华中科技大学材料成形原理考研课件

余圣甫联系电话：[phone]教材：材料成形原理陈平昌朱六妹李赞主编材料成形原理（焊接成形部分）焊接成形原理第1章焊缝及其焊接热影响区的组织与性能1.1焊接及其冶金特点焊接(Welding):通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的加工方法。1焊接方法的分类（1）熔化焊(fusionwelding)（2）固态焊(solidstatewelding)（3）钎焊(brazing,soldering)2熔化焊焊接接头的形成及其冶金过程焊接接头焊接热过程焊接化学冶金焊接物理冶金熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，金属熔化和结晶的冶金过程。焊接接头（weldedjoint）的组成：母材（basemetal）热影响区（heataffectzone）熔合线（bondline）焊缝（weld）熔化焊的冶金特点：1）反应区的温度高于一般的冶炼温度2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短3）冶金条件差1.2焊缝金属的组织与性能1焊接熔池的凝固焊接熔池的特征：（1）熔池的体积小（2）熔池的温度高（3）液体金属处于运动状态（4）熔池界面的导热条件好熔池凝固的特点（1）联生结晶（2）择优成长（3）凝固速度2、焊缝金属的组织（1）低碳钢焊缝金属的室温组织a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体（2）低合金钢焊缝金属的显微组织a、先共析铁素体b、针状铁素体c、珠光体d、马氏体f、贝氏体1.3焊接接头的组织与性能1、焊接热循环(weldthermalcycle)焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。由加热速度Vh，最高温度θm，相变以上高温停留时间th，冷却速度VC或冷却时间tc四个参数组成。2、焊接热影响区的组织转变特点焊接热循环的特点（1）加热温度高（2）加热速度快（3）高温停留时间短（4）局部加热焊接加热过程中奥氏体化的特点3、焊接热影响区的组织与性能变化低碳钢和不易淬火钢（1）熔合区（2）过热区（1100℃以上）（3）相变重结晶区（正火区）（850~1100℃）（4）不完全重结晶区(部分相变区)（700~850℃)易淬火钢（1）完全淬火区（2）不完全淬火区）HAZ的性能变化HAZ的硬化HAZ的软化第二章材料成形过程中的化学冶金学2.1导论1、液态成形的化学冶金特点2、焊接成形的化学冶金特点（1）药皮反应区（2）熔滴反应区（3）熔池反应区2.2液态金属与气体界面的反应1、液体金属中气体来源（1）外来（2）冶金反应产生2、液态金属与气体界面的反应（1）氮与金属的作用a.氮的溶解b.氮的影响c.氮的控制(2)氢与金属的作用a.氢的溶解b.氢的扩散c.氢的影响d.氢的控制（3）氧与金属的作用a.氧在金属中的溶解b.氧化化反应c.氧的影响d.氧的控制2.3液态金属与熔渣的反应1、熔渣2、熔渣的成分和分类3、熔渣的物理性质4、熔渣对金属的氧化(1)扩散脱氧L＝［FeO］/（FeO）酸性渣中，含有大量的SiO2、TiO2酸性氧化物，其与FeO形成复合熔渣，低了熔渣中FeO的活度。因此，酸性焊条对铁锈（FeO.nH2O)不敏感。碱性焊条中，含有大量的CaO、BaO等碱性氧化物，SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，熔渣中FeO的活度大，FeO易向焊缝金属中扩散。因此，碱性焊条对铁锈（FeO.nH2O)敏感。（2）置换氧化5、脱氧处理（1）先期脱氧药皮反应阶段（2）沉淀脱氧熔滴、熔池反应阶段（3）扩散脱氧2.4合金化1、合金化的目的改善金属的显微组织，获得满足使用要求的性能。2、合金化的方式（1）焊芯（2）药皮（3）合金粉过渡系数：η熔敷金属中的实际含量与它的原始含量的比。焊条药皮的质量系数：Kb单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量的比。η=Cd/Ce＝Cd/(Ccw+KbCCO)3、熔合比熔化比：在焊缝中，局部熔化的母材所占的比例。AdAPΘ＝Ap/(Ad+Ap)C0=ΘCb+(1-Θ)CeC0=ΘCb+(1-Θ)Cd例题：药皮质量系数0.4，焊丝含Cr9％，过渡系数0.9母材含Cr1.8%熔合比为0.2要求焊缝金属Cr含量大于13％成为Cr马氏体钢。求需在药皮中加多少Cr65％的铬铁？