材料成型原理思考题 本课程教学要求：
1．掌握液态金属和合金的凝固、结晶基本规律和冶金处理及它们对材质和零件性能的影响。
2．重点掌握塑性成型的基础及塑性成型理论的应用。
3．重点掌握材料成型过程中化学冶金和现象、缺陷的形成机理、影响因素及预防措施。
第二章 液态金属 重点内容
1、液态金属的基本特性
2、液态金属的粘度、表面张力、G吸附方程 3、流动方程、相似定律 4、流变行为和流变铸造 思考题
1．在固相表面上有液相和气相，且三者处于界面平衡的情况，什么条件下固-液互相之间是润湿的。 到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角（contact angle)，用θ表示。它实际是液体表面张力和液-固界面张力间的夹角。接触角的大小是由在气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。
当、和达平衡时以下关系： γSG-γSL=γLG cosθ
上述方程称为杨（Young)方程。从杨方程我们可以得到下列结论：
（1）如果（γSG-γSL）=γLG，则cosθ=1，θ=0° ，这是完全润湿的情况.如果（γSG-γSL）>γLG，则直到
θ=0还没有达到平衡，因此杨方程不适用，但是液体仍能在固体表面铺展开来。 （2）如果0<（γSG-γSL）<γLG，则1>cosθ>0，θ<90o ，固体能为液体所润湿. （3）如果（γSG-γSL）< 0，则cosθ<0，θ>90o ，固体不为液体所润湿.
2．分析物质表面张力产生的原因以及与物质原子间结合力的关系。 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。
原子间结合力越大，表面内能越大，表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，与上述论点相反的例子大量存在。研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点低的物质低，如Mg与Zn同样都是二价金属，Mg的熔点为650℃，Zn的熔点为420℃，但Mg的表面张力为559mN/m；Zn的表面张力却为782mN/m。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。
3．液态金属的表面张力有哪些影响因素? （1）原子间结合力
原子间结合力越大，表面内能越大，表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点低的物质低。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。 （2）温度
液态金属表面张力通常随温度升高而下降，因为原子间距随温度升高而增大。 （3）合金元素或微量杂质元素
合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响，主要取决于原子间结合力的改变。向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面张力减小，使表面内能降低，这样，将会使表面张力降低。
合金元素对表面张力的影响还体现在溶质与溶剂原子体积之差。当溶质的原子体积大于溶剂原子体积，由于造成原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以降低整个系统的能量。这些富集在表面层的元素，由于其本身的原子体积大，表面张力低，从而使整个系统的表面张力降低。原子体积很小的元素，如O、S、N等，在金属中容易进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属表面，成为富集在表面的表面活性物质。由于这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此表面张力小，同样使金属的表面张力降低。 （4）溶质元素的自由电子数目 大凡自由电子数目多的溶质元素，由于其表面双电层的电荷密度大，从而造成对金属表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，就是由于其自由电子较少的缘故。
第三章熔池化学冶金
重点内容
1、熔池化学冶金过程特点
熔池化学冶金的保护、化学反应分区 2、熔敷速度、熔合比
3、气相对金属的作用（H） 有害气体控制
4、熔池化学冶金的一般规律
合金化、脱氧、脱硫、脱磷 5、熔渣的作用性质 6、合金过渡问题
7、冶金缺陷的形成机理和控制 气孔与夹杂问题
