材料成形原理复习

1 1 溶质再分配 溶质再分配 合金从形核到凝固结束 在整个结晶过程中固液两相内部不断进行着溶质元素的重新分合金从形核到凝固结束 在整个结晶过程中固液两相内部不断进行着溶质元素的重新分 布过程 称为合金结晶过程的溶质再分配布过程 称为合金结晶过程的溶质再分配 2 孕育处理 孕育处理是指在凝固过程中 向液态金属中添加少量其它物质 促进形核 抑制生长 达到细化晶粒的目的 3 Tresca屈服准则 当材料质点中最大剪应力达到某一定值时 该质点就发生屈服 或者说 质点处于塑性 状态时 其最大剪应力是不变的定值 该定值取决于材料的性质 而与应力状态无关 Tre sca屈服准则又称为最大剪应力不变条件 4 粗糙界面与光滑界面 粗糙界面 界面固相一侧的点阵位置只有约50 被固相原子所占据 形成坑坑洼洼 凹 凸不平的界面结构 光滑界面 界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满 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 二 填空题 每空1分 共20分 1 液态金属的结构瞬息万变 存在着三个起伏 即 能量起伏 结构 或相 起伏 成分 或浓度 起伏 2 根据凝固中的溶质再分配的程度 将金属的凝固分为 平衡凝固 近平衡凝固 和 非平衡凝固 三种 3 为了获得细小等轴晶组织的铸件 通常通过向熔体中加入 生核剂 和控制 过冷条件 来实现 4 影响焊接温度场的因素主要有 热源的性质 焊接参数 金属的热物理性质 焊件的厚度及形状 5 常用的屈服准则有 Tresca屈服准则 和 Mises屈服准则 在 两向主应力相等 状态下 这两个准则是相同的 在 平面变形应力 状态下 这两个准则差别最大 6 一般焊接速度下易形成 偏向 晶 而高速焊易形成 定向 晶 7 求解塑性变形问题时 常用的摩擦边界条件有 库伦摩擦条件 和 常摩擦力条件 三 判断题 每题1分 共5分 1 金属的熔化熵越小 凝固时固 液界面越倾向于粗糙界面 2 对数应变具有可加性 因此 如果用对数应变表示变形量的大小 那么 不论物体的 载荷状态如何 物体的总变形量都可以由各个阶段的微小变形量加和得到 3 采用多层焊代替单道焊缝 会增大焊接变形 4 合金中溶质含量越高 越易形成成份过冷 5 是应力张量的不变量 max 2 四 问答题 共35分 1 过冷度越大 形核率越大 这句话对吗 为什么 过冷度越大 形核率越大 这句话对吗 为什么 5分 分 答 不对 答 不对 2分 因为当过冷度达到某一值 即温度降到某一温度时 由于原子扩散能分 因为当过冷度达到某一值 即温度降到某一温度时 由于原子扩散能 力的减小而致使形核率降低的程度大于因过冷度增加带来的形核率的增加程度 将使形力的减小而致使形核率降低的程度大于因过冷度增加带来的形核率的增加程度 将使形 核率减小 核率减小 2 如何获得细小的等轴晶组织 如何获得细小的等轴晶组织 5分 分 答 一是向熔体中加入强生核剂 包括加入直接作为外加晶核的生核剂 与合金元素能形答 一是向熔体中加入强生核剂 包括加入直接作为外加晶核的生核剂 与合金元素能形 成高熔点稳定化合物的生核剂 能形成很大的微区富集 迫使结晶相提前析出的生核剂和成高熔点稳定化合物的生核剂 能形成很大的微区富集 迫使结晶相提前析出的生核剂和 含强成份过冷的生核剂 含强成份过冷的生核剂 3分 二是控制浇注条件 包括采用较低的浇注温度 合适的浇分 二是控制浇注条件 包括采用较低的浇注温度 合适的浇 注工艺 选择合适的铸型和铸件结构以及动态下结晶 注工艺 选择合适的铸型和铸件结构以及动态下结晶 2分 分 3 对接焊缝纵向残余应力分布有何特点 常见的焊接变形有哪几种 对接焊缝纵向残余应力分布有何特点 常见的焊接变形有哪几种 6分 分 