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焊缝金属的固态相变姓名：宋锋涛本科专业：飞行器制造工程专业：航空工程学号：140308523207学院：航空制造工程学院主要内容Part1奥氏体不锈钢焊接中的铁素体向奥氏体的转变Part2低碳钢和低合金钢焊缝中奥氏体向铁素体的转变Part1奥氏体不锈钢焊接中的铁素体向奥氏体的转变1.1基本的凝固模式奥氏体不锈钢的焊缝通常以面心立方（fcc）结构奥氏体为基体，其中分布着不同数量的体心立方结构的-铁素体（bcc）。奥氏体不锈钢的焊缝有适当数量的-铁素体是必要的。但当-铁素体的数量过高时（≥10体积％），焊缝金属的延展性、韧性、和抗腐蚀性均降低；同时当-铁素体含量过低时（≤5体积％），可导致焊缝产生凝固裂纹。Fe-Cr-Ni系统的三元相图Fe-Cr-Ni三元合金系统（a）液相平面；（b）固相平面Fe-Cr-Ni三元合金系统（a）液相平面；（b）固相平面如图所示，粗曲线是液相线，称之为双重饱和线，这条线从Fe-Ni二元合金的包晶反应下降到三元共晶点（49Cr-43Ni-8Fe）,合金的成分在这条线的富Cr侧（上部）时，-铁素体作为主要的凝固相，也就是在液相中首先形成的固相。相反，当合金的成分在这条线的富Ni侧（下部）时，奥氏体作为主要的凝固相。如图所示，粗曲线是液相线，称之为双重饱和线，这条线从Fe-Ni二元合金的包晶反应下降到三元共晶点（49Cr-43Ni-8Fe）,合金的成分在这条线的富Cr侧（上部）时，-铁素体作为主要的凝固相，也就是在液相中首先形成的固相。相反，当合金的成分在这条线的富Ni侧（下部）时，奥氏体作为主要的凝固相。如图所示，粗曲线是液相线，称之为双重饱和线，这条线从Fe-Ni二元合金的包晶反应下降到三元共晶点（49Cr-43Ni-8Fe）,合金的成分在这条线的富Cr侧（上部）时，-铁素体作为主要的凝固相，也就是在液相中首先形成的固相。相反，当合金的成分在这条线的富Ni侧（下部）时，奥氏体作为主要的凝固相。如图所示，粗曲线是液相线，称之为双重饱和线，这条线从Fe-Ni二元合金的包晶反应下降到三元共晶点（49Cr-43Ni-8Fe）,合金的成分在这条线的富Cr侧（上部）时，-铁素体作为主要的凝固相，也就是在液相中首先形成的固相。相反，当合金的成分在这条线的富Ni侧（下部）时，奥氏体作为主要的凝固相。A.相图Fe-Cr-Ni焊缝中凝固时和凝固后组织变化的示意图焊缝金属中的铁素体有三种不同形态：枝晶（a）、蠕虫状（b）、版条状（c）图（d）是三元翠芝截面的示意图B.初生奥氏体对于三相共晶三角形顶点左边的富Ni合金奥氏体（γ）是初生的凝固相，图（a）中白色树枝状组织为奥氏体，在凝固最后阶段形成的—铁素体，夹杂在初生奥氏体枝间呈黑色颗粒，称为枝晶间铁素体。C.初生铁素体对于三相共晶三角形顶点右边的富Cr合金，—铁素体是初生凝固相。图(b)中黑色树枝晶—铁素体。凝固初期形成的树枝状铁素体晶核在含Cr高的区域。当冷却到两相区时，晶核外部的树枝晶由于含有很少的Cr元素，会转变成奥氏体，从而留下树枝晶中心区域形成骨架型结构的富Cr的–铁素体。称为蠕虫状铁素体。焊缝中心处的凝固组织（a）310不锈钢（放大倍数190）;（b）309不锈钢（放大倍数190）。D.焊缝的微观组织图（a）是310不锈钢薄板不填丝钨极气体保护焊焊缝中心的凝固组织，母材含有25%Cr、20%Ni和55%Fe。它的成分对应相图的三相共晶三角形顶点左侧富Ni区域，奥氏体为凝固初生相。微观组织包括奥氏体树枝晶和一次与二次树枝晶之间的树枝晶–铁素体。图（b）母材含有23%Cr、14%Ni和63%Fe，凝固时–铁素体作为初生相。微观组织，蠕虫状铁素体分布于奥氏体基体中。这两种焊缝中，柱状的树枝晶基本都是垂直于泪珠状的熔池壁生长。