材料连接原理期末考试重点.docx

填空：
1. 某瞬时焊件上各点温度的分布称为温度场。
2. 在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例，称为熔合比。
3. 焊条药皮的作用主要有：保护作用、冶金作用、改善焊接工艺性。
4. 不易淬火钢焊接热影响区分为熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。
5. 冷裂纹三要素被焊钢材的淬硬组织、接头中含氢量、接头所处拘束应力状态
6. 简述接头偏析的种类层状偏析、焊缝中心偏析、焊道偏析、弧坑偏析
7. 金属材料常见的强化方式有哪些？固溶强化、细晶强化（变质处理）、冷作强化、沉淀强化（弥散强化）、相变强化。
焊缝金属的强化通常用哪两种方式？常用固溶强化和细晶强化。

简答题
1.试简述焊接热过程的特点？
（1） 加热温度高
（2） 加热的速度快
（3） 高温停留的时间短
（4） 自然条件下连续冷却
（5） 局部加热
2.试简述用冶金方法脱硫的措施？
（1）用合金元素锰脱硫
（2）用渣中碱性氧化物脱硫
（3）适当增加熔渣的碱度
（4）渣中氟化钙也有利于脱硫
3. 试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？
原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。 
解决措施:调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的熔化系数，减少电阻热以降低焊条的表面温升。
4. 直流正接为何比直流反接时焊缝金属溶氢量高？
（1）直流正接：工件接正极。直流反接：工件接负极
（2）带电质点H+在电场作用下只溶于阴极
（3）处于阴极的熔滴不仅温度高而且比表面积大，其溶氢量大于熔池处于阴极时的溶氢量
5. 试简述Mn、Si对焊缝金属力学性能的影响？
（1）Mn、Si使焊缝金属脱氧，提高性能；
（2）Mn、Si使焊缝金属固溶强化，提高强度；
（3）Mn、Si对焊缝金属韧性的影响与其含量有关，Mn、Si含量过低，焊缝组织出现先析铁素体而使韧性降低；Mn、Si含量过高，则因出现魏氏组织、粒状贝氏体等，亦使韧性降低；只有Mn、Si含量适中，焊缝组织为细针状铁素体，才能提高韧性。
6. 微量Ti、B改善焊缝金属韧性的机理？
（1）Ti与O的亲和力大，形成微小颗粒状的TiO弥散分布于焊缝，使焊缝金属晶粒细化；
（2）TiO、TiN可作为针状铁素体的形核质点，在γ→α阶段促进形成针状铁素体；
（3）Ti在焊缝中保护B不被氧化，是B以原子态偏聚于γ晶界，降低了晶界能，抑制先共析铁素体的形核与生长，从而促使形成针状铁素体。
7.在低碳合金钢中的析出型气孔主要有哪几种？产生原因是什么？
低碳合金钢焊缝中存在的析出型气孔主要有氢气孔和氮气孔两种。
析出型气孔的产生原因：主要是高温时熔池金属中溶解了较多的气体，凝固时由于气体的溶解度突然下降，气体处于过饱和来不及逸出而引起的气孔。
8.焊接热裂纹和冷裂纹各有哪几种？
热裂纹主要有：凝固裂纹、液化裂纹、多边化裂纹、高温失塑裂纹；
冷裂纹主要有：延迟裂纹（氢致裂纹）、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹。
9.后热的作用？后热和焊后热处理有何不同？
后热的作用：
（1） 减少残余应力；
（2） 改善组织，降低淬透性；
（3） 消除扩散氢，但对奥氏体焊缝效果不大；
（4） 适当降低预热温度或代替某些结构所需的中间热处理。
后热和焊后热处理不同：延迟裂纹有延迟期（潜伏期），在延迟期内即进行加热，可以避免出现延迟裂纹。故焊后后热有“抢时间”的问题，而焊后热处理都是为了改善接头使用性能，不存在“抢时间”的问题。
10. 试分析说明钛钙型（J422）焊条与碱性低氢型（J427）焊条，在使用工艺和焊缝力学性能方面有哪些差别？
工艺性对比：
钛钙型（J422） 碱性低氢型（J427）
电弧稳定性 好 差（含CaF2）
飞溅 少（细颗粒过渡） 多（短路过渡）
焊缝成型 好 差
脱渣性 好 差（渣不松脆、膨胀系数差小）
气孔敏感性 小 大
焊接烟尘 少 多
其它工艺如全位置焊接性、熔化系数等差别不大。
机械性能对比：
钛钙型（J422）：
（1）S、P、N控制较差，冷脆性、热裂纹倾向大
（2）[O]高，氧化夹杂多，韧性低
（3）[H]高，抗冷裂能力差
碱性低氢型（J427）：
（1）杂质S、P、N低
（2）[O]低，氧化夹杂少
（3）[H]低
故低氢焊条的塑性、韧性及抗裂性较酸性的钛钙型大大提高，但其焊接工艺性能较差，对于铁锈、油污、水份等很敏感。
11.为什么酸性焊条宜用锰铁脱氧？而碱性焊条宜用锰硅联合脱氧为何要控制[Mn]/[Si]比？
