熔池凝固與焊縫組織

材料焊接冶金原理與工藝主講：陳樹海E-mail:shchen@電話4章熔池凝固與焊縫組織4.1焊接熔池的結(jié)晶形核4.2焊接熔池的晶核長大4.3焊縫的凝固組織4.4焊縫金屬的不均勻性4.5焊縫金屬的固態(tài)轉(zhuǎn)變運動狀態(tài)體積小、冷卻速度大。比普通鋼錠的冷卻速度大10000倍。熔池邊緣到中心溫度梯度高。過熱焊接熔池經(jīng)歷高溫熱過程，合金元素燒損比較嚴重。熔池隨焊接熱源移動；熔池中液體金屬在各種力的作用下處于流動狀態(tài)。焊接熔池結(jié)晶的特點4.1焊接熔池的形核4.1.1自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核是指新相晶核在液相中直接生成，即晶核由液相中的一些原子團直接形成，新相在液相中是均勻形核的，又稱作均勻形核；非自發(fā)形核有時又稱做異質(zhì)形核，是指新相優(yōu)先依附在液相中的雜質(zhì)表面或外來表面形核，形核是不均勻的，也稱為非均勻形核。無論是自發(fā)形核還是非自發(fā)形核，都將引起體系的自由能發(fā)生變化。一方面，從液態(tài)形成固態(tài)晶核將使體系自由能降低，是形核的驅(qū)動力；另一方面，晶核形成所構(gòu)成的新的界面又會引起體系自由能增加，是形核的阻力。只有當晶核達到某一臨界尺寸時，其長大才能使體系自由能降低，因而可以繼續(xù)生長。根據(jù)熱力學原理可以導出該臨界晶核尺寸：或為臨界晶核的半徑（對自發(fā)形核，為臨界球形晶核半徑；對非自發(fā)形核，為臨界球冠狀晶核的曲率半徑）；σ為新相與液相間的界面張力；

為等溫、等壓條件下單位體積液、固兩相自由能差；

為液、固兩相的平衡溫度；

為過冷度；

為體積凝固焓變（熔化潛熱）。自發(fā)形核需要克服的能量為：非自發(fā)形核需要克服的能量為：非自發(fā)形核示意圖4.1.2焊接熔池的形核機制焊接熔池的結(jié)構(gòu)熔池；部分熔化區(qū)；部分凝固區(qū)1、焊接熔池的結(jié)構(gòu)2、形核機制熔合區(qū)基體金屬表面在熔合區(qū)附近被加熱到半熔化狀態(tài)的基體金屬表面直接形核，形核所需克服的能壘非常低。焊縫金屬成分和晶體結(jié)構(gòu)與基體（母材）金屬相近甚至基本相同時，焊縫金屬對基體金屬表面的潤濕角幾乎為零。意味著新晶核的形成不需要克服任何能壘，實際上是一種直接長大，稱為“聯(lián)生結(jié)晶”或“外延生長”當焊縫金屬成分和結(jié)構(gòu)與基體差異較大時，在現(xiàn)有基體晶粒表面結(jié)晶形核所需要的能量仍然是比較低的，除非焊縫金屬對母材完全不潤濕。枝晶破碎熔池內(nèi)發(fā)生強烈的對流和攪拌可能使部分凝固區(qū)的枝晶破碎，可能成為新晶粒形成的晶核晶粒分離對流和攪拌作用還可能使部分熔化區(qū)內(nèi)的晶粒分離出來，進入熔池后端，成為新晶粒形成所需要的晶核熔池形核機制示意圖：(a)熔池俯視圖；(b)熔池縱剖側(cè)視圖異質(zhì)形核焊縫金屬中往往含有形成高熔點質(zhì)點趨勢較大的合金元素，形核發(fā)生在焊縫中心，具有細化焊縫晶粒的作用。表面形核焊接過程中，熔池后端熱源位置之外的熔池表面冷卻快、溫度較低，容易形成深度過冷，引發(fā)表面形核。焊縫等軸晶中的異質(zhì)晶核：(a)6061鋁合金鎢極氣體保護電弧焊焊縫等軸晶中心的TiB2異質(zhì)晶核；(b)AISI430Ti鐵素體不銹鋼激光焊焊縫等軸晶中心的異質(zhì)晶核（Ti的氮化物或氧化物）4.2焊接熔池的晶核長大4.2.1凝固過程中的成分過冷平衡分配系數(shù)的定義：(a)<1；(b)>1“平衡分配系數(shù)”（或稱“平衡偏析系數(shù)”）在平衡凝固條件下表征了固、液兩相間的溶質(zhì)分配。定義平衡分配系數(shù)

