最新材料成形参考习题及答案文档格式.docx

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①提高浇注温度；

②提高浇注压力。

4）铸件结构方面：

①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；

②降低结构复杂程度。

4.钢液对铸型不浸润，θ＝180°

，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m，密度ρ液＝7500kg/m3。

求产生机械粘砂的临界压力；

欲使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？

解：

产生机械粘砂的临界压力：

显然：

则

不产生机械粘砂所允许的压头为：

5.根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，η＝0.0049N.s/m2,ρ液=7500kg/m3，ρMnO=5400kg/m3,MnO呈球行，其半径r＝0.1mm。

由Stokes公式，上浮速度为：

式中：

r为球形杂质半径，ρ1为液态金属密度，ρ2为杂质密度，η为液态金属粘度

所以，上浮速度为：

6.设想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状;

（1）求均质形核时的a*和ΔG*的关系式。

（2）证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。

（1）对于立方形晶核：

①

令：

则有：

，

其临界晶核尺寸为：

由此可得：

代入①，则得方形晶核的临界形核功ΔG方*与边长a*的关系式为：

（2）对于球形晶核：

球形临界晶核半径：

所以：

因此，球形晶核较立方形晶核更易形成。

7.设Ni的最大过冷度为319℃，求ΔG*均和r*均。

已知熔点Tm＝1453℃，熔化潜热为L＝-1870J/mol，固-液界面能为σLC=2.25×

10-5J/cm2，摩尔体积为6.6cm3/mol。

8.什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？

从理论上来说，如果界面与金属液润湿，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。

但润湿角难于测定，可根据夹杂物的晶体结构来确定。

当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距离相近，或在一定范围内成比例，就可以实现界面共格相应。

完全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底，完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。

9.阐述影响晶体生长的因素。

晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定，当GL>

0时，晶体生长以平面方式生长；

如果GL<

0，晶体以树枝晶方式生长。

10.用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几方面？

半径相同的圆柱和球体哪个误差大？

大铸型和小铸型哪个误差大？

金属型和砂型哪个误差大?

用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。

半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；

大铸件和小铸件比较，后者误差大；

金属型和砂型比较，前者误差大，因为前者的热物性参数随温度变化较快。

11.何谓凝固过程的溶质再分配？

合金在凝固时，随着温度不同，液固相成分发生改变，且由于固相成分与液相原始成分不同，排出溶质在液-固界面前沿富集，并形成浓度梯度，从而造成溶质在液、固两相重新分布，这种现象称之为“溶质再分配”现象。

12.设相图中液相线和固相线为直线，证明平衡分配系数k＝Const。

绘出相图示意图，以平衡分配系数小于1为例，则有：

温度为T1时，平衡分配系数为k1=CS1/CL1

温度为T2时，平衡分配系数为k2=CS2/CL2

由于固相线和液相线均为直线，故：

因此，平衡分配系数k为：

13.Al-Cu相图的主要参数为共晶成分点为CE＝33%Cu，Csm＝5.65%，纯铝熔点Tm＝660℃，Al-Cu共晶温度TE＝548℃。

用Al-1%Cu合金浇一细长试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固－液界面为平界面，当固相无铜扩散，液相中铜充分混合时，求：

（1）凝固10％时，固液界面的CS*和CL*。

（2）凝固完毕时，共晶体所占的比例。

（3）画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线，并标明各特征值。

（1）

平衡分配系数k为：

由于固相无扩散，液相充分混合，则：

将k=0.1712、C0=0.01、fS=0.1带入上式，得到：

=0.187%

=1.09%

（2）共晶体所占的比例为：

14.何谓热过冷和成分过冷？

成分过冷的本质是什么?

