2025年材料成型技术基础试题答案知识

2025年材料成型技术基础试题答案知识一、选择题（每题2分，共20分）1.灰铸铁件浇铸时，若冷却速度过快，易产生的主要缺陷是（）。A.缩孔B.白口C.气孔D.夹渣答案：B解析：灰铸铁的石墨化程度受冷却速度影响显著。冷却速度过快时，碳原子来不及析出形成石墨，易形成渗碳体（Fe₃C），导致白口组织，使铸件硬脆，加工性能下降。缩孔主要与凝固收缩和补缩不足有关；气孔由气体卷入或析出引起；夹渣多因熔渣未上浮或型砂混入。2.以下哪种锻造工艺更适合生产形状复杂、精度要求高的齿轮毛坯？（）A.自由锻B.胎模锻C.模锻D.轧制答案：C解析：模锻利用专用锻模对金属施加压力，可精确控制毛坯形状和尺寸，适合批量生产复杂形状的零件（如齿轮）。自由锻仅靠简单工具，形状精度低；胎模锻需在自由锻设备上使用可移动模具，效率和精度低于模锻；轧制主要生产板材、型材，不适合齿轮类复杂件。3.焊接低碳钢时，热影响区中组织性能最脆的区域是（）。A.熔合区B.过热区C.正火区D.不完全重结晶区答案：A解析：熔合区（半熔化区）是焊缝与母材的过渡区域，宽度仅0.1-0.4mm。该区晶粒粗大且成分不均匀，部分金属熔化后重新凝固，存在严重的晶格畸变和应力集中，是焊接接头中力学性能最差、最易产生裂纹的区域。过热区虽晶粒粗大，但通过后续正火可改善；正火区组织均匀细小，性能良好；不完全重结晶区仅有部分晶粒细化，脆化程度较低。4.粉末冶金工艺中，压制阶段的主要目的是（）。A.使粉末颗粒初步结合B.消除内部孔隙C.提高材料密度D.形成最终化学成分答案：A解析：压制是将松散粉末在模具中加压，通过颗粒间机械啮合和塑性变形实现初步结合，形成具有一定强度和形状的坯体（生坯）。消除孔隙和提高密度主要通过烧结阶段完成；最终化学成分在粉末配比时已确定，压制不改变成分。5.铝合金压铸件设计时，应避免壁厚过厚的主要原因是（）。A.增加成本B.易产生缩松C.流动性下降D.脱模困难答案：B解析：铝合金凝固时收缩率较大（约1.2-1.8%），厚壁区域冷却慢，内部液态金属补缩不足，易形成分散的缩松缺陷（微小孔洞），降低铸件致密性和力学性能。壁厚过厚虽可能增加成本，但非主要原因；压射压力下铝合金流动性受温度影响更大；脱模困难主要与拔模斜度设计有关。6.以下哪种塑性加工方式属于体积成形？（）A.板料冲压B.轧制C.拉拔D.弯曲答案：B解析：体积成形是通过改变材料体积分布实现形状变化，主要包括锻造、轧制、挤压等，材料变形量大且内部组织致密。板料冲压、弯曲属于板料成形（分离或变形），拉拔属于线材/管材的减径加工，变形集中在表层，体积变化较小。7.砂型铸造中，起模斜度的作用是（）。A.减少造型材料消耗B.便于起模时型腔不被破坏C.提高铸件表面精度D.增强型芯强度答案：B解析：起模斜度是为了在起模时减少砂型与模样的摩擦，避免型腔边缘脱落或塌陷，保证铸型完整性。其设计与铸件尺寸、表面粗糙度相关，但主要目的是工艺可行性而非减少材料或提高精度。8.电阻焊与电弧焊相比，最显著的特点是（）。A.热输入小B.设备简单C.可焊厚大工件D.无需填充材料答案：D解析：电阻焊（如点焊、缝焊）利用电流通过工件接触面产生的电阻热实现焊接，无需额外填充材料；电弧焊需焊条或焊丝作为填充金属。热输入方面，电阻焊因作用时间短，热影响区较小，但“最显著”特点是无填充材料。设备复杂（需大电流电源）、难以焊接厚大工件（一般≤3mm）是其局限性。9.锻造比（Y）的计算公式为（）。A.Y=变形前截面积/变形后截面积B.Y=变形后截面积/变形前截面积C.Y=变形前长度/变形后长度D.Y=变形后长度/变形前长度答案：A解析：锻造比是衡量金属变形程度的重要参数，定义为变形前横截面积（F₀）与变形后横截面积（F₁）的比值（Y=F₀/F₁）。对于拔长工序（长度增加、截面积减小），Y＞1；对于镦粗工序（长度减小、截面积增大），Y=1/（H₁/H₀）（H为高度）。10.以下哪种铸造方法最适合生产发动机缸体（复杂薄壁灰铸铁件）？（）A.砂型铸造B.金属型铸造C.压力铸造D.