第三章 材料成形热过程(南理工材料学院复试科目)

材料科学与工程学科基础课 材料成形原理与工艺第三章材料成形热过程 第三章材料成形热过程 本章内容包括 第一节材料成形热过程的基本特点第二节材料加热过程的热效率第三节温度场第四节焊接热循环 第一节材料成形热过程的基本特点 各种材料的成形 多数情况是要通过加热来进行的 不同的材料成形方法 不同的加热方法 其热过程的特点是不一样的 例如 凝固成形是要将金属材料加热到液态 然后浇铸到预制的型腔中 经过冷却凝固形成各种形状尺寸的机器零件 塑性成形是将材料加热到塑性状态 通过外力及模具改变材料的形状 制造成各种机器零部件 焊接成形是将各种形状的零部件 通过局部加热 甚至熔化凝固 连接成各种金属结构 材料成形的不同的热过程对零部件及金属结构的质量以及缺陷的形成均有重要的影响 第一节材料成形热过程的基本特点 本节内容包括 一 焊接热过程的基本特点二 凝固成形热过程的基本特点三 塑性成形热过程的基本特点 一 焊接热过程的基本特点 焊接分为熔焊 固态焊接和固液相焊接三大类 各类焊接的热过程特点是不同的 熔焊是利用集中热源 对工件进行局部加热 使之产生局部熔化 再经过冷却凝固 形成一个牢固的接头 固态焊接是对工件进行局部加热至塑性状态 通过挤压使之成为一个牢固的接头 固液相焊接是在两工件连接处的中间加入低熔点的钎料和钎剂 通过加热使钎料和钎剂熔焊 母材不熔化 然后经过冷却凝固 形成一个牢固的接头 电弧焊热过程的一般特点 1 熔焊使用的热源比较集中 焊接热源的能量密度比较大 相对加热面积比较小 2 焊接是一局部的不均的集中加热过程 在焊接处的温度梯度很大 加热的速度很快 例如钨极氩弧焊时 用线能量为840J cm焊接lmm钢板时 加热速度为1700 s焊接熔他的中心温度很高 远远超过了被焊金属材料的熔点 整个焊接熔池基本上是处于过热状态 一般电弧焊熔池的平均温度在1700 1800 之间 熔滴的温度一般高达1800 2400 而熔合区的温度仅是被焊金属的熔点 熔池的温度梯度较大 3 一般焊接时热源是移动的 也就是热的作用具有瞬时性 因此焊件上的传热过程是一种准稳态的过程 电弧焊热过程的一般特点 焊接热过程的这些特点 将影响焊接时的物理化学冶金反应 影响焊接接头的固态相变 影响焊接接头的残留应力和变形 影响焊接接头的质量 二 凝固成形热过程的基本特点 凝固成形的基本热过程是将金属材料加热熔化到液态 然后浇注到与零件的形状 尺寸相适应的铸型空腔中 经过冷却凝固 获得毛坯或零件 因此 凝固成形的基本热过程包含加热熔化和冷却凝固两个部分 液态金属由于加热熔化的方法不同 热交换的方式不同 其加热速度 液态金属的温度等特点也不一样 通常情况下 铸铁件采用冲天炉或三节炉加热熔化 铸钢件或非铁合金件一般采用电弧炉或感应电炉加热熔化 冲天炉 冲天炉一般是通过焦碳的燃烧产生的热量来加热熔化铸铁的 根据铸铁的冶炼过程 冲天炉可分为1 预热2 熔化区3 过热区4 炉缸区 1 预热区内的热交换特点 1 炉气给热以对流传热方式为主 2 传递热量大 3 预热区高度的变动大 1 预热区内的热交换特点 铸铁在熔化温度时的平均热容约为0 67kJ kg 熔化温度约为1200 设炉料的初始温度为20 则预热区内所传递的热量为 1200 20 0 67 791kJ kg 铸铁的熔化潜热约为230kJ kg 铁水的平均热容为0 96kJ kg 则铁水过热至1400 所需的总热量为 791 230 0 96 1400 1200 1213kJ kg 此时 由预热区传递的热量约占总热量的65 左右 可见预热区内传递热量之大 2 熔化区的热交换特点 1 炉气给热以对流传热为主 2 熔化区呈凹形分布 3 熔化区高度波动大 3 过热区内热交换特点 1 铁水的受热以与焦炭接触传导传热为主 2 