材料成形原理复习题

材料成形原理复习题

1．粘度。影响粘度大小的因素？粘度对材料成形过程的影响？

1)粘度：是液体在层流情况下，各液层间的摩擦阻力。其实质是原子间的结合力。

2)粘度大小由液态金属结构决定与温度、压力、杂质有关：

(1)粘度与原子离位激活能U成正比，与相邻原子平衡位置的平均距离的三次方成反比。(2)温度：温度不高时，粘度与温度成反比；当温度很高时，粘度与温度成正比。

(3)化学成分：杂质的数量、形状和分布影响粘度；合金元素不同，粘度也不同，接近共晶成分，粘度降低。(4)材料成形过程中的液态金属一般要进行各种冶金处理，如孕育、变质、净化处理等对粘度有显著影响。

3)粘度对材料成形过程的影响

(1)对液态金属净化(气体、杂质排出)的影响。(2)对液态合金流动阻力与充型的影响，粘度大，流动阻力也大。(3)对凝固过程中液态合金对流的影响，粘度越大，对流强度G越小。

2．表面张力。影响表面张力的因素？表面张力对材料成形过程及部件质量的影响？

1)表面张力：是金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的紧绷力或单位表面积上的能量。其实质是质点间的作用力。

2)影响表面张力的因素

(1)熔点：熔沸点高，表面张力往往越大。(2)温度：温度上升，表面张力下降，如Al、Mg、Zn等，但Cu、Fe相反。(3)溶质元素(杂质)：正吸附的表面活性物质表面张力下降(金属液表面)；负吸附的表面非活性物质表面张力上升(金属液内部)。(4)流体性质：不同的流体，表面张力不同。

3)表面张力影响液态成形整个过程，晶体成核及长大、机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与表面张力关系密切。

3．液态金属的流动性。影响液态金属的流动性的因素？液态金属的流动性对铸件质量的影响？

1)液态金属的流动性是指液态金属本身的流动能力。

2)影响液态金属的流动性的因素有：液态金属的成分、温度、杂质含量及物理性质有关，与外界因素无关。

3)好的流动性利于缺陷的防止：(1)补缩(2)防裂(3)充型(4)气体与杂质易上浮。

4．液态金属的充型能力。影响液态金属的充型能力的因素？

1)液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

2)影响液态金属的充型能力的因素有：

(1)内因是金属自身流动性；(2)外因有型的性质、浇注条件、型腔结构形状[(1)金属性质：1)合金成分2)结晶潜热3)比热、密度、导热系数4)粘度5)表面张力；(2)铸型性质方面因素：1)型的蓄热系数大2)型的温度3)型中气体；(3)浇注条件方面因素：1)浇注温度2)充型压头3)浇注系统结构；(4)铸件结构方面因素：1)折算厚度2)复杂程度]

5．液态金属的充型能力与流动性的区别和联系？

1)液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又和外界条件密切相关。

2)液态金属自身的流动能力称为“流动性”，由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关，流动性可认为是特定条件下的充型能力。

3)液态金属流动性好，其充型能力强，反之其充型能力差，但这可以通过外界条件来提高充型能力。

第三章液态金属凝固热力学和动力学

1．什么是溶质再分配？溶质分配系数表达式？

1)溶质再分配：合金析出的固相中溶质含量不同于其周围液相内溶质含量的现象，产生成分梯度，引起溶质扩散。

2)溶质分配系数k：凝固过程中固液界面固相侧溶质质量分数mS与液相中溶质质量分数mL 之比，即k=mS/mL。

2．均质形核与非均质形核(异质形核)。

1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。

2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。

3．界面共格对应关系及其判别？

1)固体质点的某一晶面和晶核的原子排列规律相似，原子间距离相近或在一定的范围内成比例，就可能实现界面共格对应，该固体质点就可能成为形核的衬底。这种对应关系叫共格对

应关系。

2)共格对应关系用点阵失配度δ衡量

(1)δ≤5%为完全共格，形核能力强；(2)5%＜δ≤25%为部分共格，夹杂物衬底有一定的形核能力；(3)δ>25%为不共格，夹杂物衬底无形核能力。

4．点阵失配度

点阵失配度δ即其中as、az分别为夹杂物、晶核原子间距离。用来衡量界面共格对应关系。

5．晶体的宏观长大方式？

1)平面方式长大条件：(1)固液界面前方液体的正温度梯度分布GL>0，液相温度高于界面温度Ti；(2)固液前方液体过冷区域及过冷度极小；(3)晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反。生长过程：生长时，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，从而导致晶体以平面方式生长。

