材料成型原理复习

《材料成型原理》试卷

一、铸件形成原理部分（共40分）

(1)过冷度；(2)液态成形；(3)复合材料；(4) 定向凝固；

（1）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。

（2）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。

（3）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。（4）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。

（5）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

（1）影响液态金属凝固过程的因素有哪些？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？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。

（3）简述铸件（锭）典型宏观凝固组织的三个晶区.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？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1简述氢在金属中的有害作用。氢脆，白点，气孔，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.[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？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.（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.

一、填空题

1．液态金属本身的流动能力主要由液态金属的成分、温度和杂质含量等决定。

2．液态金属或合金凝固的驱动力由过冷度提供。

3．晶体的宏观生长方式取决于固液界面前沿液相中的温度梯度，当温度梯度为正时，晶体的宏观生长方式为平面长大方式，当温度梯度为负时，晶体的宏观生长方式为树枝晶长大方式。

4．液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。

5．液态金属凝固时由热扩散引起的过冷称为热过冷。

6．铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区不同形态的晶区。

7．内应力按其产生的原因可分为热应力、相变应力和机械应力三种。

8．铸造金属或合金从浇铸温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段。

9．铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析二大类。

二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上

1. 塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响大于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于；

2. 塑性变形时不产生硬化的材料叫做Ａ。

Ａ、理想塑性材料；Ｂ、理想弹性材料；Ｃ、硬化材料；

3. 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为Ｂ。

Ａ、解析法；Ｂ、主应力法；Ｃ、滑移线法；

4. 韧性金属材料屈服时Ａ准则较符合实际。

Ａ、密席斯；Ｂ、屈雷斯加；Ｃ密席斯与屈雷斯加

5. 塑性变形之前不产生弹性变形（或者忽略弹性变形）的材料叫做Ｂ。

Ａ、理想弹性材料；Ｂ、理想刚塑性材料；Ｃ、塑性材料；

6. 硫元素的存在使得碳钢易于产生 A 。

Ａ、热脆性；Ｂ、冷脆性；Ｃ、兰脆性；

7. 应力状态中的B 应力，能充分发挥材料的塑性。

Ａ、拉应力；Ｂ、压应力；Ｃ、拉应力与压应力；

8. 平面应变时，其平均正应力B 中间主应力。

Ａ、大于；Ｂ、等于；Ｃ、小于；

9. 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B 。

Ａ、提高；Ｂ、降低；Ｃ、没有变化；

三、判断题

1．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。（X ）

2. 合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。（X ）

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。（X ）

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。（X ）

6. 按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。（X ）

7．变形速度对摩擦系数没有影响。（X ）

四、名词解释

1．晶体择优生长: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。

2．偏析:一般情况下，铸件凝固后，从微观晶粒内部到宏观上各部位，化学成分都是不均匀的，这种现象称为偏析。

五、简答题

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。

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，称为缩孔。其中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。2.简述提高金属塑性的主要途径。

答：一、提高材料的成分和组织的均匀性二、合理选择变形温度和变形速度三、选择三向受压较强的变形形式四、减少变形的不均匀性

1.凝固速度：单位时间内凝固层的增长速度。

2.凝固时间：液态金属充满铸型的时刻至凝固完毕所需要的时间。

3.液态成型：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方法。

4.异质形核：在不均匀的熔体中依靠外夹杂质或型壁界面提供的衬底而非自发地形核过程。

5.均质形核：在没有任何外来界面的均匀熔体中依靠液态金属内部自身的结构自发地形核。

6.外生生长：就合金的宏观结晶状态而言，平面生长、胞状生长和柱状树枝晶生长都属于一

7.种晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式成为外生生长。

8.内生生长：在液体内部形核后，不依靠型壁而是在液体内部自由生长的晶粒的生长方式。

9.热过冷：金属凝固时完全由热扩散控制的过冷度叫做热过冷。

10.氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象被称为氢脆。

11.氮对焊缝的影响：使焊缝产生气孔；使材料变脆严重降低金属塑性；促进时效脆化。

一、填空题

1. 目前铸造成形技术的方法种类繁多按生产方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。

2. 在铸造生产中，细化铸件晶粒可采用的途径有增加过冷度、用孕育处理和附加振动。

3. 铸铁按碳存在形式分灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。

4. 合金在铸造时的难易程度的衡量指标合金的流动性和收缩。

5. 合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。

6. 压力加工的加工方法主要有：冲压、锻造、轧制、拉拔和挤压等。

7. 合金的流动性常采用浇注螺旋型标准试样的方法来衡量

8. 流动性不好的合金容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。

9. 液态金属的充型能力主要取决于金属的流动性，还受外部条件如浇注温度、充型压力、铸型结构和铸型材料等因素的影响,是各种因素的综合反映。

10.金属由浇注温度冷却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互关联的收缩阶段。

11.液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是内应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。