：考慮一個k<1的合金系，由于液相中擴散速率有限，被固相排出的溶質(zhì)將在凝固界面前沿液相中形成一個聚集層。溶質(zhì)富集層中任意一點的成分為：或式中R為凝固速率，DL為液相中溶質(zhì)的擴散系數(shù)，x為到凝固界面的距離當x=DL/R，降到最大值的1/e。習慣上定義溶質(zhì)富集層厚度為：成分過冷的形成假定分配系數(shù)為常數(shù)，根據(jù)的幾何關(guān)系不難導出固液界面前沿溶質(zhì)富集層中液相線的溫度分布：成分過冷形成的條件：即當合金系確定時，G/R值越小，越容易形成成分過冷；當凝固條件（G/R）確定時，溶質(zhì)含量越高，越容易形成成分過冷，液相中溶質(zhì)的擴散系數(shù)越大，越容易形成成分過冷。4.2.2凝固結(jié)晶形態(tài)1、平面結(jié)晶當固液界面前沿溫度梯度G為正且比較大時，不與固液界面前沿實際液相線溫度T相交，因此不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。此時，凝固所釋放的熱量全部靠界面后方的固體輸運，使結(jié)晶界面緩慢地向前推移，結(jié)晶呈平面形態(tài)，稱為平面結(jié)晶。平面結(jié)晶：(a)成分過冷條件；(b)結(jié)晶形態(tài)2、胞狀結(jié)晶當液固前沿溫度梯度G與實際液相線溫度T有少量的相交，即具有較小成分過冷時，便出現(xiàn)胞狀結(jié)晶。此時平面結(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液體內(nèi)，斷面是六角形的胞狀結(jié)晶形態(tài)，如同細胞或蜂窩狀。胞狀結(jié)晶形態(tài)：(a)成分過冷條件；(b)結(jié)晶形態(tài)3、胞狀樹枝結(jié)晶

當成分過冷較大時，界面上凸起部分能夠深入液體內(nèi)部較長的距離。與此同時，凸起部分也向周圍排釋溶質(zhì)，于是在橫向也產(chǎn)生了成分過冷，從主干向橫向方向伸出短小的二次橫枝。但由于主干的間距較小，所以二次橫枝也比較短，這樣就形成了特殊的胞狀樹結(jié)晶。

胞狀樹枝結(jié)晶形態(tài)：(a)成分過冷條件；(b)結(jié)晶形態(tài)4、樹枝狀結(jié)晶

當成分過冷進一步增大，即固液前沿溫度梯度G與實際液相線溫度T相交的面積很大時，在一個晶體內(nèi)除產(chǎn)生一個很長的主干之外，還向四周伸出二次橫枝，因而形成了明顯的樹枝狀結(jié)晶樹枝結(jié)晶形態(tài)：(a)成分過冷條件；(b)結(jié)晶形態(tài)5、等軸結(jié)晶

當液相中的溫度梯度G很小，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結(jié)晶前沿形成樹狀結(jié)晶，同時也能在液相的內(nèi)部生核，產(chǎn)生新的晶核。這些晶核的四周不受阻礙，可以自由成長，形成等軸晶。等軸結(jié)晶形態(tài)：(a)成分過冷條件；(b)結(jié)晶形態(tài)四溴化碳的平面結(jié)晶四溴化碳的胞狀結(jié)晶四溴化碳的樹枝狀結(jié)晶環(huán)已醇的等軸枝晶結(jié)晶G、R和C0對焊縫結(jié)晶形態(tài)的影響結(jié)晶形態(tài)取決于液固界面前沿的成分過冷程度，對于一個確定的合金系，成分過冷的程度與固液界面前沿溫度梯度

、凝固速率

和合金中溶質(zhì)的濃度

的綜合作用：當結(jié)晶速度

和溫度梯度確定時，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?yōu)榘麪罹?、胞狀樹枝晶、樹枝次晶、最后到等軸晶；當合金中溶質(zhì)的濃

一定時，結(jié)晶速度

越快，成分過冷的程度越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面晶過渡到胞晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶；當合金中溶質(zhì)濃度

和結(jié)晶速度

一定時，隨液相溫度梯度的提高，成分過冷的程度減小，結(jié)晶形態(tài)由等軸晶、樹枝晶逐步演變到平面晶。4.2.3焊接熔池結(jié)晶形態(tài)熔池溫度分布示意圖熔池從t到t+dt時刻的移動距離與熔池后端邊界上任一點

P在相同時間內(nèi)的凝固距離之間的關(guān)系，有：整理得和通常差異并不大。當時：凝固速率R與焊接速度V的關(guān)系熔池后端邊界上溫度梯度G和凝固速率R的分布示意圖在焊縫中心線熔池邊界C點，R最大，而G最??；在焊縫兩側(cè)熔池邊界B點，R最小，而G最大。從焊縫兩側(cè)熔池邊界到焊縫中心線熔池邊界，成分過冷的程度是增大的；在焊縫兩側(cè)熔池邊界位置，幾乎不存在成分過冷，而在焊縫中心線熔池邊界位置，成分過冷非常大。焊接熔池結(jié)晶形態(tài)的分布在焊縫兩側(cè)熔池邊界，由于基本不存在成分過冷，凝固結(jié)晶只能以平面形態(tài)緩慢推進；而在焊縫中心線熔池邊界，由于過冷度非常大，凝固常常以等軸晶（等軸樹枝晶）形態(tài)進行；從焊縫兩側(cè)熔池邊界位置到焊縫中心線熔池邊界位置，顯微結(jié)晶形態(tài)依次是平面晶、胞狀晶、樹枝晶和等軸晶等，在胞狀晶和樹枝狀晶之間，有時還會出現(xiàn)胞狀樹枝晶。其中，平面晶、胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶均呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)。4.2.3聯(lián)生結(jié)晶與競爭生長

當焊縫金屬成分和晶體結(jié)構(gòu)與基體（母材）金屬相近甚至基本相同時，熔池凝固過程中最常見的一種形核機制是在熔合區(qū)附近被加熱到半熔化狀態(tài)的基體金屬晶粒表面直接形核，這種熔化的焊縫金屬直接在現(xiàn)有晶粒上長大的現(xiàn)象，稱為“聯(lián)生結(jié)晶”或“外延生長”。

競爭生長：在熔池凝固過程中，那些最容易生長方向與最大溫度梯度方向一致的晶粒生長最快，因此能夠得到充分生長，