焊接冶金学基本原理第3章 熔池凝固和焊缝固态相变PPT课件
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
4
二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 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 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
' k
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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
11
③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，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 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
3
第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发形核的质点大为减 少（柱状晶的形成原因之一）。 3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2） – 熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊 条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂 ，有利于得到致密而性能好的焊缝。
二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 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 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
' k
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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
11
③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，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 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
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第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发形核的质点大为减 少（柱状晶的形成原因之一）。 3.熔池是在运动状态下结晶（如图3-2） – 熔池以等速随热源移动，熔化和凝固同时进行。气体吹力，焊 条摆动、内部气体逸出等产生搅拌作用，利于排除气体和夹杂 ，有利于得到致密而性能好的焊缝。
焊接冶金学基本原理-第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
薄板上自动焊： cos1Aq TM21 KK 2y 2y12
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
结论：
（1） 晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊 缝中心最大，vc=0～v。 Ky=1， cosθ=0, θ =90°,Vc=0, 说明熔合区上晶粒开始成长 的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等 于零。
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
焊接冶金学主要内容
❖焊接接头形成 以熔化焊为例，焊接过 程经过了
焊接热过程 焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹
❖加热— ❖熔化— ❖冶金反应— ❖结晶— ❖固态相变—
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焊接冶金学--基本原理 2.熔池中晶核的长大
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
a 联生结晶起主导作用
b 当晶体最易长大方向（bcc，fcc <100>方向）与散热最快方 向（温度梯度）相一致，最有利长大。
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180)
EK ' EK
23coscos3
4
EKf( )
θ：非自发晶核的浸润角
f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
结论：
（1） 晶粒成长的平均线速度是变化的，在熔合线上最小，在焊 缝中心最大，vc=0～v。 Ky=1， cosθ=0, θ =90°,Vc=0, 说明熔合区上晶粒开始成长 的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成长的平均线速度等 于零。
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
焊接冶金学主要内容
❖焊接接头形成 以熔化焊为例，焊接过 程经过了
焊接热过程 焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹
❖加热— ❖熔化— ❖冶金反应— ❖结晶— ❖固态相变—
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焊接冶金学--基本原理 2.熔池中晶核的长大
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
a 联生结晶起主导作用
b 当晶体最易长大方向（bcc，fcc <100>方向）与散热最快方 向（温度梯度）相一致，最有利长大。
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180)
EK ' EK
23coscos3
4
EKf( )
θ：非自发晶核的浸润角
f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017
焊接熔池凝固ppt课件
等温线
晶粒成长线速度分析图 结晶形态：弯曲柱状晶
10
R= v·cos
式中，R—晶粒成长的平均线速度 v —焊接速度 —焊接方向与熔池边界法线方向的夹角
cos 值取决于焊接参数和被焊金属的热物理性质。 在熔池边界（熔合线上）
∵ ＝90°，∴ R=0 在焊缝中心（Y＝0）
∵ ＝0 °，∴ R＝v.
