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材料成形原理复习题(焊接)【复习思考题】.说明焊接定义，焊接的物理本质是什么？采取哪些工艺措施可以实现焊接？1)焊接：是通过加热或加压或两者并用，使用或不使用填充材料，使被焊工件(同种或异种材料)达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。2)焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，对于金属而言，既实现了金属键结合。对于金属材料：金属键的结合，两个被焊金属件在焊缝处形成共同的晶粒。 3)为实现焊接可采取以下措施：(1)通过加热：目的是结合处达到熔化或塑性状态，破坏接触面氧化膜，减小金属变形阻力，缩小原子间距，增加原子振动能，促进化学反应、扩散、结晶和在结晶过程的进行；(2)通过加压：目的破坏接触面氧化膜，增加接触面积，达到紧密接触；(3)通过加热加压。.传统上焊接方法分为哪三大类？说明熔焊的定义。1)根据焊接的工艺特点，传统上焊接方法分为：熔化焊、固态焊和钎焊三大类。2)熔焊：是指将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。.焊接冶金包括哪些内容？焊接冶金包括焊接所经历的各个过程，一般要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，直到形成焊接接头，这些过程可归纳为三个相互联系的过程：1)焊接热过程；2)焊接化学冶金过程：包括熔焊时，液态金属熔渣及气相间进行的一系列的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等；3)焊接物理冶金过程：在焊接热源作用下，焊接材料及母材金属局部熔化，热源离开后经过化学冶金反应的熔池金属开始凝固结晶，金属原子由近程有序排列转变为远程有序排列，即由液态变为固态。.与炼钢和铸造相比，焊接化学冶金有何特殊性？1)冶金反应温度高；2)高温熔滴金属以滴状进入熔池，熔滴的比表面积大，有利于冶金反应进行；3)焊接熔池体积小，存在时间短，使反应不完全；4)随着焊接过程的进行，母材与焊接材料不断地熔化，熔池不断地更新，使反应十分复杂；5)焊接化学冶金系统具有不平衡性。.说明手工电弧焊熔池结晶的特点。1)熔池体积小，冷却速度快；2)熔池温度高，液态金属过热严重；3)熔池金属在运动状态下结晶；4)熔池边界导热条件好，熔池周围的母材金属有利于结晶生核；5)熔池金属凝固结晶经历形核和晶核长大过程：联生结晶(依附于母材晶粒现成表面形成共同晶粒)；熔池金属择优生长，其凝固速度非常迅速。.如何控制焊缝金属的组织与性能？1)焊缝合金化和变质处理：焊缝合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度和韧性，所以采取固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化等措施，在焊接熔池中加入少量钛、硼等元素，有变质处理作用，可以有效地细化焊缝组织，提高韧性。2)工艺措施：通过调节焊接工艺的方法提高焊缝的性能，如振动结晶、焊后热处理、多层焊、锤击焊道或跟踪回火处理(中性焰)等。.说明WMCCT图的意义及其应用。1)WMCCT图为低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图(Weld Metal Continuous Cooling Transformation)2)意义：低合金钢的焊缝组织较复杂，随着化学成分强度级别以及焊接不同会出现不同的混合组织，力学性能变化也较大，因此为了预测其组织的性能，焊接工作者研制了WM-CCT图。对预测焊缝组织性能具有重要意义。3)应用：根据焊缝金属的WMCCT图(与成分有关)和焊缝条件(决定冷却曲线)，可以推断焊缝金属的组织与性能；反之，由焊缝的性能要求可确定其组织组成，选择母材与焊接材料，制定焊接工艺参数。.给出HAZ概念,焊接接头哪三部分组成？1)HAZ (Heat Affected Zone) ：热影响区是指熔焊时，在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域。2)焊接接头主要由三部分组成：焊缝、热影响区和母材。此外在焊缝与热影响区之间有一薄层过渡区称为熔合区。9.焊接热循环有哪几个参数？说明Tm、t8/5的含义。1)焊接热循环参数：(1)加热速度H (2)最高温度Tm (3)相变温度以上的停留时间tH(4)冷却速度c或冷却时间tc 2)Tm：(最高温度)焊接热循环的最高温度代表了HAZ中该点的位置。代表了奥氏体的过热程度。t8/5:代表了从800 冷却到500的冷却时间。t8/3:代表了从800 冷却到300的冷却时间。t100代表从Tm冷却到100的冷却时间。10.说明易淬火钢与不易淬火钢HAZ组织分布。1)易淬火钢HAZ组织分布，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，其组织变化及分布与母材焊前的热处理状态有关：(1)焊前为正火或退火状态，焊前母材为F+P(S、B)组织，HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。完全淬火区最后得到淬火组织为M或M+B，不完全淬火区最后得到淬火组织为M+F混合组织。