焊接冶金學(xué)及金屬材料焊接-課件模塊二

主編吳金杰（第二版）焊接冶金學(xué)及金屬材料焊接課題一

熔池的凝固課題二

焊縫組織與性能控制模塊二焊縫組織與性能的控制課題一

熔池的凝固定義：熔焊時(shí)母材上所形成的具有一定幾何形狀的液體金屬部分叫熔池。一、熔池凝固的特點(diǎn)和規(guī)律（一）熔池結(jié)晶的特點(diǎn)

回目錄熔池的體積小，冷卻速度大。（1）熔池中的液態(tài)金屬處于過(guò)熱狀態(tài)（2）（二）熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

1.熔池中晶核的形成非自發(fā)晶核依附在熔合區(qū)附近半熔化狀態(tài)基本金屬表面上，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長(zhǎng)，形成所謂的交互結(jié)晶（或稱(chēng)聯(lián)生結(jié)晶），如圖所示。熔合區(qū)母材晶粒表面上生長(zhǎng)的柱狀晶型奧氏體不銹鋼焊縫聯(lián)生結(jié)晶課題一

熔池的凝固

2.熔池中的晶核長(zhǎng)大熔池金屬開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，總是從靠近熔合線處的母材上聯(lián)生地長(zhǎng)大起來(lái)。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向（或最大溫度梯度方向）相一致時(shí)，則最有利于晶粒長(zhǎng)大，便優(yōu)先得到生長(zhǎng)，可以一直長(zhǎng)至熔池的中心，形成粗大的柱狀晶體。焊縫中柱狀晶優(yōu)先生長(zhǎng)方向課題一

熔池的凝固二、熔池結(jié)晶的形態(tài)焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量等軸晶。每個(gè)柱狀晶內(nèi)還有不同的結(jié)晶形態(tài)（如平面晶、胞晶和樹(shù)枝狀晶等），而等軸晶內(nèi)一般都呈現(xiàn)樹(shù)枝晶。

（一）純金屬的結(jié)晶形態(tài)冷卻速度越大，過(guò)冷度（△T）越大，過(guò)冷度的大小只決定于溫度的梯度。

1.正溫度梯度（G＞0）純金屬焊縫凝固時(shí)，一般均屬于這種情況，如下圖b所示。課題一

熔池的凝固純金屬的結(jié)晶形態(tài)a)G＞0時(shí)的溫度分布b)G＞0時(shí)的界面結(jié)晶形態(tài)c)G＜0是的溫度分布d)G＜0時(shí)的界面結(jié)晶形態(tài)TM—純金屬的凝固點(diǎn)△T—過(guò)冷度

課題一

熔池的凝固

2.負(fù)溫度梯度（G＜0）

由于液體內(nèi)部的溫度比界面低，過(guò)冷度大，伸入液體金屬內(nèi)部的晶體成長(zhǎng)速度很快，除了主干之外，還有分支，形成所謂樹(shù)枝狀晶，如圖2-4d所示。樹(shù)枝狀晶體的立體模型如圖所示。樹(shù)枝狀晶體模型課題一

熔池的凝固

（二）固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)合金的結(jié)晶溫度與成分有關(guān)，合金凝固時(shí)，除了由于實(shí)際溫度造成的過(guò)冷之外（溫度過(guò)冷），還存在由于固-液界面處成分起伏而造成的過(guò)冷，稱(chēng)為成分過(guò)冷。所以合金結(jié)晶時(shí)不必很大的過(guò)冷就可以出現(xiàn)樹(shù)枝結(jié)晶。由于過(guò)冷程度的不同，就會(huì)使焊縫組織出現(xiàn)不同的形態(tài)。經(jīng)分析、歸納，大致可分為以下五種結(jié)晶形態(tài)。

課題一

熔池的凝固純鈮板焊縫平面晶（三）成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響

1.平面結(jié)晶

多發(fā)生在高純度的焊縫金屬，如純鈮板氬弧焊時(shí)，就是以平面結(jié)晶的形態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)大，如圖所示。課題一

