第二章材料成形熱過程
1、 與熱處理相比，焊接熱過程有哪些特點？
答：（1）焊接過程熱源集中，區域性加熱溫度高
（2）焊接熱過程的瞬時性，加熱速度快，高溫停留時間短
（3） 熱源的運動性，加熱區域不斷變化，傳熱過程不穩定。
2、影響焊接溫度場的因素有哪些？試舉例分別加以說明。
熱源的性質
焊接工藝引數
被焊金屬的熱物理性質
焊件的板厚和形狀
3、何謂焊接熱迴圈？
答：焊接熱迴圈：在焊接熱源的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化過程，即焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點溫度由低而高，達到最高值後，又由高而低隨時間的變化。
焊接熱迴圈具有加熱速度快、峰值溫度高、冷卻速度大和相變溫度以上停留時間不易控制的特點
3、 焊接熱迴圈的主要引數有哪些？它們對焊接有何影響？
加熱速度
峰值溫度
高溫停留時間
冷卻速度或冷卻時間
決定焊接熱迴圈特徵的主要引數有以下四個：
（1）加熱速度ωh 焊接熱源的集中程度較高，引起焊接時的加熱速度增加，較快的加熱速度將使相變過程進行的程度不充分，從而影響接頭的組織和力學效能。
（2）峰值溫度ｔmax 。距焊縫遠近不同的點，加熱的最高溫度不同。焊接過程中的高溫使焊縫附近的金屬發生晶粒長大和重結晶，從而改變母材的組織與效能。
（3）相變溫度以上的停留時間th 在相變溫度th以上停留時間越長，越有利於奧氏體的均勻化過程，增加奧氏體的穩定性，但同時易使晶粒長大，引起接頭脆化現象，從而降低接頭的質量。
（4）冷卻速度ωc(或冷卻時間t8 / 5) 冷卻速度是決定焊接熱影響區組織和效能的重要引數之一。對低合金鋼來說，熔合線附近冷卻到540℃左右的瞬時冷卻速度是最重要的引數。也可採用某一溫度範圍內的冷卻時間來表徵冷卻的快慢，如800～500℃的冷卻時間t8 / 5，800～300℃的冷卻時間t8/3，以及從峰值溫度冷至100℃的冷卻時間t100。
4、 5、 焊接熱迴圈中冷卻時間、、的含義是什麼？
焊接熱迴圈中的冷卻時間表示從800c冷卻到500c的冷卻時間。
焊接熱迴圈中的冷卻時間表示從800c冷卻到300c的冷卻時間。
焊接熱迴圈中的冷卻時間表示從峰值冷卻到100c的冷卻時間。
6、 影響焊接熱迴圈的因素有哪些？試分別予以說明。
焊接熱輸入的影響
預熱溫度的影響
焊件形狀尺寸的影響
接頭形式的影響
焊道長度的影響
冷卻條件的影響
8、已知某半無限大板狀鑄鋼件的熱物性引數為：導熱係數λ=46.5 w/(m·k)， 比熱容c=460.
5 j/(kg·k)， 密度ρ=7850 kg/m3，取澆鑄溫度為1570℃，鑄型的初始溫度為20℃。 試求該鑄件在砂型和金屬型鑄模（鑄型壁均足夠厚）中澆鑄後0.2h時刻,鑄型表面和距鑄型表面0.
1m處的溫度並作分析比較。（鑄型的有關熱物性引數見表2-2。）
解：（1）砂型： =12965 =639
介面溫度： =1497℃
鑄件的熱擴散率： =1.310-5 m2/s
根據公式分別計算出兩種時刻鑄件中的溫度分布狀況見表1。
表1 鑄件在砂型中凝固時的溫度分布
根據表1結果做出相應溫度分布曲線見圖1。
（2）金屬型： =12965 =15434
介面溫度727.6℃
同理可分別計算出兩種時刻鑄件中的溫度分布狀況見表2與圖2。
表2 鑄件在金屬型中凝固時的溫度分布
(3) 分析：採用砂型時，鑄件金屬的冷卻速度慢，溫度梯度分布平坦，與鑄型介面處的溫度高，而採用金屬鑄型時相反。原因在於砂型的蓄熱係數b比金屬鑄型小得多。
9、凝固速度對鑄件凝固組織、效能與凝固缺陷的產生有重要影響。試分析可以通過哪些工藝措施來改變或控制凝固速度？
解：① 改變鑄件的澆注溫度、澆鑄方式與澆鑄速度；
② 選用適當的鑄型材料和起始（預熱）溫度；
③ 在鑄型中適當布置冷鐵、冒口與澆口；
④ 在鑄型型腔內表面塗敷適當厚度與效能的塗料。
10、比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時間的長短。
解：一般在體積相同的情況下上述物體的表面積大小依次為：
a球根據與
所以凝固時間依次為： t球》t塊》t板》t杆。
11、 右圖為一灰鑄鐵底座鑄件的斷面形狀，其厚度為30mm，利用「模數法」分析砂型鑄造時底座的最後凝固部位，並估計凝固終了時間.
