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1、Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)1 第七章第七章材料與冶金學(xué)院材料與冶金學(xué)院 李偉李偉Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 7.1 7.1 金屬焊接概述金屬焊接概述 7.2 7.2 焊接接頭成形及其冶金過程焊接接頭成形及其冶金過程 7.3 7.3 焊接溫度場焊接溫度場 7.4 7.4 焊縫金屬的組織性能焊縫金屬的組織性能 7.5 7.5 焊接熱影響區(qū)的組織性能焊接熱影響區(qū)的組織性能Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)

2、37.1 金屬焊接概述金屬焊接概述公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴(kuò)散釬公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴(kuò)散釬焊（秦始皇陵銅車馬等）。焊（秦始皇陵銅車馬等）。19世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（C弧、弧、金屬弧、電阻熱）。金屬弧、電阻熱）。20世紀(jì)，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，發(fā)世紀(jì)，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，發(fā)明厚藥皮焊條。明厚藥皮焊條。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)4Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)5Principle of Materials Forming

3、 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)61921年，第一艘全焊遠(yuǎn)洋船；年，第一艘全焊遠(yuǎn)洋船；30年代，大規(guī)模制造焊接結(jié)構(gòu)；年代，大規(guī)模制造焊接結(jié)構(gòu)；60年代，焊接結(jié)構(gòu)空前普及；年代，焊接結(jié)構(gòu)空前普及；中國：中國：上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門；三峽上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門；三峽水電站船閘閘門；三峽工程水輪機(jī)轉(zhuǎn)子；水電站船閘閘門；三峽工程水輪機(jī)轉(zhuǎn)子；九江長江大橋、蕪湖長江大橋等。九江長江大橋、蕪湖長江大橋等。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)7Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)8Principle

4、 of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)9Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)107.17.1金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述常見連接成形方法：常見連接成形方法：A 焊接焊接B 膠接膠接使用膠粘劑來連接材料。使用膠粘劑來連接材料。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性廣、工藝簡單，應(yīng)力變形小，優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性廣、工藝簡單，應(yīng)力變形小，適用于各種材料適用于各種材料 缺點(diǎn)：固化時間長，膠接劑易老化，耐熱性差。缺點(diǎn)：固化時間長，膠接劑易老化，耐熱性差。C 機(jī)械連接機(jī)械連接螺紋連接、銷釘連接、鍵連螺紋連接、銷釘連接、鍵連 接和鉚釘連接接和鉚釘連接 優(yōu)

5、點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)件，良好的互換性，選用方便，優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)件，良好的互換性，選用方便，工作可靠，易于工作可靠，易于 檢修。檢修。缺點(diǎn)：增加了機(jī)械加工工序，結(jié)構(gòu)重量大，缺點(diǎn)：增加了機(jī)械加工工序，結(jié)構(gòu)重量大，密封性差，成本較高。密封性差，成本較高。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)11焊接焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。焊接的實(shí)質(zhì)焊接的實(shí)質(zhì)用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結(jié)用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結(jié) 合與擴(kuò)散作用，合與擴(kuò)散作用，依靠原子間的結(jié)合力依靠原子間的結(jié)合力使分離使分離 的金屬材料牢固地連接

6、起來。的金屬材料牢固地連接起來。焊接方法焊接方法熔化焊、壓力熔化焊、壓力 焊及釬焊。焊及釬焊。應(yīng)用應(yīng)用在機(jī)械制造業(yè)中以在機(jī)械制造業(yè)中以 熔化焊熔化焊的應(yīng)用最為的應(yīng)用最為 廣泛。廣泛。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)12熔化焊：熔化焊：將工件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成將工件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，冷卻結(jié)晶后形成焊縫，被焊工件結(jié)合熔池，冷卻結(jié)晶后形成焊縫，被焊工件結(jié)合成不可分離的整體。常見有氣焊、電弧焊、成不可分離的整體。常見有氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子焊、電子束焊、激光焊等。電渣焊、等離子焊、電子束焊、激光焊等。壓焊：壓焊：無論加熱與

7、否，均需要加壓的焊接方無論加熱與否，均需要加壓的焊接方法。常見的有電阻焊、摩擦焊、冷壓法。常見的有電阻焊、摩擦焊、冷壓 焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊等。焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊等。釬焊：釬焊：采用熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料熔化以采用熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料熔化以后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴(kuò)散后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。釬焊過程中被焊工件不熔化，一實(shí)現(xiàn)連接。釬焊過程中被焊工件不熔化，一般沒有塑性變形。般沒有塑性變形。焊接的分類：焊接的分類：加熱釬釬料料加熱加壓Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)13從冶金角度從冶金角度:液相焊接：液相焊接

8、：基材和填充材料熔化液相互溶材料間原基材和填充材料熔化液相互溶材料間原子結(jié)合。子結(jié)合。固相焊接：固相焊接：壓力使連接表面緊密接觸表面之間充分?jǐn)U壓力使連接表面緊密接觸表面之間充分?jǐn)U散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。固液相焊接：固液相焊接：待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細(xì)待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細(xì)間隙中的液相金屬在固液界面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。間隙中的液相金屬在固液界面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。（釬（釬焊）焊）Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)14金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述Principle of Materials Forming 第三

9、章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)15金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)16Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)17Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)18Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)19焊接的優(yōu)點(diǎn)：焊接的優(yōu)點(diǎn)：（1）焊接生金屬材料，）焊接生金屬材料，結(jié)構(gòu)重量輕結(jié)構(gòu)重量輕。（2）能制造重型、復(fù)雜的機(jī)械零部件，簡化鑄造、鍛造及）能制造重型、復(fù)雜的機(jī)械零部件，簡化

10、鑄造、鍛造及 切削加工工藝。切削加工工藝。（3）焊接接頭不僅具有）焊接接頭不僅具有良好的力學(xué)性能良好的力學(xué)性能，還具有，還具有良好的密良好的密 封性封性。（4）能夠制造）能夠制造雙金屬結(jié)構(gòu)雙金屬結(jié)構(gòu)，使材料的性能得到充分利用。，使材料的性能得到充分利用。（5）可實(shí)現(xiàn)不同材料的連接成型，是不可拆卸的）可實(shí)現(xiàn)不同材料的連接成型，是不可拆卸的永久性連永久性連 接接。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)20焊接的缺點(diǎn)：焊接的缺點(diǎn)：（1）焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，給維修帶來不便；）焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，給維修帶來不便；（2）焊接結(jié)構(gòu)中存在焊接應(yīng)力和變形；）焊接結(jié)構(gòu)