2)树枝晶方式长大条件：(1)固液界面前方负温度梯度分布GL<0，液相温度低于凝固温度Ti；

(2)固液界面前液体过冷区域较大，距界面越远的液体其过冷度越大；(3)晶体生长时凝固潜热析出的方向同晶体生长方向相同。生长过程：界面上突起的晶体将快速伸入过冷液体中，一次晶臂长出二次晶臂，甚至长出三次晶臂，产生枝晶，以树枝晶方式生长。

6．固液界面微观结构有哪几种？

1)粗糙界面：当a≤2,x=0.5时，界面固相一侧的点阵位置有50%左右被固相原子占据，另部分位置空着，其微观上是粗糙的、高低不平的，大多数金属都属于这种结构。

2)光滑或平整界面：当a>2,0.05

7．晶体的微观长大方式？

1)晶体连续或垂直生长(正常生长方式)：对于粗糙的固液界面，由于界面有50%的空位可接受原子，故液体中的原子可单个进入空位与晶体连接，界面沿法线方向向前推进，绝大数金属采用这种方式生长。生长特点：(1)几乎不存在热力学能障；(2)生长所需动力学过冷度小；

(3)生长速度最高；(4)生长速率与过冷度成正比(v1=K1ΔTK)。

2)晶体二维生长：对于平整的固液界面，因界面上没有多少位置供原子占据，单个原子无法往界面碓砌，如同均质形核，在平整界面上形成一个原子厚度的核心，适合非金属的生长。生长特点：(1)生核需要过冷度大；(2)原子只能往台阶的侧面生长，几率小，生长速率低(v2=K2e-B/ΔTk)。

3)晶体从缺陷处生长：平整界面二维生长的另一种形式，它不是由形核来形成二维台阶，而是依靠晶体缺陷产生台阶，如位错、孪晶等，分螺旋位错生长，旋转孪晶生长和反射孪晶生长。生长特点：(1)热力学能障小；(2)台阶不会消失；(3)生长速度快，仍比较粗糙界面生长速度慢；(4)过冷度大，位错密度大，台阶多，速度加快。

8．晶体的各微观长大方式的长大速度与过冷度有何关系？

1)晶体连续或垂直生长：生长所需热力学能障小，生长速度与过冷度成正比v1=K1ΔTK，生长速度很快；

2)晶体二维生长：生核所需过冷度大，生长速率低；

3)晶体从缺陷处生长(螺旋位错生长)：过冷度大，位错密度大，生长速度快，但仍比较粗糙界面生长速度慢v3=K3·ΔTK2

4)当过冷度很大时，三者的生长速度趋于一致，平整界面上会产生大量的二维中心，或产生大量的螺旋台阶，使平整界面变成粗糙界面。

第四章液态金属凝固过程中的传热及传质

1．铸件的凝固方式有哪几种？影响铸件凝固方式的因素？

1)铸件的凝固方式：

(1)逐层凝固方式：纯金属、共晶合晶或结晶范围很小的合金，铸件断面温度梯度很大，导致铸件凝固区很小或没有。(2)体积凝固方式：合金结晶温度范围比较大或铸件断面温度梯度小，铸件凝固范围大。(3)中间凝固方式：铸件的凝固范围在以上两者之间。

2)影响铸件凝固方式的因素：

(1)合金的化学成分：纯金属、共晶合金的凝固温度范围区间(液固温度差)为零，属于逐层凝固方式；当合金凝固温度区间很大时，凝固范围宽，为体积凝固方式。

(2)铸件断面温度梯度：温度梯度小，则易产生体积凝固方式凝固。

第五章单相合金的凝固

1．热过冷与成分过冷。

1)热过冷：金属凝固时所需的过冷度若完全由热扩散控制，这样的过冷叫热过冷，其大小为凝固点与实际温度之差，纯金属的凝固时就是热过冷。

2)成分过冷：合金由于溶质再分配导致界面前方熔体成分及凝固温度发生变化引起的过冷。补：热过冷仅受传热过程控制，成分过冷同时受传热过程和传质过程控制。

2．成分过冷如何产生？

1)过程分析：

(1)合金在近平衡凝固过程中，溶质发生再分配，在固—液界面的液相侧中形成一个溶质富集区。(2)由相图可知，液相成分不同，导致理论凝固温度变化，当固相无扩散而液相只有扩散的单相合金凝固时，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低，固液界面前平衡液相温度曲线上凸(TL(x’))，界面处平面温度最低，离界面越远，液相温度越高。(3)由于固相导热，固液界面前分的实际温度分布呈直线T(x’)，温度梯度为正，界面处实际温度最低，离界面越远，液相实际温度越高。(4)固液界面前方液体的过冷度为平衡液相温度(即理论凝固温度)TL(x’)与实际温度T(x’)之差，即ΔTc= TL(x’)- T(x’)。

