(焊接冶金学及金属材料焊接)模块二焊缝组织与性能的控制.ppt

大连理工大学出版社 “十二五”职业教育国家规划教材 经全国职业教育教材审定委员会审定 主编 吴金杰 （第二版） 焊接冶金学及金属 材料焊接 课题一 熔池的凝固 课题二 焊缝组织与性能控制 模块二 焊缝组织与性能的控制 课题一 ?熔池的凝固 　　定义：熔焊时母材上所形成的具有一定几何形状的液体金属部分叫熔池。 　　一、熔池凝固的特点和规律 　　（一）熔池结晶的特点 回目录 熔池的体积小，冷却速度大。 （1） 熔池中的液态金属处于过热状态 （2） 　　（二）熔池结晶的一般规律 　　1.熔池中晶核的形成 　　非自发晶核依附在熔合区附近半熔化状态基本金属表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓的交互结晶（或称联生结晶），如图所示。 熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶 型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶 课题一 ?熔池的凝固 2.熔池中的晶核长大 　　熔池金属开始结晶时，总是从靠近熔合线处的母材上联生地长大起来。 　　当晶体最易长大方向与散热最快方向（或最大温度梯度方向）相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先得到生长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。 焊缝中柱状晶优先生长方向 课题一 ?熔池的凝固 　　二、熔池结晶的形态 　　焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树枝状晶等），而等轴晶内一般都呈现树枝晶。 （一）纯金属的结晶形态 　　冷却速度越大，过冷度（△T）越大，过冷度的大小只决定于温度的梯度。 　　1.正温度梯度（G＞0） 　　纯金属焊缝凝固时，一般均属于这种情况，如下图b所示。 课题一 ?熔池的凝固 纯金属的结晶形态 a)G＞0时的温度分布 b)G＞0时的界面结晶形态 c)G＜0是的温度分布 d)G＜0时的界面结晶形态 TM—纯金属的凝固点 △T—过冷度 课题一 ?熔池的凝固 　　2.负温度梯度（G＜0） 　　由于液体内部的温度比界面低，过冷度大，伸入液体金属内部的晶体成长速度很快，除了主干之外，还有分支，形成所谓树枝状晶，如图2-4d所示。树枝状晶体的立体模型如图所示。 树枝状晶体模型 课题一 ?熔池的凝固 （二）固溶体合金的结晶形态 　　合金的结晶温度与成分有关，合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固-液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶时不必很大的过冷就可以出现树枝结晶。 　　由于过冷程度的不同，就会使焊缝组织出现不同的形态。经分析、归纳，大致可分为以下五种结晶形态。 课题一 ?熔池的凝固 纯铌板焊缝平面晶 （三）成分过冷对结晶形态的影响 　　1.平面结晶 多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大，如图所示。 课题一 ?熔池的凝固 2.胞状结晶 　　因平面结晶界面处于不稳定的状态，凝固界面长出许多平行束状的芽胞伸入过冷的金属内，断面是六角形的胞状结晶形态，如同细胞或蜂窝状。金相照片如图所示。 胞状晶组织 课题一 ?熔池的凝固 　　3.胞状树枝结晶 　　焊缝中出现的胞状树枝结晶如图所示。 焊缝中的胞状树枝晶 a) 含Ti的HY80钢的TIG焊焊缝中的胞状树枝晶 　b)316L不锈钢焊缝中的胞状树枝晶 课题一 ?熔池的凝固 4.树枝状结晶 304不锈钢TIG焊缝中心部位的树枝状晶 课题一 ?熔池的凝固 5.等轴结晶 晶粒的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶，如图所示。 铝板TIG焊时焊缝等轴晶 课题一 ?熔池的凝固 总括以上，五种不同的结晶形态都是具有内在的因素。大量的实验证明，结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、结晶速度（或晶粒长大速度）和液相中温度梯度的综合作用。它们对结晶形态的影响关系如图所示。 C0、R、G对结晶形态的影响 课题一 ?熔池的凝固 （四）焊接条件下的熔池结晶形态 如图示意地表示了结晶形态的变化过程。 焊缝结晶形态变化示意图 课题一 ?熔池的凝固 　　除了焊缝金属成分对结晶形态有影响之外，焊接工艺参数也有很大的影响。 　　1)焊接速度的影响 　　2)焊接电流的影响 　　三、焊缝金属的化学成分不均匀性 （一）焊缝中的化学不均匀性 　　定义：焊缝金属在结晶过程中，由于合金元素来不及扩散而存在化学成分的不均匀性。 　　1.显微偏析 　　由于焊接过程中冷却较快，固相的成分来不及扩散，而在相当大的程度上保持着由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性。 课题一 ?熔池的凝固 　　2.区域偏析 　　当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附