Fe-Cr-Ni的伪-二元相图（a）在55％（重量）的Fe;（b）在63％（重量）的Fe;（c）在73％（重量）的Fe。309不锈钢不填丝钨极气体保护焊采用液态锡淬火后熔池附近凝固组织（放大倍数70）。混合氯化物腐蚀剂。9.1.2铁素体的形成机制奥氏体首先在熔池的边界从未熔化母材的奥氏体晶粒开始外延生长。稍后-铁素体在凝固的前沿开始形核。在快速冷却之后，-铁素体与奥氏体的位相关系决定了凝固后焊缝金属相变后的铁素体形态。有两种情况：（1）If–铁素体的密排面平行于奥氏体的密排面，则发生转变，形成平直的/γ界面，从而形成蠕虫状铁素体。（2）If-铁素体与奥氏体之间是K-S位向关系，即（110）//(111)γ和[111]//[110]γ，则沿着奥氏体的晶面转变成树枝状-铁素体，从而形成板条状铁素体。Fe-18.8Cr-11.2Ni采用不填丝钨极气体保护焊形成版条状铁素体为了使版条状铁素体继续生长，热流方向一定要与–铁素体和奥氏体选优生长方向100一致。9.1.3铁素体含量的预测舍夫勒首次提出关于成分与焊缝中铁素体含量的定量关系如图给定的合金的Cr当量是由铁素体形成元素Cr、Mo、Si和Cb的浓度决定的，Ni当量是由奥氏体形成元素Ni、C、Mn的浓度决定的。德龙预测焊缝中铁素体含量和凝固模式的相图在考虑对奥氏体形成作用更强烈的N元素的基础上修改了舍夫勒图铁素体含量是用铁素体数来表示多的，比采用铁素体的百分含量具有更好的可重复性，并且能够采用非破坏性的磁性方法来测量。双相不锈钢钨极气体保护焊焊缝中氮元素对铁素体含量的影响通过在氩保护气中加入不同含量的氮气，可将N引入焊缝金属中。如图所示：氮元素可明显地减少焊缝中的铁素体含量。预测铁素体含量和凝固模式的WRC-1992舍夫勒图对于1％、4%和10%Mn时形成马氏体边界线的WRC-1992舍夫勒图铁素体-奥氏体不锈钢成分相图，包括奥氏体形成的边界线和等体积分数的铁素体边界线实验测量铁素体数（FN）与预测值的对比（a）FNN-1999;(b)WRC-19929.1.4冷却速度的影响A冷却方式的影响在低焊速，慢的冷却速度下，对于低Cr-Ni含量比的合金其凝固时的初生相为奥氏体。凝固模式存在两种可能：（1）单一的奥氏体，即在奥氏体的树枝晶或晶胞之间没有铁素体生成。（2）初生奥氏体以及第二铁素体相（AF），即在奥氏体树枝晶之间存在少量铁素体。同样在低焊速，慢的冷却速度下，对于对于高Cr-Ni含量比的合金凝固时铁素体为初生相。凝固模式是初生铁素体以及第二相奥氏体（FA），即蠕虫状铁素体、板条状铁素体以及小块状奥氏体分布在铁素基体中，或起源于铁素体晶界的奥氏体板条。9.1.4冷却速度的影响在高焊速，快的冷却速度下，奥氏体作为凝固的初生相。合金的凝固模式不是单一的奥氏体就是单一铁素体。实线表示四种不同的凝固模式的区域，而虚线代表凝固后发生铁素体向奥氏体转变的不同组织。该图表明了在低冷却速度下凝固时以铁素体为初生相的合金，在高冷却速度下凝固时变成奥氏体为初生相。9.1.4冷却速度的影响B.树枝晶尖端的过冷现象Vitek等把在高温的冷却速度下凝固模式从初生铁素体到初生奥氏体的改变归因于树枝晶尖端的过冷现象。如图所示，在低的冷却速度下合金Co凝固为铁素体模式。但是在激光或电子束焊接的高冷却速度下，熔化的金素能够在延长的奥氏体液相线一下产生过冷，在热力学上存在着熔化金属在凝固时产生初生奥氏体的可能。成分点Co越靠近三相三角形的定点，越容易产生充分的过冷，使得凝固模式发生初生铁素体向初生奥氏体的转变。Fe-Cr-Ni相图的垂直截面9.1.5重新加热时铁素体的分解Lundin和Chou在奥氏体多道焊或修复焊缝中观察到了铁素体的分解现象。在先敷的、临近熔化区的焊缝金属区域铁素体数量和延展性都比较低，在应力的作用下，这一区域金属易产生裂纹。这是由于焊缝被重新加热到γ-固溶相线温度一下时，这些区域的–铁素体易分解。316不锈钢焊接过程中热循环对铁素体含量的影响（a）未经受热循环的焊缝；（b）焊后经受1250℃峰值温度的三次热循环后的焊缝。