11、中存在焊接應(yīng)力和變形；（3）接頭的組織性能往往不均勻，并會產(chǎn)生裂紋、夾渣、）接頭的組織性能往往不均勻，并會產(chǎn)生裂紋、夾渣、氣孔等焊接缺陷，從而引起應(yīng)力集中，降低連接件的氣孔等焊接缺陷，從而引起應(yīng)力集中，降低連接件的 承載能力。承載能力。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)217.2 焊接接頭成形及其冶金過程焊接接頭成形及其冶金過程 熔化焊時焊接接頭的形成一般都熔化焊時焊接接頭的形成一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變等過程，最凝固結(jié)晶、固態(tài)相變等過程，最后形成焊接接頭。這一過程可從后形成焊接接頭。這

12、一過程可從焊接熱過程、焊接化學(xué)冶金過程、焊接熱過程、焊接化學(xué)冶金過程、焊接時的金屬凝固和相變過程三焊接時的金屬凝固和相變過程三個方面加以學(xué)習(xí)。個方面加以學(xué)習(xí)。焊接接頭焊接接頭 焊接熱過程焊接熱過程 +焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金 +焊接物理冶金焊接物理冶金Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)22一、焊接熱過程1 1、焊接熱過程：在焊接過程中，被焊金屬及焊接材料由、焊接熱過程：在焊接過程中，被焊金屬及焊接材料由于熱的輸入和傳播，而經(jīng)歷加熱、熔化（或達(dá)到熱塑性于熱的輸入和傳播，而經(jīng)歷加熱、熔化（或達(dá)到熱塑性狀態(tài)）、凝固、固體相變的過程，稱之為焊接熱過

13、程。狀態(tài)）、凝固、固體相變的過程，稱之為焊接熱過程。2 2、焊接熱過程的特點(diǎn)、焊接熱過程的特點(diǎn)局部性局部性熱源的運(yùn)動性熱源的運(yùn)動性瞬時性瞬時性傳熱過程的復(fù)合性傳熱過程的復(fù)合性Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)233 3、焊接熱過程的作用、焊接熱過程的作用熱量大小和分布狀態(tài)決定了熔池的形狀和尺寸熱量大小和分布狀態(tài)決定了熔池的形狀和尺寸決定了焊接熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)的程度決定了焊接熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)的程度影響熔池金屬凝固、相變過程影響熔池金屬凝固、相變過程不均勻的加熱和冷卻，造成不均勻的應(yīng)力狀態(tài)不均勻的加熱和冷卻，造成不均勻的應(yīng)力狀態(tài)冶金、應(yīng)力和被焊

14、金屬組織的共同影響，可能產(chǎn)生各冶金、應(yīng)力和被焊金屬組織的共同影響，可能產(chǎn)生各種焊接裂紋和其他缺陷種焊接裂紋和其他缺陷影響熱影響區(qū)金屬的組織的轉(zhuǎn)變和性能的變化影響熱影響區(qū)金屬的組織的轉(zhuǎn)變和性能的變化決定母材和焊材的熔化速度，因而影響焊接生產(chǎn)率決定母材和焊材的熔化速度，因而影響焊接生產(chǎn)率Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)24二、焊接化學(xué)冶金 熔焊時，焊接區(qū)內(nèi)的各種物質(zhì)，即液態(tài)金屬、熔渣和熔焊時，焊接區(qū)內(nèi)的各種物質(zhì)，即液態(tài)金屬、熔渣和氣相之間在高溫下進(jìn)行的極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化的氣相之間在高溫下進(jìn)行的極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化的過程，稱為過程，稱為焊

15、接化學(xué)冶金過程焊接化學(xué)冶金過程。焊接化學(xué)冶金過程對。焊接化學(xué)冶金過程對焊縫金屬的成分、性能、焊接缺陷（如氣孔、裂紋等）焊縫金屬的成分、性能、焊接缺陷（如氣孔、裂紋等）以及焊接工藝性能都有重要的影響。以及焊接工藝性能都有重要的影響。焊接化學(xué)冶金的特殊性焊接化學(xué)冶金的特殊性焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊縫金屬的合金化及其成分控制焊縫金屬的合金化及其成分控制包括內(nèi)容：包括內(nèi)容：Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)25焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)：1.1.

16、焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是對金屬加強(qiáng)保護(hù)對金屬加強(qiáng)保護(hù)，使其免受空氣，使其免受空氣中中氣體的有害作用氣體的有害作用，從而減少焊縫中有害，從而減少焊縫中有害雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量，減少有益，減少有益合合金元素?fù)p失金元素?fù)p失，使焊縫金屬得到合適的，使焊縫金屬得到合適的化學(xué)成分化學(xué)成分，提高，提高焊接質(zhì)量焊接質(zhì)量。2.2.焊接化學(xué)冶金過程是焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域（或階段）連續(xù)分區(qū)域（或階段）連續(xù)進(jìn)行的，各區(qū)的反進(jìn)行的，各區(qū)的反應(yīng)物應(yīng)物性質(zhì)性質(zhì)和和濃度、溫度、反應(yīng)時間、相接觸面積、對流及攪拌運(yùn)濃度、溫度、反應(yīng)時間、相接觸面積、對流及攪拌運(yùn)動動等反應(yīng)條件也有著較大的差異。等反應(yīng)條件

17、也有著較大的差異。反應(yīng)條件反應(yīng)條件的差異就影響著反應(yīng)的差異就影響著反應(yīng)進(jìn)行的進(jìn)行的可能性、方向、速度及限度可能性、方向、速度及限度。不同的。不同的焊接方法焊接方法有不同的有不同的反反應(yīng)區(qū)應(yīng)區(qū)。鎢極氣體保護(hù)焊和電子束焊只有。鎢極氣體保護(hù)焊和電子束焊只有熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)；熔化極氣體；熔化極氣體保護(hù)焊有保護(hù)焊有熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)和和熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)兩個反應(yīng)區(qū)；焊條電弧焊有三兩個反應(yīng)區(qū)；焊條電弧焊有三個反應(yīng)區(qū)：個反應(yīng)區(qū)：藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)26 溫度變化范

