第三章熔池凝固與焊縫固態(tài)相變課件

材料成形原理（焊接部分）3熔池凝固與焊縫固態(tài)相變材料成形原理（焊接部分）33.1

熔池凝固3.1一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)1、體積小，冷卻速度大

在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3，重量不超過(guò)100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通常可達(dá)4～100℃/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。電弧焊鋼錠體積重量冷卻速度≤30cm3≤100g4~100℃/s可達(dá)數(shù)m3幾噸~幾十噸3~150×10-4

℃/s一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)1、體積小，冷卻速度大 電弧焊鋼

2、溫差大、過(guò)熱溫度高因加熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度（熔池邊界的溫度梯度比鑄造時(shí)高103~104倍）。 例如，對(duì)于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)2100～2300℃，而熔池后部表面溫度只有1600℃左右，熔池平均溫度為1700±100℃。由于過(guò)熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。熔滴溫度熔池溫度鋼錠溫度2300±100℃

1770±100℃≤1550℃一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)2、溫差大、過(guò)熱溫度高熔滴溫度熔池溫度鋼錠溫度2300±3.液態(tài)金屬對(duì)流激烈熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)3.液態(tài)金屬對(duì)流激烈一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)4.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過(guò)渡到熔池中的熔滴一起在電弧吹力作用下，對(duì)流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開(kāi)始凝固。凝固過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。熔池的凝固速度相當(dāng)大，固—液界面的推進(jìn)速度，要比鑄件高10～100倍。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)焊縫的形成及熔池凝固

4.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)焊縫的形成及熔5.熔池周圍散熱條件好焊接熔池與其周圍的母材金屬之間直接接觸，不像鑄件那樣存在氣隙。焊接熔池的質(zhì)量相對(duì)于周圍母材金屬的質(zhì)量很小，母材金屬的“質(zhì)量效應(yīng)”促進(jìn)了熱量的吸收。焊接熔池界面處的導(dǎo)熱條件很好，使焊接熔池能在很高的冷卻速度下凝固。熔池邊界或凝固中的固液界面的溫度梯度可比鑄件高103~104倍。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)5.熔池周圍散熱條件好一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過(guò)冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶過(guò)程。生核熱力學(xué)條件是過(guò)冷度而造成的自由能降低；生核的動(dòng)力學(xué)條件是自由能降低的程度。

二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)1.熔池中晶核的形成

熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核都需要能量。1）自發(fā)臨界晶核所需的能量б：新相與液相間的表面張力系數(shù)。ΔFr：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)液固兩相自由能之差。二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律2）非自發(fā)臨界晶核所需的能量θ：非自發(fā)晶核的浸潤(rùn)角θ=0℃，EK`=01.熔池中晶核的形成

熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 形成非自發(fā)晶核所需能量小，熔池中存在以下兩種現(xiàn)成表面，有助于非自發(fā)晶核的形成：

一是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)

焊接時(shí)，通過(guò)焊材加入一定量的合金元素（如銅、釩、鈦、鈮等），作為非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)，可細(xì)化晶核，改善性能。二是熔合區(qū)半熔化的晶粒表面

非自發(fā)晶核依附在這個(gè)表面上，以柱狀晶的形態(tài)向熔池中心成長(zhǎng)。這種依附于母材晶?，F(xiàn)成表面而形成共同晶粒的凝固方式，稱為聯(lián)生結(jié)晶(也稱外延生長(zhǎng))。聯(lián)生結(jié)晶二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 形成非自發(fā)晶核所需能量小，熔池中存(a)(b)母材焊縫邊界柱狀晶2、熔池中晶核長(zhǎng)大一般情況下，熔池結(jié)晶以聯(lián)生結(jié)晶為主，長(zhǎng)大過(guò)程遵循擇優(yōu)生長(zhǎng)原則：每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)晶取向,對(duì)于立方點(diǎn)陣的金屬（Fe,Ni,Cu,Al），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)?lt;100>。溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長(zhǎng)的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向<100>與散熱最快方向（最大溫度梯度）一致時(shí)，則最有利于晶粒長(zhǎng)大，可一直長(zhǎng)至熔池中心形成粗大的柱狀晶體。當(dāng)晶體取向不利于長(zhǎng)大，與散熱最快方向不一致時(shí)，晶粒的成長(zhǎng)就停止下來(lái)。這種現(xiàn)象就是焊縫中柱狀樹(shù)枝晶的擇優(yōu)成長(zhǎng)。二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律(a)(b)母材焊縫邊界柱狀晶2、熔池中晶核長(zhǎng)大二、熔池結(jié)三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化

1、成長(zhǎng)方向彎曲柱狀晶熔池的外形為橢球狀曲面，亦即結(jié)晶等溫面，散熱方向垂直于等溫面，成長(zhǎng)方向也垂直于結(jié)晶等溫面，因此晶粒長(zhǎng)大主軸是彎曲的。三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化1、成長(zhǎng)方向2、成長(zhǎng)速度

R=υcosψR(shí)—晶粒生長(zhǎng)線速度υ—焊接速度Ψ—晶粒生長(zhǎng)方向與熔池移動(dòng)方向的夾角三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化晶粒生長(zhǎng)線速度是變化的：焊縫邊緣：ψ=90°，cosψ=0，R=υcosψ=0；焊縫中心：ψ=0°，cosψ=1，R=υcosψ=υ。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長(zhǎng)的有利方向也隨之變化，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。

2、成長(zhǎng)速度三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化晶粒生長(zhǎng)線速度是焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)形態(tài)有影響 焊接速度越小，ψ越小，晶粒主軸越彎曲； 焊接速度越大，ψ越大，晶粒主軸越垂直焊縫中心。三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化焊接速度快焊接速度慢 最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)夾雜物易被推移到焊縫中心區(qū)域，形成脆弱的結(jié)合面，因此垂直于焊縫中心線的柱狀晶，易導(dǎo)致縱向熱裂紋的產(chǎn)生。 焊接速度大時(shí)，焊接熔池長(zhǎng)度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線生長(zhǎng);焊接速度越慢,柱狀晶越彎曲。焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)形態(tài)有影響三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化四、熔池結(jié)晶的形態(tài)1、過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差。熱過(guò)冷：純金屬凝固時(shí)，理論凝固溫度（熔點(diǎn)）不變，過(guò)冷度完全取決于實(shí)際溫度分布，這樣的過(guò)冷叫熱過(guò)冷。成分過(guò)冷：在合金凝固時(shí)，實(shí)際溫度分布一定，由于液相中溶質(zhì)分布變化改變了液相的熔點(diǎn)，此時(shí)過(guò)冷由成分變化與實(shí)際溫度這兩個(gè)因素共同決定，稱為成分過(guò)冷。成分過(guò)冷形成的條件四、熔池結(jié)晶的形態(tài)1、過(guò)冷現(xiàn)象成分過(guò)冷形成的條件a)不同的成分過(guò)冷情況

