶于金屬的氣體（CO、H2O） 2.氫（H）氣孔 出現(xiàn)在低合金焊縫中，大都為表面氣孔，含 H2O多時，也會出現(xiàn)在內(nèi)部第33頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四 形狀 表面氣孔：喇叭口形，內(nèi)壁光滑，形如螺釘狀 內(nèi)部氣孔：圓球狀 形成原因 在相鄰樹枝晶的凹陷最深處是氫氣泡的胚胎場所 ，冷 卻中，氫的溶解度從液態(tài)下32ml/100g下降到固態(tài)下的 10ml/100g,由于焊接熔池冷卻快，H2來不及逸出時， 就會形成氣孔。氫由于受到表面的吸附作用，液體的 粘度以及機械阻力的影響，在上浮與受阻的綜合作用 下，形成具有喇叭形的表面氣孔第34頁，共46頁，2022年，5月20日，14點

15、30分，星期四2.氮（N）氣孔 一般在表面成堆出現(xiàn)，呈蜂窩狀，只有在保護不良時出現(xiàn)，形成原因與氫氣孔相似3.一氧化碳（CO）氣孔 在熔池后部，結(jié)晶期間，在柱狀晶界區(qū)域，由于溫低，C濃度高，產(chǎn)生C的偏析，易發(fā)生反應(yīng)：FeO+CCO+Fe,反應(yīng)產(chǎn)生的CO因粘度大，浮出阻力大而滯留內(nèi)部，并隨結(jié)晶過程的進行而不斷形成，故氣孔是沿結(jié)晶方向分布的 第35頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四（二）氣孔形成機理 1.氣孔形成條件 液體中有過飽和氣體存在 非自發(fā)形核，質(zhì)點較多（在枝晶間凹陷處， 未熔晶粒表面，界面等） 結(jié)晶速度大于氣泡上浮速度 2.形核 純金屬中氣泡形核的可能性極小 焊接熔

16、池中，存在很多現(xiàn)成的表面（易聚集 N、H、C等活性元素），產(chǎn)生氣泡就較為容易第36頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四 形核能量 Fa/F越大，Ep越小，越易形核，故在枝晶晶界 凹陷處及未熔化晶粒表面易形核第37頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四3.長大 長大的條件：ph（內(nèi)壓）p0（外壓） p0 pa + pc = 1+2/r pa大氣壓 pc表面張力所構(gòu)成的附加壓力 金屬與氣體之間的表面張力 r氣泡半徑 所以氣泡半徑越大，越易長大第38頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四4.上浮 氣泡成長到一定大小脫離現(xiàn)成表面的能力主要決

17、定于液 態(tài)金屬、氣相和現(xiàn)成表面之間的表面張力（如圖）， 即：第39頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第40頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四當 90時，有利于氣泡的逸出，而 90時，由于形成細頸需要時間，當結(jié)晶速度較大的情況下，氣泡來不及逸出而形成氣孔（如圖3-61） 因此：減小 2. g和 1. 2，以及增大 1. g都可以有利 于氣泡快速逸出。因為可以減小值當結(jié)晶速度較小時，氣泡可以有充分的時間逸出，易得到無氣孔的焊縫。當結(jié)晶速度較大時，氣泡有可能來不及逸出而形成氣孔 （如圖3-62）第41頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第42頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四第43頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四氣泡浮出的速度 氣泡的半徑越大，熔池中液體金屬的密度越大，粘度越小時，則氣泡的上浮速度也就越大，焊縫中就不易產(chǎn)生氣孔 第44頁，共46頁，2022年，5月20日，14點30分，星期四（三）影響因素及防治措施 1.冶金方面 熔渣的氧化性 氧化性 CO氣孔 還原性 H2氣孔 一般焊縫中用CO乘積表示CO氣孔傾向， 在酸性焊條中，有時乘積大，但未見氣孔，因為 O活