3熔池凝固和焊缝固态相变.pptVIP

第三章 熔池凝固和焊缝固态相变;第四节 焊缝性能的控制;重点内容;熔池凝固过程的研究目的： 熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要影响。 焊接工程中，由于熔池 中的冶金条件和冷却条件不同，可得到性能差异很大的组织。 同时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。 另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属的性能。;第一节 熔池凝固;4 联生结晶 熔池壁相当于铸型壁，熔池内金属和熔池壁局部熔化的母材在凝固过程中长成共同晶粒（体）。熔池壁作为非自发形核的基底。;二、熔池结晶的一般规律 ;1.熔池中晶核的形成 晶核有两种，自发形核和非自发形核，形成两种晶核都需要能量。 ①自发形核所需能量： 其中：σ——新相-液相的界面张力 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 →液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 θ=180°→Ek′=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 θ= 0°~ 180°时，Ek′/ Ek=0~1，说明在液相中有现成表面存在时，将会降低形成临界晶核所需的能量。;θ角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常数相似），则二者之间的表面张力越小， θ角也越小，那么自发非自发晶核的能量也越小。 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。;③熔池中的现成表面 合金元素或杂质的悬浮质点（在一般情况下所起作用不大） 熔合区附近加热到半熔化状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶（或称联生结晶），如图3-4、3-5所示。 焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池中非自发形核的质点，从而使焊缝金属晶粒细化。;2.熔池中的晶核长大 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。熔合区附近母材晶粒作为现成表面向焊缝中成长起了主要作用。即熔池金属开始结晶时总是从靠近熔合线的母材上联生长大起来。 但是，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。 晶粒由为数众多的晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具有相同的方位，称为“位向”。不同的晶粒具有不同的位向，称为各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长大。此外，散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。;当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一致，这时晶粒的成长就停止下来。 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。;三、熔池结晶的线速度 熔池的结晶方向和结晶速度对焊接质量有很大的影响，特别是对裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成影响更大。 焊接熔池的外形为椭球状的曲面，即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面的，因此，晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面的。 由于结晶等温面是曲面，因此晶粒成长的主轴必然是弯曲的。 如图3-7所示，晶粒主轴的成长方向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝中心成长。;任一个晶粒主轴，在任一点A的成长方向是A点的切线(S-S线),与X轴夹角为θ，如果结晶等温面在dt时间内，沿X轴移动了dx，此时结晶面从A移到B，同时晶粒主轴由A成长到C。当dx很小时，可把AC弧看作是AC’直线，认为AC’B是直角三角形。 令AC’弧=ds， 则ds=dxcosθ， ds/dt=dx/dtcosθ, Vs=Vcosθ Vs-晶粒成长平均线速度；V-焊接速度；cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状。 ;晶粒成长的平均线速度，决定于cosθ值. Vc=Vcosθ; 晶粒成长的线速度围绕平均线速度作波浪式变化，而且波浪起伏的振幅越来越小，最后趋向平均线速度。 晶核的长大也需要能量，由两部分组成，一是体积长大而使自由能下降，二是长大产生的新固相表面使体系自由能增高。;（一）纯金属结晶形态 1 正温度梯度 G＞0。液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液体金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。 2 负温度梯度 G0。液体内部的温度比界面低，伸入液体金属内部的晶体成长速度很快，形成树枝状晶。;;(二)固溶体合金的结晶形态 合金的结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分不相同，造成固液界