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材料成型原理 复习题 第二章第二章 材料成形热过程材料成形热过程 1 与热处理相比 焊接热过程有哪些特点 答 1 焊接过程热源集中 局部加热温度高 2 焊接热过程的瞬时性 加热速度快 高温停留时间短 3 热源的运动性 加热区域不断变化 传热过程不稳定 2 影响焊接温度场的因素有哪些 试举例分别加以说明 热源的性质 焊接工艺参数 被焊金属的热物理性质 焊件的板厚和形状 3 何谓焊接热循环 答 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 即焊接过程中 热源沿焊件移动时 焊件上某点温度由低而高 达到最高值后 又由高而低随时间的变化 焊接热循环具有加热速度快 峰值温度高 冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特 点 3 焊接热循环的主要参数有哪些 它们对焊接有何影响 加热速度 峰值温度 高温停留时间 冷却速度 或 冷却时间 决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个 1 加热速度 H 焊接热源的集中程度较高 引起焊接时的加热速度增加 较快的加热速 度将使相变过程进行的程度不充分 从而影响接头的组织和力学性能 2 峰值温度 max 距焊缝远近不同的点 加热的最高温度不同 焊接过程中的高温使焊 缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶 从而改变母材的组织与性能 3 相变温度以上的停留时间 tH 在相变温度 TH以上停留时间越长 越有利于奥氏体的均匀 化过程 增加奥氏体的稳定性 但同时易使晶粒长大 引起接头脆化现象 从而降低接头的质量 4 冷却速度 C 或冷却时间t8 5 冷却速度 是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一 对低合金钢来说 熔合线附近冷却到 540 左右的瞬时冷却速度是最重要的参数 也可采用某一温 度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢 如 800 500 的冷却时间 t8 5 800 300 的冷却时间 t8 3 以及从峰值温度冷至 100 的冷却时间 t100 5 焊接热循环中冷却时间 的含义是什么 5 8 t 3 8 t 100 t 焊接热循环中的冷却时间表示从 800 C 冷却到 500 C 的冷却时间 5 8 t 焊接热循环中的冷却时间表示从 800 C 冷却到 300 C 的冷却时间 3 8 t 焊接热循环中的冷却时间表示从峰值冷却到 100 C 的冷却时间 100 t 6 影响焊接热循环的因素有哪些 试分别予以说明 焊接热输入的影响 预热温度的影响 焊件形状尺寸的影响 接头形式的影响 焊道长度的影响 冷却条件的影响 8 已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为 导热系数 46 5 W m K 比热 容 C 460 5 J kg K 密度 7850 kg m3 取浇铸温度为 1570 铸型的初始温 度为 20 试求该铸件在砂型和金属型铸模 铸型壁均足够厚 中浇铸后 0 2h 时刻 铸型表面和距铸型表面 0 1m 处的温度并作分析比较 铸型的有关热物性参数见表 2 2 解 1 砂型 12965 639 1111 cb 2222 cb 界面温度 1497 21 202101 bb TbTb Ti 铸件的热扩散率 1 3 10 5 m2 s c a 1 根据公式 分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见 ta x TTTT ii 1 101 2 erf 表 1 表 1 铸件在砂型中凝固时的温度分布 与铸型表面距离 m 00 020 040 060 080 10 t 0 02h 时 149715231545155915661569 温度 t 0 20h 时 149715051513152115281535 根据表 1 结果做出相应温度分布曲线见图 1 2 金属型 12965 15434 1111 cb 2222 cb 界面温度 727 6 21 202101 bb TbTb Ti 同理可分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表 2 与图 2 表 2 铸件在金属型中凝固时的温度分布 与铸型表面距离 m 00 020 040 060 080 10 t 0 02h 时 727 610301277143815201555 温度 t 0 20h 时 727 6823915100510801159 3 分析 采用砂型时 铸件金属的冷却速度慢 温度梯度分布平坦 与铸型界面处的温度高 而采用金属铸型时相反 原因在于砂型的蓄热系数 b 比金属铸型小得多 9 凝固速度对铸件凝固组织 性能与凝固缺陷的产生有重要影响 试分析可以通过哪 些工艺措施来改变或控制凝固速度 解 改变铸件的浇注温度 浇铸方式与浇铸速度 选用适当的铸型材料和起始 预热 温度 在铸型中适当布置冷铁 冒口与浇口 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料 10 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 解 一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为 图 1 铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线图 2 铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线 t 0 02h t 0 0h A球 A块 A板t块 t板 t杆 11 右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状 