对接接头中纵向残余应力沿板宽方向的分布特点 焊缝及近缝区中的纵向残余应力为拉对接接头中纵向残余应力沿板宽方向的分布特点 焊缝及近缝区中的纵向残余应力为拉 应力 离开焊缝和近缝区后的母材中是压应力 纵向残余应力沿焊缝长度的分布特点 中应力 离开焊缝和近缝区后的母材中是压应力 纵向残余应力沿焊缝长度的分布特点 中 间段的纵向应力保持为常数 而在焊缝的头尾部 因受自由边界的影响 应力值逐渐趋向间段的纵向应力保持为常数 而在焊缝的头尾部 因受自由边界的影响 应力值逐渐趋向 于零 于零 3分分 常见的焊接变形有 横向和纵向的收缩变形 角变形 弯曲变形 波浪变形和扭曲变形常见的焊接变形有 横向和纵向的收缩变形 角变形 弯曲变形 波浪变形和扭曲变形 等 等 3分分 4 塑性应力应变曲线关系有何特点 6分 答 1 应力与应变之间的关系是非线性的 2 塑性变形是不可逆的 应力应变关系不是单值对应的 与应变历史有关 3 塑性变形时可认为体积不变 即应变球张量为零 泊松比v 0 5 4 全量应变主轴与应力主轴不一定重合 5 为什么使用碱性焊条比酸性焊条对铁锈 为什么使用碱性焊条比酸性焊条对铁锈 FeO mH2O 更敏感 更敏感 6分 分 答 在酸性渣中由于答 在酸性渣中由于SiO2和和TiO2能与能与FeO反应 使反应 使FeO得活度减小 有利于液态金属中得活度减小 有利于液态金属中Fe O向熔渣进行扩散 而在碱性渣中 向熔渣进行扩散 而在碱性渣中 FeO的活度大 扩散脱氧能力比酸性渣差 即在熔渣的活度大 扩散脱氧能力比酸性渣差 即在熔渣 含含FeO相同的情况下 碱性渣中焊缝含氧量比酸性渣中多 因此在使用碱性焊条时 要清相同的情况下 碱性渣中焊缝含氧量比酸性渣中多 因此在使用碱性焊条时 要清 除焊件表层的铁锈除焊件表层的铁锈 6 对接焊缝横向残余应力分布有何特点 减小焊接应力有哪几种途径 7分 答 在焊缝的两端产生横向的压应力 焊缝的中间段产生横向拉应力 通常两端压应力的 最大值比拉应力的最大值大得多 而且焊缝越长 中间段的拉应力会有所降低 并逐渐趋 近于零 减小焊接应力的途径有 1 合理的结构设计 如避免焊缝的交叉及密集 尽量采用对接而避免搭接 用刚度小的结构代替刚度大的结构 3 等 2 选择合理的工艺及采取必要的措施 采用小热输入 小直径焊条或低电流 减小焊件的受热范围 安排合适的焊接顺序 尽可 能使焊缝能自由收缩 此外 可以采用预热措施 在焊前进行预热可降低工件中的温度梯 度 降低焊接应力 3 采用热处理法 机械法 共振法减少焊接残余应力 一 名词解释 每题5分 共20分 1 流变铸造 流变铸造 对于流体 当施加的切应力小于屈服切应力时 它如同固体一样不能流动 但可以像固对于流体 当施加的切应力小于屈服切应力时 它如同固体一样不能流动 但可以像固 体一样搬动 但当施加的切应力大于屈服切应力时 即使固相体积分数达到体一样搬动 但当施加的切应力大于屈服切应力时 即使固相体积分数达到50 70 合 合 金仍具有液态的性质 能很好地流动 把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成金仍具有液态的性质 能很好地流动 把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成 铸件 称为流变铸造 铸件 称为流变铸造 2 析出性气孔 析出性气孔 液态金属在冷却凝固过程中 因气体溶解度下降 析出的气体来不及逸出而产生的气孔称液态金属在冷却凝固过程中 因气体溶解度下降 析出的气体来不及逸出而产生的气孔称 为析出性气孔 为析出性气孔 3 内生生长与外生生长 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 内生生长 在液体内部生核自由生长的生长方式 4 沉淀脱氧 