第六章鑄件與焊縫宏觀組織及其控制

材料成形基本原理

第六章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制材料工程學(xué)院楊曉莉2第一節(jié)鑄件的宏觀組織第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)焊接熔池凝固及控制主要內(nèi)容3第一節(jié)鑄件的宏觀組織鑄件的宏觀組織指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布等情況。鑄件的微觀結(jié)構(gòu)的概念包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹(shù)枝晶、胞狀晶等亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)這些形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過(guò)程密切相關(guān)，并對(duì)鑄件的各項(xiàng)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。本章側(cè)重分析鑄件宏觀組織的成因及其影響因素，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出生產(chǎn)中控制鑄件結(jié)晶組織的有效方法。4第一節(jié)鑄件的宏觀組織通常，鑄件的宏觀結(jié)晶組織可能包含三個(gè)不同的晶區(qū)：1：表面細(xì)晶粒區(qū)；2：柱狀晶區(qū)；3：內(nèi)部等軸晶區(qū)5第一節(jié)鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)6

不是每個(gè)鑄件都有上述三個(gè)晶區(qū)，有以下特殊情況：第一節(jié)鑄件的宏觀組織7圖5-2幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶幾種不同類型的鑄件宏觀組織8不同澆注條件對(duì)鋁錠結(jié)晶過(guò)程及組織影響9500℃砂模700℃澆注1室溫砂模700℃澆注2室溫鐵模700℃澆注3500℃鐵模700℃澆注4室溫鐵模800℃澆注（加Ti）510不同澆注條件對(duì)鋁錠結(jié)晶過(guò)程及組織影響11大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長(zhǎng)大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展(特別是存在著溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時(shí))。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。12第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成13一、表面激冷區(qū)的形成

型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過(guò)冷度而大量非均質(zhì)生核,各種形式的晶粒游離也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核”來(lái)源。這些晶核在過(guò)冷熔體中采取枝晶方式生長(zhǎng)，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過(guò)冷熔體中散失，從而形成了無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶組織。

一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。14二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速

。柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示15柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬16二、柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。其存在和寬窄程度取決于二者的綜合結(jié)果。如果界面前方始終不利于等軸晶的形成和生長(zhǎng)，則柱狀晶一直延伸到鑄件中心，形成所謂的穿晶組織。如果柱狀晶沒(méi)來(lái)的及形成，斷面內(nèi)面全部形成等軸晶，形成全部等軸晶。17第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過(guò)冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論18一、“成分過(guò)冷”理論

該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。不足19等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶7500C水淬,搖動(dòng)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實(shí)驗(yàn)20二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論Chalmers1963；在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷，促使大量的晶核形成并形成細(xì)小等軸晶，這些小等軸晶隨澆注分布整個(gè)鑄件并發(fā)展為內(nèi)部等軸晶的核心。在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷，小等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成，澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)。21型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a)晶體密度比熔體小的情況;b)晶體密度比熔體大的情況密度、熱流引起的游離晶的游離22溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼,另一方面，在澆注過(guò)程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。

圖5-6晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論23游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論溶質(zhì)析出24二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論大野篤美利用電鏡對(duì)Sn-10Bi合金的凝固進(jìn)行了直接觀察和連續(xù)攝影，證實(shí)了凝固初期通過(guò)型壁晶粒脫落而產(chǎn)生的晶粒游離現(xiàn)象。為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢?

25三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱為“結(jié)晶雨”理論。26目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。27第四節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。本質(zhì)上是：晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果。28第四節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素1．金屬性質(zhì)方面2．澆注條件方面3．鑄件性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面29鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素1．金屬性質(zhì)方面1)強(qiáng)生核劑在過(guò)冷熔體中的存在；2)寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度G。3)合金溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)偏離1較遠(yuǎn)。4)熔體在凝固過(guò)程中存在長(zhǎng)時(shí)間的激烈的對(duì)流。

30鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素2．澆注條件方面

1)低的澆注溫度。有利等軸晶的形成和晶粒細(xì)化。

2)合適的澆注工藝。強(qiáng)化液流對(duì)型壁的沖刷有利等軸晶的形成和晶粒細(xì)化。31鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素3．鑄件性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面32第四節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。

