资源描述
,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,金属的结晶,熔池结晶过,程,程研究目的,：,：,防止气孔,、,、夹杂、偏,析,析、结晶裂,纹,纹,防止晶体,缺,缺陷,第一节,熔,熔池结晶特,点,点和形态,一、特殊性,1.体积小,、,、冷速大,产生淬硬、,粒,粒状晶等组,织,织,2.过热,金属烧损严,重,重,非自发形核,小,小,3.运动状,态,态下结晶（,如,如图3-2）,二、熔池结,晶,晶的一般规,律,律,1.形核,自发形核,所需能量：,其中：,新相,-,液相界面张,力,力,F,v,单位体,积,积内固液两,相,相自由能之,差,差,非自发形核,所需能量：,=0,E,k,=0,现成晶核,=180,E,k,=E,k,全自发形,核,核,固-液界面,张,张力差越小,，,，,越小，同时,越小，故,E,k,越小,熔池中的,现,现成表面,悬浮质点,熔合线上,半,半熔化的晶,粒,粒联生结,晶,晶（交互,结晶）,结,结晶的主要,方,方式,2.晶核,生,生长,晶粒由晶,胞,胞组成，,同,同一晶粒,内,内部，晶,胞,胞取向,一致，位,向,向有序,晶粒生长,有,有方向性,，,，某一方,向,向的生长,速,速度最,大，当最,大,大的生长,速,速度方向,与,与最大温,度,度梯度方,向（最快,散,散热方向,）,）一致时,，,，可优先,长,长成，不,一致时会,中,中止生长,三、熔池,结,结晶线速,度,度,1.晶粒,主,主轴生长,线,线速度(V,c,)分析,晶粒生长,线,线速度分,析,析图（如图3-8）,在,dt,内，当结,晶,晶等温面,由,由,A,B,时，变化,dx，则,dx/dt=V（,焊,焊接速度,）,）， 此,时,时该晶粒,生,生长由,A,C，变,化,化ds，,则,则 ds/dt=V,c,当dt,0时，BC,垂,直于AC,，,，则,即：,cos,取决于焊,接,接规范和,材,材料的热,物,物理性质,及,及形状,cos,值的确,定,定,厚大件,：,：,薄件：,对V,c,的讨论,=0,时,时，V,c,=V(最,大,大处中心,线,线）,=90,时，V,c,=0,即晶粒生,长,长速度是,变,变化的,V,，生长越,垂,垂直于焊,缝,缝中心，,易,易形成脆,弱,弱的结合,线，产生,纵,纵向裂纹, V,V,c,，所以焊,易,易裂材料,时,时，不能,用,用大的焊,速,速,四、熔池,结,结晶的形,态,态,1.分类,2.纯金,属,属的结晶,形,形态,正的温度,梯,梯度：平,面,面晶，生,长,长缓慢（,主,主要）,负的温度,梯,梯度：生,长,长速度快,，,，除主轴,外,外，还,有分枝，,生,生成树枝,晶,晶（较少,）,）,3.固溶,体,体的结晶,形,形态（如图3-16）,温度过冷:结晶潜,热,热所致固,相,相前部温,度,度高，液,相温度低,成分过冷,：,：先结晶,温,温度高，,后,后结晶温,度,度低，,快速结晶,时,时，易出,现,现树枝晶,3.