液態(tài)金屬的凝固.ppt

1、1,金屬結(jié)晶及組織控制,高玉來 Tel: 56332144(O) Email: 日新樓402室 Oct. 8, 2011,高玉來：金屬結(jié)晶及組織控制,2,第四章 液態(tài)金屬的凝固,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬的凝固方式 第三節(jié)凝固方式與鑄坯宏觀組織 第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,高玉來：金屬結(jié)晶及組織控制,3,第一節(jié)：概述,基本概念： 合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程，稱為一次結(jié)晶或凝固。 一次結(jié)晶和“凝固”這兩個(gè)術(shù)語雖然指的是同一個(gè)狀態(tài)變化過程，但它們的含意是有區(qū)別的。一次結(jié)晶是從物理化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究液態(tài)金屬的生核、長大、結(jié)晶組織的形成規(guī)律。而凝固則是從傳熱學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究鑄件和

2、鑄型的傳熱過程、鑄件斷面上凝固區(qū)域的變化規(guī)律、凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系、凝固缺陷形成機(jī)制等。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,4,凝固過程的研究方法,金屬凝固過程由于是在高溫下進(jìn)行，金屬又是不透明的，因此研究起來比較困難。目前金屬凝固過程的研究方法主要有： (1)傾出法： 最古老、最簡單。美國人Briggs最早使用。方法：在金屬凝固過程的不同時(shí)刻，將未凝固的金屬液傾出，觀察已凝固部分的厚度和形貌等。優(yōu)點(diǎn)：可直接得到凝固速度、固-液界面形貌方面的信息，操作簡單。 缺點(diǎn)：僅在凝固初期有效，對于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，游離枝晶將一起倒出，使結(jié)果有誤差。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,5,凝固過程的研究方法,(2)

3、數(shù)學(xué)解析法： 始于20年代，德國H.Groher提出。理論根據(jù)：壓力恒定時(shí)，金屬狀態(tài)是溫度的函數(shù)。方法：建立數(shù)學(xué)解析式直接求解。是用數(shù)值計(jì)算法分析熱流傳遞規(guī)律，預(yù)測凝固過程。優(yōu)點(diǎn)：能得出溫度場、凝固區(qū)域及變化規(guī)律。缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜，只對形狀簡單的鑄坯有效；需要做大量假設(shè)，影響其精確性；需要有關(guān)熱物性參數(shù)；難以直觀反映固-液界面的形貌。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,6,凝固過程的研究方法,(3) 數(shù)值模擬法： 方法：將數(shù)學(xué)解析方程離散為差分方程，進(jìn)行求解。近年來隨著計(jì)算機(jī)的普及而發(fā)展較快。優(yōu)點(diǎn)：能得出溫度場、凝固區(qū)域及其變化規(guī)律。相對于數(shù)學(xué)解析法，可解更復(fù)雜的函數(shù)式。缺點(diǎn)：需要做大量假設(shè)，影響其精確性

4、。需要有關(guān)熱物性參數(shù)。難以直觀反映固-液界面形貌,第四章 液態(tài)金屬的凝固,7,凝固過程的研究方法,(4) 多點(diǎn)熱分析法凝固曲線法： 代表性工作是50年代Rudde做的。 方法：實(shí)測不同部位鑄坯溫度隨時(shí)間變化的曲線，據(jù)此得到凝固動態(tài)曲線、溫度場等。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果可靠。 缺點(diǎn)：不能反映固-液界面組織、界面形貌。有些情況下實(shí)測困難。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,8,凝固過程的研究方法,(5) X-射線衍射法： 方法：用X-射線直接觀察、記錄凝固過程。 優(yōu)點(diǎn)：將不透明的金屬透視，可直接觀察其形貌。 缺點(diǎn)：只有固、液兩相對X-射線的減弱系數(shù)有較大差別時(shí)才有效。對金屬厚度有限制。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,9,凝

5、固過程的研究方法,(6) 激冷法（液淬法）： 方法：將多個(gè)一定尺寸的試樣，隔一定時(shí)間淬入水中，然后在金相顯微鏡下觀察其凝固組織 。 優(yōu)點(diǎn)：既可得到某一時(shí)刻凝固區(qū)域的大小，又可得到組織、界面形貌。 缺點(diǎn)：固相在液淬時(shí)也會發(fā)生異常相變。在液淬過程中，凝固還在進(jìn)行。不能研究大體積金屬的凝固過程。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,10,凝固過程的研究方法,(7) 模擬物質(zhì)法： 方法：用蛋白質(zhì)、鹽溶液等模擬金屬凝固過程，直接觀察。 優(yōu)點(diǎn)：信息量大，研究方便。 缺點(diǎn)：模擬物質(zhì)是否能全面真實(shí)反映金屬凝固過程還需要認(rèn)證。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,11,凝固過程的研究方法,(8) 彩色金相法： 方法：利用凝固層推進(jìn)過程

