熔池结晶ppt-第三章熔池结晶和焊缝组织.ppt

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1、金属的结晶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：θ=0Ek´=0现成晶核θ=180°Ek´=Ek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

2、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/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化ds，则ds/dt=Vc,当dt0时，BC垂直于AC，则即：co

3、sθ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θ=0°时，Vc=V(最大处中心线）θ=90°时，Vc=0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

4、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）G>T②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

5、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

6、，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-C´C0+C´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

7、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

8、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20~30℃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