材料成形理論基礎(chǔ)習(xí)題

1、材料成形理論基礎(chǔ)習(xí)題第一部分 液態(tài)金屬凝固學(xué)2.1 純金屬和實(shí)際合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)有何不同？舉例說(shuō)明。2.2 液態(tài)金屬的表面張力和界面張力有何不同？表面張力和附加壓力有何關(guān)系？2.3 液態(tài)合金的流動(dòng)性和沖型能力有何異同？如何提高液態(tài)金屬的沖型能力/2.4 鋼液對(duì)鑄型不浸潤(rùn)，180，鑄型砂粒間的間隙為0.1cm，鋼液在1520時(shí)的表面張力=1.5N/m,密度液7500kg/m3。求產(chǎn)生機(jī)械粘砂的臨界壓力；欲使鋼液不粘入鑄 型而產(chǎn)生機(jī)械粘砂，所允許的壓頭H值是多少？2.5 根據(jù)Stokes公式計(jì)算鋼液中非金屬夾雜物MnO的上浮速度，已知鋼液溫度為1500，2, 液=7500kg/m3,MnO=5400

2、 kg/m3,MnO呈球行，其半徑r0.1mm。3.1 設(shè)想液體在凝固時(shí)形成的臨界核心是邊長(zhǎng)為a*的立方體形狀;(1)求均質(zhì)形核時(shí)的a*和G*的關(guān)系式。(2)證明在相同過(guò)冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核較立方形晶核更易形成。3.2 設(shè)Ni的最大過(guò)冷度為319，求G*均和r*均，已知m1453。L-1870J/mol，LC=2.2510-5J/cm2,摩爾體積為6.6cm3.3.3 什么樣的界面才能成為異質(zhì)結(jié)晶核心的基底？3.4 闡述影響晶體生長(zhǎng)的因素。4.1 用Chvorinov公式計(jì)算凝固時(shí)間時(shí)，誤差來(lái)源于哪幾方面？半徑相同的圓柱和球體哪個(gè)誤差大？大鑄型和小鑄型哪個(gè)誤差大？金屬型和砂型哪個(gè)誤差大?

3、4.2 立方體、等邊圓柱和球形冒口，試證明球形冒口的補(bǔ)縮能力最強(qiáng)。4.3 焊接熔池有何特征？對(duì)凝固過(guò)程有何影響？4.4 何謂凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配？它受哪些因素的影響？4.5 設(shè)狀態(tài)圖中液相線和固相線為直線，證明平衡常數(shù)k0Const。4.6 Al-Cu相圖的主要參數(shù)為CE33%Cu,=5.65, Tm660,TE548。用Al1Cu合金澆一細(xì)長(zhǎng)試樣，使其從左至右單向凝固，冷卻速度足以保持固液界面為平界 面，當(dāng)固相無(wú)Cu擴(kuò)散，液相中Cu充分混合時(shí)，求：(1)凝固10時(shí)，固液界面的CS*和CL*。(2)共晶體所占的比例。(3)畫(huà)出沿試棒長(zhǎng)度方向Cu的分布曲線，并標(biāo)明各特征值。5.1 何謂熱過(guò)冷和成

4、分過(guò)冷？成分過(guò)冷的本質(zhì)是什么/5.2 影響成分過(guò)冷的因素有哪些？哪些是屬于可控制的工藝因素？成分過(guò)冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式有何影響？晶體的生長(zhǎng)方式只受成分過(guò)冷的影響嗎？5.3 影響成分過(guò)冷范圍的因素有哪些？它對(duì)材質(zhì)或成形產(chǎn)品（鑄件）的質(zhì)量有何影響？5.4 影響枝晶間距的主要因素是什么？枝晶間距與材質(zhì)的質(zhì)量有何關(guān)系？6.1 在普通工業(yè)條件下為什么非共晶成分的合金往往能獲得100的共晶組織？用相圖說(shuō)明之。這與單相合金固相無(wú)擴(kuò)散、液相均勻混合凝固產(chǎn)生的共晶組織有何不同？6.2 小面非小平面共晶生長(zhǎng)的最大特點(diǎn)是什么？它與變質(zhì)處理有何關(guān)系？6.3 Mg、S、O等元素如何影響鑄鐵中石墨的生長(zhǎng)。7.1 界面作用對(duì)