6、中位置不同，成分也不同的特點(diǎn)，用彩色金相對已經(jīng)凝固的合金做特種處理，可得到其凝固過程的動態(tài)描述。 優(yōu)點(diǎn)：可視形貌 。 缺點(diǎn)：由于找不到合適的處理方法，不總是有效。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,12,凝固過程的研究方法,以上方法雖能應(yīng)用于凝固過程的研究，但都存在著某些缺陷，使它們的應(yīng)用受到了限制。因此，這些方法都有待于不斷地完善或相互有機(jī)的結(jié)合，使之能更真實(shí)地反映凝固的狀態(tài)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,13,數(shù)學(xué)解析法(Mathematical analysis method),運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究鑄件和鑄型的傳熱，主要是利用傳熱學(xué)原理，建立表征凝固過程傳熱特征的各物理量之間的方程式，即鑄件和鑄型的溫度場

7、數(shù)學(xué)模型并加以求解。 凝固是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，涉及到傳熱、傳質(zhì)、相變等各種復(fù)雜的初始和邊界條件。要建立一個(gè)符合實(shí)際情況的微分方程式很困難，即使建立了微分方程式也未必能夠求解。因此，用數(shù)學(xué)分析法研究凝固過程時(shí)，必須對過程進(jìn)行合理的簡化。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,14,數(shù)學(xué)解析法(mathematical analysis method),第四章 液態(tài)金屬的凝固,15,16,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為解決數(shù)值計(jì)算法計(jì)算量大的問題提供了有力的工具。因此近十年來，凝固過程的數(shù)值模擬有了很大的進(jìn)展。金屬凝固過程傳熱、傳質(zhì)及流動的偶合模擬，已經(jīng)

8、能夠作為預(yù)測和控制鑄件質(zhì)量的依據(jù)。 導(dǎo)熱微分方程的數(shù)值解法主要有有限差分法(finite difference method)、有限單元法(finite element method)、邊界元法(boundary element method) 等，這些方法各有特點(diǎn)。以有限差分法為例，介紹如下：,第四章 液態(tài)金屬的凝固,17,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),第四章 液態(tài)金屬的凝固,18,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),在實(shí)際計(jì)算中，涉及時(shí)間步長和空間步長x的確定、初始條件的確定、邊界條件的處理以及結(jié)晶潛熱的處理等，

9、因此實(shí)際問題要復(fù)雜得多。但是，數(shù)值模擬方法在凝固過程的研究中應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)逐步被認(rèn)可。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,19,溫度場的實(shí)測法(measurement of temperature field),鑄件溫度場實(shí)測法的示意圖如圖4-4所示。將一組熱電偶的熱端固定在型腔中的不同位置，利用多點(diǎn)自動記錄電子電位計(jì)作為溫度測量和記錄裝置，即可記錄自金屬液注入型腔起至任意時(shí)刻鑄件斷面上各測溫點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線(圖4-5a)。根據(jù)該曲線可繪制出鑄件斷面上不同時(shí)刻的溫度場（圖4-5b）和鑄件的凝固動態(tài)曲線。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,20,溫度場的實(shí)測法(measurement of temperatu

10、re field),第四章 液態(tài)金屬的凝固,21,第二節(jié)：凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬的凝固方式,圖4-6為凝固動態(tài)曲線，它是根據(jù)直接測量的溫度時(shí)間曲線繪制的。首先在圖4-6a上給出合金的液相線和固相線溫度，把二直線與溫度時(shí)間相交的各點(diǎn)分別標(biāo)注在圖4-6b的(x / R ，)坐標(biāo)系上，再將各點(diǎn)連接起來，即得凝固動態(tài)曲線。縱坐標(biāo)x是鑄件表面向中心方向的距離，R是鑄件壁厚之半或圓柱體和球體的半徑。由于凝固是從鑄件壁兩側(cè)同時(shí)向中心進(jìn)行，所以當(dāng)x / R=1時(shí)表示已凝固至鑄件中心。圖4-6c為根據(jù)凝固動態(tài)曲線繪制的自測溫度開始后2分20秒的凝固狀況。根據(jù)凝固動態(tài)曲線可以獲得任一時(shí)刻的凝固狀態(tài)。,第四章 液