8
2.2 晶核长大
与焊接熔池边界垂直的方向， 温度梯度G最大，散热最快。
每一种晶体结构都存在一个 最优结晶取向（树枝晶或胞 状晶最易生长的方向）；
对于fcc和bcc点阵的金属 （Fe, Ni, Cu, Al），最优 结晶取向为<100>。
在凝固过程中，最优结晶取 向与与散热最快的方向一致 时，晶粒生长最快而优先长 大——择优长大；
焊缝中柱状晶体的选择长大
9
2.3 结晶线速度
设液相等温线上任一点A的 晶粒主轴，沿等温线法线方向 （S－S）生长，此方向与X轴的 夹角为。
设结晶速度为R，焊接速度 为V，经过dt时间后，焊接熔池 移动dx，A点便移至B点，A点晶 粒长大至C点。
当dx很小时， ds=dx cos ds/dt =dx/dt × cos 即 R= v cos
4
1.3 动态下凝固。
处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到 熔池中的焊丝熔滴一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后 部。随热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固， 形成焊缝
1.4 对流强烈。
熔池中存在各种作用力，如电弧的机械力、气流吹力、 电磁力，以及液态金属中密度差别，使熔池中存在有强烈 的搅拌和对流，其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动。
1
1.焊接熔池特征
熔池凝固-吴正权.ppt
1.正温度梯度 在这种情况下由于液体金属的温度高， 过冷度小或为负，使伸入液体金属内部的晶体成长 缓慢，故形成平滑的晶界
2.负温度梯度 由于液体内部的温度比界面低，过冷 度大，因而伸入液体金属内部的晶体成长速度很快， 除了主干之外，还有分枝，形成所谓树枝状晶
（二）固溶体合金的结晶形态
由于温度过冷和成分过冷，因此合金结晶时不必很大 的过冷度就可以出现树枝状晶。而且随过冷的不同， 晶体成长亦出现不同的结晶形态。
（三）成分过冷对结晶形态的影响
过冷程度的不同，焊缝组织出现不同的形态：
1.平面结晶 当液相的正温度梯度结晶呈平面形态， 这种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。
2.胞状结晶 当温度梯度G与实际结晶温度T不少量的 相交，即具有较小的成分过冷的条件下，便出现胞 状结晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的 影响。焊接过程中，由于熔池中的冶金条件和冷 却条件的不同，可得到性能差异甚大的组织，同 时有许多缺陷是在熔池凝固的过程中产生，如气 孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。
第一节 熔 池 凝 固
一、熔池的凝固条件和特点
1．熔池的体积小，冷却速度大
二、熔池结晶的一般规律 熔池金属的结晶也是生核和晶核长大的过程。 （一）熔池中晶核的形成 晶核有两种：自发晶核和非自发晶核。 在焊接条件下，熔池中存在是合金元素或杂质的悬浮 质点和熔合区附近加热到半熔化状态基本金属的晶 粒，非自发晶核就依附在它们的表面上，并以柱状 晶的形态向焊缝中心成长。
熔合区母材晶粒上 成长的柱状晶
快速焊时柱状晶的成长 大焊速时焊缝的纵向裂纹
四、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。这些柱 状或等轴晶内部的微观形状称为亚晶。 （一）纯金属的结晶形态 由于在纯金属凝固（结晶）过程中不存在化学成分变 化，因此整个液体中的凝固点为恒定的温度，而过冷 度的大小只决定于温度的梯度。即液相中的过冷度取 决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却条件，例如 冷却速度越大，过冷度越大。
熔池凝固和焊缝固态相变ppt课件
41
碳迁移过渡层的形成
是α类钢(体心立方 的珠光体钢)与γ类 钢(面心立方的奥氏 体钢)焊接时出现的 一种熔合区碳迁移 现象。
碳在α—Fe中的扩散活 动能力均比在γ—Fe中 大得多
42
43
晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过 程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质(C， S，P等)易于被推动而析集干晶界；
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均 匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向 熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后 凝固的部位发生较严重的偏析.
32
3.层状偏析
由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊 缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不 同的分层结构形态称为结晶层。 1）特征 （１）晶粒主轴与层状线垂直, 越先靠近熔合 线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。 (2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间 距并不相等。
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。
9
焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处 最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2、焊接规范的影响
当焊速大时， 则θ越大，晶粒主轴的成 长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。 当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲， 形成偏向晶。
13
14
碳迁移过渡层的形成
是α类钢(体心立方 的珠光体钢)与γ类 钢(面心立方的奥氏 体钢)焊接时出现的 一种熔合区碳迁移 现象。
碳在α—Fe中的扩散活 动能力均比在γ—Fe中 大得多
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43
晶界液化现象
在近缝区，特别是在半熔化区，常可因下一些过 程而促使产生化学不均匀性。
晶界发生迁移，从而使最易扩散活动的物质(C， S，P等)易于被推动而析集干晶界；
2、宏观偏析（区域偏析）
指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均 匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向 熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后 凝固的部位发生较严重的偏析.
