焊接冶金學-材料焊接性-課后答案-李亞江版

焊接冶金學材料-焊接性課后習題答案第一章：概述第二章：焊接性及其實驗評定1.了解焊接性的基本概念。什么是工藝焊接性？影響工藝焊接性的主要因素有哪些？答：焊接性是指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預期使用要求的能力。影響因素：材料因素、設計因素、工藝因素、服役環(huán)境。第三章：合金結(jié)構(gòu)鋼1．分析熱軋鋼和正火鋼的強化方式和主強化元素又什么不同，二者的焊接性有何差別？在制定焊接工藝時要注意什么問題？答：熱軋鋼的強化方式有：（1）固溶強化，主要強化元素：Mn，Si。（2）細晶強化，主要強化元素：Nb,V。（3）沉淀強化，主要強化元素：Nb,V.；正火鋼的強化方式：（1）固溶強化，主要強化元素：強的合金元素（2）細晶強化，主要強化元素：V,Nb,Ti,Mo（3）沉淀強化，主要強化元素：Nb,V,Ti,Mo.；焊接性：熱軋鋼含有少量的合金元素，碳當量較低冷裂紋傾向不大，正火鋼含有合金元素較多，淬硬性有所增加，碳當量低冷裂紋傾向不大。熱軋鋼被加熱到1200℃2．分析Q345的焊接性特點，給出相應的焊接材料及焊接工藝要求。答:Q345鋼屬于熱軋鋼，其碳當量小于0.4％，焊接性良好，一般不需要預熱和嚴格控制焊接熱輸入，從脆硬傾向上，Q345鋼連續(xù)冷卻時，珠光體轉(zhuǎn)變右移，使快冷下的鐵素體析出，剩下富碳奧氏體來不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，而轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂扛叩呢愂象w與馬氏體具有淬硬傾向，Q345剛含碳量低含錳高，具有良好的抗熱裂性能，在Q345剛中加入V、Nb達到沉淀強化作用可以消除焊接接頭中的應力裂紋。被加熱到1200℃以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)可能產(chǎn)生粗晶脆化，韌性明顯降低，Q345鋼經(jīng)過600℃×1h退火處理，韌性大幅提高，熱應變脆化傾向明顯減小。；焊接材料：對焊條電弧焊焊條的選擇：E5系列。埋弧焊：焊劑SJ501，焊絲H08A/H08MnA.電渣焊：焊劑HJ431、HJ360焊絲H08MnMoA。CO2氣體保護焊：H08系列和YJ5系列。預熱溫度：100～150℃。焊后熱處理：電弧焊一般不進行或600～650℃回火。電渣焊900～930℃正火，600～650℃而中碳調(diào)質(zhì)鋼一般要求焊后熱處理？答：低碳調(diào)質(zhì)鋼：在循環(huán)作用下，t8/5繼續(xù)增加時，低碳鋼調(diào)質(zhì)鋼發(fā)生脆化，原因是奧氏體粗化和上貝氏體與M-A組元的形成。中碳調(diào)質(zhì)鋼：由于含碳高合金元素也多，有相當大淬硬傾向，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低，無自回火過程，因而在焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生大量M組織大致脆化。低碳調(diào)質(zhì)鋼一般才用中、低熱量對母材的作用而中碳鋼打熱量輸入焊接在焊后進行及時的熱處理能獲得最佳性能焊接接頭。7.比較Q345、T-1鋼、2.25Cr-Mo和30MnSiA的冷裂、熱裂和消除應裂紋的傾向.答：1、冷裂紋的傾向：Q345為熱扎鋼其碳含量與碳當量較底，淬硬傾向不大，因此冷裂紋敏感傾向較底。T-1鋼為低碳調(diào)質(zhì)鋼，加入了多種提高淬透性的合金元素，保證強度、韌性好的低碳自回火M和部分下B的混合組織減緩冷裂傾向，2.25Cr-1Mo為珠光體耐熱鋼，其中Cr、Mo能顯著提高淬硬性，控制Cr、Mo的含量能減緩冷裂傾向，2.25-1Mo冷裂傾向相對敏感。