材料成型理论基础练习题(上)

第 1 章 液态金属的结构与性质 1 液体原子的分布特征为 无序 有序 即液态金属原子团的结构更类 似于 2 实际液态金属内部存在 起伏 起伏和 起伏 3 物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 比 界面张力的大小与界面两 侧质点间结合力大小成 比 衡量界面张力大小的标志是润湿角 的大小 润湿 角 越小 说明界面能越 4 界面张力的大小可以用润湿角来衡量 两种物质原子间的结合力 就润湿 润湿角 而两种物质原子间的结合力 就不润湿 润湿角 5 影响液态金属表面张力的主要因素是 和 6 影响液态金属充型能力的因素可归纳为 合金本身性质 铸型性质 浇 注方面 铸件结构方面 四个方面的因素 7 影响液态金属黏度的因素有 合金成分 温度 非金属夹杂物 8 合金流动性 合金本身的流动能力 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 9 液态合金的流动性和充型能力有何异同 如何提高液态金属的充型能力 答 液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素 不同点 流动性是确定 条件下的充型能力 它是液态金属本身的流动能力 由液态合金的成分 温度 杂质含量 决定 与外界因素无关 而充型能力首先取决于流动性 同时又与铸件结构 浇注条件及 铸型等条件有关 提高液态金属的充型能力的措施 1 金属性质方面 改善合金成分 结晶潜热 L 要大 比热 密度大 导热率小 粘度 表面张力小 2 铸型性质方面 蓄热系数小 适当提高铸型温度 提高透气性 3 浇注条件方面 提高浇注温度 提高浇注压力 4 铸件结构方面 在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度 降低结构复杂程度 第 2 章 凝固温度场 1 铸件的凝固方式可以分为 和 三种不同形式 影响 合金凝固方式的两个主要因素是 和 2 合金的凝固温度区间越大 液态合金充型过程中流动性越 差 铸件越容易呈 体积 或 糊状 凝固方式 3 平方根定律 公式为 写出公式中三个符号所代表的含义 凝固时间 2 2 K 凝固层厚度 K 凝固系数 4 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 A 球 A 块 A 板t 块 t 板 t 杆 K R 1 1 A V R 5 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 1000 160 160 60 0 120 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 1000 160 160 600 120 A A A A B B CC CC DD D 6 写出平方根定律和折算厚度法则的公式 并解释两个公式的差别 答 1 平方根定律 即 折算厚度法则 2 2 K K KR 2 代表铸件凝固层厚度 适应薄板类铸件 为折算厚度 可 S V R 适用各种形状的铸件 7 影响铸件凝固方式的因素是什么 凝固方式与铸造性能和铸件质量之间有什么关系 答 1 影响铸件凝固方式的因素 结晶温度范围和温度梯度 2 a 逐层凝固 集中缩孔大 易补缩 铸件较致密 热裂倾向小 流动性好 所以 铸件 质量好 b 体积凝固 不易补缩 易形成缩孔 流动性差 热裂倾向大 铸件不致密 性能较差 c 中间凝固 介于以上两者之间 第 3 章 金属凝固热力学与动力学 1 为什么金属必须要有一过冷度才能发生液 固相变 2 什么是溶质平衡分配系数 设状态图中液相线和固相线为直线 证明其 k0为常数 特定温度下固相合金成分浓度与液相合金成分浓度达到平衡时的比值 T s C L C 0 L S C C k 如上图 液相线 T Tm Cl 0 L m 固相线 T Tm Cs 0 S m 得 1 TmT TmT LL SS Cm Cm 即 k0 L S C C S L m m 3 名词解释 1 非均质形核与均质形核 答 非均质形核 液态金属中新相以外来质点为基底进行形核的方式 均质形核 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 所以 也称 自发形核 2 粗糙界面与光滑界面 答 粗糙界面 a 2 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 光滑界面 a 2 界面上的位置几乎被原子占据 微观上是光滑的 3 粗糙界面与光滑界面及其判据 答 固 液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据 形成凸凹不平的界面 结构 称为粗糙界面 固 液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据 只留下 少数空位或台阶 称为光滑界面 根据jachson因子 大小可以判断 m m kT H 2的物质 凝固时固 液界面为粗糙面 5的物质 凝固时界面为光滑面 4 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 