第十一章答案

1、第十一章答案第11章凝固缺陷及控制1. 何謂枝晶偏析、晶界偏析、正偏析、負偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析?22. 偏析是如何形成的?影響偏析的因素有哪些?生產(chǎn)中如何防止偏析的形成?23. 焊縫的偏析有哪些類型?為什么說熔合區(qū)是焊接的薄弱部位?34. 分析偏析對金屬質(zhì)量的影響?.35簡述析出性氣體的特征、形成機理及主要防止措施。46、焊縫中的氣孔有哪幾種類型?有何特征?.47、試述夾雜物的形成原理、影響因素及主要防止措施。58、何謂體收縮、線收縮、液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮和收縮率?69、分析縮孔的形成過程,說明縮孔與縮松的形成條件及形成原因的異同點。610、分析灰鑄鐵和球墨鑄鐵產(chǎn)生縮孔、縮

2、松的傾向性及影響因素。711、簡述順序凝固原則和同時凝固原則各自的優(yōu)缺點和適用范圍。812、焊件和鑄件的熱應(yīng)力是如何形成的?應(yīng)采取哪些措施予以控制?913、簡述凝固裂紋的形成機理及防止措施。.1014、何謂液化裂紋?出現(xiàn)在焊接接頭的哪個區(qū)域?為什么?1115.試敘冷裂紋的種類及特征.1116、分析氫在形成冷裂紋中的作用,簡述氫致裂紋的特征和機理。1217、為什么低合金鋼冷裂紋容易出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)及焊根、焊趾部位?1218、何謂拘束度和拘束應(yīng)力?兩者的影響因素有哪些?他們對冷裂紋的形成有何影響?.1319、如何防止焊件和鑄件產(chǎn)生冷紋?.13第11章凝固缺陷及控制習題解答1. 何謂枝晶偏析、晶界

3、偏析、正偏析、負偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析?答:枝晶偏析,又稱晶內(nèi)偏析,是在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象,常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。對于溶質(zhì)分配系數(shù)k0C0者,稱為正偏析;Cs正常偏析:當合金的溶質(zhì)分配系數(shù)k01時則與此相反,越是后來結(jié)晶的固相,溶質(zhì)濃度越低。按照溶質(zhì)再分配規(guī)律,這些都是正常現(xiàn)象,故稱之為正常偏析。逆偏析:鑄件凝固后常出現(xiàn)與正常偏析相反的情況,即k01時,鑄件表面或底部含溶質(zhì)元素較多,而中心部位或上部含溶質(zhì)較少,這種現(xiàn)象稱為逆偏析。重力偏析:重力偏析是由于重力作用而出現(xiàn)的化學不均勻現(xiàn)象,通常產(chǎn)生于金屬凝固前和剛剛開始凝固之際。當共存的液體和固體或

4、互不相溶的液相之間存在密度差時,將會產(chǎn)生重力偏析。2. 偏析是如何形成的?影響偏析的因素有哪些?生產(chǎn)中如何防止偏析的形成?答:偏析主要是由于合金在凝固過程中擴散不充分、溶質(zhì)再分配而引起的。影響偏析的因素有:1)合金液、固相線間隔;2)偏析元素的擴散能力;3)冷卻條件。針對不同種類的偏析可采取不同的防止方法,具體有:(1) 生產(chǎn)中可通過擴散退火或均勻化退火來消除晶內(nèi)偏析,即將合金加熱到低于固相線100200工的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素進行充分擴散，以達到均勻化；預(yù)防和消除晶界偏析的方法與晶內(nèi)偏析所采用的措施相同,即細化晶粒、均勻化退火。但對于氧化物和硫化物引起的晶界偏析,即使均勻化退火也

