焊池凝固和焊缝固态相变.pptx
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1、1焊接原理焊接原理第三章第三章 焊池凝固和焊缝固态相变焊池凝固和焊缝固态相变主要内容1 熔池凝固 p116131 Weld pool solidification2 焊缝固态相变 p132141 Weld solid phase transition3 焊缝中的气孔和夹杂 p1421504 焊缝性能的控制 p151160材料成型及控制工程材料成型及控制工程 0707、0708班班08040806班,班,09040906班班2熔池的形状半个双椭球模型3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;焊接熔池体积小,冷却速度高;一般小于一般小于100g,或,或30cm3,平
2、均,平均4100 /s,约为铸造的,约为铸造的104。2 焊接熔池的液态金属处于过热状态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熔池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍。倍。3 熔池在运动状态下结晶熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动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液态金属受到各种力的搅拌运动熔池金属存在对流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,常比铸造的高在运动状态下凝固,凝固速度高,常比铸造的高10100倍。倍。(4 熔池界面的导热条件好)熔池界面的导热条件好)4二、熔池结
3、晶的一般规律(一)熔池中晶核的形成(一)熔池中晶核的形成生成晶核的两个条件:生成晶核的两个条件:热力学:过冷度热力学:过冷度使得系统自由使得系统自由能降低能降低动力学:系统自由能降低的程度动力学:系统自由能降低的程度自发晶核和非自发晶核自发晶核和非自发晶核自发晶核所需能量:自发晶核所需能量:非自发晶核所需能量:非自发晶核所需能量:图图-5研究已证明:研究已证明:焊接熔池结晶,非自发晶核起主要作用焊接熔池结晶,非自发晶核起主要作用=0180,能量比,能量比=Ek/Ek=01能量比能量比=0,大量质点成为现成表面,大量质点成为现成表面能量比能量比=1,无现成表面,无现成表面角的大小,取决于新相晶核
4、与现成表面间的表面张力。角的大小,取决于新相晶核与现成表面间的表面张力。两者晶体结构相似(两者晶体结构相似(类型、常数),两者类型、常数),两者间的表面张力就越小。间的表面张力就越小。焊接熔池有两种现成表面:焊接熔池有两种现成表面:合金元素或杂质质点作用较小合金元素或杂质质点作用较小半熔化态的晶粒表面主导作用半熔化态的晶粒表面主导作用,外延结晶、联生结晶外延结晶、联生结晶图图3-4,3-56联生结晶或外延结晶:联生结晶或外延结晶:从熔池边界半熔化的母材开始生长从熔池边界半熔化的母材开始生长非均质形核非均质形核主要为柱状、枝状晶形态主要为柱状、枝状晶形态外延结晶示意图7(二)熔池中的晶核长大(二
5、)熔池中的晶核长大择优生长择优生长晶粒的位向不同;散热方向晶粒的位向不同;散热方向优先条件?优先条件?不利的晶粒位向,其生长将被抑制不利的晶粒位向,其生长将被抑制晶粒的生长情况还与其他因素有关:晶粒的生长情况还与其他因素有关:ElEl、焊缝的位置、搅拌如何、振动?、焊缝的位置、搅拌如何、振动?8择优生长择优生长当母材金属(当母材金属(Fe,Ni,Fe,Ni,Cu,AlCu,Al)晶粒取向)晶粒取向与导热最快的方向(温度与导热最快的方向(温度梯度梯度G G最大)一致时,垂最大)一致时,垂直熔池边界时,晶粒生长直熔池边界时,晶粒生长最快而优先长大。最快而优先长大。常规速度焊接较高速度焊接9高低速焊
6、接的焊缝高低速焊接的焊缝TIG,99.96 w%Al1M/min0.25M/min源于Welding Metallurgy(Kou,2002)10三、熔池结晶线速度柱状晶体的成长:柱状晶体的成长:一般讲,熔池晶粒生长的主轴是弯曲的;图一般讲,熔池晶粒生长的主轴是弯曲的;图3-73-7与焊接速度有密切关系,图与焊接速度有密切关系,图3-83-8公式推导公式推导11结晶线速度:焊接速度一定,主要取决于焊接速度一定,主要取决于cos:cos又决定于焊接规范和材料热物性又决定于焊接规范和材料热物性定性推导:定性推导:公式公式3-5 厚板表面快速堆焊厚板表面快速堆焊公式公式3-6 薄板上自动焊接薄板上自
