材料成型原理课后习题 123教材

偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的。

焊缝中的偏析主要有： 显微偏析（micro segregation) 区域偏析（zone segregation ） 层状偏析 (banding) 偏析会影响焊缝的性能。 2-5-2 区域偏析

焊缝结晶时，随着柱状晶前沿的推进长大，从而把低熔点杂质推向熔池中心，造成焊缝中心富集溶质，使焊缝结晶后在整个橫截面上的成分分布明显不均匀的现象。 加强熔池金属的混合可改善区域偏析。电磁搅拌

GTAW 焊时，采用直流正极性焊接，熔深较大，混合较好。 2-5-3 层状偏析

结晶过程周期性变化而使得化学成分不均匀分布的现象。

产生原因：凝固时结晶潜热及熔滴过渡带来的附加热脉冲作用等，使热输入波动。 结晶前沿温度变化→结晶速度R 波动→层状偏析

危害：层状偏析不仅造成焊缝力学性能不均匀性，还可沿层状线形成裂纹或气孔。 2-5-4 熔合区的化学不均匀性

元素在固液界面浓度分布与该元素在固、液相中的扩散系数和分配系数有关。 不均匀性程度与母材和填充金属成分及其差异大小有关。 异种钢焊接时尤为突出。 2-6-2 影响焊缝组织的因素

1）冷却时间的影响 中等冷速下可形成AF 2）合金元素的影响 使CCT 图右移

3）晶粒尺寸的影响 尺寸越大，铁素体形核的晶粒边界越少，CCT 图向右移。

4）焊缝氧含量的影响 [O]增加，夹杂物数目增多，小的第二相质点钉扎晶粒边界，阻碍晶粒生长； 细小的氧化物夹杂可促使形成AF 。 焊接工艺条件对化学冶金反应的影响 ★熔合比(dilution) 的影响

焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。

Ab-熔化母材的面积 Ad-熔敷金属的面积

焊接工艺条件对化学冶金反应的影响

假设焊接时合金元素没有任何损失，则焊缝中某合金元素的浓度C0与熔合比的关系为： C0＝ θCb+(1- θ)Ce --(1)

若考虑焊条中的合金元素有损失，而母材中的合金元素无损失，则焊缝金属中合金元素的实际浓度Cw 为： Cw= θCb+(1- θ)Cd --(2)

如果已知Cd, Cb, 就可以求出焊缝的化学成分。

结论：改变熔合比，就可以改变焊缝金属的化学成分。式中符号含义: Cb －该元素在母材中的质量百分浓度（%） Ce －该元素在焊条中的质量百分浓度（%）

Cd －熔敷金属（焊接得到的没有母材成分的金属）中该元素的实际质量百分比（%） 熔合比概念的应用

堆焊时，θ尽可能小，以减少BM 成分对堆焊层的影响。 当母材杂质较多时，θ应小些好，可减少焊缝金属中杂质。 异种钢焊接时，要根据熔合比来选择焊接材料。

熔滴过渡特性对化学冶金反应的影响

I ↑→ 熔滴存在时间↓→ 反应进行程度↓→ Si%↓

b b d

A A A θ=

+

U↑→熔滴存在时间↑→反应进行程度↑→ Si% ↑

氢对金属的作用

根据氢与金属作用的特点，可分为两大类：与氢形成稳定的氢化物，如Zr、Ti、V、Nb等。

不与氢发生化合反应，但可以溶解氢，如Fe、Cu 、Ni等。

溶入焊缝金属中的氢，可分为两部分：扩散氢(diffusible hydrogen)

氢以原子或质子形式存在的并可在金属晶格中自由扩散。以H 、H+ 、H-形式存在。

残余氢(residual hydrogen) 氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子不能自由扩散。以氢分子的形式存在。

焊缝总含氢量=扩散氢＋残余氢溶解过程并不决定焊缝中最终的含氢量，还与氢的扩散有关。

氢对焊接质量的影响

使材料脆化

氢脆:氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。

氢白点(fish eye) :氢含量较高的碳钢和低合金钢拉伸或弯曲断面上出现的银白色圆形脆断点。

形成氢气孔产生冷裂纹氢是产生冷裂纹的主要原因之一。

氢脆和氢白点的形成机理

氢脆形成机理（空穴氢压脆化学说）：

由于钢中可能存在各种缺陷，氢在这些缺陷中聚合成分子状态，而使空腔内产生很高的附加压力，导金属变脆。

氢白点形成机理

焊缝中气孔与夹杂物诱捕了一定数量的氢，在延性变形过程中，使气孔或夹杂物周围组织产生局部氢脆。接头经去（消）氢处理后，塑性可恢复

控制氢的措施

限制氢的来源限制焊接材料中的含氢量（焊前烘干）清除焊丝和焊件表面上的杂质冶金处理（去氢反应）通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，如 HF，OH等。焊后脱氢处理焊后把焊件加热到一定的温度，促使氢扩散外逸的工艺。对于奥氏体钢焊接接头进行脱氢处理效果不大。