5、無法消除,必須從減少合金中氧和硫的含量入手。(3) 向合金中添加細化晶粒的元素,減少合金的含氣量,有助于減少或防止逆偏析的形成。(4) 降低鑄錠的冷卻速度,枝晶粗大,液體沿枝晶間的流動阻力減小,促進富集液的流動,均會增加形成V形和逆V形偏析的傾向。(5) 減少溶質(zhì)的含量,采取孕育措施細化晶粒,加強固-液界面前的對流和攪拌,均有利于防止或減少帶狀偏析的形成。(6) 防止或減輕重力偏析的方法有以下幾種:1)加快鑄件的冷卻速度,縮短合金處于液相的時間,使初生相來不及上浮或下沉；2)加入能阻礙初晶沉浮的合金元素。例如,在Cu-Pb合金中加少量Ni,能使Cu固溶體枝晶首先在液體中形成枝晶骨架,從而阻止P

6、b下沉。再如向Pb-17%Sn合金中加入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的Cu，首先形成Cu-Pb骨架，也可以減輕或消除重力偏析;3)澆注前對液態(tài)合金充分攪拌，并盡量降低合金的澆注溫度和澆注速度。3. 焊縫的偏析有哪些類型?為什么說熔合區(qū)是焊接的薄弱部位?答:焊縫的偏析主要有區(qū)域偏析和層狀偏析。熔合區(qū)是焊接的薄弱部位這是因為熔合區(qū)位于焊縫和母材的交界處,是焊縫和母材的過渡區(qū),熔合區(qū)存在著嚴重的化學成分不均勻性,同時還存在著物理不均勻性。因此熔合區(qū)在組織和性能上也是不均勻的,因此成為焊接接頭的薄弱部位。4. 分析偏析對金屬質(zhì)量的影響?答:偏析對合金的力學性能、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程度不同的損害。1）晶內(nèi)偏

7、析的存在,使晶粒內(nèi)部成分不均勻,導致合金的力學性能降低,特別是塑性和韌性降低。此外,晶內(nèi)偏析還會引起合金化學性能不均勻,使合金的抗蝕性能下降。2）晶界偏析比晶內(nèi)偏析的危害性更大,它既能降低合金的塑性和高溫性能,又能增加熱裂傾向,因此必須加以防止。3）正常偏析的存在使鑄件性能不均勻,隨后的加工和處理也難以根本消除,故應(yīng)采取適當措施加以控制。4）逆偏析會降低鑄件的力學性能、氣密性和切削加工性能。5）層狀偏析是不連續(xù)的具有一定寬度的鏈狀偏析帶,帶中常集中一些有害元素（碳、硫、磷等）,并常常出現(xiàn)氣孔等缺陷。層狀偏析也會使焊縫的力學性能不均勻,抗腐蝕性能下降以及斷裂韌性降低等。偏析也有有益的一面,如利用

8、偏析現(xiàn)象可以凈化或提純金屬等。5簡述析出性氣體的特征、形成機理及主要防止措施。答:液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中,因氣體溶解度下降,析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔。這類氣孔主要是氫氣孔和氮氣孔。析出性氣孔通常分布在鑄件的整個斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。當金屬含氣量較少時,呈裂紋多角形狀;而含氣量較多時,氣孔較大,呈團球形。焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔的斷面形狀如同螺釘狀,從焊縫表面上看呈喇叭口形,氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。氮氣孔一般成堆出現(xiàn),形似蜂窩。析出性氣體的形成機理是:結(jié)晶前沿,特別是枝晶間的氣體溶質(zhì)聚集區(qū)中,氣體的含量將超過其飽和量,被枝晶封閉的液相內(nèi)

9、則具有更大的過飽和含量和析出壓力,而液-固界面處氣體的含量最高,并且存在其他溶質(zhì)的偏析及非金屬夾雜物,當枝晶間產(chǎn)生收縮時,該處極易析出氣泡,且氣泡很難排除,從而保留下來形成氣孔。防止析出性氣體的措施主要有以下幾個措施:(1) 消除氣體來源保持爐料清潔、干燥,焊件和焊絲表面無氧化物、水分和油污等;控制型砂、芯砂的水分,焊前對焊接材料(焊條、焊劑、保護氣體等)進行烘干、去水或干燥處理;限制鑄型中有機粘結(jié)劑的用量和樹脂的含氮量;加強保護,防止空氣侵入液態(tài)金屬。(2)采用合理的工藝焊接時采用短弧焊有利于防止氮氣孔,氣體保護焊時用活性氣體保護有利于防止氫氣孔,選用氧化鐵型焊條可提高抗銹能力。金屬熔煉時,