思考题
1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？
（1）原材料不同：普通冶金材料的原材料主要是矿石、废钢铁和焦炭等；而焊接化学冶金的原材料主要是焊条、焊丝和焊剂等。 （2）反应条件不同：普通化学冶金是对金属熔炼加工过程，是在放牧特定的炉中进行的；而焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔
炼的过程，焊接时焊缝相当于高炉。
2.调控焊缝化学成分有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成分？ 调控焊缝化学成分的两种手段：（1）对熔化金属进行冶金处理（2）改变融合比。怎样影响焊缝化学成分：（1）对熔化金属进行冶金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，来获得预期要求的焊接成分；（2）在焊接金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比，改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。
3.焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？ 焊接区内的气体主要来源于焊接材料
产生：1.有机物的分解和燃烧 2．碳酸盐和高价氧化物的分解 3．材料的蒸发 焊接区内的气体主要来源于焊接材料。气电焊时，焊接区内的气体主要来自所采用的保护气体及其杂质（氧、氮、水气等）。气体主要通过以下物化反应产生的1)有机物的分解和燃烧：制造焊条时常用淀粉、纤维素等有机物作为造气剂和涂料增塑剂，焊丝和母材表面上也可能存在油污等有机物，这些物质受热以后将发生复杂的分解和燃烧反映，统称为热氧化分解反应。2)碳酸盐和高价氧化物的分解：焊接冶金中常用的碳酸盐有白云石、碳酸钙等。这些碳酸盐在加热超过一定温度时开始分解，生成气体CO2。3)材料的蒸发：在焊接过程中，除焊接材料中的水分发生蒸发外，金属元素熔渣的各种成分也在电弧的高温作用下发生蒸发，形成相当多的蒸气。除上述物化反应产生气体外，还有一些冶金反应也会产生气态产物。 4.为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？
电弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度的主要原因在于：1）电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多；2）电弧中的氮离子可在阴极溶解；3）在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属它分解为N和O，N迅速溶于金属。
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？
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
6.手弧焊时，氢通过哪些途径向液态铁中溶解？写出溶解反应及规律？
一是通过气相与液相金属的界面以原子或质子的形式融入金属；二是通过渣层融入金属。 氢通过炉渣向金属中溶解时，氢或者水蒸气首先溶于熔渣，溶解在渣中的氢主要以OH-离子的形式存在，这是由于发生如下溶解反应的结果： 对于含有自由氧离子的酸性或碱性渣：对于不含自由氧离子的渣：
氢从熔渣中向金属中过渡是通过如下反应进行的：
7. 氢对焊接质量有哪些影响？
1)氢脆，氢在室温附近使钢的塑性严重下降。2)白点，碳钢和低合金钢焊缝，如含氢量高常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色局部脆断点。3)形成气孔，熔池吸收大量的氢，凝固时由于溶解度突然下降，使氢处于饱和状态，会产生氢气且不溶于液态金属，形成气泡产生气孔。4)氢促使产生冷裂纹。措施：1)限制焊接材料中的氢含量，制造低氢和超低氢型焊接材料和焊剂时，应尽量选用不含或含氢量少的材料。2)清除焊件和焊丝表面上的铁锈，油污，吸附水等杂质。c.冶金处理：在药皮中加入氟化物，控制焊接材料的氧化还原势，在药皮或焊芯中加入微量的稀土和稀散元素，控制焊接工艺参数，焊后除氢处理。
8 既然随着碱度的增加水蒸气在熔渣中的溶解度增大，为什么在低氢型焊条熔敷金属中的含氢量反而比酸性焊条少？
因为碱性焊条中的CaF比较多，分解反应变成HF。 再有，烘干温度比酸性高，也去处很多水分。
9. 综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响。
（1）焊接工艺参数对焊缝含氢量有一定的影响：手工电弧焊时，增大焊接电流使熔滴 吸收的氢量增加；增大电弧电压使焊缝含氢量有某些减少。电弧焊时，电流种类和 极性对焊缝含氢量也有影响。
（2）制造焊条时，适当提高烘烤温度可以降低焊接材料的含水量，因而也就相应地降 低了焊缝中的含氢量。
（3）焊件坡口附近表面上的铁锈、油污、吸附水等是增加焊缝含氢量的原因之一，焊 前应仔细清除。
10.综合分析熔渣的碱度对金属的氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡的影响。
活性渣对焊缝金属的氧化:（一）扩散氧化：一定温度下，焊缝中的含氧量随着熔渣中FeO含量的增加而增加。(二)置换氧化：熔渣中氧化物，与液态铁发生置换反应，其结果使铁氧化，该氧化物中的元素被还原，生成的FeO大部分进入熔渣，小部分溶于液态铁中使焊缝增氧，同时使焊缝增硅、增锰。
焊缝金属的脱氧：脱氧剂和FeO直接反应而把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。酸性焊条一般用锰铁作脱氧剂，而碱性焊条不单独用锰铁作脱氧剂；提高熔渣的碱度和金属中含硅量，可以提高硅的脱氧效果；锰硅联合脱氧。酸性渣有利于扩散脱氧。 冶金脱硫：焊丝中锰脱硫，熔渣中碱性氧化物脱硫。
冶金脱磷：FeO将磷氧化成P2O5，与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐 合金过渡：减少合金元素的残留量及氧化损失量，可提高合金元素的过渡效果 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？
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
12.CO2保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？为什么？
采用高锰高硅焊丝H08AMn2Si。用普通焊丝时，焊丝中Mn，Si含量不足，起脱氧作用会很差，由于碳的氧化在焊缝中产生气孔，同时合金元素烧损，焊缝含氧量增大，所以CO2保护焊焊接应用H08AMn2Si型焊丝，以利于脱氧获得优质焊缝。
13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？设计焊条、焊剂时应主要调控熔渣的哪些物化性质？为什么？
1）对液态熔池金属起保护作用。阻止空气中的氮、氧侵入焊缝。
（2）对液态金属起冶金处理作用。如脱氮、脱氧、去氢、脱硫脱磷、掺合金，调正焊缝金属的化学成分。
（3）改善焊接工艺性能的作用。焊接熔渣中一般含有电离物质，使电弧容易引燃，并稳定燃烧。熔渣的物化性质合适时，使易于进行不同焊接位置的操作，保证焊缝具有良好的成形。 （4）改善热规范的作用。减缓液态金属的凝固，降低冷却速度。 焊接熔渣在一定条件下可产生不利的作用，如烧损焊缝金属中的合金元素、产生夹渣等焊接缺陷，造成脱渣困难而影响焊接生产效率等。 为使焊接熔渣起到人民预期的良好作用，关键在于通过调整和控制熔渣的化学成分，使其具有合适的物理化学性质。
14为什么FeO在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大? 这是否说明碱性渣的氧化性高于酸性渣?为什么?
1）渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，Feo大部分以自由态存在，即F eo在渣中活度系数比在酸性渣中大。
2）但这并不能说明碱性渣 的氧化性大于酸性渣
3）虽然碱性渣中FeO的活度系数大，但碱性渣中FEO的含量并不高，因此碱性渣对液态金属的氧话性比酸性渣小
15试述焊接条件下CO气孔的形成原因、特征及如何加以防止。
氢气孔形成原因:高温时氢在熔池和熔滴金属中的溶解度急剧下降，特别是液态转为固态时，氢的溶解度发生突变，可从32ml/100g下降至10ml/100g。因焊接熔池冷却很快，当结晶速度大于气饱逸出速度时就会形成气孔。
特征：喇叭口形的表面气孔
控制氢的措施 :1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸 附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理
CO气孔,形成原因：进行冶金反应时产生了相当多的不溶于金属的气体，如CO. 特征：焊缝内部，呈条虫状，表面光滑