氮、氧、氢对焊缝性能的影响

熔渣的碱度（ Basicity ）

根据熔渣的碱度，可将焊条和焊剂分为酸性和碱性两大类。

低氢型焊条又称为碱性焊条，其药皮的主要特点是不含有机物，含大量的碳酸盐和一定的CaF2。

其它非低氢型焊条又称为酸性焊条，主要以硅酸盐或钛酸盐为主，一般不含CaF2。

碱度越大，焊缝氧、硫含量越低。

碱性渣易吸潮，电弧稳定性和脱渣性较差，

焊缝金属的脱氧

脱氧剂：用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂(deoxidizer)。

选择脱氧剂的原则：在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大

1800 ℃时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。

脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。Mn、Si、Ti和Al常用于脱氧剂。

必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响。

脱氧方式：先期脱氧、扩散脱氧、沉淀脱氧

焊缝金属中硫和磷的控制

焊缝中硫、磷的危害

硫在钢焊缝中的主要存在形式：FeS、MnS，其中以FeS危害最大。

FeS在结晶时易发生偏析，形成低熔共晶，增加结晶裂纹的倾向。

焊碳钢时，形成的低熔共晶为：

Fe＋FeS（熔点为985℃）

FeS ＋FeO（熔点为940℃）

焊高镍合金钢时，形成低熔共晶：NiS+Ni(熔点为644℃)

磷在钢焊缝中的存在形式：Fe2P ，Fe3P。磷与铁、铁镍可形成低熔共晶

限制焊材中的含S与P的含量（主要）

用冶金方法脱S、脱P

沉淀脱硫：在液态金属中加入脱S元素。如Mn脱S [FeS] +[Mn] = (MnS) + [Fe]；

熔渣脱硫：熔渣中碱性氧化物（MnO，CaO，MgO等）脱S，[FeS] + (MnO) = (MnS) +(FeO)；碱度 B↑→[S] ↓

碱性氧化物脱P （很难） 3-4 合金过渡合金过渡：

把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）去的过程（也称为合金化） 。

合金过渡的目的:补偿焊接过程中合金元素的损失;消除焊接缺陷，改善焊接性能;获得具有特殊性的堆焊金属 合金元素过渡系数

合金过渡系数是指合金元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊材中的原始含量之比，反映了合金元素利用率的高低。

＝Cd/Ce =Cd/(Ccw+kbCco)

式中：Cd ------合金元素在熔敷金属中的含量 Ce-------合金元素的原始含量（焊条中的） Cco-------合金元素在药皮中的含量 Ccw-------合金元素在焊芯中的含量

Kb-------药皮重量系数(单位长度上药皮与焊芯的质量之比)

在同一种焊材中，不同元素过渡系数不同。同一种元素在不同的焊材中过渡系数也不同。 3-4 合金过渡

焊缝金属化学成分的计算

η＝Cd/Ce =Cd/(Ccw+kbCco) Cw= θCb+(1- θ)Cd

已知η， Ccw ，kb ，Cco 可求出 Cw 。

根据对熔敷金属成分的要求，可求出在焊条药皮中应具有的含量。

例题; 堆焊高锰钢耐磨表面采用焊条，其焊丝含Mn9%，药皮Kb=0.4,设Mn 的＝0.8，要保证焊缝中的Mn ≧12%，试求药皮中的Mn 的含量。 解：堆焊时，可认为≈0，即Cd ≈Cw 故 Cco=(Cd / Kb) – (Ccw/Kb)

≧(12% /0.8×0.4 ) –9%/0.4 ≧15% 化学成分对硬度的影响

碳的影响 合金元素的影响

与其所处的形态有关，溶于奥氏体时提高淬硬性；形成未溶碳化物、氮化物时，降低淬硬性。 ★碳当量的定义/Carbon Equivalent （Ceq 或CE ）

把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响折合成碳的相当含量。它反映了化学成分对硬化程度的影响。 碳当量公式 低碳微量多合金元素的低合金高强钢