11、態(tài)金屬的凝固,22,凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu),鑄件在凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)，凝固區(qū)和液相區(qū)。鑄件的質(zhì)量與凝固區(qū)域有密切的關(guān)系。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,23,凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu),圖4-7是凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖，其中凝固區(qū)域由傾出邊界和補(bǔ)縮邊界又分割成三個(gè)區(qū)域。 區(qū)（從液相邊界到傾出邊界）。這個(gè)區(qū)的特征為固相處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，液相可以自由移動，用傾出法做試驗(yàn)時(shí)，固體能夠隨液態(tài)金屬一起被傾出。 區(qū)（從傾出邊界到補(bǔ)縮邊界），這個(gè)區(qū)的特征為固相已經(jīng)連成骨架，但液相還能在固相骨架間自由移動，這時(shí)某一部位的體積收縮能夠得到其它部位液體的補(bǔ)充，而不至于產(chǎn)生縮孔或縮松

12、。 區(qū)（從補(bǔ)縮邊界到固相邊界）這個(gè)區(qū)的特征為固相不但連成骨架而且已經(jīng)充分長大，存在于固相間隙中的少量液體被分割成一個(gè)個(gè)互不溝通的小“溶池”。這時(shí)液體再發(fā)生凝固收縮，不能得到其它液體的補(bǔ)縮。 根據(jù)以上的分析可以看出，對鑄坯質(zhì)量影響最大的是區(qū)的寬度?？梢酝茢嗄虆^(qū)域越寬，則區(qū)的寬度也就越寬。,24,凝固方式,一般將金屬的凝固方式分為三種類型；逐層凝固方式(skin-forming solidification)，體積凝固方式(volume solidification)或稱糊狀凝固方式(mushy solidification)和中間凝固方式(middle solidification)。凝固方式

13、取決與凝固區(qū)域的寬度,而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的結(jié)晶溫度范圍和冷卻強(qiáng)度。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,25,逐層凝固方式,圖48a為恒溫下結(jié)晶的純金屬或共晶成分合金某瞬間的凝固情況。tc是結(jié)晶溫度，T1和T2 是鑄件斷面上兩個(gè)不同時(shí)刻的溫度場。從圖中可觀察到，恒溫下結(jié)晶的金屬，在凝固過程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱?。斷面上的固體和液體由一條界線（凝固前沿）清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到鑄件中心。這種情況為逐層凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,26,體積凝固方式,如果因鑄件斷面溫度場較平坦（圖49a），或合金的結(jié)晶溫度范圍很寬（圖49b），鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，其凝固

14、區(qū)域幾乎貫穿整個(gè)鑄件斷面時(shí)，則在凝固區(qū)域里既有已結(jié)晶的晶體，也有未凝固的液體，這種情況為體積凝固方式或稱糊狀凝固方式。,27,中間凝固方式,如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄（圖410 a），或者鑄件斷面溫度梯度較大（圖410 b），鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谇皟烧咧g時(shí)，稱中間凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,28,凝固方式,第四章 液態(tài)金屬的凝固,29,第三節(jié) 凝固方式與鑄件宏觀組織,從凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析可知，鑄件的致密性和健全性與合金的凝固方式密切相關(guān)，而影響凝固方式的因素為結(jié)晶溫度范圍和鑄件斷面的溫度梯度。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,30,化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系,化學(xué)成分決定

15、了合金結(jié)晶的溫度范圍。純金屬和共晶成分合金在凝固時(shí)，由于結(jié)晶溫度范圍是零，因此沒有液固共存的凝固區(qū)，以逐層方式凝固，其凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸。當(dāng)液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生體積收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后凝固的部位留下集中縮孔，如圖412。由于集中縮孔容易消除，一般認(rèn)為這類合金的補(bǔ)縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會出現(xiàn)中心線縮孔。這類鑄件在凝固過程中，當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，也容易得到金屬液的填充，使裂紋愈合。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,31,化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系,第四章 液態(tài)金屬的凝固,32,化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)

