第04讲材料成型热过程4精.ppt

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1、第04讲材料成型热过程4301第1页，本讲稿共33页302 1.4.2 1.4.2 焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能v焊接热影响区组织分布的不均匀性，必然要反映在性能上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。的差异。v对于一般的焊接结构来讲，主要是考虑热影响区的硬度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。变化、力学性能、脆化倾向和软化现象。第2页，本讲稿共33页303 1 1、焊接热影响区的力学性能焊接热影响区的力学性能v采用焊接热模拟技术，研究焊接热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。影响区不同部位的力学性

2、能。v图图1-221-22是淬硬倾向不大的钢种是淬硬倾向不大的钢种(相当于相当于16Mn16Mn钢钢)热影响区的常热影响区的常温力学性能。温力学性能。v由该图可以看出，当加热最高温度由该图可以看出，当加热最高温度超过超过900900以后，随着加热最高温以后，随着加热最高温度的升高，强度、硬度升高，而塑度的升高，强度、硬度升高，而塑性下降；性下降；图图1-22 1-22 热影响区的力学性能热影响区的力学性能（C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%）第3页，本讲稿共33页304v当当T Tm m值达到值达到13001300附近时，强附近

3、时，强度达到最高值度达到最高值(相当于粗晶过热相当于粗晶过热区区)；在在T Tm m超过超过13001300的部位，在的部位，在塑性继续下降的同时，强度也有塑性继续下降的同时，强度也有所下降。所下降。v这可能是由于晶粒过于粗大和晶这可能是由于晶粒过于粗大和晶界疏松造成的。界疏松造成的。v对于加热温度在对于加热温度在AcAc1 1AcAc3 3的不完的不完全重结晶区，由于晶粒大小不均全重结晶区，由于晶粒大小不均匀，匀，s s反而降低。反而降低。v在热影响区中，硬度最高、塑在热影响区中，硬度最高、塑性最差的部位是过热区，性最差的部位是过热区，属于接属于接头的薄弱环节。头的薄弱环节。图图1-22 1

4、-22 热影响区的力学性能热影响区的力学性能（C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%C=0.17%,Mn=1.28%,Si=0.40%）第4页，本讲稿共33页305 2 2、焊接热影响区的硬度焊接热影响区的硬度v研究表明，焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相研究表明，焊接热影响区的硬度与其力学性能密切相关。关。v一般而言，随着硬度的增大，强度升高，塑性、韧性下降，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。冷裂纹倾向增大。v因此，因此，通过测定焊接热影响区的硬度分布便可间接地估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。计热影响

5、区的力学性能及抗裂性等。第5页，本讲稿共33页306v图图1-231-23为相当于为相当于20Mn20Mn钢的低合钢的低合金钢单道焊时热影响区的硬度金钢单道焊时热影响区的硬度分布。分布。v可以看出，在焊接热影响区的可以看出，在焊接热影响区的熔合线附近硬度值最高，远离熔合线附近硬度值最高，远离熔合线，硬度降低，逐渐接近熔合线，硬度降低，逐渐接近于母材的硬度水平。于母材的硬度水平。v这进一步说明，熔合线附近这进一步说明，熔合线附近是焊接接头中的最薄弱处。是焊接接头中的最薄弱处。图图1-23 1-23 相当于相当于16Mn16Mn钢的焊接热影响区的硬度分布钢的焊接热影响区的硬度分布材料：材料：0.2

6、0%C0.20%C，1.38%Mn1.38%Mn，0.23%Si 0.23%Si 焊接条件：焊接条件：170A170A，25V25V，150mm/min150mm/min，板厚，板厚20mm20mm第6页，本讲稿共33页307 3 3、焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化v经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥散强化的合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，在金，在HAZHAZ会产生不同程度的软化或失强。会产生不同程度的软化或失强。v焊接调质钢时，焊接调质钢时，HAZHAZ的软化程度与母材焊前的热处理状态有的软化程度与母材焊前的热处理状态有关。关。母材焊前调质处理的回火温度越低母

