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1、材料科学原理第二章的PPT整理你现在浏览的是第一页，共41页第1章 材料成型热过程 焊接热过程焊接热过程 2012.02.152012.02.15焊接过程的热效率和焊件上加热区的热能分布焊接过程的热效率和焊件上加热区的热能分布焊接温度场焊接温度场焊接热循环焊接热循环 2012.02.222012.02.22焊接热影响区的组织与性能变化焊接热影响区的组织与性能变化液态成形过程中的传热液态成形过程中的传热 2012.02.292012.02.29你现在浏览的是第二页，共41页教学要求、重点与难点教学要求：教学要求：了解焊接的物理本质、熔焊加热特点及接头形成了解焊接的物理本质、熔焊加热特点及接头形成
2、;理解焊接温度场的解析解；理解焊接温度场的解析解；掌握焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；掌握焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；掌握焊接热影响区的组织和性能；掌握焊接热影响区的组织和性能；了解液态成形过程中的传热。了解液态成形过程中的传热。教学的重点教学的重点 焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；接热影响区的组织和性能；焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；接热影响区的组织和性能；你现在浏览的是第三页，共41页焊接温度场不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与
3、等温面相截的交线。温度梯度（gradT）：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率 。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。你现在浏览的是第四页，共41页焊接温度场你现在浏览的是第五页，共41页焊接温度场-热传导过程的偏微分方程热传导过程的偏微分方程三维热傅里叶热传导微分方程为：式中a 导温系数，拉普拉斯运算符号。二维传热：一维传热：你现在浏览的是第六页，共41页1.1.初始条件初始条件 初始条件是指物体开始导热时（即初始条件是指物体开始导热时（即t t=0=0 时）的瞬时温度分布。时）的瞬时温度分布。2.2.边界条件边界条件 边界条件是指导热体表面与周围介质间的热
4、交换情况。常见的边界条边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。常见的边界条件有以下三类：件有以下三类：（1 1）第一类边界条件）第一类边界条件 给定物体表面温度给定物体表面温度Tw Tw 随时间随时间t t 的变化关系，的变化关系，表达式为：表达式为：Tw Tw=f f(t t)（2 2）第二类边界条件）第二类边界条件 给出通过物体表面的比热流随时间给出通过物体表面的比热流随时间t t 的变化关系，的变化关系，表达式为：表达式为：焊接温度场上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。（3 3）第三类边界条件）第三类边界条件 给出物体周围介
5、质温度给出物体周围介质温度TfTf以及物体表面与周围介质的换热系数以及物体表面与周围介质的换热系数，表达式为：表达式为：你现在浏览的是第七页，共41页焊接温度场解析解法解析解法焊件形状尺寸：半无限大物体，无限大薄板，无限长细杆焊件形状尺寸：半无限大物体，无限大薄板，无限长细杆焊接热源：点状，线状，面状焊接热源：点状，线状，面状边界条件：边界条件：相变潜热：假设无相变潜热相变潜热：假设无相变潜热热源能量：热源能量：热源作用效果：热源作用效果：材料的热物理性能：假设在焊接过程中不随温度变化材料的热物理性能：假设在焊接过程中不随温度变化数值解数值解实验测定实验测定 O O x x y y z z P
6、 P你现在浏览的是第八页，共41页焊接温度场瞬时点热源瞬时点热源你现在浏览的是第九页，共41页厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在达到极限以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在达到极限饱和状态后。饱和状态后。你现在浏览的是第十页，共41页焊接温度场-数值解你现在浏览的是第十一页，共41页影响焊接温度场的因素热源的性质热源的性质焊接工艺参数焊接工艺参数被焊金属的热物理性质被焊金属的热物理性质焊件的板厚和形状焊件的板厚和形状你现在浏览的是第十二页，共41页焊接热循环概念概念概念：在焊接热源作用下，焊件上某