两 种 5 对于溶质平衡分配系数K0 1时 K0越大 最终凝固组织的成分偏析越 常 将 1 K0 称为 6 从原子尺度看 固液界面结构有哪几种 它们与生长机理有何联系 答 有两种固液界面结构 平整界面和粗糙界面 平整界面的生长机理 a 理想的平整界面依靠平整界面上生产二维晶核 然后在晶核周围的台阶上生长 b 当界面上有缺陷时 可依靠螺旋位错 旋转孪晶 反射孪晶等缺陷提供的台阶生长 粗糙界面由于液相原子堆砌而被弹回的几率很小 因此生长速度较大 此时称为连续生 长或正常生长 第 4 章 单相及多相合金的结晶 1 根据成份过冷理论的分析 由于过冷程度的不同就会使焊缝组织出现不同的结晶形态 主要有平面结晶 胞状结晶 胞状树枝结晶 树枝状结晶 和等轴结晶 2 根据界面结构的不同 可将共晶合金分为两大类 非小面 小面 和 非小面 非小面 3 用图形表示K0 1的合金铸件单向凝固时 在以下四种凝固条件下所形成的铸件中溶质元 素的分布曲线 1 平衡凝固 2 固相中无扩散而液相中完全混合 3 固相中无扩散而液相中只有扩散 4 固相中无扩散而液相中部分混合 答 几种条件下的溶质分布如图所示 4 内生生长和外生生长 凝固自型壁行核 由外向内的生长称为外生生长 如柱状晶 胞状晶的生长 在熔体内部形核 由内向外的自由生长称为内生生长 如等轴晶的生长 5 共生生长和离异生长 共生生长 共晶结晶时 两相相互依附 借助于对方析出的多余原子的横向扩散而同步偶 合生长的方式 离异生长 共晶的两相间没有共同生长的界面 析出和生长在时间上与空间上都相互独立 的生长方式 6 共晶组织生长中 共晶两相通过原子的 横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质 且又互 相提供生长所需的组元彼此合作 并排地快速向前生长 这种共晶生长方式称为 共生生长 7 固相无扩散 液相只有扩散情况下产成分过冷的判据及影响成分过冷的因素 说明成分 过冷对结晶形貌的影响 答 成分过冷判据 影响成分过冷的因素 液相中温度梯度 GL 越小 成分过冷越大 生长速度 R 越大 成分过 冷越大 液相线斜率 mL 越大 成分过冷越大 合金原始成分 C0 越大 成分过冷越大 扩 散系数 DL 越小 成分过冷越大 分配系数 K0 越小 成分过冷越大 成分过冷对结晶形貌的影响 当 C0 一定时 随着 GL 减小 或 R 增大时 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 8 简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律 参考 随 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 9 Al Cu 相图的主要参数为 CE 33 Cu 5 65 Tm 660 TE 548 用 Al 1 Cu sm C 合金浇一细长试样 使其从左至右单向凝固 冷却速度足以保持固 液界面为平界 面 当 固相无 Cu 扩散 液相中 Cu 充分混合时 求 1 凝固 10 时 固液界面的 CS 和 CL 2 共晶体所占的比例 答 1 溶质分配系数 k0 0 171 L S C C E sm C C 33 65 5 当 10 时 有 s f 0 187 s C 1 00 0 1 k s fCk 1171 0 101 1171 0 1 09 L C 1 0 0 k L fC 0 k CS 171 0 00187 0 2 设共晶体所占的比例为 则 L f L C 1 0 0 k L fC E C 则 0 0147 L f 10 1 0 k E C C 1171 0 1 1 33 10 何谓热过冷和成分过冷 成分过冷的本质是什么 答 金属凝固时 完全由热扩散控制 这样的过冷称为热过冷 由固液界面前方溶质再分 配引起的过冷称为成分过冷 成分过冷的本质 由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配 界面处溶质含量最高 离界面越远 溶质含量越低 由结晶相图可知 固液界面前方理论凝固温度降低 实际温 度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差 T 即成分过冷度 这也是凝固的动力 11 Al Cu 合金相图的主要参数 CE 33 Csm 5 65 Tm 660 TE 548 用 Al 1 Cu 即 Co 1 合金浇一细长圆棒试样 使其从左至右单向凝固 冷却速度足以保持固 液界面为 平面 当固相中无 Cu 扩散 液相中 Cu 有扩散而无对流 达到稳态凝固时 求 1 固 液界面的 Cs 和 CL 2 固 液界面的 Ti 忽略动力学过冷度 Tk 1 17 0 33 65 5 0 E sm C C k 1 0 CCS 88 5 17 0 1 0 k C C S L 2 22 TTTT Ki LLm CmTT 2 39 3 330 548660 L m 640 9 19660 17 0 1 39 3 660 2 T 12 某二元合金相图如图所示 合金液成分为 WB 40 置于长瓷舟中并从左端开始凝固 温度梯度大到足以使固液界面保持平面生长 1 