材料成型原理 复习题

材料成型原理 复习题

第二章 材料成形热过程

1、与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？ 答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高

（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短 （3） 热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。 2、影响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。 ?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 3、何谓焊接热循环？

答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。

焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点

3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？

?加热速度 ?峰值温度

?高温停留时间

?冷却速度 或 冷却时间

决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：

（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。

（2）峰值温度Ｔmax 。距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。

（3）相变温度以上的停留时间tH 在相变温度TH以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。

（4）冷却速度ωC(或冷却时间t8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t8 / 5，800～300℃的冷却时间t8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100。

5、焊接热循环中冷却时间t8/5、t8/3、t100的含义是什么？

焊接热循环中的冷却时间t8/5表示从800?C冷却到500?C的冷却时间。

焊接热循环中的冷却时间t8/3表示从800?C冷却到300?C的冷却时间。 焊接热循环中的冷却时间t100表示从峰值冷却到100?C的冷却时间。 6、影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。

?焊接热输入的影响 ?预热温度的影响

?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

8、已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为：导热系数λ=46.5 W/(m·K)， 比热容C=460.5 J/(kg·K)， 密度ρ=7850 kg/m3，取浇铸温度为1570℃，铸型的初始温度为20℃。 试求该铸件在砂型和金属型铸模（铸型壁均足够厚）中浇铸后0.2h时刻,铸型表面和距铸型表面0.1m处的温度并作分析比较。（铸型的有关热物性参数见表2-2。）

解：（1）砂型： b1??1c1?1=12965 b2??2c2?2=639

界面温度： Ti?b1T10?b2T20=1497℃

b1?b21铸件的热扩散率： a 根据公式 T表1。

??c?=1.3?10-5 m2/s

1??x??Ti??T10?Ti?erf??2at?1?? 分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见

表1 铸件在砂型中凝固时的温度分布

与铸型表面距离（m） 温度 （℃）

根据表1结果做出相应温度分布曲线见图1。 （2）金属型： b1??1c1?1=12965 b2??2c2?2=15434

0 1497 1497 0.02 1523 1505 0.04 1545 1513 0.06 1559 1521 0.08 1566 1528 0.10 1569 1535 t=0.02h时 t=0.20h时 界面温度： Ti?b1T10?b2T20=727.6℃

b1?b2 同理可分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表2与图2。

表2 铸件在金属型中凝固时的温度分布

与铸型表面距离（m） 温度 （℃） t=0.02h时 t=0.20h时 0 727.6 727.6 t=0.02h t=0.0h

0.02 1030 823 0.04 1277 915 0.06 1438 1005 0.08 1520 1080 0.10 1555 1159

图1 铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线 图2 铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线

(3) 分析：采用砂型时，铸件金属的冷却速度慢，温度梯度分布平坦，与铸型界面处的温度高，而采用金属铸型时相反。原因在于砂型的蓄热系数b比金属铸型小得多。

9、凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？

解：① 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度；

② 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③ 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口；

④ 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。

10、比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。

解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：

A球

根据

??RK 与 R?V1A1

所以凝固时间依次为： t球>t块>t板>t杆。

11、 右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法”分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间. 解：将底座分割成A、B、C、D四类规则几何体（见右下图） 120 查表2-3得：K=0.72(cm/对A有：RA= VA／AA=1.23cm min)

60160 160 ?A=RA2／KA2=2.9min

对B有: RB= VB／AB=1.33cm ?B=RB2／KB2=3.4min

对C有：RC= VC／AC=1.2cm ?C=RC2／KC2=2.57min

对D有：RD= VD／AD=1.26cm ?D=RD2／KD2=3.06min

1000 A D A C B D C A D C B C A 因此最后凝固部位为底座中肋B处，凝固终了时间为3.4分钟。

12、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？

解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿，这是因为不锈钢材料的导热性能

比低碳钢差，电弧热无法及时散开的缘故；

相反，采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。

13、何谓焊接热循环？焊接热循环的主要特征参数有那些？

答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。

14、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？

答：（1）对组织的影响：

A 不易淬火钢的热影响区组织：

在一般的熔焊条件下，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。

B 易淬火钢的热影响区组织:

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。

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。

(2) 对性能的影响

使HAZ发生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。 （3）改善HAZ组织性能的措施

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