主要适用于ωC ≦0.17%，

b=400Pcm 与CE （IIW ）之间有如下的关系：

冷却条件对硬度的影响

t8/5↑→可在一定程度上降低HAZ 的硬化性

t8/5↑→高温持续时间tH ↑→晶粒粗化，奥氏体匀质化程度提高→硬化性↑

尽可能降低tH ，同时保证适当缓慢的冷却速度，可减小硬化倾向。

53020601510

cm

Si Mn Cu Cr Ni Mo V P C B ++=++++++ ()

2(

)0.005

3

c IIW cm w CE P +=+

析出脆化（沉淀相脆化）

定义：某些金属或合金在焊接过程中，由于经历了快速加热和冷却的作用，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程中，从过饱和的固溶体中析出碳化物，氮化物，金属间化合物及其他亚稳定的中间相等，使金属或合金的强度、硬度上升，韧性下降的现象。

一般强度和硬度提高并不一定发生脆化（如时效马氏体钢），但发生脆化必然伴随强度和硬度的提高。

脆化。

组织脆化:是由于HAZ

M－A组元上贝氏体

组织脆化—M-A组元脆化

M－A组元（Martensite-austenite constiuent)为高碳马氏体和残余奥氏体的混合物，在中等冷速下形成。M－A组元脆化原因:

高碳奥氏体易于形成高碳马氏体；M－A组元存在时，成为了潜在的裂源，并起到吸氢和应力集中的作用。焊接热影响区加热过程和冷却过程特点

奥氏体化过程中奥氏体稳定性对冷却过程固态相变的影响

焊接过程和热处理过程组织转变有何不同

5-3 焊缝中的气孔

气孔是指焊缝表面或内部形成的连续或不连续的孔洞。

气孔的分类：析出型气孔

因气体在液、固金属中的溶解度差造成过饱和的气体来不及逸出所形成的气孔。氢气孔、氮气孔

反应型气孔熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的气体来不及逸出而生成的气孔。 CO，H2O气孔气孔的危害及防止

危害:减少面积降低机械性能；导致应力集中引发裂纹；弥散分布的气孔气密性和耐腐蚀性降低；

防止:消除气体来源；正确选用焊接材料；控制焊接工艺条件；

气孔的防止措施之一——消除气体来源

1.表面处理 3Fe2O3=2Fe3O4+O 2Fe3O4+H2O=3 Fe2O3+H2 Fe+H2O= FeO+H2

2.焊接材料的防潮和烘干，一般碱性焊条烘干温度为350～450℃；酸性焊条为200℃。

3.加强保护

气孔的防止措施之二——正确选用焊接材料

1.熔渣性质

熔渣氧化性越大，CO气孔倾向增大。熔渣还原性越大，氢气孔倾向增大。

2.焊条药皮和焊剂

碱性焊条：药皮中含有较多的CaF2→去氢反应→减少氢气孔

碱性焊条药皮中含有较多的碳酸盐→分解产生大量的CO2→防止氢气孔

酸性焊条：不含氟化物，主要依靠药皮中较强氧化性的组成物 SiO2, MnO，FeO等），防止氢气孔的产生焊剂（HJ431）：含有一定量的CaF2和SiO2 →去氢反应→减少氢气孔

3.保护气体从防止气孔的角度考虑，活性气体优于惰性气体。

4.焊丝成分

思考题：H08A焊丝焊沸腾钢，会出现大量的气孔，为什么？

这是由于沸腾钢脱氧不充分，H08A焊丝Mn、Si含量低，脱氧不足造成的，为解决气孔问题，应采用含锰较高的焊丝，如H08MnA。气孔的防止措施之三——控制焊接工艺条件

其目的是创造熔池中气体逸出的有利条件，同时也限制气体向熔池中的溶入；降低焊接速度；预热；提高焊接热输入。

5-4-2 结晶裂纹

焊接裂纹的形成条件：存在拘束应力应变（外因）存在某些致脆因素，使接头某部位具有低的塑性值。

（内因）

产生裂纹的临界条件为：

热裂纹（Hot Cracking）：在高温下产生的裂纹

内因是金属的高温脆性；外因是拉应力；

与液膜有关的裂纹：结晶裂纹（凝固裂纹）液化裂纹

与液膜无关的裂纹：高温失塑裂纹

5-4-2 结晶裂纹

定义：低熔共晶所形成的液态薄膜（liquation film)，在焊缝凝固时，由于收缩而受到拉伸应力，在该力的作用下液态薄膜开裂，而又没有金属填充时产生的。

拉伸应力：收缩应力(凝固收缩、热收缩)；拘束

结晶裂纹的形成机理

1.在L相和L-S阶段，大量液相存在，液相可自由流动和填充，不易产生结晶裂纹；

2.S-L阶段，液态金属少，流动困难，易产生裂纹。并把这一温度区间称为“脆性温度区间” TB 。

3.S相阶段，不会产生结晶裂纹

结晶裂纹形成条件：

△e >Pmin 当TB 及Pmin一定时，是否产生结晶裂纹主要取决于固相线附近应变的大小。

曲线1：△e < Pmin ，不会产生裂纹；

曲线2：△e = Pmin ，处于临界状态。

曲线3时，△e > Pmin ，则产生裂纹；

影响结晶裂纹形成的因素

冶金因素（Metallurgy Factors)

