第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章熔池凝固
佳木斯大学
二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金 (三) 贝氏体转变 转变温度：上：550～ 450度 下： 450 ～ MS
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二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金 (三) 贝氏体转变
佳木斯大学
二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金 (四) 马氏体转变
佳木斯大学
三 熔池结晶线速度
第一章 焊接化学冶金 总 结：
2 焊接工艺参数对晶粒成长方向及平均速度均有影响 a) 焊速越大θ角越大，晶粒主轴成长方向越垂直于焊缝中心线 b)当功率不变时，焊速越大,晶粒成长平均速度增大
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三 熔池结晶线速度
第一章 焊接化学冶金 晶粒(核)长大同样需要一定的能量:
1 板条马氏
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二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金 (四) 马氏体转变
2 片状马氏
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二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金
焊缝中的组织不是单一的
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二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金
佳木斯大学
二 低合金钢焊缝的固态相变组织
第一章 焊接化学冶金
3
θ =0 °
核 θ =180°
→Ek ´ = 0
→ Ek ´= Ek → Ek´/Ek = 0~1
→现成晶
→全自发形
核
θ =0 ~180 °
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二 熔池结晶的一般规律
第一章 焊接化学冶金
熔合区母材晶粒上成长的柱状晶
不锈钢自动焊时的交互结晶
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二 熔池结晶的一般规律
第一章 焊接化学冶金 2. 熔池中晶核的长大
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
School of Material and Chemical Engineering
西安工业大学材化学院
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
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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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。
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
HAZ的组织和性能—熔池凝固与固态相变
§1.1 熔池凝固
(3) 晶粒长大的能量
晶粒长大需要能量： (1) 因体积长大而是体系自由能下降； (2) 因长大而产生的新固相表面使体系自由能 的升高。
晶粒长大时所增加的表面能比形核时要小，因
此长大比形核所需要的过冷度要小。
焊缝金属：开始凝固时并不需要形核，而是在
母材基体上联生长大。
Part III HAZ的组织与性能
Part III HAZ的组织与性能
§1.1 熔池凝固
2、熔池结晶的特征
过冷度是液态金属凝固的必要条件，在一定范围内 过冷度越大，固液两相的自由能相差越大，越有利 于液态金属的凝固结晶——焊接具有大的过冷度。
(1) 形核
熔池金属过热度大不能自发形核，以非自发形
核为主: a. 固相质点（较少）
b. 半熔化状态母材界面上的联生结晶(主要)
Part III HAZ的组织与性能
§1.1 熔池凝固
(1) 形核
联生结晶的示意图
不锈钢自动焊时的联生结晶
Part III HAZ的组织与性能
§1.1 熔池凝固
(2) 晶粒长大——择优长大
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
§1.1 熔池凝固
(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响
v对生长方向的影响： v↑, θ↑, 晶粒生长主轴越垂直于焊缝中心线; v↓, 晶粒主轴成长方向约弯曲。
(a) 偏向晶 (b) 定向晶 焊接速度对晶粒长大趋向的影响示意图 Part III HAZ的组织与性能
§1.1 熔池凝固
(2) 焊接工艺参数对结晶线速度的影响
§1.1 熔池凝固
三、熔池凝固与相变(2010)
二、 低合金钢焊缝固态相变组织
根据焊缝化学成分和冷却条件不同，可能有F体、P体、B 体和M体四种A体固态转变组织。 1 F体转变（碳当量较低，冷速低时） 当A体冷至A3线时，在A体晶界 上，F体开始生核、长大。
铁素体F转变（1）
（1） 若A体在较高温度下开始转变（770～680℃），则生成 先共析铁素体（PF: proeuctoid ferrite），也称为晶界铁素体 （GBF: grain bound ferrite）。PF呈细条状或块状分布在A体晶 界（图3－44）。
*
铁素体F转变（2）
（ 2 ） 若 A 体在 700 ～ 550℃开始 转变，则生成侧板条铁素体 （FSP：ferrite side plate），呈镐 牙状进入 A 体晶粒内部 （图 3 － 45） 。 （3）若A体在500℃附近开始转变， 则生成针状铁素体（AF：acicular ferrite），此时F体以针状在A体晶 粒内部分布（图3－46）。 FSP和AF组织都是属于类魏氏组织。
式中：vc －晶粒生长平均线速度；v－焊接速度。
熔池结晶线速度（2） 由此式可见: 晶粒生长的平均线速度是变化的，结晶初期速度 最小，在焊缝中心结晶速度最大； 焊接速度越快，晶粒生长的平均速度越快，此时晶粒主轴垂直 于焊缝中心线（图3－10,11），容易造成焊缝中心裂纹（图3－12）。
熔池结晶线速度（3） 晶粒生长的线速度围绕着平均速度做 波浪式变化，振幅越来越小，最后趋近 平均速度（图3－14）。
成分过冷对结晶形态的影响（2） （2）胞状结晶：G与T有少量的相交，此时出现胞状结晶 （图3－20,21）。
