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第六章:特殊条件下的凝固快速凝固:是指采用急冷或大过冷技术获得很高的凝固前沿推进速度的一种凝固过程特点:通常界面推进速度大于10mm/s。快速凝固基本原理：分为急冷凝固技术和大过冷技术。急冷凝固技术的核心：提高凝固过程的熔体的冷速。要求：1）减少单位时间内金属凝固时产生的结晶潜热2）提高凝固过程中的传热速度。方法：设法减少同一时刻凝固的熔体体积并减少熔体体积和其散热表面积之比；设法减少熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面的热阻及主要通过传导方式散热6。大过冷技术的原理：要在熔体中形成尽可能接近均质形核的那个条件。方法：把熔体弥散成熔滴；设法把熔体与容器壁隔离开，甚至在融化于凝固过程中不用容器，以减少或消除由容器壁引入的形核媒质。急冷技术分为：模冷技术：主要使熔体与冷模接触并以热传导的方式散热。采用模冷技术，熔体的凝固冷速较高，产品的微观组织结构和性能比较均匀（优点），但是使用模冷技术生产的急冷合金产品作为结构材料使用时，要首先粉碎后才能经固结成形加工成大块材料（缺点）雾化技术：采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的方式凝固。采用雾化技术制成的产品主要是粉末，可以不用粉碎而直接固结成形为大块材料或工件，故生产成本较低，便于大批量生产（优点），熔体在凝固过程中主要以对流方式冷却，故凝固速度一般不如模冷技术高。表面熔化与沉积技术：应用激光束、电子束、或等离子束等作为高密度能束聚焦并迅速逐行扫描工件表面，使工件表面熔化。表面熔化与沉积技术应用较多的是等离子体喷涂沉积技术，主要使用高温等离子体火焰熔化合金或陶瓷粉末，然后喷射到工件表面，高温熔滴迅速冷凝沉积并与基体结合成牢固、致密的喷涂层。具有凝固冷速高，工艺流程短，生产速度快，应用比较方便等特点，但只能应用于工件表面强化。快速凝固晶态合金的组织和性能特征:显著扩大合金的固熔极限2）超细的晶粒度3）少偏析或无偏析4）形成亚稳相5）高的点缺陷密度。快速凝固合金由于微观组织结构的尺寸明显细化和均匀化，故具有很好的晶界强化和韧化、微畴强化和韧化等作用；成分均匀、偏析减小不仅提高了合金元素的使用效率还避免；一些降低合金性能的有害相的产生，消除了微裂纹萌生的隐患，故改善了合金的强度和延性和韧性；固熔度的扩大、过饱和固溶体的形成，不仅起到了很好的固熔强化的作用，也为第二相的析出、弥撒强化提供了条件；位错、层错密度的提高还产生了位错强化的作用。亚稳相也起到很好的强化和韧化的作用。定向凝固(定向结晶):是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法..第七章：焊缝及其热影响区焊接：通过加热或加压或两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件产生原子（分子）间结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接包括：熔焊，压焊，钎焊熔焊：通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒。压焊：利用加压、摩擦、扩散等物理作用客服连接表面的不平度，挤除氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。压焊时必须加压。为了有效地实现压焊，常在加压的同时加热。但加热温度远低于母材的熔点。除加热温度较高的扩散焊外，都无需保护措施。钎焊：采用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热的温度仅使钎料熔化而母材不熔化。熔焊和钎焊主要采用热能，压焊主要采用机械能。通常指的电阻焊又称压焊，属于固相焊接。但电阻点焊缝焊的接头在形成过程中伴随熔化结晶过程，属于熔焊。熔焊焊接接头的形成及冶金过程：焊接热过程：熔焊时被焊金属及焊接材料在热源作用下局部受热并熔化，热源移走后焊接熔池冷却凝固，焊缝及热影响区金属发生固态相变。故整个焊接过程自始至终都是在焊接热作用过程中发生和发展的。焊接化学冶金过程：熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应。