7、材焊前调质处理的回火温度越低(即强化程度越即强化程度越大大)，则焊后的软化程度越严重，则焊后的软化程度越严重，如图，如图1-241-24所示。所示。第7页，本讲稿共33页308v因为焊前调质时回火温度因为焊前调质时回火温度T Tt t越低，析出的碳化物颗粒越越低，析出的碳化物颗粒越弥散细小。焊接时加热温度弥散细小。焊接时加热温度在在AcAc1 1T Tt t范围内的碳化物聚范围内的碳化物聚集长大越明显，因此回火软集长大越明显，因此回火软化现象越严重。化现象越严重。图图1-24 1-24 调质钢焊接调质钢焊接HAZHAZ的硬度分布的硬度分布AA焊前淬火焊前淬火+低温回火低温回火BB焊前淬火焊前淬

8、火+高温回火高温回火CC焊前退火焊前退火11淬火区淬火区 2 2部分淬火区部分淬火区 3 3回火区回火区 第8页，本讲稿共33页309v实验证明，热影响区中软化最明显的部位大都是在实验证明，热影响区中软化最明显的部位大都是在AcAc1 1AcAc3 3之间，这与该区的不完全淬火过程有关。由于在该区之间，这与该区的不完全淬火过程有关。由于在该区内铁素体和碳化物并未完全溶解，形成的奥氏体未达到饱内铁素体和碳化物并未完全溶解，形成的奥氏体未达到饱和浓度。因此，冷却后得到粗大铁素体、粗大碳化物和低和浓度。因此，冷却后得到粗大铁素体、粗大碳化物和低碳奥氏体的分解产物，这种组织抗塑性变形的能力很小，碳奥氏

9、体的分解产物，这种组织抗塑性变形的能力很小，因而强度、硬度很低。因而强度、硬度很低。v焊接具有热处理强化的合金时，则因发生焊接具有热处理强化的合金时，则因发生“过时效软化过时效软化”而而导致导致HAZHAZ的软化。的软化。第9页，本讲稿共33页3010 4 4、焊接热影响区的脆化焊接热影响区的脆化v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、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。韧性严重下降的现象。HAZHAZ的脆化在焊接应力的作用下会导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。致接头或结构产生脆性断裂，必须予以重视。v脆

10、化类型：脆化类型：粗晶脆化、析出相脆化、粗晶脆化、析出相脆化、M-AM-A脆化、热应变脆化、脆化、热应变脆化、氢脆化、石墨脆化氢脆化、石墨脆化v利用韧脆转变温度利用韧脆转变温度(T(Trs rs)作为判据，碳锰钢热影响区不同作为判据，碳锰钢热影响区不同部位部位T Trs rs的变化如图的变化如图1-251-25所示。所示。第10页，本讲稿共33页3011vT Trs rs越高，说明脆化倾向较大。越高，说明脆化倾向较大。从图中可看出，从焊缝到热影从图中可看出，从焊缝到热影响区韧脆转变温度有两个峰值，响区韧脆转变温度有两个峰值，即过热粗晶区和即过热粗晶区和AcAc1 1以下以下(约约4004006

11、00)600)的时效脆化区。的时效脆化区。v在在900900附近的细晶区具有最附近的细晶区具有最低的脆性转变温度，说明这低的脆性转变温度，说明这个部位的韧性高，抗脆化的个部位的韧性高，抗脆化的能力较强。能力较强。图图1-25 1-25 碳锰钢碳锰钢HAZHAZ的脆化分布的脆化分布 第11页，本讲稿共33页3012 1 1）粗晶脆化粗晶脆化v对不易淬火钢，粗晶脆化主要是由于晶粒长大，甚至形成对不易淬火钢，粗晶脆化主要是由于晶粒长大，甚至形成粗大的粗大的魏氏组织魏氏组织。v对于易淬火钢，则主要是由于产生脆硬的对于易淬火钢，则主要是由于产生脆硬的孪晶马氏孪晶马氏体体所致。所致。v注意：注意：脆化程度

