第三章熔池凝固和焊缝固态相变

1、第三章第三章 熔池凝固和焊缝固态相变熔池凝固和焊缝固态相变1主要内容主要内容第一节第一节 熔池凝固熔池凝固第二节第二节 焊缝金属的一次结晶组织焊缝金属的一次结晶组织第三节第三节 焊缝固态相变焊缝固态相变第四节第四节 焊缝中的气孔和夹杂焊缝中的气孔和夹杂2熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程的研究目的：熔池凝固过程对焊缝金属的熔池凝固过程对焊缝金属的组织、性能组织、性能具有重要影响。具有重要影响。焊接工程中，由于熔池焊接工程中，由于熔池 中的中的冶金条件和冷却条件冶金条件和冷却条件不同，可得到性能不同，可得到性能差异很大的差异很大的组织组织。同时有许多同时有许多缺陷缺陷是在熔池凝固的过程中产生的

2、，如气孔、夹杂、偏析是在熔池凝固的过程中产生的，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等。和结晶裂纹等。另一方面，焊接过程是处于另一方面，焊接过程是处于非平衡的热力学条件非平衡的热力学条件，因此熔池金属在凝，因此熔池金属在凝固过程中会产生许多固过程中会产生许多晶体缺陷晶体缺陷，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺，如点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属陷（位错）和面缺陷（界面）。这些缺陷的发展严重影响焊缝的金属的性能。的性能。3熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了焊丝金属搅拌混生局部熔化，并与熔化

3、了焊丝金属搅拌混合而形成合而形成焊接熔池焊接熔池（Weld Pool）。）。与此同时，进行了短暂而复杂的与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝凝固固（结晶），如图（结晶），如图3-1。第一节第一节 熔池凝固熔池凝固一、熔池的凝固条件和特点一、熔池的凝固条件和特点结晶过程：晶核生成、晶核长大结晶过程：晶核生成、晶核长大1.熔池的体积小、冷却速度大熔池的体积小、冷却速度大 含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生含碳高、合金元素较多的钢种，容易产生淬硬组织淬硬组织，甚至焊道上，甚至焊道上产生裂纹产生裂纹 熔池中心和边缘有较大

4、的温度梯度，致使焊缝中柱状晶得到很大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）。等轴晶（电渣焊除外）。2.熔池中的液态金属处于过热状态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）。（柱状晶的形成原因之一）。3.熔池是在运动状态下结晶（如图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

5、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。利于得到致密而性能好的焊缝。4二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律1.熔池中晶核的形成熔池中晶核的形成自发形核自发形核所需能量：所需能量：其中：其中：新相新相-液相的界面张力液相的界面张力 Fv单位体积内固液两相自由能之差单位体积内固液两相自由能之差非自发形核所需能量：非自发形核所需能量： =0 Ek =0 液相中有大量的悬浮质点和现成表面。液相中有大量的悬浮质点和现成表面。 =180Ek =

6、Ek全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。全自发形核，不存在非自发晶核的现成表面。 = 0 180时，时，Ek / Ek=01，说明在液相中有现成表面存在时，将会，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。降低形成临界晶核所需的能量。23316vkFE)4cos3cos32(3kkEE5二、熔池结晶的一般规律二、熔池结晶的一般规律角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与角的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新核与液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常液相中的原有表面固体粒子的晶体结构越相似（即点阵类型与晶格常数相似），

7、则二者之间的表面张力越小，数相似），则二者之间的表面张力越小， 角也越小，那么自发非自角也越小，那么自发非自发晶核的能量也越小。发晶核的能量也越小。 因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。因此，对于焊接熔池来讲，非自发晶核起了主要作用。6熔池中的现成表面熔池中的现成表面 合金元素或杂质的合金元素或杂质的悬浮质点悬浮质点（在一般情况下所起作用不大）（在一般情况下所起作用不大） 熔合区附近加热到熔合区附近加热到半熔化半熔化状态的基体金属晶粒表面，非自发晶核状态的基体金属晶粒表面，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，形成就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中

