第3章金属毛坯的热成型课件.ppt

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1、机械制造基础第3章 金属毛坯的热成型,第3章 金属毛坯的热成型,3.1 铸造3.2 锻压加工3.3 焊接,第一节 砂型铸造第二节 金属的铸造性能第三节 铸造工艺设计基础第四节 铸件结构工艺性第五节 特种铸造,3.1 铸造,概 述,铸造:是指制造铸型，熔炼金属，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能的铸件的成形方法。造型熔炼金属浇注落砂清理铸件通常作为形状较复杂的零件毛坯，经机械加工制成零件。一般强度不高铸造方法一般分为砂型铸造和特种铸造。其中砂型铸造应用最为普遍。,第一节 砂型铸造,齿轮毛坯的砂型铸造,一、造型:用造型材料及模样等工艺装备制造铸型的过程。,1.造型材料：型砂和芯砂型砂是

2、由原砂、粘结剂、水和附加物混制而成。,（1）型砂组成的成分）原砂：其主要成分是SiO2的质量分数为95%以上的硅砂，耐火性高达1710C颗粒大小：-号筛孔（0.2100.297）粘结剂：粘土、陶土、水玻璃、亚麻仁油）附加材料：煤粉、木屑。型砂中加入煤粉可防铸件表面粘砂，加入木屑可改善透气性、退让性。,（2）型砂应具备的性能,）强度：型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力）透气性：让气体透过的能力称为透气性。原砂颗粒越大、均匀，粘结剂含量越低，能使型砂的透气性提高。透气性不好，易产生气孔缺陷）耐火性：型砂抵抗高温作用的能力4）退让性：型砂在外力作用下被压缩的能力,.造型方法,（1）手工造型整模造型：型腔全

3、部位于一个砂型内，分型面是平面。分模造型：模样沿截面最大处分为两半挖砂造型：当铸件最大截面不在顶部，模样又不方便分成两段时，常将模样做成整体，造型时挖出阻碍起模的型砂，再造另一型活块造型：将防碍起模部分作成活块,整模造型,造下型,刮平,造上型,起模,合型,带有浇口铸件,分模造型,挖砂造型,活块造型,3.浇注系统和冒口,组成：典型的浇注系统是由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成。冒口作用：排气；保证液态金属平稳、迅速的流入铸型型腔；补缩：调节各部分冷却速度;聚渣：使浮渣易去除；标记：作为浇满标记。,浇注系统和冒口,4.造芯：形成铸件的内腔,造芯的工艺要求安放芯骨、开通气道、刷涂料（提高表面

4、质量）2.造芯方法：既可用手工造芯，也可用机器造芯。造芯可用芯盒，也可用刮板。,5.合型：将铸型的各个部分组合成一个完整铸型的操作过程,二、铸铁的熔炼及浇注,（一）熔炼 1.任务：熔炼的任务是获得预定化学成分和一定温度的金属液，并尽量减少金属液中的气体和杂质，提高熔炼设备的熔化率，降低燃料消耗等，以达到最佳的技术经济指标。,设备：熔炼铸铁：冲天炉铸钢：电炉有色金属：坩埚炉3.炉料：金属料、燃料和熔剂三部分。,（二）浇注 将液态金属从浇包注入铸型的操作,浇注温度 形状复杂、薄壁的灰铸铁件，浇注温度为1400C；形状简单、厚壁的灰铸铁件，浇注温度为1300；铸钢件浇注温度为1500 1550 C。

5、,浇注速度浇注速度对铸件质量的影响也是较大的。浇注速度应视铸件的大小、形状来定。,浇注方法 去渣、浇注，一个铸型中间不得中断。,(一)落砂:用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分开要冷却到一定温度才可落砂(二)清理：从铸件上清除浇口、冒口、型心、毛刺和表面粘砂等过程 灰铸铁：敲击 铸钢件：气割 有色金属：锯割,三、落砂和清理,1.金属的铸造性能包括：金属的流动性和金属的收缩（1）金属的流动性:指熔融金属的流动能力主要受下列因素影响：1）化学成分：共晶合金流动性最好常用铸造合金中：灰铸铁流动性最好，铸钢最差2）浇注温度：适当提高）铸型条件和铸件结构,2.1.2 金属的铸造性能,（2）金属的收缩:指铸型