结晶温度区间；合金元素和杂质；

结晶组织形态；晶间易熔物的数量与分布形态；

力学因素(Mechanical Factors)

工艺条件；接头形式、焊接顺序等；拘束状态等；

凝固组织形态对结晶裂纹的影响

初生相的类型

影响杂质的偏析和晶间层的性质；初生相为δ时的抗裂性比γ好；δ比γ溶解更多的S和P。

晶粒大小、形态和方向：粗大柱状晶抗裂性差；细小的等轴晶，抗裂性好；

5-4-3 液化裂纹

定义：焊接热影响区的近缝区或多层焊的层间，因晶界存在液膜，在拉应力的作用下而产生的热裂纹；沿奥氏体晶界开裂；

多见于奥氏体钢和镍基合金。

5-4-4 冷裂纹

焊后冷至较低温度下产生的裂纹。

与氢有关的冷裂纹

延迟裂纹：不在焊后立即出现，而是有一个孕育期，具有延迟现象，也称为氢致裂纹。

与氢无关，仅与材料脆性有关的冷裂纹

淬硬脆化裂纹：一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发，仅在拘束应力作用下，也能导致开裂。

低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹

焊接冷裂纹(延迟裂纹)的特征

材质：产生冷裂纹的材料有一个共同特点：均发生了马氏体相变。

中、高碳钢，低合金高强钢，钛合金等会产生冷裂纹。而奥氏体钢，镍基合金，铝合金一般不会产生冷裂纹。

形成时间：马氏体转变温度以下：+100℃~-100℃之间，有潜伏期(几小时，几天甚至更长)。

产生部位：主要分布在HAZ上，也可能发生在强度较高的焊缝上。

裂纹走向：沿晶或穿晶。

冷裂纹（延迟裂纹）的形成机理

冷裂纹产生条件：Ｐmin ≦ε（或△e)；

影响Ｐmin的致脆因素主要有: 氢、淬硬组织；

影响的根本因素是由拘束度大小所决定的拘束应力；

形成冷裂纹的三大要素是淬硬倾向，氢的含量及分布，接头所受的拘束应力。

★氢在致裂过程中的动态行为分析（续）

对于低合金钢，焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝的相变温度高，奥氏体首先发生转变，即γ→F、P等，而HAZ尚未分解。

当焊缝由γ→F、P等转变时，氢的溶解度下降，扩散速度又快，因此氢通过熔合线向奥氏体尚未分解的HAZ中扩散。而氢在奥氏体中的扩散速度又小，不能很快地扩散到距熔合线较远的地方去。

HAZ进行马氏体转变，氢以过饱和状态存在于该处，增加了其脆性.

冷裂纹防治措施

1、控制母材的化学成分（钢材的改进）

发展低碳多微量合金元素的钢种；尽可能地降低钢中的杂质；ＣＦ钢（cracking-free steel) ，Ｚ向钢，洁净钢(clean steel)，TMCP钢(thermo-mechanical control process)，细晶粒钢等。

2、合理选择焊接方法和焊接材料

选用低氢或超低氢的焊接材料和低氢的焊接方法；如GTAW，GMAW（CO2焊）焊缝含氢量低于SMAW或FCAW；采用碱性焊条；严格烘干焊条、焊剂，并进行焊前清理。选择强度级别略低于BM的焊材有利于防止冷裂纹；降低HAZ的应力；采用奥氏体钢焊材焊接淬硬倾向较大的钢种；奥氏体焊缝塑性好，降低HAZ的残余应力；奥氏体焊缝可溶解较多的氢，且不易向HAZ扩散；

3、控制焊接工艺

预热（Preheating）

预热是焊接中最常见的防止氢致裂纹的办法之一；预热可以降低焊缝和HAZ的冷却速度，降低淬硬倾向；有利于氢的扩散逸出，降低焊缝和HAZ的含氢量；预热可以降低接头的拘束应力；选择合适的焊接线能量E大些有利于氢的扩散和逸出；Ｅ太大→晶粒粗大→抗裂性差；Ｅ太小→冷速快→淬硬倾向大；