b)無(wú)成分過(guò)冷平面晶C)窄成分過(guò)冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過(guò)冷區(qū)間較寬柱狀樹(shù)枝晶

e)寬成分過(guò)冷內(nèi)部等軸晶四、熔池結(jié)晶的形態(tài)G-正溫度梯度；T-實(shí)際結(jié)晶溫度線2、成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響a)不同的成分過(guò)冷情況b)無(wú)成分過(guò)冷平面晶隨“成分過(guò)冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹(shù)枝晶(柱狀樹(shù)枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹(shù)枝晶)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)GL—界面前沿液相的實(shí)際溫度梯度R—晶體生長(zhǎng)速度快隨“成分過(guò)冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：四、熔池結(jié)晶的形態(tài)3、焊接條件下的結(jié)晶形態(tài)焊縫邊緣：G較大，R又較小，過(guò)冷度較??；焊縫中心：G較小，R較大，過(guò)冷度較大；隨著過(guò)冷度變化，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹(shù)枝狀晶、等軸晶四、熔池結(jié)晶的形態(tài)熔合區(qū)柱狀晶區(qū)焊縫區(qū)R大，G小R小，G大3、焊接條件下的結(jié)晶形態(tài)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)熔合區(qū)柱狀晶區(qū)焊四、熔池結(jié)晶的形態(tài)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)3.2

焊縫固態(tài)相變3.2一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫含碳量較低。組織為：F（鐵素體）+P（少量珠光體）當(dāng)晶粒粗大且過(guò)熱時(shí)，有W（魏氏組織）改善組織方法：1）多層焊：使焊縫獲得細(xì)小和少量珠光體，使柱狀晶組織破壞。2）焊后熱處理：加熱A3以上20~30℃，柱狀晶消失。3）冷卻速度：冷卻速度↑，硬度↑低碳鋼焊縫的魏氏組織一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫含碳量較低。低碳鋼焊一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織焊縫化學(xué)成分相同時(shí)，在不同的冷卻速度下，低碳鋼焊縫中鐵素體和珠光體的比例有很大差別。冷卻速度越大，焊縫中的珠光體越多，越細(xì)，同時(shí)焊縫的硬度增高。一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織焊縫化學(xué)成分相同時(shí)，在不同的冷二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織

低合金鋼焊縫二次組織，隨匹配焊接材料化學(xué)成分和冷卻條件的不同，可由不同的組織。以F為主，P、B、M占次要地位。

根據(jù)低合金鋼焊縫化學(xué)成分和冷卻條件不同，可能出現(xiàn)以下四種固態(tài)轉(zhuǎn)變組織：

1）鐵素體轉(zhuǎn)變2）珠光體轉(zhuǎn)變3）貝氏體轉(zhuǎn)變4）馬氏體轉(zhuǎn)變低合金鋼焊縫的組織形態(tài)分類二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織 低合金鋼焊縫二次組織，隨1、鐵素體（Ferrite，簡(jiǎn)稱F）轉(zhuǎn)變

低合金鋼中的鐵素體形態(tài)比較復(fù)雜，根據(jù)形成條件不同，可分為：

先共析鐵素體（ProeutectoidFerrite，簡(jiǎn)稱FP） 側(cè)板條鐵素體（FerriteSidePlate，簡(jiǎn)稱FSP） 針狀鐵素體（AcicularFerrite，簡(jiǎn)稱AF） 細(xì)晶鐵素體（FineGrainFerrite，簡(jiǎn)稱FGF） 焊接條件下影響焊縫組織的因素多而復(fù)雜，上述幾種鐵素體的基本型態(tài)在焊縫中往往同時(shí)存在，有時(shí)還可能得到珠光體、貝氏體、甚至馬氏體組織。而且這幾種鐵素體在低碳鋼焊縫中也會(huì)出現(xiàn)，只是所占比例不同。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織1、鐵素體（Ferrite，簡(jiǎn)稱F）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫的二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織先共析鐵素體FP形態(tài)：長(zhǎng)條形或多邊形塊狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織先共析鐵素體FP形態(tài)：長(zhǎng)條形或多邊形塊狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織側(cè)板條鐵素體FSP形態(tài)：板條狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織側(cè)板條鐵素體FSP針狀鐵素體AF細(xì)晶鐵素體FGF+P二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織針狀鐵素體AF細(xì)晶鐵素體FGF+P二、低合金鋼焊縫的固2、珠光體（Pearite，簡(jiǎn)稱P）轉(zhuǎn)變接近平衡狀態(tài)：如預(yù)熱、緩冷和后熱等。珠光體轉(zhuǎn)變溫度Ar1~550℃，此時(shí)C、Fe原子擴(kuò)散比較容易。珠光體轉(zhuǎn)變屬擴(kuò)散型相變。（P是F和Fe3C的層狀混合物領(lǐng)先相Fe3C）焊接狀態(tài)：

非平衡轉(zhuǎn)變，得到P量少，珠光體轉(zhuǎn)變量小。 若有B、Ti合金元素，則P轉(zhuǎn)變?nèi)勘灰种?。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織2、珠光體（Pearite，簡(jiǎn)稱P）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織P+F粒P+針狀鐵素體

AF二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織P+F粒P+針狀鐵素體AF3、貝氏體（Bainite，簡(jiǎn)稱B）轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變屬中溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度約在550℃~Ms之間，此時(shí)合金元素已不能擴(kuò)散，只有碳還能擴(kuò)散。在焊接條件下焊縫金屬中的貝氏體轉(zhuǎn)變極其復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)多種非平衡條件下的過(guò)渡組織。根據(jù)它們形成的溫度區(qū)間及其特征可分為：

上貝氏體（UpperBainite，簡(jiǎn)稱Bu）下貝氏體（LowerBainite，簡(jiǎn)稱BL）粒狀貝氏體（GrainBainite，簡(jiǎn)稱BG） 無(wú)碳貝氏體（Carbide-free

Bainite，簡(jiǎn)稱Bc）這幾種貝氏體的形態(tài)是逐漸過(guò)渡的，沒(méi)有鮮明的區(qū)分，主要根據(jù)鐵素體的形態(tài)和碳化物在貝氏體中的分布狀態(tài)加以區(qū)別。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織3、貝氏體（Bainite，簡(jiǎn)稱B）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織4、馬氏體（Martensite，簡(jiǎn)稱M）轉(zhuǎn)變