10、控制熔煉溫度勿使其過高,或采用真空熔煉,可降低液態(tài)金屬的含氣量。(3)對液態(tài)金屬進行除氣處理金屬熔煉時常用的除氣方法有浮游去氣法和氧化去氣法。前者是向金屬液中吹入不溶于金屬的氣體(如惰性氣體、氮氣等),使溶解的氣體進入氣泡而排除;后者是對能溶解氧的液態(tài)金屬(如銅液)先吹氧去氫,再加入脫氧劑去氧。焊接時可利用焊條藥皮或焊劑中的CaF2和碳酸鹽高溫分解出的CO2氣體進行除氫。(4)阻止液態(tài)金屬內(nèi)氣體的析出提高金屬凝固時的冷卻速度和外壓,可有效阻止氣體的析出。如采用金屬型鑄造,密封加壓等方法,均可防止析出性氣孔的產(chǎn)生。6、焊縫中的氣孔有哪幾種類型?有何特征?答:焊縫中的氣孔有三種類型:析出性氣孔、侵

11、入性氣孔、反應(yīng)性氣孔。其特征分別為:(1) 析出性氣孔為液態(tài)金屬冷卻時因溶解度下降析出的氣體,主要為氫氣孔和氮氣孔。該氣孔主要出現(xiàn)在焊縫表面,氫氣孔斷面形狀如螺釘從焊縫表面看呈喇叭口型,氣孔四周有光滑的內(nèi)避;氮氣孔一般成堆出現(xiàn),形似蜂窩。(2) 侵入性氣孔一般為水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳氫化合物。其數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色。（3）反應(yīng)性氣孔主要為H2、CO和N2。主要是由液態(tài)金屬內(nèi)部合金元素之間或與非金屬夾雜物發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生的蜂窩狀氣孔,呈梨狀或團球狀均勻分布。碳剛焊縫因冶金反應(yīng)生成的CO氣孔則沿焊縫結(jié)晶方向呈條蟲狀分布。7、試述夾雜物的形成原理、影響因素及主要

12、防止措施。答:夾雜物是指金屬內(nèi)部或表面存在的和基本金屬成分不同的物質(zhì),它主要來源于原材料本身的雜質(zhì)及金屬在熔煉、澆注和凝固過程中與非金屬元素或化合物發(fā)生反應(yīng)而形成的產(chǎn)物。夾雜物按照不同的標準可以分為很多種類,不同夾雜物的形成機理等也不盡相同:（1）一次夾雜物在金屬熔煉過程中及爐前處理時,液態(tài)金屬內(nèi)會產(chǎn)生大量的一次非金屬夾雜物。這類夾雜物的形成大致經(jīng)歷了兩個階段,即夾雜物的偏晶析出和聚合長大。排除液態(tài)金屬中一次夾雜物的途徑:1）加熔劑;2）過濾法;3）排除和減少液態(tài)金屬中氣體的措施,如合金液靜置處理、浮游法凈化、真空澆注等。（2）二次氧化夾雜物液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸時,其表面很快會形成一

13、層氧化薄膜。在澆注及充型過程中,由于金屬流動時產(chǎn)生的紊流、渦流及飛濺等,表面氧化膜會被卷入液態(tài)金屬內(nèi)部。此時因液體的溫度下降較快,卷入的氧化物在凝固前來不及上浮到表面,從而在金屬中形成二次氧化夾雜物。二次氧化夾雜物的影響因素:1）化學成分;2）液流特性;3）熔煉溫度。防止和減少二次氧化夾雜物的途徑1）正確選擇合金成分,嚴格控制易氧化元素的含量。2）采取合理的澆注系統(tǒng)及澆注工藝,保持液態(tài)金屬充型過程平穩(wěn)流動。3）嚴格控制鑄型水分,防止鑄型內(nèi)產(chǎn)生氧化性氣氛。還可加入煤粉等碳質(zhì)材料,或采用涂料,以形成還原性氣氛。4）對要求高的重要零件或易氧化的合金,可以在真空或保護性氣氛下澆注。（3）偏析夾雜物合金

