《金属的凝固》ppt课件

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1、第二章金属的凝固第07讲130上讲回顾焊条的加热与熔化焊条金属的过渡特性熔池的形状和尺寸熔池中流体的运动状态熔池凝固的特殊性230二、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。结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。3301.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⑴自发晶核自发临

2、界晶核所需的能量EK表达式：σ：新相与液相间的表面张力系数；ΔFv：单位体积内液固两相自由能之差。430⑵非自发形核θ：非自发晶核的浸润角（图2-19）θ=0℃，EK'=0θ=180℃，EK'=EK图2-19非自发晶核的浸润角研究表明：对于熔池结晶来讲，非自发晶核起主要作用。530焊接时存在两种非自发晶核质点：一种是合金元素或杂质的悬浮质点，作用不大。一种是现成表面，熔池边界（熔合区），处于半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基地”，图2-20所示。图2-20熔合区母材晶粒上成长的柱状晶焊接时，通

3、常加入一定量的合金元素，可以作为熔池中非自发晶核的质点，从而使焊缝金属细化。6302．熔池中晶核的长大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。当晶体最易长大方向与散热最快方向相一致，最有利长大。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,并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。730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母材晶粒表面完全可能成为新相晶核

4、的“基底”，非均匀生核，焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系，好似母材晶粒外延长大。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，称为联生结晶或交互结晶。图2-21外延结晶示意图830三、熔池凝固线速度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。从图2-22可以看出，任一晶粒主轴，在任一点A的成长方向是A点的切线(S—S线)。此方向与x轴之间的夹角为θ。R=vcosθ图2-22晶粒长大线速度分析图930①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

5、近，θ=90°，R=0°；而在熔池中心θ=0°，则R=υ。这就是说，从熔合线开始到熔池中心部分，θ角自90°变到0°，而R自0变到焊接速度。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。②焊接工艺参数焊接速度↑，cosθ=R/υ≈0，θ≈90°，晶粒成长主轴的方向就近似垂直于焊缝熔合线。焊接速度↓，晶粒成长主轴的方向越弯曲。1030四、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，合金元素来不及扩散均匀，会出现所谓偏析现象。（1）显微偏析焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含

6、溶质浓度较低，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，故称为显微偏析。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，都存在不同程度的显微偏析。1130（2）区域偏析在焊缝凝固时，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较严重的区域偏析。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，在应力作用下，将会导致焊缝纵向裂纹的产生。1230（3）层状偏析由

7、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分也发生周期性的变化，因而造成了所谓层状偏析，如图2-23所示。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，如图2-24所示的为层状偏析造成的气孔。1330图2-23焊缝的层状扁析（a）手弧焊（b）电子束焊图2-24层状扁析与气孔（a）熔池的横断面（b）熔池的纵断面14302.4.2焊缝组织1、焊接条件下的凝固形态由于熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不同，图2-25示意地表示了

8、焊缝凝固形态的变化过程。图2-25焊缝结晶形态的变化1—平面晶2—胞状晶3—树枝柱状晶4—等轴晶153016301730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。此外焊接工艺参数对凝固形态也有很大影响。例如：焊接速度增大时，在焊缝中心往往容易出现大量的等轴晶；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；焊接电流较大时，主要是粗大的胞状树枝晶。18302、凝固形态对性能的影响粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。图2-26所示为低碳钢碱性焊条