(2025年)材料成型技术基础考试试题答案

(2025年)材料成型技术基础考试试题答案一、简答题（每题15分，共75分）1.简述影响液态金属充型能力的主要因素及实际生产中的控制方法。液态金属充型能力指熔融金属在铸型中充填型腔、形成轮廓清晰铸件的能力，其受多方面因素影响。首先是合金本身的流动性，流动性是充型能力的基础，与合金成分密切相关：纯金属和共晶合金因凝固温度区间窄（接近恒温凝固），流动性最佳；而固溶体合金凝固温度区间宽，液态金属在流动过程中易析出树枝晶，阻碍流动，流动性较差。例如，铸铁中碳当量（CE=C+Si/3）接近共晶成分（CE≈4.3%）时，流动性显著优于亚共晶或过共晶成分。其次是铸型条件，包括铸型的导热性、透气性及型腔表面粗糙度。若铸型导热过快（如金属型），液态金属冷却速率增加，黏度上升，充型能力下降；反之，砂型导热性较低，充型能力相对较好。型腔表面粗糙会增加流动阻力，因此实际生产中常通过刷涂涂料降低表面粗糙度。浇注工艺参数也至关重要：浇注温度升高可降低液态金属黏度，延长充型时间，但过高会导致氧化加剧、收缩增大；浇注速度需与铸型排气能力匹配，速度过慢易使金属液提前凝固，过快则可能卷入气体形成气孔。生产中通常根据合金类型确定浇注温度（如铸钢约1500-1550℃，灰铸铁约1300-1400℃），并通过阶梯式浇注系统控制流速。最后是铸件结构，如壁厚过薄（<3mm）或形状复杂（多狭缝、细筋）时，流动阻力增大，需通过增加工艺补贴或预热铸型改善充型。控制方法包括：调整合金成分至近共晶点（如铸铁的孕育处理）、优化铸型材料（如砂型中加入煤粉降低导热性）、合理设置浇注系统（如采用底注式减少冲击）、精确控制浇注温度（如铝合金浇注温度控制在680-740℃）等。2.解释塑性加工中“纤维组织”的形成机理及其对材料性能的影响。纤维组织是金属在塑性变形过程中，内部第二相质点（如夹杂物、偏析区）沿变形方向被拉长或破碎后呈流线分布的组织特征。其形成与金属的塑性流动密切相关：当金属受外力发生塑性变形时，基体金属的晶粒沿变形方向被拉长或压扁，而其中的脆性夹杂物（如氧化物、硫化物）因难以变形，会被破碎成链状并沿变形方向排列；塑性夹杂物（如MnS）则随基体一起被拉长，形成连续的条带。这些夹杂物和基体的变形轨迹共同构成肉眼可见的流线，即纤维组织。纤维组织对材料性能的影响具有方向性：沿纤维方向（流线方向）的抗拉强度、塑性和韧性较高，而垂直于纤维方向的性能较低。例如，经轧制的钢板，其纵向（轧制方向）的伸长率比横向高10%-20%，冲击韧性可能高出数倍。这种各向异性在零件设计中需重点考虑，若纤维方向与零件承受的主应力方向一致（如轴类零件的纤维沿轴线分布），可显著提高零件的承载能力；反之，若纤维被切断（如通过横向切削加工），则可能在纤维末端形成应力集中，降低零件的疲劳寿命。实际生产中，常通过合理设计变形工艺（如锻造时采用多向镦粗-拔长）来控制纤维走向，使流线与零件轮廓一致且不被切断。例如，汽车曲轴的模锻工艺中，通过精确设计模具型腔，确保流线沿曲轴轴线和拐臂轮廓分布，避免在圆角处中断。3.说明焊接热影响区的分区及各区域的组织性能特点（以低碳钢为例）。焊接热影响区（HAZ）是焊缝两侧因焊接热循环而发生组织和性能变化的区域，按加热温度和组织转变特征可分为四个亚区：（1）熔合区（半熔化区）：温度处于固相线（约1490℃）与液相线（约1538℃）之间，金属部分熔化，晶粒粗大且成分不均匀。该区宽度仅0.1-0.4mm，但因存在未熔合、夹渣等缺陷，是焊接接头中性能最薄弱的区域，易成为裂纹起源点。（2）过热区（粗晶区）：温度在1100℃至固相线之间，奥氏体晶粒严重粗化（晶粒度可达1-4级），冷却后形成粗大的魏氏组织（铁素体呈针状穿插于珠光体中）。该区硬度较高（HV250-300），但塑性和韧性显著下降（冲击功可能仅为母材的1/3-1/2），是焊接接头的另一个薄弱环节。（3）正火区（细晶区）：温度在Ac3（约900℃）至1100℃之间，金属发生完全奥氏体化，因加热温度低于过热区，奥氏体晶粒细小（晶粒度5-8级）。冷却后得到细小的铁素体+珠光体组织，与母材相比，强度、塑性和韧性均有所提高（如屈服强度比母材高5%-10%），是热影响区中性能最佳的区域。