含碳量偏高或合金元素較多時(shí)，在快速冷卻條件下，奧氏體過(guò)冷到Ms溫度以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度己很低，鐵和碳原子己失去擴(kuò)散能力，所以馬氏體轉(zhuǎn)變是屬無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。根據(jù)含碳量不同，有兩種形態(tài)的馬氏體：1）板條馬氏體（LathMartensite）在低碳低合金鋼焊縫中，當(dāng)冷卻速度很快時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)這種馬氏體。這種馬氏體的含碳量低，故又稱低碳馬氏體。低碳馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)也具有良好的韌性。這是因?yàn)榘鍡l馬氏體有發(fā)生“自回火”現(xiàn)象。2）片狀馬氏體（PlateMartensite）焊縫中含碳量大于0.4%，又稱高碳馬氏體。粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部。 透射電鏡觀察，片M存在許多細(xì)小平行帶紋－孿晶帶，又稱為孿晶馬氏體。硬度高、脆。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織4、馬氏體（Martensite，簡(jiǎn)稱M）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（簡(jiǎn)稱WM—CCT圖）對(duì)于預(yù)測(cè)焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能具有重要的意義二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織合金元素和含氧量對(duì)焊接CCT圖的影響二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織合金元素和含氧量對(duì)焊接CCT圖的影響二、低合金鋼焊縫的固態(tài)3.3

焊縫性能的控制3.3

控制焊縫性能是控制焊接質(zhì)量的主要目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的焊縫首先要保證性能滿足使用要求。 焊縫性能是由化學(xué)成分與組織決定的；具有相同化學(xué)成分的焊縫金屬，由于結(jié)晶形態(tài)和組織不同，性能上會(huì)有很大的差別。因此焊縫性能控制的任務(wù)必然落在焊縫組織的控制上。 在焊接生產(chǎn)中，通過(guò)控制焊縫組織，不但要保證焊縫具有足夠高的強(qiáng)度，而且還要保證焊縫具有足夠高的韌性，就是使焊縫具有良好的綜合力學(xué)性能。 焊縫組織的控制主要通過(guò)冶金方面和工藝方面的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。焊縫性能的控制 控制焊縫性能是控制焊接質(zhì)量的主要目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的焊縫首先要保證一、冶金方面的控制改善焊縫金屬凝固組織的有效方法之一就是向焊縫中添加某些合金元素，起固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理的作用；根據(jù)目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改變凝固組織的形態(tài)，從而提高了焊縫金屬的性能，特別是近年來(lái)采用了多種微量合金元素，大幅度地提高了焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。研究表明，通過(guò)焊接材料(焊條、焊絲和焊劑等)向熔池中加入細(xì)化晶粒的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土等，可以改變結(jié)晶形態(tài)。使焊縫金屬的晶粒細(xì)化，既可提高焊縫的強(qiáng)度和韌性，又可改善抗裂性能。一、冶金方面的控制改善焊縫金屬凝固組織的有效方法之一就是向焊一、冶金方面的控制1、錳和硅的作用作用：1）脫氧；2）固溶強(qiáng)化；3）含量合適時(shí)可提高韌性由圖看出：增加Mn、Si的含量，可以降低焊縫中的含氧量但對(duì)韌性并不有利。這里更重要的是改變了焊縫的組織，從而使其具有較高的韌性。一、冶金方面的控制1、錳和硅的作用由圖看出：增加Mn、Si的一、冶金方面的控制對(duì)錳—硅系焊縫金屬來(lái)講：1）當(dāng)焊縫中錳和硅的含量較低時(shí)，焊縫組織為粗大的先共析鐵素體，其韌性較低；2）當(dāng)焊縫中錳和硅的含量較高時(shí)，焊縫組織為側(cè)板條鐵素體，其韌性也較低；3）只有當(dāng)錳和硅的含量處于適中范圍時(shí)，才能得到由細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體組成的焊縫組織，從而具有較高的韌性。一、冶金方面的控制對(duì)錳—硅系焊縫金屬來(lái)講：2、鈮和釩（Nb、V）的作用適當(dāng)?shù)腘b和V,焊縫韌性↑

Nb、V在焊縫金屬中可固溶，推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，能夠抑制焊縫中現(xiàn)共析鐵素體的產(chǎn)生，而激發(fā)形成細(xì)小的針狀鐵素體AF組織固定氮的作用

Nb和V還可以與焊縫中的氮化合成氮化物(NbN，VN)，從而固定了焊縫中的可溶性氮，這也會(huì)使焊縫金屬提高韌性通過(guò)正火處理，改善焊縫韌性

采用Nb和V來(lái)韌化焊縫，當(dāng)焊后不再進(jìn)行正火處理時(shí)，V和Nb的氮化物，以微細(xì)共格沉淀相存在，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度大幅度提高，致使焊縫的韌性下降

因此，一般不加Nb和V一、冶金方面的控制2、鈮和釩（Nb、V）的作用一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制3、鈦和硼的作用

Ti和B同時(shí)存在可提高焊縫韌性Ti與氧的親和力很大，以微小顆粒氧化物TiO彌散分布，可以作為“釘子”位于晶粒邊界，阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化。B原子半徑小，在Ti的保護(hù)作用下得以自由存在，在高溫下向奧氏體晶界擴(kuò)散，在晶界沉淀聚集而降低晶界擴(kuò)散，使晶界奧氏體的穩(wěn)定性增大，抑制先共析鐵素體（包括粒界鐵素體GBF和側(cè)板條鐵素體FSP）的形成，從而使轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度向低溫方向移動(dòng)，促使形成針狀鐵素體，改善韌性。一、冶金方面的控制3、鈦和硼的作用一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制合適加入量：Ti＝0.01~0.02%B=0.002~0.006%.當(dāng)鈦和硼的含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使奧氏體的分解溫度過(guò)分降低，導(dǎo)致低溫產(chǎn)物上貝氏體甚至馬氏體的生成，從而使焊縫韌性降低一、冶金方面的控制合適加入量：Ti＝0.01~0.02%4、鉬的作用

