熔池凝固

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1、材料成形原理（焊接部分）,3 熔池凝固与焊缝固态相变,3.1 熔池凝固,一、 熔池的凝固条件和特点,1、体积小，冷却速度大 在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3 ，重量不超过100g; 周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4100/s，远高于一般铸件的冷却速度; 由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。,2、温差大、过热温度高 因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度（熔池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍）。 例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达210

2、02300，而熔池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为1700100。 由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。,一、 熔池的凝固条件和特点,3. 液态金属对流激烈 熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流， 在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反， 这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。,一、 熔池的凝固条件和特点,4. 动态凝固过程 处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。

3、随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。 凝固过程是连续进行并随熔池前进。 熔池的凝固速度相当大，固液界面的推进速度，要比铸件高10100倍。,一、 熔池的凝固条件和特点,焊缝的形成及熔池凝固,5. 熔池周围散热条件好 焊接熔池与其周围的母材金属之间直接接触，不像铸件那样存在气隙。 焊接熔池的质量相对于周围母材金属的质量很小，母材金属的“质量效应”促进了热量的吸收。 焊接熔池界面处的导热条件很好，使焊接熔池能在很高的冷却速度下凝固。 熔池边界或凝固中的固液界面的温度梯度可比铸件高103104倍。,一、 熔池的凝固条件和特点,二 、熔池结晶的一般规律,焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢

4、锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。 生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低； 生核的动力学条件是自由能降低的程度。,1.熔池中晶核的形成 熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核都需要能量。,1）自发临界晶核所需的能量,：新相与液相间的表面张力系数。 Fr：单位体积内液固两相自由能之差。,二 、熔池结晶的一般规律,2）非自发临界晶核所需的能量,：非自发晶核的浸润角 =0 ， EK=0,二 、熔池结晶的一般规律,形成非自发晶核所需能量小，熔池中存在以下两种现成表面，有助于非自发晶核的形成： 一是合金元素或杂质的悬浮质点 焊接时，通过焊材加入

5、一定量的合金元素（如铜、钒、钛、铌等），作为非自发晶核的质点，可细化晶核，改善性能。 二是熔合区半熔化的晶粒表面 非自发晶核依附在这个表面上，以柱状晶的形态向熔池中心成长。 这种依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，称为联生结晶(也称外延生长)。,联生结晶,2、熔池中晶核长大 一般情况下，熔池结晶以联生结晶为主，长大过程遵循择优生长原则： 每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向, 对于立方点阵的金属（Fe, Ni, Cu, Al），最优结晶取向为。 温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。 当晶体最易长大方向与散热最快方向（最大温度梯度）一致时

6、，则最有利于晶粒长大，可一直长至熔池中心形成粗大的柱状晶体。 当晶体取向不利于长大，与散热最快方向不一致时，晶粒的成长就停止下来。 这种现象就是焊缝中柱状树枝晶的择优成长。,二 、熔池结晶的一般规律,三 、柱状晶生长方向与速度的变化,1、成长方向 弯曲柱状晶 熔池的外形为椭球状曲面，亦即结晶等温面，散热方向垂直于等温面，成长方向也垂直于结晶等温面，因此晶粒长大主轴是弯曲的。,2、成长速度 R=cos R晶粒生长线速度 焊接速度 晶粒生长方向与熔池移动方向的夹角,三 、柱状晶生长方向与速度的变化,晶粒生长线速度是变化的： 焊缝边缘：=90 ，cos =0， R=cos =0； 焊缝中心：=0 ，

7、cos =1， R=cos =。,一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。,焊接速度对晶粒生长形态有影响 焊接速度越小，越小，晶粒主轴越弯曲； 焊接速度越大，越大，晶粒主轴越垂直焊缝中心。,三 、柱状晶生长方向与速度的变化,焊接速度快 焊接速度慢,最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。,焊接速度大时，焊接熔池长度增加, 柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长 ; 焊接速度越慢, 柱状晶越弯曲。,四、 熔池结晶的形态,1、过冷现象 过冷

8、度：理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差。 热过冷：纯金属凝固时，理论凝固温度（熔点）不变，过冷度完全取决于实际温度分布，这样的过冷叫热过冷。 成分过冷：在合金凝固时，实际温度分布一定，由于液相中溶质分布变化改变了液相的熔点，此时过冷由成分变化与实际温度这两个因素共同决定，称为成分过冷。,成分过冷形成的条件,a)不同的成分过冷情况,b) 无成分过冷 平面晶,C) 窄成分过冷区间 胞状晶,d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶,e) 宽成分过冷 内部等轴晶,四、 熔池结晶的形态,G-正温度梯度；T-实际结晶温度线,2、成分过冷对结晶形态的影响,随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式： 平面晶 胞状

9、晶 胞状树枝晶(柱状树枝晶) 内部等轴晶(自由树枝晶),四、 熔池结晶的形态,GL界面前沿液相的实际温度梯度 R晶体生长速度快,3、焊接条件下的结晶形态 焊缝边缘：G较大 ，R又较小，过冷度较小； 焊缝中心： G较小 ，R较大，过冷度较大； 随着过冷度变化，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶,四、 熔池结晶的形态,四、 熔池结晶的形态,3.2 焊缝固态相变,一 、低碳钢焊缝的固态相变组织,低碳钢焊缝含碳量较低。 组织为：F（铁素体）+P（少量珠光体） 当晶粒粗大且过热时，有W（魏氏组织） 改善组织方法： 1）多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。 2