6、内金属随着温度下降体积和尺寸会逐渐减小主要受下列因素影响：1）化学成分：灰铸铁收缩最小、铸钢收缩最大2）浇注温度：适当降低）铸型条件和铸件结构,2.常用金属的铸造性能1）灰铸铁。在常用的各种铸铁中，灰铸铁的铸造性能最好，几乎集中了上述全部优点。因而灰铸铁件的铸型对型砂要求不高，很少设置冒口（只要出气冒口即可）。除大型铸件外一般都可用湿型浇注，设备简单，操作方便，生产率很高。2）可锻铸铁。它是由白口铸铁经石墨化退火而成。由于白口铸铁中碳、硅含量较低，熔点高（约1300），流动性差，收缩大，易产生冷隔、浇不足、缩孔、缩松及裂纹等缺陷，对形状复杂的薄壁铸件，应采用高温浇注，定向凝固，增设冒口和提高砂

7、型的退让性等措施。,3）球墨铸铁。由于通过球化处理后，铁液温度下降，流动性也有所降低。球墨铸铁的液态收缩和凝固收缩较大，容易形成缩孔和缩松。因而在铸造工艺上应采用快速浇注，定向凝固，加大内浇道和增设冒口等措施。由于金属液中MgS与砂型中的水分作用生成硫化氢（H2S）气体，易产生气孔，因此，必须严格控制含硫量及型砂中的水分。2）铸钢。铸钢的流动性差，为防止浇不足等缺陷，铸钢件壁厚不能小于8mm，并采用较大的浇注系统的断面。铸钢的熔点较高，浇注温度相应也提高，一般为15201600；它的收缩率也比较大，因而极易产生粘砂、缩孔、裂纹等缺陷。,（3）铸造铜合金。铜合金的熔点一般在1200上下；流动性好

8、，可浇注最小壁厚约3mm的复杂铸件；浇注温度低，对型砂和芯砂的耐火度要求不高。铜合金易氧化，常用玻璃、食盐、氟石和硼砂等作熔剂，使氧化物和非金属夹杂物浮于金属液表面。铜合金收缩较大，易形成集中缩孔，需在壁厚部位设置冒口进行补缩。（4）铸造铝合金。铸造铝合金也在电热炉或坩埚炉内熔化。铝合金熔点低，一般在660上下；流动性好，可浇注最小壁厚2.5mm的铸件；为避免氧化和吸气，熔炼时应采用NaCI、KCI等为熔剂覆盖在液面上。,3.1.3 铸件工艺性设计基础,一、浇注位置选择,浇注位置：铸件在铸型中所处的位置重要表面朝下或侧面宽大平面应朝下薄壁部分应朝下或侧面较厚部分应处于型腔上部（便于安放冒口）,

9、二、分型面的选择,2.分型面的选择：分型面是上下铸型间的结合面在最大截面处尽量为平直面，且只有一个尽量使铸件全部或大部分处于一个砂箱中下芯、检验、合型方便,三、主要铸造工艺参数的选择,加工余量：单件生产、手工造型、朝上表面、铸钢等大起模斜度：便于模样从铸型中取出铸造圆角：减少应力、避免缩孔和缩松等缺陷,四、铸造工艺图,铸造工艺图表明了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程，是指导模样和铸型制造，进行生产准备和铸件检验的基本工艺文件。,3.1.4 铸件结构工艺性,（一）铸件质量对铸件结构的要求,1.壁厚要不可太小并均匀,2.壁厚间连接应合理,3.壁间采用圆角过渡，避免交叉和锐角连接,4.避免大的水

10、平面,5.避免铸件收缩时受阻。,7）铸件结构应防止铸件变形。,2.铸件工艺对铸件结构的要求,1.尽量减少分型面,2.尽量使分型面平直,3.尽量少用活块,4.应有结构斜度,5.尽量少用或不用型心,3.1.5 特种铸造,一、熔模铸造二、金属型铸造三、压力铸造四、离心铸造,一、熔模铸造特点：精度高（IT11）Ra小（3.2)，但工序复杂,一、熔模铸造应用：熔模铸造主要用来生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的小型零件生产，如汽轮机、水轮发动机等的叶片，切削刀具，以及汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。,二、金属型铸造,一、金属型铸造1.优点:一型多铸 表面粗糙度小 晶粒细小 缺点:退让性

