焊接接头的组织与性能优秀课件
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1、熔合区的形成 半熔化过渡状态、热传播不均匀、晶粒的传热方向不同
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2、熔合区宽度
材料的液—固温度范围、被焊材料自身的热物 理性质和组织状态：
被焊金属的液相线温度
被焊金属的固相线温度
A TL TS T Y
温度梯度
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～ 80oC/mm，液固相线温度差约40 oC，因此，一般电弧 焊条件下，熔合区宽度为：
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
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。
*异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接 接头的早期失效与此有关。
分析焊缝和熔合区的化学不均匀性,为什么 会形成这种不均匀性?
1、从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达 2000℃以上，母材又是冷态金属，两者温差巨大。 并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造 成组织转变差异和整个接头组织不均匀。
先共析铁索体(PF)——是沿原奥氏体晶 界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素 体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以多边形 形状互相连结沿晶界分布。
在高温区发生γ→α，相变时优先形成， 因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析 铁素体的位错密度较低。
（2）侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃
粒界铁素体Grain Boundary Ferrite (GBF) 2、侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP) 3、针状铁素体 Acicular Ferrite (AF) 4、细晶铁素体 Fine Grain Ferrite (FGF)
（1）粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)
2、焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有 几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平 衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域 偏析很大。
3、焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素 烧损，有些元素在焊缝金属和母材金属之间相互 扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接 区的显微组织差别极大。
一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面 （主要的非自发形核表面）。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔池中的晶核长大 粗大的柱状晶
柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关，如焊接 线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
五、焊缝金属的化学成分不均匀性
冷速快，化学成分扩散不充分→偏析 （一）焊缝中的化学不均匀性
是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素 体，实质是魏氏组织。其长宽比在20：１以上。侧 板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但 出现的机会比母材多。
• 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。
2300200 oC。钢锭不超过1550oC。
3、熔池在运动状态下结晶
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
二、熔池结晶的一般规律
形核与长大过程 在熔池状态下，结晶过程规律？焊缝金属结晶形态？ （一）熔池中晶核的形成
均匀形核与非均匀形核。过冷度，形核功。 焊接条件下，熔池中存在两种现成表面：
一种是合金元素或杂质的悬浮质点
焊接接wenku.baidu.com的组织与性能优秀课 件
熔焊时，在高温热源的 作用下，母材将发生局部熔 化，并与熔化了焊丝金属搅 拌混合而形成焊接熔池。
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。
A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm） 奥氏体钢电弧焊：A=0.06～0.12mm
**熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接 工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下 降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm时，对不 锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大 ，达到接近1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降， 甚或出现裂纹。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第二节 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变 含碳量低→铁素体+珠光体。 特点：组织粗大，过热时铁素体中有粗大魏氏组织
一次结晶组织：粗大的柱状晶
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↑
显微偏析 晶界、亚晶界、树枝晶之间
成分偏析 区域偏析 杂质等在焊缝中心区域聚集
层状偏析 结晶过程的周期性变化
层状偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷， 尤其是气孔→力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断 裂韧性降低等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。
一、 熔池凝固的特点
1、熔池的凝固条件和特点 1）结晶过程：晶核生成、晶核长大 2）熔池的体积小、冷却速度大
熔池的体积最大只有30cm3，重量不超过 100g。周围冷金属→冷速非常大， 4100oC/s。钢锭平均冷速（3 150） 10-4 oC/s。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2、熔池中的金属处于过热状态 电弧焊条件下，熔池温度1770100 oC，熔滴
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.
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（一）铁素体 铁素体的形态不同： 1、先共析铁素体 Pro eutectoid Ferrite (PF)
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2、熔合区宽度
材料的液—固温度范围、被焊材料自身的热物 理性质和组织状态：
被焊金属的液相线温度
被焊金属的固相线温度
A TL TS T Y
温度梯度
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300～ 80oC/mm，液固相线温度差约40 oC，因此，一般电弧 焊条件下，熔合区宽度为：
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
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。
*异种钢焊接时，特别注意这一问题。很多焊接 接头的早期失效与此有关。
分析焊缝和熔合区的化学不均匀性,为什么 会形成这种不均匀性?
