焊缝金属的结晶.ppt

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①金属烧损严重②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①自发形核所需能量其中σ新相-液相界面张力ΔFv单位体积内固液两相自由能之差②非自发形核所需能量θ0Ek0现成晶核θ180EkEk全自发形核固-液界面张力差越小，θ越小，同时σ越小，故Ek越小,,,③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①晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向一致，位向有序②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①晶粒生长线速度分析图（如图3-8）②在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，则dx/dtV（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化ds，则ds/dtVc,当dt0时，BC垂直于AC，则即cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状,,,,,③cosθ值的确定厚大件薄件④对Vc的讨论θ0时，VcV最大处中心线）θ90时，Vc0即晶粒生长速度是变化的Vθ，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合线，产生纵向裂纹VVc，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①正的温度梯度平面晶，生长缓慢（主要）②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）①温度过冷结晶潜热所致固相前部温度高，液相温度低②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①平面结晶（如图3-18）GT②胞状结晶（如图3-20）G与T少量相交③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④树枝状结晶（如图3-24）（Flash演示）当成分过冷进一步增大，树枝晶显著⑤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,,,,,,,,,,,,,⑥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、焊缝的化学不均匀性1.焊缝中的化学不均匀性①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②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③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①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）②熔合区宽度,,,③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-CC0C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vR,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IG,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、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FP为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关2.铁素体（F）转变①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②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，故又称为无碳贝氏体）③针状F（500℃附近）大都非自发形核，在奥实体内形成④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①一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体②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①上贝氏体（B下）转变形成温度450-550℃形态羽毛状形成机理,,,②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③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转变产物FCm、M-A组织或残余奥氏体,,,5.马氏体M转变①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②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①单道焊缝变小，改善结晶条件②后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用3.锤击①细化前一层的晶粒②降低后层焊缝熔合线形核晶粒③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①类型表面气孔、内部气孔②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①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,,,②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③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[C]COFe,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①液体中有过饱和气体存在②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）③结晶速度大于气泡上浮速度2.形核①纯金属中气泡形核的可能性极小②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,,,③形核能量Fa/F越大，Ep越小，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①长大的条件ph（内压）p0（外压）②p0≈papc12σ/rpa大气压pc表面张力所构成的附加压力σ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①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,,,,,②当θ＜90时，有利于气泡的逸出，而θ＞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σ2.g和σ1.2，以及增大σ1.g都可以有利于气泡快速逸出。因为可以减小θ值③当结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间逸出，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）,,,,,,,④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①熔渣的氧化性氧化性CO气孔还原性H2气孔一般焊缝中用[C][O]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②药皮成分CaF2、SiO2、氧化物及碳酸盐都可脱H③铁锈、油污特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2H2O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,,