11. 氧对焊接质量有哪些影响？应采取什么措施减少焊缝含氧量？（详见：焊接冶金学（基本原理）p51）影响：1.氧在焊缝中无论以何种形式存在，对焊缝的性能都有很大的影响。随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性、韧性都明显下降，尤其是低温冲击韧度急剧下降。此外，它还引起热脆、冷脂和时效硬化

2.氧烧损钢中的有益合金元素使焊缝性能变坏。熔滴中含氧和碳多时，它们相互作用生成的co受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性

措施：1．纯化焊接材料2．控制焊接工艺参数3.脱氧

5-4-5 再热裂纹（Reheat Cracking）

对于某些含有沉淀强化元素的高强钢和高温合金，在焊后并未发现裂纹，而在热处理过程中出现了裂纹，或在焊后500-600℃长期工作时产生裂纹，统称为“再热裂纹”。前者也称为“消除应力处理裂纹”（stress relief cracking)，简称SR裂纹。

再热裂纹的特征

1.产生在HAZ的粗晶区，晶间开裂，沿奥氏体粗晶晶界扩展

2.在消除应力前，焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中，两者必须同时存在。

3.有一个最敏感的温度区间：对于沉淀强化的低合金钢约在500～700℃。对于奥氏体不锈钢和一些高温合金约在700～900℃.

4.含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。碳素钢和固溶强化的金属一般不产生

再热裂纹。

再热裂纹形成机理

晶界杂质析集弱化作用

在500～600℃的再热过程中，Ｓ、Ｐ、Sb、Sn、As等元素向晶界析集，因而大大地降低了晶界的塑变能力。晶内沉淀强化作用

沉淀强化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳化物、氮化物及一些沉淀相，在一次焊接热作用下，因受热而固溶，焊后冷却时不能充分析出，在二次受热时，这些碳化物、氮化物在晶内沉淀析出，从而使晶内强化，使应力松驰的塑变集中至晶界，当晶界的塑性储备不足时，就产生了再热裂纹。

5.氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？（详见：焊接冶金学（基本原理）p35）

影响：1.氮是促使焊缝产生气孔的主要原因之一

2. 氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素

3. 氮是促使焊绕金屑时效舱化的元素。

措施：1.控制氮的主要措随是加强保护，防止空气与金属作用

2. 在药皮中加入造气剂(如碳酸盐有机物等)，形成气渣联合保护，可使焊缝含氯量下降

3. 尽量采用短弧焊

4.增加焊接电流，熔滴过渡频率增加．氮与熔滴的作用时间缩短，焊缝合氮量下降

5. 增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量

6.通过加入一些合金元素形成稳定的氮化物降低氮含量

金属塑性成型原理

一、解释名词和术语

1塑性：金属产生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

2塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。

3塑性成形：在外力的作用下使金属产生塑性变形，从而加工成所需形状和尺寸的工件的加工方法。

4应力张量：点的应力状态是一个张量。5主应力：主平面上的正应力。6主切应力：斜面上切应力的极大值。7主平面：切应力为零的平面。8主切应力平面：主切应力作用的平面。

9平面应力状态：变形体在某一平面上没有应力的作用时物体内质点所处的应力状态。

10平面应变状态：变形体在某一方向不产生变形时物体内质点所处的应力状态。

11轴对称应力状态：旋转体承受的外力对称于旋转轴分布时物体内质点所处的应力状态。

12位移：变形体内任一点变形前后的直线距离。13位移分量：坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影。14对数应变：试样单向拉伸时伸长的总应变。15主应变：某一方向上线元没有切应变，只有线应变。16主切应变：与主切应变方向成45°角方向上的应变。

17应变增量：将变形体在变形过程中任意瞬间的形状和尺寸作为初始状态，在此基础上产生的无限小应变。18应变速率：单位时间内的应变。

19全量应变：反映单元体在某一变形过程中的某个阶段结束时的变形大小的应变。

20屈服准则：在一定的变形条件下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性变形状态，这种关系称为屈服准则。

21屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间的几何图形是个封闭的空间曲面，这个封闭的空间曲面称为屈服表面。

22屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的数学表达式，在主应力坐标平面上的几何图形是封闭的曲线，这封闭的曲线，称为屈服轨迹。

23 π平面：在主应力空间中，通过坐标原点并垂直于等倾斜线的平面。

24本构方程：塑性变形时，应力与应变之间的关系称为本构关系，这种关系的数学表达式称为本构方程。