16何谓沉淀脱氧？试述生产中常见的几种脱氧反应。
（1）沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的[FeO]起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并析出转入熔渣的一种脱氧方式。 （2）生产中几种常用的沉淀脱氧反应： a 锰的脱氧反应，[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)
b 硅的脱氧反应，[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2) c 硅锰联合脱氧反应。
17简述氢在钢铁中的溶解特点及其有害作用。
钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸入的。在含氢的还原性气氛中加热钢材，酸洗及电镀等，氢圴可被钢件吸收，并通过扩散进入钢内。氢对钢的危害是很大的。一是引起氢脆，即在低于钢材强度极限的应力作用下，经一定时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂，往往造成灾难性的后果。钢的强度越高，对氢脆的敏感性往往越大。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点，在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点，在酸洗后的横断面上则呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可接近于零值。因此具有白点的钢是不能使用的。 18简述在钢铁的冶金中用硅铁和锰铁作为脱氧剂各有何特点？
锰的脱氧能力较弱，但在炼钢生产中，却是最常用的脱氧元素，原因如下： 1．锰能提高硅和铝的脱氧能力。
2．锰是沸腾钢（不完全脱氧的钢，要求钢液含氧0.035%-0.045%）无可替代的脱氧元素，因其不会抑制碳氧反应，从而有利于获得良好的沸腾钢钢锭组织。 3．锰可以减轻硫的危害。脱氧后残留在钢中的锰可与硫生成高熔点的（1620℃）塑性夹杂物MnS，降低钢的热脆倾向，减轻硫的危害作用。
硅是镇静钢最常用的脱氧元素。硅的脱氧元素较强，与硅平衡的钢液的氧含量是很低的。在碱性渣下，硅的脱氧能力可以得到充分的发挥，这是因为硅的脱氧产物SiO2可以与碱性渣中的CaO结合成稳定的2CaO·SiO2，从而大大降低了SiO2的活度，使硅脱氧反应充分进行。但是，单独用硅脱氧时，很容易生成固态并以小颗粒状态存在的SiO2，难以从钢液中上浮而排除。
19．采用碱性焊条施焊时，为什么要求严格清理焊件坡口表面的铁锈和氧化皮?而用酸性焊条施焊或CO2焊时对焊前清理的要求相对较低?
这种现象可以用熔渣的分子理论来解释。碱性渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO大部分以自由状态存在，即FeO在渣中的活度系数大，因而容易向金属中扩散，使液态金属中增氧。所以在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊接时严格清除在焊件表面上的氧化皮和铁锈，否则将使焊缝增氧并可能产生气孔等的缺陷。而在酸性渣中，SiO2、TiO2等的酸性氧化物较多，它们能与FeO形成复杂的化合物（如FeO、SiO2），使自由的FeO 减少，故在熔渣中FeO含量相同的情况下，扩散到金属中的氧较少，CO2焊采用Mn,Si沉淀脱氧，CO2焊脱氢能力强，所以用酸性焊条施焊或CO2焊时对焊前清理的要求相对较低。
20．综合分析熔渣的碱度对脱磷脱硫的影响。
脱硫： 熔渣的还原性和碱度 渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于反应的行因此，在还原期中脱硫是有利的。熔渣碱度高也有利于脱硫。 脱磷 脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的、粘度小的熔渣，较大的渣量和较低的温度。
第四章液态金属凝固 重点内容:
1．凝固过程的基本概念
2．形核的分类及特点
均质形核、非均质形核 3．晶体长大方式及特点
晶体长大方式、长大速度 4．单相合金凝固时的溶质迁移
平衡态凝固和非平衡态凝固
5．铸件凝固的形核、长大、化学成份不均匀性 6．熔池凝固的形核、长大、化学成份不均匀性 7．急冷方法和急冷产物及其优点 8．微重力下传质和传热的特点及应用
思考题
1．为什么非均质形核比均质形核容易?影响非均质形核的基本因素和条件有哪些?