18、圍大；溫度變化范圍大；停留時間短；停留時間短；基本排除了整個系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡的可能性；基本排除了整個系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡的可能性；不同條件下焊接冶金反應(yīng)離平衡的遠(yuǎn)近程度不同；不同條件下焊接冶金反應(yīng)離平衡的遠(yuǎn)近程度不同；利用熱力學(xué)原理定性分析冶金反應(yīng)的進(jìn)行方向和影利用熱力學(xué)原理定性分析冶金反應(yīng)的進(jìn)行方向和影響因素；響因素；3 3、焊接冶金反應(yīng)分析、焊接冶金反應(yīng)分析Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)27三、焊接物理冶金過程三、焊接物理冶金過程熔化焊時，熔化焊時，焊接焊接材料材料及母材金屬及母材金屬在高溫?zé)嵩醋饔孟掳l(fā)生在高溫?zé)嵩醋饔孟掳l(fā)生了局部熔

19、化，在此過程中發(fā)生了冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，了局部熔化，在此過程中發(fā)生了冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，熔池開始冷卻結(jié)晶、凝固及固態(tài)相變，最終形成焊縫熔池開始冷卻結(jié)晶、凝固及固態(tài)相變，最終形成焊縫，這個，這個過程主要是物理冶金過程過程主要是物理冶金過程。靠近熔池的金屬，由于經(jīng)歷了焊接高溫?zé)嵩吹臒嵫h(huán)作靠近熔池的金屬，由于經(jīng)歷了焊接高溫?zé)嵩吹臒嵫h(huán)作用，其組織和性能也會發(fā)生變化，這一區(qū)域稱之為用，其組織和性能也會發(fā)生變化，這一區(qū)域稱之為焊接熱影焊接熱影響區(qū)響區(qū)（Heat Affected ZoneHeat Affected Zone，簡稱，簡稱HAZHAZ）或近縫區(qū)）或近縫區(qū)，此區(qū)域，此區(qū)域主要發(fā)生物理

20、冶金過程主要發(fā)生物理冶金過程。介于焊縫和熱影響區(qū)之間的。介于焊縫和熱影響區(qū)之間的薄層薄層過過渡區(qū)稱為渡區(qū)稱為熔合區(qū)熔合區(qū)。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)28焊接接頭主要是由焊縫和熱影響區(qū)組成的焊接接頭主要是由焊縫和熱影響區(qū)組成的：由于焊接接頭各組成部分經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)作用是不同的，所由于焊接接頭各組成部分經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)作用是不同的，所以會形成不同的微觀組織，有時甚至?xí)a(chǎn)生缺陷，從而影響到以會形成不同的微觀組織，有時甚至?xí)a(chǎn)生缺陷，從而影響到整個接頭的作用。在很多情況下，焊接熱影響區(qū)的質(zhì)量與焊縫整個接頭的作用。在很多情況下，焊接熱影響區(qū)

21、的質(zhì)量與焊縫質(zhì)量是同等重要的，有些金屬的焊接熱影響區(qū)存在的問題比焊質(zhì)量是同等重要的，有些金屬的焊接熱影響區(qū)存在的問題比焊縫更要復(fù)雜?？p更要復(fù)雜。焊接接頭組成示意圖1-焊縫 2-熔合區(qū) 3-熱影響區(qū) 4-母材Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)297.3 焊接溫度場焊接溫度場1.焊接時熱作用的特點(diǎn)焊接時熱作用的特點(diǎn)（1）集中性）集中性（2）瞬時性）瞬時性2.焊接傳熱基本形式焊接傳熱基本形式（根據(jù)傳熱學(xué)基本理論）（根據(jù)傳熱學(xué)基本理論）（1）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo) （2）熱對流）熱對流 （3）熱輻射）熱輻射 焊接過程中：熱源焊接過程中：熱源 焊件焊件：對流

22、、輻射為主對流、輻射為主 母材、焊條本身母材、焊條本身：熱傳導(dǎo)為主熱傳導(dǎo)為主Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)30 熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程（根據(jù)傅立葉公式和能量守恒定律建立）（根據(jù)傅立葉公式和能量守恒定律建立）三維傳熱三維傳熱 二維傳熱二維傳熱 一維傳熱一維傳熱具體求解時需給出熱導(dǎo)體的初始條件與邊界條件。具體求解時需給出熱導(dǎo)體的初始條件與邊界條件。初始條件：物體開始導(dǎo)熱時的瞬時溫度分布初始條件：物體開始導(dǎo)熱時的瞬時溫度分布邊界條件：熱導(dǎo)體表面與周圍介質(zhì)間的熱交換情況。邊界條件：熱導(dǎo)體表面與周圍介質(zhì)間的熱交換情況。常見的

23、三種邊界條件：常見的三種邊界條件：第一類：給定物體表面溫度隨時間的變化關(guān)系第一類：給定物體表面溫度隨時間的變化關(guān)系 第二類：給出通過物體表面的比熱流隨時間變化的關(guān)系第二類：給出通過物體表面的比熱流隨時間變化的關(guān)系 第三類：給出物體周圍介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介第三類：給出物體周圍介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介 質(zhì)的換熱系數(shù)質(zhì)的換熱系數(shù)a。)(222222zTyTxTctT)(2222yTxTctT22xTctTPrinciple of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)31Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)323

24、.3.焊接溫度場的概念焊接溫度場的概念焊接溫度場焊接溫度場某瞬時焊件上各點(diǎn)的溫度分布某瞬時焊件上各點(diǎn)的溫度分布 T=f(x,y,z,t)等溫線（面）等溫線（面）焊件上瞬時溫度相同的點(diǎn)連成的線（面）焊件上瞬時溫度相同的點(diǎn)連成的線（面）每條線或面之存在溫度差，其大小可以用溫度梯度每條線或面之存在溫度差，其大小可以用溫度梯度來表示：來表示：Grad TPrinciple of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)33（2 2）當(dāng)恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時，開始階段溫度場是不）當(dāng)恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時，開始階段溫度場是不穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時間后便達(dá)到飽和狀態(tài)