30CrMnSiA為中碳調(diào)質(zhì)鋼，其母材含量相對高，淬硬性大，由于M中C含量高，有很大的過飽和度，點陣畸變更嚴重，因而冷裂傾向更大。2、熱裂傾向Q345含碳相對低，而Mn含量高，鋼的Wmn/Ws能達到要求，具有較好的抗熱裂性能，熱裂傾向較小。T-1鋼含C低但含Mn較高且S、P的控制嚴格因此熱裂傾小。30CrMnSiA含碳量及合金元素含量高，焊縫凝固結(jié)晶時，固-液相溫度區(qū)間大，結(jié)晶偏析嚴重，焊接時易產(chǎn)生潔凈裂紋，熱裂傾向較大。3、消除應力裂紋傾向：鋼中Cr、Mo元素及含量對SR產(chǎn)生影響大，Q345鋼中不含Cr、Mo，因此SR傾向小。T-1鋼令Cr、Mo但含量都小于1%，對于SR有一定的敏感性；SR傾向峽谷年隊較大，2.25Cr-Mo其中Cr、Mo含量相對都較高，SR傾向較大。8.同一牌號的中碳調(diào)質(zhì)鋼分別在調(diào)質(zhì)狀態(tài)和退火狀態(tài)進行焊接時焊接工藝有什么差別？為什么中碳調(diào)質(zhì)鋼一般不在退火的狀態(tài)下進行焊接？答：在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，若為消除熱影響區(qū)的淬硬區(qū)的淬硬組織和防止延遲裂紋產(chǎn)生，必須適當采用預熱，層間溫度控制，中間熱處理，并焊后及時進行回火處理，若為減少熱影響的軟化，應采用熱量集中，能量密度越大的方法越有利，而且焊接熱輸入越小越好。在退火狀態(tài)下焊接：常用焊接方法均可，選擇材料時，焊縫金屬的調(diào)質(zhì)處理規(guī)范應與母材的一致，主要合金也要與母材一致，在焊后調(diào)質(zhì)的情況下，可采用很高的預熱溫度和層間溫度以保證調(diào)質(zhì)前不出現(xiàn)裂紋。因為中碳調(diào)質(zhì)鋼淬透性、淬硬性大，在退火狀態(tài)下焊接處理不當易產(chǎn)生延遲裂紋，一般要進行復雜的焊接工藝，采取預熱、后熱、回火及焊后熱處理等輔助工藝才能保證接頭使用性能。9珠光體耐熱鋼的焊接性特點與低碳調(diào)質(zhì)鋼有什么不同?珠光體耐熱鋼選用焊接材料的原則與強度用鋼有什么不同？why？答：珠光體耐熱鋼和低碳調(diào)質(zhì)鋼都存在冷裂紋，熱影響區(qū)硬化脆化以及熱處理或高溫長期使用中的再熱裂紋，但是低碳調(diào)質(zhì)鋼中對于高鎳低錳類型的剛有一定的熱裂紋傾向，而珠光體耐熱鋼當材料選擇不當時才可能常產(chǎn)生熱裂紋。珠光體耐熱鋼在選擇材料上不僅有一定的強度還要考慮接頭在高溫下使用的原則，特別還要注意焊接材料的干燥性，因為珠光體耐熱鋼是在高溫下使用有一定的強度要求。10低溫鋼用于-40度和常溫下使用時在焊接工藝和材料上選擇是否有所差別？why？答：低溫鋼為了保證焊接接頭的低溫脆化及熱裂紋產(chǎn)生要求材料含雜質(zhì)元素少，選擇合適的焊材控制焊縫成分和組織形成細小的針狀鐵素體和少量合金碳化物，可保證低溫下有一定的AK要求。對其低溫下的焊接工藝選擇采用SMAW時用小的線能量焊接防止熱影響區(qū)過熱，產(chǎn)生WF和粗大M,采用快速多道焊減少焊道過熱。采用SAW時，可用振動電弧焊法防止生成柱狀晶。第四章不銹鋼及耐熱鋼的焊接1.不銹鋼焊接時，為什么要控制焊縫中的含碳量？如何控制焊縫中的含碳量？答：焊縫中的含碳量易形成脆硬的淬火組織，降低焊縫的韌性，提高冷裂紋敏感性。碳容易和晶界附近的Cr結(jié)合形成Cr的碳化物Cr23C6，并在晶界析出，造成“貧Cr”現(xiàn)象，從而造成晶間腐蝕。選擇含碳量低的焊條和母材，在焊條中加入Ti，Zr，Nb，V等強碳化物形成元素來降低和控制含氟中的含碳量。2.為什么18-8奧氏體不銹鋼焊縫中要求含有一定數(shù)量的鐵素體組織？