材料成型原理与工艺_思考题

材料成型加工思考题

1.给出HAZ的概念

HAZ定义：焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生了金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区（heat-affected zone, HAZ ）。

2.焊接热循环有哪几个参数？

焊接热循环曲线可以分为加热与冷却两个阶段，采用四个参数描述其特征。

最高温度Tm：最高温度又称为峰值温度，它与HAZ中的点有对应关系，距离焊缝近的点峰值温度高。

相变温度以上的停留时间tH：可以分为加热停留时间t′及冷却停留时间t″。 tH越长，奥氏体均质化越充分，但是，奥氏体晶粒长大也越严重。

冷却速度ωc或冷却时间tc：冷却速度ωc是指冷却至某一温度Tc时的瞬时冷却速度，可以在温度-时间曲线上在Tc点作切线求得。也可以采用一定温度范围内的平均冷却速度或者采用一定温度范围内的冷却时间tc （如t8/5，t8/3，t100）来反映冷却速度。

3.说明Tm、t8/5的含义。

最高温度Tm：最高温度又称为峰值温度，它与HAZ中的点有对应关系，距离焊缝近的点峰值温度高。焊接钢时，HAZ过热区的Tm可达1300 ℃～1350 ℃，奥氏体因严重过热而长大，冷却后组织粗大，韧性下降。

t8/5：焊接熔池的温度从800度降到500的时间，这个很重要，因为通过控制t8/5可以改变熔池的冷却速度，从而达到防止冷裂纹、控制组织以达到满意的性能。

4.说明易淬火钢与不易淬火钢HAZ组织分布。

（1）不易淬火钢HAZ组织分布

这类钢主要有低碳钢、普通低合金钢（16Mn、15MnV）等。按不同部位最高温度范围及组织变化可以将HAZ分为四个区:熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。

熔合区：熔合区是焊缝与母材相邻的部位，最高温度处于固相线与液相线之间，所以又称为半熔化区。此区较窄，由于晶界与晶内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，所以是焊接接头的薄弱环节过热区：此区的温度范围处于固相线到1100 ℃左右。由于加热温度高，奥氏体过热，晶粒严重长大，故又称之为粗晶区。因晶粒粗化使塑性、韧性下降，慢冷时还会出现魏氏组织。过热区也是焊接接头的薄弱环节相变重结晶区（正火区）：该区处于1100℃～ AC3 （约900℃）之间，母材已完全奥氏体化，由于奥氏体晶粒细小，空冷后得到晶粒细小而均匀的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。因此，其塑性和韧性很好。

不完全重结晶区： AC3 ～ AC1范围内的HAZ属于不完全重结晶区。由于部分母材组织发生相变重结晶F、P→A，且奥氏体晶粒细小，冷却转变后得到细小的F＋P，而未奥氏体化的Ｆ受热后长大，使该区晶粒大小、组织分布不均匀，虽然受热不严重但性能不如相变重结晶区。

（2）易淬火钢HAZ组织分布

这类钢淬硬倾向较大，包括低碳调质钢、中碳钢及中碳调质钢，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，组织变化及分布与焊前的热处理状态有关。

①焊前为正火或退火状态 : 焊前母材为F＋P（S、B）组织。HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。

完全淬火区 Tm高于Ac3，由于完全A化，焊后因快冷得到淬火组织M（或M＋B）。靠近焊缝的高温区为粗大的M组织，韧性很差，Tｍ在1100℃ ～ AC3范围内的区域为细小马氏体组织。

不完全淬火区 Tｍ处于AＣ３～ AＣ１之间，珠光体P（或S、B）转变为奥氏体，而铁素体未完全溶入奥氏体，随后快冷时，奥氏体转化为马氏体，而铁素体则有所长大但类型不变，最后得到M＋F混合组织。

②焊前为调质态：调质后母材为回火组织，其HAZ可分为完全淬火区、不完全淬火区和回火区，其中前两个

区域组织变化与正火态下基本相同。

回火区：Tm处于Ac1～T回范围内，发生了不同程度的回火热处理。该区强度下降、塑性、韧性上升，称之

为回火软化。

5.哪些原因会造成HAZ脆化？

HAZ的脆化有多种类型，如粗晶脆化、组织脆化、析出脆化、氢脆化等。

粗晶脆化：粗晶脆化主要是出现在过热区，是由于奥氏体晶粒严重长大造成的。一般晶粒越粗，则韧脆（脆性）转变温度越高。

组织脆化：含碳较高的钢，HAZ可能出现孪晶马氏体，使脆性增加；对于低碳、低合金高强钢，产生M-A组元脆化和上贝氏体脆化。M-A组元很硬，它与周围的铁素体受力时变形不协调导致脆化。

析出脆化：由于焊前母材为过饱和固溶体，在焊接热作用下产生时效或回火效果，碳化物或氮化物析出造成的塑性及韧性下降。

6.如何改善HAZ韧性？

（1）HAZ组织的有效晶粒直径（下称deff）的微细化；

（2）钢基体的高韧性化；

（3）减少成为岛状马氏体（下称M）那样断裂起点的脆化相。利用Ti2O3夹杂的“晶内铁素体（IGF）”技术可有效的细化deff。IGF钢的组织控制技术引人注目，特别是在焊接过程中或焊接后，焊接部位不能像母材那样进行轧制加工时，即无法采用TMCP技术，这时只能寄希望于IGF技术。

7.举例说明焊接工艺缺陷和冶金缺陷。

工艺性缺陷主要是指工艺成型方面的缺陷：未焊透、未熔合、夹渣、咬边、焊瘤、烧穿、未焊满等；

冶金缺陷是指焊接过程中由于物理-化学冶金过程中未能满足一定的要求而产生的缺陷：主要是气孔和各种焊接裂纹（热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、弧坑裂纹、焊根裂纹、焊道下裂纹）等。

8.说明焊缝结晶裂纹的形成机理。

熔池金属凝固初期的液-固阶段，液相较多，可以在固相晶粒间自由流动，不会开裂。完全凝固后，焊缝金属强度提高，塑性好，受力时可变形，也不会开裂。

熔池金属凝固后期的固-液阶段，固相晶粒彼此接触，其间的液相流动困难，残液为低熔共晶物，呈液态膜分布，使固相晶粒受力时被拉开，缝隙不能被填充，保留下来成为结晶裂纹。

9.那些因素影响钢的冷裂纹倾向？

冶金因素方面：

（1）结晶裂纹与合金状态图的类型有关—结晶温度区间长的合金容易产生结晶裂纹

（2）与成份有关—除主要成分外，杂质元素硫、磷，合金元素碳、镍增加结晶裂纹倾向