熔池結(jié)晶第三章熔池結(jié)晶和焊縫組織

金屬的結(jié)晶熔池結(jié)晶過(guò)程研討目的：防止氣孔、夾雜、偏析、結(jié)晶裂紋防止晶體缺陷

第一節(jié)熔池結(jié)晶特點(diǎn)和形狀一、特殊性1.體積小、冷速大產(chǎn)生淬硬、粒狀晶等組織2.過(guò)熱①金屬燒損嚴(yán)重②非自發(fā)形核小3.運(yùn)動(dòng)形狀下結(jié)晶〔如圖3-2〕二、熔池結(jié)晶的普通規(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)固液兩相自在能之差②非自發(fā)形核所需能量：

θ=0Ek′=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(shí)σ越小，故Ek越?、廴鄢刂械默F(xiàn)成外表懸浮質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)有方向性，某一方向的生長(zhǎng)速度最大，當(dāng)最大的生長(zhǎng)速度方向與最大溫度梯度方向〔最快散熱方向〕一致時(shí)，可優(yōu)先長(zhǎng)成，不一致時(shí)會(huì)中止生長(zhǎng)三、熔池結(jié)晶線速度1.晶粒主軸生長(zhǎng)線速度(Vc)分析①晶粒生長(zhǎng)線速度分析圖〔如圖3-8〕②在dt內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由AB時(shí)，變化dx，那么dx/dt=V〔焊接速度〕，此時(shí)該晶粒生長(zhǎng)由AC，變化ds，那么ds/dt=Vc,當(dāng)dt0時(shí)，BC垂直于AC，那么

即：cosθ取決于焊接規(guī)范和資料的熱物理性質(zhì)及外形③cosθ值確實(shí)定厚大件：薄件：④對(duì)Vc的討論θ=0°時(shí)，Vc=V(最大處中心線〕θ=90°時(shí)，Vc=0即晶粒生長(zhǎng)速度是變化的Vθ，生長(zhǎng)越垂直于焊縫中心，易構(gòu)成脆弱的結(jié)合線，產(chǎn)生縱向裂紋VVc，所以焊易裂資料時(shí)，不能用大的焊速四、熔池結(jié)晶的形狀1.分類2.純金屬的結(jié)晶形狀①正的溫度梯度：平面晶，生長(zhǎng)緩慢〔主要〕②負(fù)的溫度梯度：生長(zhǎng)速度快，除主軸外，還有分枝，生成樹枝晶〔較少〕3.固溶體的結(jié)晶形狀〔如圖3-16〕①溫度過(guò)冷:結(jié)晶潛熱所致固相前部溫度高，液相溫度低②成分過(guò)冷：先結(jié)晶溫度高，后結(jié)晶溫度低，快速結(jié)晶時(shí)，易出現(xiàn)樹枝晶3.成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形狀的影響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(dāng)成分過(guò)冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著⑤等軸結(jié)晶〔如圖3-26〕液相成分過(guò)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⑥綜合〔如圖3-28〕當(dāng)結(jié)晶速度R和溫度梯度G不變時(shí)，隨合金中溶質(zhì)濃度的提高，那么成分過(guò)冷添加，從而使結(jié)晶形狀由平面晶變?yōu)榘麪罹?、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶當(dāng)合金中溶質(zhì)的濃度C0一定時(shí)，結(jié)晶速度R越快，成分過(guò)冷的程度越大，結(jié)晶形狀也可由平面品過(guò)渡到胞狀晶、樹枝狀晶，最后到等軸晶當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度C0和結(jié)晶速度R一定時(shí)，隨液相溫度梯度的提高，成分過(guò)冷的程度減小，因此結(jié)晶形狀的演變方向恰好相反，由等軸晶、樹枝品逐漸演化到平面晶五、焊縫的化學(xué)不均勻性1.焊縫中的化學(xué)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，邊緣低緣由：冷卻速度快，來(lái)不及均勻化要求細(xì)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(diǎn)雜質(zhì)，柱狀晶結(jié)晶的結(jié)果③層狀偏析結(jié)晶〔熔滴過(guò)渡〕的周期性所致2.熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性①熔合區(qū)的構(gòu)成母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個(gè)區(qū)熔合區(qū)熔化不均〔傳熱、晶粒散熱〕②熔合區(qū)寬度

