材料成型原理复习资料及试题

1、1过冷度:金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值2均质形核:在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程3异质形核:在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的 过程4异质形核速率的大小和两方面有关,一方面是过冷度的大小,过冷度越大形核 速率越快。 二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定, 如果夹杂物 的基底和晶核润湿,那么形核速率大。5形核速率:在单位时间单位体积内生成固相核心的数目6液态成型:将液态金属浇入铸型之,凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或 者铸锭的方法7复合材料:有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相 固体8定向凝固:使金属或者合金在熔体中定

2、向生长晶体的方法9溶质再分配系数:凝固过程当中,固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数 的比值10流动性是确定条件下的充型能力,液态金属本身的流动能力叫做流动性 11液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能 力影响充型能力的因素:(1金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金 属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热导率金属的结晶特点。 (2铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的 比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度(3浇注方 面的因素包括液态金属的浇注温度、 液态金属的静压头、 浇注系统中的压头总损 失和

3、。12影响液态金属凝固过程的因素:主要因素是化学成分 冷却速度是影响凝固过 程的主要工艺因素 液态合金的结构和性质以及冶金处理 (孕育处理、 变质处理、 微合金化等对液态金属的凝固也有重要影响13液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流,自然对流 是由于密度差和凝固收缩引起的流动, 由密度差引起的对流成为浮力流。 凝固过 程中由传热。 传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀, 密度小的液相上浮, 密度大的下沉, 称为双扩散对流, 凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶 之间, 强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流, 例如压力头。 机械 搅动、铸型震动、外加磁场。1

4、4铸件的凝固方式:层状凝固方式(动态凝固曲线之间的距离很小的时候 、体 积凝固方式(动态凝固曲线之间的距离很大的时候 、中间凝固方式(介于中间 情况的时候 、15影响铸件凝固方式的因素有二:一是合金的化学成分,二是铸件断面上的温 度梯度。16热力学能障动力学能障:热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界 面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小, 动力学能障是由于金属原子穿越 界面过程引起的, 他与驱动力的大小无关, 而仅仅取决于界面的结构和性质, 例 如激活自由能。 单从热力学条件来看, 液相的自由能已经大于固相的自由能, 固 相为稳定相, 相变应该没有能障, 但是要想液相原子具有足够的

5、的能量越过高能 界面, 还需动力学条件, 因此液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。液态金属在成分、温度、能量、上不是均匀的,即存在成分、能量、结构 的三个起伏, 正是这三个起伏去克服热力学和动力学能障, 使凝固过程能够进行 下去。17凝固过程当中溶质分配的平衡条件:凝固界面上溶质迁移的平衡、固相液相 内部扩散的平衡。18热过冷:金属凝固时所需过冷度完全由传热所提供仅由熔体实际温度分布决 定、19成分过冷:凝固时由于溶质再分配,固液前沿溶质浓度变化,引起理论凝固 温度的改变而在固液界面前液相内形成的过冷, 这种由于固液界面前方溶质再分 配引起的过冷叫做成分过冷成分过冷对晶体的外貌有

6、什么影响:无成分过冷平面生长, 窄成分过冷胞状生长, 较宽成分过冷区柱状树枝晶生长,宽成分过冷区自由树枝晶生长。 P62就合金的宏观结晶状态而言, 平面生长、胞状生长柱状树枝晶生长都属于一 种晶体自型壁生核然后由外向内单向延伸的生长方式, 称为外生长, 而等轴晶是 在液体的内部自由生长的,称为内生长。枝晶距离指的是相邻同次枝晶之间的垂直距离20热过冷完全由热扩散控制,成分过冷不仅由热扩散控制还和溶质扩散相关。 21产生成分过冷具备两个条件:固液界面前沿的溶质的富集而引起成分再分配、 固液界面前方液相的实际温度分布必须达到一定值。22获得全部柱状晶的条件:激冷铸型形成稳定的凝固层防止晶体游离、提

