复习资料：第2章_材料成形热过程(1).doc

复习资料：第二章 材料成形热过程 1、与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高 （2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短 （3）热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。2、响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。3、何谓焊接热循环？ 答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点4、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：（1）加热速度H焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。（2）最高加热温度max也称为峰值温度。距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。（3）相变温度以上的停留时间tH在相变温度TH以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。（4）冷却速度C(或冷却时间t8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800500的冷却时间t8 / 5，800300的冷却时间t8/3，以及从峰值温度冷至100的冷却时间t100。5、焊接热循环中冷却时间、的含义是什么？6、影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。7、对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿，这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差，电弧热无法及时散开的缘故；相反，采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。8、对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。解：（1）产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透，因此会出现一定长度的未焊透。（2）解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或焊接电流加大一些，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。9、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？答：（1）焊接热循环对母材金属近缝区的组织的影响：A 不易淬火钢的热影响区组织：在一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区1) 熔合区: 焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具有明显的化学成分不均匀性。2) 过热区(粗晶区): 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100左右)范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却后得到粗大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。3) 相变重结晶区(正火区或细晶区): 该区的母材金属被加热到AC3至1100左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。4) 不完全重结晶区: 焊接时处于AC1AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于AC1AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。B 易淬火钢的热影响区组织:母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：1) 完全淬火区：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，得到粗大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。2) 不完全淬火区：母材被加热到AC1AC3温度之间的热影响区。快速加热和冷却过程得到马氏体和铁素体的混合组织；含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，其组织可能为索氏体或珠光体。母材焊前是调质状态，则焊接热影响区的组织分布除上述两个外，还有一个回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度：若焊前调质时回火温度为Tt，低于此温度的部位，组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1的部位得到回火索氏体，离焊缝较远的区域得到回火马氏体。 (2) 焊接热循环对母材金属近缝区性能的影响 使HAZ发生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。10、 分述低碳钢焊接热影响区各区域的温度区间、组织及性能特点。答：低碳钢属不易淬火钢，其焊接热影响区可分为熔合区，过热区，相变重结晶区和不完全重结晶区。1) 熔合区：温度在固液相线之间，具有明显的化学成分不均匀性，导致组织、性能不均匀，影响焊接接头的强度、韧性，是焊热影响区性能最差的区域。2) 过热区：温度为从固相线到晶粒急剧生长温度（约1100）之间。因为存在很大的过热，该区奥氏体严重粗化，冷却后得到粗大组织，并且出现脆性的魏氏组织。因此，塑、韧性很差。3) 相变重结晶区：温度：从晶粒急剧生长温度（1100）到AC3。加热过程中，铁素体和珠光体全部发生重结晶转变为细小奥氏体。冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体。组织，成分均匀，塑、韧性极好。类似于正火组织，亦称“正火区”。是热影响区中组织性能最佳的区域。4) 不完全重结晶区：温度：AC1AC3，在此温度范围内，只有一部分铁素体和珠光体发生了相变重结晶，冷却形成了细小的铁素体和珠光体；而另一部分为未转变的原始铁素体，因此，晶粒大小不一，形成的组织不均匀，导致力学性能不均匀。11、怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？改善HAZ组织性能的措施1）母材焊后选择合理的热处理方法（调质、淬火等）。2）选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。3）控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。12、焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？答： 焊接热影响区的脆化类型及防止措施：（1）粗晶脆化：对于某些低合金高强钢，由于希望出现下贝氏体或低碳马氏体，可以适当降低焊接线能量和提高冷却速度，从而起到改善粗晶区韧性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高强钢与此相反，提高冷却速度会促使生成孪晶马氏体，使脆性增大。所以，应采用适当提高焊接线能量和降低冷却速度的工艺措施。（2）析出脆化：控制加热速度和冷却速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。