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3.层状偏析
由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊 缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不 同的分层结构形态称为结晶层。 1）特征 （１）晶粒主轴与层状线垂直, 越先靠近熔合 线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。 (2)层状线与熔合线轮廓相似，但层与层的间 距并不相等。
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。
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焊接熔池边界正是固 液相的相界面，熔池边 界的部分熔化的母材晶 粒表面完全可能成为新 相晶核的“基底” ， 非均匀生核，焊缝金属 呈柱状晶形式与母材相 联系，好似母材晶粒外 延长大。这种依附于母 材晶粒现成表面而形成 共同晶粒的凝固方式， 称为外延结晶或联生结 晶。
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处 最小，在焊道中心处最大，为焊速。
2、焊接规范的影响
当焊速大时， 则θ越大，晶粒主轴的成 长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。 当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲， 形成偏向晶。
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第三章 焊池凝固和焊缝固态相变
14
定向凝固-溶质再分配-成分过冷
15
成分过冷的程度与结晶形态的变化
从 a ~ d， 成分过冷增加
源于《Welding Metallurgy》 (Kou, 2002)
16
（三）成分过冷条件对结晶形态的影响
• 1、 温度梯度G＞0，平面结晶，图3-18
• 2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结
源于《Welding Metallurgy》 (Kou, 2002) 9
三、熔池结晶线速度
• 柱状晶体的成长：
• 一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图3-7
• 与焊接速度有密切关系，图3-8
• 公式推导——
ds dx cos
两端同时除以dt
ds dx cos
dt dt
晶粒生长的平均线速度：c cos — —焊接速度
• 偏析：凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫~。
材料成型及控制工程 0707、0708班 0804~0806班，0904~0906班
1
熔池的形状
• 半个双椭球模型
2
第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
1 焊接熔池体积小，冷却速度高；
➢ 一般小于100g，或30cm3 ，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。
2 焊接熔池的液态金属处于过热状态
➢ 一般钢材熔池温度平均1770 ±100℃ ➢ 熔池边界的温度梯度比铸造时高103 –104倍。
3 熔池在运动状态下结晶
➢ 结晶前沿随热源同步运动 ➢ 液态金属受到各种力的搅拌运动 ➢ 熔池金属存在对流运动 ➢ 在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高10~100倍。
（4 熔池界面的导热条件好）
20
定向凝固-溶质再分配-成分过冷
15
成分过冷的程度与结晶形态的变化
从 a ~ d， 成分过冷增加
源于《Welding Metallurgy》 (Kou, 2002)
16
（三）成分过冷条件对结晶形态的影响
• 1、 温度梯度G＞0，平面结晶，图3-18
• 2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相交，胞状结
源于《Welding Metallurgy》 (Kou, 2002) 9
三、熔池结晶线速度
• 柱状晶体的成长：
• 一般讲，熔池晶粒生长的主轴是弯曲的；图3-7
• 与焊接速度有密切关系，图3-8
• 公式推导——
ds dx cos
两端同时除以dt
ds dx cos
dt dt
晶粒生长的平均线速度：c cos — —焊接速度
• 偏析：凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫~。
材料成型及控制工程 0707、0708班 0804~0806班，0904~0906班
1
熔池的形状
• 半个双椭球模型
2
第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
1 焊接熔池体积小，冷却速度高；
➢ 一般小于100g，或30cm3 ，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。
2 焊接熔池的液态金属处于过热状态
➢ 一般钢材熔池温度平均1770 ±100℃ ➢ 熔池边界的温度梯度比铸造时高103 –104倍。
3 熔池在运动状态下结晶
➢ 结晶前沿随热源同步运动 ➢ 液态金属受到各种力的搅拌运动 ➢ 熔池金属存在对流运动 ➢ 在运动状态下凝固，凝固速度高，常比铸造的高10~100倍。
（4 熔池界面的导热条件好）