成分过冷对结晶形态的影响（3）
（ 3 ）胞状树枝晶： G 再小，界面上凸起部分能够伸入液体内 部较长的距离，凸起的部分在横向也存在成分过冷，生成二次 横枝，形成胞状树枝晶（图3－22，23）。
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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熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝组织
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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）， 即：
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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） 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
（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
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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
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
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
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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
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）， 即：
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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） 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
（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
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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
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
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
熔池结晶ppt第三章熔池结晶和焊缝 组织
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
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！
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；
焊接熔池凝固
因此，晶粒的成长方向也 垂直于结晶等温面。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成 长的线速度及焊接速度等有密切关系。
ds dx cos ds dx cos
dt dt
vc v cos
晶粒成长的平均线速度，在一定焊接速度下，主要决 定于cosθ ， cosθ 决定于焊接规范和被焊金属的 热物理性质。
2
3cos 4
cos2
θ =0°时，EK′=0，现成表面； θ =180°，EK′=EK，只能自发形核； θ =0～180°时， EK′=（0～1）EK
研究表明：θ 角的大小决定于新相晶核与现成表面 之间的表面张力。新核与液相中原有现成表面固体粒 子的晶格结构越相似（点阵类型与晶格常数相似）， 之间的表面张力越小， θ 角越小。
焊接规范对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 焊速↑，θ ↑， 晶粒主轴成长方 向越垂直于焊缝 中心线；相反， 主轴方向响非常 明显
实际上，结晶速度与熔池中析出结晶潜热、热源 作用的周期变化、化学成分的不均匀性、元素扩散等 密切相关。
沙马宁的研究指出： 晶粒成长的线速度围绕平 均线速度作波浪式变化， 且波浪起伏越来越小，趋 向平均速度。
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大
熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态 熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃； 钢锭温度≤1550 ℃。
焊接条件下，熔池中存在的两种现成表面：合金 元素或杂质的悬浮质点；熔合区附近加热到半熔化状 态的基本金属的晶粒表面。
熔池在结晶过程中晶粒成长的方向与晶粒主轴成 长的线速度及焊接速度等有密切关系。
ds dx cos ds dx cos
dt dt
vc v cos
晶粒成长的平均线速度，在一定焊接速度下，主要决 定于cosθ ， cosθ 决定于焊接规范和被焊金属的 热物理性质。
2
3cos 4
cos2
θ =0°时，EK′=0，现成表面； θ =180°，EK′=EK，只能自发形核； θ =0～180°时， EK′=（0～1）EK
研究表明：θ 角的大小决定于新相晶核与现成表面 之间的表面张力。新核与液相中原有现成表面固体粒 子的晶格结构越相似（点阵类型与晶格常数相似）， 之间的表面张力越小， θ 角越小。
焊接规范对晶粒成长方向及平均线速度均有影响 焊速↑，θ ↑， 晶粒主轴成长方 向越垂直于焊缝 中心线；相反， 主轴方向响非常 明显
实际上，结晶速度与熔池中析出结晶潜热、热源 作用的周期变化、化学成分的不均匀性、元素扩散等 密切相关。
沙马宁的研究指出： 晶粒成长的线速度围绕平 均线速度作波浪式变化， 且波浪起伏越来越小，趋 向平均速度。
结晶的一般规律：晶核形成和晶核长大。 熔池体积小，冷却速度大
熔池冷却速度 4～100℃/s；钢锭冷却速度（3～150）×10-4℃。 易形成淬硬组织；焊缝中柱状组织得到很大发展。 熔池中的液态金属处于过热状态 熔池平均温度可达1770±100℃，熔滴约为2300±200 ℃； 钢锭温度≤1550 ℃。