其厚度为 30mm 利用 模数法 分析砂 型铸造时底座的最后凝固部位 并估计凝固终了时间 解 将底座分割成 A B C D 四类规则几何体 见右下图 查表 2 3 得 K 0 72 mincm 对 A 有 RA VA AA 1 23cm A RA KA 2 9min 对 B 有 RB VB AB 1 33cm B RB KB 3 4min 对 C 有 RC VC AC 1 2cm C RC KC 2 57min 对 D 有 RD VD AD 1 26cm D RD KD 3 06min 因此最后凝固部位为底座中肋 B 处 凝固终了时间为 3 4 分钟 12 对于低碳钢薄板 采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形 背面均匀焊透 采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果 为什么 解 采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿 这是因为不锈钢材料的导热性能 比低碳钢差 电弧热无法及时散开的缘故 相反 采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透 这是因为铝材的导热能力优 于低碳钢的缘故 13 何谓焊接热循环 焊接热循环的主要特征参数有那些 答 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 即焊接过程中热源 沿焊件移动时 焊件上某点温度由低而高 达到最高值后 又由高而低随时间的变化 14 焊接热循环对母材金属近缝区的组织 性能有何影响 怎样利用热循环和其他工艺措施改善 A A A A B B CC CC DD D 1000 160 160 60 0 120 HAZ 的组织性能 答 1 对组织的影响 A 不易淬火钢的热影响区组织 在一般的熔焊条件下 不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征 可分 为以下四个区 1 熔合区 焊缝与母材之间的过渡区域 范围很窄 常常只有几个晶粒 具有明显的化学成分 不均匀性 2 过热区 粗晶区 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度 约为 1100 左右 范围内 的区域叫过热区 由于金属处于过热的状态 奥氏体晶粒发生严重的粗化 冷却后得到粗大的组织 并极易出现脆性的魏氏组织 3 相变重结晶区 正火区或细晶区 该区的母材金属被加热到 AC3至 1100 左右温度范围 其 中铁素体和珠光体将发生重结晶 全部转变为奥氏体 形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光 体 然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体 相当于热处理时的正火组织 故亦 称正火区 4 不完全重结晶区 焊接时处于 AC1 AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区 因为处 于 AC1 AC3范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程 成为晶粒细小的铁素体和珠光体 而 另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体 由于未经重结晶仍保留粗大晶粒 B 易淬火钢的热影响区组织 母材焊前是正火状态或退火状态 则焊后热影响区可分为 1 完全淬火区 焊接时热影响区处于 AC3以上的区域 在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位 由 于晶粒严重粗化 得到粗大的马氏体 相当于正火区的部位得到细小的马氏体 2 不完全淬火区 母材被加热到 AC1 AC3温度之间的热影响区 快速加热和冷却过程得到马氏体 和铁素体的混合组织 含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时 其组织可能为索氏体或珠光体 母材焊前是调质状态 则焊接热影响区的组织分布除上述两个外 还有一个回火软化区 在回 火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度 若焊前调质时回火温度为 Tt 低 于此温度的部位 组织性能不发生变化 高于此温度的部位 组织性能将发生变化 出现软化 若 焊前为淬火态 紧靠 Ac1 的部位得到回火索氏体 离焊缝较远的区域得到回火马氏体 2 对性能的影响 使HAZ发生硬化 脆化 粗晶脆化 析出脆化 组织转变脆化 热应变时效脆化 氢脆以及石墨 脆化等 韧化 软化等 3 改善 HAZ 组织性能的措施 1 母材焊后选择合理的热处理方法 调质 淬火等 2 选择合适的板厚 接头形式及焊接方法等 3 控制焊接线能量 冷却速度和加热速度 15 焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同 答 焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比 其基本原理是相同的 但 由于焊接过程的特殊性 使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点 焊接热过程概括起来有以下六个特点 1 一般热处理时加热温度最高在 AC3以上l00 200 而焊接时加热温度远超过 AC3 在熔合线附近 可达l350 l400 2 焊接时由于采用的热源强烈集中 故加热速度比热处理时要快得多 往往超过几十倍甚至几百倍 3 焊接时由于热循环的特点 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 而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间 4 