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1、第三章 焊缝金属的结晶天津大学 王惜宝熔池结晶过程研究目的：防止气孔、夹杂、偏析、结晶裂 纹防止晶体缺陷第一节 熔池结晶特点和形态一、特殊性1.体积小、冷速大产生淬硬、粒状晶等组织2.过热 金属烧损严重非自发形核小3.运动状态下结晶（如图3-2）二、熔池结晶的一般规律1.形核自发形核所需能量：其中：新相-液相界面张力Fv 单位体积内固液两相自由能之差非自发形核所需能量：=0 Ek=0 现成晶核=180Ek=Ek 全自发形核固-液界面张力差越小，越小，同时越小，故Ek越小熔池中的现成表面悬浮质点熔合线上半熔化的晶粒联生结晶（交互结晶）结晶的主要方式 2.晶核生长晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞
2、取向一致，位向有序晶粒生长有方向性，某一方向的生长速度最大，当最大的生长速度方向与最大温度梯度方向（最快散热方向）一致时，可优先长成，不一致时会中止生长三、熔池结晶线速度1.晶粒主轴生长线速度(Vc)分析晶粒生长线速度分析图（如图3-8）在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，则dx/dt=V（焊接速度）， 此时该晶粒生长由AC，变化ds，则 ds/dt=Vc,当dt0时，BC 垂直于AC，则 即：cos取决于焊接规范和材料的热物理性质及 形状 cos值的确定厚大件：薄件：对Vc的讨论=0时，Vc=V(最大处中心线）=90时，Vc=0即晶粒生长速度是变化的V，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱
3、的结 合线，产生纵向裂纹 VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速四、熔池结晶的形态1.分类2.纯金属的结晶形态正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要 ）负的温度梯度：生长速度快，除主轴外， 还有分枝，生成树枝晶（较少）3.固溶体的结晶形态（如图3-16）温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高， 液相温度低成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低 ，快速结晶时，易出现树枝晶3.成分过冷对结晶形态的影响平面结晶 （如图3-18）GT胞状结晶 （如图3-20）G与T少量相交胞状树枝结晶（如图3-22）（Flash演示）G与T相交较大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质，故横向也出现分枝树枝状结晶 （如图3-
4、24）（Flash演示）当成分过冷进一步增大，树枝晶显著等轴结晶 （如图3-26）液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也 形成树枝晶等轴晶综合（如图3-28）当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓 度的提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶 变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶 当合金中溶质的浓度C0一定时，结晶速度R越快，成 分过冷的程度越大，结晶形态也可由平面品过渡到胞状晶、树枝状晶，最后到等 轴晶当合金中溶质浓度C0和结晶速度R一定时，随液相温 度梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的 演变方向恰好相反，由等轴晶、树枝品逐步演变到平面 晶 五、焊
5、缝的化学不均匀性1.焊缝中的化学不均匀性显微偏析：先结晶C0低，后结晶C0高，即晶粒中心C0高，边缘低原因：冷却速度快，来不及均匀化要求细晶化，降低偏析区域偏析熔池中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶的结果层状偏析结晶（熔滴过渡）的周期性所致2.熔合区的化学不均匀性熔合区的形成母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区熔合区熔化不均（传热、晶粒散热）熔合区宽度熔合区成分分布（如图3-39)在液相中的溶解度在固相中的溶解度故：固相浓度 界面 液相浓度C0 - C C0 + C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是S、P、C、B、O、N等熔合区还存在物理不均匀（组织、性能）第二节 焊缝金属的一
6、次结晶组织 一、焊接条件下的凝固结晶形态1.理论上 熔合线处：G最大、R最小平面晶中心处：G最小、R最大等轴晶2.实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关）成分板厚和接头形式焊接速度vR,熔合线处G,焊缝中心处G出现大量等 轴晶 （否则出现胞状晶或树枝晶）焊接电流IG,胞状晶粗大树枝状晶二、凝固组织形态对性能的影响生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂都有影响 三、焊缝金属的性能的改善措施1.固溶强化和变质处理加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te 等2.振动结晶机械振动、高频超声振动、电磁振动3.焊接工艺焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪回火等第三节 焊缝固态相变一