成分,过,过冷对结,晶,晶形态的,影,影响,平面结晶,（,（如图3-18）,GT,胞状结晶,（,（如图3-20）,G与T少,量,量相交,胞状树,枝,枝结晶（,如,如图3-22）（,Flash,演示）,G与T相,交,交较大，,晶,晶粒主轴,快,快速伸向,液,液内，横,向,向排溶质,，,，,故横向也,出,出现分枝,树枝状结,晶,晶 （如图3-24）（,Flash,演示）,当成分过,冷,冷进一步,增,增大，树,枝,枝晶显著,等轴结晶,（,（如图3-26）,液相成分,过,过冷区很,宽,宽，不仅,在,在前沿生,成,成树枝晶,，,，内部也,形,形,成树枝晶,等轴晶,综合（,如,如图,3-28,）,当结晶速,度,度R和温,度,度梯度G,不,不变时，,随,随合金中,溶,溶质浓度,的提高，,则,则成分过,冷,冷增加，,从,从而使结,晶,晶形态由,平,平面晶变,为胞状晶,、,、胞状树,枝,枝晶、树,枝,枝状晶、,最,最后到等,轴,轴晶,当合金中,溶,溶质的浓,度,度C,0,一定时，,结,结晶速度R越快，,成,成分,过冷的程,度,度越大，,结,结晶形态,也,也可由平,面,面品过渡,到,到胞状,晶、树枝,状,状晶，最,后,后到等,轴,轴晶,当合金,中,中溶质浓,度,度C,0,和结晶速,度,度R一定,时,时，随液,相,相温度,梯度的提,高,高，成分,过,过冷的程,度,度减小，,因,因而结晶,形,形态的演,变方向恰,好,好相反，,由,由等轴晶,、,、树枝品,逐,逐步演变,到,到平面晶,五、焊缝,的,的化学不,均,均匀性,1.焊缝,中,中的化学,不,不均匀性,显微偏析,：,：,先结晶C,0,低，后结,晶,晶C,0,高，即晶,粒,粒,中心C,0,高，边缘,低,低,原因：冷,却,却速度快,，,，来不及,均,均匀化,要求细,晶,晶化，降,低,低偏析,区域偏析,熔池中心,部,部位聚集,较,较多低熔,点,点杂质，,柱,柱状,晶结晶的,结,结果,层状偏析,结晶（熔,滴,滴过渡）,的,的周期性,所,所致,2.熔合,区,区的化学,不,不均匀性,熔合区的,形,形成,母材与焊,缝,缝交界的,地,地方并不,是,是一条线,，,，而是一,个,个区,熔合区,熔,熔化不均,（,（传热、,晶,晶粒散热,）,）,熔合区宽,度,度,熔合区,成,成分分布,（,（如图3-39),在液相,中,中的溶解,度,度在固,相,相中的溶,解,解度,故：固相,浓,浓度,界,界,面,面,液,液,相,相浓度,C,0,- CC,0,+ C,分配取,决,决于扩散,系,系数和分,配,配系数，,特,特别是,S、P、C、B、O、N,等,熔合区,还,还存在物,理,理不均匀,（,（组织、,性,性能）,第二节,焊,焊缝金,属,属的一次,结,结晶组织,一、焊接,条,条件下的,凝,凝固结晶,形,形态,1.理论,上,上,熔合线,处,处：G最,大,大、R最,小,小平面,晶,晶,中心处,：,：G最小,、,、R最大,等轴晶,2.实际,上,上（不一,定,定全部形,态,态都出现,，,，与许多,因,因素有关,）,）,成分,板厚和,接,接头形式,焊接速,度,度,vR,熔合,线,线处G,焊缝中,心,心处G,出现大,量,量等轴,晶 （否,则,则出现胞,状,状晶或树,枝,枝晶）,焊接电,流,流,IG,胞状,晶,晶粗大,树,树枝状晶,二、凝固,组,组织形态,对,对性能的,影,影响,生成粗大,的,的树枝状,晶,晶，韧性,降,降低，对,气,气孔、,夹杂、热,裂,裂都有影,响,响,三、焊缝,金,金属的性,能,能的改善,措,措施,1.固溶,强,强化和变,质,质处理,加入Mo,、,、V、Ti、Zr,、,、Al、B、N、,稀,稀土Te,等,等,2.振动,结,结晶,机械振动,、,、高频超,声,声振动、,电,电磁振动,3.