5、人工復(fù)合材料的凝固有何影響/7.2 任意一種共晶合金能制取自生復(fù)合材料嗎？為什么？8.1 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？8.2 常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機(jī)理如何？8.3 試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細(xì)等軸晶的常用方法。8.4 何謂“孕育衰退”，如何防止？9.1 說(shuō)明焊接定義，焊接的物理本質(zhì)是什么？采取哪些工藝措施可以實(shí)現(xiàn)焊接？9.2 傳統(tǒng)上焊接方法分為哪三大類？說(shuō)明熔焊的定義。9.3 如何控制焊縫金屬的組織和性能？9.4 給出HAZ的概念。焊接接頭由哪三部分組成？10.1 何為快速凝固，其基本原理是什么？10.2 定向凝固技術(shù)有哪些應(yīng)用？第

6、二部分 連接成形1、簡(jiǎn)述焊接時(shí)加熱和加壓的作用？2、簡(jiǎn)述焊接熔池的凝固組織形態(tài)并分析結(jié)晶速度、溫度梯度和溶質(zhì)濃度對(duì)組織形態(tài)的影響。3、試述影響焊接熱裂紋的形成因素及防止措施。4、以低碳鋼為例，試述焊接熱影響區(qū)的組織與性能的變化。5、什么是熔合比？試分析手工電弧焊時(shí)，熔合比對(duì)焊縫成分的影響。6、簡(jiǎn)述產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的原因及消除或減少殘余應(yīng)力與變形的方法。第三部分 塑性力學(xué)1、設(shè)有一高為H的長(zhǎng)方體均勻變形，已知頂端質(zhì)點(diǎn)的小量級(jí)的壓下量為，底面的質(zhì)點(diǎn)靜止不動(dòng)，將中心線取作Oz軸，O為底面的形心，Ox軸與Oy軸分別平行于長(zhǎng)方體的兩條水平橫線，試由體積不變這一條件出發(fā)，證明該長(zhǎng)方體的位移場(chǎng)為 2、設(shè)有

7、一高為H的圓柱體，先均勻拉伸到2H，再均勻壓縮回H，設(shè)在變形過(guò)程中體積保持不變，試分別求出這兩個(gè)階段的對(duì)數(shù)應(yīng)變、等效對(duì)數(shù)應(yīng)變及最終的對(duì)數(shù)應(yīng)變、等效對(duì)數(shù)應(yīng)變？3、設(shè)薄球殼的半徑為R，厚度為t（），承受內(nèi)壓P，試用Mises屈服準(zhǔn)則求薄球殼屈服時(shí)的內(nèi)壓P？4、有一剛塑性硬化材料，其硬化曲線、也即等效應(yīng)力應(yīng)變曲線為。質(zhì)點(diǎn)承受兩向壓力，應(yīng)力主軸始終不變。試按下列兩種加載路線分別求出最終的塑性全量主應(yīng)變：a） 主應(yīng)力從0開(kāi)始直接按比例加載到最終主應(yīng)力狀態(tài)為（300，0，-200）MPa。b） 主應(yīng)力從0開(kāi)始按比例加載到（150，0，100）MPa，然后按比例變載到（300，0，-200）MPa。5、已知

8、剛塑性變形體中的某質(zhì)點(diǎn)處的平面應(yīng)力張量為MPa，應(yīng)變分量（為一微量），試求應(yīng)變?cè)隽繌埩考八苄怨υ隽棵芏取?、設(shè)有薄壁圓筒，半徑為r，兩端面是半徑為r的薄壁半球殼，設(shè)壁厚全部為t，承受內(nèi)壓p。設(shè)圓筒為Mises剛塑性材料，屈服應(yīng)力為。試求：（1）不計(jì)徑向應(yīng)力，確定圓筒與半球殼哪一部分先屈服？（2）設(shè)屈服時(shí)的等效應(yīng)變?cè)隽繛椋嚽髮?duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽繌埩浚?、設(shè)圓柱體在平行砧板之間鐓粗，高度為H，半徑為R0，真實(shí)應(yīng)力為，摩擦應(yīng)力為，試用主應(yīng)力法求鐓粗時(shí)的的單位流動(dòng)壓力。8、大圓柱拉深為小圓筒，如圖示，設(shè)變形只發(fā)生在工件的圓錐面上，錐面與軸線的夾角為，不計(jì)接觸面上的摩擦應(yīng)力，且忽略凹模出口處的彎曲效應(yīng)，圓筒