焊接条件下，熔池中存在的两种现成表面：合金 元素或杂质的悬浮质点；熔合区附近加热到半熔化状 态的基本金属的晶粒表面。
3熔池凝固和焊缝固态相变
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
薄板
cos
1
A
q TM
2
1
K
2 y
K
2 y
1/ 2
– 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。
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。
厚板对于co厚s 大1件 A
qv aTM
K
2 y
K
2 z
1
K
2 y
K
2 z
1/ 2
1 晶粒成长的平均线速度是变 化的
当Y=OB时，Ky=1，cosθ=0，θ=90º， Vc=0，
Y=0时，cosθ=1，θ=0，Vc=V Y=OB~0时,θ=90º~0º，Vc=0~V，晶 粒成长方向和线速度都是变化，熔 合线上最小，在焊缝中心最大，为 焊速。
• 与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应 。
• 当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝 固（结晶），如图3-1。
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
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
薄板
cos
1
A
q TM
2
1
K
2 y
K
2 y
1/ 2
– 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。
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。
厚板对于co厚s 大1件 A
qv aTM
K
2 y
K
2 z
1
K
2 y
K
2 z
1/ 2
1 晶粒成长的平均线速度是变 化的
当Y=OB时，Ky=1，cosθ=0，θ=90º， Vc=0，
Y=0时，cosθ=1，θ=0，Vc=V Y=OB~0时,θ=90º~0º，Vc=0~V，晶 粒成长方向和线速度都是变化，熔 合线上最小，在焊缝中心最大，为 焊速。
• 与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应 。
• 当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝 固（结晶），如图3-1。
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
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 熔池的凝固和焊缝的固态相变
1
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
对于熔池来说，非自发晶核起重要作用。 焊接时，为了改善焊缝金属的力学性能，通过焊接材 料加入一定量的 Me(Mo、V、Nb、Ti B 等)可以作为熔池 中的非自发晶核的质点，从而使焊缝晶粒细化。 2、熔池中的晶核长大 （1）从靠近熔合线处母材上联生地长大起来 （2）当晶粒长大的方向与散热最快方向（温度梯度最大 的方向）一致有利于晶粒的长大。 实践证明：熔池结晶的方向和结晶速度对焊接质量影响很 大，特别是对裂纹、气孔，夹杂等形成影响很大。 三、熔池结晶的线速度 晶粒成长的平均线速度是变化的 平均线速度是变化的： 1、晶粒成长的平均线速度是变化的：熔合线上最小（等于 零） ，焊缝中心最大（等于焊速） 。 2、焊接速度对晶粒的长大方向及平均线速度的影响很大 （1）V 焊↑晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝中心。故 采用过大焊速时，主轴的成长方向垂直于焊缝中 心易形成脆性结合面，常在焊缝的中心产生纵向 裂纹。 （2）V 焊↑，晶粒成长的平均线速度↑（Vc=Vcosθ）易 利于柱状晶的形成。 对于焊缝金属，开始凝固时并不形核，而是在母材基础上 冷却速度↑-联生长大。 过冷度↑ 熔池的结晶形态： 易出现柱状晶和少量等轴晶 （等轴树枝晶） 四、 熔池的结晶形态： 过冷度：实际结 显微镜下观察，每个柱状晶内部还有不同的形态：如平 晶温度 Th 与理 面晶、胞晶、树枝状晶。 论结晶温度 To 之 纯金属结晶的形态： 1、纯金属结晶的形态：凝固点为恒温度，过冷度的大小取决于 间的温度差 温度梯度。 △T=Th-T0 正温度梯度： （1）正温度梯度：液相温度高于固相温度，且距界面越远， 过冷度↑实际结 液相温度越高， 因此过冷度小或为负， 使伸入液态金属内部的 晶温度↓ 晶体成长缓慢形成平面晶。 （G>0） T 液态金属与固 负温度梯度： （2）负温度梯度：液态内部的温度比界面低，过冷度大形成 0 态金属共同存在 树枝晶， （使伸入液态金属内部的晶体长成速度很快） 距界面 ， 的平衡临界点。 越远液相的温度越低。 （G<0） 2、固溶体合金的结晶 过冷度由于两方面的原因造成 （1）温度梯度造成（温度过冷） （2） 存在由于固液相界面成份起伏而造成的过冷 （成份过冷） ， 因此固溶体合金结晶时，不需要大的过冷就可出现树枝晶，而且
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
对于熔池来说，非自发晶核起重要作用。 焊接时，为了改善焊缝金属的力学性能，通过焊接材 料加入一定量的 Me(Mo、V、Nb、Ti B 等)可以作为熔池 中的非自发晶核的质点，从而使焊缝晶粒细化。 2、熔池中的晶核长大 （1）从靠近熔合线处母材上联生地长大起来 （2）当晶粒长大的方向与散热最快方向（温度梯度最大 的方向）一致有利于晶粒的长大。 实践证明：熔池结晶的方向和结晶速度对焊接质量影响很 大，特别是对裂纹、气孔，夹杂等形成影响很大。 三、熔池结晶的线速度 晶粒成长的平均线速度是变化的 平均线速度是变化的： 1、晶粒成长的平均线速度是变化的：熔合线上最小（等于 零） ，焊缝中心最大（等于焊速） 。 2、焊接速度对晶粒的长大方向及平均线速度的影响很大 （1）V 焊↑晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝中心。故 采用过大焊速时，主轴的成长方向垂直于焊缝中 心易形成脆性结合面，常在焊缝的中心产生纵向 裂纹。 （2）V 焊↑，晶粒成长的平均线速度↑（Vc=Vcosθ）易 利于柱状晶的形成。 对于焊缝金属，开始凝固时并不形核，而是在母材基础上 冷却速度↑-联生长大。 过冷度↑ 熔池的结晶形态： 易出现柱状晶和少量等轴晶 （等轴树枝晶） 四、 熔池的结晶形态： 过冷度：实际结 显微镜下观察，每个柱状晶内部还有不同的形态：如平 晶温度 Th 与理 面晶、胞晶、树枝状晶。 论结晶温度 To 之 纯金属结晶的形态： 1、纯金属结晶的形态：凝固点为恒温度，过冷度的大小取决于 间的温度差 温度梯度。 △T=Th-T0 正温度梯度： （1）正温度梯度：液相温度高于固相温度，且距界面越远， 过冷度↑实际结 液相温度越高， 因此过冷度小或为负， 使伸入液态金属内部的 晶温度↓ 晶体成长缓慢形成平面晶。 （G>0） T 液态金属与固 负温度梯度： （2）负温度梯度：液态内部的温度比界面低，过冷度大形成 0 态金属共同存在 树枝晶， （使伸入液态金属内部的晶体长成速度很快） 距界面 ， 的平衡临界点。 越远液相的温度越低。 （G<0） 2、固溶体合金的结晶 过冷度由于两方面的原因造成 （1）温度梯度造成（温度过冷） （2） 存在由于固液相界面成份起伏而造成的过冷 （成份过冷） ， 因此固溶体合金结晶时，不需要大的过冷就可出现树枝晶，而且
