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材料成形原理复习材料成形原理复习 1 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 Tresca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 max 是应力张量的不变量 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 5分 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 2 如何获得细小的等轴晶组织 5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 3分 二是控制浇注条件包括采用较低的浇注温度 合适的浇注工 艺 选择合适的铸型和铸件结构以及动态下结晶 2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 6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 应力值逐渐趋向于零 3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 3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 FeO mH2O 更敏感 6分 答在酸性渣中由于SiO2和TiO2能与FeO反应 使FeO得活度减 小 有利于液态金属中FeO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 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50 70 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 力下制成铸件 称为流变铸造 2 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 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 6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 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 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 固相变 6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T Tm时 两相处于平衡状态 当T 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种措施 6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 具体有以下三个方面措施1 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 2 孕育处理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 3 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 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 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 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 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 3 氢对焊缝金属的质量有何影响 6分 答 a 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 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 d 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000 1 LLLm CKGRDK 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 6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 应力值逐渐趋向于零 3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 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 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mkS 对于超塑性金属m 0 02 0 2 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 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 cos vR 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
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