在低合金鋼焊縫中只要加入少量的鉬，就能降低奧氏體的分解溫度，抑制先共析鐵素體的形成，從而提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。但其含量有一個(gè)最佳范圍，只有在這個(gè)范圍內(nèi)，其作用效果才最佳。一、冶金方面的控制Mo<0.2%時(shí)：A→F轉(zhuǎn)變溫度提高，形成粒界鐵素體GBF，其韌性較低Mo>0.5%時(shí)：A→F轉(zhuǎn)變溫度過(guò)分降低，形成板條狀無(wú)碳貝氏體組織，導(dǎo)致韌性降低Mo=0.2~0.35%時(shí)：形成細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體組織，從而使焊縫具有較高的韌性.4、鉬的作用一、冶金方面的控制Mo<0.2%時(shí)：5、稀土元素的作用輕稀土（又稱鈰組）： 鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)

重稀土（又稱釔組）： 鈧(Sc)、釔(Y)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)一、冶金方面的控制

稀土在鋼中的作用十分復(fù)雜，對(duì)于不同鋼種，它的作用也會(huì)有不同的效果，造成了在鋼中的作用不穩(wěn)定現(xiàn)象。 稀土是化學(xué)活性極強(qiáng)的元素，能與鋼中的合金元素發(fā)生相互作用，改善焊縫的組織以及夾雜物的形態(tài)和分布，從而提高焊縫的韌性。 我國(guó)稀土資源豐富，而且在這方面進(jìn)行了大量研究工作，取得了很好的效果。5、稀土元素的作用一、冶金方面的控制 稀土在鋼中的作用十分復(fù)通過(guò)焊條藥皮向焊縫中過(guò)渡一定量的重稀土元素釔(Y)，能明顯提高焊縫的韌性。釔的加入量存在一個(gè)最佳的范圍，否則焊縫韌性的改善效果將降低，而且這個(gè)范圍會(huì)受到焊條渣系、釔的加入形態(tài)以及試驗(yàn)條件等影響。一、冶金方面的控制 加入的輕稀土元素鈰(Ce)，可以富集在硅酸鹽夾雜物中而使其球化，并彌散分布，從而促進(jìn)針狀鐵素體的形核，抑制先共析鐵素體的生成，細(xì)化了焊縫組織，提高了焊縫金屬的韌性。 向焊縫中過(guò)渡微量的稀土元素蹄(Te)或硒(Se)，再配合少量的釔或鈰，可使鋼液表面活化，降低焊縫合氫量，在使夾雜物球化并彌散分布的同時(shí)，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，改善焊縫組織，提高焊縫金屬的韌性。通過(guò)焊條藥皮向焊縫中過(guò)渡一定量的重稀土元素釔(Y)，能明顯提

最后應(yīng)指出，焊縫的固溶強(qiáng)化（改變固態(tài)相變）和變質(zhì)處理是兩種不同的強(qiáng)韌化機(jī)制。合金元素的種類很多，所起的作用很復(fù)雜。有的主要是固溶強(qiáng)化（如Mn、Si等）有的主要是變質(zhì)處理（如Ti、B、Zr、稀土等）有的兼有兩種作用（如V、Nb、Mo等）一、冶金方面的控制 最后應(yīng)指出，焊縫的固溶強(qiáng)化（改變固態(tài)相變）和變質(zhì)處理是兩種二、工藝方面的控制工藝方面的控制——主要是指通過(guò)焊接工藝優(yōu)化和采取輔助工藝措施來(lái)改善焊縫金屬的組織和性能。1、焊接工藝優(yōu)化1）工藝參數(shù)調(diào)整通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)，可以控制焊接熱輸入 防止半熔化母樹(shù)晶粒的過(guò)分粗化，控制熔池的尺寸及溫度梯度，控制熔池的結(jié)晶形態(tài)、晶粒的大小及成長(zhǎng)方向，獲得晶粒細(xì)小的結(jié)晶組織，提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，能夠控制冷卻速度 控制焊縫的固態(tài)相變過(guò)程及其相變組織。對(duì)于低合金高強(qiáng)度鋼的焊縫來(lái)講，通過(guò)控制冷卻速度，可以抑制先共析鐵素體的形核與長(zhǎng)大，增加針狀鐵素體的含量，同時(shí)避免M—A組元及馬氏體的形成，達(dá)到提高焊縫強(qiáng)韌性的目的。二、工藝方面的控制工藝方面的控制——主要是指通過(guò)焊接工藝優(yōu)二、工藝方面的控制2）采用多層焊接 在板材厚度和坡口形式一定的條件下，采用小截面焊道的多層焊能顯著提高焊縫金屬的性能。原因：每層焊縫截面變小，降低了所需的焊接熱輸入，減小了熔池的過(guò)熱，改善了結(jié)晶條件，細(xì)化了晶粒；后一層對(duì)前一層焊縫有附加的熱處理作用，改善了焊縫的相變組織。二、工藝方面的控制2）采用多層焊接原因：每層焊縫截面變小，二、工藝方面的控制2、振動(dòng)結(jié)晶與錘擊處理（1）振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)結(jié)晶——是指采用采用機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)或電磁振動(dòng)等方法，破壞正在成長(zhǎng)的晶粒，增加非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，從而獲得細(xì)小的結(jié)晶組織。1）機(jī)械振動(dòng)：頻率10kHz以下，振幅小于2mm使熔池中正在成長(zhǎng)的晶粒遭到破碎；產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，促進(jìn)夾雜物的上浮及成分的均勻化；改善熔池的結(jié)晶組織，提高了焊縫的性能。

2）超聲振動(dòng)：頻率在20kHz以上，振幅只有0.1μm左右使正在成長(zhǎng)的晶粒受到拉壓交替的應(yīng)力而破碎，增加結(jié)晶的核心，細(xì)化焊縫的晶粒。消除氣孔、減少夾雜以及降低結(jié)晶裂紋傾向的作用，效果好于機(jī)械振動(dòng)，但由于成本較高而限制了它的工程應(yīng)用。二、工藝方面的控制2、振動(dòng)結(jié)晶與錘擊處理二、工藝方面的控制3）電磁振動(dòng)——是利用外加的強(qiáng)磁場(chǎng)使熔池中的液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌，使正在成長(zhǎng)的晶粒不斷受到剪應(yīng)力作用而破碎，從而打亂了結(jié)晶方向，改善了結(jié)晶形態(tài)，細(xì)化了晶粒，其效果如圖所示。二、工藝方面的控制3）電磁振動(dòng)——是利用外加的強(qiáng)磁場(chǎng)使熔池二、工藝方面的控制（2）錘擊處理