在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温 然而在焊接时 一般都是在自然条件下连续冷却 个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理 5 焊接加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变 而热处理过程一般不会出现 6 焊接过程中 在应力状态下进行组织转变 而热处理过程不是很明显 所以焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性 此外 焊接过程的快速加热 首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高 加热速 度越快 不仅被焊金属的相变点 AC1和 AC3提高幅度增大 而且 AC1和 AC3之间的间隔也越大 加热 速度还影响奥氏体的形成过程 特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响 由于奥氏体的均质 化过程属于扩散过程 因此加热速度快 相变点以上停留时间短 不利于扩散过程的进行 从而均 质化的程度很差 这一过程必然影响冷却过程的组织转变 焊接过程属于非平衡热力学过程 在这种情况下 随着冷却速度增大 平衡状态图上各相变点 和温度线均发生偏移 在焊接连续冷却条件下 过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行 如珠光体的 成分 由 w C 0 8 而变成一个成分范围 形成伪共析组织 此外 贝氏体 马氏体也都是处在非 平衡条件下的组织 种类繁多 这与焊接时快速加热 高温 连续冷却等因素有关 16 在相同的条件下焊接 45 钢和 40Cr 钢 哪一种钢的近缝区淬硬倾向大 为什么 答 在相同条件下 40Cr 的淬硬大 根据金属学原理可知 碳化物合金元素 如 Cr Mo Ti Nb 等 只有他们充分溶解在奥氏体的内部才会增加奥氏体的稳定性 既 增加淬硬倾向 在焊接条件下 由于速度快 高温停留时间短 导致这些合金元素不 能充分溶解造成淬硬倾向 不含碳化物合金元素的钢如 45 钢 不存在碳化物的溶解过 程 另一方面近缝区组织易粗化 相比较之下淬硬向要小于 40Cr 钢 例如 40Cr 钢在 36 可得到 100 的马氏体 而 45 钢在 60 下也只得到 98 的马氏体 17 焊接热影响区的脆化类型有几种 如何防止 答 焊接热影响区的脆化类型及防止措施 1 粗晶脆化 对于某些低合金高强钢 由于希望出现下贝氏体或低碳马氏体 可以适当降低焊 接线能量和提高冷却速度 从而起到改善粗晶区韧性的作用 提高抗脆能力 高碳低合金高强钢与此相 反 提高冷却速度会促使生成孪晶马氏体 使脆性增大 所以 应采用适当提高焊接线能量和降低冷却 速度的工艺措施 2 析出脆化 控制加热速度和冷却速度 加入一些合金元素阻止碳化物 氮化物等的析出 3 组织脆化 控制冷却速度 中等的冷速才能形成 M A组元 冷速太快和太慢都不能产生 M A组元 氏体 孪晶马氏体 控制合金元素的含量 合金化程度较高时 奥氏体的稳定性较大 因而不易分解而形成 M A组元 控制母材的含碳量 选用合适含碳量的材料 4 HAZ 的热应变时效脆化 HSE 焊接接头的 HSE 往往是静态应变时效和动态应变时效的综合 作用的结果 尽量使焊接接头无缺口 从而减轻动态应变时效脆化程度 采用合适的冷作工序 静 态应变时效脆化的程度取决于钢材在焊前所受到的预应变量以及轧制 弯曲 冲孔 剪切 校直 滚圆 等冷作工序 焊接工艺上控制加热速度和最高加热温度以及焊接线能量 18 分述低碳钢焊接热影响区各区域的温度区间 组织及性能特点 答 低碳钢属不易淬火钢 其焊接热影响区可分为熔合区 过热区 相变重结晶区和不完全重结晶 区 1 熔合区 温度在固液相线之间 具有明显的化学成分不均匀性 导致组织 性能不均匀 影响 焊接接头的强度 韧性 是焊热影响区性能最差的区域 2 过热区 温度为从固相线到晶粒急剧生长温度 约 1100 之间 因为存在很大的过热 该区 奥氏体严重粗化 冷却后得到粗大组织 并且出现脆性的魏氏组织 因此 塑 韧性很差 3 相变重结晶区 温度 从晶粒急剧生长温度 1100 到 AC3 加热过程中 铁素体和珠光体 全部发生重结晶转变为细小奥氏体 冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体 组织 成分均匀 塑 韧性极好 类似于正火组织 亦称 正火区 是热影响区中组织性能最佳的区域 4 不完全重结晶区 温度 AC1 AC3 在此温度范围内 只有一部分铁素体和珠光体发生了相变 重结晶 冷却形成了细小的铁素体和珠光体 而另一部分为未转变的原始铁素体 因此 晶粒大小 不一 形成的组织不均匀 导致力学性能不均匀 判断题 1 与金属型比较 采用砂型铸件金属的冷却速度慢 温度梯度分布平坦 与铸型 界面处的温度高 2 低碳钢焊接熔合区 具有明显的化学成分不均匀性 导致组织 性能不均匀 影响焊接接头的强度 韧性 是焊热影响区性能最差的区域 3 焊接热循环中的冷却时间表示从峰值冷却到 100 C 的冷却时间 100 t 4 稳定温度场通常是指温度场内各点的温度不随时间而变的温度场 5 同样体积大小相同的情况下 球状铸件的凝固时间大于块状铸件的凝固时间 第第 3 3 章章 金属的凝固金属的凝固 1 试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别 并分析合金成分及结晶潜热对充型能力的影 响规律 答 1 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 简称为液态金属充型能力 液态金属本身的流动能力称为 流动性 是液态金属的工 艺性能之一 液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力 同时又受外界条件 如铸型性 质 浇注条件 铸件结构等因素的影响 是各种因素的综合反映 在工程应用及研究中 通常 在相同的条件下 如相同的铸型性质 浇注系统 以及浇注时控 制合金液相同过热度 等等 