第07讲 金凝固

301第二章第二章 金属的凝固金属的凝固第07讲302上讲回顾上讲回顾v焊条的加热与熔化焊条的加热与熔化v焊条金属的过渡特性焊条金属的过渡特性v熔池的形状和尺寸熔池的形状和尺寸v熔池中流体的运动状态熔池中流体的运动状态v熔池凝固的特殊性熔池凝固的特殊性303二、熔池结晶的一般规律二、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锭的结焊接时，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。核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件：生核热力学条件：是过冷度而造成的自由能降低；是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件：生核的动力学条件：是自由能降低的程度。是自由能降低的程度。结晶过程就是由结晶过程就是由晶核的产生和成长晶核的产生和成长两个基本过程两个基本过程所组成。所组成。3041.1.熔池中晶核的形成熔池中晶核的形成 熔池中晶核的生成分为：熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。非自发晶核、自发晶核。形成两种晶核都需要能量形成两种晶核都需要能量 自发晶核自发晶核 自发临界晶核所需的能量自发临界晶核所需的能量E EK K表达式：表达式：23316vFKE 305 非自发形核非自发形核4coscos324coscos323163323KFKEEv：非自发晶核的浸：非自发晶核的浸润角（图润角（图2-19）=0，EK=0=180，EK=EK 图图2-19 非自发晶核的浸润角非自发晶核的浸润角研究表明：对于熔池研究表明：对于熔池结晶来讲，非自发晶结晶来讲，非自发晶核起主要作用。核起主要作用。306 焊接时存在两种非自发晶核质点：焊接时存在两种非自发晶核质点：l 一种是一种是合金元素或杂质的悬浮质点合金元素或杂质的悬浮质点，作用不大。，作用不大。l 一种是现成表面，熔池边界（熔合区），处于一种是现成表面，熔池边界（熔合区），处于半半熔化的母材晶粒表面熔化的母材晶粒表面为新相晶核的为新相晶核的“基地基地”，图，图2-202-20所示。所示。图图2-20 熔合区母材晶粒上成长的柱状晶熔合区母材晶粒上成长的柱状晶焊接时，通常加入一焊接时，通常加入一定量的合金元素，可定量的合金元素，可以作为熔池中非自发以作为熔池中非自发晶核的质点，从而使晶核的质点，从而使焊缝金属细化。焊缝金属细化。3072 2熔池中晶核的长大熔池中晶核的长大l 原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。当晶体最易长大大很短距离就被抑制停止长大。当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大。方向与散热最快方向相一致，最有利长大。l 晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的团来进行的,并连续不断地吸附在晶体表面的小台并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。阶处而迅速长大。308焊接熔池边界正是固液相的相焊接熔池边界正是固液相的相界面，熔池边界的部分熔化的界面，熔池边界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成为新母材晶粒表面完全可能成为新相晶核的相晶核的“基底基底”，非均匀生，非均匀生核，核，焊缝金属呈柱状晶形式与焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系母材相联系，好似母材晶粒外，好似母材晶粒外延长大。这种延长大。这种依附于母材晶粒依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，称为联生结晶或交互固方式，称为联生结晶或交互结晶。结晶。图图2-21 外延结晶示意图外延结晶示意图309 三、三、熔池凝固线速度熔池凝固线速度 v焊接熔池凝固晶粒主轴的成长方向与熔池凝固等焊接熔池凝固晶粒主轴的成长方向与熔池凝固等温面正交，并以弯曲的形状向焊缝中心成长。