焊縫金屬的結(jié)晶

1、焊縫金屬的結(jié)晶第1頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四熔池結(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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第一節(jié) 熔池結(jié)晶特點(diǎn)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 金屬燒損嚴(yán)重 非自發(fā)形核小 3.運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶（如圖3-2）第3頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第4頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 1.形核 自發(fā)形核 所需能量： 其中：新相-液相界面張力 Fv 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： =0 Ek=0 現(xiàn)成晶核 =180Ek=Ek 全自發(fā)形核 固-液界面張力差越小，越小，同時(shí)越小，故 Ek越小第5頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四 熔池中的現(xiàn)成表面 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) 晶粒由晶胞組成，同一晶粒內(nèi)部，晶胞取向 一致，位向有序 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)第6頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四三、熔池結(jié)晶線速度 1.晶粒主軸生長(zhǎng)線速度(V

3、c)分析 晶粒生長(zhǎng)線速度分析圖（如圖3-8） 在dt內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由AB時(shí)，變化dx，則 dx/dt=V（焊接速度）， 此時(shí)該晶粒生長(zhǎng)由 AC，變化ds，則 ds/dt=Vc,當(dāng)dt0時(shí)，BC垂 直于AC，則 即： cos取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀 第7頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第8頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四 cos值的確定 厚大件： 薄件： 對(duì)Vc的討論 =0時(shí)，Vc=V(最大處中心線） =90時(shí)，Vc=0 即晶粒生長(zhǎng)速度是變化的 V，生長(zhǎng)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

4、時(shí)，不能用大的焊速第9頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四四、熔池結(jié)晶的形態(tài) 1.分類 2.純金屬的結(jié)晶形態(tài) 正的溫度梯度：平面晶，生長(zhǎng)緩慢（主要） 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）第10頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四3.固溶體的結(jié)晶形態(tài)（如圖3-16） 溫度過冷:結(jié)晶潛熱所致固相前部溫度高，液 相溫度低 成分過冷：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)樹枝晶第11頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第12頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四3.成分過冷對(duì)結(jié)

5、晶形態(tài)的影響 平面結(jié)晶 （如圖3-18） GT 胞狀結(jié)晶 （如圖3-20） G與T少量相交 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 樹枝狀結(jié)晶 （如圖3-24）（Flash演示） 當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著 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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第14頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第15頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第16頁(yè)，共46頁(yè)，2

6、022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第17頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第18頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四綜合（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，則成分過冷增加，從而使結(jié)晶形態(tài)由平面晶變 為胞狀晶、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(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

7、品逐步演變到平面晶 第19頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第20頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四五、焊縫的化學(xué)不均勻性 1.焊縫中的化學(xué)不均勻性 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(xì)晶化，降低偏析 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 層狀偏析 結(jié)晶（熔滴過渡）的周期性所致第21頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四2.熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性 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(gè)區(qū) 熔合區(qū)熔化不均（傳熱、晶粒散熱

8、） 熔合區(qū)寬度 第22頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四熔合區(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(kuò)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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第24頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第二節(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(shí)際上（不一定全部形態(tài)都出現(xiàn)，

9、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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四二、凝固組織形態(tài)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)化和變質(zhì)處理 加入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 焊后處理、熱處理、多層焊、錘擊、跟蹤 回火等第26頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第三節(jié) 焊縫

10、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(zhǎng)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(diǎn)以上2030 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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四二、低合金鋼的固態(tài)相變 1.總的來說，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 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 側(cè)板條F（