7、动焊接看出问题:看出问题:1、晶粒生长定平均线速度是变化的;、晶粒生长定平均线速度是变化的;2、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响、工艺参数对生长方向和平均线速度均有影响3、还有,结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸、还有,结晶潜热、周期性、成分不均匀性、元素扩散等诸多因素相关!多因素相关!12四、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;布不同,形成的晶体亦不同;焊缝晶体的主要形态是:柱状晶和少量等轴晶。焊缝晶体的主要形态是:柱状晶和少量等轴晶。仔细观察还可发现:柱状晶或等轴晶内部还
8、有亚晶结构:仔细观察还可发现:柱状晶或等轴晶内部还有亚晶结构:平面晶、胞晶、树枝状晶等。平面晶、胞晶、树枝状晶等。(一)纯金属的结晶形态:无成分变化,恒温凝固;(一)纯金属的结晶形态:无成分变化,恒温凝固;正温度梯度:正温度梯度:G0,平面晶的生长条件平面晶的生长条件负温度梯度:负温度梯度:G0,树枝状晶的生长条件,树枝状晶的生长条件13金属凝固的四种基本形态源于Welding Metallurgy(Kou,2002)14(二(二)固溶体合金的结晶形态固溶体合金的结晶形态工业纯金属也是合金热过冷热过冷结晶动力结晶动力结晶温度与成分有关:先结晶的成分更纯,使溶质聚结晶温度与成分有关:先结晶的成分
9、更纯,使溶质聚集在固液界面的前沿。集在固液界面的前沿。成分过冷固液界面处成分起伏而造成的过冷。固液界面处成分起伏而造成的过冷。成分过冷的程度不同,结晶形态各异15定向凝固-溶质再分配-成分过冷16成分过冷的程度与结晶形态的变化成分过冷的程度与结晶形态的变化从从 a d,成分过冷增加成分过冷增加源于Welding Metallurgy(Kou,2002)17(三)成分过冷条件对结晶形态的影响(三)成分过冷条件对结晶形态的影响1、温度梯度温度梯度G0,平面结晶,图,平面结晶,图3-182、温度梯度、温度梯度G与实际结晶温度与实际结晶温度T有少量相交,有少量相交,胞状结胞状结晶,图晶,图3-203、
10、GT相交较大,相交较大,胞状树枝结晶,图胞状树枝结晶,图3-224、GT相交很大,相交很大,树枝状结晶,图树枝状结晶,图3-245、两线平行,等轴结晶,图、两线平行,等轴结晶,图3-26冷却条件和结晶形态比对冷却条件和结晶形态比对181、温度梯度温度梯度G0,平面结晶,平面结晶192、温度梯度、温度梯度G与实际结晶温度与实际结晶温度T有少量相有少量相交,交,胞状结晶胞状结晶20GT相交较大,相交较大,胞状树枝结晶胞状树枝结晶214、GT相交很大,相交很大,树枝状结晶树枝状结晶225、两线平行,等轴结晶、两线平行,等轴结晶23(四)焊接条件下的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同,成分过
11、冷的分布不同,焊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,焊缝各部位出现不同的结晶形态:平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。缝各部位出现不同的结晶形态:平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。非平衡结晶非平衡结晶1、成分的影响、成分的影响2、焊接速度的影响、焊接速度的影响3、焊接电流的影响、焊接电流的影响24焊缝中的等轴晶焊缝中的等轴晶源于Welding Metallurgy(Kou,2002)25线能量对过冷河结晶形态的影响源于Welding Metallurgy(Kou,2002)26(例)脉冲电弧焊下的等轴晶27(例)电子束焊缝中的结晶电子束单晶电子束单晶合金焊缝中合金焊缝中的柱
12、状晶和的柱状晶和等轴枝晶等轴枝晶28五、焊缝金属的化学成分不均匀性偏析:凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫偏析:凝固后微观到宏观尺度上化学成分的不均匀叫。偏析的主要原因是冷却速度快,来不及扩散造成的。偏析的主要原因是冷却速度快,来不及扩散造成的。偏析可分为两类:即微观偏析和宏观偏析。偏析可分为两类:即微观偏析和宏观偏析。microscopic segregationgross segregation 微观偏析:微观偏析:范围约范围约1/101/10 000cm数量级;有胞状、枝晶和晶界偏析;组织数量级;有胞状、枝晶和晶界偏析;组织受化学试剂腐蚀时才显露出来。受化学试剂腐蚀时才显露出来。宏