14、結(jié)晶時,由于溶質(zhì)再分配,在凝固區(qū)域內(nèi)合金及雜質(zhì)元素將高度富集于枝晶間尚未凝固的液相內(nèi)。在一定條件（溫度、壓力等）下,靠近液固界面的“液滴”有可能具備產(chǎn)生某種夾雜物的條件,這時處于過飽和狀態(tài)的液相L1將發(fā)生L1-P+L2偏晶反應(yīng)，析出非金屬夾雜物P。偏析夾雜物的大小主要由合金的結(jié)晶條件和成分來決定。凡是能細化晶粒的條件都能減小偏析夾雜物的尺寸;形成夾雜物的元素原始含量越高,枝晶間偏析液相中富集該元素的數(shù)量越多,同樣結(jié)晶條件下,產(chǎn)生的偏析夾雜物越大,數(shù)量也越多。8、何謂體收縮、線收縮、液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮和收縮率?(1) 體收縮:宏觀體積收縮現(xiàn)象;(2) 線收縮:三維尺寸的減少,是尺寸長度

15、縮減的一種物理現(xiàn)象;(3) 液態(tài)收縮:液態(tài)金屬從澆注溫度T澆冷卻到液相線溫度TL產(chǎn)生的體收縮(體積改變量),稱為液態(tài)收縮。(4) 凝固收縮:金屬從液相線冷卻到固相線所產(chǎn)生的體收縮,稱為凝固收縮。(5) 固態(tài)收縮:金屬在固相線以下發(fā)生的體收縮,稱為固態(tài)收縮。(6) 收縮率:即收縮的程度,分液態(tài)收縮率、凝固收縮率和固態(tài)收縮率。液態(tài)收縮率：-(二澆液液100)xLVVTTa&式中,eV液是液態(tài)體收縮率();aV液是金屬的液態(tài)體收縮系數(shù)(C-1);T澆是液態(tài)金屬的澆注溫度(C);TL是液相線溫度(C)；凝固收縮率:%-(+=)(凝100)(x-SLSLVSLVVTTaEE,式中,eV凝是凝固體收縮率;

16、eV(L-S)是因狀態(tài)改變的體收縮;aV(L-S)是凝固溫度范圍內(nèi)的體收縮系數(shù);固態(tài)收縮率中包括體收縮率和線收縮率,固態(tài)體收縮率表示為:%（=固固100）OSx-TTVVa&式中,eV固是金屬的固態(tài)體收縮率（）;aV固是金屬的固態(tài)體收縮系數(shù)（C-1）;TS是固相線溫度（C）;T0是室溫（。0。固態(tài)收縮也常用線收縮率表示,%100）（Ox-=TTSLLaE,式中,eL是金屬的線收縮率（%）,eLeV固/3;aL是金屬的固態(tài)線收縮系數(shù)（C-1）,aLaV固/3。9、分析縮孔的形成過程,說明縮孔與縮松的形成條件及形成原因的異同點。答:純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金,在一般鑄造條件下按由表

17、及里逐層凝固的方式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發(fā)生的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮,從而在鑄件最后凝固的部位形成尺寸較大的集中縮孔。其形成過程如下圖所示。鑄件中縮孔形成過程示意圖從圖中可以看出,液態(tài)金屬充滿型腔后,由于鑄型的吸熱作用,其溫度下降,產(chǎn)生液態(tài)收縮。此時,液態(tài)金屬可通過澆注系統(tǒng)得到補充,因而型腔始終保持充滿狀態(tài)（圖a）。當鑄件外表溫度降至凝固溫度時,鑄件表面就凝固成一層固態(tài)外殼,并將內(nèi)部液體包?。▓Db）。這時,內(nèi)澆口已經(jīng)凝結(jié)。當鑄件進一步冷卻時,殼內(nèi)的液態(tài)金屬因溫度降低一方面產(chǎn)生液態(tài)收縮,另一方面繼續(xù)凝固使殼層增厚并產(chǎn)生凝固收縮;與此同時,殼層金屬也因溫度降低而發(fā)生固態(tài)收縮。如果