沉淀脱氧是指将脱氧元素 脱氧剂 溶解到金属液中与FeO直接进行反应而脱氧 把铁 还原的方法 二 填空题 每空1分 共20分 1 液态金属的凝固是在同时克服 热力学 能障和 动力学 能障的过程中进行的 2 晶体的微观长大方式包括 连续生长 二维生长 和 从缺陷处生长 3 全量理论只能在 比例加载 或简单加载 场合下使用 4 一般焊接速度下易形成 偏向 晶 而高速焊易形成 定向 晶 5 在手弧焊三个冶金反应区中 熔滴 反应区是焊接冶金反应最激烈的部位 熔池 反应区对焊缝的化学成分具有决定性的影响 6 某点的应力张量可以分解为 应力偏张量 和 应力球张量 其中只有 应力偏张量 和塑性变形的大小有关 7 固 液界面的结构从微观上可分为 粗糙 非小平面 界面和 平整 小平面 界面 是由 界面自由能 决定的 8 焊接中可能产生的反应型气孔有 CO 气孔和 H2O 气孔 9 主应力法的实质是将 应力平衡微分方程 和 屈服方程 联立求解 三 判断题 每题1分 共5分 4 1 液态合金的粘度可视为作用于液体表面的应力 大小与垂直于该平面方向上的速度梯度d x d y的比例系数 2 只有共晶成份的合金凝固后才能得到全共晶组织 3 表面和界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面 而前者特指液体或固体与气体之间 的交界面 4 熔池反应区是焊接冶金反应最剧烈的部位 5 氮在金属中的溶解度与氮的分压成正比 四 问答题 共35分 1 对数应变有何特点 5分 答 适用于大变形的情况 具有可加性 具有可比性 2 什么是焊接热循环 其主要参数有哪些 什么是焊接热循环 其主要参数有哪些 6分 分 在焊接过程中 焊件上某点的温度由低到高 达到最大值后又由高到低随时间的变化在焊接过程中 焊件上某点的温度由低到高 达到最大值后又由高到低随时间的变化 称为焊接热循环 称为焊接热循环 焊接热循环的主要参数有加热速度 最高温度 峰值温度 相变温度以上停留时间焊接热循环的主要参数有加热速度 最高温度 峰值温度 相变温度以上停留时间 高温停留时间 及冷却速度或冷却时间 高温停留时间 及冷却速度或冷却时间 3 为什么金属必须要有一定过冷度才能发生液 为什么金属必须要有一定过冷度才能发生液 固相变 固相变 6分 分 由热力学可以知道 物质的稳定状态一定时是自由能最低的状态 当由热力学可以知道 物质的稳定状态一定时是自由能最低的状态 当T Tm时 两相处于时 两相处于 平衡状态 当平衡状态 当T Tm时 固相自由能低于液相自由能 结晶才能自发进行 而促使这种转时 固相自由能低于液相自由能 结晶才能自发进行 而促使这种转 变发生的驱动力 就是这两种状态的自由能之差值 没有过冷度 驱动力就不复存在 故变发生的驱动力 就是这两种状态的自由能之差值 没有过冷度 驱动力就不复存在 故 液态金属只有在有过冷度的条件下才能发生凝固 液态金属只有在有过冷度的条件下才能发生凝固 4 为什么对重要的焊接结构应采用碱性焊条J507施焊 6分 答 答 1 氧化性 J507碱性焊条中不加入FeO物质 并在药皮中加入大量脱氧剂 故焊缝含氧量 少 2 脱S脱P J507中含大量CaO 脱S P能力较强 具有较好的抗热裂能力 3 含氢量 J507中不加有 机物 药皮中大量的大理石分解增加了电弧气氛的氧化性 同时药皮中的CaF2反应生成的 HF及NaHF2可降低氢分压 故J507焊缝含氢量较少 具有强的抗冷裂能力 J507的冶金性能好 焊缝质量高 故对重要焊接结构或易产生裂纹的钢材 应采用碱性焊 条J507施焊 5 请问在铸件生产过程中 获得细小等轴晶的途径有哪些 并就每一途径列举出至少两 请问在铸件生产过程中 获得细小等轴晶的途径有哪些 并就每一途径列举出至少两 种措施 种措施 6分 分 获得细小的等轴晶组织的途径在于强化熔体独立生核 