（3）组织脆化：控制冷却速度，中等的冷速才能形成M-A组元，冷速太快和太慢都不能产生M-A组元氏体(孪晶马氏体)；控制合金元素的含量，合金化程度较高时，奥氏体的稳定性较大，因而不易分解而形成M-A组元；控制母材的含碳量，选用合适含碳量的材料。（4）HAZ 的热应变时效脆化(HSE): 焊接接头的HSE往往是静态应变时效和动态应变时效的综合作用的结果。尽量使焊接接头无缺口，从而减轻动态应变时效脆化程度；采用合适的冷作工序，静态应变时效脆化的程度取决于钢材在焊前所受到的预应变量以及轧制、弯曲、冲孔、剪切、校直、滚圆等冷作工序。焊接工艺上控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量。13、如何提高热影响区的韧性？ 答：提高热影响区的韧性的措施1)控制组织：对低合金钢，应控制含碳量，使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系,应尽量控制晶界偏析。2)韧化处理: 对于一些重要的结构，常采用焊后热处理来改善接头的性能。合理制定焊接工艺,正确地选择焊接线能量和预热、后热温度是提高焊接韧性的有效措施。3)改善母材性能：如细晶粒钢(利用微量元素弥散强化、固熔强化、控制析出相的尺寸及形态等)采用控轧工艺，进一步细化铁素体的晶粒，也会提高材质的韧性；采用炉内精炼，炉外提纯等一系列措施，从而得到高纯净钢，使钢中的杂质(S、P、O、N等)含量极低，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接HAZ的韧性。14、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？答： 焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理是相同的。但由于焊接过程的特殊性，使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点。焊接热过程概括起来有以下六个特点：（1）一般热处理时加热温度最高在AC3以上l00200，而焊接时加热温度远超过AC3，在熔合线附近可达l350l400。（2）焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。（3）焊接时由于热循环的特点，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为420s，埋弧焊时30l00s)，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。（4）在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温。然而在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。（5）焊接加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变；而热处理过程一般不会出现。（6）焊接过程中，在应力状态下进行组织转变；而热处理过程不是很明显。所以焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性。此外，焊接过程的快速加热，首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。这一过程必然影响冷却过程的组织转变。焊接过程属于非平衡热力学过程，在这种情况下，随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。在焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关。15、在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，哪一种钢的近缝区淬硬倾向大？为什么？答： 在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，淬硬倾向45钢的近缝区淬硬倾向大。因为45钢不含碳化物形成元素，奥氏体开始长大温度低，高温区晶粒粗大，容易形成粗大的马氏体，而40Cr含强碳化物形成元素，强碳化物分解温度高，碳化物的存在会阻碍奥氏体晶粒长大，形成细小的马氏体；钢的淬硬倾向取决于钢的含碳量，45钢的含碳量比40Cr高，综合以上两方面的原因可知淬硬倾向。17、已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为：导热系数=46.5 W/(mK)， 比热容C=460.5 J/(kgK)， 密度=7850 kg/m3，取浇铸温度为1570，铸型的初始温度为20。 用描点作图法绘出该铸件在砂型和金属型铸模（铸型壁均足够厚）中浇铸后0.02h、0.2h时刻的温度分布状况并作分析比较。铸型的有关热物性参数见表2-2。 解：（1）砂型： =12965 =639界面温度： =1497铸件的热扩散率： =1.310-5 m2/s 根据公式 分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表1。表1 铸件在砂型中凝固时的温度分布与铸型表面距离（m）00.020.040.060.080.10温度（）t=0.02h时149715231545155915661569t=0.20h时149715051513152115281535根据表1结果做出相应温度分布曲线见图1。（2）金属型： =12965 =15434界面温度： =727.6 同理可分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表2与图2。表2 铸件在金属型中凝固时的温度分布与铸型表面距离（m）00.020.040.060.080.10温度（）t=0.02h时727.610301277143815201555t=0.20h时727.6823915100510801159t=0.02ht=0.0h图2 铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线图1 铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线 (3) 分析：采用砂型时，铸件金属的冷却速度慢，温度梯度分布平坦，与铸型界面处的温度高，而采用金属铸型时相反。原因在于砂型的蓄热系数b比金属铸型小得多。18、采用（2-17）、（2-18）两式计算凝固过程中的温度分布与实际温度分布状况是否存在误差？分析误差产生的原因，说明什么情况下误差相对较小？ 解：是有误差的。因为在推导公式时做了多处假设与近似处理，如：没有考虑结晶潜热。若结晶潜热小，则误差就小；假设铸件的热物理参数、与铸型的热物理参数、 不随温度变化。若它们受温度影响小，则误差就小；没有考虑界面热阻。若界面热阻不大，则误差就小；假设铸件单向散热，因此只能用于半无限大平板铸件温度场得估算，对于形状差异大的铸件不适用。19、凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？解： 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。 20、比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A球A块A板t块t板t杆。21、在砂型中浇铸尺寸为30030020 mm的纯铝板。设铸型的初始温度为20，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为670，金属与铸型材料的热物性参数见下表： 热物性材料导热系数W/(mK)比热容CJ/(kgK)密度kg/m3热扩散率m2/s结晶潜热J/kg纯铝212120027006.510-53.9105砂型0.739184016002.510-7试求：（1）