假设固相无扩散 液相均匀混合 试求 相与液相之间的平衡分配系数 k0 凝固后 共晶体的数量占试棒长度的百分之几 画出凝固后的试棒中溶质 B 的浓度沿试棒长度的分 布曲线 并注明各特征成分及其位置 2 假设固相无扩散 液相有扩散而无对流 求达到稳态凝固时 固 液界面的 Cs 和 CL L 900 500 A 30 4060 B t wB 100 1 液相均匀混合时 a b 共晶体所占的百分数应该是 在共5 0 60 30 0 E sm C C k 晶温度时所剩余的液相 此时应利用夏尔公式 40 1 0 0 k LL fCC60 L C 0 C 60 40 44 4 所以 共晶体占试棒长度的 44 4 15 0 L f L f c 2 达到稳态凝固时 Cs C0 40 CL C0 k0 40 0 5 80 17 论述成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系 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 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度 kT 成分过冷与热过冷的区别 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 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 18 焊接熔池凝固结晶的特点 答 熔池结晶的特点是 1 联生结晶 或外沿生长 2 择优生长 柱状晶弯曲地指向焊缝中心 19 晶体择优生长 答 在树枝晶生长过程中 那些与热流方向相平行的枝晶较之取向不利的相邻枝晶会生长得 更为迅速 其优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长 这种相互竞争淘汰的晶体生长过程 称为晶体的择优生长 C f 0 0 5561 20 30 60 20 通常条件下 都尽可能使铸件获得细小的等轴晶组织 请问 1 细小的等轴晶组织对于减少凝固缺陷 提高力学性能有何重要意义 2 通过哪些实际措施可以使铸件获得细小的等轴晶组织 答 1 细小的等轴晶组织可以使材料具有较高的强度和良好的塑性 韧性 除此之外 如 果合金的凝固组织是均匀细小的等轴晶 那么凝固过程中的杂质元素与溶质元素偏析的倾 向都可以得到有效的抑制 从而可以减少由于偏析所产生的气孔 夹杂 热裂纹等凝固缺 陷 并提高其化学成分 组织与力学性能的均匀性 2 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 1 合理地控制浇注工艺和冷却条件 2 孕育处理 3 动力学细化 21 某二元合金相图如下图所示 合金液成分为C0 CB 10 置于长瓷舟中并从左端开始凝 固 温度梯度大到足以使固 液界面保持平面生长 假设固相无扩散 液相均匀混合 证明已凝固部分 的平均成分为 S f S C 0 11 0 K S S S f f C C 当试棒凝固时 液体成分增高 而这又会降低液相线温度 证明液相线温度与之 L T S f 间关系 为纯组元 A 的熔点 为液相线斜率的值 为 m T L m 1 0 0 1 K SLmL fCmTT 答 答 证明 证明 1 0 0 0 K LLL LLSS fCCC CfCfC 00 0 1 1 1 00 1 00 K S K L L K LSS fCfC ffCCfC 0 11 0 K S S S f f C C 1 ko lolfcC 1 mllTT m C l 1 0 0 1 K SLmL fCmTT 第 7 章 液态金属与气相的相互作用 1 在一个由金属 金属氧化物 和氧化性气体组成的体系中 若金属氧化物的分解压为 PO2 氧的实际分压为 PO2 则 当 金属被氧化 当 时 金属被 还原 当 时 处于平衡状态 2 对于气体在金属中溶解为吸热反应的 气体的溶解度随温度 升高 而升高 氢在合金液 中溶解度随焊接气氛氧化性的 增强 而降低 3 气体对金属质量有哪些影响 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 4 气体是如何溶解到金属中的 电弧焊条件下 氮和氢的溶解过程一样吗 答 气体溶解到金属中分四个阶段 1 气体分子向金属 气体界面上运动 2 气体被 金属表面吸附 3 气体分子在金属表面上分解为原子 4 原子穿过金属表面层向金 属内部扩散 电弧焊条件下 氮和氢的溶解过程不一样 氢在高温时分解度较大 电弧温度下可完全分解 为原子氢 其溶解过程为分解 吸附 溶入 在电弧气氛中 氮以分子形式存在 其 溶解过程为吸附 分解 溶入 第第 8 8 章章 液态金属与熔渣的相互作用液态金属与熔渣的相互作用 1 熔渣对于焊接 合金熔炼过程起着积极作用 主要作用有 作用 作用 和 作用 2 熔渣分子理论和离子理论的基本观点是什么 3 熔渣的碱度的分子理论和离子理论 4 根据熔渣随温度变化的速率可将焊接熔渣分为 长渣 与 短渣 长渣 是指随温度下降粘 度 的渣 短渣 是指随温度下降粘度 的渣 5 在熔渣中含FeO相同的情况下 碱性渣比酸性渣对钢液的氧化性 实际焊接钢 时 碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的 6 由熔渣的离子理论可知 液态碱性中自由氧离子的浓度远高于酸性渣 这是否意味着碱 性渣的氧化性要比酸性渣更强 为什么 答 不一定比酸性渣强 因为离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度 渣中 自由氧离子的浓度越大 其碱度就越大 虽然液态碱性渣中自由氧离子的浓度远大于酸性 渣 但是它不一定与熔渣中的某些物质反应 进而不能体现出其具有氧化性 而酸性渣则 可以 熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物FeO 的高低及该氧化物在熔渣中 的活度来衡量的 第 9 章 液态金属的净化与精炼 1 沉淀脱氧及其优 缺点 沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧元素直接和熔池中的 FeO 反应 使其转化为不溶于 液态金属的氧化物 并转入熔渣中的脱氧方式 优点 脱氧速度快 脱氧彻底 缺点 脱氧产物不能清除时易形成夹杂 2 扩散脱氧 通过降低熔渣中 Feo 含量 或通过改变界面两侧Feo的平衡条件促使 Feo 向熔渣中转移而降低液态金属中的 Feo 含量的方法称为扩散脱氧 3 简述扩散脱氧的原理 说明熔渣碱度对扩散脱氧的影响 答 在液态金属与熔渣的界面上进行的 以分配定律为理论基础 L FeO FeO 通过减少熔渣中的 FeO 含量使金属液中的 FeO 向熔渣中扩散 从而脱去金 属中的氧的方法 酸性渣中的酸性氧化物与FeO生成复合物使其活度减小 而有利于液态 金属的氧向熔渣扩散 因此脱氧能力强 相反碱性渣中FeO的活度大 扩散脱氧的能力小 4 沉淀脱氧应具备的三个条件 对氧亲和力较大的元素 脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入熔渣 熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反 以利于熔渣吸收脱氧产物 5 扩散脱氧的优缺点 实现扩散脱氧的条件 扩散脱氧的优点 脱氧产物留在熔渣中 液态金属不会因脱氧而造成夹杂 缺点 扩散过程进行缓慢 脱氧时间长 条件 还原性炉气 高的炉温 炉渣粘度小 6 为什么说一般炼钢过程中 脱碳是手段而不是目的 7 脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的 粘度小的熔渣 较大的渣量和较低的温度 第 10 章 焊接热影响区的组织和性能 1 焊接热影响区 熔焊时在高温热源作用下 靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变 化的区域称为 焊接热影响区 2 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 3 焊接热循环的参数及特征 加热速度 H 最高加热温度 m 相变温度以上的停留时间tH 冷却速度 c 4 低碳钢焊接热影响区由哪几部分构成 分别叙述各区域的组织与性能特点 答 低碳钢的热影响区为 1 熔合区 焊缝与母材之间的过渡区域 熔合区最大的特征是具有明显的化学成分不均匀性 从而引 起组织 性能上的不均匀性 所以对焊接接头的强度 韧性都有很大的影响 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 冷却之后便得到粗大的组织 并 极易出现脆性的魏氏组织 故该区的塑性 韧性较差 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 由于 组织细密 此区的塑性和韧性均较好 是热影响区中组织性能最佳的区段 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 所以此区特点是晶粒大小不一 组织不均匀 因此力学性能也不均匀 5 焊接热影响区的脆化类型有哪几种 答 粗晶脆化 组织转变脆化 析出脆化 热应变时效脆化 6 熔化焊的焊接接头包括焊缝 熔合区和热影响区三部分 7 焊接热循环过程具有以下特点 峰值温度高 加热速度快 高温停留时间短 冷 却速度快 加热的局部性和移动性 8 M A 组元 焊接低合金钢时 以一定冷却速度连续冷却到 400 350 时 残余奥氏体的 碳浓度可达 0 5 0 8 随后这些高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物 即 M A 组元 9 简要说明易淬火钢和不易淬火钢 HAZ 粗晶区的组织特点和对性能的影响 答 1 易淬火钢HAZ粗晶区 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 故得到粗大的马氏体 强度硬度很高 塑性韧性较低 正火区得到细小的马氏体 强度硬度较高 但是比粗大马氏体要低 塑性韧性 比粗大马氏体好 2 不易淬火钢HAZ粗晶区 由于金属处于过热的状态 奥氏体晶粒发生严重的粗化 冷却之后便得到粗大的组织 并极 易出现脆性的魏氏组织 故该区的塑性 韧性较差 焊接刚度较大的结构时 常在过热粗