《材料成形原理》重点及答案77211Word下载.docx

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26焊接变形的基本形式

27防止热裂纹的措施

28氢致裂纹的机理

29热塑性变形机理及其对金属组织和性能的影响

30、简述张量的基本性质

31变形连续方程的物理意义

32焊接熔池的凝固条件

33氢对焊缝金属的质量有何影响？

三、计算题

1．在直角坐标系中，一点的应力状态表示成张量的形式为

用应力状态特征方程求出该点的主应力和主方向。

（8分）

2.试推导均质形核的临界形核功。

（7分）

3试推导非均质形核的临界形核功。

4流体力学的斯托克斯公式计算气泡或夹杂上浮的速度。

5比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。

6P57第6题。

7P105第5题

8已知塑性状态下某质点的应力张量为

（MPa），应变增量

（

为一微小量），试求应变增量的其余分量。

9推导希尔（Scheil）公式（固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配），必要时画出该条件下成分与离开固－液界面前沿距离关系图。

10对于Oxyz直角坐标系，已知受力物体内一点的应力张量为

求出该点的应力张量不变量、主应力、主切应力、最大切应力、等效应力、应力偏张量及应力球张量

1表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。

表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。

2粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。

或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。

3表面自由能（表面能）－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。

4液态金属的充型能力－液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。

5液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

6铸型的蓄热系数－表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。

7不稳定温度场－温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场。

稳定温度场－不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：

8温度梯度—是指温度随距离的变化率。

或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。

9溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。

10均质形核和异质形核－均质形核（Homogeneousnucleation）：

形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核”。

非均质形核（Hetergeneousnucleation）：

依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。

11、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。

粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。

也称为“小晶面”或“小平面”。

12“成分过冷”与“热过冷”－液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固－液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。

这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷”。

13内生生长和外生生长－晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。

平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。

等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。

14枝晶间距－指相邻同次枝晶间的垂直距离。

它是树枝晶组织细化程度的表征。

15共生生长－是指在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。

15离异生长－两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。

这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。

16孕育与变质－孕育主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；

而变质则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。

变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。

17联生结晶－熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶（也称外延生长）。

18择优生长－那些主干取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。

它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。

在逐渐淘汰趋向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

这种互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。

19快速凝固－是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

20气体的溶解度—在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。

影响溶解度的主要因素是温度及压力、气体的种类和合金的成分。

21熔渣的碱度－是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值（分子理论）或液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）（离子理论）。

22、长渣和短渣－熔渣的粘度随温度增高而急剧下降（快速）变化的渣称之为短渣；

反之为长渣。

23熔渣的氧化和还原能力－是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。

24扩散脱氧－是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用（FeO）与[FeO]能够互相转移,趋于平衡时符合分配定律的机理进行脱氧。

25沉淀脱氧－是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的[FeO]起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。

26真空脱氧－钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽真空降低气相中CO分压来加强钢液中碳的脱氧能力。

27偏析－合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象。

28微观和宏观偏析－微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，有晶界和晶内偏析之分。

宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：

正常偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析与层状偏析和重力偏析。

29气孔－因气体分子聚集而产生的孔洞。

气孔有析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔之分。

30、冷裂纹和热裂纹－金属凝固冷却至室温附近发生的开裂现象称之为冷裂纹；

在固相线附近发生的裂纹称之为热裂纹。

31溶质再分配－由于合金凝固过程中随温度的变化，固液界面前沿溶质富集并形成浓度梯度。

所以，溶质必须在液、固两相重新分布，即所谓的“溶质再分配”。

32热流密度－单位时间内通过单位面积的热量。

33焊接－通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件（同种或异种金属或非金属，也可以是金属与非金属）产生原子（分子）间结合而形成永久性连接的工艺工程。