11、、透气性差2.典型应用：铝合金活塞、气缸体、轴瓦,二、压力铸造,二、压力铸造1.优点：生产率高、精度高、可适应薄壁复杂件 缺点：铸件中有许多小气孔，不宜热处理2.典型应用：照相机壳体、仪表零件,四、离心铸造特点：组织致密，缺陷少，生产旋转类零件，如各种管子、缸套、圆环等。,第一节 金属的塑性变形第二节 锻造第三节 冲压,3.2 锻压加工,锻压加工锻压：锻造和冲压的总称,3.2.1 金属的塑性变形,1.金属的塑性变形 单晶体的塑性变形的主要方式是滑移。滑移过程实质上是位错。多晶体的塑性变形主要是晶粒内部的变形。2.加工硬化塑性变形后组织：等轴晶粒扁平状纤维状 性能：强度和硬度升高，塑性和韧性下降

12、这种现象叫加工硬化。,3.冷塑性变形金属在加热时的变化（1）回复去应力退火 组织没变，加工硬化基本保留，内应力大为降低。（2）再结晶再结晶退火 加工硬化和内应力基本消除，性能恢复到变形前。再结晶温度0.4T熔（K）再结晶退火温度再高100200。4.金属的冷加工和热加工热加工：再结晶温度以上的加工。,锻造：在加压设备及工模具的作用下，使坯料产生全部或部分塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件加工方法。优点：提高材料致密度，细化晶粒，改善偏析，使流线合理分布。适用：强度要求高，形状相对不太复杂的零件。,3.2.2 金属的锻造,1.化学成分：低碳钢或低合金锻造性能好2.组织状态：晶粒细小的

13、金属锻造性能好3.变形温度：一定范围内，温度越高，锻造性能越好。总之：塑性好的金属如，低碳钢、铜铝合金锻造性能好。,一、金属的锻造性能锻造成型难易程度,1.坯料的加热,（1）锻造温度范围始锻温度：适当高，不宜过高（1200）终锻温度：适当低，不宜过低（800）,（2）加热设备反射炉电阻炉 中温电炉 高温电炉,二、坯料的加热与锻件的冷却,2.锻件的冷却方法（1）空冷：低、中碳钢，低合金钢的中小锻件（2）坑冷：高碳钢及多数低合金钢的中小锻件（3）炉冷：中碳钢，高合金钢的大型锻件,三、自由锻造,1.自由锻造设备空气锤 蒸汽-空气自由锻锤 水压机,2.自由锻造的基本工序镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错

14、移、切断,定义：只用简单的通用性锻造工具，或在锻造设备的上下砧之间直接使坯料变形而获得锻件的锻造方法。适用：形状简单、精度要求地低、单件小批生产。,镦 粗,拔 长,冲 孔,扩 孔,3.自由锻锻件结构工艺性及锻件图,(1)自由锻锻件结构工艺性零件的自由锻结构工艺性要求避免锥面或斜面避免圆柱面与圆柱面相交避免非规则截面与非规则外形避免肋板与凸台等结构截面有急剧变化或形状复杂的零件，可分段锻造，再用焊接或机械连接组成整体,(2)锻件图的绘制余块(敷料)确定加工余量和锻件公差,四、模锻,1.锤上模锻利用模具使坯料变形而获得锻件适用：大批量、外形复杂、精度高的中小锻件设备：蒸汽空气自由锻锤锻模结构：上模