12、与粗晶区的马氏体类型有关。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，碳马氏体（孪晶），则脆化严重。由此看来，影响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。的金相组织。第12页，本讲稿共33页3013 2 2）析出相脆化）析出相脆化v对于某些金属或合金，在焊接冷却过程中，或是在焊后回对于某些金属或合金，在焊接冷却过程中，或是在焊后回火

13、或时效过程中，从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物火或时效过程中，从过饱和固溶体中析出氮化物、碳化物或金属间化合物时，引起金属或合金脆性增大的现象，称或金属间化合物时，引起金属或合金脆性增大的现象，称为析出相脆化。为析出相脆化。v在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时，在过热在焊接含有碳化物或氮化物形成元素的钢时，在过热区，母材原有第二相（碳化物或氮化物）均可大部分区，母材原有第二相（碳化物或氮化物）均可大部分溶解。在冷却过程中，由于溶解度的降低，这些碳、溶解。在冷却过程中，由于溶解度的降低，这些碳、氮化物将再次发生沉淀。氮化物将再次发生沉淀。第13页，本讲稿共33页3014v但由于焊接时高温停

14、留时间短，奥氏体均质化程度低，但由于焊接时高温停留时间短，奥氏体均质化程度低，因此，再次沉淀的碳、氮化物将以块状形式呈不均匀因此，再次沉淀的碳、氮化物将以块状形式呈不均匀析出。例如，析出。例如，AlNAlN在晶界析出，在晶界析出，Ti(C,NTi(C,N）在晶内析出，）在晶内析出，都呈块状形式。都呈块状形式。v这种形态的第二相会严重阻碍位错的运动，从而导致过这种形态的第二相会严重阻碍位错的运动，从而导致过热区的脆化。若热区的脆化。若FeFe3 3C C沿晶界呈薄膜状析出，或形成粗沿晶界呈薄膜状析出，或形成粗大碳化物，也会导致脆化。大碳化物，也会导致脆化。v在快速冷却条件下，若碳、氮化物来不及析

15、出，则在在快速冷却条件下，若碳、氮化物来不及析出，则在焊后回火或时效过程中也可能产生脆化（如回火脆性）焊后回火或时效过程中也可能产生脆化（如回火脆性）。第14页，本讲稿共33页3015 3 3）M-AM-A组元脆化组元脆化v在焊接低合金高强钢时，焊缝和热影响区均可能形成在焊接低合金高强钢时，焊缝和热影响区均可能形成M-AM-A组元。组元。M-A M-A组元是在上贝氏体转变温度区间形成组元是在上贝氏体转变温度区间形成的。的。v在上贝氏体形成过程中，由于铁素体含碳量低，随着在上贝氏体形成过程中，由于铁素体含碳量低，随着铁素体的长大，大部分碳富集到被铁素体包围的岛状铁素体的长大，大部分碳富集到被铁素

16、体包围的岛状奥氏体中去（其含碳量可达奥氏体中去（其含碳量可达0.5%0.8%0.5%0.8%）。）。第15页，本讲稿共33页3016v中、高碳的岛状奥氏体，在中等冷却条件下，会形成孪晶马中、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，即氏体和部分残余奥氏体的混合物，即M-AM-A组元。组元。v随着随着M-AM-A组元数量的增多，韧脆转变温度将显著升高。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。因此，在热影响区出现组元将会引起脆化。第16页，本讲稿共33页3017 4 4）热应变时效脆化）热应变时效脆化v在制造焊接结构的过程中

