材料工艺基础习题答案

材料工艺基础作业

1、缩孔、缩松是铸件中的常见缺陷，哪些因素影响其形成，如何采取措施进行防止？

铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。缩孔产生的根本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。

容积大而且比较集中的孔洞—缩孔；

细小而且分散的孔洞—缩松。

常采取“顺序凝固”和“同时凝固”两种措施，降低浇注温度和减慢浇注速度

2、热应力产生的原因，如何采取措施防止或减少应力对铸件性能的影响。

铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。

要减少铸造应力首先应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在薄壁处、在厚壁处安放冷铁等，即采取同时凝固原则。此外，改善铸型和砂芯的退让性，减少机械阻碍作用，以及通过热处理等方法也可减少或消除铸造应力。

消除铸造应力的方法有自然时效、人工时效、振动时效。

3、离心铸造在铸造圆筒时有哪些优越性？用离心铸造法铸造成型的目的是什么？

离心铸造的铸件是在离心力的作用下结晶凝固，所以组织致密，无缩孔、气孔、渣眼等缺陷，因此力学性能较好；铸造空心旋转体铸件不需要型芯和浇注系统；铸件不需冒口补缩。

4、浇注位置设计的原则是什么？对铸件质量有何影响？

浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置

（1）重要加工面或质量要求较高的面，应置下部或侧面

气孔、夹杂物等缺陷多出现在铸件上表面，朝下或侧面的金属组织结构致密、缺陷少，质量好。

（2）大平面朝下

可以避免气孔、夹渣。

（3）大面积薄壁处，应置下面或侧面

可以保证金属液能充型，防止产生浇不足、冷隔缺陷。

（4）易产生缩孔的厚大部位应置顶部或侧面，以便安装冒口补缩

使实现自上而下的定向凝固，防止产生缩孔。

（5）浇注位置应有利于减少型芯，便于安放型芯。

5、比较晶胞为体心立方、面心立方和密排六方的金属塑性变形的难易程度，请给出对应

上述三种晶胞的金属各两种。

密排六方>体心立方>面心立方

体心立方：Li、Na、K

面心立方：Ca、Cu、Ag

密排六方：Zn、Pb、Cd

6、多晶体金属塑性变形的方式有哪两种；高温下变形时晶界与晶内的作用差别。

多晶体的塑性变形包括各个晶粒内部的塑性变形和晶粒边界的塑性变形两部分。晶粒内的塑性变形主要为滑移和孪生两种方式。

在温度低时，晶界的强度一般比晶粒内部高，不易变形；高温时晶界强度降低，晶界内容易产生相对滑动，在拉应力作用下，在晶粒间产生较大的变形后，晶界可以出现微裂纹，变形

量很大时引起开裂。在压应力作用下，晶界不易出现微裂纹，出现微裂纹后也不易扩展，入晶粒极细，晶界在晶粒内所占的体积比例很大，晶界的滑动和转动所产生的变形就很可观，晶界变形可以成为塑性变形的主要形式。