哪些是属于可控制的工艺因素？

成分过冷对晶体的生长方式有何影响？

（1）金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；

由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷。

（2）成分过冷的本质：

由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。

由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差ΔT，即成分过冷度，这也是凝固的动力。

（3）影响成分过冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工艺因素为DL。

（4）过冷对晶体的生长方式的影响：

当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。

15.影响成分过冷的判据是什么？

最大成分过冷度区间是多少？

影响因素有哪些？

它对材质或成形产品（铸件）的质量有何影响？

（1）成分过冷的条件为

（2）成分过冷的范围为

（3）上式中，mL、C0和k0为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL、GL和v。

（4）对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围对成形产品没什么大的影响；

对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能越好。

16.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何？

铸件的典型凝固组织为：

表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。

（1）表面细等轴晶的形成机理：

非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

（2）中间柱状晶的形成机理：

柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。

由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

（3）内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

17.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？

常用生核剂有以下几类：

（1）直接作为外加晶核的生核剂。

（2）通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

（3）通过在液相中造成很大的微区富集，造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。

（4）含强成份过冷的生核剂。

作用条件和机理：

1类：

这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。

2类：

生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。

3类:

如分类时所述。

4类：

强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。

18.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。

影响铸件宏观凝固组织的因素：

液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却条件。

获得细等轴晶的常用方法：

（1）向熔体中加入强生核剂。

（2）控制浇注条件：

采用较低的浇注温度；

采用合适的浇注工艺。

（3）铸型性质和铸件结构：

采用金属型铸造；

减小液态金属与铸型表面的润湿角；

提高铸型表面粗糙度。

（4）动态下结晶细化等轴晶：

振动、搅拌、铸型旋转等方法。

19.影响铸件的缩孔和缩松的因素有哪些？

请叙述几种防止铸件缩孔和缩松的方法。

（1）影响缩孔与缩松的因素有：

金属性质金属液态收缩系数和凝固体收缩系数越大，缩孔及缩松容积越大。

铸型条件铸型的激冷能力越大，缩孔和缩松容积就越小。

铸型激冷能力达，造成边浇注边凝固的条件，是金属的收缩在较大程度上被后注入的金属液补充，使实际发生收缩的液态金属量减少。

浇注条件浇注温度越高，液态收缩越大，越容易产生缩孔。

铸件尺寸铸件壁厚越大，表层凝固后，内部的金属液温度就越高，液态收缩就越大，则缩孔及缩松容积就越大。

补缩压力凝固过程中增加补缩压力，可减小缩松而增加缩孔的容积。

（2）铸件缩孔与缩松防止方法：

通过凝固工艺原则的选择，可以加以控制。

对于凝固区间窄的合金，通过顺序凝固，使铸件缩孔集中于冒口，获得致密铸件。

采用高温慢浇工艺，增加铸件纵向温差，有利于实现顺序凝固。

使用冒口、补贴和冷铁工艺。

采用冒口保证铸件背补缩部位最后凝固，并能提供足够的合金液满足补缩；

冷铁和补贴联合冒口，人为造成补缩通道，延长有效补缩距离。

加压补缩凝固将铸件放在具有一定压力的装置中，在压力下凝固，以消除缩松，获得致密铸件。

20.铸件的偏析有几种类型，请分类叙述之。

液态合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称之为偏析。

根据偏析范围的不同，可将偏析分为微观偏析和宏观偏析两类。

（1）微观偏析是指小范围（约一个晶粒）内的化学成分不均匀的现象，可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析：

晶内偏析指在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

晶界偏析在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分不均匀的现象，称之为晶界偏析。

（2）宏观偏析是指铸件凝固断面上各部分的化学成分不均匀现象，分为正常偏析、逆偏析、V型和逆V性偏析、带状偏析以及重力偏析：

正常偏析以溶质分配系数k<

1为例，合金凝固时，凝固界面的液相中将有一部分被排挤出，随着温度的降低，溶质浓度将逐渐增加，最后凝固的固相，溶质浓度最高。

这是溶质在凝固界面再分配的结果，是正常现象，故称之为正常偏析。

逆偏析以溶质分配系数k<

1为例，合金凝固时，铸件先凝固的部分溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少，这种现象称之为逆偏析。

