焊缝结晶

2.氮（N）气孔
一般在表面成堆出现，呈蜂窝状，只有在保护不 良时出现，形成原因与氢气孔相似
3.一氧化碳（CO）气孔
在熔池后部，结晶期间，在柱状晶界区域，由于 温低，[C]浓度高，产生C的偏析，易发生反应： FeO+[C]CO+Fe,反应产生的CO因粘度大，浮 出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进行而不 断形成，故气孔是沿结晶方向分布的
③熔合区成分分布（如图3-39)
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）
第二节 焊缝金属的一次结晶组织
一、焊接条件下的凝固结晶形态
1.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
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熔合区宽度
A TL Ts ( T ) Y
A—熔 合 区 的 宽 度 （mm) T / Y —温 度 梯 度 （C / mm ) TL — 被 焊 金 属 的 液 相 线 温 度（C） Ts — 被 焊 金 属 的 固 相 线 温 度（C）
改善焊缝和HAZ的性能
2.多层焊
①单道焊缝变小，改善结晶条件 ②后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用
3.锤击
①细化前一层的晶粒 ②降低后层焊缝熔合线形核晶粒 ③降低应力
4.跟踪回火
第四节 焊缝中的气孔和夹杂
一、气孔
（一）气孔的类型及其分布特征 1.气孔的类型及形成原因
①类型：表面气孔、内部气孔 ②形成原因
二、夹杂
1.氧化物夹杂 （以SiO2为主的硅酸盐、MnO、TiO2、Al2O3）
焊缝中易引起热裂纹 母材中易出现层状撕裂
2.氮化物夹杂
焊缝中很少出现（时效时可能出现Fe4N析出）
3.硫化物夹杂
加强脱S、脱O，控制焊材中的S、P量 注意工艺操作
5.马氏体(M)转变
①低碳马氏体（板条马氏体）
转变温度：MS温度以下
形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板 条，条与条之间有一定的交角
形成机理：位错
②高碳马氏体（片状马氏体）
形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶 粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍
形成机理：孪晶
三、改善焊缝组织的途径
1.焊后热处理
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
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
Ek
16π 3
3Fv 2
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：E k
Ek
(
2
3cos
4
3 cos 3
)
θ=0 Ek´=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
③熔池中的现成表面 悬浮质点 熔合线上半熔化的晶粒联生结晶（交互 结晶）——结晶的主要方式
4.贝氏体（B）转变
①上贝氏体（B下）转变 形成温度：450-550℃ 形态：羽毛状
形成机理
②下贝氏体（B下）转变
转变温度：450℃-Ms 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与
针之间呈一定的角度 形成机理
③粒状贝氏体（B粒）
形成温度高于上贝氏体 形态：无碳铁素体包围着富碳物质 转变产物：F + Cm、M-A组织或残余奥氏体
结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在 焊缝内部的气体（H2、N2）
冶金反应产生的不溶于金属的气体（CO、H2O）
2.氢（H）气孔
①出现在低合金焊缝中，大都为表面气孔，含 H2O多时，也会出现在内部
②形状 表面气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状 内部气孔：圆球状
③形成原因
在相邻树枝晶的凹陷最深处是氢气泡的胚胎场所 ，冷 却中，氢的溶解度从液态下32ml/100g下降到固态下的 10ml/100g,由于焊接熔池冷却快，H2来不及逸出时， 就会形成气孔。氢由于受到表面的吸附作用，液体的 粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综合作用 下，形成具有喇叭形的表面气孔
第三章 焊缝金属的结晶
天津大学 王惜宝
熔池结晶过程研究目的： 防止气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹 防止晶体缺陷
第一节 熔池结晶特点和形态
一、特殊性 1.体积小、冷速大 产生淬硬、粒状晶等组织 2.过热 ①金属烧损严重 ②非自发形核小 3.运动状态下结晶（如图3-2）
二、熔池结晶的一般规律
1.形核
①自发形核 所需能量：
（三）影响因素及防治措施
1.冶金方面
①熔渣的氧化性
氧化性 CO气孔 还原性 H2气孔
一般焊缝中用[C]×[O]乘积表示CO气孔倾向， 在酸性焊条中，有时乘积大，但未见气孔，因为 [O]活度小；而碱性渣乘积小，[O]活度大，易出 现气孔
②药皮成分 CaF2、SiO2、氧化物及碳酸盐都可脱H
③铁锈、油污 特别铁锈对CO（Fe2O3氧化性）、H2(H2O)气孔都 比较敏感
3.长大
①长大的条件：ph（内压）>p0（外压）
② p0≈ pa + pc = 1+2σ/r pa——大气压 pc——表面张力所构成的附加压力 σ——金属与气体之间的表面张力 r——气泡半径 所以气泡半径越大，越易长大
4.上浮
①气泡成长到一定大小脱离现成表面的能力主要决定于液 态金属、气相和现成表面之间的表面张力（如图），
2.实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关） 成分
板厚和接头形式
焊接速度 vR,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 IG,胞状晶粗大树枝状晶
二、凝固组织形态对性能的影响