33一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化第四節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制34合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制35合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式

合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過(guò)低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。

通過(guò)改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。

36鑄型中間澆注單孔上注沿型壁六孔澆注

圖5-8不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織細(xì)小等軸晶粗大等軸晶較細(xì)小等軸晶37通過(guò)改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁的沖刷作用，能有效促進(jìn)等軸晶的形成。在鑄件澆注過(guò)程中，液態(tài)金屬在型壁的急冷作用下大量形核，被液流沖擊帶進(jìn)液相區(qū)，并發(fā)生增殖，成為后續(xù)凝固的結(jié)晶核心。38水流冷卻的斜板澆注方法39冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過(guò)冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。

對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。

40冷卻條件的控制

對(duì)厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時(shí)滿足小的GL與高的R的要求。

41懸浮澆注法是在澆注過(guò)程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過(guò)程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道42懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；

2)減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；

3)減少縮松，提高鑄件致密性；

4)減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；5)改善宏觀偏析；

6)提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；

7)可以實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程合金化。43技術(shù)原理：通過(guò)加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡(jiǎn)單輔助工裝。44二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。孕育(Inoculation)主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。

45孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過(guò)在生長(zhǎng)界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹(shù)枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)

孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核孕育鑄鐵孕育處理后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。

孕育處理就是：在澆注前，向鐵水中加入一定量的孕育劑硅鐵、硅鈣合金等，使鐵水內(nèi)同時(shí)生成大量均勻分布的非自發(fā)核心，以獲得細(xì)小均勻的石墨片，并細(xì)化基體組織，提高鑄鐵強(qiáng)度；避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性。孕育鑄鐵適合于動(dòng)載荷較小、靜載荷較大、要求耐磨和減震的重要鑄件，尤其是厚大截面的鑄件。4647球墨鑄鐵1947年1)、定義：在澆注前向鐵水中加入球化劑和孕育劑進(jìn)行球化處理和孕育處理，獲得石墨呈球狀分布的鑄鐵，稱為球墨鑄鐵，簡(jiǎn)稱“球鐵”?；铱阼T鐵經(jīng)孕育處理后雖然細(xì)化了石墨片，但球狀石墨則是最為理想的一種石墨形態(tài)。2)、球墨鑄鐵的組織

對(duì)基體割裂作用進(jìn)一步減輕球墨鑄鐵的生產(chǎn)（1）鐵液的化學(xué)成分:C↑(3.6-4.0%)，Si（1.8-3.2%），

S、P↓球化劑（稀土鎂合金)的作用：使石墨呈球狀析出；加入量1-1.6%鐵液質(zhì)量。（2）球化劑和孕育劑孕育劑(硅鐵75%Si)的作用：促使石墨化，防白口。加入量0.4-1%鐵液質(zhì)量。球墨鑄鐵的生產(chǎn)球化處理常用沖入法51合金常用孕育劑的主要元素情況52鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討（2005）實(shí)驗(yàn)：在Al-Mg合金中加入相同含量的Zr,La和Er不同成分的實(shí)驗(yàn)合金在800℃下熔化并保溫相同時(shí)間.蘇婕,肖于德,黎文獻(xiàn),吳永玉-材料與冶金學(xué)報(bào)53鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討金相觀察54鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討鑄態(tài)組織55Zr的分布56Re的分布57鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討結(jié)論(1)Zr和RE的加入都能使鋁鎂合金凝固時(shí)形成的柱狀晶區(qū)減小或退化,等軸晶區(qū)相應(yīng)增大,合金的凝固結(jié)晶方式發(fā)生了變化.其中Zr和RE的復(fù)合添加效果最好,單獨(dú)添加Zr次之,單獨(dú)添加RE效果較差.(2)Zr能明顯地細(xì)化鋁鎂合金的鑄態(tài)組織,其細(xì)化機(jī)理是凝固時(shí)作為α-Al的領(lǐng)先相,起異質(zhì)形核作用,從而細(xì)化晶粒.(3)RE在鋁鎂合金的細(xì)化機(jī)理是凝固時(shí)富集于界面前沿,增大了合金的成分過(guò)冷從而細(xì)化晶粒。(4)RE(La、Er)的加入,并未與Zr形成面心立方Al3X型金屬間化合物.Zr與RE在鋁合金中的細(xì)化機(jī)制不相同.58孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過(guò)程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤(rùn)濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開(kāi)的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來(lái)選擇。59三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動(dòng)2．超聲波振動(dòng)3．液相攪拌4．流變鑄造601．鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說(shuō)明液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)612．超聲波振動(dòng)