13、观偏析:范围宏观偏析:范围 达达cm m数量级。数量级。宏观偏析按其性质和形状可分为:正、逆、宏观偏析按其性质和形状可分为:正、逆、V、逆、逆V、带、密度、带、密度、区域和层状偏析等。区域和层状偏析等。29(一)焊缝中的化学不均匀性(一)焊缝中的化学不均匀性焊缝中的偏析主要有三种情况焊缝中的偏析主要有三种情况:显微偏析显微偏析区域偏析(属于宏观偏析)区域偏析(属于宏观偏析)层状偏析(属于宏观偏析)层状偏析(属于宏观偏析)1、显微偏析特点显微偏析特点晶界偏析:胞晶、枝晶的晶界溶质浓度最高;晶界偏析:胞晶、枝晶的晶界溶质浓度最高;枝晶偏析大于胞晶偏析;枝晶偏析大于胞晶偏析;细晶偏析大于粗晶偏析;细
14、晶偏析大于粗晶偏析;30微观偏析可以消除:微观偏析可以消除:方法:在低于固相线100200之间,较长时间保温均匀化退火。312、宏观偏析之、宏观偏析之区域区域偏析最后凝固的区域如焊缝中心地带,会出现大量的最后凝固的区域如焊缝中心地带,会出现大量的偏析;这是焊缝中心纵向热裂纹的根源。与工艺规范有关:与工艺规范有关:偏析的结果:低熔点共晶聚集323、宏观偏析之、宏观偏析之层状层状偏析层状层状偏析a)手工电弧焊接头)手工电弧焊接头 b)电子束焊接接头)电子束焊接接头333、宏观偏析之、宏观偏析之层状层状偏析经过用放射性同位素S35对焊缝中元素分布规律的实验观察,认为:周期性的热作用是周期性的热作用是
15、层状层状偏析的主要原因。主要原因。晶体生长速度与溶质浓度有关C0 溶质的平均浓度图中的气孔有夸张分布也难寻xq34(二)熔合区的化学不均匀性1、熔合区的形成半熔化区的晶粒熔化不均匀2、熔合区的宽度取决于L-S温度范围、热物理性能和组织有公式描述:试算:温度梯度30080/mm;液固相温差40:A=?353、熔合区的成分分布严重的化学不均匀性,薄弱地带原因之一;36第二节 焊缝固态相变 (低碳和低合金钢非平衡固态相变)一、低碳钢焊缝的固态相变组织一、低碳钢焊缝的固态相变组织主要是:主要是:F+P少量少量F常在原奥氏体晶界析出,其晶粒大,甚至会有魏常在原奥氏体晶界析出,其晶粒大,甚至会有魏氏组织。
16、氏组织。魏氏组织特征:魏氏组织特征:F在奥氏体晶界网状析出,也可以在奥氏体晶界网状析出,也可以从奥氏体晶粒内沿一定晶向析出。从奥氏体晶粒内沿一定晶向析出。图图3-41魏氏组织出现在过热的焊缝中。魏氏组织出现在过热的焊缝中。多层焊接或焊后热处理可消除粗大柱状晶,得细小多层焊接或焊后热处理可消除粗大柱状晶,得细小F+P少量,少量,在在A3+2030即可,如图即可,如图3-42注意再加热的温度对焊缝韧性的影响图注意再加热的温度对焊缝韧性的影响图3-4337相同成分,冷却速度对组织性能的影响相同成分,冷却速度对组织性能的影响HV16516718519520522838二、低合金钢焊缝的固态相变组织低合
17、金钢焊缝的固态相变组织因成分增加,出现了新的组织,如多了贝氏体和马氏体;得到什么样的组织?与低碳钢的有何区别?主要与成分和冷速相关;非平衡相变:焊缝是铸态组织;含气量比母材高10倍;氧含量达数百ppm。这使得焊缝的相变组织更复杂,影响性能,使使CCT图左移。图左移。分别介绍:(一)铁素体转变(一)铁素体转变 (Ferrite transformation)39低合金钢焊缝中低合金钢焊缝中F主要分为主要分为4类:类:1 先共析铁素体先共析铁素体(Proeutectoid Ferrite,简称,简称PF)v温度:温度:770-680;v位置:沿奥氏体晶界位置:沿奥氏体晶界v形态:长条形或多边形块状
18、形态:长条形或多边形块状v性能特点:韧性下降性能特点:韧性下降 图图3-443-442 侧板条铁素体侧板条铁素体 (Ferrite Side Plate,简称,简称FSP)v温度:温度:700-550700-550 v位置:从晶界铁素体侧面生长位置:从晶界铁素体侧面生长v形状:板条状形状:板条状v性能特点:韧性下降性能特点:韧性下降 图图3-453-4540另外的两类铁素体:3 针状铁素体针状铁素体(Acicular Ferrite,简称,简称AF)v温度:温度:500;v位置:在奥氏体晶粒内部位置:在奥氏体晶粒内部v形态:针状形态:针状v条件:中等冷却速度条件:中等冷却速度v性能特点:韧性好
