合工大版《材料成型原理》课程学习笔记

1、焊接冶金学1.熔合比（dilution） 的影响焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。Ab-熔化母材的面积 Ad-熔敷金属的面积假设焊接时合金元素没有任何损失，则焊缝中某合金元素的浓度C0与熔合比的关系为:C0= 8Cb+（1- 0）Ce -（1）若考虑焊条中的合金元素有损失，而母材中的合金元素无损失，则焊缝金属中合金元素的实际浓度Cw为:Cw= 0Cb+（1- 0）Cd -（2）式中符号含义：Cb 一该元素在母材中的质量百分浓度（）Ce一该元素在焊条中的质量百分浓度（）Cd熔敷金属（焊接得到的没有母材成分的金属）中该元素的实际质量百分比（）一含Ni9%的钢板，采用成分为 80%Ni-

2、20%Cr的焊丝进行焊接，若熔合比为40%,试问，焊缝中合金元素的大致含量是多少？焊缝成分中，母材贡献40%,焊丝贡献60%。CaOo提供自由氧离子O2-的氧化物称为碱性氧化物，如药皮类型主要成分典型型号，牌号备注氧化钛型（或钛开U、TiO2E4313(J421)氧彳匕钛钙型（钛钙开1、TiO2,碳酸钙E4303(J422)钛铁矿型钛铁矿E4301(J423)氧化铁型铁矿石E4320(J424)纤维素型有机物E5011(J505)低氢型大理石，萤后E5015(J507)石墨型石墨EZNi(Z308)铸铁焊条盐基型氟盐，氯盐用于铝合金焊条2.熔渣碱性的强弱程度。碱度的倒数即为酸度。 分子理论对碱

3、度的定义：接受自由氧离子 O2-的氧化物称为酸性氧化物，如SiO2o理论上，当B>1时，为碱性渣当B<1时，为酸性渣 当B=1时，为中性渣3 .合金过渡系数是指合金元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊材中的原始含量之比，反映了合金元素利用率的高低。=Cd/Ce =Cd/（Ccw+kbCco）式中：Cd -合金元素在熔敷金属中的含量Ce 合金元素的原始含量（焊条中的）Cco 合金元素在药皮中的含量Ccw合金元素在焊芯中的含量Kb药皮重量系数（单位长度上药皮与焊芯的质量之比）在同一种焊材中，不同元素过渡系数不同。同一种元素在不同的焊材中过渡系数也不同。焊缝金属化学成分的计算r=Cd/Ce

4、 =Cd/(Ccw+kbCco) Cw= 8Cb+(1- 8)Cd已知 刀，Ccw , kb, Cco可求出 Cw。根据对熔敷金属成分的要求，可求出在焊条药皮中应具有的含量。堆焊高镒钢耐磨表面采用焊条，其焊丝含Mn9%,药皮Kb=0.4，设Mn的 =0.8,要保证焊缝中的Mn呈12%,试求药皮中的 Mn的含量。解：堆焊时，可认为=0,即Cd=Cw故 Cco=(Cd / rKb) - (Ccw/Kb)全(12% /0.8 X 0.4 ) - 9%/0.4 皂 15%4 .碳当量的定义 /Carbon Equivalent ( Ceq 或 CE )把钢中合金元素(包括碳)按其对淬硬(包括冷裂、脆化

5、等)的影响折合成碳的相当含量。它反映了化学成分对硬化程度的影响。两公式均适用于co C呈0.18%的钢种；CE (IIW)主要适用于中等强度的非调质低合金钢(b=400700Mpa );Ceq(WES)主要适用于强度级别较高的低合金高强钢(b =5001000Mpa )碳当量公式：低碳微量多合金元素的低合金高强钢主要适用于C三0.17%,b=400900Mpa的低合金高强钢。Pcm与CE (IIW)之间有如下的关系：5.主要焊接热循环参数的计算峰值温度Tm:14.13 c Y1TmT0ET熔T0C-比热容J/(cm. C ) p -密度(g/cm3)Y-距熔合线的距离(mm)在钢板单道全熔透焊

6、接，采用下列参数：U=20V , p C=0.0044 J mm-3. C, I=200A ,8=5mm , V=5mm/s ,！=0.9, T0=2, C , E=720 J/mm , T 熔=1510 C由公式： 1443 c 丫 1Tm TcE 篇 T0计算结果：Y=1.5mm 处：Tm=1184Y=3mm 处：Tm=976冷却速度coc:厚板的冷却速度：薄板的冷却速度：2 c (Tc T。)3c(E/ )22(兀 T0)2ET0由前述的厚板温度场计算公式，令冷却时间t8/5的计算：三维热传导：y=z=0 ,则R=x ,公式可简化为:t8/5q2 xTt2Et二维热传导：(E/ )214

7、 c (500 T0)2(800 T0)2焊接热循环主要参数的计算公式(薄板)(E/ )2114.13 c Y1TmT0ET熔T0500 T0 800 T0c 2 c(E/ )24 c (500 T0)2(800 T。)26.气泡的上浮速度式中，刀-液体金属的粘度 p1、 p2分别为液体和气泡的密度第八章液态金属与熔渣的相互作用P1375 . 1600摄氏度时，炼钢熔池中熔渣的成分为：氧化物CaoMgoMnoFeoFe2O3SiO2P2O5重量（）46.593.25.6813.824.47242.24钢水含氧0.07%,问熔渣对钢水而言是氧化渣还是还原渣？解：W （SQ2+P2O5） =26.

