材料成型基本原理簡(jiǎn)答題

1、第一章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)12 第二章10001601606001208. 右圖為一灰鑄鐵底座鑄件的斷面形狀，其厚度為30mm，利用“模數(shù)法”分析砂型鑄造時(shí)底座的最后凝固部位，并估計(jì)凝固終了時(shí)間.解：將底座分割成A、B、C、D四類規(guī)則幾何體（見右下圖）查表2-3得：K=0.72()對(duì)A有：RA= VAAA=1.23cmtA=RA²KA²=2.9min對(duì)B有: RB= VBAB=1.33cmtB=RB²KB²=3.4min A A A A B BCCCCDDD對(duì)C有：RC= VCAC=1.2cmtC=RC²KC²=2.57min對(duì)D有

2、：RD= VDAD=1.26cmtD=RD²KD²=3.06min因此最后凝固部位為底座中肋B處，凝固終了時(shí)間為3.4分鐘。第三章（重點(diǎn)）3結(jié)合圖3-3及圖34解釋臨界晶核半徑r*和形核功G*的意義，以及為什么形核要有一定過冷度。答：（1）臨界晶核半徑r*的意義如下： rr*時(shí)，產(chǎn)生的晶核極不穩(wěn)定，隨即消散；r =r*時(shí)，產(chǎn)生的晶核處于介穩(wěn)狀態(tài)，既可消散也可生長(zhǎng)；rr*時(shí)，不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定晶核，開始大量形核。故r*表示原先不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶核的臨界尺寸。臨界形核功G*的意義如下：表示形核過程系統(tǒng)需克服的能量障礙，即形核“能壘”。只有當(dāng)GG*時(shí)，液相才開始形核。圖

3、3-4 液態(tài)金屬r°、r*與T的關(guān)系及臨界過冷度T * 圖3-3 液相中形成球形晶胚時(shí)自由能變化（2）形核必須要有一定過冷度的原因如下： 由形核功的公式： （均質(zhì)形核） = （非均質(zhì)形核） 對(duì)某種晶體而言，VS、 均為定值，G*T2，過冷度T 越小，形核功G*越大，T0時(shí)，G*，這表明過冷度很小時(shí)難以形核，所以物質(zhì)凝固形核必須要有一定過冷度。第四章9. 何為成分過冷判據(jù)?成分過冷的大小受哪些因素的影響? 答: “成分過冷”判據(jù)為: 當(dāng)“液相只有有限擴(kuò)散”時(shí)，N=，代入上式后得 ( 其中: GL 液相中溫度梯度 R 晶體生長(zhǎng)速度 mL 液相線斜率 C0 原始成分濃度DL 液相中溶質(zhì)擴(kuò)散

4、系數(shù)K0 平衡分配系數(shù)K )成分過冷的大小主要受下列因素的影響:1）液相中溫度梯度GL , GL越小,越有利于成分過冷2）晶體生長(zhǎng)速度R , R越大,越有利于成分過冷3）液相線斜率mL ,mL越大,越有利于成分過冷4）原始成分濃度C0, C0越高,越有利于成分過冷5）液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)DL, DL越底,越有利于成分過冷 6）平衡分配系數(shù)K0 ,K01時(shí)，K0 越 小,越有利于成分過冷；K01時(shí)，K0越大,越有利于成分過冷。(注:其中的GL和 R 為工藝因素,相對(duì)較易加以控制; mL , C0 , DL , K0 ,為材料因素,較難控制 )12如何認(rèn)識(shí)“外生生長(zhǎng)”與“內(nèi)生生長(zhǎng)”？由前者向后者轉(zhuǎn)變