如图所示316不锈钢焊缝收到高温热循环时，焊缝中存在着严重的铁素体损失。Part.2低碳钢和低合金钢焊缝中奥氏体向铁素体的转变9.2.1微观组织演变在焊缝金属中的树枝晶和胞状晶，并非总是可辨的。首先，在凝固过程中如果分离比率k接近于1，是不会发生严重的溶解物分离的。即使晶粒结构本身仍可清楚可见，得到的焊接金属中微观偏析，尤其是在枝晶间或胞晶间区域溶解偏析，程度也很轻，不足以使晶粒内部形成枝晶或胞晶结构。其次，如果固态扩散快速地进行，微观偏析将会非常小或快速被均匀化，在所形成的焊接金属中枝晶或胞状晶将不会很明显。最后，如果固态相变发生，将会在晶粒内或沿晶粒边界产生新的微观组织结构，在焊接金属内部的亚晶粒结构将会消失。低碳钢的焊接金属经历连续冷却的转变图六边形表示在焊缝金属形成的奥氏体柱状晶的横截面。当奥氏体（γ）由高温冷却时，铁素体（α）在晶界形核并向晶内生长。晶界处形成的铁素体也被称作“仿晶界面”铁素体，这意味着它并不具有反映其内部晶体结构的规则的多面形状。在较低温度下，晶界处铁素体平面生长减缓，魏氏铁素体在晶内形成。这些奥氏铁素体生长非常快，主要是因为C元素被推到生长尖端侧面，而不是堆积在平面生长前沿。在奥氏铁素体生长时，置换原子不会发生扩散。在更低温度下，奥氏铁素体生长缓慢，且不会向晶内生长。若正在生长的铁素体在前沿存在新的铁素体形核，那么他可以生长的较快。9.2.2影响微观组织的因素如图所示对焊缝微观组织变化的影响因素：焊缝金属的成分、从800℃冷却到500℃的时间(△t8–5)、焊缝金属的含氧量和奥氏体晶粒的尺寸等。垂直的箭头表示的是这些因素增强时方向。由合金元素、从800℃冷却到500℃的时间、焊缝金属的含氧量以及奥氏体晶粒的大小所产生影响的示意图A.冷却时间如图所示，曲线从1变到2和3时，冷却速度下降（△t8–5）,转变的产物从以奥氏体为主（上图c）变成以针状铁素体为主（上图b），再到以晶界铁素体和魏氏铁素体为主（上图a）。B.合金成分合金元素的增加将使CCT曲线向较长的时间和较低的温度方向平移。如图所示冷却曲线3转换产物能够从晶界铁素体和魏氏铁素体为主转变到以针状铁素体为主，再转到以贝氏体为主。C.晶粒大小奥氏体晶粒尺寸增加（使铁素体形核的晶界区域变小），同样会使得连续冷却转变图（CCT）曲线向较长时间和较低温度方向平移。D.焊缝金属的含氧量在埋弧焊焊缝组织发生变化之前，奥氏体晶粒的尺寸随着焊缝金属含氧量增加而减小。增加焊缝的含氧量会使得焊缝中杂质分数增加，但会减小杂质的平均尺寸。精细尺寸小而多的第二相颗粒通过针扎晶界能够显著地抑制晶粒的生长，这样增加焊缝金属的含氧量能够减少先生成的奥氏体晶粒的尺寸。其次，焊缝金属含氧量比较低，使得焊缝中产生较大尺寸的杂质，它们能够有利于针状铁素体形核（适当的杂质尺寸范围为0.2-2μm）。埋弧焊焊缝金属含氧量对先生成的奥氏体晶粒直径的影响D.焊缝金属的含氧量如果含氧量太低（＜200ppm），就不足以形成针状铁素体形核所需要的杂质的数量。另一方面，如果含氧量太高（＞300ppm）,又会在焊缝中产生许多细小的氧化物。虽然其尺寸小，不能对铁素体形核起到有效作用，但它们能够减小晶粒尺寸，进而提供更多的晶界区域以满足晶界铁素体形核。因此，就希望为形成针状铁素体找到一个最佳焊缝含氧量。报道称：在熔化极气体保护焊中添加氧气或二氧化碳可以达到预期效果。9.2.3焊缝金属的韧性针状铁素体是最希望获得的组织，因为它能够提高焊缝金属的韧性。如图所示，在采用埋弧焊时，焊缝金属的夏比V型缺口试样的韧性随着焊缝金属中针状铁素体体积分数的增加而增加。针状铁素体的咬合特性以及细小的晶粒尺寸能够对裂纹扩展提供最大抵抗力。晶界铁素体，侧板条状铁素体以及上贝氏体的形成对焊缝金属的韧性有害，因为这些组织会提供裂纹易于扩展的路径。埋弧焊中针状铁素体的体积分数对夏比V型缺口试样韧性值的影响—完—