浇注各种合金的流动性试样 以试样的长度表示该合金的流动性 并 以所测得的合金流动性表示合金的充型能力 因此可以认为 合金的流动性是在确定条件下的充型 能力 对于同一种合金 也可以用流动性试样研究各铸造工艺因素对其充型能力的影响 2 合金的化学成分决定了结晶温度范围 与流动性之间存在一定的规律 一般而言 在流动 性曲线上 对应着纯金属 共晶成分和金属间化合物之处流动性最好 流动性随着结晶温度范围的 增大而下降 在结晶温度范围最大处流动性最差 也就是说充型能力随着结晶温度范围的增大而越 来越差 因为对于纯金属 共晶和金属间化合物成分的合金 在固定的凝固温度下 已凝固的固相 层由表面逐步向内部推进 固相层内表面比较光滑 对液体的流动阻力小 合金液流动时间长 所 以流动性好 充型能力强 而具有宽结晶温度范围的合金在型腔中流动时 断面上存在着发达的树 枝晶与未凝固的液体相混杂的两相区 金属液流动性不好 充型能力差 3 对于纯金属 共晶和金属间化合物成分的合金 在一般的浇注条件下 放出的潜热越多 凝固过程进行的越慢 流动性越好 充型能力越强 而对于宽结晶温度范围的合金 由于潜热放出 15 20 以后 晶粒就连成网络而停止流动 潜热对充型能力影响不大 但也有例外的情况 由于 Si 晶体结晶潜热为 Al 的 4 倍以上 Al Si 合金由于潜热的影响 最好流动性并不在共晶成分处 2 某飞机制造厂的一牌号 Al Mg 合金 成分确定 机翼因铸造常出现 浇不足 缺陷而报废 如 果你是该厂工程师 请问可采取哪些工艺措施来提高成品率 答 机翼铸造常出现 浇不足 缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的 可采取以下工艺提高 成品率 1 使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力 采用预热铸型 减小金属与铸型的温 差 提高金属液充型能力 2 提高浇注温度 加大充型压头 可以提高金属液的充型能力 3 改善浇注系统 提高金属液的充型能力 3 论述 论述成分过冷与热过冷成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系的涵义以及它们之间的区别和联系 成分过冷的涵义成分过冷的涵义 合金在不平衡凝固时 使液固界面前沿的液相中形成溶质富集层 因富集层中各处的合金成分不同 具有不同的熔点 造成液固前沿的液相处于不同的过 冷状态 这种由于液固界面前沿合金成分不同造成的过冷 热过冷的涵义热过冷的涵义 界面液相侧形成的负温度剃度 使得界面前方获得大于的过冷kT 度 成分过冷与热过冷的区别成分过冷与热过冷的区别 热过冷热过冷是由于液体具有较大的过冷度时 在界面向前推移的情况下 结晶潜热的 释放而产生的负温度梯度所形成的 可出现在纯金属或合金的凝固过程中 一般都生 成树枝晶 成分过冷成分过冷是由溶质富集所产生 只能出现在合金的凝固过程中 其产生的晶体形貌 随成分过冷程度的不同而不同 当过冷程度增大时 固溶体生长方式由无成分过冷时的 平 面晶 依次发展为 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝晶 成分过冷与热过冷的联系成分过冷与热过冷的联系 对于合金凝固 当出现 热过冷 的影响时 必然受 成分过冷 的影响 而且 后者往往更为重要 即使液相一侧不出现负的温度梯度 由于溶质再分配引起界面前 沿的溶质富集 从而导致平衡结晶温度的变化 在负温梯下 合金的情况与纯金属相 似 合金固溶体结晶易于出现树枝晶形貌 4 何为成分过冷判据 何为成分过冷判据 成分过冷的大小受哪些因素的影响成分过冷的大小受哪些因素的影响 答答 成分过冷成分过冷 判据为判据为 R GL N L D R L L L e K K D Cm 0 0 1 1 当 液相只有有限扩散 时 N 代入上式后得 0 CCL R GL 0 00 1 K K D Cm L L 其中 GL 液相中温度梯度 R 晶体生长速度 mL 液相线斜率 C0 原始成分浓度 DL 液相中溶质扩散系数 K0 平衡分配系数 K 成分过冷的大小主要受下列因素的影响成分过冷的大小主要受下列因素的影响 1 液相中温度梯度 GL GL越小 越有利于成分过冷 2 晶体生长速度 R R 越大 越有利于成分过冷 3 液相线斜率 mL mL越大 越有利于成分过冷 4 原始成分浓度 C0 C0越高 越有利于成分过冷 5 液相中溶质扩散系数 DL DL越底 越有利于成分过冷 6 平衡分配系数 K0 K0 1 时 K0 越 小 越有利于成分过冷 K0 1 时 K0越大 越 有利于成分过冷 注 其中的 GL和 R 为工艺因素 相对较易加以控制 mL C0 DL K0 为材料因素 较难控制 5 分别讨论 分别讨论 成分过冷成分过冷 对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响 对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响 答答 成分过冷成分过冷 对单相固溶体组织形貌的影响对单相固溶体组织形貌的影响 随着 成分过冷 程度的增大 固溶体生长方式由无 成分过冷 时的 平面晶 依次发展为 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝晶 成分过冷成分过冷 对共晶凝固组织形貌的影响对共晶凝固组织形貌的影响 1 共晶成分的合金 在冷速较快时 不一定能得到 100 的共晶组织 而是得 到亚共晶或过共晶组织 甚至完全得不到共晶组织 2 有些非共晶成分的合金在冷速较快时反而得到 100 的共晶组织 3 有些非共晶成分的合金 在一定的冷速下 既不出现 100 的共晶组织 也 不出现初晶 共晶的情况 而是出现 离异共晶 6 6 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 答答 铸件的宏观组织通常由激冷晶区 柱状晶区和内部等轴晶区所组成 表面激冷区的形成 当液态金属浇入温度较低的铸型中时 型壁附近熔体由于受 到强烈的激冷作用 产生很大的过冷度而大量非均质生核 这些晶核在过冷熔体中也 