材料成型原理思考題及解答

材料成型原理思考題本課程教學(xué)要求：1．掌握液態(tài)金屬和合金的凝固、結(jié)晶根本規(guī)律和冶金處理及它們對材質(zhì)和零件性能的影響。2．重點掌握塑性成型的根底及塑性成型理論的應(yīng)用。3．重點掌握材料成型過程中化學(xué)冶金和現(xiàn)象、缺陷的形成機理、影響因素及預(yù)防措施。第二章液態(tài)金屬重點內(nèi)容1、液態(tài)金屬的根本特性2、液態(tài)金屬的粘度、外表張力、G吸附方程3、流動方程、相似定律4、流變行為和流變鑄造思考題1．在固相外表上有液相和氣相，且三者處于界面平衡的情況，什么條件下固-液互相之間是潤濕的。到達平衡時，在氣、液、固三相交界處，氣-液界面和固-液界面之間的夾角稱為接觸角〔contactangle)，用θ表示。它實際是液體外表張力和液-固界面張力間的夾角。接觸角的大小是由在氣、液、固三相交界處，三種界面張力的相對大小所決定的。從接觸角的數(shù)值可看出液體對固體潤濕的程度。當(dāng)、和達平衡時以下關(guān)系：γSG-γSL=γLGcosθ上述方程稱為楊〔Young)方程。從楊方程我們可以得到以下結(jié)論：〔1〕如果〔γSG-γSL〕=γLG，那么cosθ=1，θ=0°，這是完全潤濕的情況.如果〔γSG-γSL〕>γLG，那么直到θ=0還沒有到達平衡，因此楊方程不適用，但是液體仍能在固體外表鋪展開來?！?〕如果0<〔γSG-γSL〕<γLG，那么1>cosθ>0，θ<90o，固體能為液體所潤濕.〔3〕如果〔γSG-γSL〕<0，那么cosθ<0，θ>90o，固體不為液體所潤濕.2．分析物質(zhì)外表張力產(chǎn)生的原因以及與物質(zhì)原子間結(jié)合力的關(guān)系。外表張力是由于物體在外表上的質(zhì)點受力不均所造成。由于液體或固體的外表原子受內(nèi)部的作用力較大，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起外表原子的勢能比內(nèi)部原子的勢能高。因此，物體傾向于減小其外表積而產(chǎn)生外表張力。原子間結(jié)合力越大，外表內(nèi)能越大，外表張力也就越大。但外表張力的影響因素不僅僅只是原子間結(jié)合力，與上述論點相反的例子大量存在。研究發(fā)現(xiàn)有些熔點高的物質(zhì)，其外表張力卻比熔點低的物質(zhì)低，如Mg與Zn同樣都是二價金屬，Mg的熔點為650℃，Zn的熔點為420℃，但Mg的外表張力為559mN/m；Zn的外表張力卻為782mN/m。此外，還發(fā)現(xiàn)金屬的外表張力往往比非金屬大幾十倍，而比鹽類大幾倍。這說明單靠原子間的結(jié)合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應(yīng)當(dāng)從它具有自由電子這一特性去考慮。3．液態(tài)金屬的外表張力有哪些影響因素?〔1〕原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力越大，外表內(nèi)能越大，外表張力也就越大。但外表張力的影響因素不僅僅只是原子間結(jié)合力，研究發(fā)現(xiàn)有些熔點高的物質(zhì)，其外表張力卻比熔點低的物質(zhì)低。此外，還發(fā)現(xiàn)金屬的外表張力往往比非金屬大幾十倍，而比鹽類大幾倍。這說明單靠原子間的結(jié)合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應(yīng)當(dāng)從它具有自由電子這一特性去考慮?！?〕溫度液態(tài)金屬外表張力通常隨溫度升高而下降，因為原子間距隨溫度升高而增大?！?〕合金元素或微量雜質(zhì)元素合金元素或微量雜質(zhì)元素對外表張力的影響，主要取決于原子間結(jié)合力的改變。向系統(tǒng)中參加削弱原子間結(jié)合力的組元，會使外表張力減小，使外表內(nèi)能降低，這樣，將會使外表張力降低。合金元素對外表張力的影響還表達在溶質(zhì)與溶劑原子體積之差。當(dāng)溶質(zhì)的原子體積大于溶劑原子體積，由于造成原子排布的畸變而使勢能增加，所以傾向于被排擠到外表，以降低整個系統(tǒng)的能量。這些富集在外表層的元素，由于其本身的原子體積大，外表張力低，從而使整個系統(tǒng)的外表張力降低。原子體積很小的元素，如O、S、N等，在金屬中容易進入到熔劑的間隙使勢能增加，從而被排擠到金屬外表，成為富集在外表的外表活性物質(zhì)。由于這些元素的金屬性很弱，自由電子很少，因此外表張力小，同樣使金屬的外表張力降低?！?〕溶質(zhì)元素的自由電子數(shù)目大凡自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)元素，由于其外表雙電層的電荷密度大，從而造成對金屬外表壓力大，而使整個系統(tǒng)的外表張力增加?；衔锿獗韽埩χ暂^低，就是由于其自由電子較少的緣故。