5、的前提是什么？?jī)H僅由成分過冷因素決定嗎？ 答:“外生生長(zhǎng)”: 晶體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長(zhǎng)方式，稱為“外生生長(zhǎng)”。 平面生長(zhǎng)、胞狀生長(zhǎng)和柱狀樹枝晶生長(zhǎng)都屬于外生生長(zhǎng) .“內(nèi)生生長(zhǎng)”: 等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長(zhǎng)的方式則稱為“內(nèi)生生長(zhǎng)”。 如果 “成分過冷”在遠(yuǎn)離界面處大于異質(zhì)形核所需過冷度（T異），就會(huì)在內(nèi)部熔體中產(chǎn)生新的晶核，造成“內(nèi)生生長(zhǎng)”，使得自由樹枝晶在固-液界面前方的熔體中出現(xiàn)。外生生長(zhǎng)向內(nèi)生生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變的前提是:成分過冷區(qū)的進(jìn)一步加大 。決定因素 : 外生生長(zhǎng)向內(nèi)生生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變是由成分過冷的大小和外來質(zhì)點(diǎn)非均質(zhì)生核的能力這兩個(gè)因素所決定的。大的成分過冷和強(qiáng)生核能力的外來質(zhì)

6、點(diǎn)都有利于內(nèi)生生長(zhǎng)并促進(jìn)內(nèi)部等軸晶的形成。第五章1.鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構(gòu)成的，它們的形成機(jī)理如何?答：鑄件的宏觀組織通常由激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)所組成。表面激冷區(qū)的形成：當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時(shí)，型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核。這些晶核在過冷熔體中也以枝晶方式生長(zhǎng)，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。柱狀晶區(qū)的形成：在結(jié)晶過程中由于模壁溫度的升高，在結(jié)晶前沿形成適當(dāng)?shù)倪^冷度，使表面細(xì)晶粒區(qū)繼續(xù)長(zhǎng)大（也可能直接從型壁處長(zhǎng)出），又由于固-液界面處單向的散熱條件（垂直于界面方向

7、），處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下，以表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底，呈枝晶狀單向延伸生長(zhǎng)，那些主干取向與熱流方向相平行的枝晶優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長(zhǎng)，在淘汰取向不利的晶體過程中，發(fā)展成柱狀晶組織。內(nèi)部等軸晶的形成：內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)的結(jié)果。隨著柱狀晶的發(fā)展，熔體溫度降到足夠低，再加之金屬中雜質(zhì)等因素的作用，滿足了形核時(shí)的過冷度要求，于是在整個(gè)液體中開始形核。同時(shí)由于散熱失去了方向性，晶體在各個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度是相等的，因此長(zhǎng)成了等軸晶。4.常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機(jī)理如何?答：生核劑主要有兩類：一類是起非自發(fā)形核作用；另一類

8、是通過在生長(zhǎng)界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。 作用條件及機(jī)理：（1）對(duì)于第一類生核劑可以從三個(gè)方面來理解。第一種情況是孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)，即一些與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬微小顆粒。它們?cè)谝簯B(tài)金屬中可直接作為欲細(xì)化相的有效襯底而促進(jìn)非均質(zhì)生核。第二種情況，孕育劑能與液相中某些元素(最好是欲細(xì)化相的原子)反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核。此化合物應(yīng)與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系而能促進(jìn)非均質(zhì)生核。第三種情況，通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核。（2）對(duì)于第二類生核劑，它的作用

9、在于使枝晶產(chǎn)生更細(xì)的脖頸，其結(jié)果必然導(dǎo)致結(jié)晶更易于游離。這種晶粒細(xì)化劑之所以使枝晶脖頸更細(xì)，主要是溶質(zhì)的偏析造成的，在凝固過程中由于溶質(zhì)在枝晶側(cè)向的偏析，使此處的過冷度減少，從而使晶體的長(zhǎng)大受到抑制而產(chǎn)生細(xì)的脖頸。第七章1.焊接和鑄造過程中的氣體來源于何處？它們是如何產(chǎn)生的？答： 焊接區(qū)內(nèi)的氣體：焊條藥皮、焊劑、焊芯的造氣劑，高價(jià)氧化物及有機(jī)物的分解氣體，母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分，空氣中的氣體、水分，保護(hù)氣體及其雜質(zhì)氣體鑄造過程中的氣體：熔煉過程，氣體主要來自各種爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分、氮、氧、氫、CO2、CO、SO2和有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锏?。來自鑄型中的