以枝晶方式生长 由于其结晶潜热既可从型壁导出 也可向过冷熔体中散失 从而形 成了无方向性的表面细等轴晶组织 柱状晶区的形成 在结晶过程中由于模壁温度的升高 在结晶前沿形成适当的过 冷度 使表面细晶粒区继续长大 也可能直接从型壁处长出 又由于固 液界面处单 向的散热条件 垂直于界面方向 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 以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底 呈枝晶状单向延伸生长 那些主 干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长 在淘汰取向不 利的晶体过程中 发展成柱状晶组织 内部等轴晶的形成 内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果 随着柱状晶的发展 熔体温度降到足够低 再加之金属中杂质等因素的作用 满足了 形核时的过冷度要求 于是在整个液体中开始形核 同时由于散热失去了方向性 晶 体在各个方向上的长大速度是相等的 因此长成了等轴晶 7 7 试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响 试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响 答答 对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配 所以在其沿型壁方向晶体迅速长大 晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固壳 当形成一个整体的凝固壳时 结晶 体再从型壁处游离出来就很困难了 但是如果向金属中添加溶质 则在晶体与型壁 的交汇处将会形成溶质偏析 溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生 脖颈 具有 脖颈 的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳 另一方面 在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断 脖颈 使晶体脱落并游离出去 形成 游离晶 一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖 成为等轴晶的核心 形成等轴晶 从而起到细化晶粒的作用 8 8 液态金属中的流动是如何产生的 流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响 液态金属中的流动是如何产生的 流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响 答答 浇注完毕后 凝固开始阶段 在型壁处形成的晶体 由于其密度或大于母液或小 于母液会产生对流 此外型壁处和铸件心部的熔体温度差也可造成对流 从而使熔 体流动 依靠熔体的流动可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部 并发生 增殖 从而为形成等轴晶提供核心 有利于等轴晶的形成 并细化组织 9 9 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 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 答答 铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的 稳定凝固壳层的形成决定着表面 细晶区向柱状晶区的过度 而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的 形成 因此凡能强化熔体独立生核 促进晶粒游离 以及有助于游离晶的残存与增殖 的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展 从而扩大等轴晶区的范围 并细化等轴 晶组织 细化等轴晶的常用方法 1 合理的浇注工艺 合理降低浇注温度是减少柱状 晶 获得及细化等轴晶的有效措施 通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷 作用 能有效地促进细等轴晶的形成 2 冷却条件的控制 对薄壁铸件 可采用高 蓄热 快热传导能力的铸型 对厚壁铸件 一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶 的形成 再辅以其它晶粒细化措施以得到满意的效果 3 孕育处理 影响生核过程 和促进晶粒游离以细化晶粒 4 动力学细化 铸型振动 超声波振动 液相搅拌 流变 铸造 导致枝晶的破碎或与铸型分离 在液相中形成大量结晶核心 达到细化晶粒的 目的 10 从 型壁晶粒脱落 游离及增殖 观点分析铸件内部等轴晶的形成机理 简述三 种促进及细化等轴晶的工艺措施及其作用机制 答 纯金属晶粒不易从型壁脱落 而液态合金中存在溶质再分配 型壁处激冷晶区中 某些晶粒形成 脖颈 由于浇注过程中液流的冲刷作用 使 脖颈 折断发生晶体 脱落 从而形成游离的晶粒 在液流冲刷 对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属 游离 成为内部等轴晶形核的基底 游离过程中 在低温区域晶粒生长 在高温区域 晶粒可能重熔 晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔断 由一个等轴晶变为几个 等轴晶 发生增殖 细化等轴晶的措施 凡强化晶体生核 促进晶粒游离 增殖的措施均可细化晶粒 例 如 1 合理的浇注工艺和冷却条件 控制较低的合适浇注温度 可防止晶核的重熔消失 改变浇注方式加强对流时对型壁 激冷晶的冲刷作用可促进晶粒游离 细化晶粒 2 孕育处理 在浇注前或浇注过程中向液态金属中加入少量孕育剂 从而提供非均质 形核质点 达到获得细化晶粒 