10、）焊后热处理：加热A3以上2030，柱状晶消失。 3）冷却速度：冷却速度，硬度,低碳钢焊缝的魏氏组织,一 、低碳钢焊缝的固态相变组织,焊缝化学成分相同时，在不同的冷却速度下，低碳钢焊缝中铁素体和珠光体的比例有很大差别。冷却速度越大，焊缝中的珠光体越多，越细，同时焊缝的硬度增高。,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可由不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。 根据低合金钢焊缝化学成分和冷却条件不同，可能出现以下四种固态转变组织： 1 ）铁素体转变 2 ）珠光体转变 3 ）贝氏体转变 4） 马氏体转变,低合金钢焊缝的组织形态分类,1

11、、铁素体（Ferrite，简称F）转变 低合金钢中的铁素体形态比较复杂，根据形成条件不同，可分为： 先共析铁素体（ Proeutectoid Ferrite，简称FP） 侧板条铁素体（ Ferrite Side Plate，简称FSP） 针状铁素体（Acicular Ferrite，简称AF） 细晶铁素体（ Fine Grain Ferrite，简称FGF） 焊接条件下影响焊缝组织的因素多而复杂，上述几种铁素体的基本型态在焊缝中往往同时存在，有时还可能得到珠光体、贝氏体、甚至马氏体组织。而且这几种铁素体在低碳钢焊缝中也会出现，只是所占比例不同。,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢

12、焊缝的固态相变组织,先共析铁素体 FP 形态：长条形或多边形块状,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,侧板条铁素体 FSP 形态：板条状,针状铁素体 AF,细晶铁素体 FGF+P,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,2、珠光体（ Pearite，简称P）转变 接近平衡状态： 如预热、缓冷和后热等。 珠光体转变温度Ar1550，此时 C、Fe原子扩散比较容易。 珠光体转变属扩散型相变。（P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C） 焊接状态： 非平衡转变，得到P量少，珠光体转变量小。 若有B 、Ti合金元素，则P转变全部被抑制。,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二

13、、 低合金钢焊缝的固态相变组织,P+F,粒P+针状铁素体 AF,3、贝氏体（ Bainite，简称B）转变 贝氏体转变属中温转变，转变温度约在550Ms之间，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散。 在焊接条件下焊缝金属中的贝氏体转变极其复杂，会出现多种非平衡条件下的过渡组织。根据它们形成的温度区间及其特征可分为： 上贝氏体（Upper Bainite，简称Bu） 下贝氏体（Lower Bainite，简称BL） 粒状贝氏体（ Grain Bainite，简称BG） 无碳贝氏体（Carbide-free Bainite，简称Bc） 这几种贝氏体的形态是逐渐过渡的，没有鲜明的区分，主要根据铁素体

14、的形态和碳化物在贝氏体中的分布状态加以区别。,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,4、马氏体（Martensite，简称M）转变 含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。由于转变温度己很低，铁和碳原子己失去扩散能力，所以马氏体转变是属无扩散型转变。根据含碳量不同，有两种形态的马氏体： 1）板条马氏体 （Lath Martensite） 在低碳低合金钢焊缝中，当冷却速度很快时，常会出现这种马氏体。 这种马氏体的含碳量低，故又称低碳马氏体。 低碳马氏体不仅具有较高的强度，同时也具有良好

15、的韧性。这是因为板条马氏体有发生“自回火”现象。 2）片状马氏体（Plate Martensite） 焊缝中含碳量大于0.4% ，又称高碳马氏体。 粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部。 透射电镜观察，片M存在许多细小平行带纹孪晶带，又称为孪晶马氏体。 硬度高、脆。,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WMCCT图） 对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要的意义,合金元素和含氧量对焊接CCT图的影响,二、 低合金钢焊缝的固态相变组织,3.3 焊缝性能的控制,控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标

16、，优质的焊缝首先要保证性能满足使用要求。 焊缝性能是由化学成分与组织决定的；具有相同化学成分的焊缝金属，由于结晶形态和组织不同，性能上会有很大的差别。因此焊缝性能控制的任务必然落在焊缝组织的控制上。 在焊接生产中，通过控制焊缝组织，不但要保证焊缝具有足够高的强度，而且还要保证焊缝具有足够高的韧性，就是使焊缝具有良好的综合力学性能。 焊缝组织的控制主要通过冶金方面和工艺方面的控制来实现。,焊缝性能的控制,一、冶金方面的控制,改善焊缝金属凝固组织的有效方法之一就是向焊缝中添加某些合金元素，起固溶强化和变质处理的作用； 根据目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改变凝固组织的形态，从而提高了焊缝金属的性能，特别是近年来采用了多种微量合金元素，大幅度地提高了焊缝金属的强度和韧性。 研究表明，通过焊接材料(焊条、焊丝和焊剂等)向熔池中加入细化晶粒的合金元素，如Mo、V、Ti、Nb、B、Zr、Al和稀土等，可