10、氣體主要是型砂中的水分。澆注過程，澆包未烘干，鑄型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，鑄型透氣性差，澆注速度控制不當(dāng)，型腔內(nèi)的氣體不能及時(shí)排除等，都會(huì)使氣體進(jìn)入液態(tài)金屬。6. 控制鑄件或焊縫氮含量的重要措施是什么？答：1限制氣體的來源 氮主要來源于空氣，控制氮的首要措施是加強(qiáng)對(duì)金屬的保護(hù)，防止空氣與金屬接觸。2控制工藝參數(shù) 金屬中氮的含量與工藝參數(shù)密切相關(guān)。應(yīng)盡量采用短弧焊。焊接電流增加時(shí)，熔滴過渡頻率增加，氣體與熔滴作用時(shí)間縮短，焊縫中氮含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類等也有一定的影響。3冶金處理 采用冶金方法對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行脫氮除氣處理，是降低金屬中氣體含量的有效方法。液態(tài)金屬中加入Ti、Al

11、和稀土等對(duì)氮有較大親和力的元素，可形成不溶于液態(tài)金屬的穩(wěn)定氮化物而進(jìn)入溶渣，從而減少金屬的氮含量。第八章1比較熔焊與熔煉過程中熔渣作用的異同點(diǎn)。熔渣對(duì)于焊接、合金熔煉的積極作用主要有機(jī)械保護(hù)作用，冶金處理作用和改善成形工藝性能作用。在焊接、合金熔煉過程中，熔渣對(duì)液態(tài)金屬的機(jī)械保護(hù)方面的作用是相同的，熔渣比重輕于液態(tài)金屬高溫下浮在液體表面，避免液態(tài)金屬中合金元素氧化燒結(jié)，防止氣相中氮?dú)溲趿蛉苋耄瑴p少液態(tài)金屬散熱損失。而在熔焊過程中，熔池凝固后，熔渣凝固形成渣殼，覆蓋在焊縫上，還可繼續(xù)保護(hù)處在高溫下焊縫金屬免疫空氣的有害作用。在熔渣的冶金處理作用方面，熔焊過程和合金熔煉過程中，均可利用熔渣與液態(tài)金

12、屬之間發(fā)生物化發(fā)應(yīng)，去除金屬中有害雜質(zhì)，如脫氧、脫硫、脫磷，去氫等，熔渣還可以起到吸附或溶解液態(tài)金屬中非金屬夾雜物作用。而在熔焊過程，還可以通過熔渣向熔縫中過度合金。在熔焊過程中，熔渣還有改善焊縫成形性的作用，適當(dāng)熔渣對(duì)電弧引燃，穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，改善脫渣性能及焊接外觀成形等焊接工藝有利第九章1、何謂沉淀脫氧？試述生產(chǎn)中常用的幾種沉淀脫氧反應(yīng)。答：（1）沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和熔池中的FeO起作用，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物，并析出轉(zhuǎn)入熔渣的一種脫氧方式。（2）生產(chǎn)中幾種常用的沉淀脫氧反應(yīng)： a 錳的脫氧反應(yīng)，Mn+FeO=Fe+(MnO) b 硅的脫氧反應(yīng)，Si+2

13、FeO=2Fe+(SiO2) c 硅錳聯(lián)合脫氧反應(yīng)。2、試述鑄造與焊接冶金工藝中常用的脫氧方式及特點(diǎn)。答：（1）先期脫氧 熔焊過程中先期脫氧的特點(diǎn)是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與高溫的液態(tài)金屬不發(fā)生直接關(guān)系，脫氧產(chǎn)物直接參與造渣。而在一般的熔煉鋼鐵爐中，也存在硅和錳等元素與爐氣中的氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)，生成的氧化物進(jìn)入熔渣，但此時(shí)并不是有目的地為了脫氧。（2）沉淀脫氧 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是脫氧速度快，脫氧徹底。但脫氧產(chǎn)物不能清除時(shí)將增加金屬液中雜質(zhì)的含量。（3） 擴(kuò)散脫氧 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物留在熔渣中，液態(tài)金屬不會(huì)因脫氧而造成夾雜。缺點(diǎn)是擴(kuò)散過程進(jìn)行的緩慢，脫氧時(shí)間長(zhǎng)。 （4）真空脫氧 在一般真空處理?xiàng)l