结晶温度区间宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析。

V形和逆V形偏析V形偏析和逆V形偏析常常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析带中含有较高的碳，以及硫和磷等杂质。

带状偏析由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层，且晶体生长速度发生变化，使得凝固界面产生溶质贫乏或富集带，称之为带状偏析。

重力偏析由于重力作用而出现化学成分不均匀的现象，通常出现在金属凝固前或刚刚凝固之际。

21.铸件冷却过程的应力有哪些？

铸件在冷却过程中产生的应力，按照其产生原因可分为热应力、相变应力、和机械阻碍应力三种。

热应力铸件冷却过程中，由于各个部位温度的差异以及冷却速度的不同，因而同一时刻的收缩量不等，互相制约形成的应力。

相变应力是铸件冷却过程中，发生固态相变的合金，因各个部位达到相变温度的时刻不同，相变程度也不同，组织之间相互制约形成的应力。

机械阻碍应力铸件收缩过程中，受到诸如铸型、型芯、箱带等外部的机械阻碍作用而产生的应力。

22.铸件冷裂变形和热裂的影响因素有哪些，如何防止其发生？

（1）铸件的冷裂是铸件处于弹性状态，铸造应力超过材料的抗拉强度时产生的裂纹。

（2）热裂是铸件处于高温时形成的裂纹缺陷。

热裂纹表面不光滑，偶见树枝状凸起，并呈现高温氧化色。

防止热裂主要从以下几方面着手：

提高合金抗热裂能力在满足铸件使用性能的前提下，调整成分或选用热裂倾向小的合金。

采用控制凝固过程，细化晶粒、变质处理、振动结晶等措施，改善合金成分和组织形态，提高抗热裂能力。

改善铸型与型芯的退让性，减少铸件收缩的各种阻力。

减小铸件各部位温差，建立同时凝固的冷却条件，使铸件冷却均匀，达到减少热裂的目的。

如采取在铸件薄壁处开设分散内浇道，在热节及铸件内角处安放冷铁等。

改进铸件的结构设计。

尽量缩小或消除热节和应力集中，增强高温脆弱部位的冷却条件和抗裂能力。

第二部分焊接成形

1、简述焊接定义。

焊接的物理本质是什么？

传统焊接方法分为哪几类？

（1）焊接的定义。

焊接是通过加热或者加压，或者两者并用，采用或者不用填充材料，使两个分离的工件（同种或者异种金属或者非金属，或者金属与非金属）产生原子（分子）间结合而形成永久性的连接的工艺。

（2）焊接的物理本质。

两个独立的工件之间实现原子间的结合。

宏观上，形成永久性的连接头，微观上建立了组织上的内在联系，在焊件与焊缝金属之间形成共同晶粒。

（3）焊接分类：

传统焊接方法按照工艺特点，可以分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

熔焊，是通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒。

压焊，是利用加压、摩擦、扩散等物理作用克服连接表面的不平度，排除氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。

钎焊，采用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热温度仅使钎料发生熔化而母材并不熔化，也太钎料依靠毛细作用填入接头间隙并润湿母材金属表面，与母材相互扩散而形成钎焊接头。