解：將底座分割成a、b、c、d四類規則幾何體（見右下圖）
查表2-3得：k=0.72()
對a有：ra= va／aa=1.23cm
a=ra／ka=2.9min
對b有: rb= vb／ab=1.33cm
b=rb／kb=3.4min
對c有：rc= vc／ac=1.2cm
c=rc／kc=2.57min
對d有：rd= vd／ad=1.26cm
d=rd／kd=3.06min
因此最後凝固部位為底座中肋b處，凝固終了時間為3.4分鐘。
12、對於低碳鋼薄板，採用鎢極氬弧焊較容易實現單面焊雙面成形（背面均勻焊透）。採用同樣焊接規範去焊同樣厚度的不鏽鋼板或鋁板會出現什麼後果？為什麼？
解：採用同樣焊接規範去焊同樣厚度的不鏽鋼板可能會出現燒穿，這是因為不鏽鋼材料的導熱性能比低碳鋼差，電弧熱無法及時散開的緣故；
相反，採用同樣焊接規範去焊同樣厚度的鋁板可能會出現焊不透，這是因為鋁材的導熱能力優於低碳鋼的緣故。
13、何謂焊接熱迴圈？焊接熱迴圈的主要特徵引數有那些？
答：焊接熱迴圈：在焊接熱源的作用下，焊件上某點的溫度隨時間的變化過程，即焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點溫度由低而高，達到最高值後，又由高而低隨時間的變化。
14、焊接熱迴圈對母材金屬近縫區的組織、效能有何影響？怎樣利用熱迴圈和其他工藝措施改善haz的組織效能？
答：（1）對組織的影響：
a 不易淬火鋼的熱影響區組織：
在一般的熔焊條件下，不易淬火鋼按照熱影響區中不同部位加熱的最高溫度及組織特徵，可分為以下四個區
1) 熔合區: 焊縫與母材之間的過渡區域。範圍很窄，常常只有幾個晶粒,具有明顯的化學成分不均勻性。
2) 過熱區(粗晶區): 加熱溫度在固相線以下到晶粒開始急劇長大溫度(約為1100℃左右)範圍內的區域叫過熱區。由於金屬處於過熱的狀態，奧氏體晶粒發生嚴重的粗化，冷卻後得到粗大的組織，並極易出現脆性的魏氏組織。
3) 相變重結晶區(正火區或細晶區): 該區的母材金屬被加熱到ac3至1100℃左右溫度範圍，其中鐵素體和珠光體將發生重結晶，全部轉變為奧氏體。形成的奧氏體晶粒尺寸小於原鐵素體和珠光體，然後在空氣中冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當於熱處理時的正火組織，故亦稱正火區。
4) 不完全重結晶區: 焊接時處於ac1～ac3之間範圍內的熱影響區屬於不完全重結晶區。因為處於ac1～ac3範圍內只有一部分組織發生了相變重結晶過程，成為晶粒細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餘鐵素體，由於未經重結晶仍保留粗大晶粒。
b 易淬火鋼的熱影響區組織:
母材焊前是正火狀態或退火狀態，則焊後熱影響區可分為：
1) 完全淬火區：焊接時熱影響區處於ac3以上的區域。在緊靠焊縫相當於低碳鋼過熱區的部位，由於晶粒嚴重粗化，得到粗大的馬氏體；相當於正火區的部位得到細小的馬氏體。
2) 不完全淬火區：母材被加熱到ac1～ac3溫度之間的熱影響區。快速加熱和冷卻過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，其組織可能為索氏體或珠光體。
母材焊前是調質狀態，則焊接熱影響區的組織分布除上述兩個外，還有乙個回火軟化區。在回火區內組織和效能發生變化的程度決定於焊前調質的回火溫度：若焊前調質時回火溫度為tt，低於此溫度的部位，組織效能不發生變化，高於此溫度的部位，組織效能將發生變化，出現軟化。
若焊前為淬火態，緊靠ac1的部位得到回火索氏體，離焊縫較遠的區域得到回火馬氏體。
(2) 對效能的影響
使haz發生硬化、脆化(粗晶脆化、析出脆化、組織轉變脆化、熱應變時效脆化、氫脆以及石墨脆化等)、韌化、軟化等。
（3）改善haz組織效能的措施
1）母材焊後選擇合理的熱處理方法（調質、淬火等）。
2）選擇合適的板厚、接頭形式及焊接方法等。
3）控制焊接線能量、冷卻速度和加熱速度。
15、焊接條件下組織轉變與熱處理條件下組織轉變有何不同？
答： 焊接條件下熱影響區的組織轉變與熱處理條件下的組織轉變相比，其基本原理是相同的。但由於焊接過程的特殊性，使焊接條件下的組織轉變又具有與熱處理不同的特點。
焊接熱過程概括起來有以下六個特點：
（1）一般熱處理時加熱溫度最高在ac3以上l00～200℃，而焊接時加熱溫度遠超過ac3，在熔合線附近可達l350～l400℃。
（2）焊接時由於採用的熱源強烈集中，故加熱速度比熱處理時要快得多，往往超過幾十倍甚至幾百倍。
（3）焊接時由於熱迴圈的特點，在ac3以上保溫的時間很短(一般手工電弧焊約為4～20s，埋弧焊時30～l00s)，而在熱處理時可以根據需要任意控制保溫時間。
（4）在熱處理時可以根據需要來控制冷卻速度或在冷卻過程中不同階段進行保溫。然而在焊接時，一般都是在自然條件下連續冷卻，個別情況下才進行焊後保溫或焊後熱處理。
（5）焊接加熱的區域性性和移動性將產生不均勻相變及應變；而熱處理過程一般不會出現。
（6）焊接過程中，在應力狀態下進行組織轉變；而熱處理過程不是很明顯。
所以焊接條件下熱影響區的組織轉變必然有它本身的特殊性。
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