2)必备条件

(1)在固—液界面溶质再分配引起成分富集。

(2)固液界面前方液相的实际温度梯度必须达到一定的值，即GL≤{d TL(x’)/dx’}|x’=0。3．成分过冷的判别式？

(GL温度分布梯度，DL溶质扩散系数，v凝固速度，mL液相线斜率(mL<0)，C0合金浓度，k0溶质分配系数)

4．成分过冷对单相合金凝固过程的影响？

1)在传质过程的无成分过冷或负温度梯度时合金同纯金属一样，界面为平面和树枝状形态；

2)在正的温度梯度时，晶体的生长方式产生多样性：当稍有成分过冷时为胞状生长；随着成分过冷的增加(即温度梯度下降)，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶(等轴晶)。

第六章多相合金的凝固

1．伪共晶。共晶共生区。对称形共晶共生区与非对称形共晶共生区及其产生的条件？

1)伪共晶：近平衡条件下，即使非共晶成分的合金，当较快冷却到两条液相线延长线所包围的影响区时，也能获得100%共晶组织。这样由非共晶成分获得的共晶组织为伪共晶组织。

2)共晶共生区：两条液相线的延长线所包围的区域。

3)对称型共晶共生区：(1)组成共晶的两个组元熔点相近；(2)两条液相线形状彼此对称；(3)

共晶两相性质相近；(4)两相在共晶成分附近析出能力相当，易于彼此依附的双相核心；(5)两相在共晶成分附近扩散能力接近，易于保持两相等速协同生长。

非对称共晶共生区：(1)组成共晶的两个组元熔点相差较大；(2)两条液相线形状不对称，共晶点通常靠近低熔点组元一侧；(3)共晶两相性质相差很大；(4)高熔点相易于析出，为领先相，其生长速度也较快，对原子的需求多；(5)为满足共生生长条件，需要在含量较高熔点组元的合金成分下进行共晶转变。所以共晶区要偏向高熔点组元一侧。两相性质差别越大，偏离越严重。

2．什么是搭桥？

搭桥：领先相表面一旦出现第二相，则可通过彼此依附交替生长的方式产生新的层片来构成所需共生界面，不需每个层片重新生核，称为搭桥。

3．层片状共晶的生长过程。

1)生核：(1)首先在液相中析出呈球状α领先相(共晶核心)；(2)β相以α相为衬底依附其侧面析出生长；(3)β相析出又促进α相依附β相侧面生长，如此交替搭桥地长成球状共生界得双相核心。

2)生长：生长时，两相各向界面前沿排出另一组原子。α相前沿富集B元素，β相前沿富集A元素。AB元素横向扩散为对方生长创造条件，提供原子。

4．共晶片间距如何自动调整？

共晶片间距很小时，横向扩散是主要的。共晶片间距很大时，在各相中央富集的元素来不及扩散走，影响该部位生长，形成凹陷，会导致另一相在此产生，从而达到自我调节片间距。(其面间距大小为λ=Av-1/2，片间距λ与凝固速率v的平方根成反比，凝固速率越大，片间距越小。)

5．共晶体究竟长成层片状还是棒状受哪些因素影响？

1)共晶中两固相的体积分数

(1)当两固相体积分数相近(1/π-1/2)时，倾向于层片状生长；(2)当某一相的体积分数小于另一相(<1/π)时，小相以棒状生长；

(3)当体积含量两相相近时，倾向于层片状生长。

2)第三组元对共晶结构的影响

(1)第三组元在共晶两相中分配系数相差很大时，其在某一相的固液界面前沿富集，阻碍该相继续生长；(2)另一相的固液界面前沿由于第三组元富集较少，其长大速率较快；(3)由于搭桥作用，落后的相将被长大快的一相隔成筛网状组织，继续发展成棒状组织。

6．共生生长与离异生长。

1)共生生长：结晶时，后析出相依附于领先相表面析出，形成具有两相共同生长界面的双相核心。然后依靠溶质原子在界面前沿两相间横向扩散，互相不断为对方提供生长所需组元，使两相彼此合作，一起向前生长。