这些冶金反应直接影响焊缝金属的成分、组织、性能。控制措施：1）控制焊缝金属中夹杂物的种类，直径大小，作为形核质点细化焊缝金属晶粒，提高焊缝的强度与韧性2）往焊缝中加入微量合金元素进行变质处理3）适当降低焊缝的碳含量，并最大限度的排除焊缝中的S、P、O、N、H、等的杂质，使焊缝净化，也能提高焊缝的韧性。焊接物理冶金过程：在焊接热源作用下，焊接材料及木材金属局部熔化，热源离开后经过化学冶金反应的熔池金属开始凝固结晶，金属原子有近程有序变为远程有序排列；随着温度的降低，具有同素异构转变的金属，在冷却的过程中还将发生不同的固态相变。在焊接进行过程中，焊缝周围未融化的母材在加热和冷却过程中，发生了显微组织和力学性能变化的区域称为热影响区（HAZ）。此区域与焊缝不同，主要发生物理冶金过程。由于HAZ中各点距焊缝的远近不同，所经受的最高温度和高温停留时间也不同，将发生不同的组织转变，必影响其性能变化。焊接接头主要由焊缝、热影响区、母材组成。焊缝与热影响区之间有一薄层过渡区，称为熔合区。焊接熔池：熔焊时，在热源的作用下母材将发生局部熔化，并与熔化了的填充金属搅拌混合形成焊接熔池。当热源离开后，熔池也开始凝固结晶，随着热远的移动焊接熔池不断形成又不断结晶，从而形成了焊缝。焊接熔池的特征：1）熔池的体积较小，冷却速度大2）焊接熔池的液态金属处于过热的状态3）焊接熔池的液态金属始终处于运动状态。熔池凝固的特点：结晶过程经历形核和晶核的长大过程。焊接熔池的凝固属于非平衡凝固。1）联生结晶（交互结晶、外延结晶）：其凝固过程是从边界开始的，是一种非均匀形核。焊缝金属呈柱状晶形式与母材联系，好似母材晶粒的外延生长。这种依附母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，叫联生结晶。2）择优生长：在熔池的边界开始结晶之后，晶体变呈柱状晶的形式继续向熔池的内部成长。柱状晶的成长，其主轴具有严格结晶位向。与熔池边界等温线相垂直，也就是正好是散热最快的方向，有利于柱状晶的成长。处于熔池边界等温线的偏斜方向，不利于其成长，这就是焊缝中柱状晶择优长大的结果。焊缝金属凝固组织的形态：1、晶1）平面晶：在固-液界面前方液相中温度梯度G很大，不形成成分过冷区，此时凝固界面为平滑界面，且在柱状晶内不存在溶质的微观偏析，称为平面晶。多见于高纯金属焊缝或溶质的质量分数底的液态合金，在熔合线附近温度梯度很高而结晶速度很小的边界层中。2）胞状晶：液相中温度梯度G变小，形成少量成分过冷区，此时因平面结晶界面处于不稳定状态，凝固界面长出许多平行束状的晶芽胞，凸入前方过冷的液相，并继续向前成长，凸起的晶芽胞向侧面亚晶界排除溶质，使亚晶界的液相线温度下降，于是在晶粒内部形成一束相互平行的柱状体元、横截面近视六角形的亚结构。主轴方向同成长方向一致，每一棱柱体前沿中心都有稍微突前的现象，这种组织形态称为胞状晶。3）胞状树枝晶：温度梯度G进一步减小，成分过冷区增大，晶体成长加快，胞状晶前沿能够深入液相内部较长的距离，凸起的部分也向周围排出溶质，而在横向也产生成分过冷。4）柱状枝晶2、等轴晶2）晶形态的变化：在焊缝的边界，由于熔合线上的温度梯度大，结晶速度R小，成分过冷很难形成，故多以平面晶形态成长。随着晶粒逐渐远离边界向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐变小，结晶速度逐渐加快，溶质的质量分数增高，成分过冷区也逐渐增大，柱状晶内的亚结构一次向胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶发展。晶体生长到焊缝中心时，温度梯度G最小，结晶速度最大，溶质的质量分数最高，成分过冷区大，最终可能生成等轴晶。焊缝金属的组织：2）低碳钢焊缝的室温组织：低碳钢焊缝碳含量较低，高温奥氏体固态相变后得到铁素体加珠光体组织。固态相变时首先沿着奥氏体晶界析出铁素体，然后发生共析转变A＿P（F+Fe3C），焊缝金属过热时，还会出现魏氏组织，其特征也是铁素体在原奥氏体晶界呈网状析出。焊缝金属是一种多相组织，是晶界铁素体、侧板条铁素体和珠光体混合组织的总称。这种组织的塑性和冲击韧性差，使脆性转变温度上升。2）低合金钢焊缝的室温组织：（1）先析出铁素体（也叫晶界铁素体）：是焊缝冷却较低高温区间（转变温度约770~680°），沿奥氏体晶界首先析出的铁素体。内部的位错密度较低，为低屈服强度的弱相，使焊缝金属韧性下降。）