西安工大焊接冶金学基本原理-第3章-熔池凝固和焊缝固态相变

焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金焊接冶金学-基本原理主讲:张文兴西安工业大学材化学院2014年11月共需4学时焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变第3章熔池凝固和焊缝固态相变主要内容：3.1熔池凝固3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变焊接热过程焊接化学冶金过程焊缝结晶及焊接组织焊接热影响区的组织与性能焊接裂纹焊接冶金学主要内容焊接接头形成以熔化焊为例，焊接过程经过了加热—熔化—冶金反应—结晶—固态相变—接头焊缝热影响区焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固------形成焊缝熔池的固液相变（凝固）熔池的结晶过程焊缝的组织气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹焊缝的性能正常不正常（缺陷）焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的条件和特点3.1.2熔池结晶的一般规律3.1.3熔池结晶速度和方向3.1.4熔池结晶的形态3.1.5焊缝金属的化学成份不均匀性3.2焊缝固态相变3.3焊缝中的气孔、夹杂3.4焊缝性能的控制焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变3.1熔池凝固3.1.1熔池凝固的条件和特点（与普通钢铁凝固相比较）（1）焊接熔池体积小，冷却速度高；最大100g，平均4~100℃/s，约为铸造的104倍。淬硬倾向大、易开裂。（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池1770±100℃;钢锭1550℃。冶金反应剧烈、烧损严重焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（3）熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动，焊缝组织和外形规律性变化液态金属受到力的搅拌运动，冶金反应充分鱼鳞纹示意图鱼鳞纹实图焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变3.1.2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。形核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；形核的动力学条件是自由能降低的程度。下面来分析焊接条件下有那些特点。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）自发形核：32163KKFEσ：新相与液相间的表面能。ΔFK：单位体积内液固两相自由能差。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（2）非自发形核3323'1623coscos34'23coscos4(0180)()KkFKKKEEEEfθ：非自发晶核的浸润角f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和某些现成表面。形核容易。θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。形核较难。研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变接触角基底形状对临界晶核的影响对临界晶核的影响AGG313162V3焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变关于θ：θ取决于新相晶核与现成表面之间的表面张力，若结构相似，表面张力越小,θ越小，湿润性越好，形核需要能量越小。如果新相与母材属于同一物质，则形核所需能量为0，即不需形核，直接长大。焊接条件下非自发形核：熔合区的液态金属依附于母材晶粒表面长大，而形成同一晶粒，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，即联生结晶（起主要作用）。合金元素或杂质（一般作用不大）。如何细化晶粒？焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变2.熔池中晶核的长大a联生结晶起主导作用b当晶体最易长大方向（bcc，fcc100方向）与散热最快方向（温度梯度）相一致，最有利长大。不锈钢自动焊时的联生结晶焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变3.1.3熔池结晶速度和方向熔池的结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响很大。熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度vc及焊接速度v有密切关系。晶粒主轴成长方向与结晶等温面正交，并以弯曲状向焊缝中心生长。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变cosdxdscosdtdxdtdscoscvvdsθdx图晶粒成长线速度分析图焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变焊接工艺参数与θ（0~90°）关系：(熔池半椭球体假设）212z2y2z2yMKK1KKTqVA1cos212y2y2MK1KTqA1cos厚大件上快速堆焊：薄板上自动焊：焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变结论：（1）晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊缝中心最大，vc=0～v。Ky=1，cosθ=0,θ=90°,Vc=0,说明熔合区上晶粒开始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等于零。Ky=0，cosθ=1,θ=0°,Vc=V,说明晶粒成长到接触X轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。（2）焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响。当焊接速度越大时，θ角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变3.1.4熔池结晶的形态符合一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。1、纯金属的结晶理论（1）正温度梯度液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高，称为正温度梯度，G0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是平面晶。（2）负温度梯度当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，G0。由于过冷度大，晶体成长速度快，形成树枝状晶。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变a)G0时的温度分布b)G0时的温度分布c)G0时的界面结晶形态d)G0时的界面结晶形态焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变2、固溶体合金的结晶形态合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷外(温度过冷)，还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶随过冷的不同晶体成长也不同。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变温度TAT0T0’ω0ω0’液固前沿实际温度T0’T=T0’+Gz与界面的距离zω0’ω0T0T0’温度ω/%T0T0’与界面的距离zω/%焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（1）平面结晶产生条件：过冷度＝0，无成分过冷特征：平面晶（G正温度梯度很大时）3、成分过冷对结晶形态的影响根据过冷度不同，焊缝可出现五种结晶形态。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变(2)胞状结晶产生条件：过冷度很小。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（3）、胞状树枝结晶产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（4）、树枝状结晶产生条件：过冷度进一步增大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变（5）、等轴晶产生条件：过冷度大，温度梯度小。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。正确焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。等轴晶树枝状晶胞状树枝晶胞状晶平面晶G/R1/2C0％图3－28C0、R和G对结晶形态的影响焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变等轴晶树枝晶平面晶G/R1/2ω％胞状树枝晶胞状晶G、R、成分对结晶形态的影响温度TAω0ω0’T0T0’与界面的距离z焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第3章熔池凝固和焊缝固态相变4、焊接条件下的凝固（结晶）形态(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势）在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐渐变