材料科學(xué)原理第二章的整理

材料科學(xué)原理第二章的整理第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章材料成型熱過(guò)程

焊接熱過(guò)程2012.02.15焊接過(guò)程的熱效率和焊件上加熱區(qū)的熱能分布焊接溫度場(chǎng)焊接熱循環(huán)2012.02.22焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化液態(tài)成形過(guò)程中的傳熱2012.02.29第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)要求、重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)要求：了解焊接的物理本質(zhì)、熔焊加熱特點(diǎn)及接頭形成;

理解焊接溫度場(chǎng)的解析解；掌握焊接熱循環(huán)、焊接過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)；掌握焊接熱影響區(qū)的組織和性能；了解液態(tài)成形過(guò)程中的傳熱。教學(xué)的重點(diǎn)焊接熱循環(huán)、焊接過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)；接熱影響區(qū)的組織和性能；第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：不隨時(shí)間而變的溫度場(chǎng)（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）等溫面：空間具有相同溫度點(diǎn)的組合面。等溫線(xiàn)：某個(gè)特殊平面與等溫面相截的交線(xiàn)。溫度梯度（gradT）：對(duì)于一定溫度場(chǎng)，沿等溫面或等溫線(xiàn)某法線(xiàn)方向的溫度變化率。溫度梯度越大，圖形上反映為等溫面（或等溫線(xiàn)）越密集。第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)--熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三維熱傅里葉熱傳導(dǎo)微分方程為：式中a——導(dǎo)溫系數(shù)，?——

拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)。二維傳熱：一維傳熱：第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.初始條件初始條件是指物體開(kāi)始導(dǎo)熱時(shí)（即t=0時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布。2.邊界條件邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周?chē)橘|(zhì)間的熱交換情況。常見(jiàn)的邊界條件有以下三類(lèi)：（1）第一類(lèi)邊界條件給定物體表面溫度Tw隨時(shí)間t的變化關(guān)系，表達(dá)式為：Tw=f(t)（2）第二類(lèi)邊界條件給出通過(guò)物體表面的比熱流隨時(shí)間t的變化關(guān)系，表達(dá)式為：焊接溫度場(chǎng)上述三類(lèi)邊界條件中，以第三類(lèi)邊界條件最為常見(jiàn)。

（3）第三類(lèi)邊界條件給出物體周?chē)橘|(zhì)溫度Tf以及物體表面與周?chē)橘|(zhì)的換熱系數(shù)α，表達(dá)式為：第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)解析解法焊件形狀尺寸：半無(wú)限大物體，無(wú)限大薄板，無(wú)限長(zhǎng)細(xì)桿焊接熱源：點(diǎn)狀，線(xiàn)狀，面狀邊界條件：相變潛熱：假設(shè)無(wú)相變潛熱熱源能量：熱源作用效果：材料的熱物理性能：假設(shè)在焊接過(guò)程中不隨溫度變化數(shù)值解實(shí)驗(yàn)測(cè)定OxyzP第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)—瞬時(shí)點(diǎn)熱源第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月厚大焊件點(diǎn)狀連續(xù)移動(dòng)熱源的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)以熱源作用點(diǎn)為動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維移動(dòng)坐標(biāo)系，在達(dá)到極限飽和狀態(tài)后。第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接溫度場(chǎng)--數(shù)值解第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響焊接溫度場(chǎng)的因素?zé)嵩吹男再|(zhì)焊接工藝參數(shù)被焊金屬的熱物理性質(zhì)焊件的板厚和形狀第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱循環(huán)—概念概念：在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化經(jīng)歷升溫階段、峰值、降溫階段的過(guò)程。

焊接工藝中的一個(gè)重要因素，影響焊接組織、焊接應(yīng)力和焊接變形。

第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱循環(huán)—主要參數(shù)加熱速度峰值溫度高溫停留時(shí)間冷卻速度冷卻時(shí)間點(diǎn)熱源線(xiàn)熱源第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱循環(huán)—冷卻時(shí)間第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響焊接熱循環(huán)的因素焊接熱輸入的影響預(yù)熱溫度的影響材料的熱物理性能焊件形狀尺寸的影響接頭形式的影響焊道長(zhǎng)度的影響冷卻條件的影響第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多層焊接的熱循環(huán)第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多層焊接的熱循環(huán)第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題1、何謂焊接熱循環(huán)？2、焊接熱循環(huán)有何特點(diǎn)？3、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)有哪些？它們對(duì)焊接有何影響？4、焊接熱循環(huán)中冷卻時(shí)間t8/5、t8/3、t100的含義是什么？5、影響焊接熱循環(huán)的因素有哪些？試分別予以說(shuō)明。6、對(duì)于低碳鋼薄板，采用鎢極氬弧焊較容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形（背面均勻焊透）。采用同樣焊接規(guī)范去焊同樣厚度的不銹鋼板或鋁板會(huì)出現(xiàn)什么后果？為什么？7、對(duì)于板狀對(duì)接單面焊焊縫，當(dāng)焊接規(guī)范一定時(shí)，經(jīng)常在起弧部位附近存在一定長(zhǎng)度的未焊透，分析其產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)工藝解決方案。