18、液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積縮減等于固態(tài)收縮引起的體積縮減,則殼層金屬和內(nèi)部液態(tài)金屬將緊密接觸,不會產(chǎn)生縮孔。但是,由于金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮大于殼層的固態(tài)收縮,殼內(nèi)液體與外殼頂面將發(fā)生脫離（圖c）。隨著冷卻的進行,固態(tài)殼層不斷加厚,內(nèi)部液面不斷下降。當金屬全部凝固后,在鑄件上部就形成了一個倒錐形的縮孔（圖d）。形成縮松和縮孔的基本原因是相同的,即金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮。但形成條件是不同的:產(chǎn)生縮孔的條件是鑄件由表及里逐層凝固。形成縮松的條件是金屬的結(jié)晶溫度范圍較寬,傾向于體積凝固或同時凝固方式。10、分析灰鑄鐵和球墨鑄鐵產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向性及影響因素。答:灰鑄鐵和球墨鑄

19、鐵在凝固過程中會析出石墨相而產(chǎn)生體積膨脹,因此其縮孔和縮松的形成比一般合金復(fù)雜?；诣T鐵和球墨鑄鐵凝固的共同特點是,初生奧氏體枝晶能迅速布滿鑄件的整個斷面,而且奧氏體枝晶具有很大的連成骨架的能力。因此,這兩種鑄鐵都有產(chǎn)生縮松的可能性。但是,由于它們的共晶凝固方式和石墨長大的機理不同,產(chǎn)生縮孔和縮松的傾向性有很大差別。灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨,與枝晶間的共晶液體直接接觸,因此片狀石墨長大時所產(chǎn)生的體積膨脹大部分作用在所接觸的晶間液體上,迫使它們通過枝晶間的通道去充填奧氏體枝晶間因液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的小孔洞,從而大大降低了灰鑄鐵產(chǎn)生縮松的嚴重程度。這就是灰鑄鐵的所謂“自補縮能力”。球墨鑄鐵在凝

20、固中后期,石墨球長大到一定程度后,四周形成奧氏體外殼,碳原子通過奧氏體外殼擴散到共晶團中使石墨球長大。當共晶團長大到相互接觸后,石墨化膨脹所產(chǎn)生的膨脹力,只有一小部分作用在晶間液體上,而大部分作用在相鄰的共晶團上或奧氏體枝晶上,趨向于把它們擠開。因此,球墨鑄鐵的縮前膨脹比灰鑄鐵大得多。隨著石墨球的長大,共晶團之間的間隙逐步擴大,并使鑄件普遍膨脹。共晶團之間的間隙就是球墨鑄鐵的顯微縮松,而共晶團集團之間的間隙則構(gòu)成鑄件的(宏觀)縮松。所以,球墨鑄鐵產(chǎn)生縮松的傾向性很大。如果鑄件厚大,球墨鑄鐵的縮前膨脹也會導致鑄件產(chǎn)生縮孔。如果鑄型剛度足夠大,石墨化的膨脹力有可能將縮松壓合。在這種情況下,球墨鑄鐵

21、也可看作具有“自補縮”能力。影響灰鑄鐵和球墨鑄鐵縮孔和縮松的因素:(1) 鑄鐵成分對于灰鑄鐵,隨碳當量增加,共晶石墨的析出量增加,石墨化膨脹量增加,有利于消除縮孔和縮松。(2) 凝固方式共晶成分灰鑄鐵以逐層方式凝固,傾向于形成集中縮孔。但是,共晶轉(zhuǎn)變的石墨化膨脹作用,能抵消甚至超過共晶液體的收縮,使鑄件不產(chǎn)生縮孔。(3) 孕育處理球墨鑄鐵的碳當量大于3.9%時,經(jīng)過充分孕育,在鑄型剛度足夠時,利用共晶石墨化膨脹作用,產(chǎn)生自補縮效果,可以獲得致密的鑄件。(4) 鑄型剛度鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生石墨化膨脹時,型壁是否遷移,是影響縮孔容積的重要因素。鑄型剛度大,縮前膨脹就小,縮孔容積也相應(yīng)減小,甚至不產(chǎn)生

