完整版復(fù)習資料材料成形熱過程

1、復(fù)習資料：第二章 材料成形熱過程1、與熱處理相比,焊接熱過程有哪些特點答：(1)焊接過程熱源集中,局部加熱溫度高(2)焊接熱過程的瞬時性,加熱速度快,高溫停留時間短(3)熱源的運動性,加熱區(qū)域不斷變化,傳熱過程不穩(wěn)定.2、響焊接溫度場的因素有哪些試舉例分別加以說明.3、何謂焊接熱循環(huán)答：焊接熱循環(huán)：在焊接熱源的作用下,焊件上某點的溫度隨時間的變化過程,即焊接過程中熱源沿焊件移動時,焊件上某點溫度由低而高,到達最高值后,又由高而低隨時間的變化.焊接熱循環(huán)具有加熱速度快、峰值溫度高、冷卻速度大和相變溫度以上停留時間不易控 制的特點4、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)有哪些它們對焊接有何影響決定焊接熱循環(huán)特征的

2、主要參數(shù)有以下四個：(1)加熱速度3 H焊接熱源的集中程度較高,引起焊接時的加熱速度增加,較快的加熱速度將使相變過程進行的程度不充分,從而影響接頭的組織和力學性能.(2)最高加熱溫度 Tmax也稱為峰值溫度.距焊縫遠近不同的點,加熱的最高溫度不 同.焊接過程中的高溫使焊縫附近的金屬發(fā)生晶粒長大和重結(jié)晶,從而改變母材的組織與性能.(3)相變溫度以上的停留時間 tH在相變溫度Th以上停留時間越長,越有利于奧氏體 的均勻化過程,增加奧氏體的穩(wěn)定性,但同時易使晶粒長大,引起接頭脆化現(xiàn)象, 從而降低接頭的質(zhì)量.(4)冷卻速度3C(或冷卻時間t8 / 5)冷卻速度是決定焊接熱影響區(qū)組織和性能的重要參數(shù)之一

3、.對低合金鋼來說,熔合線附近冷卻到540c左右的瞬時冷卻速度是最重要的參數(shù).也可采用某一溫度范圍內(nèi)的冷卻時間來表征冷卻的快慢,如800500c的冷卻時間t8 / 5,800300 c的冷卻時間t8/3,以及從峰值溫度冷至 100 c的冷卻時間ti00.5、焊接熱循環(huán)中冷卻時間 t8/5、t8/3、t100的含義是什么6、影響焊接熱循環(huán)的因素有哪些試分別予以說明.7、對于低碳鋼薄板, 采用鴇極僦弧焊較容易實現(xiàn)單面焊雙面成形(反面均勻焊透).采用同樣焊接標準去焊同樣厚度的不銹鋼板或鋁板會出現(xiàn)什么后果為什么解：采用同樣焊接標準去焊同樣厚度的不銹鋼板可能會出現(xiàn)燒穿,這是由于不銹鋼材料的導(dǎo)熱性能比低碳鋼

4、差,電弧熱無法及時散開的緣故；相反,采用同樣焊接標準去焊同樣厚度的鋁板可能會出現(xiàn)焊不透,這是由于鋁材的導(dǎo)熱水平優(yōu)于低碳鋼的緣故.8、對于板狀對接單面焊焊縫,當焊接標準一定時,經(jīng)常在起弧部位附近存在一定長度的未 焊透,分析其產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)工藝解決方案.解：1產(chǎn)生原因：在焊接起始端,準穩(wěn)態(tài)的溫度場尚未形成,周圍焊件的溫度較低, 電弧熱缺乏以將焊件熔透,因此會出現(xiàn)一定長度的未焊透.2解決方法：焊接起始段時焊接速度慢一些,對焊件進行充分預(yù)熱,或焊接電流 加大一些,待焊件熔透后再恢復(fù)到正常焊接標準.生產(chǎn)中還常在焊件起始端固定一個引弧板, 在引弧板上引燃電弧并進行過渡段焊接,之后再轉(zhuǎn)移到焊件上正常焊接