生成粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、 夹杂、热裂都有影响
三、焊缝金属的性能的改善措施
2.晶核生长
①晶粒由晶胞组成，同一晶粒内部，晶胞取向 一致，位向有序
②晶粒生长有方向性，某一方向的生长速度最 大，当最大的生长速度方向与最大温度梯度方 向（最快散热方向）一致时，可优先长成，不 一致时会中止生长
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（如图3-8） ②在dt内，当结晶等温面由AB时，变化dx，则
当成分过冷进一步增大，树枝晶显著
⑤等轴结晶 （如图3-26）
液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶，内部也形 成树枝晶等轴晶
⑥综合（如图3-28）
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
1.分类
平 面 晶
形 态
柱 状 晶 晶 胞 树 枝 晶
等 轴 晶 （ 树 枝 晶 ）
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（如图3-16）
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
3.成分过冷对结晶形态的影响 ①平面结晶 （如图3-18）
G>T
②胞状结晶 （如图3-20）
G与T少量相交
③胞状树枝结晶（如图3-22）（Flash演示）
G与T相交较大，晶粒主轴快速伸向液内，横向排溶质， 故横向也出现分枝
④树枝状结晶 （如图3-24）（Flash演示）
dx/dt=V（焊接速度）， 此时该晶粒生长由 AC，变化ds，则 ds/dt=Vc,当dt0时，BC垂 直于AC，则
ds dx cos
dt dt
即：Vc V cos
cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
③cosθ值的确定
厚大件：cos {1 A qv
薄件： cos {1 A( q
③针状F（500℃附近）：大都非自发形核，在奥实体
内形成
④细晶F：奥氏体晶内形成，有细晶元素（Ti、B）出 现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体
3.珠光体（P）转变
①一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒 状的珠光体 ②原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C扩 散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构
因此：减小σ 2. g和σ 1. 2，以及增大σ 1. g都可以 有利 于气泡快速逸出。因为可以减小θ值
③当结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间逸 出，易得到无气孔的焊缝。当结晶速度较大时， 气泡有可能来不及逸出而形成气孔
（如图3-62）
④气泡浮出的速度
v 2 1 2 gr 2
9
v —气 泡 浮 出 的 速 度(cm / s)
（二）气孔形成机理
1.气孔形成条件
①液体中有过饱和气体存在 ②非自发形核，质点较多（在枝晶间凹陷处，
未熔晶粒表面，界面等） ③结晶速度大于气泡上浮速度
2.形核
①纯金属中气泡形核的可能性极小 ②焊接熔池中，存在很多现成的表面（易聚集
N、H、C等活性元素），产生气泡就较为容易
③形核能量
E
p
(
ph
pL )V
冷速不同，组织不同：冷速增加，P增多，F 减少，硬度升高
二、低合金钢的固态相变
1.总的来说，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 条状向晶内生长（由于F形成温度较高，F内含碳极 低，故又称为无碳贝氏体）
A1
Aa A
(1 cos )
Ep —形成气泡所需的能量
ph —气 泡 内 的 气 体 压 力
pL —液体压力
Ｖ—气 泡 核 的 体 积
—相间张力
Ａ—气 泡 核 的 表 面 积
Ａａ— 吸 附 力 的 作 用 面 积
—气 泡 与 现 成 表 面 的 浸 润角
Fa/F越大，Ep越小，越易形核，故在枝晶晶界 凹陷处及未熔化晶粒表面易形核
1 —液 体 金 属 的 密 度 （g/cm3 ) 2 —气 体 的 密 度 （g/cm3 )
g —重 力 加 速 度 （980cm/s2 ) r —气 泡 的 半 径 （cm）
—液 体 金 属 的 密 度 （Pa • s）
气泡的半径越大，熔池中液体金属的密度越大，粘度越 小时，则气泡的上浮速度也就越大，焊缝中就不易产生 气孔
1.固溶强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等
2.振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动
3.焊接工艺 焊后处理、热处理、多层焊、锤击、跟踪 回火等
第三节 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝
组织特征：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，一般 经A3点以上20~30℃ 正火后，柱状晶可消 除
即： cos 1.g 1.2 2.g
—气 泡 与 现 成 表 面 的 浸 润角 1.g — 现 成 表 面 与 气 泡 间 的 表面 张 力 1.2 — 现 成 表 面 与 熔 池 金 属 间的 表 面 张 力 2.g —熔 池 金 属 与 气 泡 间 的 表面 张 力
②当 θ＜ 90°时，有利于气泡的逸出，而 θ＞ 90°时，由于形成细颈需要时间，当结晶速度 较大的情况下，气泡来不及逸出而形成气孔 （如图3-61）
k ( 1
)2
2 y
ky
(
kz2
2
k
2k
yBaidu Nhomakorabea
z
2 )}
1
)} 2
1 2
④对Vc的讨论
TM 1 k y 2
θ=0°时，Vc=V(最大处中心线）
θ=90°时，Vc=0
即晶粒生长速度是变化的
Vθ，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
VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
四、熔池结晶的形态