22、縮孔。鑄型剛度依下列次序逐級降低:金屬型覆砂金屬型水泥型水玻璃砂型干型濕型。11、簡述順序凝固原則和同時凝固原則各自的優(yōu)缺點和適用范圍。答:(1)順序凝固原則鑄件的順序凝固原則是采取各種措施,保證鑄件各部分按照距離冒口的遠近,由遠及近朝著冒口方向凝固,冒口本身最后凝固(見右圖)。鑄件按照這一原則凝固時,可使縮孔集中在冒口中,獲得致密的鑄件。順序凝固原則的優(yōu)點:可以充分發(fā)揮冒口的補縮作用,防止縮孔和縮松的形成,獲得致密鑄件。其缺點為:順序凝固時,鑄件各部分存在溫差,在凝固過程中易產(chǎn)生熱裂,凝固后容易使鑄件產(chǎn)生變形。此外,由于需要使用冒口和補貼,工藝出品率較低。其適用范圍為:凝固收縮大、結(jié)晶溫度范

23、圍順序凝固方式示意圖距離溫度冒口澆口小的合金。(2) 同時凝固原則同時凝固原則是采取工藝措施保證鑄件各部分之間沒有溫差或溫差盡量小,使各部分同時凝固,如右圖所示。同時凝固原則的優(yōu)點:同時凝固時鑄件溫差小,不容易產(chǎn)生熱裂,凝固后不易引起應(yīng)力和變形。其缺點為:同時凝固條件下擴張角申等于零,沒有補縮通道,無法實現(xiàn)補縮。其適用范圍為:1）碳硅含量高的灰鑄鐵,其體收縮較小甚至不收縮,合金本身不易產(chǎn)生縮孔和縮松。2）結(jié)晶溫度范圍大,容易產(chǎn)生縮松的合金（如錫青銅）,對氣密性要求不高時,可采用這一原則,以簡化工藝。3）壁厚均勻的鑄件,尤其是均勻薄壁鑄件,傾向于同時凝固,消除縮松困難,應(yīng)采用同時凝固原則。4）球

24、墨鑄鐵件利用石墨化膨脹進行自補縮時,必須采用同時凝固原則。5）某些適合采用順序凝固原則的鑄件,當熱裂、變形成為主要矛盾時,可采用同時凝固原則。12、焊件和鑄件的熱應(yīng)力是如何形成的?應(yīng)采取哪些措施予以控制?答:工件在加熱和冷卻過程中,由于各部分的溫度不同造成工件上同一時刻各部分的收縮或膨脹量不同,從而導致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力是由不均勻溫度場引起的,故稱為熱應(yīng)力。焊件中的熱應(yīng)力是由于焊接過程中,移動熱源對焊件的加熱是局部的、不均勻的。在同一時刻,工件上離熱源中心距離不同的部位其溫度不同,熱源下方的熔池部位溫度最高,距離熔池越遠溫度越低。焊接時,鄰近熔池的高溫區(qū)金屬由于熱膨脹受到周圍

25、低溫金屬的限制,產(chǎn)生壓縮塑性變形;而在冷卻過程中,已發(fā)生壓縮塑性變形的這部分金屬又受到周圍條件的制約,不能自由收縮,在不同程度上又被拉伸。與此同時,熔池凝固形成焊縫。溫度繼續(xù)降低時,焊縫金屬因冷卻收縮受阻而受到拉伸,但在溫度高于力學熔點的時間內(nèi),焊縫內(nèi)不會產(chǎn)生熱應(yīng)力;而在溫度低于力學熔點以下時,由于材料的彈性得以恢復(fù),從而使焊縫相應(yīng)產(chǎn)同時凝固方式示意圖生了收縮拉應(yīng)力。鑄件中的熱應(yīng)力是由于在凝固后的冷卻過程中,各部分冷卻速度不一致,從而引起收縮量不同。但因各部分彼此相聯(lián),又互相制約,因而產(chǎn)生了熱應(yīng)力?？刂茟?yīng)力的措施:(1)合理設(shè)計結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)中,應(yīng)避免焊縫交叉和密集,盡量采用對接而避免搭接;在保