1、从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达 2000℃以上，母材又是冷态金属，两者温差巨大。 并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造 成组织转变差异和整个接头组织不均匀。
先共析铁索体(PF)——是沿原奥氏体晶 界析出的铁素体。先共析铁素体也称晶界铁素 体。有的沿晶界呈长条状扩展，有的以多边形 形状互相连结沿晶界分布。
在高温区发生γ→α，相变时优先形成， 因晶界能量较高而易于形成新相核心。先共析 铁素体的位错密度较低。
（2）侧板条铁素体（FSP）生成于700一500℃
粒界铁素体Grain Boundary Ferrite (GBF) 2、侧板条铁素体 Ferrite Side Plate (FSP) 3、针状铁素体 Acicular Ferrite (AF) 4、细晶铁素体 Fine Grain Ferrite (FGF)
（1）粒界铁素体(GBF)(先共析铁素体PF)
2、焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有 几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平 衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域 偏析很大。
3、焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素 烧损，有些元素在焊缝金属和母材金属之间相互 扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接 区的显微组织差别极大。
一种是熔合区附近半熔化的金属界面晶粒表面 （主要的非自发形核表面）。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔池中的晶核长大 粗大的柱状晶
柱状晶生长的形态与焊接条件密切相关，如焊接 线能量、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
五、焊缝金属的化学成分不均匀性
冷速快，化学成分扩散不充分→偏析 （一）焊缝中的化学不均匀性
是由晶界向晶内扩展的板条状或锯齿状铁素 体，实质是魏氏组织。其长宽比在20：１以上。侧 板条铁素体在低合金钢焊缝中不一定总是存在，但 出现的机会比母材多。
• 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。
2300200 oC。钢锭不超过1550oC。
3、熔池在运动状态下结晶
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
二、熔池结晶的一般规律
形核与长大过程 在熔池状态下，结晶过程规律？焊缝金属结晶形态？ （一）熔池中晶核的形成
均匀形核与非均匀形核。过冷度，形核功。 焊接条件下，熔池中存在两种现成表面：
一种是合金元素或杂质的悬浮质点
焊接接wenku.baidu.com的组织与性能优秀课 件
熔焊时，在高温热源的 作用下，母材将发生局部熔 化，并与熔化了焊丝金属搅 拌混合而形成焊接熔池。
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。
A=40/（300～80）=0.133～0.50（mm） 奥氏体钢电弧焊：A=0.06～0.12mm
**熔合区的宽度对焊缝性能影响很大。由于焊接 工艺的因素，当熔合区宽度大时，焊缝的整体性能下 降。如奥氏体不锈钢的熔合区宽度在0.1mm时，对不 锈钢焊接接头的抗腐蚀性影响不大；但当该宽度较大 ，达到接近1mm时，则焊接接头的耐蚀性显著下降， 甚或出现裂纹。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
第二节 焊缝固态相变
一、低碳钢焊缝的固态相变 含碳量低→铁素体+珠光体。 特点：组织粗大，过热时铁素体中有粗大魏氏组织
一次结晶组织：粗大的柱状晶
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↑
显微偏析 晶界、亚晶界、树枝晶之间
成分偏析 区域偏析 杂质等在焊缝中心区域聚集
层状偏析 结晶过程的周期性变化
层状偏析往往聚集有害元素，也易于形成缺陷， 尤其是气孔→力学性能不均匀，抗腐蚀性下降，断 裂韧性降低等。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（二）熔合区的化学不均匀性 整个焊接接头的薄弱环节。易出现缺陷，裂纹等。
一、 熔池凝固的特点
1、熔池的凝固条件和特点 1）结晶过程：晶核生成、晶核长大 2）熔池的体积小、冷却速度大
熔池的体积最大只有30cm3，重量不超过 100g。周围冷金属→冷速非常大， 4100oC/s。钢锭平均冷速（3 150） 10-4 oC/s。
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
2、熔池中的金属处于过热状态 电弧焊条件下，熔池温度1770100 oC，熔滴
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.
第三章 熔池凝固与焊缝固态相变
（一）铁素体 铁素体的形态不同： 1、先共析铁素体 Pro eutectoid Ferrite (PF)