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第三章 焊池凝固和焊缝固态相变
晶，图3-20
• 3、 G—T相交较大，胞状树枝结晶，图3-22 • 4、 G—T相交很大，树枝状结晶，图3-24
• 5、两线平行，等轴结晶，图3-26
• 冷却条件和结晶形态比对
17
1、 温度梯度G＞0，平面结晶
18
2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相 交，胞状结晶
19
G—T相交较大，胞状树枝结晶
✓El、焊缝的位置、搅拌如何、振动？
7
择优生长
当母材金属（Fe, Ni, Cu, Al）晶粒取向<001> 与导热最快的方向（温度 梯度G最大）一致时，垂 直熔池边界时，晶粒生长 最快而优先长大。
常规速度焊接 较高速度焊接
8
高低速焊接的焊缝 TIG，99.96 w% Al
1M/min
0.25M/min
可以分成两类：上贝氏体和下贝氏体。
44
（三）贝氏体转变
《贝氏体与贝氏体相变》\ 刘宗昌
❖贝氏体：过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体 和渗碳体两相混合组织（有时可能有奥氏体）。
1 上贝氏体——呈羽毛状
-温度：550-450 ℃；
-位置：沿奥氏体晶界析出
-形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体 图3-50a）
❖——铁素体和渗碳体两相层状混合物
❖A来r1不~5及50进℃行时，P体P体扩转散变转受变到，抑焊制接，冷但速扩下大，了扩F散、 B体的转变区域；
❖按P体片层的细密程度，珠光体又分为： ❖层状珠光体 图3-49 a） ❖粒状珠光体——称为屈氏体 图3-49 b） ❖细珠光体——称为索氏体 图3-49 c）
多因素相关！
11
四、熔池结晶的形态
• 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分 布不同，形成的晶体亦不同；
• 3、 G—T相交较大，胞状树枝结晶，图3-22 • 4、 G—T相交很大，树枝状结晶，图3-24
• 5、两线平行，等轴结晶，图3-26
• 冷却条件和结晶形态比对
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1、 温度梯度G＞0，平面结晶
18
2、温度梯度G与实际结晶温度T有少量相 交，胞状结晶
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G—T相交较大，胞状树枝结晶
✓El、焊缝的位置、搅拌如何、振动？
7
择优生长
当母材金属（Fe, Ni, Cu, Al）晶粒取向<001> 与导热最快的方向（温度 梯度G最大）一致时，垂 直熔池边界时，晶粒生长 最快而优先长大。
常规速度焊接 较高速度焊接
8
高低速焊接的焊缝 TIG，99.96 w% Al
1M/min
0.25M/min
可以分成两类：上贝氏体和下贝氏体。
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（三）贝氏体转变
《贝氏体与贝氏体相变》\ 刘宗昌
❖贝氏体：过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体 和渗碳体两相混合组织（有时可能有奥氏体）。
1 上贝氏体——呈羽毛状
-温度：550-450 ℃；
-位置：沿奥氏体晶界析出
-形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体 图3-50a）
❖——铁素体和渗碳体两相层状混合物
❖A来r1不~5及50进℃行时，P体P体扩转散变转受变到，抑焊制接，冷但速扩下大，了扩F散、 B体的转变区域；
❖按P体片层的细密程度，珠光体又分为： ❖层状珠光体 图3-49 a） ❖粒状珠光体——称为屈氏体 图3-49 b） ❖细珠光体——称为索氏体 图3-49 c）
多因素相关！
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四、熔池结晶的形态
• 熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分 布不同，形成的晶体亦不同；
第三章_熔池凝固和焊缝固态相变
Constitutional Supercooling
The temperature field, T(x)
ahead of the S/L interface lies
above the liquidus, Tl(x)பைடு நூலகம் The
melt is thermodynamically
Solid
stable, and the solid advances
凡<100>轴与最大温度梯度方向一致，具有长大的最有利条 件，即选择长大。
三、熔池结晶线速度
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。
Ts(x)
Solid
Tl(x) Tl(x) Liquid
Ts(x)
X
Constitutional Supercooling（成分过冷）
v
Bump, or perturbation
stable
T (x)
v
Cl(x) Tl(x)
Any bump, or protuberance, extending into the liquid “samples” the stability of the liquid phase. If the liquid is constitutionally supercooled, the bump grows, whereas if the liquid is above its liquidus, the bump melts back.