焊接,工,工艺,焊后处理,、,、热处理,、,、多层焊,、,、锤击、,跟,跟踪,回火等,第三节,焊,焊缝,固,固态相变,一、低碳,钢,钢焊缝,组织特征,：,：F+少,量,量P,A,晶,晶界析出F，有,时F呈魏,氏,氏组织形,态,态,魏氏组,织,织特征：,铁,铁素体在,奥,奥氏体晶,界,界呈,网状析出,，,，也可从,奥,奥氏体晶,粒,粒内部沿,一,一,定方向析,出,出，具有,长,长短不一,的,的针状或,片,片,条状，可,直,直接插入,珠,珠光体晶,粒,粒之中，,一,一般,经A,3,点以上2030,正火后，,柱,柱状晶可,消,消,除,冷速不,同,同，组织,不,不同：冷,速,速增加，P增多，F,减少，硬,度,度升高,二、低合,金,金钢的固,态,态相变,1.,总的来说,，,，以,F+P,为主，有,时,时出现,B,及,M,与焊材,及,及工艺有,关,关,2.铁素,体,体（F）,转,转变,粒界,F（高温,转,转变900-700）：,为,为先共析F,由奥,氏,氏,体晶界析,出,出向晶内,生,生长，呈,块,块状,侧板条,F（700-550）：,由,由奥氏体,晶,晶界形核,，,，以板,条状向晶,内,内生长（,由,由于F形,成,成温度较,高,高，F内,含,含碳极,低，故又,称,称为无碳,贝,贝氏体）,针状,F（500,附近）：,大,大都非自,发,发形核，,在,在奥实体,内形成,细晶,F：奥氏,体,体晶内形,成,成，有细,晶,晶元素（Ti、B,）,）出,现时，晶,界,界有Fe,3,C出现，,接,接近上贝,氏,氏体,3.珠光,体,体（P）,转,转变,一般情况,不,不出现,P，只有,在,在缓冷时,，,，才会出,现,现片状或,粒,粒状的珠,光,光体,原因：焊,接,接过程是,一,一个不平,衡,衡过程，,冷,冷却速度,快,快，,C,扩散受到,抑,抑制，很,难,难出现,F/Fe,3,C,片状结构,4.贝氏,体,体（,B,）转变,上贝氏体,（,（,B,上,）转变,形成温,度,度：450-550,形态：,羽,羽毛状,形成机,理,理,下贝氏体,（,（,B,下,）转变,转变温,度,度：,450-Ms,形态：,针,针状铁素,体,体和针状,渗,渗碳体机,械,械混合，,针,针与,针之间呈,一,一定的角,度,度,形成机,理,理,粒状贝,氏,氏体（,B,粒,）,形成温,度,度高于上,贝,贝氏体,形态：,无,无碳铁素,体,体包围着,富,富碳物质,转变产,物,物：F+ C,m,、M-A,组,组织或残,余,余奥氏体,5.马氏,体,体(M),转,转变,低碳马氏,体,体（板条,马,马氏体）,转,转,变,变,温,温,度,度,：,：,M,S,温,度,度,以,以,下,下,形,形,态,态,：,：,在,在,奥,奥,氏,氏,体,体,晶,晶,粒,粒,的,的,内,内,部,部,形,形,成,成,细,细,条,条,状,状,马,马,氏,氏,体,体,板,板,条,，,，,条,条,与,与,条,条,之,之,间,间,有,有,一,一,定,定,的,的,交,交,角,角,形,形,成,成,机,机,理,理,：,：,位,位,错,错,高,碳,碳,马,马,氏,氏,体,体,（,（,片,片,状,状,马,马,氏,氏,体,体,）,）,形,形,态,态,：,：,马,氏,氏,体,体,较,较,粗,粗,大,大,，,，,往,往,往,往,贯,贯,穿,穿,整,整,个,个,奥,奥,氏,氏,体,体,晶,晶,粒,，,，,使,使,以,以,后,后,形,形,成,成,的,的,马,马,氏,氏,体,体,片,片,受,受,到,到,阻,阻,碍,碍,形,形,成,成,机,机,理,理,：,：,孪,孪,晶,晶,三,、,、,改,改,善,善,焊,焊,缝,缝,组,组,织,织,的,的,途,途,径,径,1.,焊,焊,后,后,热,热,处,处,理,理,改,善,善,