7、、低碳钢焊缝 组织特征：F+少量P,A晶界析出 F，有时F呈魏氏组织形态魏氏组织特征：铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，也可从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短不一的针状或片条状，可直接插入珠光体晶粒之中，一般经A3点以上2030 正火后，柱状晶可消除冷速不同，组织不同：冷速增加，P增多，F减少，硬度升高二、低合金钢的固态相变1.总的来说，以F+P为主，有时出现B及M,与焊 材及工艺有关2.铁素体（F）转变粒界F（高温转变900-700）：为先共析F,由奥 氏体晶界析出向晶内生长，呈块状侧板条F（700-550）：由奥氏体晶界形核，以 板条状向晶内生长（由于F形成温度较高，F内含碳 极低，故又
8、称为无碳贝氏体）针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥实 体内形成细晶F：奥氏体晶内形成，有细晶元素（Ti、B）出现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体3.珠光体（P）转变一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或 粒状的珠光体原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C 扩散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构 4.贝氏体（B）转变上贝氏体（B下）转变形成温度：450-550形态：羽毛状形成机理 下贝氏体（B下）转变转变温度：450-Ms形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针 与针之间呈一定的角度 形成机理粒状贝氏体（B粒）形成温度高于上贝氏体形态：无碳铁素体包围着富碳物质转变
9、产物：F + Cm、M-A组织或残余奥氏体5.马氏体(M)转变低碳马氏体（板条马氏体）转变温度：MS温度以下 形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条，条与条之间有一定的交角 形成机理：位错高碳马氏体（片状马氏体）形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶三、改善焊缝组织的途径1.焊后热处理改善焊缝和HAZ的性能2.多层焊单道焊缝变小，改善结晶条件后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用3.锤击细化前一层的晶粒降低后层焊缝熔合线形核晶粒降低应力4.跟踪回火第四节 焊缝中的气孔和夹杂一、气孔（一）气孔的类型及其分布特征1.气孔的类型及形成原因类型：表面
10、气孔、内部气孔形成原因结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在焊缝内部的气体（H2、N2）冶金反应产生的不溶于金属的气体（CO、H2O ）2.氢（H）气孔出现在低合金焊缝中，大都为表面气孔，含H2O多时，也会出现在内部形状表面气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状内部气孔：圆球状形成原因在相邻树枝晶的凹陷最深处是氢气泡的胚胎场所 ， 冷却中，氢的溶解度从液态下32ml/100g下降到固态下 的10ml/100g,由于焊接熔池冷却快，H2来不及逸出时 ，就会形成气孔。氢由于受到表面的吸附作用，液体 的粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综合作 用下，形成具有喇叭形的表面气孔2.氮（N）气孔一般
11、在表面成堆出现，呈蜂窝状，只有在保护 不良时出现，形成原因与氢气孔相似 3.一氧化碳（CO）气孔在熔池后部，结晶期间，在柱状晶界区域，由于 温低，C浓度高，产生C的偏析，易发生反应 ：FeO+CCO+Fe,反应产生的CO因粘度大， 浮出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进行 而不断形成，故气孔是沿结晶方向分布的（二）气孔形成机理1.气孔形成条件液体中有过饱和气体存在非自发形核，质点较多（在枝晶间凹陷处，未熔晶粒表面，界面等）结晶速度大于气泡上浮速度2.形核 纯金属中气泡形核的可能性极小焊接熔池中，存在很多现成的表面（易聚集N、H、C等活性元素），产生气泡就较为容易形核能量Fa/F越大，Ep越小，
12、越易形核，故在枝晶晶界凹陷处及未熔化晶粒表面易形核3.长大长大的条件：ph（内压）p0（外压） p0 pa + pc = 1+2/rpa大气压pc表面张力所构成的附加压力金属与气体之间的表面张力r气泡半径所以气泡半径越大，越易长大4.上浮气泡成长到一定大小脱离现成表面的能力主要决定于 液态金属、气相和现成表面之间的表面张力（如图），即：当 90时，有利于气泡的逸出，而 90时，由于形成细颈需要时间，当结晶速度 较大的情况下，气泡来不及逸出而形成气孔 （如图3-61）因此：减小 2. g和 1. 2，以及增大 1. g都可 以有利 于气泡快速逸出。因为可以减小值 当结晶速度较小时，气泡可以有充分
13、的时间 逸出，易得到无气孔的焊缝。当结晶速度较 大时，气泡有可能来不及逸出而形成气孔（如图3-62）气泡浮出的速度气泡的半径越大，熔池中液体金属的密度越大，粘度 越小时，则气泡的上浮速度也就越大，焊缝中就不易 产生气孔 （三）影响因素及防治措施1.冶金方面熔渣的氧化性氧化性 CO气孔还原性 H2气孔一般焊缝中用CO乘积表示CO气孔倾向，在酸性焊条中，有时乘积大，但未见气孔，因 为O活度小；而碱性渣乘积小，O活度大，易 出现气孔药皮成分CaF2、SiO2、氧化物及碳酸盐都可脱H铁锈、油污特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2(H2O)气孔 都比较敏感二、夹杂1.氧化物夹杂（以SiO2为主的硅酸盐、MnO、TiO2、Al2O3）焊缝中易引起热裂纹母材中易出现层状撕裂2.氮化物夹杂焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出）3.硫化物夹杂加强脱S、脱O，控制焊材中的S、P量注意工艺操作