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
由图3-14可以看出，在 熔合线附近刚开始结晶（ 凝固）时，晶粒成长线速 度的波动是很激烈的，但 逐渐阻尼减弱，最后趋近 平均线速度。
19
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
最后应当指出，晶粒（核）长大同样需要一定的能量 ：一是因为体积长大而使体系自由能下降；另一是因长 大而产生的新固相表面使体系的自由能增高。
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
1
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第一节 熔池凝固 第二节 焊缝固态相变 第三节 焊缝中的气孔和夹杂 第四节 焊缝性能的控制
2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，熔池金属凝固（结晶），如图3-1。熔池凝固 过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的作用。 一方面，由于冶金反应和冷却条件不同，可得到性能 差异甚大的组织，同时产生许多缺陷，如气孔、夹杂、 偏析和结晶裂纹等。
6
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
研究证明，对于焊接熔池结晶来讲，非自发晶核起 了主要作用。
在液相金属中有非自发晶核存在时，可以降低形成 临界晶核所需的能量，使结晶易于进行。
——在液相中形成非自发晶核所需的能量为：
7
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
——关于θ角：①当θ=0°时，Ek′=0，液相中有大量悬浮 质点和现成表面；②当θ=180°时，Ek′=Ek，只存在自发 晶核，无非自发晶核现成表面；③当θ=0～180°时， Ek′/Ek =0～1，有现成表面，会降低形成临界晶核所需能 量。
对于纯金属凝固（结晶），不存在化学成分的变化，
凝固点为恒定温度，过冷度只决定于温度梯度。即液相
中的过冷度取决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却
条件，冷却速度越大，过冷度越大。有以下两种情况：
19
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
最后应当指出，晶粒（核）长大同样需要一定的能量 ：一是因为体积长大而使体系自由能下降；另一是因长 大而产生的新固相表面使体系的自由能增高。
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
1
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第一节 熔池凝固 第二节 焊缝固态相变 第三节 焊缝中的气孔和夹杂 第四节 焊缝性能的控制
2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，熔池金属凝固（结晶），如图3-1。熔池凝固 过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的作用。 一方面，由于冶金反应和冷却条件不同，可得到性能 差异甚大的组织，同时产生许多缺陷，如气孔、夹杂、 偏析和结晶裂纹等。
6
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
研究证明，对于焊接熔池结晶来讲，非自发晶核起 了主要作用。
在液相金属中有非自发晶核存在时，可以降低形成 临界晶核所需的能量，使结晶易于进行。
——在液相中形成非自发晶核所需的能量为：
7
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
——关于θ角：①当θ=0°时，Ek′=0，液相中有大量悬浮 质点和现成表面；②当θ=180°时，Ek′=Ek，只存在自发 晶核，无非自发晶核现成表面；③当θ=0～180°时， Ek′/Ek =0～1，有现成表面，会降低形成临界晶核所需能 量。
对于纯金属凝固（结晶），不存在化学成分的变化，
凝固点为恒定温度，过冷度只决定于温度梯度。即液相
中的过冷度取决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却
条件，冷却速度越大，过冷度越大。有以下两种情况：
第三章熔池凝固与焊缝固态相变
低碳钢焊缝的魏氏组织
21
一 、低碳钢焊缝的固态相变组织