8、24%W（Cao+Mgo+Mno）=55.47%查图8-4得：Feo的碱度系数为0.65Lg%Omax= -6320/T+2.734当 T=1600 时，%O max =0.23因为%O= %O max *0.65=0.23*0.65=0.15在1600摄氏度时熔渣与液态金属构成的系统达到平衡时的液态金属中含氧量为0.15%,而实际中钢水含氧0.07% <0.15%,固熔渣对钢水而言是氧化渣。第十章 焊接热影响区的组织与性能P16810.某厂制造大型压力容器，钢材为 14MnMoVN钢，壁厚36mm,采用手弧焊:1）计算碳当量及 HAZ最大硬度Hmax （t8/5=4s）;2）根据Hma

9、x来判断是否应预热；3）如何把Hmax降至350HV以下；Si Mn Cu Cr Ni Mo VPcm C5B解：（1）依据3020601510(1.2-1.6) %,wMo= (0.41-0.65) %,查得 14MnMoVN 的成分 wC= (0.10-0.18) %,wMn=wV= (0.05-0.15) %，代入上式得Pcm=0.255依据 H max (HV10 ) = 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8/5 t 8/5=4s, Pcm=0.255 得H max=524.89 HV(2) H max=524.89 HV说明其淬硬倾向较大，冷裂倾向也随之较大，应该预热(3)

10、依据 H max (HV10) = 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8/5 H max<350, Pcm=0.255 得t 8/5>8.26 s由壁厚36mm可知钢板为厚板所以E 11t 8 52500 To800 To延长15时间大于8.26S。从而降低Hmax.冷却时间t8：5随着线能量E和初始温度To的提高而延长，焊接方式和材料确定，则线能量E确定，主要是通过提高初始温度即预热温度来降低冷却速度,第十三章应力分析P2557.已知受力物体内一点的应力张量为50508075j 50807530(MPa,试求外法线方向余弦为l=m=1/2 , n=，1'J2的斜

11、切面上的全应力、正应力和切应力。s xsys z分别为S在三轴中的分量,SxxlyxmzxnSyxy lymzynSzxzlyzmzn解：设全应力为S,则有:x=50+ 502 +801、 2 =106.6sy =502 +0 2-7512 =-28.0 sz =80 2 -752 -3012 =-18.7S2SxS2S2则得到111.79 MPa8.1)2)SxlSym SznS22则得到则得到已知受力体内一点的应力张量分别为101026.1 MPa108.7 MPa17210172101004 (MPa)画出该点的应力单元体；求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、主切应力、最大切应力、

12、等效应力、应力偏张量和应力球张量；3）画出该点的应力莫尔圆。解：1）略2）在状态下：J1= x +y + z=10J 2 =-( x2)+ xy +2yz +zx2=200J3= x yz+2xyyzzx-(2x yz +2y zx +2xy )=0式MT0和由J1J2 J 31 =202=03 =-10代入公式对于221=2。时：11 =，m1 =0, n1 =2一 2o2 = 0 时:,2. 2l2= ,m2=0, n2=对于 3=10 时：I3 = 0,m3 = 1,n3=0主切应力1210311523最大切应力 31= ±15等效应力:2)2(3)221),3J2应力偏张量:

13、20310403-10201(m = 33)1一 (20 310)102040x y-应力球张量：1000丁0010300109.某受力物体内应力场为：X6xy23C1X20332c2xy2xy32C2 yC3X yzxyz1 3先求三个应变张量不变量I1I 2试从满足平衡微分方程的条件中求系数C1、C2、c3o解:226 y 3cl x ;3c2xyxy2c3yo 22= -3c2y -c3x2qx2226y3Gx 3c2y2c3xy 3c2xyyxzyzxxz第十四章由平衡微分条件:应变分析9.设一物体在变形过程中某一极短时间内的位移为333u (20 0.2xy 0.1z) 10 v (

14、10 0.1x 0.2yz) 10 w (20 0.2xyz) 10 试求.(1, 1, - 1)的应变分量、应变球张量、应变偏张量、主应变、等效应变解：由几何方程根据公式3(yx再根据zx1uvu-(-)xyyxC ()x2yxv1vw(-yzzy()y2zyw1wuzxxzo ()z2xzxyzmxyzy来求得应变分量z)和应变球张量表达式xzyzm来求应变偏张量m求球一、3L代入特征方程 I12 I2 I30 可求。1,第十五章(12)222(23)2( 31)2可求等效应变屈服准则P2875.某理想塑性材料的屈服应力为s= 100MPa试分别用屈雷斯加及密塞斯准则判断下列应力状态处于什