改善宏观组织的目的 3 动力学细化 采用机械震动或电磁震动 导致固相与液相的相对运动 使枝晶破碎 或与铸型分离 常用方法 铸型震动 超声波振动 液相搅拌 流变铸造 1111 试述焊接熔池中金属凝固的特点 试述焊接熔池中金属凝固的特点 答答 熔焊时 在高温热源的作用下 母材发生局部熔化 并与熔化了的焊接材料 相互混合形成熔池 同时进行短暂而复杂的冶金反应 当热源离开后 熔池金属便开 始了凝固 因此 焊接熔池具有以下一些特殊性 1 熔池金属的体积小 冷却速度快 在一般电弧焊条件下 熔池的体积最大也 只有 30cm3 冷却速度通常可达 4 100 s 2 熔池金属中不同区域温差很大 中心部位过热温度最高 熔池金属中温度不 均匀 且过热度较大 尤其是中心部位过热温度最高 非自发形核的原始质点数将大 为减少 3 动态凝固过程 一般熔焊时 熔池是以一定的速度随热源而移动 4 液态金属对流激烈 熔池中存在许多复杂的作用力 使熔池金属产生强烈的 搅拌和对流 在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动 而在熔池底部的流 动方向与之正好相反 这一点有利于熔池金属的混和与纯净 一 填空题一 填空题 1 液态金属或合金中一般存在 起伏 起伏和 起伏 其中在一定过冷度下 临界核心由 起伏提供 临界生核功由 起伏提供 2 影响液态金属界面张力的因素主要有 和 3 纯金属凝固过程中晶体的宏观长大方式可分为 和 两种 其主要取决于界面前沿液相中的 4 金属 合金 凝固过程中由热扩散控制的过冷被称为 5 铸件的宏观凝固组织主要是指 其通常包括 和 三个典型晶区 6 孕育和变质处理是控制金属 合金 铸态组织的主要方法 两者的主要区别在于孕育主要影响 而变质则主要改变 7 液态金属成形过程中在 附近产生的裂纹称为热裂纹 而在 附 近产生的裂纹称为冷裂纹 8 铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历 和 三个收缩阶段 9 铸件凝固组织中的微观偏析可分为 和 等 其均可通过 方法消除 10 铸件中的成分偏析按范围大小可分为 和 两大类 11 液态金属的流动性主要由 和 等决定 12 液态金属 合金 凝固的驱动力由 提供 而凝固时的形核方式有 和 两种 13 铸件凝固过程中采用 和 等物理方法实现动态结晶 可以 有效地细化晶粒组织 14 孕育和变质处理是控制金属 合金 铸态组织的主要方法 两者的主要区别在于孕育主要影响 而变质则主要改变 15 铸件的凝固方式可以分为 逐层凝固 中间凝固 和 体积凝固 三种不同形式 影响合金凝固 方式的两个主要因素是 凝固温度区间 和 界面前沿的温度梯度 16 Jakson因子a可以作为固 液界面微观结构的判据 凡a 2的晶体 其生长界面为 粗糙 凡 a 5的晶体 其生长界面为 光滑 17 在固相无扩散 液相无对流只有有限扩散的条件下 晶体生长速度越 快 平衡分配系数越 小 液相中溶质扩散系数越 慢 越 容易 形成成分过冷 二 判断题二 判断题 1 液态金属的流动性越强 其充型能力越好 2 金属结晶过程中 过冷度越大 则形核率越高 3 稳定温度场通常是指温度场内各点的温度不随时间而变的温度场 4 实际液态金属 合金 凝固过程中的形核方式多为异质形核 5 壁厚不均匀的铸件在凝固过程中 薄壁部位较厚壁部位易出现裂纹 三 名词解释三 名词解释 1 平衡凝固 2 偏析 四 简答题四 简答题 1 简述为什么在铸件凝固过程中降低浇注温度是减少柱状晶 获得等轴晶的有效措施之一 2 什么是缩孔和缩松 请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因 3 从 型壁晶粒脱落 游离及增殖 观点分析铸件内部等轴晶的形成机理 答 纯金属晶粒不易从型壁脱落 而液态合金中存在溶质再分配 型壁处激冷晶区中某些晶粒形成 脖颈 由于浇注过程中液流的冲刷作用 使 脖颈 折断发生晶体脱落 从而形成游离的晶粒 在液流冲刷 对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属游离 成为内部等轴晶形核的基底 游离过 程中 在低温区域晶粒生长 在高温区域晶粒可能重熔 晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔 断 由一个等轴晶变为几个等轴晶 发生增殖 三 选择填空 1 关于均质形核 以下正确的说法是 d a 温度越低 形核的驱动力越大 b 形核功越大 越容易形核 c 温度越高 形核功越小 d 过冷度越大 形核功越小 3 非均质形核与均质形核相比 b a 临界晶核半径更小 b 临界晶核体积更小 c 临界过冷度更大 d a和b 4 在共晶合金的凝固中 可能出现的现象是 d a 非共晶成分的合金也可以得到100 的共晶组织 b 共晶成分的合金 一定可以得到100 的共晶组织 c 共晶成分的合金 也可能得不到100 的共晶组织 d a和c 6 从液态金属与熔渣的相互作用规律 可知 a或b a 碱性熔渣对液态金属的氧化性比酸性熔渣强 b 酸性熔渣对液态金属的氧化性比碱性渣强 c 熔渣对液态金属的氧化性与其含FeO的量有关 而与熔渣的酸碱度无关 d 随着温度的升高 熔渣对液态金属的氧化性减弱 7 生产中用来防止焊接冷裂纹的措施通常是 d a 焊前预热 b 焊后后热 c 选用碱性焊条 d a b和c 8 以下与凝固过程中溶质再分配无关的缺陷是 c a 析出性气孔 b 夹杂 c 缩孔 d 热裂纹 9 以下使铸件在凝固过程中产生缩孔的条件是 a a 逐层凝固方式 b 较低的浇注温度 c 较快的凝固速度 d 较宽的结晶温度范围 10 如图所示的铸件 在凝固冷却到室温后 厚度不同的两 部分中产生的纵向残余应力状态是 b a 中为拉应力 中为压应力 b 中为压应力 中为拉应力 c 和 中均为压应力 d 和 中均为拉应力 第第 4 4 章章 材料成形过程中的化学冶金材料成形过程中的化学冶金 1 1 焊接和铸造过程中的气体来源于何处 它们是如何产生的 焊接和铸造过程中的气体来源于何处 它们是如何产生的 答 焊接区内的气体 焊条药皮 焊剂 焊芯的造气剂 高价氧化物及有机物的分解气体 母材 