第三章熔池化學(xué)冶金重點內(nèi)容1、熔池化學(xué)冶金過程特點熔池化學(xué)冶金的保護、化學(xué)反響分區(qū)2、熔敷速度、熔合比3、氣相對金屬的作用〔H〕有害氣體控制4、熔池化學(xué)冶金的一般規(guī)律合金化、脫氧、脫硫、脫磷5、熔渣的作用性質(zhì)6、合金過渡問題7、冶金缺陷的形成機理和控制氣孔與夾雜問題思考題1.焊接化學(xué)冶金與煉鋼相比，在原材料方面和反響條件方面主要有哪些不同？〔1〕原材料不同：普通冶金材料的原材料主要是礦石、廢鋼鐵和焦炭等；而焊接化學(xué)冶金的原材料主要是焊條、焊絲和焊劑等?！?〕反響條件不同：普通化學(xué)冶金是對金屬熔煉加工過程，是在放牧特定的爐中進行的；而焊接化學(xué)冶金過程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當(dāng)于高爐。2.調(diào)控焊縫化學(xué)成分有哪兩種手段？它們怎樣影響焊縫化學(xué)成分？調(diào)控焊縫化學(xué)成分的兩種手段：〔1〕對熔化金屬進行冶金處理〔2〕改變?nèi)诤媳?。怎樣影響焊縫化學(xué)成分：〔1〕對熔化金屬進行冶金處理，也就是說，通過調(diào)整焊接材料的成分和性能，控制冶金反響的開展，來獲得預(yù)期要求的焊接成分；〔2〕在焊接金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比，改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。3.焊接區(qū)內(nèi)氣體的主要來源是什么？它們是怎樣產(chǎn)生的？焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料產(chǎn)生：1.有機物的分解和燃燒2．碳酸鹽和高價氧化物的分解3．材料的蒸發(fā)焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。氣電焊時，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來自所采用的保護氣體及其雜質(zhì)〔氧、氮、水氣等〕。氣體主要通過以下物化反響產(chǎn)生的1)有機物的分解和燃燒：制造焊條時常用淀粉、纖維素等有機物作為造氣劑和涂料增塑劑，焊絲和母材外表上也可能存在油污等有機物，這些物質(zhì)受熱以后將發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反映，統(tǒng)稱為熱氧化分解反響。2)碳酸鹽和高價氧化物的分解：焊接冶金中常用的碳酸鹽有白云石、碳酸鈣等。這些碳酸鹽在加熱超過一定溫度時開始分解，生成氣體CO2。3)材料的蒸發(fā)：在焊接過程中，除焊接材料中的水分發(fā)生蒸發(fā)外，金屬元素熔渣的各種成分也在電弧的高溫作用下發(fā)生蒸發(fā)，形成相當(dāng)多的蒸氣。除上述物化反響產(chǎn)生氣體外，還有一些冶金反響也會產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。4.為什么電弧焊時熔化金屬的含氮量高于它的正常溶解度？電弧焊時熔化金屬的含氮量高于溶解度的主要原因在于：1〕電弧中受激的氮分子，特別是氮原子的溶解速度比沒受激的氮分子要快得多；2〕電弧中的氮離子可在陰極溶解；3〕在氧化性電弧氣氛中形成NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬它分解為N和O，N迅速溶于金屬。5.氮對焊接質(zhì)量有哪些影響？控制焊縫含氮量的主要措施是什么？影響：1〕氮是促使焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因之一2〕氮是提上下碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強度、降低塑性和韌性的元素3〕氮是促使焊繞金屑時效艙化的元素。措施：1〕控制氮的主要措隨是加強保護，防止空氣與金屬作用2〕在藥皮中參加造氣劑(如碳酸鹽有機物等)，形成氣渣聯(lián)合保護，可使焊縫含氯量下降3〕盡量采用短弧焊4〕增加焊接電流，熔滴過渡頻率增加．氮與熔滴的作用時間縮短，焊縫合氮量下降5〕增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫中的含氮量6〕通過參加一些合金元素形成穩(wěn)定的氮化物降低氮含量6.手弧焊時，氫通過哪些途徑向液態(tài)鐵中溶解？寫出溶解反響及規(guī)律？一是通過氣相與液相金屬的界面以原子或質(zhì)子的形式融入金屬；二是通過渣層融入金屬。氫通過爐渣向金屬中溶解時，氫或者水蒸氣首先溶于熔渣，溶解在渣中的氫主要以O(shè)H-離子的形式存在，這是由于發(fā)生如下溶解反響的結(jié)果：對于含有自由氧離子的酸性或堿性渣：對于不含自由氧離子的渣：氫從熔渣中向金屬中過渡是通過如下反響進行的：7.