传热强度大 3 炉气最高温度与区域高度起决定作用 过热度 并得出以下经验公式式中 T 铁水的过热度 Tmax 过热区内炉气最高温度 Tf 铁水的平均熔化温度 a 炉气温度曲线特性系数 h 过热区实际起作用的高度 4 炉缸区内的热交换特点 在一般情况下 冲天炉炉缸内虽有焦炭 但基本上没有空气供给 几乎不燃烧发热 所以 对于高温铁水来说 炉缸是个冷却区 炉缸愈深 冷却作用就愈大 但是 如果在操作过程中打开渣口 或在前炉顶上开设放气口 则因部分空气进入炉缸 使炉缸内的焦炭燃烧发热 因而使炉缸成为过热区的一部分 从而有利于铁水的过热 此时 炉缸内的热交换的特点也与过热区相仿 热交换特点 电弧炉和感应电炉的加热速度比冲天炉要快 液态金属的温度也较高 凝固成形的冷却速度与浇铸方式 铸模材料及零件大小和形状有关 通常情况下 采用砂型模或陶瓷模浇铸比较大型的铸件 其冷却速度要比采用金属模浇铸小型铸件慢得多 第二节材料加热过程的热效率 一 材料加热过程中的热效率二 焊接成形加热过程的热效率三 凝固成形加热过程的热效率四 塑性成形加热过程的热效率 一 材料加热过程中的热效率 假设能源提供的热量为Q0 而真正用加热金属材料的热量为Q 那么热效率 的定义 Q Q0 影响热效率的因素很多 主要与热源的性质 热加工工艺方法 被加热材料的种类 性质及尺寸形状 以及周围介质环境等因素有关 二 焊接成形加热过程的热效率 焊接时的热效率与焊接工艺方法有关 例如电弧焊时的热效率约在70 左右 电渣焊的热效率约为80 左右 电子束焊的热效率在90 以上 以电弧焊为例 电弧焊时 电弧所产生的热能与电弧功率有关P0 UI 3 2 式中U 电弧电压 V I 焊接电流 A P0 电弧功率 即电弧在单位时间内放出的能量 w 由于在电弧焊时 电弧所产生的热能不可能全部被利用 真正用于焊接的有效功率P UI 3 3 电弧焊热效率 三 凝固成形加热过程的热效率 凝固成形加热过程的热效率与金属材料熔化冶炼的方式 采用的热源种类以及被熔化冶炼材料的性能等诸多因素有关 焦炭发热量 以冲天炉为例 它是以焦炭燃烧时的发热量提供热源的 焦炭的发热量是按焦炭中各个元素的质量分数与该元素发热量的乘积之和进行计算的 焦炭发热量的计算公式为 QL 34000C 103000H 10900 S O 2500W kJ kg 焦炭 式中C S O H W 焦炭中碳 硫 氧 氢和水的质量分数 由于焦炭中除灰分以外主要是固定碳 如不计其它元素的影响 则焦炭的发热量可按下式近似计算 Qc 34000 1 A kJ kg 3 5 式中A 干焦炭中灰的质量分数 34000 碳发热量的近似值 kJ kg 第三节温度场 所谓温度场是加热和冷却过程中 某一瞬时的温度分布 它可以用实测的方法或数值模拟计算的方法来获得 众所周知 热量传递的基本形式是传导 对流和辐射 不同的热加工工艺方法 其热交换的形式和温度场的特点是不一样的 一 焊接温度场二 凝固成形温度场三 塑性成形温度场 一 焊接温度场 所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下被焊工件上 包括内部 各点在某一瞬时的温度分布 1 焊接传热的基本形式2 焊接热传导的基本方程3 焊接温度场的数学表述法及其数学解析的假定条件4 瞬时热源的热传导过程5 影响焊接温度场的因素 1 焊接传热的基本形式 对于焊接过程来说 传导 对流和辐射都存在 至于以那一种传热方式为主 要根据具体的焊接工艺方法来确定 在电弧焊的条件下 电弧所产生的热能 主要是以辐射和对流的形式传给焊件 母材和焊条在获得热能以后 主要是以热传导的形式在内部进行扩散 焊接热过程研究的主要对象是焊件上的温度分布及其随时间变化的规律 也就是研究焊接件的温度场及其热循环 因此 主要是以热传导为主 