7、高金 属的纯度减小成分过冷缩颈的能力、 减少液体的流动, 提高浇注温度使晶体游离 重熔23厚达铸件获得等轴晶的办法:(1降低浇注温度,有利于游离晶粒的残余和 产生较多的游离晶粒。 (2 对金属液进行处理, 加入形核剂强化非均质形核。 (3 浇注系统的设计应该考虑到低温快速浇注使游离晶粒不重熔(4使晶体内液体 流动,有利于大量游离晶粒的生成。24在熔点温度的固态金属变为同温度的液态金属的时候,金属要吸收大量的热 量,称为融化潜热25铸锭典型宏观组织的三个晶区及其组成:表面细晶区是紧靠型壁的激冷组织, 由无数细小等轴晶组成。 中间的柱状晶区由垂直于型壁且彼此平行排列的柱状晶 组成。内部的等轴晶区由

8、各向同性的等轴晶组成26影响液体金属粘度的主要因素是化学成分、温度、夹杂物。一般的难容化合 物的液体粘度较高, 熔点低的共晶成分合金粘度较低。 液体的粘度随着温度的升 高粘度降低。 液态金属中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的粘度增加。 冶金处 理对液态金属的粘度也有一定的影响,如孕育变质晶粒细化处理等。27粘度的实质是原子之间的结合力28影响表面张力的因素:熔点 熔点沸点高则表面张力也大。 温度 表面张力随 着温度的升高而降低。 溶质元素 溶质元素对表面张力的影响分为两大类 一类 是使表面张力降低的元素, 我们叫这类元素为表面活性元素, 其表面含量大于内 部含量, 我们叫他为正吸附元素另外一类

9、是使表面张力升高的元素, 我们叫这类 元素为非表面活性元素。其表面含量少于内部含量,称为负吸附元素。29润湿角在 p1630毛细现象是液体对管壁的润湿引起的31半固态合金的优点:对铸型的热腐蚀小,可以对黑色或者其他熔点的合金成型,填充平稳减少气体的卷入提高致密度,可实现自动化可告诉成型。32半固态合金的特性:热容量低于液相,粘度高于液相,填充的时候已经有固 相的存在,可与其他材料复合33液体金属在枝晶之间流动的驱动力来自于三方面,一是凝固时的收缩,二是 液体化学成分的变化引起的密度变化, 三是液体、 固体在温度降低冷却收缩时产 生的收缩力。34铸件的凝固时间指的是液态金属充满铸型的时刻到凝固完

10、毕所需要的时间, 单位时间内凝固层增长的厚度为凝固速度35晶体(纯金属宏观长大的方式取决于界面前方液体中的的温度分布,即温 度梯度, 在结晶界面前方存在正温度梯度和负温度梯度, 当温度梯度为正的时候 晶体以平面方式长大, 当温度梯度为负的时候晶体以树枝晶的方式生长。 晶体的 微观长大方式分为粗糙界面和平整界面36为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力?因为只有实际结晶温度低于理论结 晶温度, 才能满足晶体结晶的热力学条件, 过冷度越大固液两相的自由能相差更 大,液态金属结晶的驱动力也更大,结晶速度也越快。37成分过冷区的宽度随着凝固速度的增加而减小,随着扩散系数的增大而增大 38溶质再分配不仅由平

11、衡分配系数 k0决定还受自身扩散性质的制约, 液相中的 对流强弱等因素也将影响溶质再分配。39在普通的工业条件下 从热力学考虑 当非共晶成分的合金较快的冷却到两条 液相线所包围的影线区域内时 液相内两相达到饱和 两相具备了同时析出的条 件 但是一般总是某一相先析出 然后在其表面上析出另外一相 于是开始了两相 竞争析出的共晶凝固过程最后获得百分之百的共晶组织。40影响成分过冷的因素有工艺因素和合金本身的因素。工艺因素:液相中温度 梯度 g l 越小成分过冷越大,晶体生长速度越快成分过冷越大。合金本身因素: m l 越大即液相线的斜率大、原始成分的 c 0大液相中溶质扩散系数 d l 越低、 k