温面正交，并以弯曲的形状向焊缝中心成长。v从图从图2-222-22可以看出，任一晶粒主轴，在任一点可以看出，任一晶粒主轴，在任一点A A的的成长方向是成长方向是A A点的切线点的切线(SS(SS线线)。此方向与。此方向与x x轴之间轴之间的夹角为的夹角为。v R=vcosR=vcos 图图2-22 晶粒长大线速度分析图晶粒长大线速度分析图 3010v 晶粒的平均线速度是变化的晶粒的平均线速度是变化的 晶粒主轴是弯曲的，在熔合线附近，晶粒主轴是弯曲的，在熔合线附近，=90，R=0；而在熔池中心；而在熔池中心=0，则，则R=。这就是说，。这就是说，从熔合线开始到熔池中心部分，从熔合线开始到熔池中心部分，角自角自90变到变到0，而而R自自0变到焊接速度。变到焊接速度。在熔合线上晶粒成长的平均在熔合线上晶粒成长的平均线速度最小，而在焊缝中心部位最大。线速度最小，而在焊缝中心部位最大。v 焊接工艺参数焊接工艺参数v焊接速度焊接速度，cos=R/0，90，晶粒成长主，晶粒成长主轴的方向就近似垂直于焊缝熔合线。轴的方向就近似垂直于焊缝熔合线。v焊接速度焊接速度，晶粒成长主轴的方向越弯曲，晶粒成长主轴的方向越弯曲。3011 四、焊缝中的化学不均匀性四、焊缝中的化学不均匀性 在熔池凝固过程中，由于冷却速度很快，合金在熔池凝固过程中，由于冷却速度很快，合金元素来不及扩散均匀，会出现所谓偏析现象。元素来不及扩散均匀，会出现所谓偏析现象。（1 1）显微偏析显微偏析v焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含溶质浓度焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含溶质浓度较低，后凝固的固相含溶质浓度较高，并富集了许较低，后凝固的固相含溶质浓度较高，并富集了许多杂质，可以通过微观分析方法检测出来，故称为多杂质，可以通过微观分析方法检测出来，故称为显微偏析显微偏析。v利用电子探针测定溶质原子在晶界和晶内的分布时，利用电子探针测定溶质原子在晶界和晶内的分布时，发现在焊缝的晶界、晶内的亚晶界和树枝晶之间，发现在焊缝的晶界、晶内的亚晶界和树枝晶之间，都存在不同程度的显微偏析。都存在不同程度的显微偏析。3012 （2 2）区域偏析区域偏析v在焊缝凝固时，由于柱状晶不断长大推移，把溶质在焊缝凝固时，由于柱状晶不断长大推移，把溶质和杂质推向熔池的中心部位，使最后凝固部位产生和杂质推向熔池的中心部位，使最后凝固部位产生较严重的较严重的区域偏析区域偏析。v在焊速较大时，成长的柱状晶最后都在焊缝中心附在焊速较大时，成长的柱状晶最后都在焊缝中心附近相遇，使焊缝中心出现溶质和杂质的偏析，在应近相遇，使焊缝中心出现溶质和杂质的偏析，在应力作用下，将会导致焊缝纵向裂纹的产生。力作用下，将会导致焊缝纵向裂纹的产生。3013 （3 3）层状偏析层状偏析 v由于在熔池凝固中放出的凝固潜热和高温熔滴的由于在熔池凝固中放出的凝固潜热和高温熔滴的过渡周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成过渡周期性的变化，使得凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化，因而造成了所谓分也发生周期性的变化，因而造成了所谓层状偏层状偏析析，如图，如图2-232-23所示。所示。v层状偏析常集中一些有害的元素，如碳、硫、磷层状偏析常集中一些有害的元素，如碳、硫、磷等，因而容易在偏析层出现焊接缺陷等，因而容易在偏析层出现焊接缺陷，如图，如图2-242-24所所示的为层状偏析造成的气孔。示的为层状偏析造成的气孔。3014图图2-23 焊缝的层状扁析焊缝的层状扁析（a）手弧焊手弧焊 （b）电子束焊电子束焊图图2-24 层状扁析与气孔层状扁析与气孔（a）熔池的横断面熔池的横断面 （b）熔池的纵断面）熔池的纵断面 3015 2.4.2 2.4.2 焊缝组织焊缝组织 1 1、焊接条件下的凝固形态焊接条件下的凝固形态 v由于熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不由于熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不同，图同，图2-252-25示意地表示了焊缝凝固形态的变化过程。