焊接冶金学基本原理-第3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
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
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
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
2 片状马氏
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
焊缝中的组织不是单一的
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
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
佳木斯大学
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
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
4
二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 其中：σ——新相-液相的界面张力 ΔFv——单位体积内固液两相自由能之差
2 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
' k
θ=0 ° →Ek´=0 →液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 θ= 0°~ 180°时，Ek´/ Ek=0~1，说明在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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
11
③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，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 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
3
第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 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。
二、熔池结晶的一般规律
1.熔池中晶核的形成 ①自发形核 16 3
Ek 所需能量： 3Fv2 其中：σ——新相-液相的界面张力 ΔFv——单位体积内固液两相自由能之差
2 3 cos 3 cos3 ) ②非自发形核所需能量： E Ek ( 4
' k
θ=0 ° →Ek´=0 →液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 θ=180°→Ek´=Ek→全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 θ= 0°~ 180°时，Ek´/ Ek=0~1，说明在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。
– cosθ取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状
11
③cosθ值的确定 – 厚大件： cos {1 A
2 1 ky k z2 qv ( )} 2 2 2 aTM 1 k y k z
– 薄件： ④对Vc的讨论 – θ=0 时，Vc=V（焊缝中心线） – θ=90时，Vc=0（熔合线，焊缝边界） 即晶粒生长速度是变化的 – V↑→θ↑，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 – V↑→Vc↑，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速
3
第一节 熔池凝固
一、熔池的凝固条件和特点 • 结晶过程：晶核生成、晶核长大 1.熔池的体积小、冷却速度大 – 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织，甚至焊道 上产生裂纹 – 熔池中心和边缘有较大的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很 大发展，一般情况下没有等轴晶，只有在焊缝断面的上部有少 量的等轴晶（电渣焊除外）。 2.熔池中的液态金属处于过热状态 – 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。
三、熔池凝固与相变(2010)
4
焊缝金属的结晶形态（1）
因焊接冶金的特点，焊缝不同部位将出现不同的结晶形态。 （ 1 ）在熔合区由于温度梯度 G 大，结晶速度 R 小，所以成分过 冷较小，此处以平面晶为主； （ 2 ）离开熔合区后， G 逐渐变 小， R 逐渐增加，此处结晶形态 由平面晶向胞状晶、柱状晶（树 枝胞状晶）过渡。
焊缝金属的结晶形态（2）
由F+少量P组成。F体先沿A体边界析 出，形成先共析F体。在一定冷速范围内， F体长大成梳齿状，或从A晶粒内沿一定 方向以针片状析出，形成魏氏组织。
魏氏组织一般伴随有粗大的晶粒，性能极差 。
魏氏组织
表 5－6 魏氏组织的冲击韧性 化学成份 冲击值(公斤力·米／厘米 2) C Mn Si 魏氏组织 Ac1 以下温度退火 在 850℃退火 0.19 0.32 3.20 6.40 17.80 痕迹 0.37 0.74 2.35 6.0 15.20 0.36 0.46 0.87 2.80 5.20 14.60 0.15
焊缝中的成分不均匀性（2）
（3）层状偏析：因结晶速度呈周期性变化造成焊缝化学成分不 均匀的偏析（图3－36,37）。
2 熔合区的化学成分不均匀性（1）
（1）熔合区
母材与焊缝交界的一个区域，是整个焊接接头最薄弱的地带。
（2）熔合区宽度A
取决于材料的液－固温度区间、材 料的热物理性质。 T T
A T ( ) Y
（ 3 ）在焊缝中心， G 很小， R 最大，成分过冷也最大， 此处结晶为等轴晶。。 （4）在焊接断弧时出现一个 弧坑，此时中心温度低， G 小，形成很大的成分过冷， 结果形成粗大的等轴树枝晶。
思考题：比较钢锭组织与焊缝的组织
五、焊缝金属成分的不均匀性
1 焊缝中的成分不均匀性 （1）显微偏析： 1）因结晶先后顺序不同，后结晶的固相 溶质浓度偏高，在晶界富集了较多的杂 质（晶界偏析）。 2）焊接冷却速度快，固相内成分来不及 扩散，造成晶内偏析 （图3 －33） 。树枝晶 界的偏析比胞状晶严重（表3－1）。
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
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
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）
20
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
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；
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.