适当考虑辐射和对流的作用 2 焊接热传导的基本方程 众所周知 热总是从物体的高温部位向低温部位流动的 它的流动规律服从于傅立叶 Founer 定律 qn dT dn 3 7 式中 热导率 J cm s 表示某一物体的导热能力 热传导基本方程 假设在一无限大物体内部任取一微元体dV dxdydz 则在x y z三个方向的热流量的变化为dqx dqy dqz在dt 那么在dt时间内微元体dV的热量变化为 3 数学解析的假定条件 焊接温度场的数学表达式为 T f x y z t 3 13 式中T 焊件上某一点在某一瞬时的温度 x y z 焊件上某一点的空间坐标 t 时间 假定条件 1 假定焊件的尺寸形状概括为三种典型 图3 5 a 半无限大物体 图3 5a 厚板表面堆焊可视为此种情况 b 无限大簿板 图3 5b x y二个方向导热无限 薄板对接焊接属于此种情况 c 无限长细杆 图3 5c 只有在x一个方向导热无限 钢筋类条棒状端面焊接属于此种情况 假定条件 假定条件 2 假定焊接热源一律视为作用于微元体上的集中热源 对应于焊件形式 假定有三种典型热源 a 点状热源 作用在半无限大物体中的三维导热的热源 图3 5a T f x y z t b 线状热源 作用在无限大薄板中的二维导热的热源 图3 5b T f x y t c 面状热源 作用在无限细长杆棒件中的一维导热的热源 图3 5c T f x t 假定条件 3 边界条件规定 半无限大物体的表面为绝热面 即热源的能量全部向物体内部传导 无限大薄板的上下表面及无限细长杆件的周边均与周围介质发生热交换 即表面传热 4 假定材料在固态相变时 无相变潜热发生 也就是除焊接热源外 再无其它任何热的来源 5 假定焊接热源在单位时间内供给的能量q在整个焊接过程中保持恒定 除固定位置的补焊或点焊外 焊接速度应保持直线等速运动 假定条件 6 假定热源在运动过程中所产生的热作用效果 可视为是相继瞬时作用于各不同点的无数集中热源连续作用的总和 而多个瞬时热源相互之间并不发生影响 瞬时热源是指热源作用时间 t与热的传播持续时间t相比 极其微小 即 t t 0 7 假定金属材料的热物理性能 如 c等与温度无关 为常数 4 瞬时热源的热传导过程 假定焊件的初始温度To 0 利用瞬时热源法比较容易求得热传导基本方程的特解 其特解的一般表达式可写成下列形式 式中r 所研究的给定点P离热源作用点O的距离极坐标n 常数 与热源种类有关 Q 焊件瞬时获得的热能 J 见表3 5 热传导 1 点热源的特解 点热源 2 线热源时的特解 线热源可以看作是在z轴上存在无数点状热源同时作用的情况 如果当r 0时 各点达到的峰值温度Tmax及所需时间tm可用下式表示 线热源 3 面热源时的特解 利用同样的方法 当焊件的初始温度T0 0 焊接端面积为F时 面热源时的特解为 5 影响焊接温度场的因素 影响焊接温度场的因素很多 其中主要的有以下几个方面 1 热源的性质 2 焊接工艺参数 3 被焊金属的热物理性质 4 焊件的板厚及形状 1 热源的性质 焊接热源有许多种 如电弧 气体火焰 摩擦热 电渣焊的熔渣电阻热等等 热源的性质不同 焊接时的温度场也不同 以电弧焊为例 由于自由电弧和压缩电弧的热能集中情况不一样 焊接温度场的形状也不一样 电子束焊接时 能量极其集中 所以它的温度场范围很小 温度梯度很大 而氧乙炔气焊时 热源作用面积较大 因此 温度场的范围也较大 相对温度梯度也较小 在电弧焊条件下 25mm以上的钢板焊接时 就可以认为是点状热源 而100mm以上大厚度工件电渣焊时 只能认为是线状热源 2 焊接工艺参数 同样的焊接热源 由于焊接工艺参数不同 焊接温度场也不同 1 焊接速度v的影响如图3 8a所示 2 热源能量q的影响如图3 8b所示 当焊接线能E q v为常数时 同时增大q和v 如图3 