25、，形成暫時穩(wěn)定的溫度場，這穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時間后便達(dá)到飽和狀態(tài)，形成暫時穩(wěn)定的溫度場，這種情況稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。種情況稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。（3 3）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)動）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)動時，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。溫度場與熱源作同步運(yùn)動，可采用移動坐時，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。溫度場與熱源作同步運(yùn)動，可采用移動坐標(biāo)系，使坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合。標(biāo)系，使坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合。（1 1）正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動的。）正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動的。Principle of Mater

26、ials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)34Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)354.4.數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)解析的簡化條件：數(shù)學(xué)解析的簡化條件：1 1）焊接過程中材料的熱物理常數(shù)不變，初始溫度均勻）焊接過程中材料的熱物理常數(shù)不變，初始溫度均勻2 2）三維或二維傳熱時，各方向傳熱互不影響）三維或二維傳熱時，各方向傳熱互不影響3 3）焊件尺寸和焊接熱源可概括為三種類型：）焊件尺寸和焊接熱源可概括為三種類型：a)a)半無限大物體半無限大物體 三維傳熱三維傳熱 點(diǎn)熱源點(diǎn)熱源b)b)無限薄物體無限薄物體 二維傳熱二維傳熱 線熱源線熱

27、源c)c)無限長細(xì)桿無限長細(xì)桿 一維傳熱一維傳熱 面熱源面熱源4 4）邊界條件：厚板焊件的熱能全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；薄板或細(xì)桿表）邊界條件：厚板焊件的熱能全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；薄板或細(xì)桿表 面與介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)面與介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)5 5）焊接熱源在單位時間內(nèi)輸出的能量保持不變）焊接熱源在單位時間內(nèi)輸出的能量保持不變6 6）熱源運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的熱作用效果，可視為相繼作用于不同點(diǎn)）熱源運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的熱作用效果，可視為相繼作用于不同點(diǎn) 的無數(shù)集中熱源作用的總和，而多個瞬時熱源之間互不影響。的無數(shù)集中熱源作用的總和，而多個瞬時熱源之間互不影響。Principle of Materials

28、 Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)36厚板溫度場表達(dá)式：厚板溫度場表達(dá)式：1.1.正常速度運(yùn)動時的特解：正常速度運(yùn)動時的特解：2.2.熱源高速度運(yùn)動時的近似解：熱源高速度運(yùn)動時的近似解：薄板溫度場表達(dá)式：薄板溫度場表達(dá)式：1.1.正常速度運(yùn)動時的特解：正常速度運(yùn)動時的特解：2.2.熱源稿速度運(yùn)動時的近似解：熱源稿速度運(yùn)動時的近似解：Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)37Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)38X-Y方向溫度場分布/全圖Principle of Materials

29、Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)39三維溫度場分布Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)40Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)41實(shí)測結(jié)果Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)42薄板二維傳導(dǎo)，薄板二維傳導(dǎo)，板厚方向無溫差，板厚方向無溫差，近似全熔近似全熔透對接焊透對接焊Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)435.5.影響溫度場的因素影響溫度場的因素（1 1）熱源的性質(zhì)）熱源的性質(zhì)

30、（2 2）焊接工藝參數(shù)（有效熱功率）焊接工藝參數(shù)（有效熱功率q q、焊接速度、焊接速度v v）q q一定一定 v v增大增大 等溫線的范圍變小，熱源集中程度增大等溫線的范圍變小，熱源集中程度增大 v v一定一定 q q增大增大 溫度場的范圍增大溫度場的范圍增大 grad T grad T q/v q/v一定一定 v v 較大時較大時 grad T grad T（3)3)金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率、體積比熱容、體積比熱容c等等）熱物理性質(zhì)主要是指熱物理性質(zhì)主要是指 熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率=/c=/c 焊接線能量焊接線能量 E E 相同相同 a grad T a grad T 板厚

31、：其他因素不變，隨板厚的減小，板厚：其他因素不變，隨板厚的減小，焊件表面的高溫區(qū)域焊件表面的高溫區(qū)域Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)44Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)45Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)46一、熔池凝固一、熔池凝固1 1、焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別、焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別焊接熔池體積小，冷卻速度高；焊接熔池體積小，冷卻速度高；熔池的形狀與尺寸熔池的形狀與尺寸(30cm30cm3 3,10

32、0g)100g)，冷卻速度，冷卻速度平均平均 達(dá)達(dá)100/s100/s，約為鑄造的，約為鑄造的10104 4。焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài) 熔池平均溫度熔池平均溫度 (1770(1770100)100)鋼錠鋼錠:1550:1550；熔池；熔池 過熱度大，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減過熱度大，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減 少，促使柱狀晶發(fā)展。少，促使柱狀晶發(fā)展。7.4 7.4 焊縫金屬的組織與性能焊縫金屬的組織與性能Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)47一、熔池凝固一、熔池凝固熔池在運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶熔

33、池在運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶u結(jié)晶前沿隨熱源同步運(yùn)動。結(jié)晶前沿隨熱源同步運(yùn)動。u液態(tài)金屬受到電弧攪拌力、氣流吹液態(tài)金屬受到電弧攪拌力、氣流吹 力、電磁力、熔滴作用力、表面張力、電磁力、熔滴作用力、表面張 力及金屬密度差的作用。力及金屬密度差的作用。u熔池金屬存在對流運(yùn)動，有利于除氣和除渣。熔池金屬存在對流運(yùn)動，有利于除氣和除渣。u凝固速度很大，固液界面的推進(jìn)速度比鑄件高凝固速度很大，固液界面的推進(jìn)速度比鑄件高10-100倍。倍?；瘜W(xué)成分不均勻化學(xué)成分不均勻1、焊接熔池凝固過程差別、焊接熔池凝固過程差別Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)48 二、熔池結(jié)

34、晶的一般規(guī)律二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 （1 1）形核）形核 自發(fā)形核自發(fā)形核 所需能量：所需能量：其中：其中：新相新相-液相界面張力液相界面張力 F Fv v 單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差單位體積內(nèi)固液兩相自由能之差 非自發(fā)形核非自發(fā)形核 所需能量：所需能量：=0 =0 E Ek k=0 =0 現(xiàn)成晶核現(xiàn)成晶核 =180=180 E Ek k=E=Ek k 全自發(fā)形核全自發(fā)形核 固固-液界面張力差越小，液界面張力差越小，越小，同時越小，同時越小，故越小，故E Ek k越小越小2v3kF316E)4cos3cos32(3kkEE2v3kF316EPrinciple of Materials For