14、件下，碳只能起到部分脫氧的作用，盡管如此，用碳脫氧，脫氧產(chǎn)物不留在鋼液中，所以對(duì)提高鋼液質(zhì)量有明顯的效用。第十章1、何謂焊接熱循環(huán)？焊接熱循環(huán)的主要特征參數(shù)有那些？（非簡(jiǎn)答題，可能填空或名詞解釋）答：焊接熱循環(huán)：在焊接熱源的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過程，即焊接過程中熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)溫度由低而高，達(dá)到最高值后，又由高而低隨時(shí)間的變化。決定焊接熱循環(huán)特征的主要參數(shù)有以下四個(gè)：（1）加熱速度H焊接熱源的集中程度較高，引起焊接時(shí)的加熱速度增加，較快的加熱速度將使相變過程進(jìn)行的程度不充分，從而影響接頭的組織和力學(xué)性能。（2）最高加熱溫度max也稱為峰值溫度。距焊縫遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)，加

15、熱的最高溫度不同。焊接過程中的高溫使焊縫附近的金屬發(fā)生晶粒長(zhǎng)大和重結(jié)晶，從而改變母材的組織與性能。（3）相變溫度以上的停留時(shí)間tH在相變溫度TH以上停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于奧氏體的均勻化過程，增加奧氏體的穩(wěn)定性，但同時(shí)易使晶粒長(zhǎng)大，引起接頭脆化現(xiàn)象，從而降低接頭的質(zhì)量。（4）冷卻速度C(或冷卻時(shí)間t8 / 5) 冷卻速度是決定焊接熱影響區(qū)組織和性能的重要參數(shù)之一。對(duì)低合金鋼來說，熔合線附近冷卻到540左右的瞬時(shí)冷卻速度是最重要的參數(shù)。也可采用某一溫度范圍內(nèi)的冷卻時(shí)間來表征冷卻的快慢，如800500的冷卻時(shí)間t8 / 5，800300的冷卻時(shí)間t8/3，以及從峰值溫度冷至100的冷卻時(shí)間t100。

16、6焊接熱影響區(qū)的脆化類型有幾種？如何防止？答： 焊接熱影響區(qū)的脆化類型及防止措施：（1）粗晶脆化：對(duì)于某些低合金高強(qiáng)鋼，由于希望出現(xiàn)下貝氏體或低碳馬氏體，可以適當(dāng)降低焊接線能量和提高冷卻速度，從而起到改善粗晶區(qū)韌性的作用，提高抗脆能力。高碳低合金高強(qiáng)鋼與此相反，提高冷卻速度會(huì)促使生成孿晶馬氏體，使脆性增大。所以，應(yīng)采用適當(dāng)提高焊接線能量和降低冷卻速度的工藝措施。（2）析出脆化：控制加熱速度和冷卻速度，加入一些合金元素阻止碳化物，氮化物等的析出。（3）組織脆化：控制冷卻速度，中等的冷速才能形成M-A組元，冷速太快和太慢都不能產(chǎn)生M-A組元氏體(孿晶馬氏體)；控制合金元素的含量，合金化程度較高時(shí)，

17、奧氏體的穩(wěn)定性較大，因而不易分解而形成M-A組元；控制母材的含碳量，選用合適含碳量的材料。（4）HAZ 的熱應(yīng)變時(shí)效脆化(HSE): 焊接接頭的HSE往往是靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的綜合作用的結(jié)果。盡量使焊接接頭無缺口，從而減輕動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效脆化程度；采用合適的冷作工序，靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效脆化的程度取決于鋼材在焊前所受到的預(yù)應(yīng)變量以及軋制、彎曲、沖孔、剪切、校直、滾圓等冷作工序。焊接工藝上控制加熱速度和最高加熱溫度以及焊接線能量。第十一章（三選二）9、分析縮孔的形成過程，說明縮孔與縮松的形成條件及形成原因的異同點(diǎn)。答：純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及里逐層凝固的方