促进晶粒游离 具体有以下三个方获得细小的等轴晶组织的途径在于强化熔体独立生核 促进晶粒游离 具体有以下三个方 面措施 面措施 1 合理地控制浇注工艺和冷却条件合理地控制浇注工艺和冷却条件 通过控制浇注方式来促进游离晶的形成 通过控制浇注温度减少游离晶的重熔消失 通过控制浇注方式来促进游离晶的形成 通过控制浇注温度减少游离晶的重熔消失 通过对铸型冷却条件的合理控制或采用悬浮铸造法获得小的温度梯度和高的冷却速度 从通过对铸型冷却条件的合理控制或采用悬浮铸造法获得小的温度梯度和高的冷却速度 从 而形成宽的凝固区域和大的过冷 促进熔体生核和晶粒游离 而形成宽的凝固区域和大的过冷 促进熔体生核和晶粒游离 2 孕育处理孕育处理 5 在浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量孕育剂或变质剂以促进非均质形核与枝晶在浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量孕育剂或变质剂以促进非均质形核与枝晶 熔断 达到细化晶粒 改善宏观组织目的 熔断 达到细化晶粒 改善宏观组织目的 3 动力学细化 动力学细化 采用机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动 导致枝晶的破碎或与铸型分离 在液相采用机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动 导致枝晶的破碎或与铸型分离 在液相 中大量形核 达到细化晶粒的目的 常用的动力学细化方法有铸型振动 超声波振动 液中大量形核 达到细化晶粒的目的 常用的动力学细化方法有铸型振动 超声波振动 液 相搅拌和流变铸造等相搅拌和流变铸造等 一 名词解释 每题5分 共25分 1 反应性气孔 液态金属内部与铸型之间发生化学反应而产生的气孔 称为反应性气孔 2 塑性加工 金属塑性加工是对金属施加外力 在不破坏其本身完整性的条件下改变形状 从而获得 所需工件的一种无切削加工方法 3 非均质形核 非均质形核 液态金属的结晶以金属中的外来质点为基底进行形核的方式液态金属的结晶以金属中的外来质点为基底进行形核的方式 4 偏析 液态合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称为偏析 5 冷裂纹与热裂纹 冷裂纹与热裂纹 焊件在室温附近出现的裂纹称为冷裂纹 焊件在室温附近出现的裂纹称为冷裂纹 焊接过程中 在高温阶段产生的开裂现象 多在固相线附近发生 称为热裂纹焊接过程中 在高温阶段产生的开裂现象 多在固相线附近发生 称为热裂纹 二 填空题 每空1分 共15分 1 金属 合金 凝固过程中由热扩散控制的过冷被称为 热过冷 2 纯金属凝固过程中晶体的宏观长大方式可分为 平面方式 和 树枝晶方式 两种 其主要取决于界面前沿液相中的 温度分布 3 熔渣对于焊接 合金熔炼过程起着积极作用 主要有 机械保护作用 冶金处理 作用 和 改善成形工艺性能作用 4 熔渣对液态金属的氧化形式可分为 扩散氧化 与 置换氧化 两种 5 韧性金属材料屈服时 密席斯屈服 准则较符合实际的 6 主变形图主要与 应力偏张量 有关 与 应力球张量 无关 7 求解塑性变形问题时 常用的摩擦边界条件有 库伦摩擦条件 和 常摩擦力条件 8 主应力图共有 9 种 三 判断题 每题1分 共5分 1 按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数 0 5 2 对低碳钢及不易淬火低合金钢 HAZ中不完全重结晶区性能最差 3 偏应力张量不会使物体产生体积变化 但能产生形状变化 4 变形速度对摩擦系数没有影响 6 5 