17、，不可避免地要进行各种加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、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。焊接和其他热加工等程序。v由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接HAZ HAZ 脆化有很脆化有很大的影响，由此而引起的脆化称为热应变时效脆化。大的影响，由此而引起的脆化称为热应变时效脆化。第17页，本讲稿共33页3018 焊接热影响区产生的热应变时效脆化可分为：焊接热影响区产生的热应变时效脆化可分为：静应变时效脆化静应变时效脆化v在室温或低温下受到预应变后产生的时效脆化

18、现象，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，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。子时才会产生这种现象。动应变效脆化动应变效脆化v一般在较高温度下，特别是一般在较高温度下，特别是200400200400温度范围的预应变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，通常所说的的热应变脆化多数是由动应变时效所引起，通常

19、所说的“蓝脆性蓝脆性”就属于动应变时效脆化现象。就属于动应变时效脆化现象。第18页，本讲稿共33页3019v关于应变时效脆化的机理至今尚未彻底清楚。多数人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认为：是碳、氮原子聚集在位错周围形成所谓CottrellCottrell气团，对位错产生钉扎作用所引起。气团，对位错产生钉扎作用所引起。v热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的ArAr1 1以下亚热影响区，在金相组织上看不出明显的变化。以下亚热影响区，在金相组织上看不出明显的变化。v焊接接头熔合区和焊接接头熔

20、合区和ArAr1 1以下的亚热影响区均可出现，以下的亚热影响区均可出现，一般单一般单道焊时易在亚热影响（道焊时易在亚热影响（ArAr1 1以下）产生热应变时效脆化，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效脆化。而多层焊易在熔合区出现热应变时效脆化。第19页，本讲稿共33页3020v综上所述，影响热影响区脆化的因素很多，不同材料产综上所述，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

21、的可靠性，必须设法保证焊接热影响区的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。韧性。第20页，本讲稿共33页3021 1.5 1.5 凝固成型中的温度场凝固成型中的温度场v铸件凝固过程中，许多现象都是温度的函数。因此，研究铸件凝固过程中，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。和铸型中的温度场变化。v根据铸件温度场随时间的变化，能够预计铸件凝固过程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、凝固前沿向中其断面上各时刻的凝固区域

22、大小及变化、凝固前沿向中心推进的速率、缩孔和缩松的位置、凝固时间等重要中心推进的速率、缩孔和缩松的位置、凝固时间等重要问题，为正确设计浇注系统，设置冒口、冷铁，以及为问题，为正确设计浇注系统，设置冒口、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，获得健全铸件，改善铸件组织和性能于消除铸造缺陷，获得健全铸件，改善铸件组织和性能都很重要。都很重要。第21页，本讲稿共33页3022v铸件在铸型中的凝固和冷却过程是非常复杂的：铸件在铸型中的凝固和冷却过程是非常复杂的：它是一个不稳定的传热过程，铸件上各点的温度随它是一个不稳

23、定的传热过程，铸件上各点的温度随时间而下降，而铸型温度则随时间而上升；铸件的形状时间而下降，而铸型温度则随时间而上升；铸件的形状各种各样，其中大多数为三维的传热问题；铸件在凝固各种各样，其中大多数为三维的传热问题；铸件在凝固过程中又不断地释放出凝固潜热；铸件断面上存在着已过程中又不断地释放出凝固潜热；铸件断面上存在着已凝固完毕的固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，凝固完毕的固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，在金属型中凝固时还可能出现中间层，因此，铸件与铸在金属型中凝固时还可能出现中间层，因此，铸件与铸型的传热是通过若干个区域进行的；型的传热是通过若干个区域进行的；第22页，本讲稿共3

24、3页3023v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。程时，必须对过程进行合理的简化。第23页，本讲稿共33页30241 1、铸件在绝热铸型中凝固、铸件在绝热铸型中凝固 v砂型、石膏型、陶瓷型、熔模铸造等的铸型因其材料的热砂型、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