焊缝化学成分相同时，在不同的冷却速度下，低 碳钢焊缝中铁素体和珠光体的比例有很大差别。 冷却速度越大，焊缝中的珠光体越多，越细，同 时焊缝的硬度增高。
22
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝二次组织，随匹 配焊接材料化学成分和冷却条件的不 同，可由不同的组织。以F为主，P、 B、M占次要地位。
材料成形原理（焊接部分）
3 熔池凝固与焊缝固态相变
1
3.1 熔池凝固
2
一、 熔池的凝固条件和特点
1、体积小，冷却速度大
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、珠光体（ Pearite，简称P）转变
接近平衡状态： 如预热、缓冷和后热等。 珠光体转变温度Ar1~550℃，此时 C、Fe原子扩散比较容易。 珠光体转变属扩散型相变。（P是F和Fe3C的层状混合物领先相Fe3C）
焊接状态： 非平衡转变，得到P量少，珠光体转变量小。 若有B 、Ti合金元素，则P转变全部被抑制。
晶粒生长线速度是变化的： 焊缝边缘：ψ=90° ，cosψ =0， R=υcosψ =0； 焊缝中心：ψ=0° ，cosψ =1， R=υcosψ =υ。
一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变， 因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。
13
三 、柱状晶生长方向与速度的变化
第三章 熔池的凝固和焊缝的固态相变
§3-2 焊缝的固态相变
焊接熔池完全凝固后，随着连续冷却过程的进行，对于钢铁 材料来讲，焊缝金属将发生组织转变。 转变后的组织是根据化学成份和冷却条件而定。 焊缝金属相变的机理与一般钢铁固态相变的机理是一致的。 一、低碳钢焊缝的固态相变组织 组织：铁素体+ 1、组织：铁素体+珠光体 E 过大时会产生魏氏组织： 在 A 晶界呈网状析出， F 也可 在 A 晶粒内部沿一定的方向析出，具有长短不一的针状 和片条状，可直接插入 P 晶粒之中。 2、固态相变组织的影响因素 （1）化学成份的影响 （2）热处理及焊接层数 热处理及多层焊可获得细小的 F+少量 P 使柱状 , 组织遭到破坏 T>900℃短时间加热可使柱状组织消失—↑冲击 韧性，但 T>1100℃晶粒粗化。 而组织细化，硬度↑ （3）V 冷↑—P 量↑而组织细化，硬度↑ 总之，低碳钢焊缝的固态相变组织随匹配焊材的 化学成份和冷却条件不同得到组织不同，但由于 [C]wm<[C]BM 所以组织为 F+P. 二、低合金钢焊缝的固态相变组织 F+P+（B+M） （在高强钢焊缝中有） 1、F 的转变 （1）先共折 F（粒界 F） PF( PF Proeutectoid ferrite) GBF(Grain Boundary ferrite) 温度:770—680℃ 形成：由 A 晶界析出呈细条状或块状分布 （2）侧板条 F（Ferrite side plate）FSP plate） 温度：700-550℃ 形成：在 A 晶界析出，向晶内以板条状生长。 Ferrite） （3）针状 F（Aciaclar Ferrite）AF 温度:500℃附近。 形成： A 晶内形成， 在 以某些质点 （氧化物夹杂） 为核心放射性生成。 Ferrite） （4）细晶 F（Fxime grain Ferrite）FGF 温度：450℃
焊接熔池完全凝固后，随着连续冷却过程的进行，对于钢铁 材料来讲，焊缝金属将发生组织转变。 转变后的组织是根据化学成份和冷却条件而定。 焊缝金属相变的机理与一般钢铁固态相变的机理是一致的。 一、低碳钢焊缝的固态相变组织 组织：铁素体+ 1、组织：铁素体+珠光体 E 过大时会产生魏氏组织： 在 A 晶界呈网状析出， F 也可 在 A 晶粒内部沿一定的方向析出，具有长短不一的针状 和片条状，可直接插入 P 晶粒之中。 2、固态相变组织的影响因素 （1）化学成份的影响 （2）热处理及焊接层数 热处理及多层焊可获得细小的 F+少量 P 使柱状 , 组织遭到破坏 T>900℃短时间加热可使柱状组织消失—↑冲击 韧性，但 T>1100℃晶粒粗化。 而组织细化，硬度↑ （3）V 冷↑—P 量↑而组织细化，硬度↑ 总之，低碳钢焊缝的固态相变组织随匹配焊材的 化学成份和冷却条件不同得到组织不同，但由于 [C]wm<[C]BM 所以组织为 F+P. 二、低合金钢焊缝的固态相变组织 F+P+（B+M） （在高强钢焊缝中有） 1、F 的转变 （1）先共折 F（粒界 F） PF( PF Proeutectoid ferrite) GBF(Grain Boundary ferrite) 温度:770—680℃ 形成：由 A 晶界析出呈细条状或块状分布 （2）侧板条 F（Ferrite side plate）FSP plate） 温度：700-550℃ 形成：在 A 晶界析出，向晶内以板条状生长。 Ferrite） （3）针状 F（Aciaclar Ferrite）AF 温度:500℃附近。 形成： A 晶内形成， 在 以某些质点 （氧化物夹杂） 为核心放射性生成。 Ferrite） （4）细晶 F（Fxime grain Ferrite）FGF 温度：450℃