通過什么途徑控制焊縫中的鐵素體含量？答：焊縫中的δ相可打亂單一γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續(xù)，另外δ相富碳Cr，又良好的供Cr條件，可減少γ晶粒形成貧Cr層，故常希望焊縫中有4%~12%的δ相。通過控制鐵素體化元素的含量，或控制Creq/Nieq的值，來控制焊縫中的鐵素體含量。3.18-8型不銹鋼焊接接頭區(qū)域在那些部位可能產(chǎn)生晶間腐蝕，是由于什么原因造成？如何防止？答：18-8型焊接接頭有三個部位能出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象：{1}焊縫區(qū)晶間腐蝕。產(chǎn)生原因根據(jù)貧鉻理論，碳與晶界附近的Cr形成Cr23C6，并在在晶界析出，導致γ晶粒外層的含Cr量降低，形成貧Cr層，使得電極電位下降，當在腐蝕介質(zhì)作用下，貧Cr層成為陰極，遭受電化學腐蝕；{2}熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕。是由于敏化區(qū)在高溫時易析出鉻的碳化物，形成貧Cr層，造成晶間腐蝕；{3}融合區(qū)晶間腐蝕{刀狀腐蝕}。只發(fā)生在焊Nb或Ti的18-8型鋼的溶合區(qū)，其實質(zhì)也是與M23C6沉淀而形成貧Cr有關(guān)，高溫過熱和中溫敏化相繼作用是其產(chǎn)生的的必要條件。防止方法：{1}控制焊縫金屬化學成分，降低含碳量，加入穩(wěn)定化元素Ti、Nb；{2}控制焊縫的組織形態(tài)，形成雙向組織{γ+15%δ}；{3}控制敏化溫度范圍的停留時間；{4}焊后熱處理：固溶處理，穩(wěn)定化處理，消除應力處理。4.簡述奧氏體不銹鋼產(chǎn)生熱裂紋的原因？在母材和焊縫合金成分一定的條件下，焊接時應采取何種措施防止熱裂紋？答：產(chǎn)生原因：{1}奧氏體鋼的熱導率小，線膨脹系數(shù)大，在焊接時局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過程中產(chǎn)生較大的拉應力；{2}奧氏體鋼易于聯(lián)生結(jié)晶形成方向性強的柱狀晶的焊縫組織，有利于有雜質(zhì)偏析，而促使形成晶間液膜，顯然易于促使產(chǎn)生凝固裂紋；{3}奧氏體鋼及焊縫的合金組成較復雜，不僅S、P、Sn、Sb之類雜質(zhì)可形成易溶液膜，一些合金元素因溶解度有限{如Si、Nb}，也易形成易溶共晶。防止方法：{1}嚴格控制有害雜質(zhì)元素{S、P—可形成易溶液膜};{2}形成雙向組織，以FA模式凝固，無熱裂傾向；{3}適當調(diào)整合金成分：Ni<15%，適當提高鐵素體化元素含量，使焊縫δ%提高，從而提高抗裂性；Ni>15%時，加入Mn、W、V、N和微量Zr、Ta、Re{<0.01%}達到細化焊縫組織、凈化晶界作用，以提高抗裂性；{4}選擇合適的焊接工藝。5.奧氏體鋼焊接時為什么常用“超合金化”焊接材料？答：為提高奧氏體鋼的耐點蝕性能，采用較母材更高Cr、Mo含量的“超合金化”焊接材料。提高Ni含量，晶軸中Cr、Mo的負偏析顯著減少，更有利于提高耐點蝕性能。6.鐵素體不銹鋼焊接中容易出現(xiàn)什么問題？焊條電弧焊和氣體保護焊時如何選擇焊接材料？在焊接工藝上有什么特點？答：易出現(xiàn)問題：{1}焊接接頭的晶間腐蝕；{2}焊接接頭的脆化①高溫脆性②σ相脆化③475℃脆化。SMAW要求耐蝕性：選用同質(zhì)的鐵素體焊條和焊絲；要求抗氧化和要求提高焊縫塑性：選用A焊條和焊絲。CO2氣保焊選用專用焊絲H08Cr20Ni15VNAl。焊接工藝特點：{1}采用小的q/v，焊后快冷——控制晶粒長大；{2}采用預熱措施，T℃<=300℃——接頭保持一定ak；{3}焊后熱處理，嚴格控制工藝——消除貧Cr區(qū);{4}最大限度降低母材和焊縫雜質(zhì)——防止7.