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
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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。
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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：
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
层状偏析的存在，说明焊缝的凝固速度在作周期性变化，但造成这种变化的 原因，目前尚未完全认识清楚。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充 分。现已发现，层状偏析不仅可能使焊缝金属的力学性能不均匀，有时还会沿层 状线产生裂纹或气孔等缺陷。
三、焊缝金属的固态相变 熔池凝固后得到的组织通常叫做一次组织，对大多数钢来说是高温奥氏体。 在凝固后的继续冷却过程中，高温奥氏体还要发生固态相变，又称为二次结晶， 得到的组织称为二次组织。焊缝经过固态相变得到的二次组织即为室温组织。二 次组织是在一次组织的基础上转变而成，二者承前启后，对焊缝金属的性能都有 着决定性的作用。 1．低碳钢焊缝的固态相变 低碳钢焊缝的二次组织主要是铁素体十少量的珠光体，这是因为其含碳量很 低所致。一般情况下，铁素体首先沿原奥氏体柱状晶晶界析出，可以勾画出凝固 组织的轮廓。当焊缝在高温停留时间较长而冷速又较高时，铁索体也可从奥氏体 晶粒内部沿一定方向析出，以长短不一的针状或片状直接插入珠光体晶粒之中， 而形成所谓魏式组织。而在冷却速度特别大时，低碳钢焊缝中也可能出现马氏体 组织。
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
◆ 熔池的凝固与焊缝金属的固态相变 随着温度下降，熔池金属开始了从液态到固态转变的凝固过程(图3—1)，并
在继续冷却中发生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结 晶结构、组织与性能。在焊接热源的特殊作用下，大的冷却速度还会使焊缝的化 学成分与组织出现不均匀的现象，并有可能产生焊接缺陷。
熔焊原理：焊接接头的组织与性能
1．焊缝金属的变质处理 液体金属中加人少量合金元素使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方 法叫做变质处理。 2．振动结晶 振动结晶是通过不同途径使熔池产生一定频率的振动，打乱柱状晶的方向并 对熔池产生强烈的搅拌作用，从而使晶粒细化并促进气体排出。常用的振动方法 有机械振动、超声振动和电磁振动等。
焊接理论基础习题及答案
第一章焊接化学冶金1、什么是焊接化学冶金？它的主要研究内容和学习的目的是什么?答：焊接化学冶金指在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下的相互作用反应。
它主要研究各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。
研究目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料。
2、调控焊缝化学成分有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成分？答：调控焊缝化学成分的两种手段：1）、对熔化金属进行冶金处理；2）、改变熔合比。
怎样影响焊缝化学成分：1）、对熔化金属进行冶金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，来获得预期要求的焊接成分；2）、在焊缝金属中局部熔化的母材所占比例称为熔合比，改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。
3、焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？答：焊接区内气体的主要来源是焊接材料，同时还有热源周围的空气，焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水等，在焊接时也会析出气体。
产生：①、直接输送和侵入焊接区内的气体。
②、有机物的分解和燃烧。
③、碳酸盐和高价氧化物的分解。
④、材料的蒸发。
⑤、气体（包括简单气体和复杂气体）的分解。
4、氮对焊缝质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？答：氮对焊接质量的影响：a在碳钢焊缝中氮是有害的杂质，是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。
b氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。
c氮是促进焊缝金属时效脆化的元素。
控制焊缝含氮量的主要措施：a、控制氮的主要措施是加强保护，防止空气与金属作用；b、在药皮中加入造气剂（如碳酸盐、有机物等），形成气渣联合保护，可使焊缝含氮量下降到0.02%以下；c、采用短弧焊（即减小电弧电压）、增大焊接电流、采用直流反接均可降低焊缝含氮量；d、增加焊丝或药皮中的含碳量，可降低焊缝中的含氮量。
5、综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响？答：（1）焊接工艺参数对焊缝含氢量有一定的影响：手工电弧焊时，增大焊接电流使熔滴吸收的氢量增加；增大电弧电压使焊缝含氢量有某些减少。
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
材料科学与工程学院
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