坡口的油污 油漆 铁锈 水分 空气中的气体 水分 保护气体及其杂质气体 铸造过程中的气体 熔炼过程 气体主要来自各种炉料 炉气 炉衬 工具 熔剂及周围气氛中的 水分 氮 氧 氢 CO2 CO SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等 来自铸型中的气体主要是 型砂中的水分 浇注过程 浇包未烘干 铸型浇注系统设计不当 铸型透气性差 浇注速度控制不 当 型腔内的气体不能及时排除等 都会使气体进入液态金属 2 2 氮 氢 氧对金属的质量有何影响 氮 氢 氧对金属的质量有何影响 答 1 使材料脆化 钢材中氮 氢或氧的含量增加时 其塑性和韧性都将下降 尤其是低温韧性 下降更为严重 2 形成气孔 氮和氢均能使金属产生气孔 液态金属在高温时可以溶解大量的氮或氢 而在凝固 时氮或氢的溶解度突然下降 这时过饱和的氮或氢以气泡的形式从液态金属中向外逸出 当液态金 属的凝固速度大于气泡的逸出速度时 就会形成气孔 3 产生冷裂纹 冷裂纹是金属冷却到较低温度下产生的一种裂纹 其危害性很大 氢是促使产生 冷裂纹的主要因素之一 4 引起氧化和飞溅 氧可使钢中有益的合金元素烧损 导致金属性能下降 焊接时若溶滴中含有 较多的氧和碳 则反应生成的 CO 气体因受热膨胀会使熔滴爆炸 造成飞溅 影响焊接过程的稳定 性 此外应当指出 焊接材料具有氧化性并不都是有害的 有时故意在焊接材料中加入一定量的氧 化剂 以减少焊缝的氢含量 改善电弧的特性 获得必要的熔渣物化性能 3 3 如何控制铸件或焊缝氢的含量 如何控制铸件或焊缝氢的含量 答 控制铸件或焊缝氢的含量的措施有 1 限制气体的来源 氢主要来源于水分 包括原材料本身含有的水分 材料表面吸附的水分以及 铁锈或氧化膜中的结晶水 化合水等 此外材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重 要来源 因此原材料使用前均应进行烘干 去油 除锈等处理 炉膛 除钢槽 浇包等均应充分 干燥 2 控制工艺参数 应尽量采用短弧焊 控制液态金属的保温时间 浇注方式 冷却速度 或调整 焊接工艺参数 控制熔池存在时间和冷却速度等 可在一定程度上减少金属中氢的含量 3 冶金 处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮 脱氧 脱氢等除气处理 是降低金属中气体含量的有效 方法 在金属冶炼过程中 常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢 4 熔渣的物理性能对熔焊质量有什么影响 熔渣的物理性能对熔焊质量有什么影响 答 1 熔渣的熔点过高 在金属熔炼和熔焊的过程中 将不能均匀覆盖在液态金属表面 保护 效果差 还会影响焊缝外观成型 产生气孔和夹杂 一般熔渣熔点低于焊件熔点 100 200 摄氏度 2 熔渣密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对速度 要保证熔渣与金属密度接近 防止形成夹杂 3 熔渣的粘度越小 流动性越好 扩散越容易对冶金反应进行有利 焊接工艺要求出发 焊接熔渣粘度不能过小 否则容易流失 影响熔池在全位置焊时的成形和保护 4 熔渣的表面张力与液态金属间界面张力对于冶金过程动力学及液态金属中熔渣等杂质相 的排出有重要影响 它还影响到熔渣对液态金属的覆盖性能 并由此影响隔离保护效果及焊缝外观 成型 第 5 章 金属塑性变形的物理基础 1 简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别 答 滑移是指晶体在外力的作用下 晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一 部分发生相对移动或切变 滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生 孪生变形时 需要达到一定的临界切应力值方可发生 在多晶体内 孪生变形是极其 次要的一种补充变形方式 2 试分析多晶体塑性变形的特点 答 多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性 多晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性 多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性 多晶体的晶粒越细 单位体积内晶界越多 塑性变形的抗力大 金属的强度高 金属的塑性越好 3 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响 答 晶粒越细 单位体积内晶界越多 塑性变形的抗力大 金属的强度高 金属的塑 性越好 4 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响 答 对组织结构的影响 晶粒内部出现滑移带和孪生带 晶粒的形状发生变化 随变形程度的增加 等轴晶沿变形方向逐步伸长 当变形量很 大时 晶粒组织成纤维状 晶粒的位向发生改变 晶粒在变形的同时 也发生转动 从而使得各晶粒的取向逐渐 趋于一致 择优取向 从而形成变形织构 对金属性能的影响 塑性变形改变了金属内部的组织结构 因而改变了金属的力学性 能 随着变形程度的增加 金属的强度 硬度增加 而塑性和韧性相应下降 即产生了加 工硬化 5 什么是加工硬化 产生加工硬化的原因是什么 它对金属的塑性和塑性加工有何影 响 答 加工硬化 在常温状态下 金属的流动应力随变形程度的增加而上升 为了使变 形继续下去 就需要增加变形外力或变形功 这种现象称为加工硬化 加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大 导致位错之间交互作用 增强 大量形成缠结 不动位错等障碍 形成高密度的 位错林 使其余位错运动阻 力增大 于是塑性变形抗力提高 6 什么是金属的超塑性 超塑性变形有什么特征 答 在一些特定条件下 如一定的化学成分 特定的显微组织 特定的变形温度和应 变速率等 金属会表现出异乎寻常的高塑性状态 