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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 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1 熔池凝固
3.1.1 熔池凝固的条件和特点
1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大
2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）
（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。 （2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770±100℃; 钢锭<1550 ℃。烧损严重
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
4、焊接条件下的凝固（结晶）形态
(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势） 在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故 成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时， 温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态有平 面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。
d)G<0时的界面结晶形态
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焊接冶金学--基本原理 2.固溶体合金的结晶形态
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相 同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除 了由于实际温度造成的过冷外( 温度过冷)，还存在由于固液界 面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶随 过冷的不同晶体成长也不同。
2 y 2 z 1 2
薄板上自动焊：
q cos 1 A T M
2
K2 y 1 K2 y
1 2
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θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。 θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。 形核较难。 研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
焊接工艺参数与θ（0~90°）关系：(熔池半椭球体假设）
厚大件上快速堆焊：
K K qV cos 1 A 2 2 TM 1 K y K z
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
结晶形态主要决定于 合金中的 溶质的浓度C0、
C0 ％
等轴晶
树枝状晶
胞状树枝晶
结晶速度R和
液相中温度梯度G 的综合作用。
G / R 1/2 图3－28 C0、R和G对结晶形态的影响 胞状晶 平面晶
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焊接冶金学--基本原理 （3）、胞状树枝结晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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。
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焊接冶金学--基本原理 （4）、 树枝状结晶
焊接冶金学--基本原理
第2章 焊接化学冶金
焊接冶金学-基本原理
主讲:惠增哲 王喜锋
西安工业大学材化学院 2012年9月
共需 4学时
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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
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3、成分过冷对结晶形态的影响
过冷度不同，就会使焊缝出现不同的形态，大致可以分五种结晶 形态。
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焊接冶金学--基本原理 （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 有成分过冷的情 况下。
关于θ： θ越小，湿润性越好， θ大小取决于新相晶核与现成表面之 间的表面张力。若结构相似，表面张力越小，θ越小，那么形 核需要能量越小。 这说明，在已有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最 容易。 焊接条件下非自发形核： 熔合区加热到半熔融状态基本 金属的晶粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长，联生结晶 （起主要作用）。 合金元素或杂质（一般作用不 大）。如何细化晶粒？
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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焊接冶金学--基本原理 (2) 胞状结晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度很小。 特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
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晶粒主轴成长方向与结晶等温面正 交，并以弯曲状向焊缝中心生长。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
ds dx cos
ds dx cos dt dt
vc v cos
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ห้องสมุดไป่ตู้ 焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
（3）熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到力的搅拌运动
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焊接冶金学--基本原理 3.1 熔池凝固
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1.1 熔池凝固的条件和特点 3.1.2 熔池结晶的一般规律 3.1.3 熔池结晶速度和方向 3.1.4 熔池结晶的形态 3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性
3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂 3.4 焊缝性能的控制 3.5 焊接熔合区
1、熔池中晶核的形成
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。
EK （1）自发形核：
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16 3 3 FK 2
б：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFK：单位体积内液固两相自由能之 差。
主要内容： 3.1熔池凝固 3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂
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焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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 加热— 焊接热过程 熔化— 焊接化学冶金过程 冶金反应— 焊缝结晶及焊接组织 结晶— 焊接热影响区的组织与性能 固态相变— 焊接裂纹 接头
3.1.4 熔池结晶的形态
符合 一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。
1、纯金属的结晶理论
（1） 正温度梯度 液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高， 称为正温度梯度，G>0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是 平晶。 （2） 负温度梯度 当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，G<0。 由于过冷度大，晶体成长速度快，形成树枝状晶。
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度进一步增大。 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。
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焊接冶金学--基本原理 （5）、等轴晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度大，温度梯度小。 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。
焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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。 Ky=0，cosθ =1, θ=0°,Vc=V, 说明晶粒成长到接触X轴时， 晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。 （2） 焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响 。 当焊接速度越大时，θ角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于 焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方 向越弯曲。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1 熔池凝固
3.1.1 熔池凝固的条件和特点
1.熔池凝固的条件: 晶核生成和晶核长大
2.熔池凝固的特点（相比较钢锭的差别）
（1）焊接熔池体积小，冷却速度高； 最大100g，平均4~100 ℃ /s，约为铸造的104。淬硬。裂纹。 （2）焊接熔池的液态金属处于过热状态 熔池1770±100℃; 钢锭<1550 ℃。烧损严重
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
4、焊接条件下的凝固（结晶）形态
(1)温度梯度及结晶速度的影响（基本趋势） 在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故 成分过冷接近与零，所以平面晶得到发展。向焊缝中心过渡时， 温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形态有平 面向胞状晶、树枝晶、等轴晶发展。
d)G<0时的界面结晶形态
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焊接冶金学--基本原理 2.固溶体合金的结晶形态
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
合金结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的固液相成分也不相 同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除 了由于实际温度造成的过冷外( 温度过冷)，还存在由于固液界 面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶随 过冷的不同晶体成长也不同。
2 y 2 z 1 2
薄板上自动焊：
q cos 1 A T M
2
K2 y 1 K2 y
1 2
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θ=0°,E’K=0,液相中存在悬浮质点和 某些现成表面。形核容易。 θ=180°,E’K=EK，只存在自发形核。 形核较难。 研究表明，焊接熔池结晶，非自发形核主导。
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焊接工艺参数与θ（0~90°）关系：(熔池半椭球体假设）
厚大件上快速堆焊：
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结晶形态主要决定于 合金中的 溶质的浓度C0、
C0 ％
等轴晶
树枝状晶
胞状树枝晶
结晶速度R和
液相中温度梯度G 的综合作用。
G / R 1/2 图3－28 C0、R和G对结晶形态的影响 胞状晶 平面晶
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焊接冶金学--基本原理 （3）、胞状树枝结晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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。
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焊接冶金学--基本原理 （4）、 树枝状结晶
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第2章 焊接化学冶金
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共需 4学时
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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
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3、成分过冷对结晶形态的影响
过冷度不同，就会使焊缝出现不同的形态，大致可以分五种结晶 形态。
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焊接冶金学--基本原理 （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 有成分过冷的情 况下。
关于θ： θ越小，湿润性越好， θ大小取决于新相晶核与现成表面之 间的表面张力。若结构相似，表面张力越小，θ越小，那么形 核需要能量越小。 这说明，在已有同一物质的固体表面形核所需能量最小，形核最 容易。 焊接条件下非自发形核： 熔合区加热到半熔融状态基本 金属的晶粒表面，并以柱状晶的 形态向焊缝中心成长，联生结晶 （起主要作用）。 合金元素或杂质（一般作用不 大）。如何细化晶粒？
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度很小。 特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。
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晶粒主轴成长方向与结晶等温面正 交，并以弯曲状向焊缝中心生长。
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
ds dx cos
ds dx cos dt dt
vc v cos
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
（3）熔池在运动状态下结晶 结晶前沿随热源同步运动 液态金属受到力的搅拌运动
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焊接冶金学--基本原理 3.1 熔池凝固
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
3.1.1 熔池凝固的条件和特点 3.1.2 熔池结晶的一般规律 3.1.3 熔池结晶速度和方向 3.1.4 熔池结晶的形态 3.1.5 焊缝金属的化学成份不均匀性
3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂 3.4 焊缝性能的控制 3.5 焊接熔合区
1、熔池中晶核的形成
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。
EK （1）自发形核：
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16 3 3 FK 2
б：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFK：单位体积内液固两相自由能之 差。
主要内容： 3.1熔池凝固 3.2焊缝固态相变 3.3焊缝中的气孔、夹杂
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第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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 加热— 焊接热过程 熔化— 焊接化学冶金过程 冶金反应— 焊缝结晶及焊接组织 结晶— 焊接热影响区的组织与性能 固态相变— 焊接裂纹 接头
3.1.4 熔池结晶的形态
符合 一般结晶理论，本课程仅分析焊接中的特色部分。
1、纯金属的结晶理论
（1） 正温度梯度 液相温度高于固相温度，且距界面越远，液相温度越高， 称为正温度梯度，G>0。纯金属焊缝凝固时，属于此类，是 平晶。 （2） 负温度梯度 当距界面越远液相的温度越低，称为负温度梯度，G<0。 由于过冷度大，晶体成长速度快，形成树枝状晶。
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度进一步增大。 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。
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焊接冶金学--基本原理 （5）、等轴晶
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
产生条件：过冷度大，温度梯度小。 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。
焊接冶金学--基本原理
第3章 熔池凝固和焊缝固态相变
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。 Ky=0，cosθ =1, θ=0°,Vc=V, 说明晶粒成长到接触X轴时， 晶粒成长的平均线速度等于焊接速度，且方向一致。 （2） 焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响 。 当焊接速度越大时，θ角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于 焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方 向越弯曲。