焊接冶金學及金屬材料焊接-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、熔池凝固的特點和規(guī)律（一）熔池結(jié)晶的特點

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，形成所謂的交互結(jié)晶（或稱聯(lián)生結(jié)晶），如圖所示。熔合區(qū)母材晶粒表面上生長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.熔池中的晶核長大熔池金屬開始結(jié)晶時，總是從靠近熔合線處的母材上聯(lián)生地長大起來。當晶體最易長大方向與散熱最快方向（或最大溫度梯度方向）相一致時，則最有利于晶粒長大，便優(yōu)先得到生長，可以一直長至熔池的中心，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。每個柱狀晶內(nèi)還有不同的結(jié)晶形態(tài)（如平面晶、胞晶和樹枝狀晶等），而等軸晶內(nèi)一般都呈現(xiàn)樹枝晶。

（一）純金屬的結(jié)晶形態(tài)冷卻速度越大，過冷度（△T）越大，過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，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時的溫度分布b)G＞0時的界面結(jié)晶形態(tài)c)G＜0是的溫度分布d)G＜0時的界面結(jié)晶形態(tài)TM—純金屬的凝固點△T—過冷度

課題一

熔池的凝固

2.負溫度梯度（G＜0）

由于液體內(nèi)部的溫度比界面低，過冷度大，伸入液體金屬內(nèi)部的晶體成長速度很快，除了主干之外，還有分支，形成所謂樹枝狀晶，如圖2-4d所示。樹枝狀晶體的立體模型如圖所示。樹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，除了由于實際溫度造成的過冷之外（溫度過冷），還存在由于固-液界面處成分起伏而造成的過冷，稱為成分過冷。所以合金結(jié)晶時不必很大的過冷就可以出現(xiàn)樹枝結(jié)晶。由于過冷程度的不同，就會使焊縫組織出現(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）成分過冷對結(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，就是以平面結(jié)晶的形態(tài)進行長大，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)，凝固界面長出許多平行束狀的芽胞伸入過冷的金屬內(nèi)，斷面是六角形的胞狀結(jié)晶形態(tài)，如同細胞或蜂窩狀。金相照片如圖所示。胞狀晶組織課題一

熔池的凝固

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

熔池的凝固4.樹枝狀結(jié)晶

304不銹鋼TIG焊縫中心部位的樹枝狀晶課題一

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，形成等軸晶，如圖所示。鋁板TIG焊時焊縫等軸晶課題一

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。大量的實驗證明，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（或晶粒長大速度）和液相中溫度梯度的綜合作用。它們對結(jié)晶形態(tài)的影響關(guān)系如圖所示。C0、R、G對結(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、焊縫金屬的化學成分不均勻性

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

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

課題一

熔池的凝固

2.區(qū)域偏析當焊接速度較大時，成長的柱狀晶最后都會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。實驗證明，這些分層是由于結(jié)晶過程周期性變化而化學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)的化學成分不均勻性

1.熔合區(qū)的形成對于不同的晶粒，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)，可以按下式進行估計：對于碳鋼、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)對于奧氏體鋼的電弧焊時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)濃度的波動比較大。固-液界面溶質(zhì)濃度的分布實線表示液固共存時溶質(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成分和連續(xù)冷卻過程的冷卻速度。（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，組織細化，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

當高溫停留時間較長，冷速較低時，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，韌性越高。

4）細晶鐵素體

細晶鐵素體通常形成于含有細化晶粒元素（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)變當冷卻速度較高或過冷奧氏體更穩(wěn)定時，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)變過冷奧氏體保持在Ms點一下，就會發(fā)生擴散型的馬氏體轉(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）焊縫金屬的固溶強化和變質(zhì)處理定義：焊接時通過焊接材料（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)晶過程發(fā)生明顯變化，從而使晶粒細化的方法叫做變質(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固溶強化作用提高焊縫金屬的抗拉強度。課題二焊縫組織與性能控制

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

3.鈦（Ti）、硼（B）對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）對焊縫韌性的影響