焊,焊,缝,缝,和,和HAZ,的,的,性,性,能,能,2.,多,多,层,层,焊,焊,单,道,道,焊,焊,缝,缝,变,变,小,小,，,，,改,改,善,善,结,结,晶,晶,条,条,件,件,后,一,一,道,道,焊,焊,缝,缝,对,对,前,前,一,一,道,道,焊,焊,缝,缝,有,有,热,热,处,处,理,理,作,作,用,用,3,.,锤,锤,击,击,细,化,化,前,前,一,一,层,层,的,的,晶,晶,粒,粒,降,低,低,后,后,层,层,焊,焊,缝,缝,熔,熔,合,合,线,线,形,形,核,核,晶,晶,粒,粒,降,降,低,低,应,应,力,力,4.,跟,踪,踪,回,回,火,火,第,四,四,节,节,焊,焊,缝,缝,中,中,的,的,气,气,孔,孔,和,和,夹,夹,杂,杂,一,、,、,气,气,孔,孔,（,一,一,）,）,气,气,孔,孔,的,的,类,类,型,型,及,及,其,其,分,分,布,布,特,特,征,征,1.,气,气,孔,孔,的,的,类,类,型,型,及,及,形,形,成,成,原,原,因,因,类,型,型,：,：,表,表,面,面,气,气,孔,孔,、,、,内,内,部,部,气,气,孔,孔,形,成,成,原,原,因,因,结,结,晶,晶,时,时,因,因,气,气,体,体,溶,溶,解,解,度,度,突,突,然,然,下,下,降,降,来,来,不,不,及,及,逸,逸,出,出,残,残,留,留,在,在,焊,缝,缝,内,内,部,部,的,的,气,气,体,体,（,（,H,2,、N,2,）,冶,冶,金,金,反,反,应,应,产,产,生,生,的,的,不,不,溶,溶,于,于,金,金,属,属,的,的,气,气,体,体,（,（,CO、H,2,O,）,2.氢,（,（H）,气,气孔,出现在,低,低合金,焊,焊缝中,，,，大都,为,为表面,气,气孔，,含,含,H,2,O多时,，,，也会,出,出现在,内,内部,形状,表面,气,气孔：,喇,喇叭口,形,形，内,壁,壁光滑,，,，形如,螺,螺钉状,内部,气,气孔：,圆,圆球状,形成,原,原因,在相邻,树,树枝晶,的,的凹陷,最,最深处,是,是氢气,泡,泡的胚,胎,胎场所,，,，冷,却中，,氢,氢的溶,解,解度从,液,液态下32ml/100g,下,下降到,固,固态下,的,的,10ml/100g,由于,焊,焊接熔,池,池冷却,快,快，H,2,来不及,逸,逸出时,，,，,就会形,成,成气孔,。,。氢由,于,于受到,表,表面的,吸,吸附作,用,用，液,体,体的,粘度以,及,及机械,阻,阻力的,影,影响，,在,在上浮,与,与受阻,的,的综合,作,作用,下，形,成,成具有,喇,喇叭形,的,的表面,气,气孔,2.氮,（,（N）,气,气孔,一般在,表,表面成,堆,堆出现,，,，呈蜂,窝,窝状，,只,只有在,保,保护不,良,良时出,现,现，形,成,成原因,与,与氢气,孔,孔相似,3.一,氧,氧化碳,（,（CO,）,）气孔,在熔池,后,后部，,结,结晶期,间,间，在,柱,柱状晶,界,界区域,，,，由于,温,温低，C,浓,浓度高,，,，产生C的偏,析,析，易,发,发生反,应,应：FeO+C,CO+Fe,反应,产,产生的CO因,粘,粘度大,，,，浮出,阻,阻力大,而,而滞留,内,内部，,并,并随结,晶,晶过程,的,的进行,而,而不断,形,形成，,故,故气孔,是,是沿结,晶,晶方向,分,分布的,（二）,气,气孔形,成,成机理,1.