8、心成长，形成所谓所谓交互结晶交互结晶（或称（或称联生结晶联生结晶），如图），如图3-4、3-5所示。所示。 焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如金元素（如钼、钒、钛、铌钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池等），可以作为熔池中非自发形核的中非自发形核的质点质点，从而使焊缝金属，从而使焊缝金属晶粒细化晶粒细化。72.熔池中的晶核长大熔池中的晶核长大 熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断熔池中晶核形成之后，就以这些新生的晶核为核心，不断向焊缝中心成长。但是，长大的趋势各不相同，有的柱状向焊缝中心成长。但是

9、，长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。成长到半途而停止。 晶粒由为数众多的晶粒由为数众多的晶胞晶胞组成，在一个晶粒内部这些晶胞具组成，在一个晶粒内部这些晶胞具有相同的方位，称为有相同的方位，称为“位向位向”。不同的晶粒具有不同的位。不同的晶粒具有不同的位向，称为向，称为各向异性各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒就最易。因此，在某一个方向上的晶粒就最易长大。此外，长大。此外，散热的方向散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。对晶粒的长大也有很大的影响。8 当晶体的最易长大方向与最大温度梯

10、度方向（最快散热方当晶体的最易长大方向与最大温度梯度方向（最快散热方向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形向）相一致时，可优先成长，可一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。成粗大的柱状晶体。 有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一致，这时晶粒的成长就停止下来。致，这时晶粒的成长就停止下来。 以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图以上称之为焊缝中柱状晶体的选择长大，如图3-6。9三、熔池结晶的线速度三、熔池结晶的线速度熔池的熔池的结晶方向和结晶速度结晶方向和结晶速度对焊对焊接质量有很大的影响，特别是对接质量有很大的影响

11、，特别是对裂纹、夹杂、气孔裂纹、夹杂、气孔等缺陷的形成等缺陷的形成影响更大。影响更大。焊接熔池的外形为椭球状的曲面焊接熔池的外形为椭球状的曲面，即结晶的等温面，熔池的散热，即结晶的等温面，熔池的散热方向是垂直于结晶等温面的，因方向是垂直于结晶等温面的，因此，晶粒的成长方向也是垂直于此，晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面的。结晶等温面的。由于结晶等温面是曲面，因此晶由于结晶等温面是曲面，因此晶粒成长的主轴必然是弯曲的。粒成长的主轴必然是弯曲的。如图如图3-7所示，晶粒主轴的成长方所示，晶粒主轴的成长方向与结晶等温面正交，并且以弯向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝中心成长。曲的形状向焊缝中

12、心成长。101.晶粒主轴生长的线速度晶粒主轴生长的线速度(Vc)分析分析晶粒生长的线速度分析图（如图晶粒生长的线速度分析图（如图3-8）在在dt内，当结晶等温面由内，当结晶等温面由AB时，变化的距离为时，变化的距离为dx，则，则dx/dt=V（焊接速度），此时该晶粒生长由（焊接速度），此时该晶粒生长由AC，变化距离为，变化距离为ds，则，则ds/dt=Vc，当，当dt0时，时，BC垂直于垂直于AC，即：，即： cos取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状取决于焊接规范和材料的热物理性质及形状coscosVVdtdxdtdsc即：11cos值的确定值的确定 厚大件：厚大件： 薄件：薄件：对对Vc

13、的讨论的讨论 =0 时，时，Vc=V（焊缝中心线）（焊缝中心线） =90 时，时，Vc=0（熔合线，焊缝边界）（熔合线，焊缝边界）即晶粒生长速度是变化的即晶粒生长速度是变化的 V，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合，生长越垂直于焊缝中心，易形成脆弱的结合线，产生纵向裂纹线，产生纵向裂纹 VVc，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速，所以焊易裂材料时，不能用大的焊速12212222)1(1coszyzyMkkkkTaqvA21222)1()(1cosyyMkkTqA13四、熔池结晶的形态四、熔池结晶的形态1.分类分类 结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散热条件结晶形态的不同，是由于金属的纯度和散