12、01时候 k 0越大 k 01时 k 0越小则成分过冷越大 . 上述的工艺因素是可以控制的 41规则共晶凝固和非规则共晶凝固的异同规则共晶凝固时候影响其组织形态的因素规则共晶、非规则共晶、伪共晶组织、片层间距加入生核剂的目的是强化非均质形核, 根据生核质点的作用过程, 生核剂主要分 为以下几种:(1 直接作为外加晶核的生核剂, 这种生核剂是与被细化相具有界 面共格对应的高熔点物质或者同类金属、 非金属碎粒, 他们与被细化的相之间有 较小的界面能,润湿角小,作为有效的基底促进自发形核。 (2能生成较高熔点 稳定化合物的生核剂, 生核剂中的元素能与液态金属中的元素形成较高熔点的稳 定化合物,这类化

13、合物与被细化相之间具有界面共格关系和较小的界面能 (3通过在液相当中微区富集使结晶相提前弥散析出形成的生核剂, (4强成 分过冷元素的生核剂, 这类元素通过在生长的固液界面前沿的富集, 使晶粒根部 或者树枝晶分枝根部产生细弱缩颈, 易于通过熔体的流动以及冲击而产生晶粒的 游离,这类生核剂产生的强成分过冷也能强化界面前沿熔体内部的非均质形核, 强成分过冷元素的界面富集对晶体生长有抑制作用, 降低晶体的生长速率, 也使 晶粒细化42焊接的基本概念:采用加热或者加压或者既加热又加压是被焊材达到原子结 合形式永久连接的方法43接头:焊接接头指的是被焊材料经过焊接过程之后发生组织和性能变化的 , 焊接接

14、头由融合区、热影响区、焊缝组成。44焊缝:由融化的被焊材料和添加材料凝固后形成的接头组成的部分45热影响区:受到焊接过程的热作用而发生的组织和性能的变化的被焊材部分 46母材指的就是被焊材料47融合区是由部分被融化的被焊材料组成的48焊接热循环指的是在焊接过程当中工件上某点的温度随着时间由低到高升高 到最大值然后又由高到低的变化过程 . 焊接热循环的特点是加热速度快、峰值温 度特别高、高温停留时间短、冷却速度快、是局部加热。49熔滴指的是焊接材料(焊丝焊条端部被融化形成的滴状的液态金属。焊接 熔池的特点是熔池的体积小冷却速度快、 焊接熔池的液态金属是处在过热的状态 下、 焊接熔池的液态金属始终

15、处在运动的状态下、 温度梯度较大。 焊接熔池的凝 固过程是从边界开始的,是一种非均质形核,50熔池指的是母材上由融化的焊接材料和局部融化的母材组成的,具有一定几 何形状的液态金属51焊接性:金属材料在限定的焊接条件下焊接或者按照规定设计要求的构件, 并满足预定的服役要求的能力,即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性 52能用焊接性指的是接头或者整个结构满足某种使用要求的能力53工艺焊接性指的是在一定的焊接工艺条件下获得优质无缺陷的接头的能力 54焊接过程中对焊接区金属的保护的必要性:(1防止焊缝成分发生变化,主 要是氧化和氮化(2防止接头性能劣化导致韧性塑性下降(3防止产生焊接缺 陷例如气孔裂

16、纹夹杂(4改善焊接工艺性能55焊接过程中对焊接区金属的保护方法(1气保护例如 co 2气体保护焊,效率 高易实现成本低但是焊接缺陷大(2渣保护例如埋弧焊,特点是高效可焊接厚 板, (3渣气联合保护 例如手工电弧焊(4真空保护电子束焊接 可以焊接非 常厚的板材,而且焊接缺陷小,但是价格昂贵56焊接区内气体和金属的相互作用:有 N 2 O 2 H 2O H2 A r 渣蒸汽 金属蒸汽,他们 的主要来源是周围空气、焊接材料、母材。57氮气和金属的相互作用,高温溶解和 Fe 反应生成氮化物,为硬脆相。在熔池 凝固的时候氮气的溶解度降低形成气体分子, 若金属凝固较快, 气体无法全部跑 出,形成气孔,也可