7、点的温度随时间变化概念：在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化 经历升温阶段、峰值、降温阶段的过程。经历升温阶段、峰值、降温阶段的过程。焊接工艺中的一个重要因素，影响焊接组织、焊接应力和焊接变形。焊接工艺中的一个重要因素，影响焊接组织、焊接应力和焊接变形。你现在浏览的是第十三页，共41页焊接热循环主要参数主要参数加热速度峰值温度高温停留时间冷却速度冷却时间点热源 线热源你现在浏览的是第十四页，共41页你现在浏览的是第十五页，共41页焊接热循环冷却时间冷却时间你现在浏览的是第十六页，共41页影响焊接热循环的因素焊接热输入的影响焊接热输入的影响预热温度的影响预热温度的影响材料的热物理性能材料
8、的热物理性能焊件形状尺寸的影响焊件形状尺寸的影响接头形式的影响接头形式的影响焊道长度的影响焊道长度的影响冷却条件的影响冷却条件的影响你现在浏览的是第十七页，共41页多层焊接的热循环你现在浏览的是第十八页，共41页多层焊接的热循环你现在浏览的是第十九页，共41页思考题1 1、何谓焊接热循环？、何谓焊接热循环？2 2、焊接热循环有何特点？、焊接热循环有何特点？3 3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？4 4、焊接热循环中冷却时间、焊接热循环中冷却时间t t8/58/5、t t8/38/3、t t100100的含义是什么？的含义是什么？
9、5 5、影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。、影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。6 6、对对于于低低碳碳钢钢薄薄板板，采采用用钨钨极极氩氩弧弧焊焊较较容容易易实实现现单单面面焊焊双双面面成成形形（背背面面均均匀匀焊焊透透）。采采用用同同样样焊焊接接规规范范去去焊焊同同样样厚厚度度的的不不锈锈钢钢板板或或铝铝板板会会出出现现什什么么后果？为什么后果？为什么？7 7、对对于于板板状状对对接接单单面面焊焊焊焊缝缝，当当焊焊接接规规范范一一定定时时，经经常常在在起起弧弧部部位位附附近近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提
10、出相应工艺解决方案。你现在浏览的是第二十页，共41页焊接热影响区的组织与性能变化你现在浏览的是第二十一页，共41页焊接与热处理组织转变的区别（1 1）一一般般热热处处理理时时加加热热温温度度最最高高在在A AC3C3以以上上l00l00200200，而而焊焊接接时加热温度远超过时加热温度远超过A AC3C3，在熔合线附近可达，在熔合线附近可达l350l350l400l400。（2 2）焊焊接接时时由由于于采采用用的的热热源源强强烈烈集集中中，故故加加热热速速度度比比热热处处理理时时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。（3 3）焊焊接接时时由由于于热热循循环环
11、的的特特点点，在在A AC3C3以以上上保保温温的的时时间间很很短短(一一般般手手工工电电弧弧焊焊约约为为4 420s20s，埋埋弧弧焊焊时时3030l00s)l00s)，而而在在热热处处理理时时可以根据需要任意控制保温时间。可以根据需要任意控制保温时间。（4 4）在在热热处处理理时时可可以以根根据据需需要要来来控控制制冷冷却却速速度度或或在在冷冷却却过过程程中中不不同同阶阶段段进进行行保保温温。然然而而在在焊焊接接时时，一一般般都都是是在在自自然然条条件件下下连连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。（5 5）焊焊接接加加热热的的局局部部
12、性性和和移移动动性性将将产产生生不不均均匀匀相相变变及及应应变变；而而热处理过程一般不会出现。热处理过程一般不会出现。（6 6）焊焊接接过过程程中中，在在应应力力状状态态下下进进行行组组织织转转变变；而而热热处处理理过过程程不是很明显不是很明显。所以，焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊所以，焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性。性。你现在浏览的是第二十二页，共41页焊接与热处理组织转变的区别 焊接过程快速加热，影响冷却过程的组织转变焊接过程快速加热，影响冷却过程的组织转变首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。
13、加加热热速速度度越越快快，不不仅仅被被焊焊金金属属的的相相变变点点A AC1C1和和A AC3C3提提高高幅幅度度增增大，而且大，而且A AC1C1和和A AC3C3之间的间隔也越大。之间的间隔也越大。加加热热速速度度还还影影响响奥奥氏氏体体的的形形成成过过程程，特特别别是是对对奥奥氏氏体体的的均均质质化化过过程程有有着着重重要要的的影影响响。由由于于奥奥氏氏体体的的均均质质化化过过程程属属于于扩扩散散过过程程，因因此此加加热热速速度度快快，相相变变点点以以上上停停留留时时间间短短，不不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。焊焊接接过过程程属属于于