即所谓超常的塑性变形 超塑性效应表现为以下几个特点 大伸长率 无缩颈 低流动应力 对应变速率 的敏感性 易成形 7 塑性成形时常用的流体润滑剂和固体润滑剂各有哪些 石墨和二硫化钼如何起润滑 作用 答 流体润滑剂有动物油 植物油 矿物油和乳化液等 固体润滑剂又可分为干性固 体润滑剂和软 熔 化固体润滑剂 干性固体润滑剂有石墨 二硫化钼等 软 熔 化固体润滑剂有玻璃 珐琅 天然矿物及无机盐等 石墨和二硫化钼是六方晶系的层 状结构 层间结合力比同层原子结合力小得多 用作润滑剂时层与层之间的内摩擦力 代替了坯料与工具之间的摩擦力 而且热稳定性好 石墨在 540 以上才氧化 二硫 化钼在 400 左右氧化 使用时可制成水剂或油剂 第第 6 章章 塑性成形力学基础塑性成形力学基础 1 应力张量不变量如何表达 应力张量不变量如何表达 答 应力张量的三个不变量为 3213 1332212 3211 J J J 其中 为应力张量第一 第二 第三不变量 1 J 2 J 3 J 2 应力偏张量和应力球张量的物理意义是什么 应力偏张量和应力球张量的物理意义是什么 答 应力球张量 也称静水应力状态 其任何方向都是主方向 且主应力相同 均为 平均应力 特点 在任何切平面上都没有切应力 所以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 应力偏张量 是由原应力张量分解出应力球张量后得到的 应力偏张量的切应力 分量 主切应力 最大切应力及应力主轴等都与原应力张量相同 特点 应力偏 张量只使物体产生形状变化 而不能产生体积变化 材料的塑性变形是由应力偏 张量引起的 3 等效应力有何特点 写出其数学表达式 等效应力有何特点 写出其数学表达式 答 等效应力的特点 等效应力不能在特定微分平面上表示出来 但它可以在一定意 义上 代表 整个应力状态中的偏张量部分 因而与材料的塑性变形密切有关 人们把它称为广义应力或应力强度 等效应力也是一个不变量 其数学表达式如 下 等效应力在主轴坐标系中定义为 2 2 13 2 32 2 21 3 2 1 J 在任意坐标系中定义为 6 2 1 222222 zxyzxyxzzyyx 4 已知受力物体内一点的应力张量为 已知受力物体内一点的应力张量为 MPa 307580 75050 805050 ij 试求外法线方向余弦为试求外法线方向余弦为 l m 1 2 n 的斜切面上的全应力 正应力和的斜切面上的全应力 正应力和 2 1 切应力 切应力 解 设全应力为 S 分别为 S 在三轴中的分量 sx y s sz nmlS nmlS nmlS zyzxzz zyyxyy zxyxxx 则有 50 50 80 106 6 s x 2 1 2 1 2 1 50 0 75 28 0 y s 2 1 2 1 2 1 80 75 30 18 7s z 2 1 2 1 2 1 则得到 S 111 79 MPa 2222 zyx SSSS 则得到 26 1 MPa nSmSlS zyx 而 则得到 108 7 MPa 222 S 5 已知受力体内一点的应力张量分别为 已知受力体内一点的应力张量分别为 MPa 10010 0100 10010 ij 1 画出该点的应力单元体 画出该点的应力单元体 2 求出该点的应力张量不变量 主应力及主方向 主切应力 最大切应求出该点的应力张量不变量 主应力及主方向 主切应力 最大切应 力 等效应力 应力偏张量和应力球张量 力 等效应力 应力偏张量和应力球张量 3 画出该点的应力莫尔圆画出该点的应力莫尔圆 6 某理想塑性材料的屈服应力为 某理想塑性材料的屈服应力为MPa 试用屈雷斯加准则判断下列应力状态处于什么状 试用屈雷斯加准则判断下列应力状态处于什么状100 s 态 是弹性或塑性 态 是弹性或塑性 MPa 10000 000 00100 解 根据屈雷斯加准则 三个式子只要满足一个三个式子只要满足一个三个式子只要满足一个 该点即进入塑性状态该点即进入塑性状态该点即进入塑性状态 发生屈 s s s 13 32 21 服 100 0 100 1 2 3 100 0 100 发生屈服 进入塑性状态 6 什么是简单加载 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 7 7 塑性应力应变曲线关系有何特点 为什么说塑性变形时应力和应变之 塑性应力应变曲线关系有何特点 为什么说塑性变形时应力和应变之 间的关系与加载历史有关 间的关系与加载历史有关 答 塑性应力与应变关系有如下特点 应力与应变之间的关系是非线性的 塑性变形是不可逆的 应力与应变关系不是单值对应的 与应变历史有关 塑性变形时可认为体积不变 即应变球张量为零 泊松比 0 5 全量应变主轴与应力主轴不一定重合 正因为塑性变形是不可逆的 应力与应变关系不是单值对应的 与应变历史有关 而且全量应变主轴与应力主轴不一定重合 因此说应力与应变之间的关系与加载 历史有关 离开加载路线来建立应力与全量应变之间的关系是不可能的 8 8 什么是滑移线 什么是滑移线 什么是滑移线场什么是滑移线场 答 滑移线 金属由晶体组成 其塑性变形主要是通过内部原子滑移的方式而实现 滑移痕迹可以在变形后的金属表面上观察到 我们将塑性变形金属表面所呈现的 由滑移而形成的条纹称为滑移线 滑移线场 经研究证明 滑移线就是塑性变形体内最大切应力的轨迹线 因为最 大切应力成对出现 相互正交 因此 滑移线在变形体内呈两族相互正交的网络 即所谓的滑移线场 9 9 什么是滑移线的方向角 什么是滑移线的方向角 其正 负号如何确定其正 负号如何确定 答 线的切线方向与ox轴的夹角以表示 并规定ox轴的正向为角的量度起 始线 逆时针旋转形成的角为正 顺时针旋转形成的角为负 1010 判断滑移线族性的规则是什么 判断滑移线族性的规则是什么 答 规则为 1 当 族线构成右手坐标系时 代数值最大的主应力的作 1 用方向位于第一与第三象限 2 滑移线两侧的最大切应力组成顺时针方向 的为 线 组成逆时针方向的为 线 3 当已知主应力和的方向时 1 3 将它们沿顺时针方向旋转角 即得 族线 45 1111 写出汉基应力方程式 该方程有何意义 写出汉基应力方程式 该方程有何意义 它说明了滑移