34热影响区－焊接过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生显微组织和力学性能变化的区域。

该区主要发生物理冶金过程。

35焊接线能量E－单位长度上的焊接热输入量，E=IU/v

36焊接的合金化－把需要的合金元素加入到金属中去的过程。

合金化的目的：

首先，补偿在高温下金属由于蒸发或氧化造成的损失；

其次是为了消除缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或为了获得具有特殊性能的堆焊金属。

37合金化的过渡系数－表征合金元素利用率高低的参数。

η等于它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。

或者单位长度焊条中药皮重量与焊芯重量之比。

38熔合比－焊缝中局部熔化母材所占比例

39内力－在外力作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力。

40内应力—没有外力的作用条件下，平衡物体内部的应力。

41焊接瞬时应力—在焊接加热冷却过程中某一瞬时中存在的应力。

42焊接残余应力—焊件完全冷却、温度均匀化后残留于焊件中的应力。

43焊接变形－在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲或扭转等。

焊接变形的基本形式有纵、横向收缩，角变形，弯曲变形，扭曲变形和波浪形等。

实际的焊接变形常常是几种变形的组合。

44裂纹－在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。

45塑性－指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力。

46热塑性变形－金属在再结晶温度以上的变形。

47、张量－由若干个当量坐标系改变时满足转换关系的所有分量的集合。

48塑性－指固体材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏其完整性的能力。

49简单加载－是指在加载过程中各应力分量按同一比例增加，应力主轴方向固定不变。

50、应力球张量－也称静水应力状态，不能使物体产生形状变化，而只能产生体积变化，即不能使物体产生塑性变形。

51、加工硬化－随着变形程度的增加，（位错运动所受到的阻力增大），金属的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降，即产生了加工硬化。

52、应变速率－单位时间内的应变，又称变形速度。

53、滑移－晶体在外力的作用下，其一部分沿着一定的晶面和该晶面上的一定晶向，相对于另一部分产生的相对移动。

54、主切应力平面－一般把切应力有极值的平面称为主切应力平面

55、平面应变状态－如果物体内所有质点都只在同一个坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形。

56、附加应力－由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。

1实际液态金属的结构。

实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。

1）表面张力与原子间作用力的关系：

原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑；

2）表面张力与原子体积（δ3）成反比，与价电子数Z成正比；

3）表面张力与温度：

随温度升高而下降；

4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响。

向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。

τ=ξ2/K2，即金属凝固时间与凝固层厚度的平方成正比。

K为凝固系数，可由试验测定。

当凝固结束时，ξ为大平板厚度的一半。

4铸件凝固方式的分类（3分）

根据固、液相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。

当固液相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为体积凝固方式。

固液相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。

Jackson因子α可视为固—液界面结构的判据：

凡α≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能降低，此时的固—液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；

凡属α>

5的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机物属于此类；

α=2~5的物质，常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。

“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据：

下列条件有助于形成“成分过冷”：

（1）液相中温度梯度GL小，即温度场不陡。

（2）晶体生长速度快（R大）。

（3）液相线斜率mL大。

（4）原始成分浓度C0高。

（5）液相中溶质扩散系数DL低。

（6）K0<

1时，K0小；

K0>

1时，K0大。

答：

成分过冷判别式为：

；

（1）随着C0增加，成分过冷程度增加；

（2）随着R增加，成分过冷程度增加；

（3）随着GL减小，成分过冷程度增加；

如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；

而当GL、R一定时，随C0的增加晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。

形成具有两相沿着径向并排生长的球形共生界面双相核心的“双相形核”，领先相表面一旦出现第二相，则可通过这种彼此依附、交替生长的“搭桥”方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片重新生核。

铸件的凝固组织可分为宏观和微观两方面。

宏观组织主要是指铸态晶粒的形状、尺寸、取向和分布情况；

微观组织主要描述晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构组织等。

影响液态充型能力的因素

（1）金属性质方面的因素—如合金的化学成分、比热容、热导率、粘度、杂质及气体含量等。

（2）铸型性质方便的因素—铸型的阻力、蓄热系数等。

（3）浇注条件及铸件结构因素—浇注温度、浇注系统、静压头压力。

逐渐结构越复杂、厚薄过渡面越多，则型腔结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充型能力就越差。

