第7章 焊缝及其热影响区的组织和性能.ppt

第三章 金属凝固热力学与动力学主要内容7.1 金属焊接概述7.2 焊接接头成形及其冶金过程7.3 焊接温度场7.4 焊缝金属的组织性能7.5 焊接热影响区的组织性能 温度变化范围大； 一、熔池凝固 一、熔池凝固 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=0Ek′=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 二、熔池结晶的一般规律 （1）形核 自发形核和非自发形核 在焊接熔池中，温度达到1600℃， 自发形核几乎不可能，非自发形 核起主要作用。二、熔池结晶的一般规律（2）晶核长大择优生长 每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向, 对于立方点阵的金属（Fe, Ni, Cu, Al），最优结晶取向为001。 温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。 当母材晶粒取向001与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大 （3）焊接工艺对一次组织结构的影响焊接熔池的外形是椭球状的曲面，即 结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结 晶等温面，因此晶粒的生长方向也是垂直于 结晶等温面。由于等温面是曲线，那么晶粒 生长的主轴也是弯曲的。 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③cosθ值的确定厚大件：薄件： ④对Vc的讨论θ=0°时，Vc=V ，焊缝中心处θ=90°时，Vc=0，焊缝边界处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 ①温度过冷:结晶潜热所致固相前部温度高，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。 （4）成分过冷对结晶形态的影响 ①平面结晶： GT，多见于高纯金属焊缝或溶质含量低的液态合金，在熔合线附件温度梯度很高而结晶速度很小的边界层中。 ⑥综合 ?当结晶速度R和温度梯度G不变时，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熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。 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 实际上（主要是柱状晶和少量的等轴晶）: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 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，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熔合区成分分布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） 六、焊缝固态相变1、低碳钢焊缝组织特征：A P，形成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冷速不同，组织不同：冷速增加，P增多，F减少，硬度升高 2、低合金钢 （1）多以F+P为主，有时出现B及M,与焊材及工艺有关。 （2）铁素体（F）转变①粒界F（高温转变900-700℃）：为先共析F,由奥氏体晶界析出向晶内生长，呈块状②侧板条F（700-550℃）：由奥氏体晶界形核，以板条状向晶内