8c所示 3 被焊金属的热物理性质 1 热导率 2 比热容c3 体积热容c 4 热扩散率 5 比焓H6 表面传热系数 1 热导率 表示金属的导热能力 它的物理含义是沿法线方向在单位时间内 单位距离相差1 时 经过单位面积所传递的热能 即式中 热导率 w cm Q 热能 J F一传热面积 cm2 t 传热时间 s T 温度 T n 单位温度梯度 负号表示降温 即单位距离降低1 时的温度梯度 热导率 热导率 并不是一个不变的常数 当金属材料的化学成分 组织和温度不同时 则 就发生变化 对于纯铁 碳钢和低合金钢来说 随着温度的增加 是下降的 而高合金钢 如不锈钢 耐热钢等 随着温度的增加 是增加的 如图3 9所示 在室温时 各种钢的 数值相差很大 但是随温度的上升 它们几乎趋向一致 当温度在800 以上时 各种钢的 值约在0 25 0 34W cm 之间 2 比热容c 1g物质每升高1 时所得的热能称之为比热容c 当温度上升dT时 则c dQ dT 3 26 式中dQ 1g物质温度上升dT时所吸收的热能 J g 各种材料具有不同的比热容 而同样材料当温度变化时 c也随之发生变化 特别是在磁性变态附近 例如低碳钢为768 左右 变化很大 为了方便起见 在进行焊接温度场计算时 通常采用平均值 例如钢在20 1500 时 C的平均值为0 67 0 76J g 当然 这样处理会带来一定的误差 其它热物理性质 3 体积热容c 单位体积的物质每升高1 时所需的热能 称之为体积比热容 用c 表示 单位为J cm3 同样 c 也是温度的函数 c 值大的金属 温度上升缓慢 一般钢铁材料的c 值约为4 62 5 46J cm3 4 热扩散率 热扩散率又称导温系数 它是表示温度传播的速度 与 和c 的关系为 c cm2 s 同样 也是随温度变化的 低碳钢在焊接条件下 的平均值约为0 07 0 10cm2 s 5 比焓H 单位质量的物质所具有的全部热能称之为比焓H H也是与温度有关的 低碳钢加热到熔化温度时的H大约为1331 4J g 6 表面传热系数 表面传热系数 是表示金属材料表面传热的能力 它的物理含义是传热表面与周围介质每相差1 时 在单位时间内单位面积所传递的热量 传热的方式有辐射和对流 实验证明 在静止的空气中 焊接过程所传递的热能 主要是通过辐射 而对流的作用很小 一般为计算方便起见 只考虑总的传热系数 e c c为表面对流传热系数 e为表面辐射传热系数 由于传热而损失的热能 可由下式进行计算qs T Te 3 27 式中qs 传递的热能 表面传热系数 T 物体表面温度 Te 物体周围介质的温度 传热系数 传热系数 由于传热而损失的热能 不但随温差增大而增加 而且温度越高 表面传热系数 也越大 如图3 10所示 因此 当焊件的传热面积较大时 如薄板的焊接 就需要考虑由于表面传热对温度场的影响 热物理性能参数 等温线范围 等温线 由图中可以看出 焊接铬镍奥氏体不锈钢时 相同的等温线范围 如600 要比低碳钢焊接时为大 这是因为奥氏体不锈钢的热扩散性能比低碳钢差 铬镍奥氏体钢的 0 252W cm 低碳钢的A 0 42W cm 因此 焊接不锈钢和耐热钢时 所选用的焊接线能量应比焊接低碳钢时要小 相反 由于铜和铝的热扩散性极好 相同等温线的范围很小 因此焊接铜和铝时应选用比焊接低碳钢更大的线能量 4 焊件的板厚及形状 焊件的几何形状 尺寸及环境状态 如环境温度 湿度 介质 预热及后热等 对焊接温度场的分布也有很大的影响 1 厚板焊接结构 2 薄板焊接结构 3 接头形式 二 凝固成形温度场 凝固成形包含金属材料的加热熔化和冷却凝固两大过程 关于金属材料在加热熔化时的温度场将在第五章第二节中介绍 这里主要介凝固成形中的温度场 铸件凝固过程中 许多现象都是温度的函数 因此 