超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過(guò)冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。623．液相攪拌采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。連鑄過(guò)程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。634．流變鑄造

流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)50～60％時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液相線溫度，所以對(duì)于黑色金屬的壓鑄件來(lái)說(shuō)，能大大減輕金屬對(duì)模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。64傳統(tǒng)鑄造和流變鑄造所獲得的顯微組織傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

65第五節(jié)焊接熔池凝固及控制一、熔池凝固條件二、熔池結(jié)晶特征三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化66一、熔池凝固條件體積小、冷速快溫差大、過(guò)熱度高動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程液態(tài)金屬對(duì)流激烈

671.熔池金屬的體積小，冷卻速度快在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3

，重量不超過(guò)100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通常可達(dá)4～100℃/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。682.溫差大、過(guò)熱溫度高熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對(duì)于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)2100～2300℃，而熔池后部表面溫度只有1600℃左右，熔池平均溫度為1700±100℃。由于過(guò)熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。693.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過(guò)渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對(duì)流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開(kāi)始凝固。因此，凝固過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。圖5-11熔池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶704.液態(tài)金屬對(duì)流激烈

熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。71二、熔池結(jié)晶特征非平衡結(jié)晶

聯(lián)生結(jié)晶

柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化

熔池凝固組織形態(tài)的多樣性

1.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶熔池體積小、冷卻速度大

焊接熔池體積小，其周圍被體積很大的母材金屬所包圍，熔池界面導(dǎo)熱條件很好，故熔池冷卻速度很快，其平均值可達(dá)到100℃/s，約為鑄造時(shí)的104倍。721.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶熔池過(guò)熱、溫度梯度大

焊接熔池中的液態(tài)金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，如低碳鋼的焊接熔池平均溫度可達(dá)到1870℃，遠(yuǎn)高于鑄造時(shí)的最高平均溫度1550℃。731.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶熔池在動(dòng)態(tài)下結(jié)晶焊接熔池中金屬的結(jié)晶和熔化是同時(shí)進(jìn)行的，結(jié)晶前沿隨焊接熱源而移動(dòng)，而且焊接條件下各種力的作用會(huì)使正在結(jié)晶中的熔池受到激烈的攪拌。7475

2.聯(lián)生結(jié)晶和競(jìng)爭(zhēng)成長(zhǎng)在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池邊界未熔母材晶粒表面，非自發(fā)形核就依附在這個(gè)表面，在較小的過(guò)冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長(zhǎng)，稱為聯(lián)生結(jié)晶(也稱外延生長(zhǎng))。76競(jìng)爭(zhēng)成長(zhǎng)結(jié)晶理論告訴我們，每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)結(jié)晶速度最快的最優(yōu)結(jié)晶取向，而且溫度梯度的方向?qū)Y(jié)晶速度也有極為重要的影響。77783.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化典型的焊接熔池形狀像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大,L增加,Bmax減小.79熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,晶體生長(zhǎng)方向與最大散熱方向正好相反,因此在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷改變方向,形成彎曲狀柱狀晶。生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ滿足關(guān)系式:柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化20921-3A成長(zhǎng)速度和方向的變化由式可以看出，在焊接速度v一定的條件下，晶粒成長(zhǎng)速度R僅取決于結(jié)晶等溫面法線方向與焊接方向的夾角α或晶粒成長(zhǎng)方向與焊接方向的夾角3.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化20921-3A在熔合區(qū)上晶粒開(kāi)始成長(zhǎng)的瞬時(shí)（如圖5-15中H和F點(diǎn)）,Ψ=90，cosΨ=0，晶粒生長(zhǎng)線速度R為零，即焊縫邊緣的生長(zhǎng)速度最慢。而在熱源移動(dòng)后面的焊縫中心（D點(diǎn)），Ψ=0，cosΨ=1,晶粒生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ相等，即晶體生長(zhǎng)最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長(zhǎng)的有利方向也隨之變化，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。3.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化20921-3A焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)