35、ming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)49二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律（1 1）形核）形核 自發(fā)形核和非自發(fā)形核自發(fā)形核和非自發(fā)形核在焊接熔池中，溫度達(dá)到在焊接熔池中，溫度達(dá)到16001600，自發(fā)形核幾乎不可能，非自發(fā)形自發(fā)形核幾乎不可能，非自發(fā)形核起主要作用。核起主要作用。在焊接條件下，熔池中存在兩種在焊接條件下，熔池中存在兩種所謂現(xiàn)成表面：一種是合金元素所謂現(xiàn)成表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)表面；另一種或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)表面；另一種是熔合區(qū)附近加熱到半熔化狀態(tài)是熔合區(qū)附近加熱到半熔化狀態(tài)基體金屬的晶體表面，非自發(fā)形基體金屬的晶體表面，非自發(fā)形核就依附在這個表面上，并以柱

36、核就依附在這個表面上，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形成所謂交互結(jié)晶（成所謂交互結(jié)晶（聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶）。）。在焊接材料中加入一定的合金元素可作為在焊接材料中加入一定的合金元素可作為熔池非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒。熔池非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒。外延結(jié)晶示意圖Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)50 二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律二、熔池結(jié)晶的一般規(guī)律 （2 2）晶核長大）晶核長大 擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長 每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個最優(yōu)每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個最優(yōu)結(jié)晶取向結(jié)晶取向,對于立方點(diǎn)陣的金屬對于立方點(diǎn)陣的金屬（Fe,Ni

37、,Cu,AlFe,Ni,Cu,Al），最優(yōu)結(jié)晶），最優(yōu)結(jié)晶取向?yàn)槿∠驗(yàn)?。溫度梯度大的方向，也是晶粒易溫度梯度大的方向，也是晶粒易于生長的方向。與焊接熔池邊界于生長的方向。與焊接熔池邊界垂直的方向溫度梯度垂直的方向溫度梯度G G最大。最大。當(dāng)母材晶粒取向當(dāng)母材晶粒取向與導(dǎo)熱最快與導(dǎo)熱最快的方向一致時，即垂直熔池邊界的方向一致時，即垂直熔池邊界時，晶粒生長最快而優(yōu)先長大時，晶粒生長最快而優(yōu)先長大焊縫金屬柱狀晶的擇優(yōu)生長Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)51（3 3）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響 焊接熔池的外形是橢球

38、狀的曲面，即焊接熔池的外形是橢球狀的曲面，即結(jié)晶的等溫面，熔池的散熱方向是垂直于結(jié)結(jié)晶的等溫面，熔池的散熱方向是垂直于結(jié)晶等溫面，因此晶粒的生長方向也是垂直于晶等溫面，因此晶粒的生長方向也是垂直于結(jié)晶等溫面。由于等溫面是曲線，那么晶粒結(jié)晶等溫面。由于等溫面是曲線，那么晶粒生長的主軸也是彎曲的。生長的主軸也是彎曲的。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)52（3 3）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響低速焊接條件下：低速焊接條件下：焊縫的柱狀晶朝向焊接方向彎曲并指向焊縫中心，稱焊縫的柱狀晶朝向焊接方向彎曲并指向焊縫中心，稱

39、 為為“偏向晶偏向晶”。高速焊接條件下：高速焊接條件下：柱狀晶成長方向可柱狀晶成長方向可垂直于焊縫邊界，一垂直于焊縫邊界，一直長到焊縫中心，稱直長到焊縫中心，稱“定向晶定向晶”。低熔點(diǎn)雜。低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析于焊縫中心，質(zhì)偏析于焊縫中心，易出現(xiàn)縱向裂紋。易出現(xiàn)縱向裂紋。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)53原因：高速移動，熔池原因：高速移動，熔池變成細(xì)長條，最快散熱變成細(xì)長條，最快散熱方向垂直于焊縫軸線。方向垂直于焊縫軸線。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)54三、熔池結(jié)晶線速度三、熔池結(jié)晶線

40、速度 1.1.晶粒主軸生長線速度晶粒主軸生長線速度(V(Vc c)分析分析 晶粒生長線速度分析圖晶粒生長線速度分析圖 Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)55在在dtdt內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由A AB B時，變化時，變化dxdx，則，則 dx/dtdx/dt=V=V（焊接速度），（焊接速度），此時該晶粒生長由此時該晶粒生長由A AC C，變化變化 dsds，則，則 ds/dt=Vcds/dt=Vc,當(dāng)當(dāng)dtdt0 0時，時，BCBC垂直于垂直于ACAC，則則 即平均成長速度即平均成長速度V Vc c有有 coscos取決于焊接規(guī)

41、范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀 cosdtdxdtdscosVVcPrinciple of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)56 coscos值的確定值的確定 厚大件：厚大件：薄件：薄件：對對V Vc c的討論的討論 =0=0時，時，V Vc c=V=V，焊縫中心處，焊縫中心處 =90=90時，時，V Vc c=0=0，焊縫邊界處，焊縫邊界處 V V，生長越垂直于焊縫中心，易形成脆弱的結(jié)，生長越垂直于焊縫中心，易形成脆弱的結(jié) 合線，產(chǎn)生縱向裂紋合線，產(chǎn)生縱向裂紋 V VV Vc c，所以焊易裂材料時，不能用大的焊速所以焊易裂材料時

42、，不能用大的焊速21222211)(coszyzykkkkqvA2122211)()(cosyyMkkTqAPrinciple of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)57 四、熔池結(jié)晶的形態(tài)四、熔池結(jié)晶的形態(tài) （1 1）分類）分類 （2 2）純金屬的結(jié)晶形態(tài)）純金屬的結(jié)晶形態(tài) 正的溫度梯度：平面晶，生正的溫度梯度：平面晶，生 長緩慢（主要）長緩慢（主要）負(fù)的溫度梯度：生長速度快，負(fù)的溫度梯度：生長速度快，除主軸外，還有分枝，生成除主軸外，還有分枝，生成 樹枝晶（較少）樹枝晶（較少）等軸晶（樹枝晶）樹枝晶晶胞平面晶柱狀晶形態(tài)Principle of Material

