非平衡组织实验一文档格式.doc
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熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的
图４－１焊缝金属的交互结晶示意图
焊接。
联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图４—１为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。
由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。
这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。
当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被遏止。
这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶。
2．焊缝的结晶形态
根据浓度过冷的结晶理论，合金的结晶形态与溶质的浓度C0、结晶速度（或晶粒长大速度）及和温度梯度G有关。
图4—2为C0、R和G对结晶形态的影响。
由图可见，当结晶速度及和温度梯度G不变时，随着金属中溶质浓度的提高，浓
度过冷增加，从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶，胞状树枝晶，树枝状晶及等
轴晶。
当合金成分一定时，结晶速度越快，浓度过冷越大，结晶形态由平面晶发展到胞状
晶、树枝状晶，最后为等轴晶。
当合金成分C0和结晶速度R一定时，随着温度梯度G的升高，浓度过冷将减小因
而结晶形态会由等轴晶变为树枝晶，直至平面晶。
随着晶粒的成长，熔池中晶粒界面前的浓度过冷和温度梯度也随着发生变化。
因而，
熔池全部凝固以后，各处将会出现不同的结晶形态。
在焊接熔池的熔化边界上，温度梯
度G较大，结晶速度R很小，因此此处的浓度过冷最小，随着焊接熔池的结晶。
温度
梯度G由熔化边界处直到焊缝中心逐渐变小，熔池的结晶速度R却逐渐增大，到焊缝
中心处，温度梯度最小，结晶速度最大，
故浓度过冷最大。
由上述分折可知，焊缝中
结晶形态的变化，由熔合区直到焊缝中心，依次为：
平面晶，胞状晶，树枝状晶，等轴
图4-3GH30氩弧焊焊缝熔合区的胞状晶
晶。
图4-2C0、R和G对结晶形态的影响
在实际的焊缝金属中，由于被焊金属的成分、板厚、接头型式和熔池的散热条件不
同，一般不具有上述的全部结晶形态。
当焊缝金属成分不甚复杂时，熔合区将出现平面
晶或胞状晶。
例如，厚度为1~1.5mm的高温合金GH30对接焊时，熔合区便出现胞状
晶，如图4—3。
当焊缝金属中合金元素较多时，熔合区的结晶形态往往是胞状树枝晶
（或树枝状晶），焊缝金属中心则为等轴晶。
图4—4为1mm厚的1Crl8Ni9Ti不锈钢和
1.2mm厚的GHl40高温合金，氩弧焊时焊缝中心的结晶形态。
焊缝的结晶形态除了受被焊金属成分的影响外，还与焊接速度、焊接电流、板厚和
接头型式等工艺因素有关。
（二）不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化
不易淬火钢包括低碳钢、16Mn等低合金钢。
若以20号碳钢为例，根据其焊接热
影响区金属的组织特征，可以分为四个区域（如图4—5所示）。
1．熔合区
（a）
（b）
（c）
图4-4焊缝中的胞状晶及等轴晶×
200
（a）GH140焊缝熔合区胞状树枝晶；
（b）GH140焊缝中心等轴晶；
（c）1Cr18Ni9Ti焊缝中心等轴晶
图4-5低碳钢焊接热影响区分布特征
1-熔合区；
2-粗晶区；
3-细晶区；
4-不完全重结晶区；
5-母材。
紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔化区。
焊接时，该区金属处于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间。
在一般熔化焊的情况下，此区仅有2~3个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。
但是，它对焊接接头的强度、塑性都有很大影响。
2．粗晶区
该区的加热温度范围为1100~1350℃。
由于受热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，故称为过热区。
此区的塑性差、韧性低、硬度高。
其组织为粗大的铁素体和珠光体。
在有的情况下，如气焊或导热条件较差时，甚至可获得魏氏体组织。
粗晶区的显微组织见图4—6（b）。
（d）
（e）
图4-620号钢焊接接头金相组织×
350
（a）焊缝组织；
（b）粗晶区魏氏体组织；
（c）细晶区组织；
（d）不完全重结晶区组织；
（e）母材。
3．细晶区
此区加热温度在Ac3~1100℃之间。
在加热过程中，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，即产生金属的重结晶现象。
由于加热温度稍高于Ac3，奥氏体晶粒尚未长大，冷却后将获得均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，故又称为正火区或相变重结晶区。
该区的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小，如图4—6（c）所示。
4．不完全重结晶区
焊接时，加热温度在Ac1~Ac3之间的金属区域为不完全重结晶区。
当低碳钢的加热
温度超过Ac1时，珠光体先转变为奥氏体。
温度进一步升高时，部分铁素体逐步溶解于
奥氏体中，温度越高，溶解的越多，直至Ac3时，铁素体将全部溶解在奥氏体中。
焊后
冷却时又从奥氏体中析出细小的铁素体，一直冷却到Ar1时，残余的奥氏体就转变为共
析组织——珠光体。
由此看出：
此区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，而始终未
溶入奥氏体的铁素体，在加热时会发生长大，变成较粗大的铁素体组织，所以该区域金
属的组织是不均匀的，晶粒大小不一，一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光
体，另一部分是粗大的铁素体（图4—6（d））。
由于组织不均匀，因而机械性能也不均匀。
如果焊前母材为冷轧状态，则在加热温度为Ac1以下的金属中，还存在一个再结晶区。
处于再结晶区的金属，在加热的过程中，将发生金属的再结晶过程，即经过冷变形后的碎晶粒在再结晶温度作用下重新排列的过程。
（二）针对不同材料的焊接接头分析
1、16Mn
焊接材料母材：
16Mn
图号：
01
浸蚀剂：
4%硝酸酒精
材料及状态：
16Mn钢
组织及说明：
焊缝组织。
图中白色条状组织为晶界先共析铁素体，描绘出焊缝柱状晶原奥氏体晶界。
晶粒内部为针状铁素体组织。
图片01
03
过热区组织。
母材过热区
组织粗大。
组织为铁素体十珠光体。
02
熔合区组织。
左侧为焊缝
组织，右侧为母材过热区组织。
图片03
图片02
06
下观察接近表面的盖面层焊缝区域为正常的铸状枝晶组织，枝晶沿板厚方向生长，
图片06
05
母材组织。
白色铁素体与黑色珠光体组织。
图片05
图片04
04
16Mn钢
正火区组织。
白色块状铁素体十黑灰色珠光体。
07
界面组织。
熔合线下方的母材热影响区组织为铁素体及少量珠光体组织，与16MnR母材组织相比，铁素体晶粒明显长大，珠光体含量减少，属正常组织，
图片07
2、20钢
粗晶区
该区的加热温度范围为1100~1350℃。
部分正火区
铁素体与珠光体略呈带状组织分布， 加热温度在Ac3～Ac1之间。
焊接时，只有部分组织转变为奥氏体；
冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。
图示01
图示03
图示02
母材
金相组织：
铁素体+珠光体
图示05
图示04
熔合区
紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区。
细晶区
温度在1100℃～Ac3之间，宽度约1.2～4.0mm。
焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。
3、30MnCrSi
调制轧制
母材：
回火索氏体与少量铁素体
调制：
表面比较光滑基本上是索氏体，很少的细小的铁素体。
轧制：
大块的铁素体与大块的珠光体混合物。
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