9、的t且在拉深時(shí)保持不變，試用主應(yīng)力法求拉深力？第一部分：液態(tài)金屬凝固學(xué)2.1 答：（1）純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)、游離原子、空穴或裂紋組成。原子集團(tuán)的空穴或裂紋內(nèi)分布著排列無(wú)規(guī)則的游離的原子，這樣的結(jié)構(gòu)處于瞬息萬(wàn)變的狀態(tài)，液體內(nèi)部存在著能量起伏。（2）實(shí)際的液態(tài)合金是由各種成分的原子集團(tuán)、游離原子、空穴、裂紋、雜質(zhì)氣泡組成的魚(yú)目混珠的“混濁”液體，也就是說(shuō)，實(shí)際的液態(tài)合金除了存在能量起伏外還存在結(jié)構(gòu)起伏。2.2 答：液態(tài)金屬的表面張力是界面張力的一個(gè)特例。表面張力對(duì)應(yīng)于液氣的交界面，而界面張力對(duì)應(yīng)于固液、液氣、固固、固氣、液液、氣氣的交界面。表面張力和界面張力的關(guān)系如（1）2/r,因表面張

10、力而長(zhǎng)生的曲面為球面時(shí)，r為球面的半徑；（2）（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分別為曲面的曲率半徑。 附加壓力是因?yàn)橐好鎻澢笥杀砻鎻埩σ鸬摹?.3答：液態(tài)金屬的流動(dòng)性和沖型能力都是影響成形產(chǎn)品質(zhì)量的因素；不同點(diǎn)：流動(dòng)性是確定條件下的沖型能力，它是液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力，由液態(tài)合金的成分、溫度、雜質(zhì)含量決定，與外界因素?zé)o關(guān)。而沖型能力首先取決于流動(dòng)性，同時(shí)又與鑄件結(jié)構(gòu)、澆注條件及鑄型等條件有關(guān)。提高液態(tài)金屬的沖型能力的措施：（1）金屬性質(zhì)方面：改善合金成分；結(jié)晶潛熱L要大；比熱、密度、導(dǎo)熱系大;粘度、表面張力大。（2）鑄型性質(zhì)方面：蓄熱系數(shù)大；適當(dāng)提高鑄型溫度；提高透氣性。（3）澆注條

11、件方面：提高澆注溫度；提高澆注壓力。（4）鑄件結(jié)構(gòu)方面：在保證質(zhì)量的前提下盡可能減小鑄件厚度； 降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。2.4 解： 澆注模型如下： 則產(chǎn)生機(jī)械粘砂的臨界壓力 2/r顯然 r0.1cm0.05cm則 6000Pa不產(chǎn)生機(jī)械粘砂所允許的壓頭為H/（液*g）0.08m2.5 解： 由Stokes公式:上浮速度 r為球形雜質(zhì)半徑，1為液態(tài)金屬重度，2為雜質(zhì)重度，為液態(tài)金屬粘度1g*液10*7500750002g2*MnO10*540054000所以上浮速度 v9.5mm/s3.1解：（1）對(duì)于立方形晶核 G方a3Gv+6a2令dG方/da0 即 3a2Gv+12a0，則臨界晶核尺寸a*4/