11、700-550）：由奧氏體晶界形核，以板 條狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)（由于F形成溫度較高，F(xiàn)內(nèi)含碳極 低，故又稱為無(wú)碳貝氏體） 針狀F（500附近）：大都非自發(fā)形核，在奧實(shí)體 內(nèi)形成 細(xì)晶F：奧氏體晶內(nèi)形成，有細(xì)晶元素（Ti、B）出 現(xiàn)時(shí)，晶界有Fe3C出現(xiàn)，接近上貝氏體第28頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四3.珠光體（P）轉(zhuǎn)變 一般情況不出現(xiàn)P，只有在緩冷時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)片狀或粒狀的珠光體 原因：焊接過程是一個(gè)不平衡過程，冷卻速度快，C擴(kuò)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 上貝氏體（B下）轉(zhuǎn)變 形成溫度：450-550 形態(tài)：羽毛狀 形成機(jī)理 第29頁(yè)，共

12、46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四 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(jī)械混合，針與 針之間呈一定的角度 形成機(jī)理 粒狀貝氏體（B粒） 形成溫度高于上貝氏體 形態(tài)：無(wú)碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：F + Cm、M-A組織或殘余奧氏體 第30頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四5.馬氏體(M)轉(zhuǎn)變 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(xì)條狀馬氏體板 條，條與條之間有一定的交角 形成機(jī)理：位錯(cuò) 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(gè)奧氏體晶 粒，使以后形

13、成的馬氏體片受到阻礙 形成機(jī)理：孿晶第31頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四三、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 單道焊縫變小，改善結(jié)晶條件 后一道焊縫對(duì)前一道焊縫有熱處理作用 3.錘擊 細(xì)化前一層的晶粒 降低后層焊縫熔合線形核晶粒 降低應(yīng)力 4.跟蹤回火第32頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第四節(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 類型：表面氣孔、內(nèi)部氣孔 形成原因 結(jié)晶時(shí)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

14、溶于金屬的氣體（CO、H2O） 2.氫（H）氣孔 出現(xiàn)在低合金焊縫中，大都為表面氣孔，含 H2O多時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)在內(nèi)部第33頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四 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 形成原因 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來不及逸出時(shí)， 就會(huì)形成氣孔。氫由于受到表面的吸附作用，液體的 粘度以及機(jī)械阻力的影響，在上浮與受阻的綜合作用 下，形成具有喇叭形的表面氣孔第34頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)

15、30分，星期四2.氮（N）氣孔 一般在表面成堆出現(xiàn)，呈蜂窩狀，只有在保護(hù)不良時(shí)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+CCO+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(jìn)行而不斷形成，故氣孔是沿結(jié)晶方向分布的 第35頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四（二）氣孔形成機(jī)理 1.氣孔形成條件 液體中有過飽和氣體存在 非自發(fā)形核，質(zhì)點(diǎn)較多（在枝晶間凹陷處， 未熔晶粒表面，界面等） 結(jié)晶速度大于氣泡上浮速度 2.形核 純金屬中氣泡形核的可能性極小 焊接熔

16、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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四 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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四3.長(zhǎng)大 長(zhǎng)大的條件：ph（內(nèi)壓）p0（外壓） p0 pa + pc = 1+2/r pa大氣壓 pc表面張力所構(gòu)成的附加壓力 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(zhǎng)大第38頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四4.上浮 氣泡成長(zhǎng)到一定大小脫離現(xiàn)成表面的能力主要決

17、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(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第40頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四當(dāng) 90時(shí)，有利于氣泡的逸出，而 90時(shí)，由于形成細(xì)頸需要時(shí)間，當(dāng)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 2. g和 1. 2，以及增大 1. g都可以有利 于氣泡快速逸出。因?yàn)榭梢詼p小值當(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)，氣泡有可能來不及逸出而形成氣孔 （如圖3-62）第41頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第42頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四第43頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四氣泡浮出的速度 氣泡的半徑越大，熔池中液體金屬的密度越大，粘度越小時(shí)，則氣泡的上浮速度也就越大，焊縫中就不易產(chǎn)生氣孔 第44頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)30分，星期四（三）影響因素及防治措施 1.冶金方面 熔渣的氧化性 氧化性 CO氣孔 還原性 H2氣孔 一般焊縫中用CO乘積表示CO氣孔傾向， 在酸性焊條中，有時(shí)乘積大，但未見氣孔，因?yàn)?O活