17、与金属生成氮化物,对焊接质量有大的影响。氮的危害 ;a:形成气孔; b :塑性,韧性下降; c :时效脆化58氮气的控制:加强焊接区的保护,氮气主要是来自空气,通过氩气的保护比 较好, 其次是选择合理的焊接工艺参数, 最后加入比铁元素活跃的元素与氮元素 反应,选择合金脱氮。59氢在高温下溶于液态金属,随着温度的下降,氢元素的溶解度也下降,残留 在焊缝当中,氢对焊接质量有重要的影响, (1气孔(2氢脆 氢在室温附近使 金属的塑性和韧性急剧下降(3白点(4延迟裂纹60出现冷裂纹的几个因素:外加应力 材料脆 扩散氢的存在61氢元素的控制:a :控制来源,氢元素的主要来源是空气中的水蒸气,控制焊 接材

18、料的含氢量,焊条中的水分和有机物,母材除油除水除锈 b :冶金脱氢:合 金脱氢焊接材料加入氟化物生成 hf ; 提高焊接材料的氧化性生成 H 2O ; c :工艺 措施:确定合理的焊接工艺参数;焊后脱氢。62. 氧对焊接质量影响:a 降低焊缝的力学性能,韧性、塑性强度下降硬度上升;b 影响焊接过程和质量 c 形成 Co 气孔;氧的控制:a 加强焊接的保护63. 氧的控制:a 加强焊接区的保护 b 限制焊接材料的含氧量 c 选择合适的焊接方 法和焊接工艺参数 d 冶金脱氧64. 熔渣:药皮、药芯、焊剂受热融化发生化学反应形成的;其作用:机械保护 作用;改善焊接工艺性能;冶金处理作用;熔渣分类:盐

19、型、氧化性、盐 -氧化 型熔渣;65. 焊缝中金属的脱氧:先期脱氧,沉淀脱氧、扩散脱氧;66. 脱氧剂的选择:a 和氧的亲和力大的 b 不溶于液态金属,密度低、熔点低 c 价 格便宜 d 对焊接工艺性和接头质量存在影响67. 合金化的目地:a 补充损失 b 消除焊接缺陷改善焊缝组织和性能 d 获得特殊性 能堆层焊68. 合金化的形式:焊条,焊剂,焊丝,合金粉末69. 熔池的特点:a 金属出与过热状态 b 熔池体积小冷却速度快 c 温度梯度大 d 运 动中结晶70. 热影响区组织转变特点:加热过程中:a 组织转变向高温段推移 b 奥氏体均匀 程度低 c 部分晶粒严重长大; 冷却过程中 d 组织转

20、变向低温段推移 e 马氏体转变 临街冷却速度发生改变;71. 硫的危害:a 形成低熔共晶增大结晶裂纹 倾向性 b 韧性下降72. 硫的控制:a 控制来源 b 冶金脱硫73. 磷的危害:增大结晶裂纹倾向;增加脆性;控制:限制材料的含磷量;材料成型原理试卷 A 试题与答案一、铸件形成原理部分(共 40分1、概念 (每小题 3分 共 12分(1过冷度; (2液态成形; (3复合材料; (4 定向凝固;答案 :过冷度:金属的理论结晶温度与实际结晶温度的差,称为过冷度。液态成形:将液态金属浇入铸型后, 凝固后获得一定形状和性能的铸件或铸锭的加工法。 复合材料:有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合

21、组成的一种多相固体。 定向凝固;定向凝固是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。溶质再分配系数:凝固过程中固-液界面固相侧溶质质量分数与液相中溶质质量分数之 比,称为溶质再分配系数。2、回答下列问题 (每小题 6分 共 18分(1影响液态金属凝固过程的因素有哪些?(6分 答案 :影响液态金属凝固的过程的主 要因素是化学成分; 冷却速率是影响凝固过程的主要工艺因素; 液态合金的结构和性质等对 液态金属的凝固也具有重要影响。(2热过冷与成分过冷有什么本质区别?(6分 答案 :热过冷完全由热扩散控制。成分 过冷由固-液界前方溶质的再分配引起的, 成分过冷不仅受热扩散控制, 更受溶质扩散控制