14、热条件的不同所致。的不同所致。2.纯金属的结晶形态（如图纯金属的结晶形态（如图3-16） 正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要）正的温度梯度：平面晶，生长缓慢（主要） 负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝负的温度梯度：生长速度快，除主轴外，还有分枝，生成树枝晶（较少），生成树枝晶（较少）14等轴晶（树枝晶）树枝晶胞状晶平面晶柱状晶形态3.固溶体的结晶形态（如固溶体的结晶形态（如图图3-16b)、d)） 温度过冷：结晶潜热温度过冷：结晶潜热所致固相前部温度高，所致固相前部温度高，液相温度低液相温度低 成分过冷：先结晶温成分过冷：先结晶温度高，后结晶温度低，度高，后结晶温度低，快速结晶时，

15、易出现树快速结晶时，易出现树枝晶枝晶153.成分过冷对结晶形态的影响成分过冷对结晶形态的影响 平面结晶（如图平面结晶（如图3-24） GT 胞状结晶（如图胞状结晶（如图3-25） G与与T少量相交少量相交 胞状树枝结晶（如图胞状树枝结晶（如图3-26）G与与T相交较大，晶相交较大，晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故横向也出粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故横向也出现分枝现分枝 树枝状结晶（如图树枝状结晶（如图3-27） 当成分过冷进一步增大当成分过冷进一步增大，树枝晶显著，树枝晶显著 等轴结晶（如图等轴结晶（如图3-28） 液相成分过冷区很宽，液相成分过冷区很宽，不仅在前沿生成树枝晶

16、，内部也形成树枝晶不仅在前沿生成树枝晶，内部也形成树枝晶等轴晶等轴晶1617 温度梯度温度梯度G 实际结晶温度实际结晶温度T，无，无成分过冷，平面晶，高纯度的金属成分过冷，平面晶，高纯度的金属18 G与与T少量相交，具有较小的成分过冷少量相交，具有较小的成分过冷19 G与与T相交较大，具有较大的成分过冷区域相交较大，具有较大的成分过冷区域晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故晶粒主轴快速伸向液相内部，横向排溶质，故横向也出现分枝。横向也出现分枝。20 当成分过冷进一步增大，即温度梯度当成分过冷进一步增大，即温度梯度G与与实际结晶温度相交的面积很大时，形成明显的实际结晶温度相交的面积很大时，形

17、成明显的树枝晶。树枝晶。21 当液相的温度梯度当液相的温度梯度G很小，能在液相中形很小，能在液相中形成很宽的成分过冷区，不仅在结晶前沿生成树成很宽的成分过冷区，不仅在结晶前沿生成树枝晶，同时液相的内部也形成树枝晶枝晶，同时液相的内部也形成树枝晶等轴晶等轴晶综合（如图综合（如图3-28）结晶形态的不同，主要决定于结晶形态的不同，主要决定于合金中溶质合金中溶质的浓度（杂质）的浓度（杂质）C0、结晶速度（或晶粒长、结晶速度（或晶粒长大速度）大速度）R和液相的温度梯度的综合作用和液相的温度梯度的综合作用。 当结晶速度当结晶速度R和温度梯度和温度梯度G不变时，随不变时，随合金中合金中溶质浓度的提高溶质浓

18、度的提高，则成分过冷增，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等晶、胞状树枝晶、树枝状晶、最后到等轴晶轴晶 当合金中溶质的浓度当合金中溶质的浓度C0和温度梯度一定和温度梯度一定时，时，结晶速度结晶速度R越快越快，成分过冷的程度，成分过冷的程度越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞越大，结晶形态也可由平面晶过渡到胞状晶、树枝状晶，最后到等轴晶状晶、树枝状晶，最后到等轴晶 当合金中溶质浓度当合金中溶质浓度C0和结晶速度和结晶速度R一定一定时，随时，随液相温度梯度的提高液相温度梯度的提高，成分过冷，成分过冷的程度减小，因而结晶形态

19、的演变方向的程度减小，因而结晶形态的演变方向恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变恰好相反，由等轴晶、树枝晶逐步演变到平面晶到平面晶220001kDkCmRGLLL23 焊缝各部位结晶形态的变化焊缝各部位结晶形态的变化 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，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状布不同，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。晶、树枝状晶、等轴晶。24实际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的组织形态不一定实际焊缝凝固金属的组织形态不一定具有上述全部结晶形态