氫對焊接質(zhì)量有哪些影響？1)氫脆，氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降。2)白點，碳鋼和低合金鋼焊縫，如含氫量高常常在拉伸或彎曲斷面上出現(xiàn)銀白色局部脆斷點。3)形成氣孔，熔池吸收大量的氫，凝固時由于溶解度突然下降，使氫處于飽和狀態(tài)，會產(chǎn)生氫氣且不溶于液態(tài)金屬，形成氣泡產(chǎn)生氣孔。4)氫促使產(chǎn)生冷裂紋。措施：1)限制焊接材料中的氫含量，制造低氫和超低氫型焊接材料和焊劑時，應(yīng)盡量選用不含或含氫量少的材料。2)去除焊件和焊絲外表上的鐵銹，油污，吸附水等雜質(zhì)。c.冶金處理：在藥皮中參加氟化物，控制焊接材料的氧化復(fù)原勢，在藥皮或焊芯中參加微量的稀土和稀散元素，控制焊接工藝參數(shù)，焊后除氫處理。8

既然隨著堿度的增加水蒸氣在熔渣中的溶解度增大，為什么在低氫型焊條熔敷金屬中的含氫量反而比酸性焊條少？9.

綜合分析各種因素對手工電弧焊時焊縫含氫量的影響?！?〕焊接工藝參數(shù)對焊縫含氫量有一定的影響：手工電弧焊時，增大焊接電流使熔滴吸收的氫量增加；增大電弧電壓使焊縫含氫量有某些減少。電弧焊時，電流種類和極性對焊縫含氫量也有影響。〔2〕制造焊條時，適當(dāng)提高烘烤溫度可以降低焊接材料的含水量，因而也就相應(yīng)地降低了焊縫中的含氫量?！?〕焊件坡口附近外表上的鐵銹、油污、吸附水等是增加焊縫含氫量的原因之一，焊前應(yīng)仔細去除。10.綜合分析熔渣的堿度對金屬的氧化、脫氧、脫硫、脫磷、合金過渡的影響?；钚栽鼘缚p金屬的氧化:〔一〕擴散氧化：一定溫度下，焊縫中的含氧量隨著熔渣中FeO含量的增加而增加。(二)置換氧化：熔渣中氧化物，與液態(tài)鐵發(fā)生置換反響，其結(jié)果使鐵氧化，該氧化物中的元素被復(fù)原，生成的FeO大局部進入熔渣，小局部溶于液態(tài)鐵中使焊縫增氧，同時使焊縫增硅、增錳。

焊縫金屬的脫氧：脫氧劑和FeO直接反響而把鐵復(fù)原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。酸性焊條一般用錳鐵作脫氧劑，而堿性焊條不單獨用錳鐵作脫氧劑；提高熔渣的堿度和金屬中含硅量，可以提高硅的脫氧效果；錳硅聯(lián)合脫氧。酸性渣有利于擴散脫氧。

冶金脫硫：焊絲中錳脫硫，熔渣中堿性氧化物脫硫。

冶金脫磷：FeO將磷氧化成P2O5，與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽

合金過渡：減少合金元素的殘留量及氧化損失量，可提高合金元素的過渡效果11.氧對焊接質(zhì)量有哪些影響？應(yīng)采取什么措施減少焊縫含氧量？影響：1.氧在焊縫中無論以何種形式存在，對焊縫的性能都有很大的影響。隨著焊縫含氧量的增加，其強度、塑性、韌性都明顯下降，尤其是低溫沖擊韌度急劇下降。此外，它還引起熱脆、冷脂和時效硬化2.氧燒損鋼中的有益合金元素使焊縫性能變壞。熔滴中含氧和碳多時，它們相互作用生成的CO受熱膨脹，使熔滴爆炸，造成飛濺，影響焊接過程的穩(wěn)定性措施：1．純化焊接材料2．控制焊接工藝參數(shù)3.脫氧12.CO2保護焊焊接低合金鋼時，應(yīng)采用什么焊絲？為什么？采用高錳高硅焊絲H08AMn2Si。用普通焊絲時，焊絲中Mn，Si含量缺乏，起脫氧作用會很差，由于碳的氧化在焊縫中產(chǎn)生氣孔，同時合金元素?zé)龘p，焊縫含氧量增大，所以CO2保護焊焊接應(yīng)用H08AMn2Si型焊絲，以利于脫氧獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。13.在焊接過程中熔渣起哪些作用？設(shè)計焊條、焊劑時應(yīng)主要調(diào)控熔渣的哪些物化性質(zhì)？為什么？1〕對液態(tài)熔池金屬起保護作用。阻止空氣中的氮、氧侵入焊縫。

