材料科学原理第二章的整理

材料科学原理第二章的整理第1页，课件共41页，创作于2023年2月第1章材料成型热过程

焊接热过程2012.02.15焊接过程的热效率和焊件上加热区的热能分布焊接温度场焊接热循环2012.02.22焊接热影响区的组织与性能变化液态成形过程中的传热2012.02.29第2页，课件共41页，创作于2023年2月教学要求、重点与难点教学要求：了解焊接的物理本质、熔焊加热特点及接头形成;

理解焊接温度场的解析解；掌握焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；掌握焊接热影响区的组织和性能；了解液态成形过程中的传热。教学的重点焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；接热影响区的组织和性能；第3页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度（gradT）：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。第4页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场第5页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场--热传导过程的偏微分方程三维热傅里叶热传导微分方程为：式中a——导温系数，∇——

拉普拉斯运算符号。二维传热：一维传热：第6页，课件共41页，创作于2023年2月1.初始条件初始条件是指物体开始导热时（即t=0时）的瞬时温度分布。2.边界条件边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。常见的边界条件有以下三类：（1）第一类边界条件给定物体表面温度Tw随时间t的变化关系，表达式为：Tw=f(t)（2）第二类边界条件给出通过物体表面的比热流随时间t的变化关系，表达式为：焊接温度场上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。

（3）第三类边界条件给出物体周围介质温度Tf以及物体表面与周围介质的换热系数α，表达式为：第7页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场解析解法焊件形状尺寸：半无限大物体，无限大薄板，无限长细杆焊接热源：点状，线状，面状边界条件：相变潜热：假设无相变潜热热源能量：热源作用效果：材料的热物理性能：假设在焊接过程中不随温度变化数值解实验测定OxyzP第8页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场—瞬时点热源第9页，课件共41页，创作于2023年2月厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在达到极限饱和状态后。第10页，课件共41页，创作于2023年2月焊接温度场--数值解第11页，课件共41页，创作于2023年2月影响焊接温度场的因素热源的性质焊接工艺参数被焊金属的热物理性质焊件的板厚和形状第12页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热循环—概念概念：在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化经历升温阶段、峰值、降温阶段的过程。

焊接工艺中的一个重要因素，影响焊接组织、焊接应力和焊接变形。

第13页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热循环—主要参数加热速度峰值温度高温停留时间冷却速度冷却时间点热源线热源第14页，课件共41页，创作于2023年2月第15页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热循环—冷却时间第16页，课件共41页，创作于2023年2月影响焊接热循环的因素焊接热输入的影响预热温度的影响材料的热物理性能焊件形状尺寸的影响接头形式的影响焊道长度的影响冷却条件的影响第17页，课件共41页，创作于2023年2月多层焊接的热循环第18页，课件共41页，创作于2023年2月多层焊接的热循环第19页，课件共41页，创作于2023年2月思考题1、何谓焊接热循环？2、焊接热循环有何特点？3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？4、焊接热循环中冷却时间t8/5、t8/3、t100的含义是什么？5、影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。6、对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？7、对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。

第20页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织与性能变化第21页，课件共41页，创作于2023年2月焊接与热处理组织转变的区别（1）一般热处理时加热温度最高在AC3以上l00～200℃，而焊接时加热温度远超过AC3，在熔合线附近可达l350～l400℃。（2）焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。（3）焊接时由于热循环的特点，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s)，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。（4）在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温。然而在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。（5）焊接加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变；而热处理过程一般不会出现。（6）焊接过程中，在应力状态下进行组织转变；而热处理过程不是很明显。所以，焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性。

第22页，课件共41页，创作于2023年2月焊接与热处理组织转变的区别

焊接过程快速加热，影响冷却过程的组织转变首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。

焊接过程属于非平衡热力学过程，随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。

焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8％而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关。

第23页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织与性能变化第24页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织与性能变化第25页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织与性能变化第26页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织变化不易淬火钢（低碳钢）的热影响区组织：

一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区1、熔合区:

焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具有明显的化学成分不均匀性。2、过热区(粗晶区):

加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100℃左右)范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却后得到粗大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。3、相变重结晶区(正火区或细晶区):

该区的母材金属被加热到AC3至1100℃左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。4、不完全重结晶区:

焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于AC1～AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。第27页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的组织与性能变化易淬火钢(中高碳钢）的热影响区组织:1、母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：

（1)完全淬火区：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，得到粗大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。

（2)不完全淬火区：母材被加热到AC1～AC3温度之间的热影响区。快速加热和冷却过程得到马氏体和铁素体的混合组织；含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，其组织可能为索氏体或珠光体。

2、母材焊前是调质状态，则焊接热影响区的组织分布除上述两个外，还有一个回火软化区。

在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度：若焊前调质时回火温度为Tt，低于此温度的部位，组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1的部位得到回火索氏体，离焊缝较远的区域得到回火马氏体。

第28页，课件共41页，创作于2023年2月焊接热影响区的脆化类型及防止措施1）粗晶脆化：对于某些低合金高强钢，由于希望出现下贝氏体或低碳马氏体，可以适当降低焊接线能量和提高冷却速度，从而起到改善粗晶区韧性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高强钢与此相反，提高冷却速度会促使生成孪晶马氏体，使脆性增大。所以，应采用适当提高焊接线能量和降低冷却速度的工艺措施。（2）析出脆化：控制加热速度和冷却速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。（3）组织脆化：控制冷却速度，中等的冷速才能形成M-A组元，冷速太快和太慢都不能产生M-A组元马氏体(孪晶马氏体)；控制合金元素的含量，合金化程度较高时，奥氏体的稳定性较大，因而不易分解而形成M-A组元；控制母材的含碳量，选用合适含碳量的材料。（4）HAZ的热应变时效脆化(HSE):

焊接接头的HSE往往是静态应变时效和动态应变时效的综合作用的结果。尽量使焊接接头无缺口，从而减轻动态应变时效脆化程度；采用合适的冷作工序，静态应变时效脆化的程度取决于钢材在焊前所受到的预应变量以及轧制、弯曲、冲孔、剪切、校直、滚圆等冷作工序。焊接工艺上控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量。

第29页，课件共41页，创作于2023年2月提高热影响区的韧性的途经

控制组织：对低合金钢，应控制含碳量，使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系,应尽量控制晶界偏析。

韧化处理:

对于一些重要的结构，常采用焊后热处理来改善接头的性能。合理制定焊接工艺,正确地选择焊接线能量和预热、后热温度是提高焊接韧性的有效措施。改善母材性能：如细晶粒钢(利用微量元素弥散强化、固熔强化、控制析出相的尺寸及形态等)采用控轧工艺，进一步细化铁素体的晶粒，也会提高材质的韧性；采用炉内精炼，炉外提纯等一系列措施，从而得到高纯净钢，使钢中的杂质(S、P、O、N等)含量极低，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接HAZ的韧性。第30页，课件共41页，创作于2023年2月改善HAZ组织性能的措施

母材焊后选择合理的热处理方法（调质、淬火等）。选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。

第31页，课件共41页，创作于2023年2月思考题1、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？2、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？3、试述低碳钢焊接热影响区各区域的温度区间、组织及性能特点。4、焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？5、如何提高热影响区的韧性？6、怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？7、在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，哪一种钢的近缝区淬硬倾向大？为什么？

第32页，课件共41页，创作于2023年2月液态成形过程中的传热--解析解法半无限大铸件一维温度场热传导方程：初始条件：边界条件：解析解：铸件铸型其中：高斯误差函数