（2）侧板条铁素体：形成温度比先共析铁素体稍低，转变温度范围较宽（约700~550°）。一般从晶界铁素体的侧面以板条状向晶内生长。位错密度比先共析铁素体高一些，它使焊缝金属韧性显著下降。（3）针状铁素体：形成温度比侧板条铁素体更低，约500°附近，在中等冷却速度下才能得到，在原奥氏体晶内以针状分布，常以某些弥散氧化物或氮化物杂物质点为核心放射性成长，使形成的针状铁素体相互限制而不能任意长大。位错密度较高，位错之间也相互缠结，分布也不均匀。针状铁素体的比例增加时，有利于提高焊缝金属的韧性。（4）细晶铁素体：一般是在有细化晶粒的元素存在的条件下，在奥氏体晶粒内形成的铁素体，在细晶之间有珠光体和碳化物析出。转变温度一般在500°一下，若在更低的温度转变时（约450°），可转变为上贝氏体。珠光体：接近平衡状态下低合金钢常见的组织，转变大约发生在Ar1~500°之间。层状珠光体，粒状珠光体，细珠光体。珠光体会增加焊缝金属的温度，但使其韧性下降，贝氏体：贝氏体属于中文转变，转变温度在550°~Ms，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散。上贝氏体：光学显微镜下呈羽毛状，一般沿奥氏体晶界析出，电镜：相邻条状晶的位向接近于平行，且在平行的条状铁素体间分布有渗碳体。由于这些碳化物断续平行的分布于铁素之间，因而裂纹易沿铁素体条间扩展，在各类贝氏体中以上贝氏体的韧性最差。下贝氏体：光学镜：有些与回火片状马氏体相似。电镜：许多针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物。由于下贝氏体的转变温度区在贝氏体转变区的低温部分（450~Ms），碳的扩散更为困难，故在铁素体内分布有碳化物颗粒，碳化物弥散析出于铁素体内，裂纹不易穿过，故下贝氏体具有强度和韧性均良好的综合性能。马氏体：当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。1）板条马氏体：奥氏体晶粒内部平行生长成群的细条状马氏体板条。马氏体板条内存在许多位错，其含碳量低。不仅具有较高的强度，同时具有良好的韧性，抗裂纹能力强，综合性能好。2）片状马氏体：含碳量较高（≥0.4%），将会出现片状马氏体，马氏体片不相互平行，初始形成的马氏体叫粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍。这种马氏体硬度高而脆，容易产生焊缝冷裂纹，应避免。焊缝金属性能的控制：控制焊缝性能是保证焊接质量的主要内容之一。1）焊缝合金化与变质处理：焊缝合金化目的是保证焊缝金属的焊态强度和韧性。采用固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化2）工艺措施：调整焊接参数的方法提高焊缝性能。焊接热影响区的组织与性能：热影响区：熔焊时，在焊接热源的作用下焊缝周围的母材发生组织和性能的变化的区域焊接热影响区的热循环特点：1）焊接热循环：焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后又由高到低随时间的变化过程。组织转变特点：1）焊接热循环的特点（1）焊接HAZ加热温度高（2）加热速度快（3）高温停留时间短（4）局部受热。焊接HAZ各处的温度分布不均匀，加热与冷却也不均匀。造成了组织和性能的不均匀性。2）焊接加热过程中奥氏体化的特点：由于加热速度快，使钢的Ac1、Ac3点相应提高，二者温差也增大。-由于F+P——A转变是扩散型重结晶过程，快速加热必然使奥氏体孕育期延长，不利于奥氏体化奥氏体均匀化。钢中的合金元素，不但合金元素本身扩散较慢，且降低碳的扩散速度，这也不利于奥氏体化。焊接HAZ加热温度高，不但促进奥氏体化，且在高温下奥氏体晶粒迅速长大，使HAZ高温区奥氏体粗大，冷却后为粗大的奥氏体转变产物。焊接热影响区的组织与性能变化：1）钢及不易淬火的低合金钢HAZ之分布（1）熔合区：晶界与晶界内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，所以是焊接接头的薄弱环节。（2）过热区：温度范围处于固相线到1100°左右。由于加热温度高，奥氏体过热，晶粒严重长大。焊后冷却时，奥氏体相变产物也因晶粒粗化使塑性、韧性下降，慢冷是还会出现魏氏组织。（3）相变重结晶区（正火区）：母材已完全奥氏体化，该区处于11