晶粒成長(zhǎng)速度與焊接速度的關(guān)系20921-3A焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)晶粒成長(zhǎng)速度和方向的變化85熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,晶體生長(zhǎng)方向與最大散熱方向正好相反,因此在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷改變方向,形成彎曲狀柱狀晶。生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ滿足關(guān)系式:在熔合區(qū)上晶粒開(kāi)始成長(zhǎng)的瞬時(shí)（圖中

H和F點(diǎn)）,晶粒生長(zhǎng)線速度R為零，即焊縫邊緣的生長(zhǎng)速度最慢。而在熱源移動(dòng)后面的焊縫中心（D點(diǎn)），晶粒生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ相等，生長(zhǎng)最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。86焊接速度大時(shí)，焊接熔池長(zhǎng)度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線生長(zhǎng);焊接速度越慢,柱狀晶越彎曲。最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)夾雜物易被推移到焊縫中心區(qū)域，形成脆弱的結(jié)合面，因此垂直于焊縫中心線的柱狀晶，易導(dǎo)致縱向熱裂紋的產(chǎn)生。焊接速度快焊接速度慢20921-3A焊接速度對(duì)晶粒成長(zhǎng)方向的影響

a)高速焊b)低速焊3.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化20921-3A3.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化高速焊和熱裂ASS/Alalloy20921-3A3.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化高速焊和熱裂904.熔池凝固組織形態(tài)的多樣性在熔池兩側(cè)翼邊界，由于結(jié)晶速度R非常小，溫度梯度G較大，G/R則很大，成分過(guò)冷接近于零，滿足平面晶生長(zhǎng)的條件。隨著凝固界面遠(yuǎn)離熔合區(qū)邊界向焊縫中心推進(jìn)時(shí),結(jié)晶速度R逐漸增大，而溫度梯度G減小,G/R逐步減小，成分過(guò)冷逐漸增大，平面生長(zhǎng)將轉(zhuǎn)為胞狀生長(zhǎng)；隨著成分過(guò)冷的進(jìn)一步加大，樹(shù)枝晶生長(zhǎng)的方式逐漸占主導(dǎo)地位，在到達(dá)熔池尾端結(jié)束凝固時(shí)，成分過(guò)冷度最大，有可能形成等軸樹(shù)枝晶區(qū)。20921-3A焊接熔池的結(jié)晶形態(tài)1.熔池結(jié)晶的典型形態(tài)

(1)平面結(jié)晶當(dāng)固-液界面前方液相中的溫度梯度G(即溫度曲線的斜率dT/dx)很大時(shí)，液相溫度曲線T不與結(jié)晶溫度曲線TL相交，因而液相中不存在成分過(guò)冷區(qū)，如圖3-6a所示。圖3-6平面結(jié)晶形態(tài)

a)成分過(guò)冷條件b)形成機(jī)理示意圖c)平面晶微觀照片20921-3A焊接熔池的結(jié)晶形態(tài)(2)胞狀結(jié)晶當(dāng)固-液界面前方液相中的溫度梯度G較大時(shí)，液相溫度曲線T與結(jié)晶溫度曲線TL在短距離x內(nèi)相交，形成較小的成分過(guò)冷區(qū)，如圖3-7a所示。圖3-7胞狀結(jié)晶形態(tài)

a)成分過(guò)冷條件b)形成機(jī)理示意圖c)胞狀晶微觀照片20921-3A焊接熔池的結(jié)晶形態(tài)(3)胞狀