19、性能特点:韧性好 图图3-463-464 细晶铁素体(细晶铁素体(Fine Grain Fine Grain Ferrite,简称,简称FGF)v温度:温度:500500 以下以下v位置:在奥氏体晶粒内部位置:在奥氏体晶粒内部v形状:细晶状形状:细晶状v条件:存在细化晶粒的元素(条件:存在细化晶粒的元素(TiTi,B B等)等)v性能特点:韧性好性能特点:韧性好 图图3-473-4741附A 晶界FB多边形FC 魏氏FD 针状F E上贝氏体F下贝氏体42v珠光体是接近平衡下的组织,焊接条件下很少产生。只有在近乎平衡条件下才能得到;v铁素体和渗碳体两相层状混合物vAr1550时P体扩散转变,焊接
20、冷速下,扩散来不及进行,P体转变受到抑制,但扩大了F、B体的转变区域;v按P体片层的细密程度,珠光体又分为:v层状珠光体 图3-49 a)v粒状珠光体称为屈氏体 图3-49 b)v细珠光体称为索氏体 图3-49 c)(二)(二)珠光体转变珠光体转变(低合金钢)(低合金钢)43层状珠光体层状珠光体+F44贝氏体贝氏体在典型的钢的时间在典型的钢的时间-温度转变(温度转变(TTT)图中存在一个较宽的中间温)图中存在一个较宽的中间温度范围,在这个温度范围内既不形成珠光体也不形成马氏体,而度范围,在这个温度范围内既不形成珠光体也不形成马氏体,而是形成是形成细铁素体条(或板条)与渗碳体颗粒的集细铁素体条(
21、或板条)与渗碳体颗粒的集合体合体。这些中间组织通常称为这些中间组织通常称为贝氏体贝氏体贝氏体贝氏体。当冷速对珠光体形成来说太快、而对形成马氏体来说又太慢时会当冷速对珠光体形成来说太快、而对形成马氏体来说又太慢时会发生贝氏体转变。随转变温度的下降,贝氏体的性质发生变化。发生贝氏体转变。随转变温度的下降,贝氏体的性质发生变化。可以分成两类:可以分成两类:上贝氏体和下贝氏体上贝氏体和下贝氏体。45(三)贝氏体转变(三)贝氏体转变v贝氏体:过冷奥氏体在中温区域转变而成的铁素体贝氏体: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)。和渗碳体两相混合组织(有时可能有奥氏体)。
22、1 上贝氏体上贝氏体呈羽毛状呈羽毛状-温度:温度:550-450;-位置:沿奥氏体晶界析出位置: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形态:平行的条状铁素体之间分布有渗碳体 图图3-50a3-50a)-性能特点:韧性较差性能特点:韧性较差2 2 下贝氏体下贝氏体针状针状-温度:温度:450450-Ms-Ms-形态:针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物,铁素体内分布有形态:针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物,铁素体内分布有碳化物颗粒碳化物颗粒 图图3-50b3-50b)-性能特点:强度和韧性都较好性能特点:强度和韧性都较好3 3 粒状贝氏体的不同说法:韧性的高低?粒状贝氏体的不同
23、说法:韧性的高低?贝氏体与贝氏体相变 刘宗昌46粒状贝氏体与粒状贝氏体与M-AM-A组元组元在块状铁素体形成后待转变的富碳奥氏体岛形成了富碳马在块状铁素体形成后待转变的富碳奥氏体岛形成了富碳马氏体和残余奥氏体的机械混合物。氏体和残余奥氏体的机械混合物。M-A组元的性能如强度和韧性的说法不一,原因是奥氏体组元的性能如强度和韧性的说法不一,原因是奥氏体岛的形成产物不同,而形成产物主要取决于冷却速度。岛的形成产物不同,而形成产物主要取决于冷却速度。富碳的奥氏体岛形成M+A残韧性降低富碳的奥氏体岛分解成 F+C+A残韧性提高在块状铁素体上在块状铁素体上M-AM-A组元以粒状分布时叫组元以粒状分布时叫“
24、粒状粒状贝氏体贝氏体”。图3-5147附:上贝氏体形态羽毛状为上贝氏体,白色基体为马氏体,16Mn(Q345),500等温10盐水淬火,2硝酸酒精腐蚀。48附:下贝氏体形态放大160倍-黑色针状为下贝氏体 白色基体为马氏体,白色粒状为碳化物;T10钢,300等温淬火,4硝酸酒精侵蚀49附:附:钢中的贝氏体钢中的贝氏体 作者:作者:H.K.D.H.Bhadeshia译者:哈尔滨工业大学,甄良译者:哈尔滨工业大学,甄良50 下贝氏体的显微组织。注意在下贝氏体型铁素体薄片内析出的几种碳化物变体。下贝氏体也是由排列成束的细薄片组成的,每一薄片部分地被富碳残余奥氏体分割开。引自Bhadeshia and
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