《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第四章

质点,通常情况下这种现成表面所起作用不大;另一种是熔合区附近加热到半 熔化状态的母材金属的晶粒表面,非自发晶核就依附在这个表面上,并以柱状 晶的形态向焊缝中心成长,形成所谓交互结晶,也称为联生结晶,如图4-3和图 4-4所示。
图4-3 熔合区母材半熔化晶粒上成长的柱状晶
图4-4 不锈钢自动焊时的交互结晶
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4.1 熔池凝固 4.1.1 熔池凝固的特点 4.1.2 熔池结晶的一般规律 4.1.3 熔池结晶的线速度 4.1.4 熔池结晶的形态 4.1.5 焊接接头的化学成分不均匀性
4.2 焊缝固态相变 4.2.1 低碳钢焊缝的固态相变 4.2.2 低合金钢焊缝的固态相变
4.3 焊缝性能的改善 4.3.1 焊缝金属的强化与韧化 4.3.2 改善焊缝性能的工艺措施
4.1.1 熔池凝固的特点
3.熔池中的液态金属处于过热状态 在电弧焊的条件下,对于低碳钢或低合金钢,熔池的平均温度可达 (1770±100)℃,而熔滴的温度更高,为(2300±200)℃。一般铸钢锭的温度很 少超过1550℃。因此,熔池中的液态金属处于过热状态。由于熔池液体金属 的过热程度较大,合金元素的烧损比较严重,使熔池中非自发晶核的质点大为 减少,这也是促使焊缝中柱状晶得到发展的原因之一。 4.熔池在运动状态下结晶 铸钢锭的结晶是在钢锭模中静态下进行结晶的,而一般熔焊时,熔池凝固 是随热源移动而进行的。在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的,如
4.1.1 熔池凝固的特点
焊接熔池的凝固与一般铸钢锭的凝固结晶不同,焊接熔池凝固的特点如下: 1.熔池的体积小、冷却速度快 在电弧焊的条件下,熔池的最大体积约为30cm3,熔池的质量在单丝埋弧焊时,最 大约为100g,而铸钢锭可达数吨以上。由于熔池的体积小,而周围又被冷金属所包 围,所以熔池的冷却速度很快,平均为4~100℃/s。而铸钢锭的平均冷却速度,根据尺 寸、形状的不同,为(3~150)×10-4℃/s。由此可见,熔池的平均冷却速度比铸钢锭的 平均冷却速度大104倍左右。因此,对于含碳量较高、合金元素较多的钢种容易产 生淬硬组织,甚至在焊道上产生裂纹。由于冷却速度很快,熔池中心和边缘有较大的 温度梯度,致使焊缝中的柱状晶能够迅速成长。所以,通常情况下电弧焊的焊缝中几 乎没有等轴晶。 2.半熔化状态的母材金属晶粒是熔池结晶的“模壁” 铸钢锭的结晶是从铸锭模壁开始形核及长大的。焊接熔池的凝固结晶,是从母 材半熔化晶粒开始生长的,它的“模壁”就是温度等于熔点的熔池等温面。
图4-2 非自发晶核的浸润角
4.1.2 熔池结晶的一般规律
试验研究证明,θ角的大小(图4-2)取决于新相晶核与现成表面之间的表
面张力。如果新相晶核与液相中原有现成表面固体粒子的晶体结构越相似,
也就是点阵类型与晶格常数相似,则两者之间的表面张力越小,θ角也越小,那
么形成非自发晶核的能量也越小。 在焊接条件下,熔池中存在两种现成表面:一种是合金元素或杂质的悬浮
式中 σ——新相与液相间的表面张力系数; ΔFv——单位体积内液-固两相自由能之差。
研究表明,在焊接熔池结晶中,非自发晶核起了主要作用。在液相金属中有非自 发晶核存在时,可以降低形成临界晶核所需的能量,使结晶易于进行。
在液相中形成非自发晶核所需的能量E'K为
4.1.2 熔池结晶的一般规律
式中 θ——非自发晶核的浸润角(见图4-2)。 由式(4-3)可见,当θ=0°时,EK=0,说明液相中有大量的悬浮质点和某些现成表面。 当θ=180°时,E'K=EK,说明液相中只存在自发晶核,不存在非自发晶核的现成表面。 由此可见,当θ=0°~180°时,E'K/EK=0~1,这就是说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。
4.1 熔池凝固
熔焊过程中,母材在高温热源的作用下发生了局部熔化,并且与熔化了 的焊丝金属混合,形成了熔池。在熔滴及熔池形成的过程中,进行了剧烈而 复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后,熔池金属逐渐冷却,当温度达到母 材的固相线时,熔池开始凝固结晶,最终形成了焊缝金属。
由于焊接过程处于非平衡的热力学状态,因此熔池金属在凝固过程中会 产生一些晶体缺陷。分析焊接时熔池的凝固过程,应讨论熔池凝固的特点、 熔池凝固的一般规律、熔池结晶的线速度、熔池结晶的形态等。
图4-1所示,在熔池的前半部abc进行熔化过程,而熔池的后半部cda进行凝固
过程。此外,在焊接条件下,气体的吹力、焊条的摆动以及熔池内部的气体外 逸,都会产生搅拌作用。这一点对于排除气体和夹杂是有利的,也有利于得到 致密而性能良好的焊缝。
4.1.1 熔池凝固的特点
图4-1 熔池在运动状态下结晶
4.1.2 熔池结晶的一般规律
4.1.2 熔池结晶的一般规律
2.熔池中晶核的长大 熔池中晶核形成之后,以这些新生的晶核为核心,不断向焊缝中成长。熔
池金属结晶开始于熔合区附近母材半熔化晶粒的现成表面。也就是说,熔池 金属开始结晶时,是从靠近熔合线处的母材上以联生结晶的形式长大起来的。 由于每个晶粒的长大趋势不尽相同,有的柱状晶迅速长大,一直可以成长到焊 缝中心;有的晶体却在长大时中途停止,不再继续成长;少数晶粒没有明显长大。
熔池金属的结晶与一般金属的结晶基本一样,同样也是形核和晶核长大的过程。 由于熔池凝固的特点,使得熔池结晶过程有着自身的规律。
1.熔池中晶核的形成 由金属学理论可知,生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低,进行 结晶过程的动力学条件是自由能降低的程度。这两个条件在焊接过程中都是具备 的。 根据结晶理论,晶核有两种:自发晶核和非自发晶核。但在液相中无论形成自发 晶核或非自发晶核都需要消耗一定的能量。在液相中形成自发晶核所需的能量EK 为
熔池凝固及固态相变过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的影响。 焊接过程中,由于熔池中的冶金反应和冷却条件的不同,可能得到组织性能 差异很大的接头。在熔池凝固过程中还可能会产生气孔、裂纹、夹杂、偏 析等缺欠,这些缺欠会严重影响焊缝金属的性能,以致成为发生失效事故的 隐患。在焊接熔池凝固以后的连续冷却过程中,焊缝金属将发生组织转变, 转变后的组织性能取决于焊缝的化学成分及冷却条件。因此,应当根据焊 接特点和具体的母材成分分析焊缝的固态相变。