熔模铸造答案：A解析：发动机缸体结构复杂（含大量空腔、薄壁）、尺寸较大（长×宽×高约500×300×400mm），砂型铸造灵活性高，可通过型芯组合形成复杂内腔，且灰铸铁流动性好，适合砂型中充型。金属型冷却快，易导致薄壁件浇不足；压力铸造适用于铝、镁等非铁合金，铸铁熔点高，模具寿命低；熔模铸造成本高，适合小型精密件。二、简答题（每题8分，共40分）1.简述顺序凝固与同时凝固的区别及应用场景。顺序凝固是指铸件从远离冒口的部分开始凝固，依次向冒口方向进行，使缩孔集中在冒口内，最终切除冒口获得致密铸件。其特点是通过设置冒口和冷铁（如在厚大部位放置冷铁加速冷却），形成由薄到厚的温度梯度。适用于收缩大、易产生缩孔的合金（如铸钢、铝青铜）及厚大铸件（如机床床身、大型齿轮毛坯）。同时凝固是指铸件各部分几乎同时完成凝固，无明显温度梯度，通过减小内应力防止变形和裂纹。其特点是不设置冒口（或仅用小冒口），通过均匀壁厚、对称结构设计实现。适用于收缩小的合金（如灰铸铁、锡青铜）及薄壁、易变形的铸件（如箱体类零件、平板类铸件）。2.冲压成型的主要工序有哪些？各工序的作用是什么？冲压工序分为分离工序和变形工序两大类：（1）分离工序：通过模具使板料局部断裂分离，包括落料（冲下部分为工件）、冲孔（冲下部分为废料）、剪切（直线切割）、修边（去除毛坯边缘多余材料）等。作用是获得所需形状和尺寸的平板零件或毛坯。（2）变形工序：使板料在不破裂的前提下发生塑性变形，包括拉深（将平板变为空心件，如汽车覆盖件）、弯曲（将板料弯成一定角度或形状，如支架）、翻边（在孔或边缘处翻出竖立边，如加强筋）、胀形（将空心件局部向外扩张，如波纹管）等。作用是将平板料加工成具有一定立体形状的零件。3.焊接应力产生的主要原因是什么？如何减小焊接应力？焊接应力产生的根本原因是焊接过程中局部加热和冷却导致的不均匀热胀冷缩。具体表现为：（1）加热时焊缝及附近金属膨胀受周围低温金属限制，产生压应力；冷却时收缩受限制，产生拉应力。（2）相变应力：某些钢种（如中碳钢）焊接时，热影响区发生奥氏体→马氏体转变（体积膨胀），与周围未相变区域产生应力差。（3）拘束应力：焊件刚性大（如厚板、固定焊），变形受限制，应力无法释放。减小焊接应力的措施包括：（1）设计上：减少焊缝数量和尺寸，避免焊缝集中；采用对称结构。（2）工艺上：焊前预热（降低冷却速度，减小温差）；焊后缓冷（如用石棉覆盖）；采用小热输入焊接（如氩弧焊代替手弧焊）；锤击焊缝（使焊缝金属延展，释放应力）。（3）热处理：焊后进行去应力退火（500-650℃保温后缓冷），通过原子扩散消除内应力。4.粉末冶金工艺中，烧结的作用是什么？影响烧结质量的主要因素有哪些？烧结是粉末冶金的关键工序，作用是通过加热使生坯中粉末颗粒间产生原子扩散和结合，形成具有一定强度、密度和性能的材料。具体表现为：（1）颗粒间形成冶金结合（晶界或固溶体），提高强度；（2）孔隙减少、尺寸收缩，密度增加；（3）成分均匀化（如合金粉末中的元素扩散）。影响烧结质量的因素：（1）烧结温度：需高于粉末材料的0.7-0.8倍熔点（如铁基材料约1100-1300℃），温度过低则结合不充分，过高易导致晶粒粗大或熔化。（2）烧结时间：需足够使原子充分扩散（通常30-120分钟），时间过短则收缩不完全，过长增加成本。（3）烧结气氛：需保护粉末不氧化（如氢气、氮气），活性气氛（如分解氨）可还原表面氧化物，改善结合。（4）生坯密度：密度越高，颗粒接触面积越大，烧结后性能越好（一般压制压力为200-600MPa）。5.简述金属液态成型中“充型能力”的概念及影响因素。充型能力是指液态金属填满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状完整铸件的能力。它直接影响铸件是否产生浇不足、冷隔等缺陷。影响因素包括：（1）金属性质：流动性（液态金属本身的流动能力，如灰铸铁＞铸钢，共晶合金＞亚共晶合金）；凝固方式（逐层凝固的合金充型能力优于糊状凝固，因凝固层表面光滑，流动阻力小）；表面张力（张力越小，越易填充细小间隙）。