12、Gv，得Gv，代入G方*a*3Gv6 a*2Gv a*2Gv均質(zhì)形核時(shí)a*和G方*關(guān)系式為：G方* a*3Gv（2）對(duì)于球形晶核G球*r*3Gv+4r*2臨界晶核半徑r*2/Gv，則G球*r*3Gv所以G球*/G方*r*3Gv/( a*3Gv)將r*2/Gv，a*4/Gv代入上式，得G球*/G方*/61，即G球*0時(shí)，晶體生長(zhǎng)以平面方式生長(zhǎng)；如果GL0，晶體以樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)。4.1答：用Chvorinov公式計(jì)算凝固時(shí)間時(shí)，誤差來(lái)源于鑄件的形狀、鑄件結(jié)構(gòu)、熱物理參數(shù)澆注條件等方面。半徑相同的圓柱和球體比較，前者的誤差大；大鑄件和小鑄件比較，后者誤差大；金屬型和砂型比較，后者誤差大，因?yàn)楹笳叩臒?/p>

13、物性參數(shù)隨溫度變化較快。4.2答：鑄件凝固時(shí)間t,R為折算厚度，K為凝固系數(shù)，又由于R，在相同體積的條件下，立方體。等邊圓柱和球三者中，球的表面積最小，所以球的折算厚度R最大，則球形冒口的凝固時(shí)間t最大，最有利于補(bǔ)縮。4.3解：焊接熔池的特征：（1）熔池體積??；（2）熔池溫度高；（3）熔池金屬處于流動(dòng)狀態(tài)；（4）熔池界面的導(dǎo)熱條件好，焊接熔池周?chē)哪覆呐c熔池間沒(méi)有間隙。焊接熔池對(duì)凝固過(guò)程的影響：(1)母材作為新相晶核的基底，使新相形核所需能量小，出現(xiàn)非均勻形核產(chǎn)生聯(lián)生結(jié)晶（外延結(jié)晶）；(2)熔池金屬是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)凝固的，焊縫的柱狀晶總是朝向焊接方向并且向焊縫中心生長(zhǎng)，即對(duì)向生長(zhǎng)； (3)焊接熔池

14、的實(shí)際凝固過(guò)程并不是連續(xù)的，柱狀晶的生長(zhǎng)速度變化不是十分有規(guī)律。4.4解：溶質(zhì)再分配：合金凝固時(shí)液相內(nèi)的溶質(zhì)一部分進(jìn)入固相，另一部分進(jìn)入液相，溶質(zhì)傳輸使溶質(zhì)在固液界面兩側(cè)的固相和液相中進(jìn)行再分配。 影響溶質(zhì)再分配的因素有熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件。4.5解： 設(shè)液相線和固相線的斜率分別為和， 如上圖：液相線：T*Tm (Cl*-0) 固相線：T*Tm (Cs*-0) 得：1即 k0由于、均為常數(shù)，故k0Const.4.5解： （1）溶質(zhì)分配系數(shù) k0=0.171 當(dāng)10時(shí)，有 0.171*1*（110）0.1871.09（2）設(shè)共晶體所占的比例為，則則0.12（1） 沿試棒的長(zhǎng)度方向Cu的分布曲線

15、圖如下：5.1答：金屬凝固時(shí)，完全由熱擴(kuò)散控制，這樣的過(guò)冷稱為熱過(guò)冷；由固液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過(guò)冷稱為成分過(guò)冷. 成分過(guò)冷的本質(zhì)：由于固液界面前方溶質(zhì)富集而引起溶質(zhì)再分配，界面處溶質(zhì)含量最高，離界面越遠(yuǎn)，溶質(zhì)含量越低。由結(jié)晶相圖可知，固液界面前方理論凝固溫度降低，實(shí)際溫度和理論凝固溫度之間就產(chǎn)生了一個(gè)附加溫度差T，即成分過(guò)冷度，這也是凝固的動(dòng)力。5.2答：影響成分過(guò)冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工藝因素為DL。 過(guò)冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式的影響：當(dāng)稍有成分過(guò)冷時(shí)為胞狀生長(zhǎng)，隨著成分過(guò)冷的增大，晶體由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹А⒅鶢顦?shù)枝晶和自由樹(shù)枝晶，無(wú)成分過(guò)冷時(shí)，以平面方式或樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)。晶體的