[材料科学]第3章焊接接头组织和性能.ppt

第3章 焊接接头组织和性能 焊接过程中焊缝及母材金属发生一系列金属形态的变化，包括焊缝金属的凝固和结晶，母材与热影响区金属在焊接加热和冷却过程中的组织变化，以及与凝固结晶相变有密切关系的各种缺陷的形成，这些过程直接关系到焊后接头的性能，因此，研究接头各区的组织特征和形成机制，对于提高接头性能具有重要的指导意义。 3.1 焊接熔池和焊缝 3.2 焊接热影响区 3.3 熔合区 3.1 焊接熔池和焊缝 基本概念： 焊接熔池：由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域。 焊缝：焊接熔池凝固后形成的固态区域。 熔池的结晶行为（一次结晶）+焊缝金属的固态相变 →焊缝金属的组织和性能。 3.1.1 熔池的结晶特点 3.1.2 熔池的结晶形态 3.1.3 焊缝的固态相变组织 3.1.4 焊缝组织和性能的控制 3.1.1 熔池的结晶特点 1、非平衡的动态结晶 1）熔池体积小，冷却速度大 手工电弧焊V=2-10cm3，Vmax=30cm3 υ焊泠=4~100℃/s υ铸泠=（3~150）×10-4℃/S 约为铸造的104倍 由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶发达。 2）熔池过热、温度梯度大 熔池温度1770100℃ 溶滴2300℃±200 ℃ 铸件浇铸温度＜1500℃ 熔池体积小、温度高，边界的温度梯度很大，可比铸造大104倍 过热度大（烧损合金元素，自发晶核的质点减少）+大温度梯度→“柱状晶”发达 3）熔池在运动中结晶 熔池前部金属熔化，后部金属结晶。 焊接熔池所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之处有下述各点。 （1）焊接熔池即受焊接热源的加热作用，同时又受到固体金属的冷却作用； （2）焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所包围。焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝金属的加热程度小。 （3）焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等于焊接速度。 2、联生结晶和竞争长大 1）联生结晶（外延结晶）。 焊接熔池的凝固过程从熔池边界开始，是一种非自发（均质）形核。焊缝金属呈柱状晶形式由半熔化的母材晶粒向熔池生长，且与母材晶粒有相同的取向-联生结晶。 焊接热循环作用→母材晶粒粗化→焊缝柱状晶粗化。。 2）竞争长大（择优长大） （1）每一种晶体点阵都有一个最优结晶取向，沿这个方向结晶速度最快。 （2）与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度最大，是导热的最快方向。 （3）当母材的晶粒取向与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界，晶粒生产最快而优先长大。 3、结晶速度和方向动态变化 1）结晶速度的表达式 式中：R- 晶粒成长速度或结晶速度 v- 焊接速度 α- 结晶等温面法线方向与焊接方向夹角 β- 晶粒成长方向与焊接方向夹角 焊接熔池的外形就是液态金属结晶温度的等温面 2）成长速度和方向的变化（动态变化） α、β-晶粒成长方向角 （1）开始在熔池的两侧（边界），成长方向与焊接方向垂直，R≈0 （2）晶粒成长到熔池中心时，成长方向与焊接方向一致，R≈v 3）焊接速度对成长方向和速度的影响 （1）焊接速度改变温度场的形状（熔池的形状） （2）焊接速度↑↑，熔池变得细长→定向晶 （3）焊接速度↓，熔池呈椭圆形→偏向晶 （4）焊接速度↑，结晶速度↑ （5）结晶速度随结晶潜热和热源作用周期的变化而变化 3.1.2 焊接熔池的结晶形态（一次结晶） 一次结晶后的固态焊缝，主要有两种晶粒： 柱状晶和少量的等轴晶 柱状晶：平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶 等轴晶：通过树枝状晶形成。 1、熔池结晶的典型形态 1）结晶的必要条件。过冷是金属结晶的必要条件：即液态金属必须冷却到理论熔点Tm之下。 过冷：a 热过冷（温度过冷）；b 成分过冷 注意两者的区别 纯金属：热过冷结晶：结晶形态（平面晶和树枝晶） 依据固-液界面的温度梯度G。 合金：主要靠成分过冷结晶 2）成分过冷对结晶形态的影响 （1）成分过冷的概念。 固-液界面成分起伏造成的过冷—成分过冷。 与纯金属不同，合金的熔点（液相线）虽成分的变化而变化。 （2）成分过冷与结晶形态的关系 ①平面晶 ②胞状晶 ③胞状树枝晶 ④树枝晶 ⑤等轴晶 （3）成分过冷的影响因素 W、R、G： （4）焊缝中结晶组织分布 3.1.3 焊缝的相变组织 对具有同素异构转变的焊缝金属，熔池一次结晶后→焊缝金属→相变（二次相变）→相变组织（焊缝金属的最终组织） 相变组织：由焊缝金属的化学成分、冷却条件决定。 讨论低碳钢、低合金钢焊缝的相变组织。 1、低碳钢焊缝金属的组织 （1）F+P 影响因素 a C：C↑，P↑ b V冷：V冷↑， P↑ c P↑，HV↑ d 再热作用。