20、，一般来说由具有上述全部结晶形态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。柱状晶和少量等轴晶构成。 柱状晶柱状晶+少量等轴晶少量等轴晶 柱状晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝内：平面晶、胞状晶、树枝状晶状晶 等轴晶等轴晶内：树枝晶内：树枝晶25 焊条电弧焊接凝固组织焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢钢26 埋弧焊接凝固组织埋弧焊接凝固组织Q235A钢钢五、焊缝的化学成分不均匀性五、焊缝的化学成分不均匀性1.焊缝焊缝中的化学成分不均匀性中的化学成分不均匀性显微偏析：显微偏析： 先结晶的先结晶的合金溶质浓度合金溶质浓度C0低，后结晶的合金溶质浓度低，后结晶的合金溶质浓度C0高，即晶粒中心高

21、，即晶粒中心C0高，边缘低高，边缘低 原因：原因：冷却速度快冷却速度快，来不及均匀化，来不及均匀化 要求要求细晶化细晶化，降低偏析，降低偏析区域偏析区域偏析 焊缝中心部位聚集较多低熔点杂质焊缝中心部位聚集较多低熔点杂质，柱状晶结晶柱状晶结晶的结的结果果层状偏析层状偏析 结晶（熔滴过渡）的结晶（熔滴过渡）的周期性周期性所致所致272.熔合区熔合区的化学成分不均匀性的化学成分不均匀性熔合区的形成熔合区的形成 母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区域母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区域 熔合区熔化不均（传热、半熔化晶粒散热不均匀）熔合区熔化不均（传热、半熔化晶粒散热不均匀）熔合区宽度

22、（熔合区宽度（P131）28）度（被焊金属的固相线温）度（被焊金属的液相线温）温度梯度（）熔合区的宽度（CTCT/CYTmm)(SLmmAYTTTASL熔合区成分分布（如图熔合区成分分布（如图3-39) 溶质在液相中的溶解度溶质在液相中的溶解度 在固相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相浓度故：固相浓度 界面界面液相浓度液相浓度C0 C C0 C0 + C 分配取决于扩散系数和分配系数，特别是分配取决于扩散系数和分配系数，特别是S、P、C、B、O、N等等 熔合区还存在熔合区还存在物理不均匀物理不均匀（组织、性能）（组织、性能） 焊接接头的薄弱部位焊接接头的薄弱部位29第二节第二节 焊缝金属的一

23、次结晶组织焊缝金属的一次结晶组织一、焊接条件下的凝固结晶形态一、焊接条件下的凝固结晶形态1.理论上理论上 熔合线处：熔合线处：G最大、最大、R最小最小平面晶平面晶 焊缝中心处：焊缝中心处：G最小、最小、R最大最大等轴晶等轴晶2.实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关）实际上（不一定全部形态都出现，与许多因素有关） 成分成分：溶质浓度：溶质浓度C0对成分过冷的影响对成分过冷的影响 板厚和接头形式：影响温度梯度板厚和接头形式：影响温度梯度 焊接速度焊接速度 VR,熔合线处熔合线处G,焊缝中心处焊缝中心处G出现出现大量等轴晶大量等轴晶（否则（否则出现胞状晶或树枝晶）出现胞状晶或树枝晶） 焊接电

24、流焊接电流 IG,胞状晶胞状晶粗大胞状树枝状晶粗大胞状树枝状晶3031 钨极氩弧焊接凝固组织钨极氩弧焊接凝固组织纯度为纯度为99.99%的铝焊缝的铝焊缝-a）：）：平面晶平面晶-胞状晶胞状晶纯度为纯度为99.6%的铝焊缝的铝焊缝-b）、）、c）：）：胞状树枝晶胞状树枝晶-等轴晶等轴晶32焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响p焊接速度的影响焊接速度的影响 VR成分过冷成分过冷等轴晶等轴晶胞状树枝晶胞状树枝晶33焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接电流焊接电流 IG成分过冷成分过冷粗胞状树粗胞状树枝晶枝晶胞状晶胞状晶胞状树枝晶胞状树枝晶二