43、s Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)58（3 3）固溶體的結(jié)晶形態(tài)）固溶體的結(jié)晶形態(tài)溫度過冷溫度過冷:結(jié)晶潛熱所結(jié)晶潛熱所致固相前部溫度高，液致固相前部溫度高，液相溫度低。相溫度低。成分過冷：先結(jié)晶溫度成分過冷：先結(jié)晶溫度高，后結(jié)晶溫度低，快高，后結(jié)晶溫度低，快速結(jié)晶時，易出現(xiàn)樹枝速結(jié)晶時，易出現(xiàn)樹枝晶。晶。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)59（4 4）成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響）成分過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響 平面結(jié)晶：平面結(jié)晶：GTGT，多見于高純金屬焊縫或溶質(zhì)含量低，多見于高純金屬焊縫或溶質(zhì)含量低的液態(tài)合金，在熔合線附件溫度梯度很

44、高而結(jié)晶速度很小的液態(tài)合金，在熔合線附件溫度梯度很高而結(jié)晶速度很小的邊界層中。的邊界層中。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)60胞狀結(jié)晶胞狀結(jié)晶 G G與與T T少量相交少量相交Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)61胞狀樹枝結(jié)晶：胞狀樹枝結(jié)晶：G G與與T T相交較大，晶粒主軸快速伸向液相交較大，晶粒主軸快速伸向液內(nèi)，橫向排溶質(zhì)，故橫向也出現(xiàn)分枝內(nèi)，橫向排溶質(zhì)，故橫向也出現(xiàn)分枝Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)62樹枝狀結(jié)晶樹枝狀結(jié)晶

45、 :當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)63等軸結(jié)晶等軸結(jié)晶 :液相成分過冷區(qū)很寬，不僅在前沿生成樹液相成分過冷區(qū)很寬，不僅在前沿生成樹枝晶，內(nèi)部也形成樹枝晶枝晶，內(nèi)部也形成樹枝晶等軸晶等軸晶Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)64綜合綜合 當(dāng)結(jié)晶速度當(dāng)結(jié)晶速度R R和溫度梯度和溫度梯度G G不變時，隨合金中溶質(zhì)濃度不變時，隨合金中溶質(zhì)濃度 的提高，則成分過冷增加，從而使結(jié)晶形態(tài)由平面晶變的提高，則成分過冷增加，從而使結(jié)晶形態(tài)由

46、平面晶變 為胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶為胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、最后到等軸晶 當(dāng)合金中溶質(zhì)的濃度當(dāng)合金中溶質(zhì)的濃度C C0 0一定時，結(jié)晶速度一定時，結(jié)晶速度R R越快，成分越快，成分 過冷的程度越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面品過渡到胞狀過冷的程度越大，結(jié)晶形態(tài)也可由平面品過渡到胞狀 晶、樹枝狀晶，最后到等軸晶晶、樹枝狀晶，最后到等軸晶 當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度C C0 0和結(jié)晶速度和結(jié)晶速度R R一定時，隨液相溫度一定時，隨液相溫度 梯度的提高，成分過冷的程度減小，因而結(jié)晶形態(tài)的演梯度的提高，成分過冷的程度減小，因而結(jié)晶形態(tài)的演 變方向恰好相反，由等軸晶、樹枝品逐步演

47、變到平面晶變方向恰好相反，由等軸晶、樹枝品逐步演變到平面晶 Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)65Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)66 熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷熔池中不同部位溫度梯度和結(jié)晶速度不同，成分過冷的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面的分布不同，焊縫各部位出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。（5 5）焊縫各部位晶粒形態(tài)的變化）焊縫各部位晶粒形態(tài)的變化Principle of Materials Fo

48、rming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)67 理論上理論上:熔合線處：熔合線處：G G最大、最大、R R最小最小平面晶平面晶 中心處：中心處：G G最小、最小、R R最大最大等軸晶等軸晶 實(shí)際上（主要是柱狀晶和少量的等軸晶）實(shí)際上（主要是柱狀晶和少量的等軸晶）:成分成分 板厚和接頭形式板厚和接頭形式 焊接速度焊接速度 v vR R,熔合線處熔合線處G G,焊縫中心處焊縫中心處G G出現(xiàn)大量等軸出現(xiàn)大量等軸 晶晶 （否則出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶）（否則出現(xiàn)胞狀晶或樹枝晶）焊接電流焊接電流 I IG G,胞狀晶胞狀晶粗大樹枝狀晶粗大樹枝狀晶Principle of Materials Forming 第三

49、章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)68五、焊縫的化學(xué)不均勻性五、焊縫的化學(xué)不均勻性 1.1.焊縫中的化學(xué)不均勻性焊縫中的化學(xué)不均勻性 顯微偏析：顯微偏析：先結(jié)晶先結(jié)晶C C0 0低，后結(jié)晶低，后結(jié)晶C C0 0高，即晶粒中心高，即晶粒中心C C0 0高，邊緣低高，邊緣低 原因：冷卻速度快，來不及均勻化原因：冷卻速度快，來不及均勻化 要求細(xì)晶化，降低偏析要求細(xì)晶化，降低偏析 區(qū)域偏析區(qū)域偏析 熔池中心部位聚集較多低熔點(diǎn)雜質(zhì)，柱狀晶結(jié)晶的結(jié)果熔池中心部位聚集較多低熔點(diǎn)雜質(zhì)，柱狀晶結(jié)晶的結(jié)果 層狀偏析層狀偏析 結(jié)晶（熔滴過渡）的周期性所致結(jié)晶（熔滴過渡）的周期性所致Principle of Materials

50、Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)692.2.熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性 熔合區(qū)的形成熔合區(qū)的形成 母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個區(qū)母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個區(qū) 熔合區(qū)熔化不均（傳熱、晶粒散熱）熔合區(qū)熔化不均（傳熱、晶粒散熱）熔合區(qū)成分分布熔合區(qū)成分分布 在液相中的溶解度在液相中的溶解度 在固相中的溶解度在固相中的溶解度 故：固相濃度故：固相濃度 界面界面 液相濃度液相濃度 C C0 0-C-C C C0 0+C+C 分配取決于擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)，特別是分配取決于擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)，特別是 S S、P P、C C、B B、O O、N N等等 熔