a.减少氢的来源。

化学方法或机械办法清理焊丝或工件表面氧化膜。

b.合理选择规范参数。

钨极氩弧焊选较大焊接电流和较快焊速。

熔化极气体保护焊时选较低焊速并提高焊接线能量有利于减少气孔。

c.采用氩气中加少量CO2或O2的熔化极混合气体保护焊。

d.对厚的工件适当预热。

夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降；

尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度；

易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；

促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；

在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。

13.常见焊缝中的夹杂物有几类，它们会对焊缝产生哪些危害？

（6分）

（1）氧化物夹杂。

主要降低焊缝金属的韧性。

（2）氮化物夹杂。

在时效过程中以针状分布在晶粒上或穿过晶界，使焊缝金属的塑性、韧性急剧下降。

（3）硫化物夹杂。

硫从过饱和固溶体中析出，形成硫化物夹杂，以MnS和FeS形式存在于焊缝中。

FeS沿晶界析出与FeO形成低熔点共晶，增加热裂纹生成的敏感性。

缩松－结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。

当固相达到一定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。

在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。

由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。

缩孔－纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。

由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。

金属在凝固过程中要经历液－固状态和固－液状态两个阶段，在温度较高的液-固阶段，晶体数量较少，相邻晶体间不发生接触，液态金属可在晶体间自由流动，此时金属的变形主要由液体承担，已凝固的晶体只作少量的相互位移，其形状基本不变。

随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大。

进入固-液阶段后，多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，晶体本身也会发生一些变形。

当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶体之间，且难以自由流动。

由于液态薄膜抗变形阻力小，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱环节。

此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在晶界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。

可从冶金和工艺两个方面采取措施，防止热裂纹的产生。

（一）冶金措施

1．限制有害杂质；

2．微合金化和变质处理；

3．改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以减少晶界的氧化物夹杂，达到减少热裂倾向之目的；

4．改善金属组织；

5．利用“愈合”作用。

（二）工艺措施

1．焊接工艺措施；

2．铸造工艺措施。

延迟裂纹－这类裂纹是在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，形成温度一般在Ms以下200℃至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征，故又称为氢致裂纹。

裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。

由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测），常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。

淬硬脆化裂纹－某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂。

这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。

这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。

低塑性脆化裂纹－它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。

这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成形加工中。

如灰口铸铁在400℃以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。

影响因素－扩散氢的含量与分布、钢材的淬硬倾向和拘束应力状态。

17．共晶凝固过程中的共生生长与离异生长（4分）

共生生长：

共晶结晶时，后析出的相依附于领先析出的相表面析出，两相具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿的横向扩散，彼此偶合地共同向前生长。

离异生长：

共晶两相的析出在时间上和空间上是彼此分离的，没有共生共晶的特征。

18.集中缩孔的形成机理（3分）

纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合金，一般按由表及里的逐层凝固方式凝固，当液态收缩和凝固收缩大于固态收缩时，便会在最后凝固部位形成尺寸较大的集中缩孔。

（1）选择合适的母材；

（2）选择合适的焊材；

（3）控制焊接热过程，保证焊缝金属达到成分和组织要求及焊接接头的力学性能；

（4）控制HAZ的组织转变，使接头满足设计和使用要求；

（5）控制使焊接接头性能下降且在局部加热和冷却过程中产生的成分偏析、夹杂、气孔、裂纹、催化等缺陷。

焊接热循环－在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。

焊接温度场－移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场不随时间改变）。

21表征焊接热循环的参数分别是哪几个

加入速度ωH、最高加热温度Tmax、相变温度以上停留的时间tH和冷却速度ωc。

（1）加热温度高，在熔合线附近温度可达l350～l400℃；

（2）加热速度快，加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍

（3）高温停留时间短，在AC3以上保温的时间很短（一般手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s）

（4）自然条件下连续冷却，（个别情况下进行焊后保温缓冷）；

（5）加热的局部性和移动性；

（6）在应力状态下进行组织转变。

（1）母材的脆硬倾向是内因，即化学成分。

材料淬硬倾向的评价指标—碳当量（CarbonEquivalent）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。

（2）HAZ的冷却速度是外因，即焊接规范。

粗晶脆化－在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。

粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。

组织转变脆化－焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。

析出脆化－析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。

热应变失效脆化－产生应变时效脆化的原因,主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。

25减少焊接残余应力的措施

（1）热处理法—一般将工件加热到塑性状态的温度，并保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，消除残余应力。

再缓冷，使厚、薄部位的温度均匀。

（2）机械法—如对压力容器、桥梁等采用加载办法降低残余应力。

原理是利用加载所产生的均匀拉伸应力与焊接应力相叠加，使存在于高拉伸应力区的应力值达到屈服强度值，迫使材料发生塑性变形