焊縫金屬的結(jié)晶

焊縫金屬的結(jié)晶第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月熔池結(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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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

①金屬燒損嚴重

②非自發(fā)形核小

3.運動狀態(tài)下結(jié)晶（如圖3-2）第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

1.形核

①自發(fā)形核所需能量：

其中：σ——新相-液相界面張力

ΔFv

——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：

θ=0

Ek′=0現(xiàn)成晶核

θ=180°

Ek′=Ek

全自發(fā)形核固-液界面張力差越小，θ越小，同時σ越小，故Ek越小第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月③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

①晶粒由晶胞組成，同一晶粒內(nèi)部，晶胞取向一致，位向有序

②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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熔池結(jié)晶線速度

1.晶粒主軸生長線速度(Vc)分析

①晶粒生長線速度分析圖（如圖3-8）

②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：cosθ取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀

第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月③cosθ值的確定

厚大件：薄件：④對Vc的討論

θ=0°時，Vc=V(最大處中心線）

θ=90°時，Vc=0即晶粒生長速度是變化的Vθ，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

，所以焊易裂材料時，不能用大的焊速第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熔池結(jié)晶的形態(tài)

1.分類2.純金屬的結(jié)晶形態(tài)

①正的溫度梯度：平面晶，生長緩慢（主要）

②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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3.固溶體的結(jié)晶形態(tài)（如圖3-16）

①溫度過冷:結(jié)晶潛熱所致固相前部溫度高，液相溫度低

②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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3.成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

①平面結(jié)晶（如圖3-18）

G>T②胞狀結(jié)晶（如圖3-20）

G與T少量相交

③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

④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

⑤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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥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?yōu)榘麪罹?、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、樹枝品逐步演變到平面晶第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月五、焊縫的化學不均勻性

1.焊縫中的化學不均勻性

①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

②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

③層狀偏析結(jié)晶（熔滴過渡）的周期性所致第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熔合區(qū)的化學不均勻性

①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）

②熔合區(qū)寬度

第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月③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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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)，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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)焊縫固態(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20~30℃

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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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

①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

②側(cè)板條F（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）

③針狀F（500℃附近）：大都非自發(fā)形核，在奧實體內(nèi)形成

④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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3.珠光體（P）轉(zhuǎn)變

①一般情況不出現(xiàn)P，只有在緩冷時，才會出現(xiàn)片狀或粒狀的珠光體

②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

①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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

②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

③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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月5.馬氏體(M)轉(zhuǎn)變

①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

②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，使以后形成的馬氏體片受到阻礙形成機理：孿晶第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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

①單道焊縫變小，改善結(jié)晶條件

②后一道焊縫對前一道焊縫有熱處理作用

3.錘擊

①細化前一層的晶粒

②降低后層焊縫熔合線形核晶粒

③降低應(yīng)力

4.跟蹤回火第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(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①類型：表面氣孔、內(nèi)部氣孔

②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)生的不溶于金屬的氣體（CO、H2O）

2.氫（H）氣孔

①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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

②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

③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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月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+[C]CO+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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）氣孔形成機理

1.氣孔形成條件

①液體中有過飽和氣體存在

②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）

③結(jié)晶速度大于氣泡上浮速度

2.形核

①純金屬中氣泡形核的可能性極小

②焊接熔池中，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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月③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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3.長大

①長大的條件：ph（內(nèi)壓）>p0（外壓）

②p0≈pa+pc=1+2σ/rpa——大氣壓pc——表面張力所構(gòu)成的附加壓力

σ——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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.上浮

①氣泡成長到一定大小脫離現(xiàn)成表面的能力主要決定于液態(tài)金屬、氣相和現(xiàn)成表面之間的表面張力（如圖），即：第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月②當θ＜90°時，有利于氣泡的逸出，而θ＞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σ2.g和σ1.2，以及增大σ1.g都可以有利于氣泡快速逸出。因為可以減小θ值③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，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2