(2)焊前母材为调质态，调质后母材为回火组织，其HAZ分为：完全淬火区(组织特点与正火状态下完全相同，为M类型组织)；不完全淬火区(组织状态与正火状态下完全相同，为M+F类型的混合组织)；回火区(母材被加热到的处于AC1回 (调质处理时的回火温度)，发生回火软化现象，原因与强化相的析出有关)2)不易淬火钢HAZ组织分布，如Q235、20、16Mn、15MnV等，按最高温度范围及组织变化可以将HAZ分为四个区：熔合区(半熔化区)，温度处于固液相线之间，晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化后易产生裂纹，塑性不好；过热区(固相线至1100范围)，粗晶与细晶交替混合；相变重结晶区(正火区，温度在Ac3以上)，晶粒细化，机械性能良好；不完全重结晶区( 温度处于Ac1Ac3之间)，粗大铁素体和细小珠光体、铁素体机械性能不均匀，急冷时可出现高碳马氏体。11.哪些原因会造成HAZ脆化？如何改善HAZ韧性？1)HAZ脆化原因：(1)焊接过程中，由于受热影响不同，在HAZ靠近熔合区域附近和过热取将发生严重的晶粒粗化，易引起粗晶脆化；(2)根据被焊钢种的不同和焊接时的冷却条件不同，在HAZ可能出现不同的脆性组织，组织脆化是焊接HAZ出现脆硬组织造成的；(3)某些金属和合金的焊接区处于非平衡态的组织化学和物理上都有明显的均匀性，有些析出的相导致金属和合金的强度硬度和脆性提高，导致析出脆化；(4)对焊件进行加工过程引起局部应变，塑性变形对焊接HAZ脆化有关很大的影响，引起脆化称为热应变时效脆化。2)改善HAZ韧性的途径(韧化与强化)(1)调整钢材的成分和HAZ的组织状态：合金化，细化晶粒；焊后获得韧性好的组织，如低碳马氏体和奥氏体等。(2)合理制定焊接工艺：合理选取线能量；根据具体情况，确定是否需要采取预热或后热措施。【思考题】1.简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。1)热裂纹 分为：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹。 特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布(连续或继续)也可看到焊缝横向裂纹，因在高温下形成，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界(包括亚晶界)分布，所以又称晶间裂纹，属于沿晶断裂性质。 产生原因：一是某些杂质元素与金属及其合金元素形成低熔点共晶，这些共晶体聚积在晶界上，不承受力，又破坏了晶粒之间的联系而形成热裂纹；二是线胀系数大的母材焊接时受热膨胀体积增大，晶间结合力减弱，在焊接应力作用下，也产生热裂纹。2)再热裂纹 特征：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展。 产生原因：重新加热过程由于晶界微观局部的实际塑性变形量大于塑性变形能力，即eeC 产生裂纹。3)冷裂纹 分为：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)、低塑性脆化裂纹 特征：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：晶间断裂，但也可穿晶(晶内)断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。 产生原因：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。4)层状撕裂 特征：外观上具有阶梯状的形貌基本是由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁构成。断口表面是典型的木纹状。 产生原因：由于轧制母材内部存在分层的夹杂物及焊接时产生垂直轧制方向的应力。5)应力腐蚀裂纹 特征：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口。 产生原因：些特定介质和拉应力共同作用。2.什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？1)脆性温度区间：熔池金属进入固液阶段，由于液态金属少，主要是那些低熔点共晶，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只有稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，该区间称为脆性温度区间。金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈现脆性断裂，把该温度区间定义为脆性温度区间 2)由于该区间液态金属的流动困难，延伸率低，金属呈脆性断裂，故该区间的金属塑性很低3.综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长率之间的影响因素。1)在脆性温度区间内金属的塑性越小，越容易产生结晶裂纹，它主要决定于化学成分，凝固条件，偏析程度，晶粒大小和方向等冶金因素。2)脆性温度区间内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，应变得增长率将增大，产生结晶裂纹，应变增长率的大小主要决定于金属的热胀系数，焊接接头的刚度，焊缝位置，焊接规范大小，温度场分布等因素。4.液化裂纹和多边化裂纹在本质上的有何区别？