熔池金属的结晶与一般金属的结晶基本一样,同样也包括形核和晶核长大的过程。由于熔池凝固的特点,其结晶过程有其自身的规律。
1.熔池中晶核的形成
从金属学理论可知,生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低,进行结晶过程的动力学条件是自由能降低的程度。这两个条件焊接过程都具备。
根据结晶理论,晶核有两种:自发晶核和非自发晶核。但在液相中无论形成自发晶核或非自发晶核都需要消耗一定的能量。在液相中形成自发晶核所需的能量为
式中σ——新相与液-相间的表面张力系数;
ΔFV——单位体积内液-固两相自由能之差。
研究表明,在焊接熔池结晶中,非自发晶核起了主要作用。在液相金属中有非自发晶核存在时,可以降低形成临界晶核所需的能量,使结晶易于进行。
在液相中形成非自发晶核所需的能量为
即
式中θ——非自发晶核的浸润角(见图5-2)。
由式(5-3)可见,当θ=0°时,EK=0,说明液相中有大量的悬浮质点和某些现成表面。当θ=180°时,E′K=EK,说明液相中只存在自发晶核,不存在非自发晶核的现成表面。由此可见,当θ=0°~180°时,E′K/EK=0~1,这就是说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。(www.xing528.com)
图5-2 非自发晶核的浸润角
试验研究证明,角θ的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新相晶核与液相中原有现成表面固体粒子的晶体结构越相似,也就是点阵类型与晶格常数相似,则二者之间的表面张力越小,角θ也越小,那么形成非自发晶核的能量也越小。
在焊接条件下,熔池中存在有两种现成表面:一种是合金元素或杂质的悬浮质点,通常情况下这种现成表面所起作用不大;另一种是熔合区附近加热到半熔化状态的母材金属的晶粒表面,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,形成所谓交互结晶,也称为联生结晶,如图5-3和图5-4所示。
图5-3 熔合区母材半熔化晶粒上成长的柱状晶
图5-4 不锈钢自动焊时的交互结晶
为了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(如钼、钒、钛、铌等)作为熔池中非自发晶核的质点,从而达到细化焊缝金属晶粒的目的。
2.熔池中晶核的长大
熔池中晶核形成后,以这些新生的晶核为核心,不断地向焊缝中成长。熔池金属结晶开始于熔合区附近母材半熔化晶粒的现成表面。也就是说,熔池金属开始结晶时,是从靠近熔合线处的母材上以联生结晶的形式长大起来。由于每个晶粒的长大趋势不尽相同,有的柱状晶迅速长大,一直长到焊缝中心;有的晶体却在长大时中途停止,不再继续长大;少数晶粒没有明显长大。
晶粒是由众多的晶胞所组成的。在一个晶粒内晶胞具有相同的方位称为“位向”。不同的晶粒具有不同的位向,称为各向异性。因此,在某一个方向上的晶粒最容易长大。此外,散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。当晶体最容易长大的方向与散热最快的方向(或最大温度梯度方向)相一致时,最有利于晶粒长大,这些晶粒优先成长,可以一直长大到熔池的中心,形成粗大的柱状晶。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,这时晶粒的成长就会停止下来,如图5-5所示,这就是焊缝中柱状晶体选择长大的结果。应指出,柱状晶体成长的形态与焊接条件有着密切的关系,例如焊接热输入、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。
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