14、非非平平衡衡热热力力学学过过程程，随随着着冷冷却却速速度度增增大大，平平衡衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。状态图上各相变点和温度线均发生偏移。焊焊接接连连续续冷冷却却条条件件下下，过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变并并不不按按平平衡衡条条件件进进行行，如如珠珠光光体体的的成成分分，由由w w(C)0.8(C)0.8而而变变成成一一个个成成分分范范围围，形形成成伪伪共共析析组组织织。此此外外，贝贝氏氏体体、马马氏氏体体也也都都是是处处在在非非平平衡衡条条件件下下的的组组织织，种种类类繁繁多多。这这与与焊焊接接时时快快速速加加热热、高高温温、连连续续冷冷却却等因素有关。等因素有关。你现在浏览的是第
15、二十三页，共41页焊接热影响区的组织与性能变化你现在浏览的是第二十四页，共41页焊接热影响区的组织与性能变化你现在浏览的是第二十五页，共41页焊接热影响区的组织与性能变化你现在浏览的是第二十六页，共41页焊接热影响区的组织变化不易淬火钢（不易淬火钢（低碳钢）低碳钢）的热影响区组织：的热影响区组织：一一般般的的熔熔焊焊条条件件下下，不不易易淬淬火火钢钢按按照照热热影影响响区区中中不不同同部部位位加加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区1 1、熔熔合合区区:焊焊缝缝与与母母材材之之间间的的过过渡渡区区域域。范范围围很很窄窄，常常常常只只有有几个晶粒几个晶
16、粒,具有明显的化学成分不均匀性。具有明显的化学成分不均匀性。2 2、过过热热区区(粗粗晶晶区区):):加加热热温温度度在在固固相相线线以以下下到到晶晶粒粒开开始始急急剧剧长长大大温温度度(约约为为11001100左左右右)范范围围内内的的区区域域叫叫过过热热区区。由由于于金金属属处处于于过过热热的的状状态态，奥奥氏氏体体晶晶粒粒发发生生严严重重的的粗粗化化，冷冷却却后后得得到到粗粗大大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。3 3、相相变变重重结结晶晶区区(正正火火区区或或细细晶晶区区):):该该区区的的母母材材金金属属被被加加热热到到A AC3C3至至110011
17、00左左右右温温度度范范围围，其其中中铁铁素素体体和和珠珠光光体体将将发发生生重重结结晶晶，全全部部转转变变为为奥奥氏氏体体。形形成成的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒尺尺寸寸小小于于原原铁铁素素体体和和珠珠光光体体，然然后后在在空空气气中中冷冷却却就就会会得得到到均均匀匀而而细细小小的的珠珠光光体体和和铁铁素素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。4 4、不不完完全全重重结结晶晶区区:焊焊接接时时处处于于A AC1C1A AC3C3之之间间范范围围内内的的热热影影响响区区属属于于不不完完全全重重结结晶晶区区。因因为为处处于于A AC1C1A AC3C3
18、范范围围内内只只有有一一部部分分组组织织发发生生了了相相变变重重结结晶晶过过程程，成成为为晶晶粒粒细细小小的的铁铁素素体体和和珠珠光光体体，而而另另一一部部分分是是始始终终未未能能溶溶入入奥奥氏氏体体的的剩剩余余铁铁素素体体，由由于于未未经经重重结晶仍保留粗大晶粒。结晶仍保留粗大晶粒。你现在浏览的是第二十七页，共41页焊接热影响区的组织与性能变化易淬火钢易淬火钢(中高碳钢）的热影响区组织中高碳钢）的热影响区组织:1 1、母材焊前是正火状态或退火状态，、母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：则焊后热影响区可分为：（1)1)完完全全淬淬火火区区：焊焊接接时时热热影影响响区区处处于于A
19、 AC3C3以以上上的的区区域域。在在紧紧靠靠焊焊缝缝相相当当于于低低碳碳钢钢过过热热区区的的部部位位，由由于于晶晶粒粒严严重重粗粗化化，得得到到粗粗大大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。（2)2)不不完完全全淬淬火火区区：母母材材被被加加热热到到A AC1C1A AC3C3温温度度之之间间的的热热影影响响区区。快快速速加加热热和和冷冷却却过过程程得得到到马马氏氏体体和和铁铁素素体体的的混混合合组组织织；含含碳碳量量和和合合金金元元素素含含量量不不高高或或冷冷却却速速度度较较小小时时，其其组组织织可可能能为为索索氏氏体体或或珠珠光体。光