第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接與熱處理組織轉(zhuǎn)變的區(qū)別（1）一般熱處理時(shí)加熱溫度最高在AC3以上l00～200℃，而焊接時(shí)加熱溫度遠(yuǎn)超過(guò)AC3，在熔合線(xiàn)附近可達(dá)l350～l400℃。（2）焊接時(shí)由于采用的熱源強(qiáng)烈集中，故加熱速度比熱處理時(shí)要快得多，往往超過(guò)幾十倍甚至幾百倍。（3）焊接時(shí)由于熱循環(huán)的特點(diǎn)，在AC3以上保溫的時(shí)間很短(一般手工電弧焊約為4～20s，埋弧焊時(shí)30～l00s)，而在熱處理時(shí)可以根據(jù)需要任意控制保溫時(shí)間。（4）在熱處理時(shí)可以根據(jù)需要來(lái)控制冷卻速度或在冷卻過(guò)程中不同階段進(jìn)行保溫。然而在焊接時(shí)，一般都是在自然條件下連續(xù)冷卻，個(gè)別情況下才進(jìn)行焊后保溫或焊后熱處理。（5）焊接加熱的局部性和移動(dòng)性將產(chǎn)生不均勻相變及應(yīng)變；而熱處理過(guò)程一般不會(huì)出現(xiàn)。（6）焊接過(guò)程中，在應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變；而熱處理過(guò)程不是很明顯。所以，焊接條件下熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變必然有它本身的特殊性。

第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接與熱處理組織轉(zhuǎn)變的區(qū)別

焊接過(guò)程快速加熱，影響冷卻過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變首先將使各種金屬的相變溫度比起等溫轉(zhuǎn)變時(shí)大有提高。加熱速度越快，不僅被焊金屬的相變點(diǎn)AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之間的間隔也越大。加熱速度還影響奧氏體的形成過(guò)程，特別是對(duì)奧氏體的均質(zhì)化過(guò)程有著重要的影響。由于奧氏體的均質(zhì)化過(guò)程屬于擴(kuò)散過(guò)程，因此加熱速度快，相變點(diǎn)以上停留時(shí)間短，不利于擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行，從而均質(zhì)化的程度很差。

焊接過(guò)程屬于非平衡熱力學(xué)過(guò)程，隨著冷卻速度增大，平衡狀態(tài)圖上各相變點(diǎn)和溫度線(xiàn)均發(fā)生偏移。

焊接連續(xù)冷卻條件下，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變并不按平衡條件進(jìn)行，如珠光體的成分，由w(C)0.8％而變成一個(gè)成分范圍，形成偽共析組織。此外，貝氏體、馬氏體也都是處在非平衡條件下的組織，種類(lèi)繁多。這與焊接時(shí)快速加熱、高溫、連續(xù)冷卻等因素有關(guān)。

第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織變化不易淬火鋼（低碳鋼）的熱影響區(qū)組織：

一般的熔焊條件下，不易淬火鋼按照熱影響區(qū)中不同部位加熱的最高溫度及組織特征，可分為以下四個(gè)區(qū)1、熔合區(qū):

焊縫與母材之間的過(guò)渡區(qū)域。范圍很窄，常常只有幾個(gè)晶粒,具有明顯的化學(xué)成分不均勻性。2、過(guò)熱區(qū)(粗晶區(qū)):

加熱溫度在固相線(xiàn)以下到晶粒開(kāi)始急劇長(zhǎng)大溫度(約為1100℃左右)范圍內(nèi)的區(qū)域叫過(guò)熱區(qū)。由于金屬處于過(guò)熱的狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的粗化，冷卻后得到粗大的組織，并極易出現(xiàn)脆性的魏氏組織。3、相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū)或細(xì)晶區(qū)):

該區(qū)的母材金屬被加熱到AC3至1100℃左右溫度范圍，其中鐵素體和珠光體將發(fā)生重結(jié)晶，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。形成的奧氏體晶粒尺寸小于原鐵素體和珠光體，然后在空氣中冷卻就會(huì)得到均勻而細(xì)小的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，故亦稱(chēng)正火區(qū)。4、不完全重結(jié)晶區(qū):

焊接時(shí)處于AC1～AC3之間范圍內(nèi)的熱影響區(qū)屬于不完全重結(jié)晶區(qū)。因?yàn)樘幱贏C1～AC3范圍內(nèi)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程，成為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，而另一部分是始終未能溶入奧氏體的剩余鐵素體，由于未經(jīng)重結(jié)晶仍保留粗大晶粒。第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化易淬火鋼(中高碳鋼）的熱影響區(qū)組織:1、母材焊前是正火狀態(tài)或退火狀態(tài)，則焊后熱影響區(qū)可分為：

（1)完全淬火區(qū)：焊接時(shí)熱影響區(qū)處于AC3以上的區(qū)域。在緊靠焊縫相當(dāng)于低碳鋼過(guò)熱區(qū)的部位，由于晶粒嚴(yán)重粗化，得到粗大的馬氏體；相當(dāng)于正火區(qū)的部位得到細(xì)小的馬氏體。

（2)不完全淬火區(qū)：母材被加熱到AC1～AC3溫度之間的熱影響區(qū)?？焖偌訜岷屠鋮s過(guò)程得到馬氏體和鐵素體的混合組織；含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時(shí)，其組織可能為索氏體或珠光體。

2、母材焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，則焊接熱影響區(qū)的組織分布除上述兩個(gè)外，還有一個(gè)回火軟化區(qū)。

在回火區(qū)內(nèi)組織和性能發(fā)生變化的程度決定于焊前調(diào)質(zhì)的回火溫度：若焊前調(diào)質(zhì)時(shí)回火溫度為T(mén)t，低于此溫度的部位，組織性能不發(fā)生變化，高于此溫度的部位，組織性能將發(fā)生變化，出現(xiàn)軟化。若焊前為淬火態(tài)，緊靠Ac1的部位得到回火索氏體，離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域得到回火馬氏體。

第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱影響區(qū)的脆化類(lèi)型及防止措施1）粗晶脆化：對(duì)于某些低合金高強(qiáng)鋼，由于希望出現(xiàn)下貝氏體或低碳馬氏體，可以適當(dāng)降低焊接線(xiàn)能量和提高冷卻速度，從而起到改善粗晶區(qū)韌性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高強(qiáng)鋼與此相反，提高冷卻速度會(huì)促使生成孿晶馬氏體，使脆性增大。所以，應(yīng)采用適當(dāng)提高焊接線(xiàn)能量和降低冷卻速度的工藝措施。（2）析出脆化：控制加熱速度和冷卻速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。（3）組織脆化：控制冷卻速度，中等的冷速才能形成M-A組元，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元馬氏體(孿晶馬氏體)；控制合金元素的含量，合金化程度較高時(shí)，奧氏體的穩(wěn)定性較大，因而不易分解而形成M-A組元；控制母材的含碳量，選用合適含碳量的材料。（4）HAZ的熱應(yīng)變時(shí)效脆化(HSE):

焊接接頭的HSE往往是靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的綜合作用的結(jié)果。盡量使焊接接頭無(wú)缺口，從而減輕動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效脆化程度；采用合適的冷作工序，靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效脆化的程度取決于鋼材在焊前所受到的預(yù)應(yīng)變量以及軋制、彎曲、沖孔、剪切、校直、滾圓等冷作工序。焊接工藝上控制加熱速度和最高加熱溫度以及焊接線(xiàn)能量。

第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高熱影響區(qū)的韌性的途經(jīng)

控制組織：對(duì)低合金鋼，應(yīng)控制含碳量，使合金元素的體系為低碳微量多種合金元素的強(qiáng)化體系,應(yīng)盡量控制晶界偏析。

韌化處理:

對(duì)于一些重要的結(jié)構(gòu)，常采用焊后熱處理來(lái)改善接頭的性能。合理制定焊接工藝,正確地選擇焊接線(xiàn)能量和預(yù)熱、后熱溫度是提高焊接韌性的有效措施。改善母材性能：如細(xì)晶粒鋼(利用微量元素彌散強(qiáng)化、固熔強(qiáng)化、控制析出相的尺寸及形態(tài)等)采用控軋工藝，進(jìn)一步細(xì)化鐵素體的晶粒，也會(huì)提高材質(zhì)的韌性；采用爐內(nèi)精煉，爐外提純等一系列措施，從而得到高純凈鋼，使鋼中的雜質(zhì)(S、P、O、N等)含量極低，使鋼材的韌性大為提高，也提高了焊接HAZ的韌性。第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月改善HAZ組織性能的措施

母材焊后選擇合理的熱處理方法（調(diào)質(zhì)、淬火等）。選擇合適的板厚、接頭形式及焊接方法等?？刂坪附泳€(xiàn)能量、冷卻速度和加熱速度。

第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題1、焊接條件下組織轉(zhuǎn)變與熱處理?xiàng)l件下組織轉(zhuǎn)變有何不同？2、焊接熱循環(huán)對(duì)母材金屬近縫區(qū)的組織、性能有何影響？3、試述低碳鋼焊接熱影響區(qū)各區(qū)域的溫度區(qū)間、組織及性能特點(diǎn)。4、焊接熱影響區(qū)的脆化類(lèi)型有幾種？如何防止？5、如何提高熱影響區(qū)的韌性？6、怎樣利用熱循環(huán)和其他工藝措施改善HAZ的組織性能？7、在相同的條件下焊接45鋼和40Cr鋼，哪一種鋼的近縫區(qū)淬硬傾向大？為什么？

第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)成形過(guò)程中的傳熱--解析解法半無(wú)限大鑄件一維溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)方程：初始條件：邊界條件：解析解：鑄件鑄型其中：高斯誤差函數(shù)