研究凝固过程传热所要解决的主要问题是不同时到 铸件和铸型中的温度场变化 温度分布特点 四种情况下铸件和铸型的温度分布特点 1 铸件在绝热铸型中凝固2 金属一铸型界面热阻为主的金属型中凝固3 厚壁金属型中的凝固4 水冷金属型中的凝固 1 铸件在绝热铸型中凝固 砂型 石膏型 陶瓷型 熔模铸造等铸型材料的热扩散系数远小于凝固金属的热导率 可统称为绝热铸型 因此 在凝固传热中 金属铸件的温度梯度比铸型中的湿度梯度小得多 相对而言 金属中的温度梯度可忽略不计 2 金属一铸型界面热阻为主的金属型中凝固 较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属型中铸造时 就属于这种情况 金属一铸型界面处的热阻较铸件和铸型中的热阻大得多 这时 凝固金属和铸型中的温度梯度可以忽略不计 即认为温度分布是均匀的 热扩散过程取决于涂层的热物理性质 若金属是无过热浇注 则界面处铸件的温度就等于金属的凝固温度 铸型的温度保持为T0 3 厚壁金属型中的凝固 厚壁金属型中凝固热扩散为两个相连接的半无限大物体的热扩散 整个系统的热扩散过程取决于铸件和铸型的热物理性质 其温度分布如图3 16所示 4 水冷金属型中的凝固 在水冷金属型中 是通过控制冷却水温度和流量 使铸型温度保持近似的恒定 在不考虑金属一铸型界面热阻的情况下 凝固金属表面的温度等于铸型的温度 如图3 17所示 第四节焊接热循环 一 焊接热循环的意义二 焊接热循环的主要参数三 多层焊热循环的特点四 影响焊接热循环的因素 一 焊接热循环的意义 在焊接热源的作用下 焊件上某一点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环 在焊接过程中 热源沿焊件的某一方向移动 焊件上任一点的温度都经历由低到高的升温阶段 当温度达到最大值后 又经历由高到低的降温阶段 在焊缝两侧不同距离的各点 所经历的这种热循环是不同的 如图3 19所示 二 焊接热循环的主要参数 焊接热循环的主要参数主要是加热速度 H峰值温度Tmax 高温停留时间tH 冷却速度 c 或冷却时间t8 5 t8 3 见图3 20 1 加热速度 H 加热速度 H将影响到材料的相变点 通常随着加热速度的提高 钢的固态相变温度Ac1和Ac3也相应地提高 而且从Ac1和Ac3之间的温差也变大 如图3 21和表3 8所示 加热速度 H 2 峰值温度Tmax 点热源 线热源 峰值温度Tmax将直接影响到焊接热影响区的组织和性能 峰值温度过高 将使晶粒严重长大 甚至产生过热魏氏组织 造成接头的粗晶脆化 同时还会影响到焊接接头的应力应变 形成较大的焊接残留应力或变形 3 高温停留时间tH 所谓高温停留时间系指在相变温度Acl以上停留的时间 tH t t 3 30 点热源 线热源 4 冷却速度 c 点热源 线热源 式中Tc 所求冷却速度的瞬时温度 从上述两式可以看出 瞬时冷却速度 c与焊接线能量E 被焊金属材料的热物理性能 和c 焊件的初始温度To及板厚有关 临界板厚hc 关于板厚的影响 在线能量E一定的条件下 当板厚大到 定程度时 板厚h将对冷却速度 c不发生影响 相当于半无限大物体的点热源情况 如果假设对冷却速度不发生影响的板厚为临界板厚hc 则hc可由下式求得 冷却速度 c 对于一般低合金钢来说 主要是研究热影响区熔合线附近冷却过程中某瞬时温度的冷却速度 多采用540 时的瞬时冷却速度 对于某些淬硬倾向较大的钢种多考虑300 时的瞬时冷却速度 试验证明 焊缝和熔合区的冷却速度几乎相同 最大约差5 10 冷却速度是焊接热循环中极其重要的参量 它将决定焊接接头的组织 性能及接头质量 特别是在固态相变温度范围内冷却速度 即800 500 及800 300 时的冷却速度尤为重要 冷却速度 c 图3 24所示为冷却速度对Fe C合