12.铸造中常产生的铸造缺陷有缩孔、缩松、浇不足、裂纹、内应力、夹渣和夹砂等

13. 特种铸造相对于砂型铸造的两类特点：型模的革新和充型方式的变更。

14.常用特种铸造方法金属型铸造、压力铸造、离心铸造、消失模铸造和熔模铸造、壳型铸造等。

15.衡量金属锻造性能的两个指标塑性和变形抗力。

16.自由锻造常用设备空气锤和水压机。

17.自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错移等。

18.镦粗的变形特点横截面积变大，长度变短；普通拔长的变形特点横截面积变小，长度变长；芯轴拔长的变形特点内孔直径不变，长度变长，壁厚变薄。

19.锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度之差。后者过低易产生加工硬化现象。

20. 锤上模锻的实质金属在模膛内成形和变形阻力大，变形不均匀。

21. 模膛的分类制坯模膛和模锻模膛。

22. 板料冲压中分离工序有冲孔、落料、剪切和修整等。变形工序有拉深、弯曲、翻边和成形等。

23. 电弧燃烧实质是指电弧的产生、运动和消失的动态平衡。

24. 电弧分为阴极区、阳极区和弧柱区三个区。

25. 直流电焊机正接极是指焊件接正极，焊条接负极。

26. 焊接冶金过程的特点反应温度高、接触面积大、冷却速度快。

27. 焊接接头是指焊缝和热影响区。焊接热影响区包括熔合区、过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。

28. 焊接应力和变形产生的原因对焊缝区不均匀的加热和冷却。

29. 焊接变形的几种形式收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪形变形等。30.焊接变形矫正方法机械矫正法和火焰矫正法。

31. 焊接性主要指结合性能和使用性能。

32. 估算材料焊接性常采用的方法碳当量法。

33. 焊接方法按照连接形式不同可以分为压焊、熔焊、和钎焊。

34. 埋弧自动焊使用连续送进的焊丝相当于焊条，颗粒状的焊剂相当于药皮。

35. 氩弧焊的分类熔化极电弧焊和不熔化极电弧焊。

36. 电阻焊的分类点焊、缝焊、和对焊。

37. 钎焊的分类软钎焊和硬钎焊。

二、选择题

1. 式样拉断前承受的最大拉应力称为（B ）。

A 屈服强度B抗拉强度 C 塑性强度 D 抗压强度

2. 常用金属的塑性判断依据是断后伸长率和（C ）。

A 硬度

B 强度

C 断面收缩率

D 屈服极限

3. 金属的韧性通常随温度降低（ B ）。

A 变好

B 变差

C 不变

D 都不对

4.加工硬化现象最主要的原因是（B ）。

A. 晶粒破裂细化

B. 位错密度增大

C. 晶粒择优取向

D. 形成纤维组织

5.机床床身应选用（C ）材料。

A. Q235钢

B. T10A钢

C. HT150

D. T8

三、是非题

1. 冲压加工只能用于加工金属板材。（╳）

2. 冲压产品的尺度精度主要是由模具保证的。（√）

3. 金属的晶粒越细，其强度越高，塑性越好。（√）

6. 材料强度极限与屈服极限之比值称为屈强比/。（╳）

7. 在其他条件相同时，砂型铸造比金属型铸造的铸件晶粒更细。（╳）

8. 固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。（√）

9. 珠光体、索氏体、屈氏体都是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。（√）

10. 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加。硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。（╳）

11. 点焊、缝焊时，焊件的厚度基本不受限制。（╳）

四名词解释

1.金属流动性：金属液本身的流动能力。

2.液态金属的充型能力：金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的

能力。

3.定向凝固：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。

4.同时凝固：将内浇口开设在铸件薄壁处，在厚壁处安放冷铁，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。