20、体。2 2、母材焊前是调质状态，、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。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：火温度：若焊前调质时回火温度为若焊前调质时回火温度为T Tt t，低于此温度的部位，组织性能，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。化。若焊前为淬火态，紧靠若焊前为淬火态，紧靠A Ac1c1的部位得到回火索氏体，离
21、焊缝较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。远的区域得到回火马氏体。你现在浏览的是第二十八页，共41页焊接热影响区的脆化类型及防止措施 1）粗晶脆化：对于某些低合金高强钢，由于希望出现下贝氏体或低碳马氏体，可以适当降低焊接线能量和提高冷却速度，从而起到改善粗晶区韧性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高强钢与此相反，提高冷却速度会促使生成孪晶马氏体，使脆性增大。所以，应采用适当提高焊接线能量和降低冷却速度的工艺措施。（2）析出脆化：控制加热速度和冷却速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。（3）组织脆化：控制冷却速度，中等的冷速才能形成M-A组元，冷速太快和太慢都不能产生
22、M-A组元马氏体(孪晶马氏体)；控制合金元素的含量，合金化程度较高时，奥氏体的稳定性较大，因而不易分解而形成M-A组元；控制母材的含碳量，选用合适含碳量的材料。（4）HAZ 的热应变时效脆化(HSE):焊接接头的HSE往往是静态应变时效和动态应变时效的综合作用的结果。尽量使焊接接头无缺口，从而减轻动态应变时效脆化程度；采用合适的冷作工序，静态应变时效脆化的程度取决于钢材在焊前所受到的预应变量以及轧制、弯曲、冲孔、剪切、校直、滚圆等冷作工序。焊接工艺上控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量。你现在浏览的是第二十九页，共41页提高热影响区的韧性的途经 控控制制组组织织：对低合金钢，应控制含碳量，
23、使合金元素的体系为低碳微量多种合金元素的强化体系,应尽量控制晶界偏析。韧韧化化处处理理:对于一些重要的结构，常采用焊后热处理来改善接头的性能。合理制定焊接工艺,正确地选择焊接线能量和预热、后热温度是提高焊接韧性的有效措施。改改善善母母材材性性能能：如细晶粒钢(利用微量元素弥散强化、固熔强化、控制析出相的尺寸及形态等)采用控轧工艺，进一步细化铁素体的晶粒，也会提高材质的韧性；采用炉内精炼，炉外提纯等一系列措施，从而得到高纯净钢，使钢中的杂质(S、P、O、N等)含量极低，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接HAZ的韧性。你现在浏览的是第三十页，共41页改善HAZ组织性能的措施 母材焊后选择合理的热处
24、理方法（调质、淬火等）。选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。你现在浏览的是第三十一页，共41页思考题1、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？2、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？3、试述低碳钢焊接热影响区各区域的温度区间、组织及性能特点。4、焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？5、如何提高热影响区的韧性？6、怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？7、在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，哪一种钢的近缝区淬硬倾向大？为什么？你现在浏览的是第三十二页，共41页液态成形过程中的传热-解析解法解析解法半无限大铸件一维温度
25、场热传导方程：初始条件：边界条件：解析解：铸件铸型其中：高斯误差函数函数值可查表。界面温度你现在浏览的是第三十三页，共41页你现在浏览的是第三十四页，共41页液态成形过程中的传热-解析解法解析解法T10=1350CT20=20C讨论：你现在浏览的是第三十五页，共41页理论计算法（略）大平板铸件凝固时间计算的平方根定律铸件凝固时间一般铸件凝固时间计算的折算厚度法则液态成形过程中的传热铸件凝固时间计算铸件凝固时间计算你现在浏览的是第三十六页，共41页例题你现在浏览的是第三十七页，共41页作业你现在浏览的是第三十八页，共41页测温法测定铸件的温度场你现在浏览的是第三十九页，共41页典型铸型条件下的温度分布特点你现在浏览的是第四十页，共41页小结教学要求：了解焊接的物理本质、熔焊加热特点及接头形成;理解焊接温度场的解析解；掌握焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；掌握焊接热影响区的组织和性能；了解液态成形过程中的传热。教学的重点 焊接热循环、焊接过程的组织转变特点；接热影响区的组织和性能；你现在浏览的是第四十一页，共41页