示意地表示了焊缝凝固形态的变化过程。图图2-25 焊缝结晶形态的变化焊缝结晶形态的变化1平面晶平面晶 2胞状晶胞状晶 3树枝柱状晶树枝柱状晶 4等轴晶等轴晶 301630173018v实际焊缝中，由于化学成分、板厚和接头形式不同，实际焊缝中，由于化学成分、板厚和接头形式不同，不一定具有上述全部凝固形态。此外焊接工艺参数不一定具有上述全部凝固形态。此外焊接工艺参数对凝固形态也有很大影响。对凝固形态也有很大影响。v例如：例如：焊接速度增大时，在焊缝中心往往容易出现大焊接速度增大时，在焊缝中心往往容易出现大量的等轴晶；量的等轴晶；在焊接速度较低时，主要是胞状树枝晶。在焊接速度较低时，主要是胞状树枝晶。焊接电流较小时，主要是胞状晶；焊接电流较小时，主要是胞状晶；焊接电流较大时，主要是粗大的胞状树枝晶。焊接电流较大时，主要是粗大的胞状树枝晶。3019 2 2、凝固形态对性能的影响、凝固形态对性能的影响 v粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。v图图2-262-26所示为低碳钢碱性焊条焊接的焊缝，晶粒粗所示为低碳钢碱性焊条焊接的焊缝，晶粒粗细对冲击性能的影响。细对冲击性能的影响。v在稳定型奥氏体钢在稳定型奥氏体钢(如如25-2025-20型型)焊接时，粗大柱状焊接时，粗大柱状晶是造成热裂纹的原因之一；同时对抗晶间腐蚀晶是造成热裂纹的原因之一；同时对抗晶间腐蚀也不利。也不利。图图2-26 焊缝晶粒粗细对冲击韧度的影响焊缝晶粒粗细对冲击韧度的影响1细晶粒细晶粒 2粗晶粒粗晶粒 3粗大柱状晶组织粗大柱状晶组织 3020 3 3、凝固组织的改善凝固组织的改善 焊接时，改善凝固组织，防止粗晶的主要措施：焊接时，改善凝固组织，防止粗晶的主要措施：（1 1）变质处理变质处理v通过焊接材料向熔池通过焊接材料向熔池加入某些能细化晶粒的合金加入某些能细化晶粒的合金元素元素，如钼、钒、钛、铌、锆、铝、硼、氮、稀，如钼、钒、钛、铌、锆、铝、硼、氮、稀土等，土等，可使焊缝晶粒细化，提高强度和韧性以及可使焊缝晶粒细化，提高强度和韧性以及抗裂性能。抗裂性能。（2 2）振动凝固振动凝固v振动的方式主要有：振动的方式主要有：低频机械振动、高频超声振低频机械振动、高频超声振动和电磁振动等；动和电磁振动等；v通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到细化晶通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到细化晶粒的目的。粒的目的。3021 2.4.3 2.4.3 焊接熔合区焊接熔合区 1 1、熔合区的构成熔合区的构成v熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域。域。熔合区由半熔化区与未混合区两部分组成。熔合区由半熔化区与未混合区两部分组成。图图2-27 2-27 熔合区的构成示意图熔合区的构成示意图11焊缝区（富焊条成分）焊缝区（富焊条成分）22焊缝区（富母材成分）焊缝区（富母材成分）33半熔化区半熔化区 44真实热影响区真实热影响区 55熔合区熔合区WIWI实际熔合线实际熔合线 WMWM焊缝金属焊缝金属3022v半熔化区指焊缝边界固液两相交错共存的部位：半熔化区指焊缝边界固液两相交错共存的部位：一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口熔化不均匀；熔化不均匀；二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均匀；均匀；三是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔三是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔点和实际熔点的差异所造成。点和实际熔点的差异所造成。可见，焊接坡口熔化过程的复杂性是导致出现可见，焊接坡口熔化过程的复杂性是导致出现半熔化区的主要原因。半熔化区的主要原因。