（4）不完全重结晶区（部分相变区）：温度在Ac1（约727℃）至Ac3之间，部分铁素体未溶解（保留原始粗大晶粒），部分铁素体和珠光体转变为细小奥氏体，冷却后形成细小铁素体+珠光体与原始粗大铁素体的混合组织。该区性能不均匀，硬度和强度介于母材与正火区之间，但塑性略低于母材。4.简述粉末冶金工艺的基本流程及其关键技术要点。粉末冶金是将金属粉末（或金属与非金属粉末的混合物）通过成形和烧结制成制品的工艺，基本流程包括：（1）粉末制备：通过机械粉碎（如球磨）、雾化（气雾化或水雾化）、还原（如H2还原Fe2O3）等方法获得金属或合金粉末。关键控制参数为粉末粒度（如铁基粉末常用-200目，即<75μm）、形状（球形粉末流动性好，不规则粉末成形性好）及纯度（氧含量<0.5%）。（2）混合：将不同成分的粉末（如铁粉+石墨粉+铜粉）均匀混合，添加成形剂（如硬脂酸锌）改善流动性。混合时间需控制（通常2-4小时），过长会导致粉末氧化，过短则成分不均。（3）成形：通过模压（单向或双向压制）、等静压或注射成形使粉末成为坯体。模压时压力一般为200-800MPa，压力过高易损坏模具，过低则坯体密度不足（相对密度<85%时强度低）。关键参数是压制压力和保压时间（通常1-3秒），以确保坯体密度均匀。（4）烧结：在保护性气氛（如H2、N2）或真空下加热坯体至低于熔点的温度（如铁基制品烧结温度1120-1250℃），通过原子扩散实现颗粒间结合。烧结温度和时间直接影响制品密度和强度：温度过低（<1000℃）则烧结不充分，强度低；过高（>1300℃）会导致晶粒粗大，脆性增加。保温时间一般为30-120分钟，需根据制品厚度调整。（5）后处理：包括精整（校正尺寸）、浸油（提高减摩性）、热处理（如淬火提高硬度）或表面处理（如电镀）。例如，铁基粉末冶金齿轮常通过渗碳淬火使表面硬度达HRC58-62，心部保持韧性。关键技术要点：粉末的粒度分布（需兼顾成形性和烧结活性）、压制时的压力均匀性（避免分层）、烧结气氛的控制（防止氧化或脱碳）、以及烧结温度与时间的匹配（平衡密度与晶粒尺寸）。5.分析铸造应力的分类及防止铸件产生应力裂纹的主要措施。铸造应力按产生原因可分为热应力、收缩应力和相变应力三类：（1）热应力：铸件各部分冷却速度不同，导致收缩量不一致，彼此约束产生的应力。厚壁或心部冷却慢（拉应力），薄壁或表层冷却快（压应力）。例如，矩形截面铸件的长边中心受拉，四角受压。（2）收缩应力：铸件固态收缩时因铸型、型芯阻碍收缩而产生的应力，通常为拉应力，与铸型的退让性直接相关（如砂型退让性优于金属型）。（3）相变应力：铸件冷却过程中发生固态相变（如钢的奥氏体→铁素体+珠光体，体积膨胀），各部分相变不同步导致的应力。例如，厚壁部位相变滞后，可能因周围已相变区域的膨胀而受拉。防止应力裂纹的措施包括：①设计方面：避免壁厚悬殊（如采用过渡圆角，壁厚差<30%），减少热节（通过冷铁或补贴消除局部厚大区域）；②工艺方面：控制冷却速度（如砂型中加入锯末降低导热性），采用同时凝固原则（设置分散冒口，减少热应力），或顺序凝固原则（配合冒口补缩，适用于易产生缩孔的合金）；③材料方面：提高合金的高温强度和塑性（如铸铁中加入0.02-0.04%的铈，改善石墨形态）；④后处理方面：对重要铸件进行去应力退火（如钢件加热至550-650℃，保温2-4小时后缓冷），消除残余应力。二、分析题（每题20分，共40分）1.对比砂型铸造与金属型铸造的工艺特点，结合具体零件说明各自适用场景。砂型铸造以型砂为铸型材料，金属型铸造采用金属（如铸铁、铜合金）制作铸型，二者工艺特点对比如下：（1）铸型寿命：砂型为一次性（每铸一次需重新造型），金属型可重复使用数百至数万次（取决于冷却和涂料维护）；（2）冷却速度：金属型导热性是砂型的5-10倍，液态金属冷却快，铸件晶粒细小（如铝合金金属型铸件的抗拉强度比砂型高10%-15%），但易产生浇不足或冷隔缺陷；（3）铸件精度：砂型因型砂退让性好，尺寸精度较低（CT8-CT12），表面粗糙度Ra12.5-50μm；金属型尺寸精度高（CT6-CT9），表面粗糙度Ra3.2-12.5μm；（4）生产成本：砂型设备简单（手工或机器造型均可），初期投资低，但批量生产时造型工时占比大（约60%）；金属型模具制造周期长（需机加工），初期成本高，但批量生产时单件成本低；（5）适用合金：砂型对合金无限制（钢、铸铁、铝、铜均可）；金属型因冷却快，适用于流动性好的合金（如铝合金、铜合金），铸钢因收缩大、易热裂，较少使用金属型。