〔2〕對液態(tài)金屬起冶金處理作用。如脫氮、脫氧、去氫、脫硫脫磷、摻合金，調(diào)正焊縫金屬的化學(xué)成分。

〔3〕改善焊接工藝性能的作用。焊接熔渣中一般含有電離物質(zhì)，使電弧容易引燃，并穩(wěn)定燃燒。熔渣的物化性質(zhì)適宜時，使易于進行不同焊接位置的操作，保證焊縫具有良好的成形。

〔4〕改善熱標(biāo)準(zhǔn)的作用。減緩液態(tài)金屬的凝固，降低冷卻速度。

焊接熔渣在一定條件下可產(chǎn)生不利的作用，如燒損焊縫金屬中的合金元素、產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷，造成脫渣困難而影響焊接生產(chǎn)效率等。

為使焊接熔渣起到人民預(yù)期的良好作用，關(guān)鍵在于通過調(diào)整和控制熔渣的化學(xué)成分，使其具有適宜的物理化學(xué)性質(zhì)。14為什么FeO在堿性渣中的活度系數(shù)比在酸性渣中大?這是否說明堿性渣的氧化性高于酸性渣?為什么?1〕渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物較少，F(xiàn)eo大局部以自由態(tài)存在，即Feo在渣中活度系數(shù)比在酸性渣中大。2〕但這并不能說明堿性渣的氧化性大于酸性渣3〕雖然堿性渣中FeO的活度系數(shù)大，但堿性渣中FEO的含量并不高，因此堿性渣對液態(tài)金屬的氧話性比酸性渣小15試述焊接條件下CO氣孔的形成原因、特征及如何加以防止。氫氣孔形成原因:高溫時氫在熔池和熔滴金屬中的溶解度急劇下降，特別是液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，氫的溶解度發(fā)生突變，可從32ml/100g下降至10ml/100g。因焊接熔池冷卻很快，當(dāng)結(jié)晶速度大于氣飽逸出速度時就會形成氣孔。特征：喇叭口形的外表氣孔控制氫的措施:1)、限制焊接材料的含氫量，藥皮成分2)、嚴(yán)格清理工件及焊絲：去銹、油污、吸附水分3)、冶金處理4)、調(diào)整焊接標(biāo)準(zhǔn)5)、焊后脫氫處理CO氣孔,形成原因：進行冶金反響時產(chǎn)生了相當(dāng)多的不溶于金屬的氣體，如CO.特征：焊縫內(nèi)部，呈條蟲狀，外表光滑16何謂沉淀脫氧？試述生產(chǎn)中常見的幾種脫氧反響?！?〕沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和熔池中的[FeO]起作用，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物，并析出轉(zhuǎn)入熔渣的一種脫氧方式?！?〕生產(chǎn)中幾種常用的沉淀脫氧反響：a錳的脫氧反響，[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)b硅的脫氧反響，[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)c硅錳聯(lián)合脫氧反響。17簡述氫在鋼鐵中的溶解特點及其有害作用。鋼中的氫是由銹蝕含水的爐料或從含有水蒸氣的爐氣中吸入的。在含氫的復(fù)原性氣氛中加熱鋼材，酸洗及電鍍等，氫圴可被鋼件吸收，并通過擴散進入鋼內(nèi)。氫對鋼的危害是很大的。一是引起氫脆，即在低于鋼材強度極限的應(yīng)力作用下，經(jīng)一定時間后，在無任何預(yù)兆的情況下突然斷裂，往往造成災(zāi)難性的后果。鋼的強度越高，對氫脆的敏感性往往越大。二是導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生大量細微裂紋缺陷——白點，在鋼材縱斷面上呈光滑的銀白色的斑點，在酸洗后的橫斷面上那么呈較多的發(fā)絲狀裂紋，白點使鋼材的延伸率顯著下降，尤其是斷面收縮率和沖擊韌性降低得更多，有時可接近于零值。因此具有白點的鋼是不能使用的。18簡述在鋼鐵的冶金中用硅鐵和錳鐵作為脫氧劑各有何特點？錳的脫氧能力較弱，但在煉鋼生產(chǎn)中，卻是最常用的脫氧元素，原因如下：1．錳能提高硅和鋁的脫氧能力。2．錳是沸騰鋼〔不完全脫氧的鋼，要求鋼液含氧0.035%-0.045%〕無可替代的脫氧元素，因其不會抑制碳氧反響，從而有利于獲得良好的沸騰鋼鋼錠組織。3．錳可以減輕硫的危害。脫氧后殘留在鋼中的錳可與硫生成高熔點的〔1620℃〕塑性夾雜物MnS，降低鋼的熱脆傾向，減輕硫的危害作用。硅是鎮(zhèn)靜鋼最常用的脫氧元素。硅的脫氧元素較強，與硅平衡的鋼液的氧含量是很低的。在堿性渣下，硅的脫氧能力可以得到充分的發(fā)揮，這是因為硅的脫氧產(chǎn)物SiO2可以與堿性渣中的CaO結(jié)合成穩(wěn)定的2CaO·SiO2，從而大大降低了SiO2的活度，使硅脫氧反響充分進行。但是，單獨用硅脫氧時，很容易生成固態(tài)并以小顆粒狀態(tài)存在的SiO2，難以從鋼液中上浮而排除。19．