第07講 金屬的凝固(3).ppt

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1、第二章金屬的凝固第07講130上講回顧焊條的加熱與熔化焊條金屬的過(guò)渡特性熔池的形狀和尺寸熔池中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)熔池凝固的特殊性230二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律焊接時(shí)，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時(shí)鋼錠的結(jié)晶一樣，也是在過(guò)冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長(zhǎng)大的結(jié)晶過(guò)程。生核熱力學(xué)條件：是過(guò)冷度而造成的自由能降低；生核的動(dòng)力學(xué)條件：是自由能降低的程度。結(jié)晶過(guò)程就是由晶核的產(chǎn)生和成長(zhǎng)兩個(gè)基本過(guò)程所組成。3301.熔池中晶核的形成熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。形成兩種晶核都需要能量⑴自發(fā)晶核自發(fā)臨界晶核所需的能量EK表達(dá)式：σ：新相與液相間的表面張力系數(shù)；ΔFv：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)液固兩相自由能之差。

2、430⑵非自發(fā)形核θ：非自發(fā)晶核的浸潤(rùn)角（圖2-19）θ=0℃，EK'=0θ=180℃，EK'=EK圖2-19非自發(fā)晶核的浸潤(rùn)角研究表明：對(duì)于熔池結(jié)晶來(lái)講，非自發(fā)晶核起主要作用。530焊接時(shí)存在兩種非自發(fā)晶核質(zhì)點(diǎn)：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)，作用不大。一種是現(xiàn)成表面，熔池邊界（熔合區(qū)），處于半熔化的母材晶粒表面為新相晶核的“基地”，圖2-20所示。圖2-20熔合區(qū)母材晶粒上成長(zhǎng)的柱狀晶焊接時(shí)，通常加入一定量的合金元素，可以作為熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)，從而使焊縫金屬細(xì)化。6302．熔池中晶核的長(zhǎng)大原子由液相不斷地向固相轉(zhuǎn)移，晶核的成長(zhǎng)是通過(guò)二維成核方式長(zhǎng)大，但并不是齊步前進(jìn)，長(zhǎng)大趨勢(shì)不同，

3、有的一直向焊縫中部發(fā)展；有的只長(zhǎng)大很短距離就被抑制停止長(zhǎng)大。當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向相一致，最有利長(zhǎng)大。晶核的成長(zhǎng)是一個(gè)原子厚度從液相中吸收原子集團(tuán)來(lái)進(jìn)行的,并連續(xù)不斷地吸附在晶體表面的小臺(tái)階處而迅速長(zhǎng)大。730焊接熔池邊界正是固液相的相界面，熔池邊界的部分熔化的母材晶粒表面完全可能成為新相晶核的“基底”，非均勻生核，焊縫金屬呈柱狀晶形式與母材相聯(lián)系，好似母材晶粒外延長(zhǎng)大。這種依附于母材晶?，F(xiàn)成表面而形成共同晶粒的凝固方式，稱為聯(lián)生結(jié)晶或交互結(jié)晶。圖2-21外延結(jié)晶示意圖830三、熔池凝固線速度焊接熔池凝固晶粒主軸的成長(zhǎng)方向與熔池凝固等溫面正交，并以彎曲的形狀向焊縫中心成長(zhǎng)。從圖2-

4、22可以看出，任一晶粒主軸，在任一點(diǎn)A的成長(zhǎng)方向是A點(diǎn)的切線(S—S線)。此方向與x軸之間的夾角為θ。R=vcosθ圖2-22晶粒長(zhǎng)大線速度分析圖930①晶粒的平均線速度是變化的晶粒主軸是彎曲的，在熔合線附近，θ=90°，R=0°；而在熔池中心θ=0°，則R=υ。這就是說(shuō)，從熔合線開(kāi)始到熔池中心部分，θ角自90°變到0°，而R自0變到焊接速度。在熔合線上晶粒成長(zhǎng)的平均線速度最小，而在焊縫中心部位最大。②焊接工藝參數(shù)焊接速度↑，cosθ=R/υ≈0，θ≈90°，晶粒成長(zhǎng)主軸的方向就近似垂直于焊縫熔合線。焊接速度↓，晶粒成長(zhǎng)主軸的方向越彎曲。1030四、焊縫中的化學(xué)不均勻性在熔池凝固過(guò)程中，由于

5、冷卻速度很快，合金元素來(lái)不及擴(kuò)散均勻，會(huì)出現(xiàn)所謂偏析現(xiàn)象。（1）顯微偏析焊縫金屬在凝固過(guò)程中，先凝固的固相含溶質(zhì)濃度較低，后凝固的固相含溶質(zhì)濃度較高，并富集了許多雜質(zhì)，可以通過(guò)微觀分析方法檢測(cè)出來(lái)，故稱為顯微偏析。利用電子探針測(cè)定溶質(zhì)原子在晶界和晶內(nèi)的分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)在焊縫的晶界、晶內(nèi)的亞晶界和樹(shù)枝晶之間，都存在不同程度的顯微偏析。1130（2）區(qū)域偏析在焊縫凝固時(shí)，由于柱狀晶不斷長(zhǎng)大推移，把溶質(zhì)和雜質(zhì)推向熔池的中心部位，使最后凝固部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。在焊速較大時(shí)，成長(zhǎng)的柱狀晶最后都在焊縫中心附近相遇，使焊縫中心出現(xiàn)溶質(zhì)和雜質(zhì)的偏析，在應(yīng)力作用下，將會(huì)導(dǎo)致焊縫縱向裂紋的產(chǎn)生。1230（3）

6、層狀偏析由于在熔池凝固中放出的凝固潛熱和高溫熔滴的過(guò)渡周期性的變化，使得凝固界面的液體金屬成分也發(fā)生周期性的變化，因而造成了所謂層狀偏析，如圖2-23所示。層狀偏析常集中一些有害的元素，如碳、硫、磷等，因而容易在偏析層出現(xiàn)焊接缺陷，如圖2-24所示的為層狀偏析造成的氣孔。1330圖2-23焊縫的層狀扁析（a）手弧焊（b）電子束焊圖2-24層狀扁析與氣孔（a）熔池的橫斷面（b）熔池的縱斷面14302.4.2焊縫組織1、焊接條件下的凝固形態(tài)由于熔池各部位成分過(guò)冷不同，凝固形態(tài)也有所不同，圖2-25示意地表示了焊縫凝固形態(tài)的變化過(guò)程。圖2-25焊縫結(jié)晶形態(tài)的變化1—平面晶2—胞狀晶3—樹(shù)枝柱狀晶4

7、—等軸晶153016301730實(shí)際焊縫中，由于化學(xué)成分、板厚和接頭形式不同，不一定具有上述全部凝固形態(tài)。此外焊接工藝參數(shù)對(duì)凝固形態(tài)也有很大影響。例如：焊接速度增大時(shí)，在焊縫中心往往容易出現(xiàn)大量的等軸晶；在焊接速度較低時(shí)，主要是胞狀樹(shù)枝晶。焊接電流較小時(shí)，主要是胞狀晶；焊接電流較大時(shí)，主要是粗大的胞狀樹(shù)枝晶。18302、凝固形態(tài)對(duì)性能的影響粗大的柱狀晶會(huì)降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。圖2-26所示為低碳鋼堿性焊條