熔池凝固和焊缝固态相变(焊接冶金学)
温度/℃→
1148
A
E
C
Ld Ld+Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CІ
727
F
G
912
F+A
F
3
S
Fe3CⅡ+A
P
F+P P
K
Fe3CⅡ+P
Ld’
Ld’+Fe3CⅡ+P
2.11 4.3
Ld’+Fe3CІ
6.69
Q
0
0.77
wC/%→
图2.27 Fe-Fe3C状态图
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铁碳合金状态图的建立
材料科学与工程学院
机械混合物
它是两种或两种以上的相按一定质量百分 数组成的物质
混合物的性能：取决于各组成相的性能， 以及它们分布、形态、数量、大小 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏 体
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珠光体（P）
珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以 下温度范围内存在 性能：σb =750MPa HB=160～180 较高
铁碳合金的分类
工业纯铁：C%<0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢： 0.0218<C%<0.77 过共析钢： 0.77<C%<=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁： 2.11<C%<4.3 过共晶白口铁： 4.3<C%<6.69
1538
A
D
1148
温度/℃→
912
E P S
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亚共析钢（Wc=0.6%)
室温组织：P+F
熔池凝固与固态相变PPT课件
第23页/共66页
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2）焊接电流
焊接速度一定时，焊接电流较小（150A）时，得到 胞状组织；增加电流（300A）时，得到胞状树枝晶； 电流大（450A）时，出现更为粗大的胞状树枝晶
150A
300A
450A
图3-32 HY80钢焊接电流的影响
第24页/共66页
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第19页/共66页
5、等轴晶 产生条件：过冷度大。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发 生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
第20页/共66页
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（四）焊接条件下的凝固（结晶）形态 熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的 焊缝熔化边界（近熔合区），温度梯度大，结晶速 度小，成分过冷→0→平面晶发达 熔合区向焊缝中心过渡→温度梯度逐渐变小，结晶 速度逐渐增大→结晶形态由平面晶向胞状晶、树枝 胞状晶（柱状晶区）、等轴晶区发展
一次结晶组织：粗大的柱状晶
第30页/共66页
改善措施： 1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶
组织破坏。 2 )焊后热处理：加热A3+20~30%消失柱状晶。 3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑
第31页/共66页
二、低合金钢焊缝的固态相变组 织
低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同， 可由不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。以F为主，F越细小，则 韧脆转变温度越低，一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度 VTS为判断.