錘擊處理——是指通過(guò)錘擊焊縫表面來(lái)改善焊縫的組織和性能。 多層焊中，錘擊每一層焊縫(或坡口)表面，可使表面晶粒破碎。這在細(xì)化本層晶粒的同時(shí)，還使其后層焊縫在結(jié)晶時(shí)發(fā)生細(xì)化。BTR:脆性溫度區(qū)間(熱裂紋) 錘擊產(chǎn)生的塑性變形還可降低殘余應(yīng)力，從而提高焊縫的韌性及疲勞性能。二、工藝方面的控制（2）錘擊處理BTR:脆性溫度區(qū)間(熱裂

3、焊后熱處理1）跟蹤回火處理跟蹤回火處理——所謂跟蹤回火，就是每焊完一道焊縫立即用氣焊火焰加熱焊道表面，溫度控制在900~1000℃左右。 如果焊條電弧焊焊道的平均厚度約為3mm，則跟蹤回火對(duì)前三層焊縫均有不同程度的熱處理作用。二、工藝方面的控制最上層0~3㎜：相當(dāng)于正火處理中層3~6㎜：承受約750℃的高溫回火下層6~9㎜：受600℃左右的回火處理 這樣，除了表面一層外，每層焊道都相當(dāng)于進(jìn)行了一次焊后正火及不同次數(shù)的回火，組織與性能將有明顯的改善。 跟蹤回火使用中性焰，將焰心對(duì)準(zhǔn)焊道作“z”形運(yùn)動(dòng)，火焰橫向擺動(dòng)的寬度大于焊縫寬度2~3mm3、焊后熱處理二、工藝方面的控制最上層0~3㎜：相當(dāng)于二、工藝方面的控制2）整體或局部熱處理重要的焊接結(jié)構(gòu)：焊后可采用回火、正火或調(diào)質(zhì)等整體熱處理如：珠光體耐熱鋼電站設(shè)備、電渣焊的厚板結(jié)構(gòu)、中碳調(diào)質(zhì)鋼飛機(jī)起落架等。大型球罐可采用內(nèi)加熱、外保溫的技術(shù)進(jìn)行整體熱處理。難于采用整體熱處理的大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)：焊后采用局部熱處理如電站鍋爐的過(guò)熱器等，焊后可采用局部熱處理來(lái)改善焊縫的性能。

焊后采用整體或局部熱處理，不但可以消除殘余應(yīng)力，而且能改善焊縫和整個(gè)接頭的組織和性能。這種方法比較麻煩，耗能耗資比較大，不是在所有情況下都是可取的。二、工藝方面的控制2）整體或局部熱處理焊后采用整體１、焊接溶池凝固與一般鑄錠凝固有何不同的特點(diǎn)?２、試述熔池的結(jié)晶線速度與焊接速度的關(guān)系.３、簡(jiǎn)述熔池的結(jié)晶形態(tài),并分析結(jié)晶速度、溫度梯度和濃度對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響。4、試述低合金鋼焊縫固態(tài)相變的特點(diǎn)，根據(jù)組織特征如何獲得有益組織和避免有害組織?5、分析微量元素(Ｍo、Ｎb、Ｔi、Ｂ、Ｖ、稀土等)對(duì)焊縫性能的影響，并考慮它們之間的相互作用及分析原因。6、如何通過(guò)調(diào)整焊接工藝改善焊縫的性能。習(xí)題與思考１、焊接溶池凝固與一般鑄錠凝固有何不同的特點(diǎn)?習(xí)題與思考本章結(jié)束本章結(jié)束返回返回ENDEND材料成形原理（焊接部分）3熔池凝固與焊縫固態(tài)相變材料成形原理（焊接部分）33.1

熔池凝固3.1一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)1、體積小，冷卻速度大

在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3，重量不超過(guò)100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通?？蛇_(dá)4～100℃/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。電弧焊鋼錠體積重量冷卻速度≤30cm3≤100g4~100℃/s可達(dá)數(shù)m3幾噸~幾十噸3~150×10-4

℃/s一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)1、體積小，冷卻速度大 電弧焊鋼

2、溫差大、過(guò)熱溫度高因加熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度（熔池邊界的溫度梯度比鑄造時(shí)高103~104倍）。 例如，對(duì)于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)2100～2300℃，而熔池后部表面溫度只有1600℃左右，熔池平均溫度為1700±100℃。由于過(guò)熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。熔滴溫度熔池溫度鋼錠溫度2300±100℃

1770±100℃≤1550℃一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)2、溫差大、過(guò)熱溫度高熔滴溫度熔池溫度鋼錠溫度2300±3.液態(tài)金屬對(duì)流激烈熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)3.液態(tài)金屬對(duì)流激烈一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)4.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過(guò)渡到熔池中的熔滴一起在電弧吹力作用下，對(duì)流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開(kāi)始凝固。凝固過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。熔池的凝固速度相當(dāng)大，固—液界面的推進(jìn)速度，要比鑄件高10～100倍。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)焊縫的形成及熔池凝固

4.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)焊縫的形成及熔5.熔池周圍散熱條件好焊接熔池與其周圍的母材金屬之間直接接觸，不像鑄件那樣存在氣隙。焊接熔池的質(zhì)量相對(duì)于周圍母材金屬的質(zhì)量很小，母材金屬的“質(zhì)量效應(yīng)”促進(jìn)了熱量的吸收。焊接熔池界面處的導(dǎo)熱條件很好，使焊接熔池能在很高的冷卻速度下凝固。熔池邊界或凝固中的固液界面的溫度梯度可比鑄件高103~104倍。一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)5.熔池周圍散熱條件好一、熔池的凝固條件和特點(diǎn)二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過(guò)冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶過(guò)程。生核熱力學(xué)條件是過(guò)冷度而造成的自由能降低；生核的動(dòng)力學(xué)條件是自由能降低的程度。

二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)1.熔池中晶核的形成

熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核都需要能量。1）自發(fā)臨界晶核所需的能量б：新相與液相間的表面張力系數(shù)。ΔFr：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)液固兩相自由能之差。二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律2）非自發(fā)臨界晶核所需的能量θ：非自發(fā)晶核的浸潤(rùn)角θ=0℃，EK`=01.熔池中晶核的形成

熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 形成非自發(fā)晶核所需能量小，熔池中存在以下兩種現(xiàn)成表面，有助于非自發(fā)晶核的形成：

一是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)

焊接時(shí)，通過(guò)焊材加入一定量的合金元素（如銅、釩、鈦、鈮等），作為非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)，可細(xì)化晶核，改善性能。二是熔合區(qū)半熔化的晶粒表面