5、.9、焊接熱循環(huán)對母材金屬近縫區(qū)的組織、性能有何影響答：1焊接熱循環(huán)對母材金屬近縫區(qū)的組織的影響：A不易淬火鋼的熱影響區(qū)組織：在一般的熔焊條件下,不易淬火鋼根據(jù)熱影響區(qū)中不同部位加熱的最高溫度及組織特 征,可分為以下四個區(qū)1熔合區(qū)：焊縫與母材之間的過渡區(qū)域.范圍很窄,常常只有幾個晶粒,具有明顯的化學成分不均勻性.2過熱區(qū)粗晶區(qū)：加熱溫度在固相線以下到晶粒開始急劇長大溫度約為1100c左右范圍內(nèi)的區(qū)域叫過熱區(qū).由于金屬處于過熱的狀態(tài),奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的粗化,冷卻后得 到粗大的組織,并極易出現(xiàn)脆性的魏氏組織.3相變重結(jié)晶區(qū)正火區(qū)或細晶區(qū):該區(qū)的母材金屬被加熱到 Ac3至1100c左右溫度范 圍,

6、其中鐵素體和珠光體將發(fā)生重結(jié)晶,全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體. 形成的奧氏體晶粒尺寸小于原鐵素體和珠光體,然后在空氣中冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體,相當于熱處理時的正火組織,故亦稱正火區(qū).4不完全重結(jié)晶區(qū)：焊接時處于Ac1Ac3之間范圍內(nèi)的熱影響區(qū)屬于不完全重結(jié)晶區(qū). 由于處于Ac1AC3范圍內(nèi)只有一局部組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程,成為晶粒細小的鐵素體 和珠光體,而另一局部是始終未能溶入奧氏體的剩余鐵素體,由于未經(jīng)重結(jié)晶仍保存粗大晶粒.B易淬火鋼的熱影響區(qū)組織：母材焊前是正火狀態(tài)或退火狀態(tài),那么焊后熱影響區(qū)可分為：1完全淬火區(qū)：焊接時熱影響區(qū)處于 AC3以上的區(qū)域.在緊靠焊縫相當于低碳鋼過熱區(qū)的部

7、 位,由于晶粒嚴重粗化,得到粗大的馬氏體；相當于正火區(qū)的部位得到細小的馬氏體.2不完全淬火區(qū)：母材被加熱到 AC1AC3溫度之間的熱影響區(qū). 快速加熱和冷卻過程得到馬 氏體和鐵素體的混合組織；含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時,其組織可能為索氏體或珠 光體.母材焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài),那么焊接熱影響區(qū)的組織分布除上述兩個外,還有一個回火軟化區(qū).在回火區(qū)內(nèi)組織和性能發(fā)生變化的程度決定于焊前調(diào)質(zhì)的回火溫度：假設(shè)焊前調(diào)質(zhì)時回火溫度為Tt,低于此溫度的部位,組織性能不發(fā)生變化,高于此溫度的部位,組織性能將發(fā)生變 化,出現(xiàn)軟化.假設(shè)焊前為淬火態(tài),緊靠 Ac1的部位得到回火索氏體,離焊縫較遠的區(qū)域得 到回火

8、馬氏體.2焊接熱循環(huán)對母材金屬近縫區(qū)性能的影響使HAZt生硬化、脆化粗晶脆化、析出脆化、組織轉(zhuǎn)變脆化、熱應(yīng)變時效脆化、氫脆以 及石墨脆化等、韌化、軟化等.10、分述低碳鋼焊接熱影響區(qū)各區(qū)域的溫度區(qū)間、組織及性能特點. 答：低碳鋼屬不易淬火鋼,其焊接熱影響區(qū)可分為熔合區(qū),過熱區(qū),相變重結(jié)晶區(qū)和不完全 重結(jié)晶區(qū).1熔合區(qū)：溫度在固液相線之間,具有明顯的化學成分不均勻性,導(dǎo)致組織、性能不均勻, 影響焊接接頭的強度、韌性,是焊熱影響區(qū)性能最差的區(qū)域.2過熱區(qū)：溫度為從固相線到晶粒急劇生長溫度約1100C之間.由于存在很大的過熱,該區(qū)奧氏體嚴重粗化,冷卻后得到粗大組織,并且出現(xiàn)脆性的魏氏組織.因此,塑、

