第三章_熔池凝固和焊缝固态相变

θ=0~180º时， ∆G*’ / ∆G*=0~1，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。
(二)熔池中的晶核长大
熔池中晶核形成之后，向熔池中成长。
长大方向： 择优取向 原子排列最疏松的方向（ fcc、bcc结构为<100> 方向）获得最大长大速度。 沿最大温度梯度方向，并与散热反方向。
第一节 熔池凝固
一、熔池凝固的条件和特点 焊接熔池与铸钢锭的凝固过程基本相同，凝固又有其特殊性。 1 熔池的体积小，冷却速度大。非平衡结晶，熔池中心和边沿的
gradT大，一般得到柱状晶，很少出现等轴晶。 2 熔池金属处于过热状态。合金元素烧损严重，熔池中非自发晶
核的质点大为减少，促使焊缝中柱状晶发展。 3 熔池在运动状态下凝固
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。
二、熔池凝固的一般规律
熔池金属凝固结晶也是形核和核长大过程。
（一）溶池中晶核的形成 形核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低， 动力学条件是自由能降低的程度。 自发晶核 非自发晶核 形核功（临界形核功）
液相中无论形成自发晶核或非自发晶核都需要消耗一定能量。
Formation of Nucleii
Molecules are always bumping into each other – sometimes they stick at lower kinetic energies more stick (T↓)
Dendrite Growth
All that heat raises the melt temperature near the wall above the freezing point. The solid grows out away from the wall, “looking” for cooler metal.
2 焊接工艺参数对晶粒成长方 向及平均线速度均有影响
焊速越大时， θ角越大，晶粒主轴 成长方向越垂直于焊缝的中心线； 焊速越小时，晶粒主轴的成长方向 越弯曲。
四、焊缝金属的结晶形态
（一）纯金属结晶形态
1 正温度梯度 G＞0。液体金属的温度高，过冷度小或为负，伸入液 体金属内部的晶体成长缓慢，形成平滑的晶界。
with planar interface.
Tl(x)
Tl(x) Liquid
The temperature field, T(x) ahead of the S/L interface lies in part below the liquidus, Tl(x). The melt becomes constitutionally supercooled, and the solid advances with cellular interface.
自发形核
DG = -4/3 p r 3DGv + 4p r 2s
d(∆Gr) = 0 = -4π/ r*2 ∆G* + 8πr*s.

r* = 2s/∆GV ∆G* = 16πs3/3∆GV2
Surface Energy Critical radius
Volume Energy
Total Free Energy of a Solid – Liquid System
令AC’弧=ds， 则ds=dxcosθ， ds/dt=dx/dtcosθ, Vc=Vcosθ Vs-晶粒成长平均线速度；V-焊接速度
晶粒成长的平均线速度，决定于cosθ值. Vc=Vcosθ
薄板
cosq

1
A
q TM
2

1
K
2 y
K
2 y
1/ 2
Constitutional Sup百度文库rcooling
The temperature field, T(x)
ahead of the S/L interface lies
above the liquidus, Tl(x). 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。
2 负温度梯度 G<0。液体内部的温度比界面低，伸入液体金属内部 的晶体成长速度很快，形成树枝状晶。
Heat Transfer
Solid
Liquid
Solid
Liquid
Planar Growth
In planar growth the energy is conducted into the solid and out through the walls of the container
(二)固溶体合金的结晶形态 合金的结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分不相
同，造成固液界面一定区域的成分起伏。
合金凝固存在两种过冷： 实际温度造成的过冷，为温度过冷。 固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。
合金结晶时不必很大的过冷就可出现树枝状晶，而且随过冷的不 同，晶体成长亦出现不同的结晶形态。
非自发行核 形核位置： 熔池中的现成表面 熔池中悬浮的质点 基体金属的半熔化晶粒表面
在液相中形成非自发晶核所需临界形核功∆G*’：
∆G*’ = 16πgab3/3(∆GV-∆GS)2 f(q) f(q) =1/4[(2 + cosq)(1 - cosq)2] ∆G*’= ∆G* f(q)
θ=0时， ∆G*’ =0，非自发晶核； θ=180º时， ∆G*’ = ∆G*，自发晶核，

厚板对于co厚sq 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 Vc=Y0=，OB时，Ky=1，cosθ=0，θ=90º，
Y=0时，cosθ=1，θ=0，Vc=V Y粒=成OB长~方0时向,θ和=线90速º~0度º，都V是c=变0~化V，，晶熔 合线上最小，在焊缝中心最大。