气,孔,孔形成,条,条件,液体中,有,有过饱,和,和气体,存,存在,非自发,形,形核，,质,质点较,多,多（在,枝,枝晶间,凹,凹陷处,，,，,未熔晶,粒,粒表面,，,，界面,等,等）,结晶,速,速度大,于,于气泡,上,上浮速,度,度,2,.形核,纯金属,中,中气泡,形,形核的,可,可能性,极,极小,焊接熔,池,池中，,存,存在很,多,多现成,的,的表面,（,（易聚,集,集,N、H,、,、C,等活性,元,元素）,，,，产生,气,气泡就,较,较为容,易,易,形核,能,能量,F,a,/F越,大,大，E,p,越小，,越,越易形,核,核，故,在,在枝晶,晶,晶界,凹陷处,及,及未熔,化,化晶粒,表,表面易,形,形核,3.长,大,大,长大的,条,条件：,p,h,（内压,）,）,p,0,（外压,）,）,p,0, p,a,+ p,c,=,1+2,/r,p,a,大气压,p,c,表面张,力,力所构,成,成的附,加,加压力,金,属,属与气,体,体之间,的,的表面,张,张力,r,气,泡,泡半径,所以气,泡,泡半径,越,越大，,越,越易长,大,大,4.上,浮,浮,气泡成,长,长到一,定,定大小,脱,脱离现,成,成表面,的,的能力,主,主要决,定,定于液,态金属,、,、气相,和,和现成,表,表面之,间,间的表,面,面张力,（,（如图），,即：,当,90,时,时，有,利,利于气,泡,泡的逸,出,出，而, 90时,，,，由于,形,形成细,颈,颈需要,时,时间，,当,当结晶,速,速度较,大,大的情,况,况下，,气,气泡来,不,不及逸,出,出而形,成,成气孔,（,（如图3-61）,因此：,减,减小,2.g,和,1.2,，以及,增,增大,1.g,都可以,有,有利,于,于气泡,快,快速逸,出,出。因,为,为可以,减,减小,值,值,当结晶,速,速度较,小,小时，,气,气泡可,以,以有充,分,分的时,间,间逸出,，,，易得,到,到无气,孔,孔的焊,缝,缝。当,结,结晶速,度,度较大,时,时，气,泡,泡有可,能,能来不,及,及逸出,而,而形成,气,气孔,（如图3-62）,气泡,浮,浮出的,速,速度,气泡,的,的半,径,径越,大,大，,熔,熔池,中,中液,体,体金,属,属的,密,密度,越,越大,，,，粘,度,度越,小,小时,，,，则,气,气泡,的,的上,浮,浮速,度,度也,就,就越,大,大，,焊,焊缝,中,中就,不,不易,产,产生,气,气孔,（三）影,响,响因素及,防,防治措施,1.冶金,方,方面,熔渣的氧,化,化性,氧化性, ,CO,气孔,还原性,H,2,气孔,一般焊缝,中,中用,CO,乘积表示,CO,气孔倾向,，,，,在酸性焊,条,条中，有,时,时乘积大,，,，但未见,气,气孔，因,为,为,O,活度小；,而,而碱性渣,乘,乘积小，,O,活度大，,易,易出,现气孔,药皮成分,CaF,2,、SiO,2,、氧化物,及,及碳酸盐,都,都可脱,H,铁锈、,油,油污,特别铁锈,对,对,CO（Fe,2,O,3,氧化性,）、H,2,(H,2,O),气孔都,比较敏感,二、夹杂,1.氧化,物,物夹杂,（,以SiO,2,为主的硅,酸,酸盐、MnO、TiO,2,、Al,2,O,3,）,焊缝中,易,易引起热,裂,裂纹,母材中,易,易出现层,状,状撕裂,2.氮化,物,物夹杂,焊缝中很,少,少出现（,时,时效时可,能,能出现Fe,4,N析出）,3.硫化,物,物夹杂,加强脱S、脱O,，,，控制焊,材,材中的S,、,、P量,注意工,艺,艺操作,
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