合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的 四 问答题 共 32分 1 1 什么是缩孔和缩松 试简要介绍它们的形成原因和控制措施 什么是缩孔和缩松 试简要介绍它们的形成原因和控制措施 6 6分 分 答 铸造合金凝固过程中 由于液态收缩和凝固收缩的产生 往往在铸件最后凝固的部位答 铸造合金凝固过程中 由于液态收缩和凝固收缩的产生 往往在铸件最后凝固的部位 出现孔洞 容积大而集中的孔洞称为缩孔 尺寸细小而且分散的孔洞称为缩松 出现孔洞 容积大而集中的孔洞称为缩孔 尺寸细小而且分散的孔洞称为缩松 产生缩孔和缩松的基本原因均在于合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值 通产生缩孔和缩松的基本原因均在于合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值 通 过定向凝固 同时凝固 控制浇注条件 应用冒口 补贴和冷铁以及加压补缩等措施可以过定向凝固 同时凝固 控制浇注条件 应用冒口 补贴和冷铁以及加压补缩等措施可以 减小或消除缩孔或缩松 减小或消除缩孔或缩松 3 氢对焊缝金属的质量有何影响 氢对焊缝金属的质量有何影响 6分 分 答 答 a 氢脆 氢使钢在室温附近的塑性严重下降 氢脆 氢使钢在室温附近的塑性严重下降 b 白点 鱼眼 碳钢或低合金钢在拉伸或弯曲断面上出现银白色的圆形局部脆断点 白点 鱼眼 碳钢或低合金钢在拉伸或弯曲断面上出现银白色的圆形局部脆断点 若产生白点 则其塑性大大降低 若产生白点 则其塑性大大降低 c 形成气孔 形成析出性氢气孔 形成气孔 形成析出性氢气孔 d 冷裂纹 氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一 冷裂纹 氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一 4 简述共晶凝固过程中的共生生长与离异生长 6分 答 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 5 何为成分过冷判据 成分过冷的大小受哪些因素的影响 8分 凝固过程的溶质再分配引起固 液界面前沿的溶质富积 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 其判据为 00 0 1 LL L m CKG RD K 不难看出 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 K01时 K0大 6 对接焊缝纵向残余应力分布有何特点 常见的焊接变形有哪几种 对接焊缝纵向残余应力分布有何特点 常见的焊接变形有哪几种 6分 分 对接接头中纵向残余应力沿板宽方向的分布特点 焊缝及近缝区中的纵向残余应力为拉对接接头中纵向残余应力沿板宽方向的分布特点 焊缝及近缝区中的纵向残余应力为拉 应力 离开焊缝和近缝区后的母材中是压应力 纵向残余应力沿焊缝长度的分布特点 中应力 离开焊缝和近缝区后的母材中是压应力 纵向残余应力沿焊缝长度的分布特点 中 间段的纵向应力保持为常数 而在焊缝的头尾部 因受自由边界的影响 应力值逐渐趋向间段的纵向应力保持为常数 而在焊缝的头尾部 因受自由边界的影响 应力值逐渐趋向 于零 于零 3分分 常见的焊接变形有 横向和纵向的收缩变形 角变形 弯曲变形 波浪变形和扭曲变形等常见的焊接变形有 横向和纵向的收缩变形 角变形 弯曲变形 波浪变形和扭曲变形等 7 一 名词解释 每题5分 共25分 1 焊接熔渣的长渣与短渣 随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣 而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣 2 塑性 塑性是指金属材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力 3 应力球张量 引起物体体积变化 而不能使物体发生形状变化和产生塑性变形的张量称为应力球张量 4 非均质形核 液态金属的结晶以金属中的外来质点为基底进行形核的方式 5 裂纹 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 形成新界面时产生的缝隙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 形成新界面时产生的缝隙 称为裂纹称为裂纹 二 填空题 每空1分 共15分 1 金属结晶形核时 系统自由能变化 G由两部分组成 其中相变驱动力为 体积自由 的降低 相变阻力为 表面能的升高 2 影响钢中产生氢致裂纹的三个基本条件是 扩散氢含量 硬化组织 和 拉应力 3 影响液态金属表面张力的主要因素是 熔点 温度 和 溶质元素 4 纯金属凝固过程中晶体的宏观长大方式可分为 平面方式 和 树枝晶方式 两种 其主要取决于界面前沿液相中的 温度分布 5 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 6 主变形图主要与 应力偏张量 有关 与 应力球张量 无关 三 判断题 每题1分 共5分 1 合金元素使钢的塑性增加 变形拉力下降 2 把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬 冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量称 为碳当量 3 结构超塑性的力学特性为 对于超塑性金属m 0 02 0 2 m kS 4 影响超塑性的主要因素是变形速度 变形温度和组织结构 5 屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上 两个准则是一致的 四 问答题 共 32分 1 塑性应力 应变之间关系特点 6分 答 1 应力与应变之间的关系是非线性的 2 8 塑性变形是不可逆的 应力应变关系不是单值对应的 与应变历史有关 3 塑性变形时可认为体积不变 即应变球张量为零 泊松比v 0 5 4 全量应变主轴与应力主轴不一定重合 2 焊接熔池凝固有何特点 其凝固组织形态有哪些 7分 答 由于焊接熔池凝固条件有体积小 过热 处于运动状态 熔池界面导热好及冷却速度 快等特点 因此焊接熔池的凝固属非平衡凝固 其凝固过程具有以下特点 1 联生结晶 交互结晶 外延结晶 即从熔池边界开始 依附于部分熔化的母材晶粒的现成表面 而 形成共同晶粒的凝固方式 2 择优生长 即当最优结晶方向与导热最快方向一致时 晶粒 生长最快而优先长大 取向不一致的晶粒被淘汰 3 熔池界面各点柱状晶成长的平均速度 v为焊接速度 为R与v之间夹角 焊接熔池凝固组织形态 宏观上看主要 cos vR 是柱状晶和少量等轴晶 微观分析 柱状晶内又有平面晶 包状晶及树枝晶等 3 熔化熵值与金属与非金属 固液界面微观结构间的关系如何 6分 答 杰克逊模型认为当 2时 固液界面上有一半点阵位置被原子占据 另一半位置则 空着 微观上是粗糙的称为粗糙界面 当 2时 界面上的位置几乎被原子占据 微观上 是光滑的 称为光滑界面 由两项因子构成 一项为熔化熵值 一项为取向因子 绝大 部分金属的熔化熵均小于2 其 值也小于2 故在其结晶过程中 固液界面是粗糙界面 4 焊接中脱氧反应有哪几种形式 焊接中脱氧反应有哪几种形式 CO2焊应采用什么焊丝 焊应采用什么焊丝 6分 分 答 在焊接中脱氧反应按其方式和特点可分为先期脱氧 沉淀脱氧和扩散脱氧三种 先期答