18、式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發(fā)生的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，從而在鑄件最后凝固的部位形成尺寸較大的集中縮孔。其形成過程如下圖所示。鑄件中縮孔形成過程示意圖從圖中可以看出，液態(tài)金屬充滿型腔后，由于鑄型的吸熱作用，其溫度下降，產(chǎn)生液態(tài)收縮。此時(shí)，液態(tài)金屬可通過澆注系統(tǒng)得到補(bǔ)充，因而型腔始終保持充滿狀態(tài)（圖a）。當(dāng)鑄件外表溫度降至凝固溫度時(shí)，鑄件表面就凝固成一層固態(tài)外殼，并將內(nèi)部液體包住（圖b）。這時(shí)，內(nèi)澆口已經(jīng)凝結(jié)。當(dāng)鑄件進(jìn)一步冷卻時(shí)，殼內(nèi)的液態(tài)金屬因溫度降低一方面產(chǎn)生液態(tài)收縮，另一方面繼續(xù)凝固使殼層增厚并產(chǎn)生凝固收縮；與此同時(shí)，殼層金屬也因溫度降低而發(fā)生固態(tài)收縮。如果液態(tài)收縮和凝固收

19、縮造成的體積縮減等于固態(tài)收縮引起的體積縮減，則殼層金屬和內(nèi)部液態(tài)金屬將緊密接觸，不會(huì)產(chǎn)生縮孔。但是，由于金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮大于殼層的固態(tài)收縮，殼內(nèi)液體與外殼頂面將發(fā)生脫離（圖c）。隨著冷卻的進(jìn)行，固態(tài)殼層不斷加厚，內(nèi)部液面不斷下降。當(dāng)金屬全部凝固后，在鑄件上部就形成了一個(gè)倒錐形的縮孔（圖d）。形成縮松和縮孔的基本原因是相同的，即金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮。但形成條件是不同的：產(chǎn)生縮孔的條件是鑄件由表及里逐層凝固。形成縮松的條件是金屬的結(jié)晶溫度范圍較寬，傾向于體積凝固或同時(shí)凝固方式。10、分析灰鑄鐵和球墨鑄鐵產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向性及影響因素。答：灰鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過程中會(huì)

20、析出石墨相而產(chǎn)生體積膨脹，因此其縮孔和縮松的形成比一般合金復(fù)雜?；诣T鐵和球墨鑄鐵凝固的共同特點(diǎn)是，初生奧氏體枝晶能迅速布滿鑄件的整個(gè)斷面，而且奧氏體枝晶具有很大的連成骨架的能力。因此，這兩種鑄鐵都有產(chǎn)生縮松的可能性。但是，由于它們的共晶凝固方式和石墨長(zhǎng)大的機(jī)理不同，產(chǎn)生縮孔和縮松的傾向性有很大差別?；诣T鐵共晶團(tuán)中的片狀石墨，與枝晶間的共晶液體直接接觸，因此片狀石墨長(zhǎng)大時(shí)所產(chǎn)生的體積膨脹大部分作用在所接觸的晶間液體上，迫使它們通過枝晶間的通道去充填?yuàn)W氏體枝晶間因液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的小孔洞，從而大大降低了灰鑄鐵產(chǎn)生縮松的嚴(yán)重程度。這就是灰鑄鐵的所謂“自補(bǔ)縮能力”。球墨鑄鐵在凝固中后期，石墨球長(zhǎng)大到一定程度后，四周形成奧氏體外殼，碳原子通過奧氏體外殼擴(kuò)散到共晶團(tuán)中使石墨球長(zhǎng)大。當(dāng)共晶團(tuán)長(zhǎng)大到相互接觸后，石墨化膨脹所產(chǎn)生的膨脹力，只有一小部分作用在晶間液體上，而大部分作用在相鄰的共晶團(tuán)上或奧氏體枝晶上，趨向于把它們擠開。因此，球墨鑄鐵的縮前膨脹比灰鑄鐵大得多。隨著石墨球的長(zhǎng)大，共晶團(tuán)之間的間隙逐步擴(kuò)大，并使鑄件普遍膨脹。共晶團(tuán)之間的間隙就是球墨鑄鐵的顯微縮松，而共晶團(tuán)集團(tuán)之間的間隙則構(gòu)成鑄件的