51、合區(qū)還存在物理不均勻（組織、性能）熔合區(qū)還存在物理不均勻（組織、性能）Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)70Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)71六、焊縫固態(tài)相變六、焊縫固態(tài)相變 1 1、低碳鋼焊縫、低碳鋼焊縫 組織特征：組織特征：A PA P，形成，形成F+F+少量少量P,AP,A晶界析出晶界析出F F，有時，有時F F 呈魏氏組織形態(tài)。呈魏氏組織形態(tài)。魏氏組織特征：鐵素體在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，魏氏組織特征：鐵素體在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，也可從奧氏體晶粒內(nèi)部沿一定方向析出，具有長短也

52、可從奧氏體晶粒內(nèi)部沿一定方向析出，具有長短 不一的針狀或片條狀，可直接插入珠光體晶粒之中不一的針狀或片條狀，可直接插入珠光體晶粒之中 冷速不同，組織不同：冷速增加，冷速不同，組織不同：冷速增加，P P增多，增多，F(xiàn) F減少，減少，硬度升高硬度升高Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)722、低合金鋼、低合金鋼 （1）多以多以F+P為主，有時出現(xiàn)為主，有時出現(xiàn)B及及M,與焊材及工藝有關(guān)。與焊材及工藝有關(guān)。（2）鐵素體（）鐵素體（F）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 粒界粒界F（高溫轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變900-700）：為先共析）：為先共析F,由奧氏由奧氏 體晶界析出向晶內(nèi)生

53、長，呈塊狀體晶界析出向晶內(nèi)生長，呈塊狀 側(cè)板條側(cè)板條F（700-550）：由奧氏體晶界形核，以板）：由奧氏體晶界形核，以板 條狀向晶內(nèi)生長（由于條狀向晶內(nèi)生長（由于F形成溫度較高，形成溫度較高，F(xiàn)內(nèi)含碳極內(nèi)含碳極 低，故又稱為無碳貝氏體）低，故又稱為無碳貝氏體）針狀針狀F（500附近）：大都非自發(fā)形核，在奧實(shí)體附近）：大都非自發(fā)形核，在奧實(shí)體 內(nèi)形成內(nèi)形成 細(xì)晶細(xì)晶F（500以下）：奧氏體晶內(nèi)形成，有細(xì)晶元素以下）：奧氏體晶內(nèi)形成，有細(xì)晶元素（Ti、B）出現(xiàn)時，晶界有）出現(xiàn)時，晶界有Fe3C出現(xiàn)，接近上貝氏體。出現(xiàn)，接近上貝氏體。Principle of Materials Forming 第

54、三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)73（3 3）珠光體（）珠光體（P P）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 一般情況不出現(xiàn)一般情況不出現(xiàn)P P，只有在緩冷時，才會出現(xiàn)片狀或，只有在緩冷時，才會出現(xiàn)片狀或 粒狀的珠光體粒狀的珠光體 原因：焊接過程是一個不平衡過程，冷卻速度快，原因：焊接過程是一個不平衡過程，冷卻速度快，C C 擴(kuò)散受到抑制，很難出現(xiàn)擴(kuò)散受到抑制，很難出現(xiàn)F/FeF/Fe3 3C C片狀結(jié)構(gòu)片狀結(jié)構(gòu)（4 4）貝氏體（）貝氏體（B B）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 上貝氏體（上貝氏體（B B下下）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 形成溫度：形成溫度：450-550450-550 形態(tài)：羽毛狀形態(tài)：羽毛狀 形成機(jī)理形成機(jī)理：切變：切變-擴(kuò)散型擴(kuò)散型Prin

55、ciple of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)74 下貝氏體（下貝氏體（B下下）轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度：轉(zhuǎn)變溫度：450-Ms 形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體機(jī)械混合，針與形態(tài)：針狀鐵素體和針狀滲碳體機(jī)械混合，針與 針之間呈一定的角度針之間呈一定的角度 形成機(jī)理形成機(jī)理 粒狀貝氏體（粒狀貝氏體（B粒粒）形成溫度高于上貝氏體形成溫度高于上貝氏體 形態(tài)：無碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì)形態(tài)：無碳鐵素體包圍著富碳物質(zhì) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：F+Cm、M-A組織或殘余奧氏體組織或殘余奧氏體 Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)75

56、（5 5）馬氏體）馬氏體(M)(M)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 低碳馬氏體（板條馬氏體）低碳馬氏體（板條馬氏體）轉(zhuǎn)變溫度：轉(zhuǎn)變溫度：M MS S溫度以下溫度以下 形態(tài)：在奧氏體晶粒的內(nèi)部形成細(xì)條狀馬氏體板形態(tài)：在奧氏體晶粒的內(nèi)部形成細(xì)條狀馬氏體板 條，條與條之間有一定的交角條，條與條之間有一定的交角 形成機(jī)理：位錯形成機(jī)理：位錯 高碳馬氏體（片狀馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬氏體）形態(tài)：形態(tài)：馬氏體較粗大，往往貫穿整個奧氏體晶馬氏體較粗大，往往貫穿整個奧氏體晶 粒，使以后形成的馬氏體片受到阻礙粒，使以后形成的馬氏體片受到阻礙 形成機(jī)理：孿晶形成機(jī)理：孿晶Principle of Materials Forming

57、第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)761.1.凝固組織形態(tài)對性能的影響凝固組織形態(tài)對性能的影響 生成粗大的樹枝狀晶，韌性降低，對氣孔、夾雜、熱裂生成粗大的樹枝狀晶，韌性降低，對氣孔、夾雜、熱裂都有影響都有影響2.2.焊縫金屬的性能的改善措施焊縫金屬的性能的改善措施固溶、細(xì)晶等強(qiáng)化和變質(zhì)處理固溶、細(xì)晶等強(qiáng)化和變質(zhì)處理 加入加入MoMo、V V、TiTi、ZrZr、AlAl、B B、N N、稀土、稀土TeTe等等 振動結(jié)晶振動結(jié)晶 機(jī)械振動、高頻超聲振動、電磁振動機(jī)械振動、高頻超聲振動、電磁振動 焊接工藝焊接工藝 焊后處理、熱處理、多層焊、錘擊、跟蹤回火等。焊后處理、熱處理、多層焊、錘擊、跟蹤回火等。七、