3、熔合区的成分分布 成分严重不均匀→性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布
决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2）焊接电流
焊接速度一定时，焊接电流较小（150A）时，得到 胞状组织；增加电流（300A）时，得到胞状树枝晶； 电流大（450A）时，出现更为粗大的胞状树枝晶
150A
300A
450A
图3-32 HY80钢焊接电流的影响
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第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第19页/共66页
5、等轴晶 产生条件：过冷度大。 特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发 生核，形成自由长大的等轴树枝晶。
第20页/共66页
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（四）焊接条件下的凝固（结晶）形态 熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的 焊缝熔化边界（近熔合区），温度梯度大，结晶速 度小，成分过冷→0→平面晶发达 熔合区向焊缝中心过渡→温度梯度逐渐变小，结晶 速度逐渐增大→结晶形态由平面晶向胞状晶、树枝 胞状晶（柱状晶区）、等轴晶区发展
一次结晶组织：粗大的柱状晶
第30页/共66页
改善措施： 1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶
组织破坏。 2 )焊后热处理：加热A3+20~30%消失柱状晶。 3)冷却速度：冷却速度↑，硬度↑
第31页/共66页
二、低合金钢焊缝的固态相变组 织
低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同， 可由不同的组织。以F为主，P、B、M占次要地位。以F为主，F越细小，则 韧脆转变温度越低，一般以V型缺口冲击试件断口中纤维区占50%时的温度 VTS为判断.
3、熔合区的成分分布 成分严重不均匀→性能下降 熔合区固液界面附近元素（溶质）的浓度分布
决定于该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数。
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
（2）非自发形核
E ' 16 3
k
3 FK2
(0 23coscos3 4
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
3.1.3 熔池结晶速度和方向
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很大。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成长的线速度 vc及焊接速度v有密切关系。
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
（3）熔池在运动状态下结晶 ➢结晶前沿随热源同步运动 ➢液态金属受到力的搅拌运动
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
焊接冶金学主要内容
❖焊接接头形成 以熔化焊为例，焊接过 程经过了
焊接热过程 焊接化学冶金过程 焊缝结晶及焊接组织 焊接热影响区的组织与性能 焊接裂纹
❖加热— ❖熔化— ❖冶金反应— ❖结晶— ❖固态相变—
3.1.1 熔池凝固的条件和特点
1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大 2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）
（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。
（2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770±100℃; 钢锭<1550 ℃。烧损严重
❖接头
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
熔池凝固------形成焊缝
焊缝的组织
焊缝的相变过程
焊缝的性能
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3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂
3.4 焊缝性能的控制
3.5 焊接熔合区
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焊接冶金学--基本原理
3.1 熔池凝固
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
主要内容： ✓ 3.1熔池凝固 ✓ 3.2焊缝固态相变 ✓ 3.3焊缝中的气孔、夹杂
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焊接冶金学--基本原理 2.熔池中晶核的长大
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
a 联生结晶起主导作用
b 当晶体最易长大方向（bcc，fcc <100>方向）与散热最快方 向（温度梯度）相一致，最有利长大。
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生核的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。 下面来分析焊接条件下有那些特点。
1、熔池中晶核的形成
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。
E （1）自发形核： K
16 3
3FK 2
б：新相与液相间的表面张力系数。
ΔFK：单位体积内液固两相自由能之 差。
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
3.1.2 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。
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焊接冶金学--基本原理
关于θ：
第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
θ越小，湿润性越好， θ大小取决于新相晶核与现成表面之间的 表面张力。若结构相似，表面张力越小，θ越小，那么形核需 要能量越小。
熔池的结晶过程
气孔、夹杂、偏析、结晶裂纹
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第3章 熔池凝《固和焊焊接缝成固形态原相理变》 The Principle of Welding
3.1 熔池凝固
3.1.1 熔池凝固的条件和特点 3.1.2 熔池结晶的一般规律 3.1.3 熔池结晶速度和方向 3.1.4 熔池结晶的形态 3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性
这说明，在已有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最 容易。
焊接条件下非自发形核：
✓熔合区加热到半熔融状态基本 金属的晶粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长，联生结晶 （起主要作用）。
✓合金元素或杂质（一般作用不 大）。如何细化晶粒？
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180)
EK ' EK
23coscos3
4
EKf( )
θ：非自发晶核的浸润角
f(θ)=0~1。如θ=10°，f(θ)=0.0017
θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。
θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。 形核较难。
研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。