2)离异生长：若共晶两相没有共同的生长界面，它们各以不同速度独立生长，两相析出在时间和空间上都彼此分离，形成组织中没有共生共晶特征。可分为晶间偏析型和晕圈型。

第八章铸件凝固组织的形成及控制

1．表面细晶区如何形成？

早期理论：型壁附近较大过冷——大量生核、迅速生长并相互接触。

后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核。游离晶核的产生，由于溶质再分配在生长的枝晶根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下，枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离，溶质偏析和金属的流动有利于表面细晶区的形成。

2．柱状晶区如何形成？

1)柱状晶区从表面细晶区形成并发展起来；

2)稳定凝固壳层形成，在后单向热流作用下，界面前沿晶粒以枝晶状延伸生长；

3)主干与热流平行的枝晶生长更迅速，淘汰取向不利的晶体成为柱状晶组织。

3．内部等轴晶区如何形成？

1)成因：内部晶核自由生长

2)四种理论：

(1)过冷熔体非自发生核理论：成分过冷——生核、长大。(2)激冷晶核卷入理论：浇注时产生游离激冷晶——漂到型中心——未熔化——晶核。(3)型腔晶粒脱落和枝晶熔断理论：晶粒生长时——界面前方溶质富集——凝固点降低——晶体及枝晶根部最甚，生长被抑制——其它部位溶质在流体机械冲刷及热冲击对流作用下——在缩颈处易断并脱落——晶粒游离。

(4)结晶雨理论：凝固初期，在液面处产生过冷并形成晶核，长大成小晶体——小晶体或顶部凝固层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。

4．游离晶体如何增殖？

处在自由状态下的游离晶在液流中漂移，不断受温度起伏和浓度起伏影响，表面处于反复局部熔化和反复生长状态中，分枝根部缩颈就可能断开，而使一个晶粒破碎成几个部分，然后再低温下各自成为新游离晶，形成游离晶体增殖。

5．如何获得细的等轴晶组织？

1)向熔体加入强生核剂——孕育处理；

2)控制浇注条件：采用较低的浇注温度和合适的浇注工艺；

3)采用金属型铸造，提高铸型的激冷能力；

4)增大液态金属与铸型表面的湿润角，提高铸型表面的粗糙度；

5)采用物理方法动态结晶细化等轴晶：振动、搅拌、旋转铸型、撞击等等均可引起固液相对运动，有效减少消除柱状晶区，细化等轴晶。

6．孕育与变质的区别。

1)孕育处理：向液态金属合金中添加生核剂，影响生核过程，增加晶核数达到细化晶核的目的。

2)变质处理：向金属液加入某些微量物质以影响晶体生长机理，达到改变组织结构提高机械性能的目的。

3)二者区别：孕育主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细化晶粒；而变质则主要是改变晶体的生长过程，通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。

第十二章应力、变形及裂纹

1．热应力。相变应力。机械阻碍应力。

1)热应力：工件在受热及冷却过程中，由于各部分的温度不同、冷却速度不同造成工件上在同一时刻各部分的收缩量或膨胀量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生应力。该应力是由热胀冷缩引起的。

2)相变应力：具有固态相变的合金，各部分发生相变的先后时刻不同，由此而产生的应力被称为相变应力。

3)机械阻碍应力：工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力为机械阻碍应

力。

2．减小或消除应力的途径。

1)合理的结构设计，在铸造结构中：(1)铸件的壁厚差要尽量减小；(2)厚薄壁连接处要圆滑过渡；(3)在铸件厚壁部分的砂层要减薄或放置冷铁；(4)合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分的温度均匀。

2)选择合理的工艺及采取必要的措施。

(1)浇注铸件时，在满足使用要求前提下，选择弹性模量和收缩系数小的材料；(2)提高铸型的预热温度，有利于减少铸件各部分温差；(3)采用较细的面砂和涂料，可减少铸件表面的摩擦阻力；(4)控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭等，可提高铸型(芯)的退让性；(5)控制铸件在型内的冷却时间，不要打箱过早，但为了减小铸型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。

3)残余应力的消除

(1)热处理：常用的方法。加热温度和保温时间需要根据材料的性质，工作的结构以及冷却条件而定。将工件加热到塑性状态的温度，并保持一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除，再缓慢冷却，使厚薄部位的温度均匀，而不重新出现应力。(2)自然时效法：将有残余应力的铸件放置在露天场地，数月乃至半年时间以上，应力自然消失。(3)共振法：将铸件在共振条件下振动10-15min，以达到消除铸件中残余应力的目的，该法与热处理相比，设备费用低，花费时间少，易于操作，而不氧化。