采用堿性焊條施焊時，為什么要求嚴(yán)格清理焊件坡口外表的鐵銹和氧化皮?而用酸性焊條施焊或CO2焊時對焊前清理的要求相對較低?這種現(xiàn)象可以用熔渣的分子理論來解釋。堿性渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物較少，F(xiàn)eO大局部以自由狀態(tài)存在，即FeO在渣中的活度系數(shù)大，因而容易向金屬中擴散，使液態(tài)金屬中增氧。所以在堿性焊條藥皮中一般不參加含F(xiàn)eO的物質(zhì)，并要求焊接時嚴(yán)格去除在焊件外表上的氧化皮和鐵銹，否那么將使焊縫增氧并可能產(chǎn)生氣孔等的缺陷。而在酸性渣中，SiO2、TiO2等的酸性氧化物較多，它們能與FeO形成復(fù)雜的化合物〔如FeO、SiO2〕，使自由的FeO減少，故在熔渣中FeO含量相同的情況下，擴散到金屬中的氧較少，CO2焊采用Mn,Si沉淀脫氧，CO2焊脫氫能力強，所以用酸性焊條施焊或CO2焊時對焊前清理的要求相對較低。20．綜合分析熔渣的堿度對脫磷脫硫的影響。脫硫：熔渣的復(fù)原性和堿度渣中氧化鈣的濃度高和氧化亞鐵的濃度低都有利于反響的行因此，在復(fù)原期中脫硫是有利的。熔渣堿度高也有利于脫硫。脫磷脫磷的有利條件是高堿度和強氧化性的、粘度小的熔渣，較大的渣量和較低的溫度。第四章液態(tài)金屬凝固重點內(nèi)容:1．凝固過程的根本概念2．形核的分類及特點均質(zhì)形核、非均質(zhì)形核3．晶體長大方式及特點晶體長大方式、長大速度4．單相合金凝固時的溶質(zhì)遷移平衡態(tài)凝固和非平衡態(tài)凝固5．鑄件凝固的形核、長大、化學(xué)成份不均勻性6．熔池凝固的形核、長大、化學(xué)成份不均勻性7．急冷方法和急冷產(chǎn)物及其優(yōu)點8．微重力下傳質(zhì)和傳熱的特點及應(yīng)用思考題1．為什么非均質(zhì)形核比均質(zhì)形核容易?影響非均質(zhì)形核的根本因素和條件有哪些?非均質(zhì)形核與均質(zhì)形核時臨界曲率半徑大小相同，但球缺的體積比均質(zhì)形核時體積小得多。所以，液體中晶坯附在適當(dāng)?shù)幕捉缑嫔闲魏?，體積比均質(zhì)臨界核體積小得多時，便可到達臨界曲率半徑，因此在較小的過冷度下就可以得到較高的形核率接觸角大小(晶體與雜質(zhì)基底相互潤濕程度)影響非均質(zhì)形核的難易程度。由于通常情況下，接觸角遠小于180o，所以，非均質(zhì)形核功ΔG遠小于均質(zhì)形核功ΔG，非均質(zhì)形核過冷度ΔT*比均質(zhì)形核的要小得多影響異質(zhì)形核的其它條件：a.基底晶體與結(jié)晶相的晶格錯配度的影響?！瞐N—結(jié)晶相點陣間隔，aC—雜質(zhì)點陣間隔〕錯配度δ越小，共格情況越好，界面張力σSC越小，越容易進行非均質(zhì)形核。b.過冷度的影響。過冷度越大，能促使非均勻形核的外來質(zhì)點的種類和數(shù)量越多，非均勻形核能力越強。2．成分過冷對固溶合金熔池結(jié)晶形態(tài)有何影響？成分過冷是由溶質(zhì)富集所產(chǎn)生，只能出現(xiàn)在合金的凝固過程中，其產(chǎn)生的晶體形貌隨成分過冷程度的不同而不同，當(dāng)過冷程度增大時，固溶體生長方式由無成分過冷時的“平面晶”依次開展為：胞狀晶→柱狀樹枝晶→內(nèi)部等軸晶〔自由樹枝晶〕。3．試述焊接熔池中金屬凝固的特點。熔焊時，在高溫?zé)嵩吹淖饔孟拢覆陌l(fā)生局部熔化，并與熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同時進行短暫而復(fù)雜的冶金反響。當(dāng)熱源離開后，熔池金屬便開始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。〔1〕熔池金屬的體積小，冷卻速度快。在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3，冷卻速度通?？蛇_4～100℃/s，?！?〕熔池金屬中不同區(qū)域溫差很大、中心部位過熱溫度最高。熔池金屬中溫度不均勻，且過熱度較大，尤其是中心部位過熱溫度最高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)將大為減少?！?〕動態(tài)凝固過程。一般熔焊時，熔池是以一定的速度隨熱源而移動。〔4〕液態(tài)金屬對流劇烈。熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，使熔池金屬產(chǎn)生強烈的攪拌和對流，在熔池上部其方向一般趨于從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底部的流動方向與之正好相反，這一點有利于熔池金屬的混和與純潔。4．簡述由于非平衡態(tài)凝固，熔池凝固組織存在的化學(xué)不均勻性。所謂化學(xué)不均勻性指的是結(jié)晶過程中化學(xué)成分的一種偏析現(xiàn)象。