25、、凝固组织形态对性能的影响二、凝固组织形态对性能的影响 生成生成粗大的树枝状晶粗大的树枝状晶，韧性降低，对气孔、夹杂、热，韧性降低，对气孔、夹杂、热裂都有影响裂都有影响 消除消除粗大的树枝晶粗大的树枝晶三、焊缝金属的性能的改善措施三、焊缝金属的性能的改善措施1.固溶强化和变质处理固溶强化和变质处理 加入加入Mo、V、Ti、Zr、Al、B、N、稀土、稀土Te等等2.振动结晶振动结晶 机械振动、高频超声振动、电磁振动机械振动、高频超声振动、电磁振动3.焊接工艺焊接工艺 焊后热处理、多层焊（层间回火）、锤击、跟踪回火焊后热处理、多层焊（层间回火）、锤击、跟踪回火等等34第三节第三节 焊缝固态相变焊缝

26、固态相变完全凝固完全凝固之后，在连续冷却过程中，对于之后，在连续冷却过程中，对于钢铁材料将发生钢铁材料将发生组织转变组织转变，转变后的组织转变后的组织是根据焊缝的是根据焊缝的化学成分化学成分和和冷却条件冷却条件而定的而定的。一、低碳钢焊缝一、低碳钢焊缝 组织特征：组织特征：F（白色）（白色）+少量少量P，A晶晶界析出界析出F，有时，有时F呈魏氏组织形态呈魏氏组织形态 魏氏组织特征：过热组织，铁素体在魏氏组织特征：过热组织，铁素体在奥氏体奥氏体晶界晶界呈呈网状析出网状析出，也可从奥氏，也可从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出，具有长体晶粒内部沿一定方向析出，具有长短不一的短不一的针状或片条状针状或片条

27、状，可直接插入，可直接插入珠光体晶粒之中，一般经珠光体晶粒之中，一般经A3点以上点以上2030正火后，柱状晶可消除。正火后，柱状晶可消除。 冷速不同，组织不同冷速不同，组织不同：冷速增加，：冷速增加，P增多，增多，F减少，硬度升高减少，硬度升高35魏氏组织二、低合金钢的固态相变二、低合金钢的固态相变1.总的来说，以总的来说，以F+P为主为主，有时，有时出现出现B及及M，具体是，具体是否出现则与否出现则与焊材及工艺焊材及工艺有关（成分、冷速）有关（成分、冷速）2.铁素体（铁素体（F）转变（）转变（Firrite，F）转变）转变粒界粒界F（高温转变（高温转变770680）：为先共析）：为先共析F,

28、由奥氏体晶界析出向由奥氏体晶界析出向晶内生长，呈块状晶内生长，呈块状侧板条侧板条F（700550）：由奥氏体晶界形核，以板条状向晶内生）：由奥氏体晶界形核，以板条状向晶内生长（由于长（由于F形成温度较低，形成温度较低，F内含碳极低，故又称为无碳贝氏体）内含碳极低，故又称为无碳贝氏体）针状针状F（500附近）：大都非自发形核，在奥氏体内形成附近）：大都非自发形核，在奥氏体内形成细晶细晶F （500以下）以下） ：奥氏体晶内形成，有细化晶粒元素（：奥氏体晶内形成，有细化晶粒元素（Ti、B）出现时，晶界有）出现时，晶界有Fe3C出现，接近上贝氏体出现，接近上贝氏体3637焊缝中铁素体的类型（1）先共

29、析铁素体（）先共析铁素体（Pro-eutectoid Ferrite， 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,又称为粒界铁素体（又称为粒界铁素体（Grain Boundary Ferrite, GBF)v形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状v性能特点：使韧性下降（低屈服点）性能特点：使韧性下降（低屈服点）条状块状38（2）侧板条铁素体（）侧板条铁素体（Ferrite Side Plate， FSP）v温度：温度：700-550 v位置：从晶界铁素体侧面向晶内生长位置：从晶界铁素体侧面向晶内生长v形状：板条状，形态如镐牙状形状：板条状，形态如镐

