焊接熔池结晶的一般规律

焊接熔池结晶的一般规律

焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。

从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态金属的温度降低到“理论结晶温度”以下才能进行。液态金属缓慢冷却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结晶成固态金属为止。在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结晶潜热”，补偿了热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个水平台，平台对应的温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。在实际生产中，总是具有一定的冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程在一定的温度过冷下才能进行。T1低于T0过冷度，冷却速度越大，则所测得的实际结晶温度越低，过冷度越大。

从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要一定时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸附周围液体中的原子面成长，同时，还会有新的晶核不断从液体金属中产生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后形成由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体。

结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。

1、 生核

熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。 形成两种晶核都需要能量

1） 自发晶核

自发临界晶核所需的能量

23316Fr Er ∆=

πσб：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFr ：单位体积内液固两相自由能之

差。 2） 非自发形核

()

4cos cos 32316`323

θθπσ+-∆=r F k E ？ θ：非自发晶核的浸润角

见图3-3

θ=0℃ E K `=0

液相中早有悬浮的质点或现成表面。

它们本身就是晶核。

当θ=180°，E K `= E K 自发晶核θ=0 ～180°时，E K `/ E K =0～1说明非自发形核所需能量小于自发晶核。θ角的大小决定新相晶核与现成表面之间的表面张力。若新核与液相中厚有现成表面固体粒子的晶体结构越相似表面张力越小，θ越小，E K `越小。

焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现成表面，焊接熔池边界，正是固液相的相界石，熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。2．成长

原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。

晶粒长大要具有一定结晶位向，在焊缝边界，作为晶核基底的母材晶粒是各向异性的，即结晶位向不同，因此在某一个方向上晶粒最易长大；晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。Fe、Cr、Cu、Ni点阵，立方结晶有利位向（1、0、0）散热最快方向，垂直等温面、等温线的结晶位向与散热最快的方向一致，晶粒最易长大，与熔池结晶等温面相垂直的方向，也就是最大温度梯度的方向。

焊接时非自发晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱状晶的形态不断成长，形成联生结晶。所谓联生结晶是指依附在半熔化的母材表面，成长成与母材具有共同晶粒的现象，也称交互结晶。可见金相照片。