15、么状态(是否存在、弹性或塑性)1001501205050105010050 ,00(MPa解：根据屈雷斯加准则根据密塞斯准则s时就发生屈服,2 S26E 13E100100-0 =100发生屈服,(100-0 ) 2 +(0-100)( 100-100)220000 = 2 s发生屈服D 1 =1502 =503 =50150-50 = 100发生屈服(150-50 )十(50-50 )十( 150-50)2= 20000=22s发生屈服D 1 =1202 = 103 =0120-0120 s(120-10) 2 +(10-0) 2 +(120-0) 2 =266002 s2该力不存在 1 =

16、502 =-5050- (-50) = 100= s发生屈服(50+50) 2 +(50-0) 2 +(0+50) 2 = 150002s处于弹性状态6. 一薄壁管（参见图16-11）,内径 80 mm壁厚4mm承受内压P，材料的屈服应力为s 200 MPa现忽略管壁上的径向应力（即设0）。试用两个屈服准则分别求出下列情况下管子屈服时的p； （1）管子两端自由；（2）管子两端封闭；（3）管子两端加100KN的压力。解：（1）当两端自由由于 可以忽略为0 两端自由显然 1= s =,2 = z = 0,3 =0pr tMises准则： 1= s 即 /= s = 200 MPa代入可得P=20

17、MPaTresca 准贝U1 -3 = s p=20 MPaP=23.09 MPap=2、,3 t s r代入可得（3）当管子两端加100KN的 压力时:代入数据可得p=20.0 MPap r2 1 1052 rtp r2 1 1052 =0；3 z =2rt由密塞斯屈服准则：22221223312 s25prp r 1 1002_2(t ) 2十(2 rt ) 2十25p r 1 10 pr22 rt t)2 =2 s代入数据得：p13 MPa25pr p r 1 10s由屈雷斯加屈服准则：z= st2 rtpr2t =200-100=100 MPap 10 MPa故 p=10 MPa7.图

18、16-12所示的是一薄壁管承受拉扭的复合载荷作用而屈服，管壁受均匀的拉应力和切应力试写出下列情况的屈雷斯加和密塞斯屈服准则表达式。（提示：利用应力莫尔圆求出主应力，再代入两准则）22224131（答案 屈雷斯加准则：ss ;密塞斯准则：ss ）解：由图知： x =y = 02 xy由应力莫尔圆知:y)21= 22=03=2Tresca 准贝U2s 2. 4=1密塞斯准则16-12受拉扭复合的薄2 2 +6 2 =2(s ) 2+3 ( s ) 2 =1d x 0.1第十六章材料本构关系P2993.已知塑性状态下某质点的应力张量为50050150050350(MPa),应变增量（ 为一无限小）。

19、试求应变增量的其余分量。第十八章d解：由0.1d-0.1d xyd-yzzxd-d-501150 3502由此可解得,200yxzyxz5.有一薄壁管,2.,所以其余分量为3d-3d 3dxyyzzx材料的屈服应力试求切应力分量z:d z ： d z ( 1):(塑性成形力学的工程应用20钢圆柱毛坯，原始尺寸为0.120015050 3500.0250.1200350150 15020.0750.1200800s ,承受拉力和扭矩的联合作用而屈服。现已知轴向正应力分量z以及应变增量各分量 之间的比值。（答案1)23)应力 0.2Y。已知 Y 746 0.20MPa ,P33750mm 50mm

20、 ,在室温下徽粗至高度 h=25mm设接触表面摩擦切 试求所需的变形力 P和单位流动压力p。解：根据主应力法应用中轴对称徽粗得变形力算得的公式P Y(1 器一 Y=mk, k 而本题 0.2Y与例题2相比较得：m=0.4,因为该圆柱被压缩至 h=25mm根据体积不变定理，可得 re25v 2 , d=50 $2 ,h=250.2 (1又因为丫= 7463 .在平砧上徽粗长矩形截面的钢坯，其宽度为a、高度为h,长度图 19-36a,若接触面上的摩擦条件符合库仑摩擦定律，试用主应力法推导单位流动压力p的表达式解：本题与例1平面应变徽粗的变形力相似，但又有其不同点，不同之处在于 =u y这2U yd

21、 y dx个摩擦条件，故在h中是一个一阶微分方程，y算得的结果不一样，后面的答案也不一样，re 04 . 一圆柱体，侧面作用有均布压应力0 ,试用主应力法求徽粗力 P和单位流动压力p（见图19-36）。解：该题与轴对称常粗变形力例题相似，但边界条件不一样，当而不是 re °,故在例题中，求常数 c不一样:_ 2c xe 2k °h e°y (x Xe) 2k ° h2lXe2 (x xe)2 k hF 2lxe -xe 2khFxep -2k°2lxeh12.已知某物体在高温下产生平面塑性变形，且为理想刚塑性体，其滑移线场如图19-37所示 族是直线族，族为一族同心圆，C点