焊接中合金中的成分偏析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,合肥工业大学材料科学与工程学院制作,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,材料成形基本原理,什么叫偏析？,为什么会出现偏析？,偏析的利弊？,偏析的分类,合金在凝固过程中发生的化学,成分不均匀现象称为偏析,偏析是合金在凝固过程中由于溶质再分配和扩散不充分引起的,偏析对合金的力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等有程度不同的损害。但利用偏析现象可以净化或提纯金属等。,第一节 合金中的成分偏析,一、微观偏析,二、宏观偏析,三、焊接熔合区的化学成分不均匀,一、微观偏析,微观偏析是指,微小范围,（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为：,晶内偏析（枝晶偏析）,晶界偏析,微观偏析的影响因素与消除措施,1,、晶内偏析,晶内偏析是在一个,晶粒内,出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。,固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，又称为枝晶偏析。,2,、晶界偏析,在合金凝固过程中，,溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界,，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。,晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增加热裂纹倾向。,Ni-25%Cu,合金快凝后的树枝状偏析,晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向，晶界与液相的接触处存在凹槽，溶质原子在此处富集，凝固后就形成了晶界偏析。,晶粒相对生长，在对合处彼此相遇。晶粒结晶时所排出的溶质（,k,0,1,）和其他杂质元素在固,-,液界面前沿富积，在最后凝固的晶界对合部位将含有较多的溶质和其他低熔点物质，造成晶界偏析。,偏析程度的影响因素,合金液、固相线间隔,偏析元素的扩散能力,冷却条件,（宽）,（弱）,（快）,微观偏析的影响因素与消除措施,元 素,P,S,B,C,V,Ti,Mo,Mn,Ni,Si,Cr,元素质量,分数,/%,0.01,0.03,0.01,0.04,0.002,0.10,0.3 1.0,0.5 4.0,0.2 1.2,1.0 4.0,1.0 2.5,1.0 4.5,10 3.0,1.0 8.0,偏析系数,|1,k,0,|,0.94,0.90,0.87,0.74,0.62,0.53,0.51,0.86,0.65,0.35,0.34,微观偏析程度一般用偏析系数,|1,k,0,|,来衡量。,|1,k,0,|,值越大，固相和液相的浓度差越大，晶内偏析越严重。,表,11-1,不同元素在铁中的偏析系数,微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消除，即将合金加热到低于固相线,100,200,的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化。,二、宏观偏析,宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：,正常偏析,逆偏析,V,形偏析和逆,V,形偏析,带状偏析与层状偏析,重力偏析,图,11-3,单向凝固时铸棒内溶质的分布,a,平衡凝固,b,液相只有扩散,c,液相完全混合,d,液相部分混合,正常偏析随着溶质偏析系数,|1-k,0,|,的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，宏观偏析反而减轻。,偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。,焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固,-,液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。,图,11-6快速焊时焊缝的区域偏析,电弧位置,逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。,Al-4.7Cu,合金铸件的逆偏析,铸锭的宏观 偏析分布示意图,由于密度的差异，先凝固部分结晶沉淀，在铸锭的下半部形成低于平均成分的负偏析区，上部则形成高于平均成分的正偏析区。,当铸锭中央部分在凝固下沉时，侧面向斜下方产生拉应力，在其上部形成逆,V,形裂缝，并被富含溶质的液相所填充，最终形成逆,V,形偏析带。,带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液,-固界面相平行。,带状偏析的形成是由于固,-,液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。,焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。,图,11-7,焊缝的层状偏析,a),焊条电弧焊,b),电子束焊,层状偏析,a,）,b,）,图,11-9,熔合区中硫的分布,注：上面数字,E,=11.76kJ/cm,下面数字,E,=23.94kJ/cm,硫的浓度,w,S,/%,焊缝,母材,熔合线,熔合区是母材与熔池的界面，,T,m,温度下由于,S,、,P,等杂质元素在固相中的平衡含量远低于液相，造成近界面部位母材中的,S,、,P,向焊缝中转移，在界面前沿的液相中形成杂质元素富集层，随后快速凝固。,熔合区的化学成分不均匀程度与焊接规范有关,大的焊接线能量会使不均匀程度加剧,(,见图中三组数据中的下行,),三、焊接熔合区的化学成分不均匀,结构钢与不锈钢异种钢接头熔合区中碳的分布示意图,异种钢接头焊材一般采用高韧性的奥氏体焊材，由于焊缝富含碳化物形成元素，故碳在其内的活度远低于碳钢母材，在焊后加热过程中，固溶在碳钢,HAZ,中的碳易向焊缝中扩散，在熔合线两侧分别形成增碳区和脱碳区。,x,1,x,2,x,x,实际熔合线,焊缝金属,母材金属,w,C,%,增碳层,脱碳层,