2、请简述熔焊焊接接头的形成过程。

熔焊焊接接头的形成一般要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，直至形成焊接接头。

按照性质特点，熔焊接头形成过程归纳为焊接热过程、焊接化学冶金过程和焊接物理冶金过程三个相互交错进行且彼此联系的局部过程。

①焊接热过程。

熔焊时焊件及焊接材料在热源作用下局部受热并熔化，热源移走之后焊接熔池冷却凝固，焊缝及热影响区金属发生固态相变。

整个焊接过程都自始至终在焊接热作用下发生和发展，是影响焊接接头质量和生产率的重要因素之一。

②焊接化学冶金过程。

熔焊过程中，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、合金化等过程。

这些冶金反应直接影响焊缝金属的成分、组织与性能。

③焊接物理冶金过程。

是指焊接过程中焊接材料及母材发生的物理变化。

在焊接热源作用下，熔化；

热源离开后熔池金属开始凝固结晶，金属原子由近程有序向远程有序转变；

随着温度降低，具有同素异构转变的金属，在冷却过程中还将发生不同的固态相变。

3、焊接熔池有哪些典型的特征？

①熔池体积小，冷却速度大；

②熔池的液态金属处于过热状态；

③熔池液态金属始终处于运动状态。

4、焊接熔池的凝固过程有哪些特点？

焊接熔池的凝固属于非平衡凝固，使得焊接熔池的凝固组织具有独特的形态，其凝固过程具有以下特点。

①联生共晶（或称之为交互结晶，外延结晶）。

熔池金属依附于母材晶粒的现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，被称为联生共晶。

②择优生长。

熔池金属严重熔池边界等温线的垂直方向选择性生长。

③凝固线速度大。

5、简述焊接熔池的凝固组织形态，并分析结晶速度、温度梯度和溶质浓度对组织形态的影响。

（1）焊缝的晶体形态主要是柱状晶和少量的等轴晶。

每个柱状晶内还可能有不同的结晶形态，如平面晶、胞状晶和树枝晶等。

等轴晶内一般都呈现为树枝晶。

（2）焊缝金属中晶体的不同形态，与焊接熔池的凝固过程密切相关。

焊缝边界处，界面附近的溶质富聚程度较小，由于温度梯度大，结晶速度小，成分过冷接近于零，有利于平面晶的生长。

①当结晶速度和温度梯度一定时，随合金中溶质浓度的提高，则过冷度增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、等轴晶。

②当合金中溶质浓度一定时，结晶速度越快，成分过冷度越大，结晶形态也可由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、等轴晶。