15、、下模、飞边槽锻件结构：带孔的锻件不可能将孔直接锻出，而是留有一定厚度的冲孔连皮，锻后再将连皮冲掉。,单模腔锻模结构,1-飞边槽 2-活动模 3-固定模4-带飞边锻件 5-飞边 6-锻件,多模腔锻模结构,1-拔长模腔2-滚压模腔3-终锻模腔4-预锻模腔5-弯曲模腔,五、胎模锻,胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件的一种锻造方法。胎模锻与白由锻相比，具有生产率高和锻件精度高、形状复杂等优点；与模锻相比，则有设备简便和工艺灵活等优点。胎模锻主要用于小型锻件的中小批量生产。,胎模锻工艺过程1,胎模锻工艺过程2,3.2.3 板料冲压,板料冲压：是利用模具，借助冲床的冲击力使模料产生分离或变形，

16、获得所需形状和尺寸的制件的加工方法。所有板料厚度一般不超过6mm。常用材料：低碳钢、铜、铝及其合金（具有较高的塑性），此外非金属板料也常用于冲压加工。特点：精度高、效率高、操作简单。成本高，周期长,1、冲压设备：冲床 剪板机,2滑块 4 连杆 5制动器6曲轴7离合器9电机,板料冲裁过程,2、冲压的基本工序:冲裁、弯曲、拉伸冲裁,弯曲,rmin=（0.251）,弯曲 弯曲线与流线垂直,拉深,拉深系数：m=d/D,0.5-0.8,3、冲压模具简单冲模连续冲模复合冲模,1-卸料板 2-上压板 3-凸模 4-模柄 5-上模板 6-下压板7-导套 8-导柱9-下模板 10-凹模 11-定位销,简单落料冲

17、孔模,简单落料模,复合模,侧刃定距级进模,第三节 焊接,第一节 手工电弧焊,第三节 金属的焊接性,第二节 其他焊接方法,焊接：通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种加工方法。优缺点：三优一缺作用：制造、连接、修补三类：熔焊、压焊接、钎焊,1 手工电弧焊,一、焊接过程,电弧热使焊件接头处的金属和焊条端部熔化，形成焊池。,一、焊接过程,手工电弧焊设备简单，操作灵活，是应用最广泛的焊接方法。,二、焊接电弧1.焊接电弧的产生2.电弧的热量分布阳极区产生：43%工件（正接）2300阴极区产生：36%工件（反接）2100弧柱区产生：21%6000,三、焊接极性及选用用直

18、流电源焊接时，由于正极与负极上的热量不同，电极的接法有正接和反接两种。正接法是正极接焊件、负极接焊条。这时，在焊接上的热量较大，适合于高熔点、尺寸较大的焊件的焊接。反接法是正极接焊条、负极接焊件，适合于薄件、有色金属、不锈钢及铸铁等焊件的焊接。,四、焊条的组成与选用1）焊条的组成。焊条是由焊芯和药皮两部分组成。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属丝。其作用是导电、引弧及填充焊缝。常用焊条直径为2.06.0mm，长度为300400mm。焊条直径通常按焊件厚度选取，见表2-5。药皮是压涂在焊芯表面的涂层，其主要作用是使电弧引燃容易，并有造气、造渣保护熔池的作用。,四、焊条的组成与选用2）焊条的选择原则 在

19、焊接低碳钢和低合金钢高强度钢时，一般根据母材的抗拉强度，按“等强度原则”选用与母材有相同强度等级且成分相近的焊条；焊接不锈钢和耐热钢时，一般根据母材的化学成分类型，按“等成分原则”选用与母材成分类型相同的不锈钢或耐热钢焊条。,3)焊条的分类和型（牌）号,按用途分为：结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、镍及镍合金焊条、铸铁焊条、低温钢焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条和特殊用途焊条十类。其中，结构钢焊条应用最为广泛。按化学成分：酸性焊条：不易形成气孔，能使用交、直流电源，价廉，用于一般结构件。碱性焊条：焊口清洁，采用直流反接，用于重要结构件。,结构钢焊条：适合于J422 钛钙型 低碳

