第04讲 材料成型热过程(4)

根据铸件温度场随时间的变化，能够预计铸件凝固 过程中其断面上各时刻的凝固区域大小及变化、凝 固前沿向中心推进的速率、缩孔和缩松的位臵、凝 固时间等重要问题，为正确设计浇注系统，设臵冒 口、冷铁，以及为采取其它工艺措施控制凝固过程 提供可靠的依据。这对于消除铸造缺陷，获得健全 30 21 铸件，改善铸件组织和性能都很重要。
区域进行的；
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铸型和铸件的热物理参量还都随温度而变化，不是
固定的数值。将这些因素都考虑进去，建立一个符
合实际情况的微分方程式是很困难的。因此，用数 学分析法研究铸件的凝固过程时，必须对过程进行 合理的简化。
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1、铸件在绝热铸型中凝固

砂型、石膏型、陶瓷型、熔模铸造等的铸型因其
材料的热导率远小于凝固金属的热导率，可统称 为绝热铸型。 在凝固传热中，金属铸件的温度梯度比铸型中的 温度梯度小得多。相对而言，金属中的温度梯度 可忽略不计。
图1-26 绝热铸型凝固温度分布 TL—金属液相线温度；T0一铸型初始温度； M—凝固层折算厚度 30
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2、金属—铸型界面热阻为主的金属型中凝固

较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属型中铸造
时，就属于这种情况。

金属—铸型界面处的热阻较铸件和铸型中的热阻
大得多，这时，凝固金属和铸型中的温度梯度可
忽略不计，即认为温度分布是均匀的，传热过程 取决于涂料层的热物理性质。
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中、高碳的岛状奥氏体，在中等冷却条件下，会形 成孪晶马氏体和部分残余奥氏体的混合物，即M-A
组元。

随着M-A组元数量的增多，韧脆转变温度将显著升
高。因此，在热影响区出现组元将会引起脆化。
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4）热应变时效脆化

在制造焊接结构的过程中，不可避免地要进行各种
加工，如下料、剪切、弯曲成形、气割、矫形、锤
击、焊接和其他热加工等程序。

由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接HAZ
脆化有很大的影响，由此而引起的脆化称为热应变 时效脆化。
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焊接热影响区产生的热应变时效脆化可分为： ⑴ 静应变时效脆化 在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化现 象，叫作静应变时效脆化。它的特征是强度和硬 度增高，而塑性、韧性下降。只有钢中存在碳、 氮自由间隙原子时才会产生这种现象。 ⑵ 动应变效脆化 一般在较高温度下，特别是200~400℃温度范围的 预应变所产生的时效脆化现象称为动应时效脆化。 焊接热影响区的热应变脆化多数是由动应变时效 所引起，通常所说的“蓝脆性”就属于动应变时 效脆化现象。
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关于应变时效脆化的机理至今尚未彻底清楚。多 数人认为：是碳、氮原子聚集在位错周围形成所
谓Cottrell气团，对位错产生钉扎作用所引起。

热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢
的Ar1以下亚热影响区，在金相组织上看不出明显
的变化。

焊接接头熔合区和Ar1以下的亚热影响区均可出现， 一般单道焊时易在亚热影响（Ar1以下）产生热应 变时效脆化，而多层焊易在熔合区出现热应变时
30 不同部位Trs的变化如图1-25所示。 10


Trs越高，说明脆化倾向较 大。从图中可看出，从焊
缝到热影响区韧脆转变温
度有两个峰值，即过热粗 晶区和Ac1以下(约400～ 600℃)的时效脆化区。

在900℃附近的细晶区具有 最低的脆性转变温度，说 明这个部位的韧性高，抗
图1-25 碳锰钢HAZ的脆化分布
显的温度梯度。由于此时金属—铸型界面的热阻
相对很小可忽略不计，则铸型内表面和铸件表面
温度相同。

可以认为，厚壁金属型中的凝固传热为两个相连 接的半无限大物体的传热，整个系统的传热过程 取决于铸件和铸型的热物理性质，其温度分布如
图1-28所示。
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图1-28 厚壁金属型中凝固的温度分布 TL—金属液相线温度；T0—铸型初始温度； M—凝固层折算厚度

若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝 固温度，铸型的温度保持为T0，如图1-27所示。
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图1-27 以界面热阻为主的温度分布 TL—金属液相线温度；T0一铸型初始温度； M—凝固层折算厚度
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3、厚壁金属型中的凝固

当金属型的涂料层很薄时，厚壁金属型中凝固金
属和铸型的热阻都不可忽略，因而两者都存在明
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4、水冷金属型中的凝固

在水冷金属型中，是通过控制冷却水温度和流量
使铸型保持近似恒定的，在不考虑金属—铸型界
面热阻的情况下，凝固金属表面温度等于铸型温
度。

在这种情况下，凝固传热的主要热阻是凝固金属 的热阻，铸件中有较大的温度梯度。系统的温度 分布如图1-29所示。
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图1-29 水冷薄壁金属型中凝固的温度分布 TL—金属液相线温度；T0—铸型初始温度； M—凝固层折算厚度
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第一章 作业