30、牙状v性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降39（3）针状铁素体（）针状铁素体（Acicular Ferrite ，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：韧性好性能特点：韧性好40（4）细晶铁素体（）细晶铁素体（Fine Grain Ferrite ，FGF）v温度：温度：500 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：存在细化晶粒的元条件：存在细化晶粒的元素（素（Ti，B等）等）v性能特点：韧性好性能特点：韧性好晶内白色块状为晶内白色

31、块状为FGF41随着合金化程度的随着合金化程度的提高，提高，AF组织增多组织增多的同时，焊缝强度的同时，焊缝强度也随之提高。也随之提高。AF增增多，有利于多，有利于改善韧改善韧性性。42433.珠光体（珠光体（P）转变（）转变（Pearite，P）（Ar1550）热处理平衡状态热处理平衡状态 珠光体转变珠光体转变Ar-550 Ar-550 ， C C、FeFe原子扩散比较容易原子扩散比较容易。珠光体转变为扩散型相变。（。珠光体转变为扩散型相变。（P P是是F F和和FeFe3 3C C的层的层状混合物领先相状混合物领先相FeFe3 3C C）焊接状态焊接状态, ,非平衡转变，得到非平衡转变，得

32、到P P量少，珠光体转变量量少，珠光体转变量小。若添加小。若添加B B 、TiTi合金元素，合金元素，P P转变全部被抑制。转变全部被抑制。一般情况不出现一般情况不出现P，只有在缓冷时，才会出现片状或粒，只有在缓冷时，才会出现片状或粒状的珠光体状的珠光体原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，原因：焊接过程是一个不平衡过程，冷却速度快，C扩扩散受到抑制，很难出现散受到抑制，很难出现F/Fe3C片状结构片状结构4445P+F粒P+AF464.贝氏体（贝氏体（B）转变（）转变（Bainite，B）（中温转变（中温转变550Ms）上贝氏体（上贝氏体（B上上）转变）转变 形成温度：形成温度：550

33、450 形态：羽毛状形态：羽毛状 形成机理：扩散形成机理：扩散下贝氏体（下贝氏体（B下下）转变）转变 转变温度：转变温度：450MS 形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与针之间呈一定的形态：针状铁素体和针状渗碳体机械混合，针与针之间呈一定的角度角度 形成机理：扩散形成机理：扩散粒状贝氏体（粒状贝氏体（B粒粒） 形成温度高于上贝氏体形成温度高于上贝氏体 形态：无碳铁素体包围着富碳物质形态：无碳铁素体包围着富碳物质 转变产物：转变产物：F + Cm、M-A组织或残余奥氏体组织或残余奥氏体474849中温转变，中温转变， 550 Ms（1）上贝氏体）上贝氏体 (Upper Bainite， B

34、u)v温度：温度：550-450 ；v位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出v形态：呈羽毛状，平行的条状形态：呈羽毛状，平行的条状铁素体之间分布有渗碳体铁素体之间分布有渗碳体v性能特点：韧性较差（小条状性能特点：韧性较差（小条状Fe3C分割了基体的连续性）分割了基体的连续性）50（2）下贝氏体）下贝氏体 （Lower Bainite ，BL）v温度：温度：450 -Msv形态：针状铁素体和形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混针状渗碳体的机械混合物合物v性能特点：强度和韧性能特点：强度和韧性都较好性都较好51（3）粒状贝氏体）粒状贝氏体 (Grain Bainite， BG) MA组元（组

35、元（Constitution M-A) 在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。富些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。富碳马氏体和残余奥氏体碳马氏体和残余奥氏体,硬度高。硬度高。 在块状铁素体上的组元以粒状分布时，即为在块状铁素体上的组元以粒状分布时，即为“粒状粒状贝氏体贝氏体”。5.马氏体马氏体(M)转变（转变（Martensite，M）（Ms以下）以下）低碳马氏体（板条马氏