非自發(fā)晶核依附在這個(gè)表面上，以柱狀晶的形態(tài)向熔池中心成長(zhǎng)。這種依附于母材晶?，F(xiàn)成表面而形成共同晶粒的凝固方式，稱為聯(lián)生結(jié)晶(也稱外延生長(zhǎng))。聯(lián)生結(jié)晶二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 形成非自發(fā)晶核所需能量小，熔池中存(a)(b)母材焊縫邊界柱狀晶2、熔池中晶核長(zhǎng)大一般情況下，熔池結(jié)晶以聯(lián)生結(jié)晶為主，長(zhǎng)大過(guò)程遵循擇優(yōu)生長(zhǎng)原則：每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)晶取向,對(duì)于立方點(diǎn)陣的金屬（Fe,Ni,Cu,Al），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)?lt;100>。溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長(zhǎng)的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度G最大。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向<100>與散熱最快方向（最大溫度梯度）一致時(shí)，則最有利于晶粒長(zhǎng)大，可一直長(zhǎng)至熔池中心形成粗大的柱狀晶體。當(dāng)晶體取向不利于長(zhǎng)大，與散熱最快方向不一致時(shí)，晶粒的成長(zhǎng)就停止下來(lái)。這種現(xiàn)象就是焊縫中柱狀樹(shù)枝晶的擇優(yōu)成長(zhǎng)。二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律(a)(b)母材焊縫邊界柱狀晶2、熔池中晶核長(zhǎng)大二、熔池結(jié)三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化

1、成長(zhǎng)方向彎曲柱狀晶熔池的外形為橢球狀曲面，亦即結(jié)晶等溫面，散熱方向垂直于等溫面，成長(zhǎng)方向也垂直于結(jié)晶等溫面，因此晶粒長(zhǎng)大主軸是彎曲的。三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化1、成長(zhǎng)方向2、成長(zhǎng)速度

R=υcosψR(shí)—晶粒生長(zhǎng)線速度υ—焊接速度Ψ—晶粒生長(zhǎng)方向與熔池移動(dòng)方向的夾角三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化晶粒生長(zhǎng)線速度是變化的：焊縫邊緣：ψ=90°，cosψ=0，R=υcosψ=0；焊縫中心：ψ=0°，cosψ=1，R=υcosψ=υ。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長(zhǎng)的有利方向也隨之變化，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。

2、成長(zhǎng)速度三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化晶粒生長(zhǎng)線速度是焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)形態(tài)有影響 焊接速度越小，ψ越小，晶粒主軸越彎曲； 焊接速度越大，ψ越大，晶粒主軸越垂直焊縫中心。三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化焊接速度快焊接速度慢 最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)夾雜物易被推移到焊縫中心區(qū)域，形成脆弱的結(jié)合面，因此垂直于焊縫中心線的柱狀晶，易導(dǎo)致縱向熱裂紋的產(chǎn)生。 焊接速度大時(shí)，焊接熔池長(zhǎng)度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線生長(zhǎng);焊接速度越慢,柱狀晶越彎曲。焊接速度對(duì)晶粒生長(zhǎng)形態(tài)有影響三、柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化四、熔池結(jié)晶的形態(tài)1、過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差。熱過(guò)冷：純金屬凝固時(shí)，理論凝固溫度（熔點(diǎn)）不變，過(guò)冷度完全取決于實(shí)際溫度分布，這樣的過(guò)冷叫熱過(guò)冷。成分過(guò)冷：在合金凝固時(shí)，實(shí)際溫度分布一定，由于液相中溶質(zhì)分布變化改變了液相的熔點(diǎn)，此時(shí)過(guò)冷由成分變化與實(shí)際溫度這兩個(gè)因素共同決定，稱為成分過(guò)冷。成分過(guò)冷形成的條件四、熔池結(jié)晶的形態(tài)1、過(guò)冷現(xiàn)象成分過(guò)冷形成的條件a)不同的成分過(guò)冷情況

b)無(wú)成分過(guò)冷平面晶C)窄成分過(guò)冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過(guò)冷區(qū)間較寬柱狀樹(shù)枝晶

e)寬成分過(guò)冷內(nèi)部等軸晶四、熔池結(jié)晶的形態(tài)G-正溫度梯度；T-實(shí)際結(jié)晶溫度線2、成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響a)不同的成分過(guò)冷情況b)無(wú)成分過(guò)冷平面晶隨“成分過(guò)冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹(shù)枝晶(柱狀樹(shù)枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹(shù)枝晶)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)GL—界面前沿液相的實(shí)際溫度梯度R—晶體生長(zhǎng)速度快隨“成分過(guò)冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：四、熔池結(jié)晶的形態(tài)3、焊接條件下的結(jié)晶形態(tài)焊縫邊緣：G較大，R又較小，過(guò)冷度較??；焊縫中心：G較小，R較大，過(guò)冷度較大；隨著過(guò)冷度變化，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹(shù)枝狀晶、等軸晶四、熔池結(jié)晶的形態(tài)熔合區(qū)柱狀晶區(qū)焊縫區(qū)R大，G小R小，G大3、焊接條件下的結(jié)晶形態(tài)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)熔合區(qū)柱狀晶區(qū)焊四、熔池結(jié)晶的形態(tài)四、熔池結(jié)晶的形態(tài)3.2

焊縫固態(tài)相變3.2一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫含碳量較低。組織為：F（鐵素體）+P（少量珠光體）當(dāng)晶粒粗大且過(guò)熱時(shí)，有W（魏氏組織）改善組織方法：1）多層焊：使焊縫獲得細(xì)小和少量珠光體，使柱狀晶組織破壞。2）焊后熱處理：加熱A3以上20~30℃，柱狀晶消失。3）冷卻速度：冷卻速度↑，硬度↑低碳鋼焊縫的魏氏組織一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織低碳鋼焊縫含碳量較低。低碳鋼焊一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織焊縫化學(xué)成分相同時(shí)，在不同的冷卻速度下，低碳鋼焊縫中鐵素體和珠光體的比例有很大差別。冷卻速度越大，焊縫中的珠光體越多，越細(xì)，同時(shí)焊縫的硬度增高。一、低碳鋼焊縫的固態(tài)相變組織焊縫化學(xué)成分相同時(shí)，在不同的冷二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織

低合金鋼焊縫二次組織，隨匹配焊接材料化學(xué)成分和冷卻條件的不同，可由不同的組織。以F為主，P、B、M占次要地位。

根據(jù)低合金鋼焊縫化學(xué)成分和冷卻條件不同，可能出現(xiàn)以下四種固態(tài)轉(zhuǎn)變組織：

1）鐵素體轉(zhuǎn)變2）珠光體轉(zhuǎn)變3）貝氏體轉(zhuǎn)變4）馬氏體轉(zhuǎn)變低合金鋼焊縫的組織形態(tài)分類二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織 低合金鋼焊縫二次組織，隨1、鐵素體（Ferrite，簡(jiǎn)稱F）轉(zhuǎn)變