5.塑性变形：在外力的作用下金属内部原子沿一定的晶面和晶向产生滑移和孪生的

结果。

6.冷变形强化：在冷变形时，随着变形程度的增加，金属材料的强度和硬度都有所

提高，但塑性有所下降的现象。

7.再结晶：当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应

变的新晶粒。

8.锻造流线：在热加工变形过程中，晶界与晶内夹杂物不能参与再结晶，仍呈拉长状态，形成锻造流线。

9.纤维组织：材料塑性变形时，随工件外形的变化，其内部晶粒及晶间夹杂物沿着

最大主变形方向被拉长、拉细、压扁而形成的组织。

10. 自由锻造：利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任

何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法。

11.模型锻造：在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。

12.板料冲压：利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。

13.材料的焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式的条件下，

获得优质焊接接头的难易程度，即对焊接加工的适应性。

14.电弧焊：利用焊条和焊件之间的电弧热使金属和母材熔化形成焊缝的一种焊接

方法。

15.电渣焊：利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源来进行焊接的方法。

16.电阻焊：将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触

面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的

一种方法。

一、填空题和名词解释

1. 液态金属的结构可概括为近程有序，远程无序。实际金属液中存在能量、浓度、构（相）三种起伏。

2. 纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的。

3. 溶质元素对液态金属表面张力的影响分为两大类，提高表面张力的溶质元素叫非表面活性元素，使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素。

4. 流变铸造是金属（合金）在凝固温度区间给以强烈搅拌，破碎枝晶，使其形态发生变化，由枝晶经梅花状最终变为团粒状。

5. 金属及合金的结晶包括形核和长大两个过程，完成这两个过程需要热力学过冷度和动力学过冷度两种过冷度。

6. 依靠液态金属（合金）内部自身的结构自发地形核，称为均质形核。依靠外来夹杂所提供的异质界面非自发地形核，称为异质形核，或非均质形核。

7. 界面前沿液体中的温度条件有正温度梯度和负温度梯度两种，对纯金属而言，晶体的宏观生长方式有平面生长和树枝状生长，而无胞状生长。

8. 固-液界面的微观结构（几个原子层范围内）分为粗糙界面和光滑（平整）界面两类。纯金属晶体的微观生长方式有晶体的连续（垂直）生长、二维生长和从缺陷处生长。

9. 铸件凝固时间“折算厚度法则”公式为t=R2/K2，其中K为凝固系数，R为折算厚度（铸件模数）。由于折算厚度法则考虑到了铸件形状这个因素，所以它更接近实际。

10. 液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。自然对流是由浮力流和凝固收缩引起的流动。液体在枝晶间的流动驱动力来自三个方面，即凝固时的收缩、液体成分变化引起的密度改变和液体和固体冷却时各自收缩。

11. 成分过冷：由固-液界面前方溶质的再分配引起的过冷，称为成分过冷。热过冷：金属凝固时所需要的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷。

12. 成分过冷的判据式是：GL/R

13. 变质处理：通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌，从而改变晶体的生长过程的方法。孕育处理：向液体金属中添加生核剂，通过增加晶核数影响生核过程，实现细化晶粒的方法。

14. 应力按其产生原因可分为：热应力、相变应力和机械（阻碍）应力

15. 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，在形成新界而时产生的缝隙被称为裂纹。

16. 宏观可见的热烈纹，其断口均有较明显的氧化色彩；冷裂纹的断口则具有发亮的金属光泽。

17. 热裂纹是焊接或液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象。冷裂纹是焊件或铸件在室温附近出现的裂纹。

18. 金属中的气孔分为析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔。

19. 常见的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐。它会降低铸件的塑性、韧性和疲劳性能。试验证明，疲劳裂纹源主要发生在非金属夹杂物处。

20. 对具有一定凝固温度范围的合金，从浇注温度冷却到室温，都要经历液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个收缩阶段，其中液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔的基本原因。形成缩松和形成缩孔的基本原因是相同的，即合金的液态收缩值和凝固收缩值大于固态收缩值。

21. 微观偏析分为晶内偏析和晶界偏析两类，它们可通过扩散（均匀化）退火热处理工艺得到基本消除，但当晶界上存在稳定化合物时，偏析不能消除。

四、计算题

已知Ni的Tm=1453℃，L=1870J/mol，CL =2.25× 10-5J/cm2，摩尔体积为6.6cm3, 求（1）过冷度为100K，均质生核时的r 均。（2）当过冷度为100K， =10°时，异质生核时的r 异和G 异。解：(注意：Tm=1453℃=1726K，L=1870J/mol=1870÷6.6 J/ cm3=283.33 J/ cm3 ) （1）r 均=（2σCL×Tm）/( L×△T)=2.74×10-6（cm）（2）r 异=2.74×10-6（cm）A ﹡=4π(r 异)2 =9.43×10-11（cm2）f(θ)=（2+cosθ）(1－cosθ)2/4=1.72×10-4 △G异﹡= A﹡CL f(θ)/3=3.65×10-19(J)