36、体）低碳马氏体（板条马氏体） 转变温度：转变温度：MS温度以下温度以下 形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条，形态：在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条，条与条之间有一定的交角条与条之间有一定的交角 形成机理：位错形成机理：位错高碳马氏体（片状马氏体）高碳马氏体（片状马氏体） 形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使形态：马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍以后形成的马氏体片受到阻碍 形成机理：孪晶形成机理：孪晶5253当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条件下，冷却到件下，冷却到s以下，将发生

37、马氏体转变。以下，将发生马氏体转变。（1）板条马氏体（）板条马氏体（Lath Martensite）、低碳马氏体、位）、低碳马氏体、位错型马氏体错型马氏体 v低碳低合金钢低碳低合金钢v奥氏体内部奥氏体内部v细条状细条状v综合性能指标在马氏体中最好综合性能指标在马氏体中最好54（2）片状马氏体（）片状马氏体（Plate Martensite）、高碳马氏体、孪）、高碳马氏体、孪晶马氏体晶马氏体 v焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于0.4%v粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部v硬度高而脆硬度高而脆555657焊缝金属连续冷却组织转变图焊缝金属连续冷却组织转变图（WMCCT图）图）

38、 WM-CCT图对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能图对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要意义。具有重要意义。58三、焊缝金属性能的控制三、焊缝金属性能的控制影响焊缝性能的因素影响焊缝性能的因素 结晶形态与组织的影响结晶形态与组织的影响 化学成分的影响化学成分的影响 焊接缺陷的影响焊接缺陷的影响59固溶强化固溶强化p加入碳、锰、硅、铬、镍、钼等，均有固溶强化的加入碳、锰、硅、铬、镍、钼等，均有固溶强化的作用。作用。细晶强化细晶强化p加入钛、铌、硼、铝、铬、镍、稀土等，可细化晶加入钛、铌、硼、铝、铬、镍、稀土等，可细化晶粒，提高强度。粒，提高强度。沉淀强化沉淀强化p加入碳、氮化物形成元素。加

39、入碳、氮化物形成元素。相变强化相变强化p加入合金元素，改变相变组织。加入合金元素，改变相变组织。（一）焊缝合金化与变质处理（一）焊缝合金化与变质处理601. 优化合金成分优化合金成分（1）严格限制有害的杂质元素：）严格限制有害的杂质元素：S、P、N、O和和H；（2）通过合金元素来提高焊缝韧性）通过合金元素来提高焊缝韧性 促使高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止促使高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大；奥氏体晶粒长大； 降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成； 在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在在奥氏体内形成铁素体形核核心

40、，促使奥氏体在500-550温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素体；体晶界形成侧板条铁素体； 防止防止M-A组元的形成；组元的形成； 防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；（二）焊缝金属韧化的途径（二）焊缝金属韧化的途径61（3）配置多种微量合金元素，则）配置多种微量合金元素，则可能在大幅度地提高焊缝金属的可能在大幅度地提高焊缝金属的强度的同时提高韧性和抗裂性。强度的同时提高韧性和抗裂性。Mn和和Sip最为常用的强化焊缝的元素最为常用的强化焊缝的元素p例如低合金钢（例如低合金钢（C:0.1

41、0-0.13%）埋弧焊时，）埋弧焊时，Mn、Si分别处于分别处于0.81.0%和和0.10.25%时，可以得到细时，可以得到细晶铁素体和针状铁素体，具晶铁素体和针状铁素体，具有较好的韧性。有较好的韧性。Mn和和Si对低合金钢焊缝韧性的影响对低合金钢焊缝韧性的影响62在在Mn-Si系基础上复合添加系基础上复合添加Ti和和B等微量元素等微量元素pB在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制了降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制了PF和和FSP的形核与生长，从而使的形核与生长，从而使转变开始温度向转变开

42、始温度向低温方向移动。低温方向移动。pTi与氧的亲和力很大，焊缝中的与氧的亲和力很大，焊缝中的Ti以微小颗粒可以作以微小颗粒可以作为为“钉子钉子”位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大。位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大。63 Mop降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少量的量的Mo不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。 Nb和和Vp焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能够抑制焊缝中先共析铁素体的产生，而激发形成细小够抑制焊缝中先共析铁素体的产生，而激发形成