低合金鋼中的鐵素體形態(tài)比較復(fù)雜，根據(jù)形成條件不同，可分為：

先共析鐵素體（ProeutectoidFerrite，簡(jiǎn)稱FP） 側(cè)板條鐵素體（FerriteSidePlate，簡(jiǎn)稱FSP） 針狀鐵素體（AcicularFerrite，簡(jiǎn)稱AF） 細(xì)晶鐵素體（FineGrainFerrite，簡(jiǎn)稱FGF） 焊接條件下影響焊縫組織的因素多而復(fù)雜，上述幾種鐵素體的基本型態(tài)在焊縫中往往同時(shí)存在，有時(shí)還可能得到珠光體、貝氏體、甚至馬氏體組織。而且這幾種鐵素體在低碳鋼焊縫中也會(huì)出現(xiàn)，只是所占比例不同。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織1、鐵素體（Ferrite，簡(jiǎn)稱F）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫的二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織先共析鐵素體FP形態(tài)：長(zhǎng)條形或多邊形塊狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織先共析鐵素體FP形態(tài)：長(zhǎng)條形或多邊形塊狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織側(cè)板條鐵素體FSP形態(tài)：板條狀二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織側(cè)板條鐵素體FSP針狀鐵素體AF細(xì)晶鐵素體FGF+P二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織針狀鐵素體AF細(xì)晶鐵素體FGF+P二、低合金鋼焊縫的固2、珠光體（Pearite，簡(jiǎn)稱P）轉(zhuǎn)變接近平衡狀態(tài)：如預(yù)熱、緩冷和后熱等。珠光體轉(zhuǎn)變溫度Ar1~550℃，此時(shí)C、Fe原子擴(kuò)散比較容易。珠光體轉(zhuǎn)變屬擴(kuò)散型相變。（P是F和Fe3C的層狀混合物領(lǐng)先相Fe3C）焊接狀態(tài)：

非平衡轉(zhuǎn)變，得到P量少，珠光體轉(zhuǎn)變量小。 若有B、Ti合金元素，則P轉(zhuǎn)變?nèi)勘灰种?。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織2、珠光體（Pearite，簡(jiǎn)稱P）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織P+F粒P+針狀鐵素體

AF二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織P+F粒P+針狀鐵素體AF3、貝氏體（Bainite，簡(jiǎn)稱B）轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變屬中溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度約在550℃~Ms之間，此時(shí)合金元素已不能擴(kuò)散，只有碳還能擴(kuò)散。在焊接條件下焊縫金屬中的貝氏體轉(zhuǎn)變極其復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)多種非平衡條件下的過(guò)渡組織。根據(jù)它們形成的溫度區(qū)間及其特征可分為：

上貝氏體（UpperBainite，簡(jiǎn)稱Bu）下貝氏體（LowerBainite，簡(jiǎn)稱BL）粒狀貝氏體（GrainBainite，簡(jiǎn)稱BG） 無(wú)碳貝氏體（Carbide-free

Bainite，簡(jiǎn)稱Bc）這幾種貝氏體的形態(tài)是逐漸過(guò)渡的，沒(méi)有鮮明的區(qū)分，主要根據(jù)鐵素體的形態(tài)和碳化物在貝氏體中的分布狀態(tài)加以區(qū)別。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織3、貝氏體（Bainite，簡(jiǎn)稱B）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼焊縫二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織4、馬氏體（Martensite，簡(jiǎn)稱M）轉(zhuǎn)變

含碳量偏高或合金元素較多時(shí)，在快速冷卻條件下，奧氏體過(guò)冷到Ms溫度以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度己很低，鐵和碳原子己失去擴(kuò)散能力，所以馬氏體轉(zhuǎn)變是屬無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。根據(jù)含碳量不同，有兩種形態(tài)的馬氏體：1）板條馬氏體（LathMartensite）在低碳低合金鋼焊縫中，當(dāng)冷卻速度很快時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)這種馬氏體。這種馬氏體的含碳量低，故又稱低碳馬氏體。低碳馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)也具有良好的韌性。這是因?yàn)榘鍡l馬氏體有發(fā)生“自回火”現(xiàn)象。2）片狀馬氏體（PlateMartensite）焊縫中含碳量大于0.4%，又稱高碳馬氏體。粗大，經(jīng)常貫穿奧氏體晶粒內(nèi)部。 透射電鏡觀察，片M存在許多細(xì)小平行帶紋－孿晶帶，又稱為孿晶馬氏體。硬度高、脆。二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織4、馬氏體（Martensite，簡(jiǎn)稱M）轉(zhuǎn)變二、低合金鋼二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（簡(jiǎn)稱WM—CCT圖）對(duì)于預(yù)測(cè)焊縫的組織及調(diào)節(jié)焊縫的性能具有重要的意義二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織低合金鋼焊縫金屬連續(xù)冷卻組織合金元素和含氧量對(duì)焊接CCT圖的影響二、低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織合金元素和含氧量對(duì)焊接CCT圖的影響二、低合金鋼焊縫的固態(tài)3.3