解：由C0=ΘCb+(1-Θ)Cdη=Cd/Ce＝Cd/(Ccw+KbCCO)Cd＝(Ccw+KbCCO)η第三章应力、变形及裂纹3.1内应力内应力：没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。热应力，相变应力和机械应力。1、焊接应力产生的原因2、相变应力相变应力：因焊接接头各部分发生相变程度不同产生的应力。3、焊接应力的基本形式1)纵向应力2)横向应力3)厚度方向应力4、焊接应力的影响1)降低承载能力2)降低尺寸稳定性3)降低加工精度4)诱发应力腐蚀裂纹5、防止和减小焊接应力的措施1)尽量减少不必要的焊缝2)采用合理的焊接顺次3)焊前预热、焊后后热4)采用锤击的方法5)焊后消除应力3.2焊接变形1、焊接变形的形式（1）收缩变形（contractiondeformation）（2）角变形（angulardeformation）（3）弯曲变形（curvingdeformation）（4）波浪变形（wavinessdeformation）（5）扭曲变形（twistdeformation）2、防止和减小焊接变形的措施1)尽量减少不必要的焊缝2)采用焊接线能量集中的焊接方法3)采用反变形的方法4)采用刚性固定法5)设计合理的坡口形式6)焊前预热、焊后后热3.3焊接缺陷常见的焊接缺陷有：裂纹（Crack）、气孔（gaspore）、焊瘤（overlap)、夹渣（slaginclusion）、咬边（undercut)、未焊透(incompletepenetration)一、焊接裂纹焊接裂纹主要有：热裂纹，冷裂纹，再热裂纹，层状撕裂，腐蚀裂纹1、热裂纹（hotcrack）焊接或液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多发生在固相线附近，所以称为“热裂纹”。热裂纹可分为：凝固裂纹，液化裂纹和高温失稳裂纹。1）热裂纹的形成条件及其特征a、热裂纹的形成条件高温阶段金属晶间具有的延性或塑性变形能力δmin金属材料冷却变形过程中实际产生的应变εε＞δmin①与液态膜有关的裂纹△TR△TB②与液态膜无关的裂纹b、热裂纹的形成条件及其特征①凝固裂纹：沿晶界液膜开裂，断开有明显氧化②液化裂纹：与液膜无关，与再结晶有关，断口特征：沿晶断裂，断口有明显氧化。2)热裂纹的形成机理a）凝固裂纹的形成机理固相固液液固液相T/sTsTHTLTB金属的结晶经历从液相液固相固液相固相的过程，必然产生收缩与应力。TLTH温度Tε＝f（T）δ＝φ（T）Ts123塑性δ金属的低延性是产生热裂纹的条件之一，是否产生裂纹还要看应力应变。应变增长速率为直线1，ε＜δmin不产生裂纹应变增长速率为直线2，ε≈δmin临界状态应变增长速率为直线3，ε＞δmin产生裂纹是否产生凝固裂纹主要决定三个方面：①脆性温度区TB的大小②金属在脆性温度区TB具有的延性③在脆性温度区TB的应变增长速率焊接时，临界应变速率用CST表示，要求：实际应变增长速率小于CST。b）液化裂纹的形成机理液化裂纹只发生在焊接热影响区的近缝区，或多道多层焊焊缝中的相邻焊道的热影响区。。3）影响热裂纹的因素a、冶金因素对热裂纹的影响冶金因素主要指合金的化学成分与凝固组织①合金元素对凝固温度区的影响②杂质元素的偏析与偏析产物的形态Lαα＋ββABb、焊接工艺因素对热裂纹的影响熔合比，成形系数，拘束度4）防止热裂纹的措施①选择合理的焊接材料②限制有害的杂质③选择合理的焊接工艺④2、冷裂纹（clodcrack）焊接在室温附近产生的裂纹称为“冷裂纹”。主要分为氢致裂纹，淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。1）冷裂纹的形成条件与特征冷裂纹的形成条件为：ε＞δmin冷裂纹易出现在焊道、焊根和焊趾等应力集中处。焊趾裂纹焊根裂纹焊道裂纹焊道下裂纹：在焊道下的热影响区内产生的裂纹。焊趾裂纹：沿应力集中的焊趾处形成的裂纹焊根裂纹：沿应力集中的焊缝根部形成的裂纹冷裂纹出现的时间①有延迟特征的冷裂纹，又叫氢致裂纹。②无延迟特征的冷裂纹，又叫淬火裂纹或低塑性脆化裂纹。③断口特征：穿晶断裂，断口具有发亮的金属光泽，呈脆性断裂。2）冷裂纹的形成机理金属的淬硬倾向，氢含量及其分布和拘束应力是冷裂纹产生的三大因素。①氢的作用P＋F焊接热影响区裂纹MA母材②淬硬倾向Is＝80lgHV－130，要求HV小于350③拘束应力用拘束R表示：R＝Eh/L3)氢致裂纹的延迟机理氢扩散需要时间4）淬火裂纹机理片状孪晶马氏体内部的微裂纹3、冷裂纹的控制1）控制组织硬化2）限制扩散氢的含量采用超低氢焊条焊前烘干，焊后后热3）降低拘束应力