7、热锻过程可以改善铸锭的哪些缺陷？

（1）焊合空洞性缺陷。钢料内入存在疏松、缩孔、微裂、气泡等空洞性缺陷时，在受力状态下会由于应力集中而扩展和开裂，严重影响金属的强度和塑性。但在

热锻条件下，这种空洞性缺陷可以逐步缩小到完全焊合。高温锻压对焊合缺陷

有两方面作用。一方面是在高温下金属的变形抗力小，在较小的设备下，可以

获得较大的变形量。另一方面是金属在高温下扩散作用迅速，缺陷缩小后，能

很快焊合。

（2）降低偏析度。钢锭加热到高温后，原子间的扩散作用显著提高。随高温停留时间的增加，枝晶偏析和晶间偏析都得到不同程度的降低或消除。

（3）细化晶粒。在热锻过程中，晶体组织要发生再结晶。坯料内原来的粗大晶粒，经过变形再结晶后，可以变成细小的等轴晶粒。

8、坯料拔长过程中容易产生哪些缺陷？怎样解决缺陷？

表面和角部裂纹、内部裂纹以及表面折叠，此外还有对角线裂纹、端面缩口以及内部孔壁裂纹等

（1）内部横向裂纹：适当增加相对送进量，控制一次压下量，改变变形区的变形特征，避免出现双鼓形，使坯料变形区内应力分布合理

（2）内部纵向裂纹：选择合理的进给量，使金属轴向流动大于横向流动；也可以采用V型占拔长，以减小横向流动的金属在锻件中心造成的拉应力；对于方形截

面的坯料，在倒角时应采用轻击，减小一次变形量；对于塑性较差的材料，可

采用圆形占进行倒角。

（3）表面裂纹和角裂：在拔长操作中控制好参数，送进量和一次压下量，对于角部还要及时倒角，以减小温降，改变角部的应力状态，避免裂纹产生（4）表面折叠：每次单面压缩后，不要使毛坯压缩得太扁，应使坯料宽度和高度之比b/h不小于2~2.5，或者采用其他方法进行拔长

9、锻造为什么要加热后进行？如何选择锻造温度范围？

1）减少金属的变形抗力；

2）改变铸锭的铸态结构；

3）提高金属塑性。

原则：使金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和低的变形抗力；锻造出的锻件机械性能及微观组织良好；锻造温度范围尽可能宽，这样加热的次数比较少，可以提高生长效率。

10、设计冲孔模和落料模时，如何确定凸模与凹模的刃口尺寸。

设计落料模时，先按落料件确定凹模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸减去偏差，而凸模的刃口尺寸是凹模尺寸减去双边间隙值；设计冲孔模，先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸加上偏差，而凹模的刃口尺寸是凸模尺寸加上双边间隙值。

11、分析拉深过程毛坯起皱的原因。防止起皱的措施。

1）毛坯的相对厚度t/D0：相对厚度越小，拉伸变形区抗失稳能力差，越容易起皱。

2）拉伸系数m=d/ D0. d：拉伸后直径，D0：拉伸前直径

毛坯外边缘在拉伸时的切向压塑变形的大小。拉伸系数越小，拉伸变形区宽度变大，抗失稳能力变小，越容易起皱。

3）其它因素：凹模的几何形状，板料的机械性能，凹模的的润滑。

防止毛坯起皱：

起皱产生原因：在切向压应力作用下，因为失稳而发生。

通常在拉伸模上设置压边圈防止毛坯起皱

12、解释板料n值，r值的物理意义，它们对板料成形有哪些影响。

硬化指数n，表示在塑性变形中材料硬化的硬度。n值大的材料，在同样的变形程度下，真实应力增加的要多。n值大时，在伸长类变形过程中可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形参数等作用。

板厚方向性系数r ，板料试样拉伸实验中宽度应变于厚度应变之比

r值于冲压成形性能有密切关系，尤其于拉深成形性能直接相关。板料的r值大，拉深成形时，有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载能力。

13、分析焊条外涂层（药皮）的作用。

焊条药皮：熔化形成熔渣覆盖于熔池表面并产生大量保护气体，实现气体－熔渣联合保护，同时在高温下熔渣与熔池液态金属之间发生冶金反应。随焊条的移动，熔池冷却、结晶，形成连续的焊缝，熔渣凝固成渣壳。

14、简述埋弧焊，CO2气体保护焊，等离子弧焊的工艺特点。

用埋弧焊（熔剂层下焊接）的焊接方法焊接时，送丝机构将焊丝自动送入电弧区，并保证选定的弧长，电弧在颗粒状熔剂（焊剂）层下燃烧。焊机带着焊丝相对工件均匀移动，焊剂从漏斗中不断流出覆盖在被焊部位，防止熔池接触空气。生产率高、焊缝质量高外形美观、节约金属材料、改善劳动条件、设备费用较贵、只适合长直焊缝和环焊缝