9、韌性很差.3相變重結(jié)晶區(qū)：溫度：從晶粒急劇生長溫度1100C至ij AC3.加熱過程中,鐵素體和珠光體全部發(fā)生重結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿W氏體.冷卻后得到均勻細小的鐵素體和珠光體.組織,成分均勻,塑、韌性極好.類似于正火組織,亦稱“正火區(qū).是熱影響區(qū)中組織性能最正確的區(qū)域.4不完全重結(jié)晶區(qū)：溫度： AC1AC3,在此溫度范圍內(nèi),只有一局部鐵素體和珠光體發(fā) 生了相變重結(jié)晶,冷卻形成了細小的鐵素體和珠光體；而另一局部為未轉(zhuǎn)變的原始鐵素體, 因此,晶粒大小不一,形成的組織不均勻,導(dǎo)致力學性能不均勻.11、怎樣利用熱循環(huán)和其他工藝舉措改善HAZ的組織性能改善HAZ組織性能的舉措1母材焊后選擇合理的熱處理方法調(diào)質(zhì)

10、、淬火等.2選擇適宜的板厚、接頭形式及焊接方法等.3限制焊接線能量、冷卻速度和加熱速度.12、焊接熱影響區(qū)的脆化類型有幾種如何預(yù)防答：焊接熱影響區(qū)的脆化類型及預(yù)防舉措：1粗晶脆化：對于某些低合金高強鋼,由于希望出現(xiàn)下貝氏體或低碳馬氏體,可以適當降低焊接 線能量和提升冷卻速度,從而起到改善粗晶區(qū)韌性的作用,提升抗脆水平.高碳低合金高強鋼與 此相反,提升冷卻速度會促使生成攣晶馬氏體,使脆性增大.所以,應(yīng)采用適當提升焊接線能量和降 低冷卻速度的工藝舉措.2析出脆化：限制加熱速度和冷卻速度,參加一些合金元素阻止碳化物,氮化物等的析出.3組織脆化：限制冷卻速度,中等的冷速才能形成M-A組元,冷速太快和太

11、慢都不能產(chǎn)生M-A組 元氏體攣晶馬氏體；限制合金元素的含量,合金化程度較高時,奧氏體的穩(wěn)定性較大,因而不易分 解而形成M-A組元；限制母材的含碳量,選用適宜含碳量的材料.4 HAZ的熱應(yīng)變時效脆化HSE:焊接接頭的HSE往往是靜態(tài)應(yīng)變時效和動態(tài)應(yīng)變時效的綜 合作用的結(jié)果.盡量使焊接接頭無缺口,從而減輕動態(tài)應(yīng)變時效脆化程度；采用適宜的冷作 工序,靜態(tài)應(yīng)變時效脆化的程度取決于鋼材在焊前所受到的預(yù)應(yīng)變量以及軋制、彎曲、沖孔、剪切、 校直、滾圓等冷作工序.焊接工藝上限制加熱速度和最高加熱溫度以及焊接線能量.13、如何提升熱影響區(qū)的韌性答：提升熱影響區(qū)的韌性的舉措1限制組織：對低合金鋼,應(yīng)限制含碳量,使

12、合金元素的體系為低碳,微量多種合金元素的強化 體系,應(yīng)盡量限制晶界偏析.2韌化處理：對于一些重要的結(jié)構(gòu),常采用焊后熱處理來改善接頭的性能.合理制定焊接工藝, 正確地選擇焊接線能量和預(yù)熱、后熱溫度是提升焊接韌性的有效舉措.3改善母材性能：如細晶粒鋼利用微量元素彌散強化、固熔強化、限制析出相的尺寸及形態(tài)等 采用控軋工藝,進一步細化鐵素體的晶粒,也會提升材質(zhì)的韌性；采用爐內(nèi)精煉,爐外提純等一系列舉措,從而得到高純7鋼,使鋼中的雜質(zhì)(S、P、O N等)含量極低,使鋼材的韌性大為提升,也提 高了焊接HAZ勺韌性.14、焊接條件下組織轉(zhuǎn)變與熱處理條件下組織轉(zhuǎn)變有何不同答：焊接條件下熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變與熱處

