焊缝金属的组织转变和区域偏析

熔焊时，液体熔池从高温冷却到常温，中间经过两次组织变化过程。第一次是从液态转变成固态时的结晶过程，称为一次结晶。第二次是当焊缝金属温度降至相变温度时，又发生了组织转变，这叫做焊缝的二次结晶。焊接熔池一次结晶过程如图1-4所示。

（1）一次结晶 一次结晶是在液态金属中发生的。熔焊时，随着电弧的移去，熔池液态金属温度降低，原子间的活动能力逐渐减小。当温度降低到熔点时，液体金属中有一些原子就开始最先排列起来，形成所谓的“晶核”，然后晶核就依靠吸附周围液体中的原子进行生长，称为“长大”。

图1-3 熔池在运动状态下结晶

图1-4 焊接熔池一次结晶过程

a）开始结晶 b）晶体长大 c）形成柱状晶体 d）结晶过程结束(www.xing528.com)

由于液体熔池中的热量主要是通过熔合线向母材方向散失，因此接触熔合线处的一层液体金属降温最快，并首先凝固结晶，如图1-4a所示；因晶体不可能向已凝固的金属扩散，故晶体向着与散热方向相反的方向长大，如图1-4b所示；晶体向两侧方向的生长也很快受到相邻的正在生长晶体的阻挡，主要的生长方向于是指向熔池中心，并形成柱状结晶，如图1-4c所示；当柱状晶体不断长大到互相接触时，焊缝这一截面的结晶过程就结束了，如图1-4d所示。焊接熔池中的一次结晶，通常是在不平衡的冷却条件下进行的，容易出现偏析现象。偏析是指合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。例如低碳钢，若在晶界上碳和其他杂质元素的含量比钢的平均含量略高些，就称为碳或杂质在晶界上的偏析。焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。

影响显微偏析的重要因素是金属的化学成分。金属的化学成分不同，金属开始结晶和结晶完了的区间就不相同。结晶区间越大，就越容易发生显微偏析。一般低碳钢焊接时，由于结晶开始和结束的温度区间不大，所以显微偏析现象不严重，但高碳钢和合金钢焊接时，显微偏析很严重，常常会导致热裂纹等缺陷，所以高碳钢和合金钢在焊后必须进行扩散和细化晶粒的热处理。

整个焊缝金属范围内的合金元素分布不均匀的现象称为区域偏析。对焊缝的横截面来说，焊缝的周界结晶早，金属成分纯，而低熔点合金元素和杂质集中在焊缝横截面中部，形成区域偏析。影响区域偏析的因素主要有焊接材料、冷却速度、焊缝断面形状等。

周期性的结晶造成晶体沿着生长方向溶质含量和杂质含量周期性地变动，即一层含量高，一层含量低，这种交替分布的偏析现象称为层状偏析。

（2）二次结晶 焊缝金属的组织是在一次结晶之后，金属继续冷却到相变温度以下，经过二次结晶而得到的实际组织。如低碳钢一次结晶的组织都是奥氏体，当冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，所以二次结晶后的组织大部分是铁素体加少量珠光体。但由于焊缝的冷却速度很快，所以珠光体的含量一般都比平衡状态组织中的含量大。冷却速度越快，珠光体含量越高，而铁素体含量越少；相反，冷却速度太慢，如在1100℃以上，凝固温度以下停留时间过长，则二次结晶后铁素体是晶粒粗大、性能不好的过热铁素体组织，在焊接时应尽量避免这种情况。