非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但 球缺的体积比均质形核时体积小得多 。所以，液体中晶坯附在适当的基底界面上形 核，体积比均质临界核体积小得多时，便可达到临界曲率半径，因此 在较小的过冷度下就可以得到较高的形核率 接触角?大小(晶体与杂质基底相互润湿程度)影响非均质形核的难易程度。
由于通常情况下，接触角?远小于180o，所以，非均质形核功ΔGhe远小于均质形核功Δ
?Gho
?，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要小得多
影响异质形核的其它条件：
a.基底晶体与结晶相的晶格错配度的影响。 ??ac?aN?100%aN （aN —结晶相点阵间隔，aC —杂质点阵间隔）
错配度δ越小，共格情况越好，界面张力σSC越小，越容易进行非均质形核。 b.过冷度的影响。
过冷度越大，能促使非均匀形核的外来质点的种类和数量越多，非均匀形核能力越强。
2．成分过冷对固溶合金熔池结晶形态有何影响？ 成分过冷是由溶质富集所产生，只能出现在合金的凝固过程中，其产生的晶体形貌随成分过冷程度的不同而不同，当过冷程度增大时，固溶体生长方式由无成分过冷时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。
3．试述焊接熔池中金属凝固的特点。
熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。（1）熔池金属的体积小，冷却速度快。在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3 ，冷却速度通常可达4～100℃/s，。（2）熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高。熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少。（3）动态凝固过程。一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热源而移动。（4）液态金属对流激烈。熔池中存在许多复杂的作用力，
使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混和与纯净。
4．简述由于非平衡态凝固，熔池凝固组织存在的化学不均匀性。
所谓化学不均匀性指的是结晶过程中化学成分的一种偏析现象。 ⑴焊缝中的化学不均性
①显微偏析（枝晶偏析）原因：焊接时冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散纯金属先结晶杂质后结晶
②宏观偏析（区域偏析）原因：焊速极大，焊缝以柱状晶长大把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度升高所以产生严重偏析
③层状偏析（由于化学成分不均匀性引起分层现象） 原因：由于晶体成长速度R发生周期性变化引起，R升高，结晶前沿溶度浓度升高，形成一层溶质较多的带状偏析层，R减小，结晶前沿的浓度减少。 ⑵熔合区的化学不均匀性
原因：合金元素在液相中的溶解度大于固相，熔合区溶质原子由固相向液相界面扩散，使界面处合金元素再分配
1:从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温度可达2000℃以上，母材又是冷态金属，两者温差巨大。并且随热源的移动局部受热区也在不断移动，造成组织转变差异和整个接头组织不均匀。
2:焊接熔池体积小，焊缝金属从熔化到凝固只有几秒钟时间。在如此短时间内，冶金反应是不平衡的，使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域偏析很大。
3:焊接过程中温度高，液体金属蒸发，化学元素烧损，有些元素在焊缝金属和母材金属之间相互扩散，近缝区各段所处的温度不同，冷却后焊接区的显微组织差别极大。
5．解释临界晶核半径和临界形核功的意义，以及为什么形核要有一定过冷度? （1）临界晶核半径r*的意义如下：
r＜r*时，产生的晶核极不稳定，随即消散；
r =r*时，产生的晶核处于介稳状态，既可消散也可生长； r＞r*时，不稳定的晶胚转化为稳定晶核，开始大量形核。 故r*表示原先不稳定的晶胚转变为稳定晶核的临界尺寸。 临界形核功ΔG*的意义如下：
表示形核过程系统需克服的能量障碍，即形核“能垒”。只有当ΔG≥ΔG*时，液相才开始形核。
rrormaxr*ΔT *T1ΔT1TNTmT
图3-4 液态金属r°、r*与T的关系及临界过冷度ΔT *
（2）形核必须要有一定过冷度的原因如下： 由形核功的公式：
16?3?VSTm?G????SL???H?T3m????? （均质形核）
2?G?he =
316??LS3?Tm?VS???T??Hm??2?3cos??cos3???4? （非均质形核）
对某种晶体而言，VS、 ? SL 、 ? H m 、 T m
均为定值，ΔG*∝ΔT－2，过冷度ΔT 越小，形核功ΔG*越大，ΔT→0时，ΔG*→∞，这表明过冷度很小时难以形核，所以物质凝固形核必须要有一定过冷度。
6．快速凝固对金属的结构有何影响? 形成超细组织，形成溶解度比通常情况下大得多的过饱和固溶体，固溶体中合金元素的含量大大超过平衡相图上合金元素的极限溶解度，形成亚移民相或新的结品相；形成微晶，纳米晶或金属玻璃，通过形成不同的组织结构，特别是亚稳相、微晶，纳米晶或金属玻璃，可以获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐蚀性等，从而满足各种实际应用的需要。
第五章凝固过程的温度场 重点内容:
1)传热过程基本的概念和特点 2)传热基本方程
3)熔焊过程温度场的经典解及分析 思考题
第六章 焊接热影响区组织和性能 重点内容:
1)焊接热循环的主要参数、意义
决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：
（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。