26、證結(jié)構(gòu)強度的前提下,盡量減少不必要的焊縫;采用剛度小的結(jié)構(gòu)代替剛度大的結(jié)構(gòu)等。在鑄造結(jié)構(gòu)中,鑄件的壁厚差要盡量小;厚薄壁連接處要圓滑過渡;鑄件厚壁部分的砂層要減薄,或放置冷鐵;合理設(shè)置澆冒口,盡量使鑄件各部分溫度均勻。(2)合理選擇工藝在焊接中,應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體情況,盡量采用較小的線能量(如采用小直徑焊條和較低的焊接電流),以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序,盡可能使焊縫能自由收縮,收縮量大的焊縫應(yīng)先焊。此外,采取預(yù)熱措施可降低工件中的溫度梯度,從而減小焊接應(yīng)力。澆注鑄件時,在滿足使用要求的前提下,應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料;提高鑄型的預(yù)熱溫度可減小鑄件各部分的溫差;采用較細的

27、面砂和涂料,減小鑄件表面的摩擦力;控制鑄型和型芯的緊實度,加木屑、焦炭等提高鑄型和型芯的退讓性;控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時間,避免過早或過遲打箱。(3) 消除殘余應(yīng)力減小或消除殘余應(yīng)力的方法有多種,如熱處理法、自然失效法、振動法、加載法和錘擊法等。13、簡述凝固裂紋的形成機理及防止措施。答:（1）凝固裂紋的形成機理金屬在凝固過程中要經(jīng)歷液-固狀態(tài)和固-液狀態(tài)兩個階段,在溫度較高的液-固階段,晶體數(shù)量較少,相鄰晶體間不發(fā)生接觸,液態(tài)金屬可在晶體間自由流動,此時金屬的變形主要由液體承擔,已凝固的晶體只作少量的相互位移,其形狀基本不變。隨著溫度的降低,晶體不斷增多且不斷長大。進入固-液階段后,多數(shù)液態(tài)金

28、屬已凝固成晶體,此時塑性變形的基本特點是晶體間的相互移動,晶體本身也會發(fā)生一些變形。當晶體交替長合構(gòu)成枝晶骨架時,殘留的少量液體尤其是低熔共晶,便以薄膜形式存在于晶體之間,且難以自由流動。由于液態(tài)薄膜抗變形阻力小,形變將集中于液膜所在的晶間,使之成為薄弱環(huán)節(jié)。此時若存在足夠大的拉伸應(yīng)力,則在晶體發(fā)生塑性變形之前,液膜所在晶界就會優(yōu)先開裂,最終形成凝固裂紋。（2）凝固裂紋的防止措施A冶金措施:1）限制有害雜質(zhì)2）微合金化和變質(zhì)處理3）改進鑄鋼的脫氧工藝4）改善金屬組織5）利用“愈合”作用B工藝措施焊接工藝措施1）適當降低熱輸入,避免熔池過熱。熱輸入較大時,易形成粗大的柱狀晶,增加偏析程度,同時晶

29、界上低熔點共晶熔化較嚴重,焊接應(yīng)力也較大。因此凝固裂紋和液化裂紋形成傾向大。2）針對不同的焊接方法和接頭型式,合理調(diào)整焊接工藝參數(shù),獲得合適的焊縫成形系數(shù)。適當增加成形系數(shù),使低熔點共晶聚集在焊縫上部,與焊縫收縮應(yīng)力成一定角度,有利于防止凝固裂紋的產(chǎn)生。3）焊縫凹進部位過熱嚴重,易形成液化裂紋,凹度d越大,裂紋傾向越大?？刂瓢级仁筪1mm,可減少液化裂紋傾向。4）在接頭設(shè)計和裝焊順序方面,應(yīng)盡量降低接頭的剛度或拘束度,盡可能使大多數(shù)焊縫在較小剛度條件下焊接,以改善焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)。鑄造工藝措施1）減小鑄件的收縮應(yīng)力,如增加鑄型和型芯的退讓性,預(yù)熱鑄型,在鑄型和型芯表面刷涂料等,可降低熱裂傾向