酸性焊条用锰铁脱氧：
[Mn]+[FeO]=[Fe]+（MnO）
酸性焊条渣中含有较多的SiO2、TiO2，它们与脱氧产物MnO生成复合物MnO. SiO2、MnO. TiO2，从而使MnO的活度减小，脱氧效果较好。
碱性焊条宜用锰硅联合脱氧：
碱性焊条渣中MnO的活度较大，不利于锰脱氧，且碱性越大，锰脱氧效果越差，故碱性焊条不宜用锰铁作脱氧剂，而同时加入锰铁时：
[Si]+2[FeO] =2[Fe]+（SiO2）
SiO2与MnO生成复合物MnO. SiO2，使MnO的活度减小，且复合物MnO. SiO2密度小、熔点低，易于上浮到渣中，故采用锰硅联合脱氧效果好。
[Mn]/[Si]比过大，出现固态MnO; [Mn]/[Si]比过小，出现固态SiO2；均会导致焊缝中夹杂物增多。只有当[Mn]/[Si]比合适时，才能形成低熔点的液态脱氧产物。
12. 试分析结晶裂纹的形成机理？为什么采用CST（临界应变增长率）为判据来比较金属材料的热裂纹倾向更为合理？

从拉伸应力与脆性温度区间内被焊金属塑性变化之间的关系来说明凝固裂纹形成的条件，如图所示，是否产生凝固裂纹，取决于脆性温度区间TB 中合金所具有的最低塑性 δ min 与内应变 ε或应变增长率 ε/T 的对比关系。 当合金在脆性温度区间内的应变以直线1的斜率增长时，则其达到的内应变量ε< δmin，显然不会产生裂纹；如为直线3时，即使金属的凝固裂纹敏感性不变，但由于拘束度较大，使 ε>δmin，必定要产生裂纹；如按直线2增长，则在Ts时ε=δmin，这正好是产生凝固裂纹的临界条件。此时的应变增长率称为临界应变增长率，以 CST 表示，即 CST=tanθ。Tanθ与材料特性有关，它综合地反映了材料凝固裂纹的敏感性。当 T B一定时，δ min 越小，则 tanθ 越小（即 CST越小） ，合金的凝固裂纹敏感性越大。当 δ min 一定时，TB 越小，则 CST 越大，材料的凝固裂越小纹敏感性越小。
不同的材料，不仅脆性温区区间TB的大小不同，最低塑形δ min 的变化也明显不同，因而产生裂纹的临界应变增长率 CST 也各不相同。一般而言，TB越大，裂纹敏感性越大；但也并非必然如此，有时TB虽然较大，但塑性δ min值却不是很低，或焊缝结晶过程中所受的拘束很小，这时其CST值也不一定小。相反，若材料的凝固裂纹敏感性不变，但当拘束较大时，也会产生裂纹。
所以在考察裂纹敏感性时必须综合考虑脆性温度区间（TB） 、最低塑形（δ min）及应变增长率（əε/ əT ）的影响。根据以上分析可知，用 CST 作为判据更合适，因为TB 或δ min都不能单独用来反映材料的裂纹敏感性。这时，是否产生裂纹，可以对比实际应变增长率əε/ əT与临界应变增长率（CST）的大小来做出判断。为防止产生裂纹必须满足条件，即
əε/ əT < CST
13. 试分析结晶裂纹的产生条件和防治措施？  
产生条件：焊缝在脆性温度区间内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性，或者说焊缝金属在脆性温度区间内的塑性储备量小于零时就会产生结晶裂纹。
防止措施：
一、冶金因素方面 
1.控制焊缝中S、P、N等有害杂质的含量
2.改善焊缝凝固结晶、细化晶粒
二、工艺因素方面 
1. 焊接工艺及工艺参数
熔合比：避免由母材向焊缝转移有害杂质
焊缝成型系数：过大和过小都不利于防止裂纹
冷却速度：冷却速度越大，变形速率越大，越易产生热裂纹
2.减小拘束度
合理布置焊缝：避免焊缝交叉、尽可能减小焊脚尺寸和焊道截面积
接头形式：表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较差
焊接次序：尽量使大
14. 延迟裂纹为何易在近缝区产生？试分析防止延迟裂纹的措施？ 
延迟裂纹为何易在近缝区产生：
（1）一般低合金钢焊缝C低于母材，热影响区相变滞后于焊缝。
（2）当焊缝由A转达变F、P时，H的溶解度突然下降，且H在F、P中的扩散速度较快，导致H很快由焊缝越过熔合线向HAZ扩散。
（3）H在HAZ尚未分解的A中扩散速度较小，导致在熔合线附近富H。
（4）当滞后相变的HAZ中A—>M时，H以过饱和状态残留在M中，促使该处进一步脆化，从而导致冷裂纹的产生。
 防治措施：
 冶金方面： 
（1）选择抗裂性好的钢材 
从冶炼技术上提高母材的性能：多元微合金化；尽可能降低钢中有害杂质（S、P、O、H、N等） 
（2）焊接材料的选用 
选用低氢或超低氢焊条，选用低强焊条，选用奥氏体焊条，特殊微量元素的应用
（3）选用低氢的焊接方法：CO气保护焊
 焊接工艺方面： 
1.合理选择焊接线能量 
2.正确选择预热和后热温度 
3.多层焊层间温度和时间间隔的控制 
4.采用低匹配焊缝 
