材料成型原理-2.ppt

材料成形原理 第五节 焊接熔池凝固及控制 一、熔池凝固条件 体积小、冷速快 温差大、过热度高 动态凝固过程 液态金属对流激烈 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。 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 : 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。 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。 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。 第一节 快速凝固 第二节 失重条件下的凝固 第三节 定向凝固 第一节 快速凝固 一、快速凝固简介 二、快速凝固方法 三、快速凝固显微组织 四、金属玻璃 一、快速凝固简介 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。 完全扩散平衡 固-液界面局部平衡 非稳定界面局部平衡 界面不平衡 二、快速凝固方法 1、把金属或合金熔体分散成小液滴 也称之为雾化技术、乳化技术或喷射成形技术，以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。 深过冷法 深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是: 消除合金液中的异质形核核心。 三、快速凝固显微组织 四、金属玻璃 第二节 失重条件下的凝固 失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力条件下完全不同，如无容器条件下的形核以及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等，使得不同成分的液体能够长时间共存，因此可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利用微重力条件制备难混熔偏晶合金。 第三节 定向凝固 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义。 对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以提高。 定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显