3．影响变形的因素及防止方法。

1)影响因素：

(1)金属材料的热物理性能：材料的线胀系数越大，则产生的塑性变形越大，冷却后纵向和横向的收缩也越大；导热性好的金属，如铝及其合金，因其线胀系数大，且在高温时的屈服强度较低，变形也大。(2)工艺因素：铸造中用来制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模产生变形，从而导致砂型和铸件变形，模型的刚度不足或强度不够，模型放置位置不平的底板上，上下砂型加紧不良均能导致铸件变形。

2)防止方法：

(1)结构设计方面：结构设计要考虑强度、刚度、稳定性和制造工艺，在铸件结构设计中，采用局部加厚、设置拉肋等方法。(2)工艺方面a最常用的是反变形法，根据结构变形得情况预先给出一个方向相反、大小相等的变形；b合理的工艺：①加压铁：在合箱后浇注前，可将压铁放在砂箱上以防止铸件弯曲变形；②需要控制铸件出型时间；③对于半圆形的铸件可将两个铸件连在一起浇注。

4．热裂及形成条件、特征？

1)热裂纹：液态成型过程，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称热裂纹。

2)形成条件：高温阶段晶间的延性或塑性变形能力δmin不足以承受当时应力所产生的应变量，即

3)特征：

(1)裂口外观形状曲折而不规则；(2)裂口有明显的氧化色彩；(3)裂口沿晶粒边界通过。5．影响热裂的因素及防止措施？

1)影响热裂的因素

(1)冶金因素：

1〉化学成分：

①合金元素对凝固温度区的影响：合金元素既能影响凝固温度区的大小，也能影响合金在脆性温度区间中的塑性，合金的凝固温度区越大，凝固裂纹倾向越大；②杂质元素的偏析以及偏析产物的形态对热裂纹的影响：杂质元素磷和硫在钢中能形成多种低熔合金，即使微量存在，也会使凝固温度区大大增加，在合金凝固过程中极易形成液态薄膜，会显著增大裂纹的倾向，S和P在钢中能引起偏析，富集在晶界，增加裂纹倾向，所以铸钢中要避免S、P的有害作用。

2〉凝固组织形态：对于奥氏体钢凝固后晶粒大小、形态和方向以及析出的初生相对抗裂性都有很大影响，晶粒越粗大，方向越明显，则产生热裂纹倾向就越大。

(2)液态成型工艺因素：

①铸型性质的影响：铸件的凝固收缩受到铸型和型芯的阻力，铸型退让性好，铸件受阻力小，形成热裂可能性小。②浇注条件的影响：浇注温度应根据铸件的壁厚来选择；浇注速度对热裂纹有影响；浇注时金属的引入铸型的方法对热裂纹也有不可忽视的影响。③铸件结构的影响：当铸件的厚壁不均时，易在厚的部位出现裂纹；铸型壁十字交接时，会在该处产生热节，易出现热裂；浇道开设不当对铸件收缩产生阻碍，从而增大铸件收缩应力致铸件开裂。

2)防治措施：

(1)化学成分的控制

1〉在不影响铸件使用性能的前提下，适当调整合金化学成分，减小合金的凝固温度范围；2〉对碳钢和合金钢进行微合金化和变质处理，以细化晶粒，减少非金属夹杂，及改变夹杂物的形态和分布；3〉改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以减少晶界的氧化物夹杂；4〉用合金渣处理钢液，降低钢中的硫含量。

(2)调整工艺

1〉减小铸件收缩应力(例如：增加铸件和型芯的退让性，预热铸型，在铸型和型芯表面刷涂料)；2〉改进浇注方法(例如：设置合理的浇道数量，控制浇注速度)；3〉设计合理的铸件结构(避免直角或十字交叉的截面，设置防裂肋，采用冷铁)。

6．冷裂及特征。

1)冷裂纹：在室温附近，铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限出现的裂纹。

2)特征：

(1)宏观上看：冷裂纹断口具有发亮的金属光泽、呈脆性断裂特征；(2)经微观分析：有的呈晶间断裂(沿晶断裂)，有的呈穿晶断裂，或二者并存；(3)当裂纹是由氢的作用而产生，会有明显的氢致断口出现，随着脆硬倾向增大，沿晶断裂特征明显。