5.合理的焊缝分布和施焊次序 
15. 焊接热源有哪些共同要求？描述焊接热源主要用什么指标？(简05.07.09）P6
答：要求：能量密度高度集中、快速实现焊接过程、得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
主要指标：最小加热面积、最大功率密度和正常焊接规范条件下的温度。
16. 焊条工艺性能？P22
答：焊接电弧的稳定性；焊缝成形；全位置焊接性；飞溅；脱渣性；焊条的熔化速度；药皮发红的程度；焊条发尘量。
17.药芯焊丝特性？
答：（1）熔敷速度快，生产效率高（2）飞溅小（3）调整熔敷金属成分方便（4）综合成本低
18.简述氮对低碳合金钢焊缝金属性能的影响？
（1）N引起焊缝金属时效脆化，使焊缝金属强度提高，塑性、韧性降低，尤其是低温韧性；
（2）使焊缝金属产生时效脆化。
（3）促使焊缝产生氮气孔；
（4）N有时是有益的，但必须有弥散强化元素存在并在正火条件下使用。
19、试简述氢对结构钢焊接质量的影响？
氢脆；白点；气孔；冷裂纹；组织变化。
20..试简述氧对焊接质量的影响？
（1）影响焊缝机械性能：塑性、韧性下降；引起热能、冷脆，时效硬化；
（2）影响焊缝金属的物理、化学性能。如降低导电性、导磁性、耐蚀性等；
（3）形成CO气孔；
（4）造成飞溅，影响焊接过程的稳定性；
（5）焊接过程中导致合金元素的氧化损失将恶化焊接性能；
（6）氧在特殊情况下是有益的，如为了改善电弧特性。降低焊缝金属中的含氢量等。
21. 试简述低氢焊条熔敷金属含氢量低的原因？（简05.10）
答：（1）药皮中不含有机物，清除了一个主要氢源；
（2）药皮中加入了大量的造气剂CaCO3、降低氢的分压；
（3）CaF2的去氢作用；
（4）焊条的烘干温度高。
22.试分析不易淬火钢热影响区中相变重结晶去（正火区）的组织特点？
该区的母材金属被加热到Tg—AC3温度范围，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。
23、试分析不易淬火钢热影响区中不完全重结晶区的组织特点？
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。所以，此区特点是晶粒大小不一，组织不均匀。
24.试分析易淬火钢热影响区中完全淬火区的组织特点？
焊接时热影响区处于AC3以上的区域，与不易淬火钢的过热区和正火区相对应，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，由于这类钢的淬硬倾向较大，焊后冷却时很易得到淬火组织（马氏体），故称淬火区。在紧靠焊缝相当于低碳钢的过热区的部位，由于晶粒严重粗化，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。
25.试分析易淬火钢热影响区中不完全淬火区的组织特点？
母材被加热到AC1~AC3温度之间的热影响区，在快速加热条件下，奥氏体化不完全。铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体转变为奥氏体，在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体+铁素体的混合组织，故称不完全淬火区。
26. 试分析钢种淬硬倾向的影响因素？用什么指标来衡量高强钢的淬硬倾向比较合理？
（1） 化学成分：碳当量升高，淬硬倾向升高
（2） 冷却条件：t8/5降低，淬硬倾向升高
用HAZ的最高硬度Hmax来评定钢的淬硬倾向比较合理，因为它综合反映了化学成分和冷却条件的影响。
计算题
1.从传热学角度说明临界板厚δcr的概念？某16Mn钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm求δcr？ 
答：由传热学理论知道：在线能量一定的情况下，板厚增加冷却速度Wc增大，冷却时间t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则Wc和t8/5不再变化，此时板厚即为临界板厚δcr。 
δcr=E2cρ（1500-T0+1800-T0）=1.95cm
2.手工电弧焊接厚12mm的MnMoNbB钢，焊接线能量E=2kj/cm,预热温度为50度，求t8/5? 附λ=0.29J/(cm s ℃) cρ =6.7 J/(cm3 ℃) 
δcr=E2cρ（1500-T0+1800-T0）=0.73cm
δ=1.2cm>0.75δcr=0.55cm 所以，用厚板公式
t85=E2πλ1500-T0-1800-T0=0.98s
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