熔池的凝固2.胞狀結(jié)晶

因平面結(jié)晶界面處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，凝固界面長(zhǎng)出許多平行束狀的芽胞伸入過(guò)冷的金屬內(nèi)，斷面是六角形的胞狀結(jié)晶形態(tài)，如同細(xì)胞或蜂窩狀。金相照片如圖所示。胞狀晶組織課題一

熔池的凝固

3.胞狀樹(shù)枝結(jié)晶焊縫中出現(xiàn)的胞狀樹(shù)枝結(jié)晶如圖所示。焊縫中的胞狀樹(shù)枝晶a)含Ti的HY80鋼的TIG焊焊縫中的胞狀樹(shù)枝晶b)316L不銹鋼焊縫中的胞狀樹(shù)枝晶課題一

熔池的凝固4.樹(shù)枝狀結(jié)晶

304不銹鋼TIG焊縫中心部位的樹(shù)枝狀晶課題一

熔池的凝固5.等軸結(jié)晶晶粒的四周不受阻礙，可以自由生長(zhǎng)，形成等軸晶，如圖所示。鋁板TIG焊時(shí)焊縫等軸晶課題一

熔池的凝固總括以上，五種不同的結(jié)晶形態(tài)都是具有內(nèi)在的因素。大量的實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中溶質(zhì)的濃度、結(jié)晶速度（或晶粒長(zhǎng)大速度）和液相中溫度梯度的綜合作用。它們對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響關(guān)系如圖所示。C0、R、G對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響

課題一

熔池的凝固（四）焊接條件下的熔池結(jié)晶形態(tài)如圖示意地表示了結(jié)晶形態(tài)的變化過(guò)程。焊縫結(jié)晶形態(tài)變化示意圖課題一

熔池的凝固除了焊縫金屬成分對(duì)結(jié)晶形態(tài)有影響之外，焊接工藝參數(shù)也有很大的影響。

1)焊接速度的影響

2)焊接電流的影響三、焊縫金屬的化學(xué)成分不均勻性

（一）焊縫中的化學(xué)不均勻性定義：焊縫金屬在結(jié)晶過(guò)程中，由于合金元素來(lái)不及擴(kuò)散而存在化學(xué)成分的不均勻性。

1.顯微偏析由于焊接過(guò)程中冷卻較快，固相的成分來(lái)不及擴(kuò)散，而在相當(dāng)大的程度上保持著由于結(jié)晶有先后所產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻性。

課題一

熔池的凝固

2.區(qū)域偏析當(dāng)焊接速度較大時(shí)，成長(zhǎng)的柱狀晶最后都會(huì)在焊縫中心附近相遇。使溶質(zhì)和雜質(zhì)都聚集在那里，凝固后在焊縫中心附近出現(xiàn)區(qū)域偏析。

3.層狀偏析焊縫斷面經(jīng)浸蝕之后，可以明顯的看出層狀分布。實(shí)驗(yàn)證明，這些分層是由于結(jié)晶過(guò)程周期性變化而化學(xué)成分分布不均勻造成的，因此成為層狀偏析，如后圖所示。層狀偏析常集中一些有害的元素（碳、硫、磷等），因而缺陷也往往出現(xiàn)在偏析層中。課題一

熔池的凝固焊縫的層狀偏析層狀偏析與氣孔

a)手弧焊b)電子束焊課題一

熔池的凝固（二）熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻性

1.熔合區(qū)的形成對(duì)于不同的晶粒，熔化程度可能有很大的不同。如圖所示，有陰影的地方是熔化了的晶粒，其中有些晶粒有利于導(dǎo)熱而熔化的較多（1、3、5），而有些晶粒熔化較少（2、4）。所以母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個(gè)區(qū)，即所謂熔合區(qū)。課題一

熔池的凝固熔合區(qū)晶粒熔化情況

2.熔合區(qū)寬度熔合區(qū)的大小決定于材料的液-固溫度范圍、被焊材料本身的熱物理性質(zhì)和組織狀態(tài)，可以按下式進(jìn)行估計(jì)：對(duì)于碳鋼、低合金鋼熔合區(qū)附近的溫度梯度約為300-800℃／mm，液-固相線的溫度差約為40℃。因此，一般電弧焊的條件下，熔合區(qū)寬度：A=40/（300～800）=0.133～0.15(mm)對(duì)于奧氏體鋼的電弧焊時(shí)A=0.06～0.12mm。A=課題一