16、系,寬結(jié)晶溫度范圍的合金，凝固區(qū)域?qū)挘釛l件差，容易發(fā)展成為樹枝晶發(fā)達(dá)的粗大等軸枝晶組織。當(dāng)粗大的等軸枝晶相互連接以后(固相約為70)，將使凝固的液態(tài)金屬分割為一個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔 ，即縮松，如圖413所示。對于這類鑄件采用普通冒口消除其縮松是很難的，而往往需要采取其它輔助措施，以增加鑄件的致密性。由于粗大的等軸晶比較早的連成骨架，在鑄件中產(chǎn)生熱裂的傾向性很大。這是因?yàn)?，等軸晶越粗大，高溫強(qiáng)度就越低；此外當(dāng)晶間出現(xiàn)裂紋時(shí)，也得不到液態(tài)金屬的充填使之愈合。如果這類合金在充填過程中發(fā)生凝固時(shí)，其充型性能也很差。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,33,化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與

17、鑄件質(zhì)量的關(guān)系,第四章 液態(tài)金屬的凝固,34,外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系,由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過程中，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說可以通過外部條件來調(diào)整合金的凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,35,外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系,由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過程中，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說可以通過外部條件來調(diào)整合金的凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,36,鑄件在非金屬型中冷卻,非金屬型（一般指砂型）的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件的

18、導(dǎo)熱系數(shù)小得多，即 2 / 11。鑄件在非金屬型中凝固冷卻時(shí)，由于鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)小，所以鑄件冷卻緩慢，其斷面上的溫差很小。由于同樣理由，鑄型內(nèi)表面被鑄件加熱至很高的溫度，而其外表面仍處于較低的溫度，斷面上的溫差很大。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,37,鑄件在非金屬型中冷卻,在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-14所示?？梢姡T件和中間層斷面上的溫差與鑄型的溫差相比較，是相當(dāng)小的，可以忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為，在整個(gè)熱傳導(dǎo)過程中，鑄件斷面上的溫度分布可以看作是均勻的，鑄型內(nèi)表面的溫度接近鑄件的溫度。所以，砂型鑄造時(shí)，砂型本身的熱物理性質(zhì)是決定整個(gè)系統(tǒng)熱交換過程的主要因素，亦即鑄件的冷卻強(qiáng)度

19、主要取決與鑄型的熱物理參數(shù)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,38,鑄件在金屬型中冷卻,(1)當(dāng)鑄件的冷卻和鑄型的加熱都不十分激烈時(shí)，鑄件、中間層和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-15所示?？梢姡凇拌T件中間層鑄型”系統(tǒng)中，大部分溫度降在中間層上。當(dāng)金屬型的工作表面涂有較厚的涂料時(shí)，就屬于這種情況。 這種類型的傳熱特點(diǎn)是，鑄件斷面上的溫差1t和鑄型斷面上的溫差2t與中間層的溫差3t相比，顯得很小，可以忽略不計(jì)。所以，可以認(rèn)為，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的，傳熱過程主要取決于涂料層的熱物理性質(zhì)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,39,鑄件在金屬型中冷卻,(2)鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈，鑄件和鑄型斷

20、面上的溫度分布如圖4-16所示?？梢?，鑄件和鑄型斷面上都有很大的溫度降。當(dāng)金屬型的涂料層很薄時(shí)，就屬于這種傳熱情況。這種類型的傳熱特點(diǎn)是，中間層斷面的溫差3t與鑄件和鑄型的溫差相比較顯得很小，可以忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為，鑄型內(nèi)表面溫度和鑄件表面溫度相同，傳熱過程取決與鑄件和鑄型的熱物理量。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,40,鑄件在金屬型中冷卻,上述兩種情況說明，金屬型鑄造完全可以用改變涂料層厚度或其熱物理性質(zhì)的方法來控制鑄件的冷卻強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵件的金屬型鑄造就是利用涂料或襯料防止鑄件產(chǎn)生白口。金屬型鑄造鋁合金鑄件時(shí)，經(jīng)常在冒口用的涂料中加入一定比例的石棉粉，增加熱阻，以提高冒口的補(bǔ)縮效

21、果。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,41,非金屬在金屬型中冷卻,非金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬型的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，即2 / 1 1。非金屬鑄件在金屬型中冷卻時(shí)，由于鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)小，其內(nèi)部熱量不能及時(shí)傳遞至外表面，所以冷卻緩慢，斷面上的溫差很大。相反，由于金屬型的導(dǎo)熱系數(shù)很大，其斷面上的溫差則很小。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,42,非金屬在金屬型中冷卻,在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-17所示。熔模精密鑄造中用金屬壓型壓制蠟?zāi)?，在金屬型中制造塑料制品，就屬于這種情況。這種類型的熱交換特點(diǎn)是，中間層和金屬鑄型斷面上的溫差很小，可以忽略不計(jì)。傳熱過程主要取決于非金屬鑄件本身的熱物理性質(zhì)。,第四