（2）最高加热温度Ｔmax 也称为峰值温度。距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。 （3）相变温度以上的停留时间tH 在相变温度TH以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。
（4）冷却速度ωC(或冷却时间t8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t8 / 5，800～300℃的冷却时间t8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100。
总之，焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点
2)快速加热,连续冷却的金属组织转变特点
，焊接过程的快速加热，首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。在焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8％而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关。
3)CCT图的应用
4)热影响区的划分方法
5)不易淬硬钢及淬硬钢的焊接热影响区分布和组织转变 思考题
1．怎么样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？ 1）母材焊后选择合理的热处理方法（调质、淬火等）。 2）选择合适的板厚、接头形式及焊接方法等。 3）控制焊接线能量、冷却速度和加热速度。
2．对于一般常用的低碳钢，试述焊接热源加热过程对焊缝邻近的母材上，金属
组织特征的影响？ 对组织的影响：
A 不易淬火钢的热影响区组织： 在一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区
1) 熔合区: 焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具有明显的化学成分不均匀性。
2) 过热区(粗晶区): 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100℃左右)范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却后得到粗大的组织，并极易出现脆性的魏氏组织。
3) 相变重结晶区(正火区或细晶区): 该区的母材金属被加热到AC3至1100℃左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。
4) 不完全重结晶区: 焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于AC1～AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。 B 易淬火钢的热影响区组织:
母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：
1) 完全淬火区：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，得到粗大的马氏体；相当于正火区的部位得到细小的马氏体。 2) 不完全淬火区：母材被加热到AC1～AC3温度之间的热影响区。快速加热和冷却过程得到马氏体和铁素体的混合组织；含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，其组织可能为索氏体或珠光体。 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火温度：若焊前调质时回火温度为Tt，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，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1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。 (2) 对性能的影响 使HAZ发生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。
3．焊接条件下的金属组织转变与热处理条件下的金属组织转变有何不同？
焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理是相同的。但由于焊接过程的特殊性，使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点。 焊接热过程概括起来有以下六个特点：
（1）一般热处理时加热温度最高在AC3以上l00～200℃，而焊接时加热温度远超过AC3，在熔合线附近可达l350～l400℃。
（2）焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热速度比热处理时要快得多，往往超过几十倍甚至几百倍。
（3）焊接时由于热循环的特点，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4～20s，
埋弧焊时30～l00s)，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。
（4）在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温。然而在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。 （5）焊接加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变；而热处理过程一般不会出现。 （6）焊接过程中，在应力状态下进行组织转变；而热处理过程不是很明显。 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性。