⑴焊縫中的化學(xué)不均性

①顯微偏析〔枝晶偏析〕原因：焊接時冷卻速度大，液固界面溶質(zhì)來不及擴散純金屬先結(jié)晶雜質(zhì)后結(jié)晶

②宏觀偏析〔區(qū)域偏析〕原因：焊速極大，焊縫以柱狀晶長大把雜質(zhì)推向熔池中心，中心雜質(zhì)濃度升高所以產(chǎn)生嚴(yán)重偏析

③層狀偏析〔由于化學(xué)成分不均勻性引起分層現(xiàn)象〕原因：由于晶體成長速度R發(fā)生周期性變化引起，R升高，結(jié)晶前沿溶度濃度升高，形成一層溶質(zhì)較多的帶狀偏析層，R減小，結(jié)晶前沿的濃度減少。

⑵熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性

原因：合金元素在液相中的溶解度大于固相，熔合區(qū)溶質(zhì)原子由固相向液相界面擴散，使界面處合金元素再分配1:從冷態(tài)開始到加熱熔化，形成熔池的溫度可達2000℃以上，母材又是冷態(tài)金屬，兩者溫差巨大。并且隨熱源的移動局部受熱區(qū)也在不斷移動，造成組織轉(zhuǎn)變差異和整個接頭組織不均勻。