何為“脆化現(xiàn)象”？鐵素體不銹鋼焊接時有哪些脆化現(xiàn)象，各發(fā)生在什么溫度區(qū)域？如何避免？答：“脆化現(xiàn)象”就是材料硬度高，但塑性和韌性差。現(xiàn)象與避免措施：{1}高溫脆性：在900~1000℃急冷至室溫，焊接接頭HAZ的塑性和韌性下降?？芍匦录訜岬?50~850℃，便可恢復其塑性。{2}σ相脆化：在570~820℃之間加熱，可析出σ相。σ相析出與焊縫金屬中的化學成分、組織、加熱溫度、保溫時間以及預先冷變形有關(guān)。加入Mn、Nb使σ相所需Cr的含量降低，Ni能使形成σ相所需溫度提高。{3}475℃脆化：在400~500℃長期加熱后可出現(xiàn)4758.馬氏體不銹鋼焊接中容易出現(xiàn)什么問題，在焊接材料的選用和工藝上有什么特點？制定焊接工藝時應采取哪些措施？答：易出現(xiàn)冷裂紋、粗晶脆化。焊接材料的選用：{1}對簡單的Cr13型，要保證性能，要求S、P、Si，C含量較低，使淬硬性下降，更要保證焊接接頭的耐蝕性。{2}對Cr12為基加多元元素型，希望焊縫成分接近母材，形成均一的細小馬氏體組織。{3}對于超低碳復相馬氏體鋼，采用同質(zhì)焊材，焊后經(jīng)超微細復相化處理，可使焊縫的強韌化約等于母材水平。工藝特點:{1}預熱溫度高{局部或整體}T℃=150-260℃；{2}采用小的q/v：防止近縫區(qū)出現(xiàn)粗大α和κ析出；{3}選用低氫焊條：焊縫成分與母材同質(zhì)，高碳馬氏體可選用奧氏體焊條9.雙相不銹鋼的成分和性能特點，與一般A不銹鋼相比雙相不銹鋼的焊接性有何不同？在焊接工藝上有什么特點？答：雙相不銹鋼是在固溶體中鐵素體和奧氏體相各占一半，一般較少相的含量至少也要達到30%的不銹鋼。這類鋼綜合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，具有良好的韌性、強度及優(yōu)良的耐氧化應力腐蝕性能。與一般奧氏體不銹鋼相比：{1}其凝固模式以鐵素體模式進行；{2}焊接接頭具有優(yōu)良的耐蝕性，耐氯化物SCC性能，耐晶間腐蝕性能，但抗H2S的SCC性能較差;{3}焊接接頭的脆化是由于Cr的氮化物析出導致；{4}雙相鋼在一般情況下很少有冷裂紋，也不會產(chǎn)生熱裂紋。焊接工藝特點：{1}焊接材料應根據(jù)“適用性原則”，不同類型的雙向鋼所用焊材不能任意互換，可采取“適量”超合金化焊接材料；{2}控制焊接工藝參數(shù)，避免產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，可適當緩冷，以獲得理想的δ/γ相比例；{3}奧氏體不銹鋼的焊接注意點同樣適合雙相鋼的焊接。10.從雙相不銹鋼組織轉(zhuǎn)變的角度出發(fā)，分析焊縫中Ni含量為什么比母材高及焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織，性能有何影響？答：雙相不銹鋼的合金以F模式凝固，凝固結(jié)束為單相δ組織，隨著溫度的下降，開始發(fā)生δ→γ轉(zhuǎn)變不完全，形成兩相組織。顯然，同樣成分的焊縫和母材，焊縫中γ相要比母材少得多，導致焊后組織不均勻，韌性、塑性下降。提高焊縫中Ni含量，可保證焊縫中γ/δ的比例適當，從而保證良好的焊接性。在焊接加熱過程，整個HAZ受到不同峰值溫度的作用，最高接近鋼的固相線，但只有在加熱溫度超過原固溶處理溫度區(qū)間，才會發(fā)生明顯的組織變化，一般情況下，峰值低于固溶處理的加熱區(qū)，無顯著組織變化，γ/δ值變化不大，超過固溶處理溫度的高溫區(qū)，會發(fā)生晶粒長大和γ相數(shù)量明顯減少，緊鄰溶合線的加熱區(qū)，γ相全部溶于δ相中，成為粗大的等軸δ組織，冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，無扎制方向而呈羽毛狀，有時具有魏氏組織特征。