第三讲连铸坯宏观组织及控制精要.ppt

1. 熔池金属的体积小，冷却速度快 在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3 ，重量不超过100g; 周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4～100℃/s，远高于一般铸件的冷却速度; 由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。 2. 温差大、过热温度高 熔池金属中不同区域　因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。 由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。 3. 动态凝固过程 处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。 图5-11 熔池的运动状态下结晶 4. 液态金属对流激烈 　 熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。 二、熔池结晶特征 联生结晶　 柱状晶生长方向与速度的变化 熔池凝固组织形态的多样性 1. 联生结晶 在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。 2. 柱状晶生长方向与速度的变化 典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度增大, L增加, Bmax减小. 熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反, 因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。生长速度R与焊接速度υ满足关系式 : 在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中 H 和F点）, 晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度R与焊接速度υ相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。 焊接速度大时，焊接熔池长度增加, 柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长 ; 焊接速度越慢, 柱状晶越弯曲。 最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。 焊接速度快 焊接速度慢 3. 熔池凝固组织形态的多样性 在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R非常小，温度梯度G较大，G/R 则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。 随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时, 结晶速度R逐渐增大，而温度梯度G减小, G/R 逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长； 随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。 三、熔池结晶组织的细化 通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面 1．变质处理 通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等) , 作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。 2．振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。 3．焊接工艺 采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小线能量、多层焊和锤击焊道表面等。 作业 1、描述表面细晶区的形成理论（思考题） 2、描述柱状晶的形成理论 3、描述等轴晶形成的理论 （重点掌握） 第三节 铸件宏观结晶组织的控制 以高碳钢为例：因为高碳钢固液两相区温度达到131℃，故中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈增大趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭桥而形成小钢锭的凝固结晶现象，铸坯产生中心偏析。过热度越低，中心偏析的评级越低。 两个需要注意的概念： (1)由成分决定的固液相线宽度越大，柱状晶越发达； (2)由温度梯度决定的两相区越