58、改善焊縫組織的途徑七、改善焊縫組織的途徑Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)77 熔焊時在高溫?zé)嵩醋饔孟?，靠近焊縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)熔焊時在高溫?zé)嵩醋饔孟?，靠近焊縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為“焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)”。圖10-1 焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材7.5 7.5 焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)781 1、研究焊接熱循環(huán)的意義、研究焊接熱循環(huán)的意義 在焊接熱源

59、的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時間的在焊接熱源的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)變化過程稱為焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)反映了熱源對焊件金屬的熱作用。焊接熱循環(huán)反映了熱源對焊件金屬的熱作用。焊件焊件上距熱源遠(yuǎn)近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)上距熱源遠(yuǎn)近不同的位置，所受到熱循環(huán)的加熱參數(shù)不同不同，從而會發(fā)生不同的組織與性能變化。，從而會發(fā)生不同的組織與性能變化。研究焊接熱循環(huán)的意義為：研究焊接熱循環(huán)的意義為：找出最佳的焊接熱循環(huán)；找出最佳的焊接熱循環(huán)；用工藝手段改善焊接熱循環(huán)；用工藝手段改善焊接熱循環(huán)；預(yù)測焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織與性能。預(yù)測焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織

60、與性能。一、一、焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)792、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征、焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征 加熱速度加熱速度H 最高加熱溫度最高加熱溫度m 相變溫度以上相變溫度以上 的停留時間的停留時間tH 冷卻速度冷卻速度C (或冷卻時間或冷卻時間t8/5)晶粒晶粒大小大小相變相變組織組織Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)803、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算、焊接熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算 主要介紹焊接熱源高速運(yùn)動時厚板和薄板的熱循主要介紹焊接熱源高速運(yùn)動時厚板和薄板的熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算

61、（推導(dǎo)過程略）：環(huán)參數(shù)的計(jì)算（推導(dǎo)過程略）：峰值溫度峰值溫度m m的計(jì)算的計(jì)算 相變溫度以上的停留時間相變溫度以上的停留時間t tH H 的計(jì)算的計(jì)算 冷卻速度冷卻速度C C和冷卻時間的計(jì)算和冷卻時間的計(jì)算 Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)8120mRcE234.0TTycE242.0TT0m點(diǎn)熱源（厚板）點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）線熱源（薄板）由兩式可以看出，當(dāng)焊接線能量由兩式可以看出，當(dāng)焊接線能量E（單位長度上的焊接熱單位長度上的焊接熱輸入量，輸入量，E=IU/v)一定，焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離越一定，焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離越

62、遠(yuǎn)，最高溫度遠(yuǎn)，最高溫度m越低；而對焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能量越低；而對焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能量E 的提高，其的提高，其m增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)82)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH點(diǎn)熱源（厚板）點(diǎn)熱源（厚板）線熱源（薄板）線熱源（薄板）由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線能量能量 E，高溫停留時間

63、，高溫停留時間 tH 延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始溫度的可能性增大。提高初始溫度 T0（預(yù)熱溫度），也會在（預(yù)熱溫度），也會在一定程度上延長高溫停留時間一定程度上延長高溫停留時間 tH。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)83冷卻速度：冷卻速度：厚板厚板 薄板薄板冷卻時間：冷卻時間：厚板厚板 薄板薄板 E)TT(220CC230)E()TT(c2CC 0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t冷卻速度冷卻速度c隨著線能量隨著線能量E和初始溫度和初始溫度T0的提

64、高而降低，冷卻的提高而降低，冷卻時間隨著線能量時間隨著線能量E和初始溫度和初始溫度T0的提高而延長。母材的熱物的提高而延長。母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)84二、二、焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)焊接熱循環(huán)條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn) 與熱處理?xiàng)l件下的組織轉(zhuǎn)變相比，其基本原理相同，又與熱處理?xiàng)l件下的組織轉(zhuǎn)變相比，其基本原理相同，又具有與熱處理不同的特點(diǎn)。具有與熱處理不同的特點(diǎn)。

65、焊接過程的特殊性焊接過程的特殊性 焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變 焊接時冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變焊接時冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變 Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)851、焊接過程的特殊性、焊接過程的特殊性 五個特點(diǎn)（以低合金鋼為例）：五個特點(diǎn)（以低合金鋼為例）：加熱溫度高加熱溫度高 在熔合線附近溫度可達(dá)在熔合線附近溫度可達(dá)l350l400；加熱速度快加熱速度快 加熱速度比熱處理時快幾十倍甚至幾百倍；加熱速度比熱處理時快幾十倍甚至幾百倍；高溫停留時間短高溫停留時間短 在在AC3以上保溫的時間很短以上保溫的時間很短(一般手工電一般手工電弧焊約

66、為弧焊約為420s，埋弧焊時，埋弧焊時30l00s)；在自然條件下連續(xù)冷卻在自然條件下連續(xù)冷卻（個別情況下進(jìn)行焊后保溫緩冷）；（個別情況下進(jìn)行焊后保溫緩冷）；有熱應(yīng)力作用狀態(tài)下進(jìn)行的組織轉(zhuǎn)變有熱應(yīng)力作用狀態(tài)下進(jìn)行的組織轉(zhuǎn)變。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱力學(xué)與動力學(xué)862 2、焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變、焊接加熱過程的組織轉(zhuǎn)變 焊接過程的快速加熱，將使各種金屬的相變溫度比起焊接過程的快速加熱，將使各種金屬的相變溫度比起等等溫轉(zhuǎn)變溫轉(zhuǎn)變時大有提高。當(dāng)鋼中含有較多的碳化物形成元素時大有提高。當(dāng)鋼中含有較多的碳化物形成元素(Cr(Cr、W W、MoMo、V V、TiTi、NbNb等等)時，這一影響更為明顯。這是時，這一影響更為明顯。這是因?yàn)樘蓟镄纬稍氐臄U(kuò)散速度很小因?yàn)樘蓟镄纬稍氐臄U(kuò)散速度很小(比碳小比碳小100010001000010000倍倍)，同時它們本身還阻礙碳的擴(kuò)散，因而大大地減慢了，同時它們本身還阻礙碳的擴(kuò)散，因而大大地減慢了奧氏體轉(zhuǎn)變過程。奧氏體轉(zhuǎn)變過程。Principle of Materials Forming 第三章 凝固熱