2:焊接熔池體積小，焊縫金屬從熔化到凝固只有幾秒鐘時間。在如此短時間內(nèi)，冶金反響是不平衡的，使焊縫金屬的成分分布不均勻，有時區(qū)域偏析很大。

3:焊接過程中溫度高，液體金屬蒸發(fā)，化學(xué)元素?zé)龘p，有些元素在焊縫金屬和母材金屬之間相互擴散，近縫區(qū)各段所處的溫度不同，冷卻后焊接區(qū)的顯微組織差異極大。5．解釋臨界晶核半徑和臨界形核功的意義，以及為什么形核要有一定過冷度?〔1〕臨界晶核半徑r*的意義如下：r＜r*時，產(chǎn)生的晶核極不穩(wěn)定，隨即消散；r=r*時，產(chǎn)生的晶核處于介穩(wěn)狀態(tài)，既可消散也可生長；r＞r*時，不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定晶核，開始大量形核。故r*表示原先不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶核的臨界尺寸。臨界形核功ΔG*的意義如下：表示形核過程系統(tǒng)需克服的能量障礙，即形核“能壘”。只有當(dāng)ΔG≥ΔG*時，液相才開始形核。圖3-4液態(tài)金屬r°、r*與T的關(guān)系及臨界過冷度ΔT*〔2〕形核必須要有一定過冷度的原因如下：由形核功的公式：〔均質(zhì)形核〕=〔非均質(zhì)形核〕對某種晶體而言，VS、均為定值，ΔG*∝ΔT－2，過冷度ΔT越小，形核功ΔG*越大，ΔT→0時，ΔG*→∞，這說明過冷度很小時難以形核，所以物質(zhì)凝固形核必須要有一定過冷度。6．快速凝固對金屬的結(jié)構(gòu)有何影響?形成超細組織，形成溶解度比通常情況下大得多的過飽和固溶體，固溶體中合金元素的含量大大超過平衡相圖上合金元素的極限溶解度，形成亞移民相或新的結(jié)品相；形成微晶，納米晶或金屬玻璃，通過形成不同的組織結(jié)構(gòu)，特別是亞穩(wěn)相、微晶，納米晶或金屬玻璃，可以獲得優(yōu)異的強度、塑性、耐磨性、耐蝕性等，從而滿足各種實際應(yīng)用的需要。第五章凝固過程的溫度場重點內(nèi)容:1)傳熱過程根本的概念和特點2)傳熱根本方程3)熔焊過程溫度場的經(jīng)典解及分析思考題第六章焊接熱影響區(qū)組織和性能重點內(nèi)容:1)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)、意義決定焊接熱循環(huán)特征的主要參數(shù)有以下四個：〔1〕加熱速度ωH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(xué)性能?！?〕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?！?〕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?！?〕冷卻速度ωC(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。對低合金鋼來說，熔合線附近冷卻到540℃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800～500℃的冷卻時間t8/5，800～300℃的冷卻時間t8/3，以及從峰值溫度冷至100℃的冷卻時間t100?？傊?，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2)快速加熱,連續(xù)冷卻的金屬組織轉(zhuǎn)變特點，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)變時大有提高。加熱速度越快，不僅被焊金屬的相變點AC1和AC3提高幅度增大，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。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)。3)CCT圖的應(yīng)用4)熱影響區(qū)的劃分方法5)不易淬硬鋼及淬硬鋼的焊接熱影響區(qū)分布和組織轉(zhuǎn)變思考題1．怎么樣利用熱循環(huán)和其他工藝措施改善HAZ的組織性能？1〕母材焊后選擇合理的熱處理方法〔調(diào)質(zhì)、淬火等〕。2〕選擇適宜的板厚、接頭形式及焊接方法等。3〕控制焊接線能量、冷卻速度和加熱速度。2．對于一般常用的低碳鋼，試述焊接熱源加熱過程對焊縫鄰近的母材上，金屬組織特征的影響？對組織的影響：A不易淬火鋼的熱影響區(qū)組織：在一般的熔焊條件下，不易淬火鋼按照熱影響區(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(xué)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1100℃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(yán)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1100℃左右溫度范圍，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(dāng)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AC1～AC3之間范圍內(nèi)的熱影響區(qū)屬于不完全重結(jié)晶區(qū)。因為處于AC1～AC3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(dāng)于低碳鋼過熱區(qū)的部位，由于晶粒嚴(yán)重粗化，得到粗大的馬氏體；相當(dāng)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AC1～AC3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)域得到回火馬氏體。(2)對性能的影響使HAZ發(fā)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。3．焊接條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變與熱處理條件下的金屬組織轉(zhuǎn)變有何不同？焊接條件下熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變與熱處理條件下的組織轉(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l00～200℃，而焊接時加熱溫度遠超過AC3，在熔合線附近可達l350～l400℃。〔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?！?