此外，焊接过程的快速加热，首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。这一过程必然影响冷却过程的组织转变。 焊接过程属于非平衡热力学过程，在这种情况下，随着冷却速度增大，平衡状态图上各 相变点和温度线均发生偏移。在焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8％而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关
第七章焊接裂纹 重点内容
1、裂纹的分类用一般特征
2、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防冶措施 3、焊接冷裂纹的形成机理，
思考题
1. 简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。
1)热裂纹 分为：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹。 特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布(连续或继续)也可看到焊缝横向裂纹，因在高温下形成，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界(包括亚晶界)分布，所以又称晶间裂纹，属于沿晶断裂性质。 产生原因：一是某些杂质元素与金属及其合金元素形成低熔点共晶，这些共晶体聚积在晶界上，不承受力，又破坏了晶粒之间的联系而形成热裂纹；二是线胀系数大的母材焊接时受热膨胀体积增大，晶间结合力减弱，在焊接应力作用下，也产生热裂纹。
2)再热裂纹 特征：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展。 产生原因：重新加热过程由于晶界微观局部的实际塑性变形量大于塑性变形能力，即e>eC 产生裂纹。
3)冷裂纹 分为：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)、低塑性脆化裂纹 特征：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：晶间断裂，但也可穿晶(晶内)断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。 产生原因：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。
4)层状撕裂 特征：外观上具有阶梯状的形貌基本是由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁构成。断口表面是典型的木纹状。 产生原因：由于轧制母材内部存在分层的夹杂物及焊接时产生垂直轧制方向的应力。
5)应力腐蚀裂纹 特征：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹
如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口。 产生原因：些特定介质和拉应力共同作用。
2. 分析液态薄膜的成因及其对产生热裂纹的影响。 从金属结晶学理论可以知道，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点。在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成“液态薄膜”。 此时由于收缩而受到了拉伸应力，焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。
3. 什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？
1)脆性温度区间：熔池金属进入固液阶段，由于液态金属少，主要是那些低熔点共晶，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只有稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，该区间称为脆性温度区间。[金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈现脆性断裂，把该温度区间定义为脆性温度区间]
2)由于该区间液态金属的流动困难，延伸率低，金属呈脆性断裂，故该区间的金属塑性很低 4. 综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长率之间的影响因素。
1)在脆性温度区间内金属的塑性越小，越容易产生结晶裂纹，它主要决定于化学成分，凝固条件，偏析程度，晶粒大小和方向等冶金因素。2)脆性温度区间内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，应变得增长率将增大，产生结晶裂纹，应变增长率的大小主要决定于金属的热胀系数，焊接接头的刚度，焊缝位置，焊接规范大小，温度场分布等因素。
6. 试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。
1)特征：(1)产生温度:Ms点附近或200～300℃以下温度区间；(2)产生的钢种和部位:发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝；(3)裂纹的走向：沿晶、穿晶；(4)产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间；
2)影响因素：钢材的淬硬倾向，氢的含量及其分布，拘束应力的状态。
7. 试述氢在产生冷裂纹过程中的作用，研究残余扩散氢HR100 和氢扩散因子M有何重要意义？
（1）氢在焊缝中的溶解 在焊接电弧的高温作用下，焊接材料中的水分、焊料坡口上的油污、铁锈以及空气中的水分，都会分解出氢原于或氢离子，并大量溶入焊接熔池中。氢在铁中的溶解度随温度变化很大，并在凝固点发生突变。由于熔池体积小、冷却快，很快由液态凝固，多余的氢来不及逸出，结果就以过饱和状态存在于焊缝中。 （2）氢在焊接区的浓度扩散
焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态，在含量差的作用下会自发地向周围热影区和大气中扩散。这种浓度扩散的速度与温度有关，温度很高时，氢很快从焊接接头扩散出去；温度很低时，氢的活动受抑制，因此都不会产生冷裂纹。只有在一定温度区间(约-100℃～100℃)氢的作用才显著，如果同时有敏感组织和应力存在，就会产生冷裂纹。