20、钢J425 锰 型 铸钢J506 低氢型 低、中碳（重要）不锈钢焊条：铬202 钛钙型 0Cr13、1Cr13铸铁焊条：铸100 氧化钛 灰铸铁,五、焊接设备1.交流弧焊机:简单、价廉、可靠，应用广。相对焊接电弧不够稳定。结构：特殊的降压变压器电压：6080V（I=50180A）具有陡降的外特性（V-I）可频繁短路电流可调节,焊接电流:焊接电流与焊条直径有关。I=(30 60)d,2.直流弧焊机：结构复杂,电弧稳定,焊接质量好发电机式直流弧焊机：交流电动机直流弧焊发电机整流式直流弧焊机：交流弧焊机整流器电压：5080V(I=45320A),六、焊接步骤,2、气焊和气割1).气焊：以气体(氧-乙

21、炔)火焰作热源的熔焊方法气焊设备:乙炔气瓶、氧气瓶、减压器、焊炬等。,优点：操作简便、不需电源、焊薄板不易穿。适用：3mm以下的薄钢板、铜、铝及其合金，以及铸铁的补焊。焰心 内焰：30003150，最高 外焰 碳化焰 O2：C2H211.2焊接含碳量较高的,补碳 中性焰 O2：C2H2=11.2低碳钢、不锈钢和紫铜 氧化焰 O2：C2H211.2焊接黄铜、青铜等材料,点火、调节火焰与灭火点火：点火时，先微开氧气阀门，再开乙炔阀门，随后用明火点燃。调节火焰：先根据焊件材料确定应采用哪种氧乙炔焰，并调整到所需的那种火焰，再根据焊件厚度，调整火焰大小。灭火：应先关乙炔，再关氧气。,2).氧气切割:简

22、称气割，是利用某些金属（如铁）在纯氧气流中能够剧烈氧化的原理进行金属切割的方法。,过程:开始时，先用氧乙炔焰将割口附近的金属预热至燃点，然后打开切割金属阀门，高速氧气射流使高温金属立即燃烧，所生成的氧化物同时被氧气流吹走，而金属燃烧时释放的大量燃烧热和氧乙炔焰一起又将邻近的金属预热到燃点，因此沿切割线以一定的速度移动割炬，即可形成一条整齐的割口。适用：低、中碳钢及低合金钢的切割。不可切割高碳钢、铸铁、不锈钢、有色金属。,3、埋弧焊：电弧在焊剂下燃烧进行焊接优点：生产率高（510倍于手弧焊）、质量好适用：板材3mm以上的长直焊缝，或直径较大（250）的环焊缝。,4、气体保护焊：用外加气体保护电弧

23、和焊缝区的电弧焊。1)氩弧焊：以氩气作气体保护的气体保护焊。钨极氩弧焊：钨丝为电极，适合4的板熔化极氩弧焊：连续焊丝为电极,适合325的板特点：质量好，变形小，全方位焊接适用：Al、Mg、Ti及其合金、低合金钢,不锈钢。,2)二氧化碳气体保护焊：以CO2作气体保护的气体保护焊。优点：生产率高（13倍手弧焊）质量好，变形小，成本低,缺点：飞溅大，外表不美观，易产生气孔,适用：常用于碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢的薄板焊接，也适用于修理机件，如磨损零件的堆焊等，不适合于有色金属焊接。,5、电阻焊（接触焊）：压力+电阻热1)点焊：强度高、表面光，适合于薄板焊接低碳钢、不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金等

24、均可。,2)缝焊：适合有气密要求3mm以下的容器和管道焊接材料：低碳钢、合金钢、铝及其合金等。,3)对焊：可分为电阻对焊和闪光对焊（1）电阻对焊：压至紧密接触，电加热至塑性状态，增压，断电，形成塑性变形接头。适用：直径小于20、强度要求不高的杆件。（2）闪光对焊：焊件装配成对接接头，通电并逐步靠近至接触，强电流通过触点，全部熔化后加压并断电，形成较大塑性变形接头。接头强度较高，但金属损耗大，接头处有毛刺需要清理。适用：刀具、钢棒、钢管等的对接，不但可焊同种金属，也可焊异种金属，如铝-铜、铝-钢等。,采用熔点比母材低的金属材料作钎料，将焊件或钎料加热至高于钎料熔点、低于焊件熔点的温度，利用钎料润