焊縫性能的控制3.3

控制焊縫性能是控制焊接質(zhì)量的主要目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的焊縫首先要保證性能滿足使用要求。 焊縫性能是由化學(xué)成分與組織決定的；具有相同化學(xué)成分的焊縫金屬，由于結(jié)晶形態(tài)和組織不同，性能上會(huì)有很大的差別。因此焊縫性能控制的任務(wù)必然落在焊縫組織的控制上。 在焊接生產(chǎn)中，通過(guò)控制焊縫組織，不但要保證焊縫具有足夠高的強(qiáng)度，而且還要保證焊縫具有足夠高的韌性，就是使焊縫具有良好的綜合力學(xué)性能。 焊縫組織的控制主要通過(guò)冶金方面和工藝方面的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。焊縫性能的控制 控制焊縫性能是控制焊接質(zhì)量的主要目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的焊縫首先要保證一、冶金方面的控制改善焊縫金屬凝固組織的有效方法之一就是向焊縫中添加某些合金元素，起固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理的作用；根據(jù)目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改變凝固組織的形態(tài)，從而提高了焊縫金屬的性能，特別是近年來(lái)采用了多種微量合金元素，大幅度地提高了焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。研究表明，通過(guò)焊接材料(焊條、焊絲和焊劑等)向熔池中加入細(xì)化晶粒的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土等，可以改變結(jié)晶形態(tài)。使焊縫金屬的晶粒細(xì)化，既可提高焊縫的強(qiáng)度和韌性，又可改善抗裂性能。一、冶金方面的控制改善焊縫金屬凝固組織的有效方法之一就是向焊一、冶金方面的控制1、錳和硅的作用作用：1）脫氧；2）固溶強(qiáng)化；3）含量合適時(shí)可提高韌性由圖看出：增加Mn、Si的含量，可以降低焊縫中的含氧量但對(duì)韌性并不有利。這里更重要的是改變了焊縫的組織，從而使其具有較高的韌性。一、冶金方面的控制1、錳和硅的作用由圖看出：增加Mn、Si的一、冶金方面的控制對(duì)錳—硅系焊縫金屬來(lái)講：1）當(dāng)焊縫中錳和硅的含量較低時(shí)，焊縫組織為粗大的先共析鐵素體，其韌性較低；2）當(dāng)焊縫中錳和硅的含量較高時(shí)，焊縫組織為側(cè)板條鐵素體，其韌性也較低；3）只有當(dāng)錳和硅的含量處于適中范圍時(shí)，才能得到由細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體組成的焊縫組織，從而具有較高的韌性。一、冶金方面的控制對(duì)錳—硅系焊縫金屬來(lái)講：2、鈮和釩（Nb、V）的作用適當(dāng)?shù)腘b和V,焊縫韌性↑

Nb、V在焊縫金屬中可固溶，推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，能夠抑制焊縫中現(xiàn)共析鐵素體的產(chǎn)生，而激發(fā)形成細(xì)小的針狀鐵素體AF組織固定氮的作用

Nb和V還可以與焊縫中的氮化合成氮化物(NbN，VN)，從而固定了焊縫中的可溶性氮，這也會(huì)使焊縫金屬提高韌性通過(guò)正火處理，改善焊縫韌性

采用Nb和V來(lái)韌化焊縫，當(dāng)焊后不再進(jìn)行正火處理時(shí)，V和Nb的氮化物，以微細(xì)共格沉淀相存在，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度大幅度提高，致使焊縫的韌性下降

因此，一般不加Nb和V一、冶金方面的控制2、鈮和釩（Nb、V）的作用一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制3、鈦和硼的作用

Ti和B同時(shí)存在可提高焊縫韌性Ti與氧的親和力很大，以微小顆粒氧化物TiO彌散分布，可以作為“釘子”位于晶粒邊界，阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化。B原子半徑小，在Ti的保護(hù)作用下得以自由存在，在高溫下向奧氏體晶界擴(kuò)散，在晶界沉淀聚集而降低晶界擴(kuò)散，使晶界奧氏體的穩(wěn)定性增大，抑制先共析鐵素體（包括粒界鐵素體GBF和側(cè)板條鐵素體FSP）的形成，從而使轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度向低溫方向移動(dòng)，促使形成針狀鐵素體，改善韌性。一、冶金方面的控制3、鈦和硼的作用一、冶金方面的控制一、冶金方面的控制合適加入量：Ti＝0.01~0.02%B=0.002~0.006%.當(dāng)鈦和硼的含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使奧氏體的分解溫度過(guò)分降低，導(dǎo)致低溫產(chǎn)物上貝氏體甚至馬氏體的生成，從而使焊縫韌性降低一、冶金方面的控制合適加入量：Ti＝0.01~0.02%4、鉬的作用

在低合金鋼焊縫中只要加入少量的鉬，就能降低奧氏體的分解溫度，抑制先共析鐵素體的形成，從而提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。但其含量有一個(gè)最佳范圍，只有在這個(gè)范圍內(nèi)，其作用效果才最佳。一、冶金方面的控制Mo<0.2%時(shí)：A→F轉(zhuǎn)變溫度提高，形成粒界鐵素體GBF，其韌性較低Mo>0.5%時(shí)：A→F轉(zhuǎn)變溫度過(guò)分降低，形成板條狀無(wú)碳貝氏體組織，導(dǎo)致韌性降低Mo=0.2~0.35%時(shí)：形成細(xì)晶鐵素體和針狀鐵素體組織，從而使焊縫具有較高的韌性.4、鉬的作用一、冶金方面的控制Mo<0.2%時(shí)：5、稀土元素的作用輕稀土（又稱鈰組）： 鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)

重稀土（又稱釔組）： 鈧(Sc)、釔(Y)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)一、冶金方面的控制

稀土在鋼中的作用十分復(fù)雜，對(duì)于不同鋼種，它的作用也會(huì)有不同的效果，造成了在鋼中的作用不穩(wěn)定現(xiàn)象。 稀土是化學(xué)活性極強(qiáng)的元素，能與鋼中的合金元素發(fā)生相互作用，改善焊縫的組織以及夾雜物的形態(tài)和分布，從而提高焊縫的韌性。 我國(guó)稀土資源豐富，而且在這方面進(jìn)行了大量研究工作，取得了很好的效果。5、稀土元素的作用一、冶金方面的控制 稀土在鋼中的作用十分復(fù)通過(guò)焊條藥皮向焊縫中過(guò)渡一定量的重稀土元素釔(Y)，能明顯提高焊縫的韌性。釔的加入量存在一個(gè)最佳的范圍，否則焊縫韌性的改善效果將降低，而且這個(gè)范圍會(huì)受到焊條渣系、釔的加入形態(tài)以及試驗(yàn)條件等影響。一、冶金方面的控制 加入的輕稀土元素鈰(Ce)，可以富集在硅酸鹽夾雜物中而使其球化，并彌散分布，從而促進(jìn)針狀鐵素體的形核，抑制先共析鐵素體的生成，細(xì)化了焊縫組織，提高了焊縫金屬的韌性。 向焊縫中過(guò)渡微量的稀土元素蹄(Te)或硒(Se)，再配合少量的釔或鈰，可使鋼液表面活化，降低焊縫合氫量，在使夾雜物球化并彌散分布的同時(shí)，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，改善焊縫組織，提高焊縫金屬的韌性。通過(guò)焊條藥皮向焊縫中過(guò)渡一定量的重稀土元素釔(Y)，能明顯提

最后應(yīng)指出，焊縫的固溶強(qiáng)化（改變固態(tài)相變）和變質(zhì)處理是兩種不同的強(qiáng)韌化機(jī)制。合金元素的種類很多，所起的作用很復(fù)雜。