25、率，可统称为绝热铸型。导率远小于凝固金属的热导率，可统称为绝热铸型。v在凝固传热中，金属铸件的温度梯度比铸型中的温度梯在凝固传热中，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。度小得多。相对而言，金属中的温度梯度可忽略不计。第24页，本讲稿共33页3025v在这种情况下，铸件和铸型的温度分布如图在这种情况下，铸件和铸型的温度分布如图1-261-26所示。所示。因此可以认为，在整个传热过程中，铸件断面的温度因此可以认为，在整个传热过程中，铸件断面的温度分布是均匀的，铸型内表面温度接近铸件的温度。如分布是均匀的，铸型内表面温度接近铸件的温度。如果铸型足够厚，由

26、于铸型的导热性很差，铸型的外表果铸型足够厚，由于铸型的导热性很差，铸型的外表面温度仍然保持为面温度仍然保持为T T0 0。所以，。所以，绝热铸型本身的热物理绝热铸型本身的热物理性质是决定整个系统传热过程的主要因素。性质是决定整个系统传热过程的主要因素。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 第25页，本讲稿共33页30262 2、金属、金属铸型界面热阻为主的金属型中凝固铸型界面热阻为主的金属型中凝固 v较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属型中铸造时，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。就属于这种情况。v金属金属铸型界面处

27、的热阻较铸件和铸型中的热阻大得多，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。性质。v若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝固温度，若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝固温度，铸型的温度保持为铸型的温度保持为T T0 0，如图，如图1-271-27所示。所示。第26页，本讲稿共33页3027图图1-27 1-27 以界面热阻为主的温度分布以界面热阻为主的温度分布T TL L金属液相线温度；

28、金属液相线温度；T T0 0一铸型初始温度；一铸型初始温度；MM凝固层折算厚度凝固层折算厚度 第27页，本讲稿共33页30283 3、厚壁金属型中的凝固、厚壁金属型中的凝固 v当金属型的涂料层很薄时，厚壁金属型中凝固金属和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，因而两者都存在明显的温度铸型的热阻都不可忽略，因而两者都存在明显的温度梯度。由于此时金属梯度。由于此时金属铸型界面的热阻相对很小可忽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。略不计，则铸型内表面和铸件表面温度相同。v可以认为，厚壁金属型中的凝固传热为两个相连接的半可以认为，厚壁金属型中

29、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，其温度分布如图铸型的热物理性质，其温度分布如图1-281-28所示。所示。第28页，本讲稿共33页3029图图1-28 1-28 厚壁金属型中凝固的温度分布厚壁金属型中凝固的温度分布T TL L金属液相线温度；金属液相线温度；T T0 0铸型初始温度；铸型初始温度；MM凝固层折算厚度凝固层折算厚度 第29页，本讲稿共33页30304 4、水冷金属型中的凝固、水冷金属型中的凝固 v在水冷金属型中，是通过控制冷却水温度和流量使铸型在水冷金属型中，是通过控制冷却

30、水温度和流量使铸型保持近似恒定的，在不考虑金属保持近似恒定的，在不考虑金属铸型界面热阻的情况铸型界面热阻的情况下，凝固金属表面温度等于铸型温度。下，凝固金属表面温度等于铸型温度。v在这种情况下，凝固传热的主要热阻是凝固金属的热阻，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铸件中有较大的温度梯度。系统的温度分布如图1-291-29所所示。示。第30页，本讲稿共33页3031 图图1-29 水冷薄壁金属型中凝固的温度分布水冷薄壁金属型中凝固的温度分布TL金属液相线温度；金属液相线温度；T0铸型初始温度；铸型初始温度；M凝固层折算厚度凝固层折算厚度第31页，本讲稿共33页3032第一章 作业vP23P23：1 1，2 2，4 4，6 6第32页，本讲稿共33页3033v焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能v凝固成型中的温度场凝固成型中的温度场本讲小节本讲小节第33页，本讲稿共33页