材料科学与工程学院
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
材料科学与工程学院
亚共析钢（Wc=0.6%)
室温组织：P+F
第三章熔池凝固与焊缝固态相变
34
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
35
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WM—CCT图） 对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要的意义
36
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
合金元素和含氧量对焊接CCT图的影响
37
3.3 焊缝性能的控制
38
焊缝性能的控制
先共析铁素体（ Proeutectoid Ferrite，简称FP） 侧板条铁素体（ Ferrite Side Plate，简称FSP） 针状铁素体（Acicular Ferrite，简称AF） 细晶铁素体（ Fine Grain Ferrite，简称FGF） 焊接条件下影响焊缝组织的因素多而复杂，上述几种铁 素体的基本型态在焊缝中往往同时存在，有时还可能得到珠 光体、贝氏体、甚至马氏体组织。而且这几种铁素体在低碳 钢焊缝中也会出现，只是所占比例不同。
凝固过程是连续进行并随熔池 前进。
熔池的凝固速度相当大，固— 液界面的推进速度，要比铸件 高10～100倍。
焊缝的形成及熔池凝固
6
一、 熔池的凝固条件和特点
5. 熔池周围散热条件好
焊接熔池与其周围的母材金属之间直接接触，不像 铸件那样存在气隙。
焊接熔池的质量相对于周围母材金属的质量很小， 母材金属的“质量效应”促进了热量的吸收。
在熔池上部其方向一般从熔 池头部向尾部流动，而在熔 池底部的流动方向与之正好 相反，
这一点有利于熔池金属成分 分布的均匀化与纯净化。
5
一、 熔池的凝固条件和特点
4. 动态凝固过程
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 的熔滴一起在电弧吹力作用下， 对流至熔池后部。
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
35
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图（简称WM—CCT图） 对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要的意义
36
二、 低合金钢焊缝的固态相变组织
合金元素和含氧量对焊接CCT图的影响
37
3.3 焊缝性能的控制
38
焊缝性能的控制
先共析铁素体（ Proeutectoid Ferrite，简称FP） 侧板条铁素体（ Ferrite Side Plate，简称FSP） 针状铁素体（Acicular Ferrite，简称AF） 细晶铁素体（ Fine Grain Ferrite，简称FGF） 焊接条件下影响焊缝组织的因素多而复杂，上述几种铁 素体的基本型态在焊缝中往往同时存在，有时还可能得到珠 光体、贝氏体、甚至马氏体组织。而且这几种铁素体在低碳 钢焊缝中也会出现，只是所占比例不同。
凝固过程是连续进行并随熔池 前进。
熔池的凝固速度相当大，固— 液界面的推进速度，要比铸件 高10～100倍。
焊缝的形成及熔池凝固
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一、 熔池的凝固条件和特点
5. 熔池周围散热条件好
焊接熔池与其周围的母材金属之间直接接触，不像 铸件那样存在气隙。
焊接熔池的质量相对于周围母材金属的质量很小， 母材金属的“质量效应”促进了热量的吸收。
在熔池上部其方向一般从熔 池头部向尾部流动，而在熔 池底部的流动方向与之正好 相反，
这一点有利于熔池金属成分 分布的均匀化与纯净化。
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一、 熔池的凝固条件和特点
4. 动态凝固过程
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 的熔滴一起在电弧吹力作用下， 对流至熔池后部。
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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五、焊缝金属的化学不均匀性
（一） 焊缝中的化学不均匀性
化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一 种偏析现象。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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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
Er 16 3 3Fr2
б：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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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2)非自发形核
E ` 16 3 23cos cos3
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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三、熔池结晶线速度
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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在厚大焊件的表面上快速堆焊
cos 1 A
α：热扩散率
q
KY 2 K22
a（TMcm12/sK）Y 2 K22
1 2
vc : 晶粒成长的平均速度 v : 焊速
θ: v0和vc的夹角
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
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 第二节 第三节 第四节
熔池凝固 焊缝固态相变 焊缝中的气孔和夹杂 焊缝性能的控制
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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重点内容