适用场景举例：砂型铸造适合单件小批量生产的复杂零件（如机床床身，尺寸大、结构复杂，需手工造型），或对韧性要求高的厚大铸件（如球墨铸铁曲轴，砂型冷却慢可减少内应力）。金属型铸造适合大批量生产的中、小尺寸零件（如汽车发动机铝活塞，年产量10万件以上时，金属型可显著降低成本），或对表面质量要求高的零件（如铝合金泵体，金属型可减少机加工余量）。2.以铝合金板料拉深为例，分析起皱和破裂的形成机理及预防措施。铝合金（如5052-H32）拉深时，常见缺陷为凸缘区起皱和筒壁与底部过渡区（凹模圆角处）破裂。（1）起皱机理：拉深过程中，凸缘区金属受切向压应力作用（径向拉应力、切向压应力的平面应力状态），当压应力超过材料的临界失稳应力时，凸缘发生失稳起皱。铝合金因屈强比（σs/σb）较高（约0.7-0.8，高于低碳钢的0.5-0.6），更易起皱。此外，板料厚度越薄（如t=1mm比t=3mm）、拉深系数（m=d/D，d为拉深件直径，D为坯料直径）越小（m<0.5时），起皱倾向越大。（2）破裂机理：筒壁与底部过渡区是拉深时的最大应力区，承受径向拉应力（由凸模传递的拉深力）和切向拉应力（因材料变薄引起）。当拉应力超过材料的抗拉强度（σb）时，该处发生破裂。铝合金的延伸率较低（约15%-20%，低于低碳钢的25%-40%），且加工硬化指数（n值）较小（约0.15-0.25），导致局部变形集中，更易破裂。预防措施：①起皱：采用压边圈（压边力F=（0.8-1.2）σs×π（D²-d²）/4），通过调整压边力平衡凸缘区的压应力；增加板料厚度（如t≥1.5mm）；选择合适的拉深系数（铝合金首次拉深m≥0.55，二次拉深m≥0.75）；②破裂：降低拉深力（如采用润滑剂，减小凹模圆角处的摩擦系数μ至0.05-0.1）；增大凹模圆角半径（r凹=（5-10）t，避免r凹过小导致应力集中）；进行中间退火（如5052铝合金拉深后在300-350℃退火1小时，消除加工硬化）；选择塑性更好的铝合金（如6061-O态，延伸率可达25%）。三、综合题（35分）某汽车发动机缸体采用灰铸铁（HT250）铸造生产，近期出现批量缩松缺陷（铸件内部微小孔隙，分布于热节或厚大部位），试从材料、工艺、模具设计三方面分析可能原因，并提出改进措施。（1）材料方面：可能原因：灰铸铁碳当量（CE）偏低（如CE<3.8%），导致凝固温度区间变宽（亚共晶成分），液态收缩和凝固收缩增大，补缩困难；孕育处理不足（如孕育剂加入量<0.4%），石墨化不充分，析出石墨少（石墨膨胀量减少），无法抵消金属收缩；硫含量过高（S>0.12%），形成较多的FeS夹杂，降低铁液流动性，阻碍补缩。改进措施：调整碳当量至共晶附近（CE=3.9-4.1%），增加石墨析出量；优化孕育工艺（采用含钡、锶的复合孕育剂，加入量0.5-0.7%），细化石墨和基体组织；控制硫含量（S≤0.10%），加入0.02-0.04%的稀土元素中和硫的有害作用。（2）工艺方面：可能原因：浇注温度过低（如<1300℃），铁液黏度增大，补缩通道提前堵塞；浇注速度过慢（如充型时间>15秒），导致表层过早凝固，内部金属液无法通过冒口补缩；冒口设计不合理（如冒口体积不足，V冒<0.2V热节；冒口位置远离热节），无法有效补缩；冷却速率不均（厚大部位冷却慢，中心区域最后凝固，缺乏补缩）。改进措施：提高浇注温度至1350-1400℃（但不超过1450℃，避免氧化）；采用底注式浇注系统，缩短充型时间（控制在8-12秒）；重新设计冒口（如采用保温冒口，加入发热剂使冒口凝固时间延长30%；冒口位置对准热节，冒口颈尺寸为热节圆直径的0.8-1.0倍）；在厚大部位设置冷铁（如石墨冷铁或铸铁冷铁），加快局部冷却，实现顺序凝固。（3）模具设计方面：可能原因：砂型（或芯）的退让性不足（如型砂紧实度过高，紧实