金属的结晶知识讲义
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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）
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
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.实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关） 成分
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
1.分类
平面晶
形态
柱状晶
晶胞
树枝晶
等轴晶（树枝晶）
2.纯金属的源自文库晶形态
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
金属的结晶
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）
本资料来源
本资料来源
二、熔池结晶的一般规律
1.形核
①自发形核 所需能量：
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
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：V cVcos
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
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
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
1.固溶强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等
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 ) T L — 被焊金属的液相线温度 （C ） Ts — 被焊金属的固相线温度 （C ）
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
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
cosθ 取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
③④对co厚薄Vsθc的大件值讨件：的论：确cc定ooss{1 {1AA(q qT vM (1) k2(k y12y2 k kyk2yzk2 2z2))}}1 21 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
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
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
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）
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
Ek
16π 3
3Fv 2
其中：σ ——新相-液相界面张力
Δ Fv ——单位体积内固液两相自由能之差
②非自所发需形能核量：EkEk(23co4 s3co3s)
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
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）
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
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.实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关） 成分
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
1.分类
平面晶
形态
柱状晶
晶胞
树枝晶
等轴晶（树枝晶）
2.纯金属的源自文库晶形态
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
金属的结晶
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）
本资料来源
本资料来源
二、熔池结晶的一般规律
1.形核
①自发形核 所需能量：
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
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：V cVcos
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
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
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
1.固溶强化和变质处理 加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土Te等
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 ) T L — 被焊金属的液相线温度 （C ） Ts — 被焊金属的固相线温度 （C ）
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
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
cosθ 取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
③④对co厚薄Vsθc的大件值讨件：的论：确cc定ooss{1 {1AA(q qT vM (1) k2(k y12y2 k kyk2yzk2 2z2))}}1 21 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
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
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
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）
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
Ek
16π 3
3Fv 2
其中：σ ——新相-液相界面张力
Δ Fv ——单位体积内固液两相自由能之差
②非自所发需形能核量：EkEk(23co4 s3co3s)
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