第五章：有色金屬2.為什么Al-Mg及al-li合金焊接時易形成氣孔？al及其合金焊接時產(chǎn)生氣孔的原因是什么？如何防止氣孔？為什么純鋁焊接易出現(xiàn)分散小氣孔？而al-mg焊接時易出現(xiàn)焊接大氣孔？答：1）氫是鋁合金及鋁焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因。2）氫的來源非常廣泛，弧柱氣氛中的水分，焊接材料以及母材所吸附的水分，焊絲及母材表面氧化膜的吸附水，保護氣體的氫和水分等都是氫的來源。3）氫在鋁及合金中的溶解度在凝點時可從0.69ml/100g突降至0.036ml/100g相差約20倍，這是促使焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因之一。4)鋁的導熱性很強，熔合區(qū)的冷速很大，不利于氣泡的浮出，更易促使形成氣孔。防止措施：1）減少氫的來源，焊前處理十分重要，焊絲及母材表面的氧化膜應徹底清除。2）控制焊接參數(shù)，采用小熱輸入減少熔池存在時間，控制氫溶入和析出時間3）改變弧柱氣氛中的氫含量。原因：1）純鋁對氣氛中水分最為敏感，而al-mg合金不太敏感，因此純鋁產(chǎn)生氣孔的傾向要大2）氧化膜不致密，吸水性強的鋁合金al-mg比氧化膜致密的純鋁具有更大的氣孔傾向，因此純鋁的氣孔分數(shù)小，而al-mg合金出現(xiàn)集中大氣孔3）Al-mg合金比純鋁更易形成疏松而吸水性強的厚氧化膜，而氧化膜中水分因受熱而分解出氫，并在氧化膜上萌出氣泡，由于氣泡是附著在殘留氧化膜上，不易脫離浮出，且因氣泡是在熔化早期形成有條件長大，所以常造成集中大的氣孔。因此al-mg合金更易形成集中的大氣孔。4.硬鋁及超硬鋁焊接時易產(chǎn)生什么樣的裂縫？為什么？如何防止裂紋？答：裂紋傾向大，鋁及硬鋁產(chǎn)生焊接熱裂紋。原因：1）易熔共晶的存在，是鋁合金焊縫產(chǎn)生裂紋的重要原因。2）線膨脹系數(shù)大，在拘束條件下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接應力也是產(chǎn)生裂紋的原因之一。防止措施：1）加合金元素cu,mn,si,mg,zn使主要合金元素含量Me%>Xm，產(chǎn)生自愈合作用。2）生產(chǎn)中采用含5%的Si，Al合金焊絲解決抗裂問題，具有很好的愈合作用。3）加入Ti,zr,v,b微量元素作為變質(zhì)劑，細化晶粒，改善塑性韌性，并提高抗裂性。4）熱能集中焊接方法可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，改善抗裂性。5）采用小電流焊接，降低焊接速度均可改善抗裂性問題。5.分析高強度鋁合金焊接接頭性能低于母材的原因及防止措施，焊后熱處理對焊接接頭性能有什么影響？什么情況下對焊接接頭進行焊后熱處理？答：原因：1）晶粒粗化，降低塑性，晶界液化產(chǎn)生顯微裂紋。2）非時效強化鋁合金haz軟化，主要發(fā)生在焊前經(jīng)冷作硬化的合金上，經(jīng)冷作硬化的鋁合金，haz峰值溫度超過再結(jié)晶溫度（200-300）區(qū)域就產(chǎn)生明顯軟化。3）時效強化鋁合金haz軟化，由于第二相脫溶析出聚集長大發(fā)生過時效軟化。防止措施：1）采用小的焊接熱輸入。2）對al-zn-mg合金，焊后經(jīng)自然時效可逐步恢復或接近母材的水平。熱處理對接頭性能的影響：1）焊后不熱處理接頭強度均低于母材，特別是在時效狀態(tài)下焊接的硬鋁，即使焊后人工熱處理，接頭強度系數(shù)也未超過60%。2）al-zn-mg合金強度與焊后