熔池的凝固

3.熔合區(qū)的成分分布在固-液界面溶質(zhì)濃度的分布如圖所示，界面附近溶質(zhì)濃度的波動(dòng)比較大。固-液界面溶質(zhì)濃度的分布實(shí)線表示液固共存時(shí)溶質(zhì)濃度的變化虛線表示凝固后溶質(zhì)濃度的變化課題一

熔池的凝固一、焊縫金屬的固態(tài)相變焊縫金屬的固態(tài)相變遵循一般鋼鐵相變的基本規(guī)律。一般情況下，相變形式取決于焊縫金屬的化學(xué)成分和連續(xù)冷卻過(guò)程的冷卻速度。（一）低碳鋼焊縫的固態(tài)相變

由于低碳鋼的含碳量較低，故焊縫的相變后的二次組織主要是鐵素體+少量的珠光體。冷速越高，珠光體比例越大，與此同時(shí)，組織細(xì)化，硬度上升。

回目錄課題二焊縫組織與性能控制（二）低合金鋼焊縫的固態(tài)相變（1）鐵素體轉(zhuǎn)變

1）先共析鐵素體

當(dāng)高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，冷速較低時(shí)，先共析鐵素體數(shù)量增加。

2）側(cè)板條鐵素體

側(cè)板條鐵素體的析出抑制了焊縫金屬的珠光體轉(zhuǎn)變，因而擴(kuò)大了貝氏體轉(zhuǎn)變的范圍。

3）針狀鐵素體

針狀鐵素體組織具有優(yōu)良的韌性。冷速越高，針狀鐵素體越細(xì)，韌性越高。

4）細(xì)晶鐵素體

細(xì)晶鐵素體通常形成于含有細(xì)化晶粒元素（如Ti、B等）的焊縫金屬中。課題二焊縫組織與性能控制（2）珠光體轉(zhuǎn)變一般情況下，低合金鋼焊縫中很少會(huì)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，只有在冷卻速度很低的情況下，才能得到少量的珠光體。（3）貝氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)冷卻速度較高或過(guò)冷奧氏體更穩(wěn)定時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變被抑制而出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變。（4）馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體保持在Ms點(diǎn)一下，就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散型的馬氏體轉(zhuǎn)變。

1）板條馬氏體通常出現(xiàn)在低碳合金鋼焊縫中，因而又稱(chēng)為低碳馬氏體。

2）片狀馬氏體

片狀馬氏體一般出現(xiàn)于含碳量較高（wC≥0.40％）的焊縫中。

課題二焊縫組織與性能控制二、焊縫金屬組織與性能的改善

（一）焊縫金屬的固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理定義：焊接時(shí)通過(guò)焊接材料（焊條、焊絲或焊劑）在金屬熔池中加入少量某些合金元素，使結(jié)晶過(guò)程發(fā)生明顯變化，從而使晶粒細(xì)化的方法叫做變質(zhì)處理。目前變質(zhì)處理常用的元素有Ｍo、V、Ti、Nb、Zr、Al及稀土元素。

1.Mn和Si對(duì)焊縫性能的影響

Mn和Si是一般低碳鋼和低合金鋼焊縫中不可缺少的合金元素。它們一方面起到脫氧作用另一方面通過(guò)固溶強(qiáng)化作用提高焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度。課題二焊縫組織與性能控制

2.鈮（Nb）和釩（V）對(duì)焊縫性能的影響只有經(jīng)過(guò)正火處理的焊縫，才能改善韌性和降低強(qiáng)度。在這種情況下才可以通過(guò)焊接材料向焊縫添加Nb或V。

3.鈦（Ti）、硼（B）對(duì)焊縫韌性的影響低合金鋼焊縫中有Ti、B存在可以大幅度地提高韌性。

4.鉬（Mo）對(duì)焊縫韌性的影響