43、细小的的AF组织。组织。p所形成的氮化物使强度大大提高，而使韧性下降。通所形成的氮化物使强度大大提高，而使韧性下降。通过正火处理可改善韧性。过正火处理可改善韧性。 稀土元素稀土元素Y，CeTe，Se：p促进组织细化，提高韧性促进组织细化，提高韧性642. 调整焊接工艺参数调整焊接工艺参数 （1）焊接热输入）焊接热输入 过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；低了冷却速度，可能得到较多的边界铁素体； 过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也

44、会使焊缝韧性下降。使焊缝韧性下降。（2）多层焊）多层焊（3）焊后热处理）焊后热处理（4）振动结晶）振动结晶第四节第四节 焊缝中的气孔和夹杂焊缝中的气孔和夹杂一、气孔一、气孔（一）气孔的类型及其分布特征（一）气孔的类型及其分布特征1.气孔的类型及形成原因气孔的类型及形成原因类型：表面气孔、内部气孔类型：表面气孔、内部气孔形成原因形成原因 结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在焊缝结晶时因气体溶解度突然下降来不及逸出残留在焊缝内部的气体（内部的气体（H2、N2） 冶金反应产生的不溶于金属的气体（冶金反应产生的不溶于金属的气体（CO、H2O）2.氢（氢（H）气孔）气孔出现在低合金焊缝中，大都为表

45、面气孔，含出现在低合金焊缝中，大都为表面气孔，含H2O多时多时，也会出现在内部，也会出现在内部65形状形状 表面气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状表面气孔：喇叭口形，内壁光滑，形如螺钉状 内部气孔：圆球状内部气孔：圆球状形成原因形成原因 在相邻在相邻树枝晶的凹陷树枝晶的凹陷最深处是氢气泡的胚胎场所，冷最深处是氢气泡的胚胎场所，冷却中，氢的溶解度从液态下却中，氢的溶解度从液态下32ml/100g下降到固态下的下降到固态下的10ml/100g，由于焊接熔池冷却快，由于焊接熔池冷却快，H2来不及逸出时，来不及逸出时，就会形成气孔。氢由于受到表面的吸附作用，液体的就会形成气孔。氢由于受到表面的吸附作

46、用，液体的粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综合作用粘度以及机械阻力的影响，在上浮与受阻的综合作用下，形成具有喇叭形的表面气孔下，形成具有喇叭形的表面气孔662.氮（氮（N）气孔）气孔 一般在一般在表面表面成堆出现，呈蜂窝状，只有在保护不良时成堆出现，呈蜂窝状，只有在保护不良时出现，形成原因与氢气孔相似出现，形成原因与氢气孔相似3.一氧化碳（一氧化碳（CO）气孔）气孔 在在熔池后部熔池后部，结晶期间，在柱状晶界区域，由于温度，结晶期间，在柱状晶界区域，由于温度低，低，C浓度高，产生浓度高，产生C的偏析，易发生反应：的偏析，易发生反应：FeO+C CO+Fe，反应产生的，反应产生的CO因熔池

47、金属粘度大因熔池金属粘度大，浮出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进行而不，浮出阻力大而滞留内部，并随结晶过程的进行而不断形成，故断形成，故气孔是沿结晶方向分布气孔是沿结晶方向分布的的67（二）气孔的形成机理（二）气孔的形成机理1.气孔形成条件气孔形成条件 液体中有液体中有过饱和气体过饱和气体存在存在 非自发形核非自发形核，质点较多（在枝晶间凹陷处，未熔晶，质点较多（在枝晶间凹陷处，未熔晶粒表面，界面等）粒表面，界面等） 结晶速度结晶速度大于气泡上浮速度大于气泡上浮速度2.形核形核 纯金属纯金属中气泡形核的可能性极小中气泡形核的可能性极小 焊接熔池焊接熔池中，存在很多现成的表面（易聚集中，存在很多现成的表面（易聚