13、理條件下的組織轉(zhuǎn)變相比,其根本原理是相同 的.但由于焊接過程的特殊性,使焊接條件下的組織轉(zhuǎn)變又具有與熱處理不同的特點. 焊接熱過程概括起來有以下六個特點：(1) 一般熱處理時加熱溫度最高在Ac3以上100200C,而焊接時加熱溫度遠超過Acy在熔合線附 近可達13501400 C.(2)焊接時由于采用的熱源強烈集中,故加熱速度比熱處理時要快得多,往往超過幾十倍甚至幾百 倍.(3)焊接時由于熱循環(huán)的特點,在AC3以上保溫的時間很短(一般手工電弧焊約為420s,埋弧焊時 30100s),而在熱處理時可以根據(jù)需要任意限制保溫時間.(4)在熱處理時可以根據(jù)需要來限制冷卻速度或在冷卻過程中不同階段進行保

14、溫.然而在焊接時, 一般都是在自然條件下連續(xù)冷卻,個別情況下才進行焊后保溫或焊后熱處理.(5)焊接加熱的局部性和移動性將產(chǎn)生不均勻相變及應(yīng)變；而熱處理過程一般不會出現(xiàn).(6)焊接過程中,在應(yīng)力狀態(tài)下進行組織轉(zhuǎn)變；而熱處理過程不是很明顯.所以焊接條件下熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變必然有它本身的特殊性.此外,焊接過程的快速加熱,首先將使各種金屬的相變溫度比起等溫轉(zhuǎn)變時大有提升.加熱速度越快,不僅被焊金屬的相變點AC1和AC3提升幅度增大,而且 AC1和AC3之間的間隔也越大.加熱速度還影響奧氏體的形成過程,特別是對奧氏體的均質(zhì)化過程有著重要的影響.由于奧氏體的均質(zhì)化過程屬于擴散過程,因此加熱速度快,相變點以

15、上停留時間短, 不利于擴散過程的進行,從而均質(zhì)化的程度很差.這一過程必然影響冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變.焊接過程屬于非平衡熱力學過程,在這種情況下,隨著冷卻速度增大, 平衡狀態(tài)圖上各相變點和溫度線均發(fā)生偏移. 在焊接連續(xù)冷卻條件下,過冷奧氏體轉(zhuǎn)變并不按平衡條件進行, 如珠光體的成分,由 w(C)0.8%而變成一個成分范圍,形成偽共析組織.此外,貝氏體、馬 氏體也都是處在非平衡條件下的組織,種類繁多.這與焊接時快速加熱、高溫、連續(xù)冷卻等因素有關(guān).15、在相同的條件下焊接 45鋼和40Cr鋼,哪一種鋼的近縫區(qū)淬硬傾向大為什么 答：在相同的條件下焊接45鋼和40Cr鋼,淬硬傾向45鋼的近縫區(qū)淬硬傾向大.由于

16、45鋼不含碳 化物形成元素,奧氏體開始長大溫度低,高溫區(qū)晶粒粗大,容易形成粗大的馬氏體,而40Cr含強碳 化物形成元素,強碳化物分解溫度高,碳化物的存在會阻礙奧氏體晶粒長大,形成細小的馬氏體；鋼 的淬硬傾向取決于鋼的含碳量,45鋼的含碳量比40Cr高,綜合以上兩方面的原因可知淬硬傾向.17、某半無限大板狀鑄鋼件的熱物性參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)入=46.5 W/(m K),比熱容C=460.5 J/(kg - K),密度p =7850 kg/m3,取澆鑄溫度為 1570c,鑄型的初始溫度為 20C.用描點作圖法繪出該鑄件在砂型和金屬型鑄模(鑄型壁均足夠厚)中澆鑄后0.02h、0.2h時刻的溫度分布狀況并