22、。 (3简述铸件(锭典型宏观凝固组织的三个晶区(6分 答案 :表面细晶粒区是紧靠型 壁的激冷组织, 由无规则排列的细小等轴晶组成; 中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列 的柱状晶粒组成;内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。3、 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织?(10分答案 :降低浇注温度,有利于 游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒; 对金属液处理, 向液态金属中添加生核剂, 强化非 均质形核; 浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注, 使游离晶不重熔; 引起铸型内液体流动, 游离晶增多,获得等轴晶。二、焊接原理部分(共 20分1简述氢在金属中的有害作用。 (4分 答案 : 氢脆, 白点,气

23、孔,冷裂纹2写出锰沉淀脱氧反应式,并说明熔渣的酸碱性对锰脱氧效果的影响(6分 答案 : Mn + FeO = Fe + (MnO,酸性渣脱氧效果好,碱度越大,锰的脱氧效果越差。 3冷裂纹的三大形成要素是什麽?(4分 答案 :钢材的淬硬倾向,氢含量及其分布,拘束应力状态 4说明低碳钢或不易淬火钢热影响区组织分布。 (6分 答案 :(1熔合区:组织不均匀 ; (2过热区: 组织粗大 ; (3相变重结晶区(正火 区 :组织均匀细小 ; (4不完全重结晶区:晶粒大小不一,组织分布不均匀 . 三、塑性成形力学部分 共 40分 1、简答题:(10分(1 写出塑性变形时应变分量 ij 与位移分量 (z y

24、x u u u , , 之间关系(小变形几何方程 ; (2 简述两种屈服准则并写出表达式,并说明其在空间的几何表示。 , (-=-b x b H bx b Hb y x b H d Ke H dx Kedx P 0 (20(202222222-=+-=-=-12222220(2b H b Hb x b He HK eHKHKeHKP 3、 如图平面挤压工艺, 012 , = 2u uh H =,最大剪应力为 K ,试用上限 法求解平面挤压时的平均流动应力 p 。 15分 第 六 题 图 (三、3题图 答案:*=DS Di i dS V K u P * ;022u u u u u cd bc a

25、b oa =, 0u u ac =, h l l l l cd bc ab oa 2=, h l ac = *=DS D i i dS V K uP * , (ac ac cd cd bc bc ab ab oa oa u l u l u l u l u l K Pu +=0 (h Ku hu u h K u l u l K Pu ac ac oa oa 5222440000= +=+= (h K hu u h K u l u l K P ac ac oa oa 52224400= +=+= K hPp 5. 22= 材料成型原理试卷 B 试题与答案一、铸件形成原理部分(共 40分1、解释下列

26、概念(共 9分,每小题 3分液态成形:将液态金属浇入铸型后,凝固后获得一定形状和性能的铸件或铸锭的加工 法。复合材料:有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体。 溶质再分配系数:凝固过程中固-液界面固相侧溶质质量分数与液相中溶质质量分数 之比,称为溶质再分配系数。 2、回答下列问题(共 16分(1 简述铸锭典型宏观凝固组织的三个晶区及其组成(5分 答案 :表面细晶粒区是紧靠型壁的激冷组织, 由无规则排列的细小等轴晶组成; 中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平 行排列的柱状晶粒组成;内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。 (2 产生成分过冷必须具备哪两个条件?(5分 答案 :;第一

27、是固-液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配;第二是固-液界面前方液相的实际温度分布,或温度分布梯度 GL 必须达到一定的值。(3 影响液态金属凝固过程的因素有哪些?(6分 答案 :影响液态金属凝固的过程的主要因素是化学成分; 冷却速率是影响凝固过程的主要工艺因素; 液态合金的结构和性质 等对液态金属的凝固也具有重要影响。2、 厚大铸件(在干砂型中浇注欲获得细等轴晶组织,应采取哪些措施?(15分答案 :降低浇注温度, 有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒; 对金属液处理, 向液 态金属中添加生核剂, 强化非均质形核; 浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注, 使游离晶 不重熔;引起铸型内液体流动,游离晶增多,获得等轴晶。 二、焊接原理部分(共 20分1熔渣的作用是什麽?(4分 答案 :(1机械保护作用; (2冶金处理作用; (3改善工艺性能的作用 2简述氧在金属中的有害作