（2）铸型条件：铸型导热性（金属型导热快，液态金属冷却快，充型能力下降；砂型导热慢，有利充型）；型腔阻力（砂型透气性差、型腔复杂时，气体排出困难，阻碍金属流动）；铸型温度（预热铸型可延缓金属冷却，提高充型能力）。（3）浇注条件：浇注温度（温度越高，流动性越好，但过高易氧化、缩孔；通常铸钢1520-1580℃，铸铁1250-1380℃）；浇注速度（速度快则充型时间短，热量损失少；但过快易卷气）；充型压力（压力铸造、低压铸造通过增加压力提高充型能力）。三、分析题（每题15分，共30分）1.某企业拟生产铝合金汽车轮毂（直径600mm，轮辐带加强筋，要求高强度、高致密性），需选择合适的成型工艺。试分析砂型铸造、低压铸造、挤压铸造的适用性，并推荐最优方案。（1）砂型铸造：利用砂型成型，成本低、工艺灵活，但铝合金流动性一般（液态收缩率约6%），砂型导热慢，轮毂厚大部位（如轮辋）易产生缩松，且砂型透气性导致铸件内部可能残留气孔，难以满足高强度（要求σb≥280MPa）和高致密性（需经X射线探伤无≥0.5mm缺陷）要求。（2）低压铸造：在密封坩埚中通入0.02-0.07MPa低压，使铝液自下而上充型，充型平稳、补缩效果好（压力持续至凝固完成）。轮毂轮辐和轮辋可顺序凝固，减少缩松；铸件致密度高（气孔少），力学性能较砂型铸造提高10-20%（σb可达300MPa）。但需要专用低压铸造机，模具成本较高，适合批量生产（＞10万件/年）。（3）挤压铸造（液态模锻）：将定量铝液浇入模具，在压力（50-200MPa）下凝固并产生少量塑性变形。压力消除了内部孔隙，铸件几乎无缩松、气孔，致密度接近锻件（σb≥320MPa），且尺寸精度高（IT10-IT12），表面粗糙度Ra3.2-1.6μm。但设备吨位大（需800-1500吨压力机），模具寿命受高压影响较短，适合高附加值、小批量（1-5万件/年）或高性能要求的轮毂（如赛车、高端乘用车）。综合考虑：汽车轮毂属于批量生产（通常＞10万件/年），且需要高强度（满足280-320MPa）和高致密性。低压铸造在成本、效率和性能之间取得平衡，虽力学性能略低于挤压铸造，但能满足大部分乘用车需求，且模具寿命较长（可达5-8万次），是最优选择。2.某工厂生产的灰铸铁机床床身（厚大部位200mm，薄壁部位15mm）出现缩孔缺陷，试分析可能原因并提出改进措施。可能原因：（1）凝固顺序不合理：厚大部位（200mm）冷却慢，液态收缩未得到有效补缩，导致内部形成缩孔。（2）冒口设计不当：冒口尺寸过小（体积未达到被补缩部位的4-6%），或位置远离厚大区域，无法提供足够补缩金属液。（3）浇注温度过高：高温导致液态收缩量增加（灰铸铁液态收缩率约1.2%，温度每升高100℃，收缩率增加0.2-0.3%），补缩需求增大。（4）型砂性能差：砂型退让性不足（如黏土含量过高），厚大部位凝固时收缩受砂型阻碍，内部产生负压，加剧缩孔形成。改进措施：（1）优化凝固顺序：在厚大部位设置冷铁（如铸铁冷铁或石墨冷铁），加速其冷却，使凝固顺序变为“薄壁→厚壁→冒口”，确保冒口最后凝固，持续补缩。（2）调整冒口参数：采用保温冒口（如覆盖保温剂或使用发热冒口套），延长冒口内金属液的凝固时间；冒口体积按公式V冒=V补×（K+1）计算（K为补缩效率，灰铸铁取0.2-0.3），确保体积足够。（3）控制浇注温度：在保证充型的前提下降低温度（如从1380℃降至1320℃），减少液态收缩量。（4）改善型砂性能：增加型砂中煤粉或锯末含量（提高退让性），降低黏土比例（控制在8-12%），避免砂型过早硬化阻碍收缩。（5）采用顺序凝固工艺：在床身厚大部位与薄壁之间设置浇道，使金属液先填充薄壁，再通过浇道补缩厚大区域，配合冒口形成温度梯度。四、计算题（10分）某厂采用平砧拔长工艺生产42CrMo钢轴类锻件，原始坯料尺寸为φ200mm×500mm（直径×长度），拔长后尺寸为φ100mm×L（长度）。已知42CrMo钢的锻造比需≥3，试计算拔长后的最小长度L，并判断是否满足锻造比要求（假设体积不变）。解：