22、章 液態(tài)金屬的凝固,43,鑄件凝固過程影響因素,通過對上述四種不同類型鑄造條件的分析，可以看出，“鑄件中間層鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過程中的決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固是最有效的。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,44,第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,焊接是在極短的時(shí)間內(nèi)使金屬局部熔化和凝固而形成接合的一種加工技術(shù)。焊接既包括熔化過程，也包括凝固過程。因此，有人把焊接過程形象地稱為“小熔池冶金，小熔池凝固”。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,45,第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,焊接的凝固規(guī)律與其它凝固過程大體相同，也常出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻、氣孔、夾雜以

23、及熱裂等缺陷，但又有其獨(dú)特的凝固特點(diǎn)：熔池的體積小，冷卻速度大；熔池中的液體金屬處于高的過熱狀態(tài)，過熱溫度可高達(dá)250-550。熔池在運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶。焊接熔池周圍的母材金屬對于熔池金屬起著“模壁”作用，“模壁”的尺寸和形狀決定了溫度場的特性。研究焊縫的凝固規(guī)律是提高焊縫金屬性能的有效方法，已成為重要的課題。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,46,焊接過程中的溫度變化,焊接過程中的溫度分布對焊縫金屬的組織影響很大，它是研究焊接過程凝固規(guī)律的基礎(chǔ)。 焊接過程中的熱交換有兩個(gè)重要的特征：一是熱作用的集中性，即焊接熱源集中作用于焊體接口的部位；二是熱作用的瞬時(shí)性，也就是說，焊接熱源始終以一定速度運(yùn)動，因此對焊

24、接某一點(diǎn)的熱作用是瞬時(shí)的。為了方便分析焊接區(qū)域的溫度分布，假設(shè)焊接的是單長焊道，熱源為等速運(yùn)動的點(diǎn)熱源，這可以歸納為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱問題，即等溫線僅取決于熱源的位置，而與熱源運(yùn)動的時(shí)間無關(guān)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,47,焊縫金屬的外生凝固,焊接熔池中液態(tài)金屬有大的過熱度和冷卻速度，同時(shí)熔池邊緣和中心之間有大的溫度梯度。近代凝固理論告訴我們，這些特征都表明，焊縫金屬的凝固方式為外生凝固，結(jié)晶是從熔池邊界開始，沿著與熱流相反的方向向熔池中心生長的。實(shí)驗(yàn)證明，焊接熔池的凝固過程確實(shí)是從熔池邊界開始的，奧氏體鋼的焊縫金屬組織呈樹狀晶，而且看起來好象是由母材晶粒外延生長而成的，母材和焊縫之間存在明顯的晶界面

25、。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,48,焊縫金屬的外生凝固,在焊接過程中，鄰近焊縫金屬的母材由于受到電弧的加熱，距熔合線不同距離的點(diǎn)將經(jīng)歷不同程度的急熱以及隨后不同程度的急冷過程。這種過程叫做焊接熱循環(huán)。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫附近母材金屬的組織及性能會發(fā)生變化，焊縫邊界的母材晶粒容易因過熱而粗化，因而焊縫樹狀晶也將隨之粗化。實(shí)際生產(chǎn)中往往用調(diào)整焊接線能量的方法控制焊接熱循環(huán)，使過熱度減少，以防止母材的晶粒粗化。這是獲得較細(xì)小晶粒焊縫的最有效的途徑。在不預(yù)熱的情況下，增大焊接速度v以降低焊接線能量E，可以達(dá)到細(xì)化凝固組織的目的。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,49,焊縫柱狀樹枝晶的生長,外生凝固方式?jīng)Q定了熔池邊界焊縫金屬外延生長的晶體為柱狀晶。該晶體生成后繼續(xù)向熔池中心生長。在母材上生成的晶體，與相鄰的晶體在金屬液中競相成長，如圖4-19所示。由于晶體生長速度具有異向性，例如面心立方和體心立方的金屬（如Al, Cu, Fe等）其晶體長大的優(yōu)先方向是。如果晶體的這些方向和熱流方向相平行，則這些晶體將得到發(fā)展。因?yàn)樵谶@些方向上具有最大的生長速度。因而這些與熱流方向相平行的晶體由于抑制了相鄰晶體的成長而優(yōu)先長大。在晶體的成長過程中，越是接近熱流方向的晶體，越易