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′分配取決于分散系數(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)晶形狀1.實(shí)際上熔合線處：G最大、R最小平面晶中心處：G最小、R最大等軸晶2.實(shí)踐上〔不一定全部形狀都出現(xiàn)，與許多要素有關(guān)〕成分板厚和接頭方式焊接速度vR,熔合線處G,焊縫中心處G出現(xiàn)大量等軸晶〔否那么出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶〕焊接電流IG,胞狀晶粗大樹枝狀晶二、凝固組織形狀對(duì)性能的影響生成粗大的樹枝狀晶，韌性降低，對(duì)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(qiáng)化和蛻變處置參與Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等2.振動(dòng)結(jié)晶機(jī)械振動(dòng)、高頻超聲振動(dòng)、電磁振動(dòng)3.焊接工藝焊后處置、熱處置、多層焊、錘擊、跟蹤回火等第三節(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(shí)F呈魏氏組織形狀魏氏組織特征：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(zhǎng)短不一的針狀或片條狀，可直接插入珠光體晶粒之中，普通經(jīng)A3點(diǎn)以上20~30℃正火后，柱狀晶可消除冷速不同，組織不同：冷速添加，P增多，F(xiàn)減少，硬度升高二、低合金鋼的固態(tài)相變1.總的來(lái)說(shuō)，以F+P為主，有時(shí)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(zhǎng)，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(zhǎng)〔由于F構(gòu)成溫度較高，F(xiàn)內(nèi)含碳極低，故又稱為無(wú)碳貝氏體〕③針狀F〔500℃附近〕：大都非自發(fā)形核，在奧實(shí)體內(nèi)構(gòu)成④細(xì)晶F：奧氏體晶內(nèi)構(gòu)成，有細(xì)晶元素〔Ti、B〕出現(xiàn)時(shí)，晶界有Fe3C出現(xiàn)，接近上貝氏體3.珠光體〔P〕轉(zhuǎn)變①普通情況不出現(xiàn)P，只需在緩冷時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)片狀或粒狀的珠光體②緣由：焊接過(guò)程是一個(gè)不平衡過(guò)程，冷卻速度快，C分散遭到抑制，很難出現(xiàn)F/Fe3C片狀構(gòu)造4.貝氏體〔B〕轉(zhuǎn)變①上貝氏體〔B上〕轉(zhuǎn)變構(gòu)成溫度：450-550℃形狀：羽毛狀構(gòu)成機(jī)理②下貝氏體〔B下〕轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度：450℃-Ms形狀：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構(gòu)成機(jī)理③粒狀貝氏體〔B?！硺?gòu)成溫度高于上貝氏體形狀：無(wú)碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：F+Cm、M-A組織或剩余奧氏體

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溫度以下形狀：在奧氏體晶粒的內(nèi)部構(gòu)成細(xì)條狀馬氏體板條，條與條之間有一定的交角構(gòu)成機(jī)理：位錯(cuò)②高碳馬氏體〔片狀馬氏體〕形狀：馬氏體較粗大，往往貫穿整個(gè)奧氏體晶粒，使以后構(gòu)成的馬氏體片遭到妨礙構(gòu)成機(jī)理：孿晶三、改善焊縫組織的途徑1.焊后熱處置改善焊縫和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(duì)前一道焊縫有熱處置作用3.錘擊①細(xì)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.氣孔的類型及構(gòu)成緣由①類型：外表氣孔、內(nèi)部氣孔②構(gòu)成緣由結(jié)晶時(shí)因氣體溶解度忽然下降來(lái)不及逸出殘留在焊縫內(nèi)部的氣體〔H2、N2〕冶金反響產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體〔CO、H2O〕2.氫〔H〕氣孔①出如今低合金焊縫中，大都為外表氣孔，含H2O多時(shí)，也會(huì)出如今內(nèi)部②外形外表氣孔：喇叭口形，內(nèi)壁光滑，形如螺釘狀內(nèi)部氣孔：圓球狀③構(gòu)成緣由在相鄰樹枝晶的凹陷最深處是氫氣泡的胚胎場(chǎng)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(lái)不及逸出時(shí)，就會(huì)構(gòu)成氣孔。氫由于遭到外表的吸附作用，液體的粘度以及機(jī)械阻力的影響，在上浮與受阻的綜協(xié)作用下，構(gòu)成具有喇叭形的外表氣孔2.氮〔N〕氣孔普通在外表成堆出現(xiàn)，呈蜂窩狀，只需在維護(hù)不良時(shí)出現(xiàn)，構(gòu)成緣由與氫氣孔類似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)生反響：FeO+[C]CO+Fe,反響產(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(guò)程的進(jìn)展而不斷構(gòu)成，故氣孔是沿結(jié)晶方向分布的

〔二〕氣孔構(gòu)成機(jī)理1.氣孔構(gòu)成條件①液體中有過(guò)飽和氣體存在②非自發(fā)形核，質(zhì)點(diǎn)較多〔在枝晶間凹陷處，未熔晶粒外表，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能夠性極?、诤附尤鄢刂?，存在很多現(xiàn)成的外表〔易聚集N、H、C等活性元素〕，產(chǎn)生氣泡就較為容易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外表易形核3.長(zhǎng)大①長(zhǎng)大的條件：ph〔內(nèi)壓〕>p0〔外壓〕②p0≈pa+pc=1+2σ/rpa——大氣壓pc——外表張力所構(gòu)成的附加壓力σ——金屬與氣體之間的外表張力r——?dú)馀莅霃剿詺馀莅霃皆酱?，越易長(zhǎng)大4.上?、贇馀萆L(zhǎng)到一定大小脫離現(xiàn)成外表的才干主要決議于液態(tài)金屬、氣相和現(xiàn)成外表之間的外表張力〔如圖〕，即：②當(dāng)θ＜90°時(shí)，有利于氣泡的逸出，而θ＞90°時(shí)，由于構(gòu)成細(xì)頸需求時(shí)間，當(dāng)結(jié)晶速度較大的情況下，氣泡來(lái)不及逸出而構(gòu)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。由于可以減小θ值③當(dāng)結(jié)晶速度較小時(shí)，氣泡可以有充分的時(shí)間逸出，易得到無(wú)氣孔的焊縫。當(dāng)結(jié)晶速度較大時(shí)，氣泡有能夠來(lái)不及逸出而構(gòu)成氣孔