在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间较长，大部分氢已在高温下从焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢已不足以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的原因之一。
（3）氢的组织诱导扩散
氢在不同组织中的溶解和扩散能力是不同的，在奥氏体(γ)中氢具有较大的溶解度，但扩散系数较小；在铁素体(α)中氢却具有较小的溶解度和较大的扩散系数。 通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在低于母材，因此焊缝金属在较高温度下就产生相变，即由奥氏体分解为铁素体和珠光体。此时，热影响区金属因含碳量较高，相变尚未进行，仍为奥氏体，当焊缝金属产生相变时，氢的溶解度会突然下降，而氢在铁索体、珠光体中具有较大的扩散系数。因此氢将很快从焊缝向仍为奥氏体的热影响区金属扩散。奥氏体中氢的扩散系数很小，却有较大的溶解能力，氢的进入就在熔合线附近形成富氢带。当热影响区金属进行相变时，即奥氏体向马氏体转变，氢便以过饱和状态残存在马氏体中，促使该处金属进一步脆化而导致冷裂纹。 （4）氢的应力诱导扩散
氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它有向三向拉应力区扩散的趋势。常在应力集中或缺口等有塑性应变的部位产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的临界含量，这就是氢的应力诱导扩散现象。应力梯度愈大，氢扩散的驱动力也愈大，也即应力对氢的诱导扩散作用愈大。
综上所迷，焊接接头金属中氢的扩散行为，从高温到低温受不同机理控制。在液相与固相并存时期存在着含量扩散；在焊后冷却过程中不同温度范围存在着应力诱导扩散；以及在冷却转变时存在着组织诱导扩散。使氢向热影响区的熔合线附近，特别是向其中的应力集中部位扩散、聚集。当这些部位的氢含量达到一定的临界含量值时，就会诱发冷裂纹。氢的扩散有 一定速度，聚集到临界含量就需要时间，这就是在宏观上表现为焊后到产生冷裂纹要有一定的潜伏期(孕育期)，即冷裂纹具有延迟开裂的特征。
8. 何谓拘束度？临界拘束度？它与拘束力和临界拘束应力有何关系？
1)拘束度R：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需的力。 2)临界拘束度Rcr：开始产生裂纹的最小拘束度。 3)拘束度：
R?Fl?b?F?L1?E????l?L?b?LL
其中：E—母材金属的弹性模量(N/mm2)；?—板厚(mm)；l—焊缝长度(mm)；L—拘束距离
(mm)。
拘束应力：??mR。其中：m为拘束应力转换系数，可根据钢的线胀系数、力学熔点、接头的坡口角度等计算；σ当增大到产生裂纹时的应力称为临界拘束应力：σcr。
9. 拘束度和拘束应力与钢材的板厚、焊接工艺参数有何关系？它们各自有哪 些影响因素？ 拘束度：
R?Fl?b?F?L1?E????l?L?b?LL
其中：E—母材金属的弹性模量(N/mm2)；?—板厚(mm)；l—焊缝长度(mm)；L—拘束距离
(mm)。
拘束应力：??mR。其中：m为拘束应力转换系数，可根据钢的线胀系数、力学熔点、接头
的坡口角度等计算；σ当增大到产生裂纹时的应力称为临界拘束应力：σcr。
10. 一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么容易在焊接HAZ产生？
1)氢在低碳钢中的扩散速度很快，焊接过程中大部分氢可以逸出金属，而且低碳钢焊接时一般不形成脆硬的M，所以不会产生延迟裂纹；而高合金钢而言(如18-8不锈钢)，氢的扩散速度低，溶解度较大，也不易在局部聚集产生延迟裂纹；高碳钢、中碳钢、中合金钢和部分含碳较多的低合金高强钢中，氢的扩散速度来不及逸出金属，又不能完全受到抑制，在金属内发生局部聚集，引起延迟裂纹现象。
2)由于焊缝中存在大量氢，周围母材含氢量少，致使氢由焊缝向HAZ扩散；焊缝先于母材在高温下发生相变，由A分解为F+P等组织由于氢在其中溶解度小进一步促进氢向HAZ扩散，此时HAZ仍处于奥氏体态。因氢的扩散速度很小不能扩散到离焊缝边界较远母材中，因此在焊缝与母材的交界HAZ中形成H的富集区，当该区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态留在奥氏体中，当氢的浓度足够高就会产生延迟裂纹。
11. 后热对防止冷裂纹有何作用？它能否全部代替预热？
许多试验表明，焊后进行紧急后热，可使扩散氢充分逸出，在一定程度上有降低残余应力的作用，也可适当改善组织，降低淬硬性。 选用合适的后热温度，可以适当降低预热温度或代替某些重大焊接结构的中间热处理，但后热并不能全部代替预热。
12. 分析近缝区的马氏体转变对产生冷裂纹的影响。 马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高（达1350~1400℃），使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道，马氏体是一种淬硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。
13. 为什么说临界冷却时间tcr为依据，是反映产生冷裂纹各种因素的综合影响？
冷却时间的长短，对焊接接头的组织变化及拘束应力的大小也都有重要的影响，因此，采用临界冷却时间tcr能够 综合反映钢的碳当量水平，接头扩散氢含量，焊接线能量，预热，后热及接头的拘束条件等对冷裂纹敏感性的影响，所以不同的临界冷却时间tcf就反映了不同的冷裂纹敏感性，也就是说tcr可以作为焊接接头冷裂倾向的判据。 14．什么叫碳当量？为什么通过碳当量可预测钢材的焊接冷裂纹倾向？采用碳当量时有何问题？ 碳当量，简称Ceq或CE，是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）得影响程度折合成碳的相当含量。即碳当量越大，合金钢的淬硬性越强，从而导致冷裂倾向增大。
