熔池结晶的常规规律

熔池金属的结晶与一般金属的结晶基本一样，同样也包括形核和晶核长大的过程。由于熔池凝固的特点，其结晶过程有其自身的规律。

1.熔池中晶核的形成

从金属学理论可知，生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低，进行结晶过程的动力学条件是自由能降低的程度。这两个条件焊接过程都具备。

根据结晶理论，晶核有两种：自发晶核和非自发晶核。但在液相中无论形成自发晶核或非自发晶核都需要消耗一定的能量。在液相中形成自发晶核所需的能量为

式中σ——新相与液-相间的表面张力系数；

ΔF_V——单位体积内液-固两相自由能之差。

研究表明，在焊接熔池结晶中，非自发晶核起了主要作用。在液相金属中有非自发晶核存在时，可以降低形成临界晶核所需的能量，使结晶易于进行。

在液相中形成非自发晶核所需的能量为

即

式中θ——非自发晶核的浸润角（见图5-2）。

由式（5-3）可见，当θ＝0°时，E_K＝0，说明液相中有大量的悬浮质点和某些现成表面。当θ＝180°时，E′_K＝E_K，说明液相中只存在自发晶核，不存在非自发晶核的现成表面。由此可见，当θ＝0°～180°时，E′_K／E_K＝0～1，这就是说在液相中有现成表面存在时，将会降低形成临界晶核所需的能量。(www.xing528.com)

图5-2 非自发晶核的浸润角

试验研究证明，角θ的大小决定于新相晶核与现成表面之间的表面张力。如果新相晶核与液相中原有现成表面固体粒子的晶体结构越相似，也就是点阵类型与晶格常数相似，则二者之间的表面张力越小，角θ也越小，那么形成非自发晶核的能量也越小。

在焊接条件下，熔池中存在有两种现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点，通常情况下这种现成表面所起作用不大；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态的母材金属的晶粒表面，非自发晶核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓交互结晶，也称为联生结晶，如图5-3和图5-4所示。

图5-3 熔合区母材半熔化晶粒上成长的柱状晶

图5-4 不锈钢自动焊时的交互结晶

为了改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如钼、钒、钛、铌等）作为熔池中非自发晶核的质点，从而达到细化焊缝金属晶粒的目的。

2.熔池中晶核的长大

熔池中晶核形成后，以这些新生的晶核为核心，不断地向焊缝中成长。熔池金属结晶开始于熔合区附近母材半熔化晶粒的现成表面。也就是说，熔池金属开始结晶时，是从靠近熔合线处的母材上以联生结晶的形式长大起来。由于每个晶粒的长大趋势不尽相同，有的柱状晶迅速长大，一直长到焊缝中心；有的晶体却在长大时中途停止，不再继续长大；少数晶粒没有明显长大。

晶粒是由众多的晶胞所组成的。在一个晶粒内晶胞具有相同的方位称为“位向”。不同的晶粒具有不同的位向，称为各向异性。因此，在某一个方向上的晶粒最容易长大。此外，散热的方向对晶粒的长大也有很大的影响。当晶体最容易长大的方向与散热最快的方向（或最大温度梯度方向）相一致时，最有利于晶粒长大，这些晶粒优先成长，可以一直长大到熔池的中心，形成粗大的柱状晶。有的晶体由于取向不利于成长，与散热最快的方向又不一致，这时晶粒的成长就会停止下来，如图5-5所示，这就是焊缝中柱状晶体选择长大的结果。应指出，柱状晶体成长的形态与焊接条件有着密切的关系，例如焊接热输入、焊缝的位置、熔池的搅拌与振动等。