3023v未混合区未混合区(不完全混合区不完全混合区)是指焊缝区中紧邻焊缝边是指焊缝区中紧邻焊缝边界的部位，界的部位，主要由焊接时熔化再凝固的母材所组成，主要由焊接时熔化再凝固的母材所组成，而未与熔化的填充金属完全相混合。而未与熔化的填充金属完全相混合。v实质：富集母材成分的焊缝区。实质：富集母材成分的焊缝区。v形成：是由于熔池边缘的温度较低，使对流和扩散形成：是由于熔池边缘的温度较低，使对流和扩散过程进行困难，从而导致母材与填充金属不能很好过程进行困难，从而导致母材与填充金属不能很好混合。混合。v母材与填充金属成分差异越大，未混合区越明显。母材与填充金属成分差异越大，未混合区越明显。如果填充金属成分与母材成分完全相同，未混合区如果填充金属成分与母材成分完全相同，未混合区会消失。会消失。3024固态金属晶粒液态金属等温线3025 2 2、熔合区的化学不均匀性、熔合区的化学不均匀性v化学不均匀性是熔合区的重要特征之一，也是导致化学不均匀性是熔合区的重要特征之一，也是导致熔合区成为整个焊接接头薄弱部位的主要原因。熔合区成为整个焊接接头薄弱部位的主要原因。v钢中的合金元素及杂质在液相中的溶解度一般都大钢中的合金元素及杂质在液相中的溶解度一般都大于在固相中的溶解度。熔池凝固时，随着固相的增于在固相中的溶解度。熔池凝固时，随着固相的增加，溶质原子堆积在固相前沿的液相中。加，溶质原子堆积在固相前沿的液相中。3026v这样在固这样在固液交界的地方溶质的浓度将发生突变，液交界的地方溶质的浓度将发生突变，如图如图2-282-28所示。图中实线表示固所示。图中实线表示固液并存时溶质浓液并存时溶质浓度的变化，虚线表示熔池完全凝固后的情况。说明度的变化，虚线表示熔池完全凝固后的情况。说明了在凝固过程中堆积在固相前沿的液相中的溶质，了在凝固过程中堆积在固相前沿的液相中的溶质，来不及扩散到液相中心，而将不均匀的分布状态保来不及扩散到液相中心，而将不均匀的分布状态保留到凝固以后留到凝固以后。图图2-28 固液界面的溶质分布固液界面的溶质分布 3027v这种化学不均匀性程度，与溶质原子的性质有关，这种化学不均匀性程度，与溶质原子的性质有关，如硫、磷、如硫、磷、碳等易偏析元素。碳等易偏析元素。v在凝固后的冷却过程中，扩散能力较强的元素还有在凝固后的冷却过程中，扩散能力较强的元素还有可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材扩散，使化可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材扩散，使化学不均匀性有所缓和。学不均匀性有所缓和。同种钢在焊接时，碳在凝固后仍可扩散，完全同种钢在焊接时，碳在凝固后仍可扩散，完全冷却后没有明显的偏析；冷却后没有明显的偏析；硫、磷等扩散能力弱的元素，凝固后浓度变化硫、磷等扩散能力弱的元素，凝固后浓度变化很小，保留了较严重的偏析。很小，保留了较严重的偏析。3028 3 3、熔合区的物理不均匀性熔合区的物理不均匀性v物理不均匀性主要是指熔合区在不平衡加热时所出物理不均匀性主要是指熔合区在不平衡加热时所出现的空位和位错的聚集或重新分布。现的空位和位错的聚集或重新分布。v空位：高温加热使原子的热振动加强空位：高温加热使原子的热振动加强 塑性形变塑性形变v空位的平衡浓度与温度成正比，在不平衡冷却时，空位的平衡浓度与温度成正比，在不平衡冷却时，过饱和的空位向高温部位扩散，而熔合区本身就易过饱和的空位向高温部位扩散，而熔合区本身就易于形成较多的空位，从而使空位聚集在熔合线附近。于形成较多的空位，从而使空位聚集在熔合线附近。在高温和应力的作用下，晶格缺陷的运动和聚集将在高温和应力的作用下，晶格缺陷的运动和聚集将引起严重的晶格畸变，使其力学性能变化。引起严重的晶格畸变，使其力学性能变化。v物理不均匀性可能是导致熔合区产生延迟裂纹的重物理不均匀性可能是导致熔合区产生延迟裂纹的重要原因之一。要原因之一。3029v熔合区的这种物理、化学不均匀性必然给焊接接头熔合区的这种物理、化学不均匀性必然给焊接接头的物理和化学性能造成很大影响。同时熔合区常常的物理和化学性能造成很大影响。同时熔合区常常是脆性断裂和裂纹的发源地而成为焊接接头中的最是脆性断裂和裂纹的发源地而成为焊接接头中的最薄弱环节。薄弱环节。3030本讲小结本讲小结v熔池结晶的一般规律熔池结晶的一般规律v熔池凝固线速度熔池凝固线速度v焊接熔合区焊接熔合区