P23：1，2，4，6
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本讲小节


焊接热影响区的性能 凝固成型中的温度场
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理状态有关。母材焊前调质处理的回火温度越低(即
强化程度越大)，则焊后的软化程度越严重，如图124所示。
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因为焊前调质时回火温度
Tt越低，析出的碳化物颗
粒越弥散细小。焊接时加 热温度在Ac1～Tt范围内 的碳化物聚集长大越明显， 因此回火软化现象越严重。
图1-24 调质钢焊接HAZ的硬度分布 A—焊前淬火+低温回火 B—焊前淬火+高温回火 C—焊前退火 1—淬火区 2—部分淬火区 3—回火区
软化”而导致HAZ的软化。
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4、 焊接热影响区的脆化

热影响区脆化是热影响区在焊接热循环作用下所发
生的塑性、韧性严重下降的现象。HAZ的脆化在焊
接应力的作用下会导致接头或结构产生脆性断裂，
必须予以重视。

脆化类型： 粗晶脆化、析出相脆化、M-A脆化、热应变脆化、 氢脆化、石墨脆化 利用韧脆转变温度( Trs )作为判据，碳锰钢热影响区
脆化的能力较强。
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1）粗晶脆化

对不易淬火钢，粗晶脆化主要是由于晶粒长大， 甚至形成粗大的魏氏组织。 对于易淬火钢，则主要是由于产生脆硬的孪晶马 氏体所致。 注意：脆化程度与粗晶区的马氏体类型有关。 一般来讲，低碳马氏体反而有改善粗晶区韧 性的作用。对于含碳高的高强钢在热影响区出现 的高碳马氏体（孪晶），则脆化严重。由此看来， 影响粗晶脆化的主要因素是钢种的化学成分和焊 后粗晶区的金相组织。 30 12
2、 焊接热影响区的硬度

研究表明，焊接热影响区的硬度与其力学性能密切
相关。

一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑性、韧
性下降，冷裂纹倾向增大。

因此，通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接 地估计热影响区的力学性能及抗裂性等。
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图1-23为相当于20Mn钢的 低合金钢单道焊时热影响 区的硬度分布。 可以看出，在焊接热影响 区的熔合线附近硬度值最 高，远离熔合线，硬度降 低，逐渐接近于母材的硬 度水平。 这进一步说明，熔合线附 近是焊接接头中的最薄弱 处。
效脆化。
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综上所述，影响热影响区脆化的因素很多，不同材 料产生脆化的原因也不相同。当热影响区的脆化严
重时，即使母材和焊缝韧性再高也是没有意义的。
为了提高焊接结构安全运行的可靠性，必须设法保 证焊接热影响区的韧性。
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1.5 凝固成型中的温度场

铸件凝固过程中，许多现象都是温度的函数。因此， 研究凝固过程传热所要解决的主要问题是在不同的 时刻，铸件和铸型中的温度场变化。
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图1-22 热影响区的力学性能 （C=0.17%, Mn=1.28%, Si=0.40%）
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当Tm值达到1300℃附近时，强 度达到最高值(相当于粗晶过热 区)； 在Tm超过1300℃的部位， 在塑性继续下降的同时，强度 也有所下降。 这可能是由于晶粒过于粗大和 晶界疏松造成的。 对于加热温度在Ac1～Ac3的不 完全重结晶区，由于晶粒大小 不均匀，σs反而降低。 在热影响区中，硬度最高、塑 图1-22 热影响区的力学性能 性最差的部位是过热区，属于 （C=0.17%, Mn=1.28%, Si=0.40%） 30 4 接头的薄弱环节。
上讲回顾

影响焊接热循环的因素 多层焊的热循环 焊接热影响区的组织分布
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1.4. 2 焊接热影响区的性能

焊接热影响区组织分布的不均匀性，必然要反映在
性能上的差异。

对于一般的焊接结构来讲，主要是考虑热影响区的
硬度变化、力学性能、脆化倾向和软化现象。
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1、 焊接热影响区的力学性能 采用焊接热模拟技术，研究焊 接热影响区不同部位的力学性 能。 图1-22是淬硬倾向不大的钢种 (相当于16Mn钢)热影响区的常 温力学性能。 由该图可以看出，当加热最高 温度超过900℃以后，随着加 热最高温度的升高，强度、硬 度升高，而塑性下降；
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图1-23 相当于16Mn钢的焊接热影响区的硬度分布 材料：0.20%C，1.38%Mn，0.23%Si 焊接条件：170A，25V，150mm/min，板厚20mm
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3、 焊接热影响区的软化

经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化
的合金，在HAZ会产生不同程度的软化或失强。