〕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4～20s，埋弧焊時30～l00s)，而在熱處理時可以根據(jù)需要任意控制保溫時間?！?〕在熱處理時可以根據(jù)需要來控制冷卻速度或在冷卻過程中不同階段進行保溫。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?！?〕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)?！?〕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)變時大有提高。加熱速度越快，不僅被焊金屬的相變點AC1和AC3提高幅度增大，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(xué)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)第七章焊接裂紋重點內(nèi)容1、裂紋的分類用一般特征2、結(jié)晶裂紋的形成機理、影響因素，及其防冶措施3、焊接冷裂紋的形成機理，思考題1.簡述焊接裂紋的種類及其特征和產(chǎn)生的原因。1)熱裂紋分為：結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋、多邊化裂紋。特征：宏觀看,沿焊縫的軸向成縱向分布(連續(xù)或繼續(xù))也可看到焊縫橫向裂紋，因在高溫下形成，裂口均有較明顯的氧化色彩，外表無光澤，微觀看，沿晶粒邊界(包括亞晶界)分布，所以又稱晶間裂紋，屬于沿晶斷裂性質(zhì)。產(chǎn)生原因：一是某些雜質(zhì)元素與金屬及其合金元素形成低熔點共晶，這些共晶體聚積在晶界上，不承受力，又破壞了晶粒之間的聯(lián)系而形成熱裂紋；二是線脹系數(shù)大的母材焊接時受熱膨脹體積增大，晶間結(jié)合力減弱，在焊接應(yīng)力作用下，也產(chǎn)生熱裂紋。2)再熱裂紋特征：近縫區(qū)的粗晶區(qū)，止裂于細晶區(qū)，沿晶間開裂，裂紋大局部晶間斷裂，沿熔合線方向在奧氏體粗晶粒邊界開展。產(chǎn)生原因：重新加熱過程由于晶界微觀局部的實際塑性變形量大于塑性變形能力，即e>eC產(chǎn)生裂紋。3)冷裂紋分為：延遲裂紋、淬硬脆化裂紋(淬火裂紋)、低塑性脆化裂紋特征：宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征。微觀看：晶間斷裂，但也可穿晶(晶內(nèi))斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。產(chǎn)生原因：鋼種的淬硬傾向；焊接接頭的含氫量及其分布，焊接接頭的拘束應(yīng)力。4)層狀撕裂特征：外觀上具有階梯狀的形貌根本是由平行于軋向的平臺和大體垂直于平臺的剪切壁構(gòu)成。斷口外表是典型的木紋狀。產(chǎn)生原因：由于軋制母材內(nèi)部存在分層的夾雜物及焊接時產(chǎn)生垂直軋制方向的應(yīng)力。5)應(yīng)力腐蝕裂紋特征：無明顯的均勻腐蝕痕跡，呈龜裂形式斷斷續(xù)續(xù)。從橫斷面來看：猶如枯干的樹木的根須，由外表向縱深方向往里開展，裂口深寬比大，細長而帶有分支是其典型的特點。從斷口來看：仍保持金屬光澤為典型脆性斷口。產(chǎn)生原因：些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用。2.分析液態(tài)薄膜的成因及其對產(chǎn)生熱裂紋的影響。從金屬結(jié)晶學(xué)理論可以知道，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，并富集在晶界。一般來講，這些雜質(zhì)所形成的共晶都具有較低的熔點。在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成“液態(tài)薄膜”。此時由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋。因此，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。3.什么是脆性溫度區(qū)間？在脆性溫度區(qū)間內(nèi)為什么金屬的塑性很低？1)脆性溫度區(qū)間：熔池金屬進入固液階段，由于液態(tài)金屬少，主要是那些低熔點共晶，在拉伸應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，只有稍有拉伸應(yīng)力存在就有產(chǎn)生裂紋的可能，該區(qū)間稱為脆性溫度區(qū)間。[金屬在固相線上下溫度范圍內(nèi)延伸率極低，金屬呈現(xiàn)脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為脆性溫度區(qū)間]2)由于該區(qū)間液態(tài)金屬的流動困難，延伸率低，金屬呈脆性斷裂，故該區(qū)間的金屬塑性很低4.綜合分析脆性溫度區(qū)及在該區(qū)內(nèi)金屬的塑性和變形增長率之間的影響因素。1)在脆性溫度區(qū)間內(nèi)金屬的塑性越小，越容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它主要決定于化學(xué)成分，凝固條件，偏析程度，晶粒大小和方向等冶金因素。2)脆性溫度區(qū)間內(nèi)，隨溫度下降，由于收縮產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力增大，應(yīng)變得增長率將增大，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，應(yīng)變增長率的大小主要決定于金屬的熱脹系數(shù)，焊接接頭的剛度，焊縫位置，焊接標(biāo)準(zhǔn)大小，溫度場分布等因素。6.試述焊接冷裂紋的特征及其影響因素。1)特征：(1)產(chǎn)生溫度:Ms點附近或200～300℃以下溫度區(qū)間；(2)產(chǎn)生的鋼種和部位:發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金、中合金高強鋼，熱影響區(qū)合金元素多的超高強鋼、Ti合金發(fā)生在焊縫；(3)裂紋的走向：沿晶、穿晶；(4)產(chǎn)生時間:可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時，幾天或更長時間；2)影響因素：鋼材的淬硬傾向，氫的含量及其分布，拘束應(yīng)力的狀態(tài)。7.試述氫在產(chǎn)生冷裂紋過程中的作用，研究剩余擴散氫HR100和氫擴散因子M有何重要意義？8.何謂拘束度？臨界拘束