30、。2）改進澆注方法,設(shè)置合理的澆道數(shù)量,控制澆注速度等,以控制鑄件的冷卻速度,使鑄件各部分的溫度相對均勻。3）設(shè)計合理的鑄件結(jié)構(gòu),避免直角或十字交叉的截面。必要時設(shè)置防裂肋,在兩壁相交部位采用冷鐵加速熱節(jié)的冷卻等,也是防止鑄件熱裂的重要措施14、何謂液化裂紋?出現(xiàn)在焊接接頭的哪個區(qū)域?為什么?答:液化裂紋是母材近縫區(qū)或焊縫層間金屬,在高溫下發(fā)生晶間液膜分離而導致的開裂現(xiàn)象。出現(xiàn)在焊接接頭的焊接熱影響區(qū)。從液化裂紋的定義可以知道,液化裂紋常出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)或多層焊的層間金屬中。這是由于熱影響區(qū)或多層焊層間金屬奧氏體晶界上的低熔點共晶,在焊接高溫下發(fā)生重新熔化,使金屬的塑性和強度急劇下降,在拉伸

31、應(yīng)力作用下沿奧氏體晶界開裂而形成的。此外,在不平衡加熱和冷卻條件下,由于金屬間化合物分解和元素的擴散,造成局部地區(qū)共晶量偏高而發(fā)生局部晶間液化,也會產(chǎn)生液化裂紋。15. 試敘冷裂紋的種類及特征答:（1）冷裂紋的分類1）按形成的原因分為三種:延遲裂紋、淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋。2）按加工工藝特點:鑄造裂紋和焊接裂紋等。（2）裂紋的基本特征冷裂紋有時在焊后或加工后立即出現(xiàn),有時則要經(jīng)過一段時間才出現(xiàn)。多起源于具有缺口效應(yīng)、易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,或物理化學不均勻的部位。焊接裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。斷口形態(tài)比較復(fù)雜,從宏觀上看,冷裂紋斷口具有發(fā)亮的金屬光澤,呈脆性斷裂特征:從微觀上看,有的沿晶

32、間斷裂,有的為穿晶斷裂,而更常見的是沿晶和穿晶共存的斷裂缺口形態(tài)。有氫作用時會出現(xiàn)明顯的氫致準理解斷口,淬硬傾向大,沿晶斷裂特征越趨明顯。16、分析氫在形成冷裂紋中的作用,簡述氫致裂紋的特征和機理。答:(1)氫的作用焊縫凝固時,高溫下溶入液態(tài)金屬中的氫將來不及析出,呈過飽和態(tài)殘留在接頭中。由于氫原子的體積小,因此可以在接頭中自由擴散,稱之為接頭中的擴散氫。擴散氫易于在焊接熱影響區(qū)、焊趾、焊根等部位偏聚,使金屬脆化。尤其是當這些部位存在顯微裂紋時,擴散氫易向裂紋尖端的三向拉伸應(yīng)力區(qū)擴散、聚集,當接頭中的擴散氫達到氫的臨界含量時,將導致冷裂紋的出現(xiàn)。(2)氫致裂紋的形成機理及特征形成機理:接頭中的擴散氫不僅使金屬脆化,當金屬內(nèi)部存在顯微裂紋等缺陷時,在應(yīng)力的作用下,裂紋前沿會形成應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū),誘使接頭中的擴散氫向高應(yīng)力區(qū)擴散并聚集為分子態(tài)氫,體積膨脹使裂紋內(nèi)壓力增高,裂紋向前擴展,在裂紋尖端形成新的三向應(yīng)力區(qū),這一過程周而復(fù)始持續(xù)進行。當接頭中的氫含量超過臨界值時,顯微裂紋將擴展成為宏觀裂紋。特征:氫致裂紋從潛伏、萌生、擴展直至開裂具有延遲特征;存在氫致延遲裂紋的敏感溫度區(qū)間(Ms以下200工至室溫范圍)；常發(fā)生在剛性較大的低碳鋼、低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)中。17、為什么低合金鋼