③当溶质浓度和结晶速度一定时，随液相温度梯度的提高，成分过冷度减小，结晶形态的演变则刚好相反。

6、试叙述焊接过程HAZ的组织转变特点。

焊接过程热循环的特点是的HAZ组织转变具有特殊性。

焊接加热速度快，使得各种金属的相变温度比平衡时有很大提高，如使金属的Ac1和Ac3大幅度提高；

焊接冷却速度较大，相比于平衡相图，焊缝金属相变点和温度线发生偏移，如是金属的Ac1、Ac3和Acm向更低方向移动；

高温停留时间短，不利于扩散过程进行，使组织均匀化受到较大抑制。

7、以低碳钢为例，试叙述其HAZ组织与性能特点。

按最高温度范围及组织变化，将低碳钢HAZ分为四个区：

①熔合区：

焊缝与母材相邻的部位，最高温度处于固相线与液相线之间。

由于晶界与晶内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，是焊接接头的薄弱环节。

②过热区：

温度范围处于固相线到1100℃。

由于加热温度高，奥氏体晶粒过热，晶粒严重长大。

也称粗晶区。

焊后冷却时，奥氏体相产物也因晶粒粗化使塑性、韧性下降。

冷却速度较慢时，还会出现魏氏体。

③相变重结晶区（正火区）：

母材已完全奥氏体化，处于1100℃～Ac3之间。

由于稀奥氏体晶粒细小，空冷后得到晶粒细小而均匀的珠光体和铁素体。

塑性和韧性好。

④不完全重结晶区：

温度范围在Ac1～Ac3，部分母材组织发生相变重结晶，奥氏体晶粒细小，冷却后转变得到细小F+P；

而未奥氏体化的晶粒受热长大，使该区晶粒大小、组织分布不均匀。

8、以药皮焊条焊为例，试叙述其焊接冶金反应区及其特点。

以药皮焊条焊为例，其焊接冶金反应区包括药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区。

①药皮反应区。

其特点是加热温度较低，不超过药皮的熔化温度，也称造渣反应区。

主要是水的蒸发与药皮中某些固态物质的分解反应，显著改变焊接区的气氛性质，为焊接冶金反应提供准备过程，为冶金反应提供气体和熔渣。

②熔滴反应区。

其特点有：

温度高，最高温度可达到钢的沸点；

熔滴的比表面积大，可以促进冶金进行，熔滴反应区是焊接冶金反应最激烈的部位。

熔滴反应区进行的冶金反应有：

气体的分解和溶解，金属的蒸发，金属及其合金的氧化、还原，以及焊缝金属的合金化。

③熔池反应区。

熔池反应区的反应物相对浓度比熔滴反应区低，反应速度较熔滴反应区小；

熔池反应区的反应时间较长，并存在对流和搅拌现象，有助于熔池成分的均匀化和冶金反应进行。

9、氢和氮在焊缝金属中的溶解有什么异同？

①相同点。

氢气和氮气都以双原子分子状态存在，分子状态的气体必须分解成原子或离子才能溶入液态金属中，符合气体溶解的平方根定律。

②异同点。

双原子气体溶解于液态金属的动力学过程一般有两种方式，如下图所示。

氮在高温下呈多分子状态，其溶解过程以图a为主，分为四个阶段：

气体分子向气体-金属界面上运动→气体分子被金属表面吸附；

气体分子在金属表面上分解为原子；

原子穿过气体-金属界面向金属内部扩散。

而氢在电弧高温下的作用下完全分解为原子氢，其溶解过程以图b为主，分为四个阶段：

气体分子在电弧气氛下分解为原子氢→原子氢向气体-金属界面上运动；

原子氢被金属表面吸附；

原子氢穿过气体-金属界面向金属内部扩散。

10、如何控制焊缝金属中的氢含量？

鉴于氢的有害作用，必须尽量减少焊接金属中的氢：

①限制氢的来源。

必须严格限制焊接材料中的水含量。

焊接材料如焊条、焊剂、药芯焊丝使用前必须进行烘干处理。

②冶金处理。

通过调整焊接材料的成分，使氢在高温下生产比较稳定的不溶于液态金属的氢化物，从而降低焊缝金属的氢含量，如在焊条药皮和焊剂中加入氟化物；

加入微量稀土元素钇或表面活性元素如碲、硒，可以减少降低焊缝中扩散氢的含量。

③控制工艺参数。

控制电弧电压和焊接电流，获得合适的熔池存在时间和冷却速度，可以一定程度上减少氢的含量。

④焊接后处理。

焊接完毕后将焊件加热到一定温度，促使氢扩散外逸以达到脱氢目的。

如对于钢铁焊件，可加热到350℃，保温1h，可以使绝大部分的氢通过扩散去除。

11、熔渣在焊接过程中有哪些作用？

熔渣在焊接过程中主要有以下作用：

①机械保护作用。

熔渣覆盖于熔池表面，可以防止液态金属的氧化和氮化，凝固的渣壳也可以防止处于高温状态的金属在空气中被氧化。

②冶金处理作用。

通过控制熔渣的成分和性能，可调整金属的成分和改善金属的性能。

③改善焊接工艺性能。

熔渣中添加适当的物质，可以使电弧容易引燃，稳定燃烧及减小飞溅，还能保证良好的操作性、脱渣性和焊缝成形性。

12、试叙述熔渣分析的分子理论和离子理论。

关于液态熔渣的结构分析，目前主要有两种理论：

（1）分子理论的主要依据是室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果，主要要点如下：

①液态熔渣主要是有自由状态的化合物和复合状态化合物分子所组成。

②氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态。

③只有熔渣中自由氧化物才能与液态金属和其中的元素发生作用。

分子理论可以定性分析解释熔渣与金属间的冶金反应，目前仍广泛应用，但不能解释一些诸如熔渣导电性的问题。

（2）离子理论的主要基于对熔渣的电化学性能的研究，主要要点如下：

①液态熔渣是有正离子和负离子组成的电中性溶液。

②离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于综合矩，即离子电荷/离子半径的比值。

③液态熔渣与金属间相互作用过程，是原子与离子交换电荷的过程。

13、活性熔渣对合金