25、湿母材，填充接头间间隙并与母材相互扩散而实现连接的焊接方法。硬钎焊：钎料熔点高于450，钎料为铜基钎料，钎剂为硼砂，主要用于受力较大或工作温度较高的零件，如硬质合金刀具焊接。软钎焊：钎料熔点低于450，钎料为锡铅合金，钎剂为松香，主要用于电子元件焊接。,6、钎焊,1.焊接性：金属材料对焊接加工的适应性。衡量：结合性能、使用性能因素：主要取决于化学成分，与焊接方法和条件有关。2.钢的焊接性：主要取决于含碳量。碳当量：将合金元素的质量分数换算成等效的质量分数，加上钢中碳的质量分数。CE=C+Mg/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5(%),3.3.2 金属的焊接性,CE0.4%（低碳钢

26、），良好，无需预热0.40.6%（中碳钢），较差，预热、缓冷CE 0.6（高碳钢）,差,高温预热,严格工艺措施3.铸铁的焊接性焊接性差，一般只用于焊补。4.常用非铁合金的焊接性铝、铜及其合金的焊接性能差。通常采用氩弧焊、气焊进行焊接。,2.3.3 焊件变形和焊件结构工艺性,1焊接变形及防止方法（1）焊接变形产生的原因。焊接构件因焊接而产生的内应力称为焊接应力，因焊接而产生的变形称为焊接变形。产生焊接应力与变形的根本原因是焊接时工件局部的不均匀加热和冷却。,1焊接变形及防止方法（2）焊接变形的防止方法。反变形法。根据某些焊件易变形的规律，焊前在放置焊件时，使其形态与焊接时发生的变形方向相反，以抵

27、消焊接后产生的变形。,1焊接变形及防止方法（2）焊接变形的防止方法。焊前固定法。焊接前，用夹具或重物压在焊件上，以抵抗焊接应力，防止焊件变形。也可预先将焊件点焊固定在平台上，然后再焊接。为了防止将固定装置去除后再发生变形，可用焊接时锤敲击焊缝或焊后退火等方法消除焊接应力。焊接顺序变换法。这是一种通过变换焊接的顺序，将焊接时施加给焊件的热量尽快发散掉，从而防止焊接变形的方法。,常用的焊接顺序变换法有对称法、跳焊法和分段倒退法，加图2-57所示。图中小箭头为焊接时焊条远行的方向，数字由小到大为焊接顺序。,锤击焊缝法。这种方法是在焊接过程中，用手锤或风锤敲击焊缝金属，以促使焊缝金属产生塑性变形，焊接

28、应力得以松弛减小。对容易变形的焊件，焊前预热，焊后缓冷。去应力退火是消除焊接应力最有效的方法。,2焊件的结构工艺性要使焊件焊接后能达到各项技术要求，除了采用上述防止变形等措施以外，还要注意合理设计焊件结构。所谓焊件结构工艺性，是指所设计的焊件结构能确保焊接工艺过程顺利地进行，它主要包含以下内容。,(1).接头形式：对接、角接、T形接、搭接对接：常用于重要结构搭接：常用于桥梁、屋架结构,(2).坡口形式：I形、V形、U形、X形,=16 326 2060 1260采用：手工锉、刨或铣、气割等方法制成,(3)焊接位置：平焊、立焊、横焊、仰焊,便于操作保证质量生产率高,熔融金属易下流：用34的细焊条电

29、流比正常值小1015%,（3）尽可能选用焊接性好的原材料。（4）焊缝位置应便于焊接操作。在采用电弧焊或气焊进行焊接时，焊条或焊枪、焊丝必须有一定的操作空间。,（5）焊缝应尽量均匀、对称，避免密集、交叉。焊缝均匀、对称可防止因焊接应力分布不对称而产生变形，如图2-61所示。避免焊缝交叉和过于密集可防止焊件局部热量过于集中而引起较大的焊接应力，如图2-62所示。,（6）焊缝位置应避免应力集中。由于焊接接头处塑性和韧性较差，又有较大的焊接应力，如果此处又有应力集中现象，则很容易产生裂纹。如图2-63所示为一储油罐，两端为封头。封头形式有两种，一种是球面封头，直接焊在圆柱筒上，形成环形角焊缝（图2-63a）；,a）不合理,b）合理,