在防止措施上的何不同？1)二者本质区别：(1)液化裂纹是由于焊接热循环峰值温度Tm作用，HAZ的奥氏体晶界上低熔共晶组成物被重熔，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹；(2)多边化裂纹是由于空位、位错的移动和聚集，在二次边界上成核，并扩展而成为多边形边界的裂纹。2)防止措施：(1)液化裂纹防止措施： 控制S、P等杂质含量，如采用电渣精炼方法，去除合金中的杂质； 焊接工艺上采用小线能量，避免近缝区晶粒粗化。(2)多边化裂纹防止措施：在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素，可以有效地阻止多边化过程；消除应力状态；选择合适温度。5.试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。1)特征：(1)产生温度:Ms点附近或200300以下温度区间；(2)产生的钢种和部位:发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝；(3)裂纹的走向：沿晶、穿晶；(4)产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间；2)影响因素：钢材的淬硬倾向，氢的含量及其分布，拘束应力的状态。6.何谓拘束度？临界拘束度？拘束度和拘束应力与钢材的板厚、焊接工艺参数有何关系？1)拘束度R：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需的力。2)临界拘束度Rcr：开始产生裂纹的最小拘束度。3)拘束度：其中：E母材金属的弹性模量(N/mm2)；板厚(mm)；l焊缝长度(mm)；L拘束距离(mm)。拘束应力：。其中：m为拘束应力转换系数，可根据钢的线胀系数、力学熔点、接头的坡口角度等计算；当增大到产生裂纹时的应力称为临界拘束应力：cr。7.一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么容易在焊接HAZ产生？1)氢在低碳钢中的扩散速度很快，焊接过程中大部分氢可以逸出金属，而且低碳钢焊接时一般不形成脆硬的M，所以不会产生延迟裂纹；而高合金钢而言(如18-8不锈钢)，氢的扩散速度低，溶解度较大，也不易在局部聚集产生延迟裂纹；高碳钢、中碳钢、中合金钢和部分含碳较多的低合金高强钢中，氢的扩散速度来不及逸出金属，又不能完全受到抑制，在金属内发生局部聚集，引起延迟裂纹现象。2)由于焊缝中存在大量氢，周围母材含氢量少，致使氢由焊缝向HAZ扩散；焊缝先于母材在高温下发生相变，由A分解为F+P等组织由于氢在其中溶解度小进一步促进氢向HAZ扩散，此时HAZ仍处于奥氏体态。因氢的扩散速度很小不能扩散到离焊缝边界较远母材中，因此在焊缝与母材的交界HAZ中形成H的富集区，当该区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态留在奥氏体中，当氢的浓度足够高就会产生延迟裂纹。8.焊接中产生气孔的主要机理是什么？产生气孔的过程是由三个互相联系又彼此不同的阶段所组成，即气泡的生核、长大和上浮。气孔的形成过程由生核、核长大过程所组成，当气泡长大到一定程度，在不利条件下(当气泡的浮出速度小于结晶速度时)就有可能残留在寒风中形成气孔。9.按形成气孔的气体来源，焊接气孔分为哪两类？常见的氢气孔、CO气孔和氮气孔的主要特征是什么？1)按形成气孔的气体来源，焊接气孔分为：析出性气孔(是高温时气体溶解于熔池金属) 和反应性气孔(冶金反应产生的不溶于金属的气体)。2)氢气孔特征：多数出现在焊接表面上，气孔断面形状多为螺钉状，在表面上看呈喇叭口型，内壁光滑原因：高温时，氢在熔池和熔滴中的溶解度很高，吸收了大量的氢气，当冷却时，氢在金属中的溶解度急剧下降，因焊接熔池冷却很快，氢来不及逸出时就会在焊缝中产生气孔；氮气孔特征：多在表面，成堆出现，与蜂窝相似；CO气孔特征：多在内部，像条虫状分布，表面光滑原因：由于冶金反应产生了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。【复习题】1.焊接材料有哪些种类，焊条有哪些种类？1)焊接材料是指焊接时消耗材料的统称，包括：焊条、焊丝、焊剂、保护气体2)按用途分为：结构钢焊条(J422/E4303)；Mo和CrMo耐热钢焊条(R102/E5003-A)；不锈钢焊条(A102/E308-16，G202/E410-16)；堆焊焊条(D107/EDPMn2-15)；低温钢焊条(W607/E5015G)；铸铁焊条(Z308/EZNi)；Ni及Ni合金焊条(Ni 102)；Cu及Cu合金焊条(T107)；Al及Al合金焊条(L109)；特殊用途焊条(TS202)。2.说明E4303和E5015的含义是什么？1)E4303：E焊条；43熔敷金属最小抗拉强度为430MPa；0适用于全位置焊接(1全位置焊接：平、立、横、仰，2平、平角焊，4立下焊、平、立、仰)；3焊接药皮为钛钙型药皮，交直流两用焊接(00特殊型全交直流，10高纤维钠型全反接，01钛铁矿型全交直流，12高钛钠型全交或直正，13高钛钾型全交直流，14铁粉钛型全交直流，15低氧钠型全直反，16低氢钾型全交或直反，17铁粉氧化铁型全交或直正，11高纤维钾全交或直反，X8铁粉低氧型交或直反)。特点：氧化钛钙型药皮，TiO2-SiO2-CaO渣系，酸性，脱氧效果不好，焊缝N、H、O含量较多，机械性能差，用于低碳钢和抗拉强度低的合金钢。2)E5015：