17、作分析比較.鑄型的有關(guān)熱物性參數(shù)見表2-2.解：1砂型：b1 J 1cl 1 =12965 b2 J 2c2 2 =639界面溫度：TIb1T10b 2T20 =1497 Cbib2鑄件的熱擴散率:a1=1.3 10-5 m2/sc根據(jù)公式TiTT10Tj erf分別計算出兩種時刻鑄件中的溫度分布狀況見表1.根據(jù)表1結(jié)果做出相應(yīng)溫度分布曲線見圖1.(2)金屬型:£ 1 =12965b22C2 2 =15434界面溫度:Tjb1T10b2T20 =727.6 C同理可分別計算出兩種時刻鑄件中的溫度分布狀況見表2與圖2.與鑄型表向距離(m100.020.040.060.080.10溫度(

18、C)t=0.02h 時149715231545155915661569t=0.20h 時1497150515131521152815351鑄件在砂型中凝固時的溫度分布表T/r iE.no-t=0.02h1400 -= -t=0.0h1囂融口1 000-reooSQQ4U02WO 00 04 0.0E. 0 OS 0.1距離Ant10 0t=0. 02hMG120010QQT/C1&UU200 1111-00.02 04 0.06 D.0S 0. I距離九圖1鑄件在砂型中凝固時的溫度分布曲線圖2 鑄件在金屬型中凝固時的溫度分布曲線表2鑄件在金屬型中凝固時的溫度分布與鑄型外表距離(nj)0

19、0.020.040.060.080.10溫度(C)t=0.02h 時727.610301277143815201555t=0.20h 時727.68239151005108011593 分析：采用砂型時,鑄件金屬的冷卻速度慢,溫度梯度分布平坦,與鑄型界面處的溫度高,而采用金屬鑄型時相反.原因在于砂型的蓄熱系數(shù)b比金屬鑄型小得多.18、采用2-17、2-18兩式計算凝固過程中的溫度分布與實際溫度分布狀況是否存在誤差分析誤差產(chǎn)生的原因,說明什么情況下誤差相對較小解：是有誤差的.由于在推導(dǎo)公式時做了多處假設(shè)與近似處理,如：沒有考慮結(jié)晶潛熱.假設(shè)結(jié)晶潛熱小,那么誤差就??；假設(shè)鑄件的熱物理參數(shù)1、c1、

20、 1與鑄型的熱物理參數(shù)2、C2、 2不隨溫度變化.假設(shè)它們受溫度影響小,那么誤差就??；沒有考慮界面熱阻.假設(shè)界面熱阻不大,那么誤差就??；假設(shè)鑄件單向散熱,因此只能用于半無限大平板鑄件溫度場得估算,對于形狀差異大的鑄件不適用.19、凝固速度對鑄件凝固組織、性能與凝固缺陷的產(chǎn)生有重要影響.試分析可以通過哪些工藝舉措來改變或限制凝固速度解： 改變鑄件的澆注溫度、澆鑄方式與澆鑄速度； 選用適當?shù)蔫T型材料和起始預(yù)熱溫度； 在鑄型中適當布置冷鐵、冒口與澆口； 在鑄型型腔內(nèi)外表涂敷適當厚度與性能的涂料.20、比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時間的長短.解：一般在體積相同的情況下上述物體的外表積大小依次為：A球A塊A板A桿根據(jù)旦 與 R VLKA1所以凝固時間依次為：t球t塊t板t桿.21、在砂型中澆鑄尺寸為 300 300 20 mm的純鋁板.設(shè)鑄型的初始溫度為20C,澆注后瞬間鑄件-鑄型界面溫度立即升至純鋁熔點660 C,且在鑄件凝固期間保持不變.澆鑄溫度為.材料W/(m- K)CJ/(kg K)kg/m3a吊/sJ/kg212120027006.5 10-53.9 105砂型0.73918401600