1、熔池凝固条件和特点及一般规律 2、各钢种焊缝的固态相变组织的转变 3、焊缝中的气孔和夹杂问题 4、焊缝性能问题讨论
18
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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2、 胞状结晶
产生条件：过冷度很小。
特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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3、胞状树枝结晶
产生条件：过冷度稍大。 特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向 树枝晶断面胞状。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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4、 树枝状结晶
产生条件：过冷度圈较大。 特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能 得到很好的生长。
k
3 Fr 2
4
θ：非自发晶核的浸润角
θ=0℃ EK`=0
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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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”。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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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。当晶体最易长大方向与散热最 快方向相一致，最有利长大
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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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（四）、焊接条件下的凝固形态
焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接 规范参数有关。熔池中成分过冷的分布 在焊缝的不同部位是不同的，将会出现 不同的结晶形态。
薄板上自动焊接
cos
1 A
q
hTm
2
ky2
1 k y 2
1 2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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1、晶粒成长的平均线线处 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。
态除了温度过冷，还存在成分起伏造
成成分过冷，由于过冷程度不同形成
不同的结晶形态。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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(三)、 成分过冷对结晶形态的影响
1、平面结晶
产生条件：过冷度＝0，无成分过冷 特征：平面晶（G正温度梯度很大时）
平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓 度过冷的情况下。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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1、溶质浓度影响
纯AL 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶， 中心为胞状晶。若纯AL99.6%，焊缝出现 胞状晶，中心为等轴晶
2、焊接速度的影响
V↑，熔池中心出现等轴晶。 V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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3、电流的影响
I小，胞状晶, I较大，胞状树枝晶 I大，粗大树枝晶 焊接速度过大时，焊缝中心出现等 轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树 枝晶。焊接电流大时，出现粗大的 树枝晶。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点
1. 熔池体积小，冷却速度大 2．熔池中的液态金属处于过热状态 3．熔池在运动状态下结晶
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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二、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。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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a)G>0时的温度分布
b)G<0时的温度分布
c)G>0时的界面结晶形态 d)G<0时的界面结晶形态
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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（二）．固溶体合金的结晶形态
在任意T，溶质B在液态A中的浓度为
CL`，在固态A中浓度为CS，分配系数
K CS
0
CL
金属结晶，温度过冷，合金的结晶形
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
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四、金属的微观结晶形态
（一）．纯金属的结晶形态
① G>0时 G------温度梯度（正的温度梯 度）液相温度高于固相温度.过冷度小， 结晶缓慢，形成平面晶。
② G<0液体内部温度比界面低，进过冷度 大，晶粒成长速度大，形成树枝晶。