采用CO2或CO2＋Ar混合气体作为保护气，同时采用内部装有焊剂的药芯焊丝，药芯的成分和焊条药皮类似，可实现气体－溶渣联合保护。

特点：飞溅少，电弧稳定，焊缝成形美观；焊丝熔敷速度快，生产率比手工电弧焊高3～5倍；调整焊剂成分，可焊接多种材料；抗气孔能力较强。但药芯焊丝制造较困难，且容易变潮，使用前应在250～300℃下烘烤。

等离子弧焊实际上是一种具有压缩效应的钨极氩弧焊，因此，等离子弧焊除了具有氩弧焊的优点以外，还有以下特点：

①等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透力强,可焊接厚度10~12mm的钢材而不开

坡口（钨极氩弧焊只能是＜3mm），一次焊透，双面成形。

②焊缝的高度和宽度均匀一致，焊缝表面光洁，质量高。

③当电流很小时（如0.1A），电弧也能稳定燃烧，并保持良好的挺直度和方向性。故

可焊接很薄的箔材。但其设备较复杂，气体消耗量大，只适合室内焊接。

15、说明电弧焊、气焊、电阻焊、电渣焊和摩擦焊所用热源，并分析它们的加热特点。电弧焊：焊条和工件之间通过瞬时短路引燃电弧，电弧热使焊件和焊条端部同时熔化，熔滴与熔化的母材形成熔池。

气焊：气焊是利用可燃气体燃烧的高温火焰来熔化木材和填充金属的一种焊接方法。气焊不需要电源，温度较电弧焊低。

电渣焊：电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源进行焊接的一种熔焊方法。摩擦焊：利用焊件接触端面相互摩擦产生的热量，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力，实现焊接的一种固相压焊方法。

16、分析低碳钢热影响区的组织变化和对性能的影响。

焊接热影响区分为：过热区、正火区、部分相变区、再结晶区

过热区奥氏体晶粒严重长大，冷却后获得粗大的过热组织，塑性大大降低，易产生裂纹。正火区相当于热处理中的正火组织，是综合力学性能最好的区段。

部分相变区冷却后晶粒大小和分布不均匀，材料力学性能不均匀

再结晶区组织对性能影响不大。

17、简述阴极溅射沉积的原理和特点*****

原理:用荷能粒子轰击某一靶材（阴极）使靶材表层原子以一定的能量逸出，然后在基材表面沉积成膜的过程。

特点：结合力高；容易得到高熔点物质的薄膜；可以在较大面积上得到均一的薄膜；可以控制膜的组成，制备合金膜；可以长时间地连续运转；良好的再现性。

阴极溅射法几乎可以制造一切物质的薄膜。

18、简述激光表面处理的特点。

原理：将激光束照到工件的表面，以去除或熔化材料以及改变材料表面性能的加工方法。

特点：

高功率密度激光能量集中，与工件表面作用时间短，适于局部表面处理，对工件整体热影响小，因此热变形很小，这对细长杆件、薄片等十分有利。

工艺操作灵活简便，柔性大。

改性层有足够厚度，适于工程要求。

结合状态良好，改性层内部、改性层和基体之间呈致密的冶金结合，不易剥落。

19、简述粉末烧结的致密化过程，分析烧结过程的推动力。*****

可分为三个过程：

1）粘结阶段：颗粒间的原始接触点或面转变为晶体结合，即经过生核，长大过程形成烧结颈。该阶段粉末颗粒内部的晶粒不发生变化，外形也不变化，整个烧结体不发生收缩，密度微变化。

2）烧结颈长大阶段：原子向颗粒结合面大量迁移，使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，同时晶粒长大，晶界越过孔隙移动，使孔隙大量消失。该阶段烧结体收缩，密度和强度增加。3）闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔数量增加，孔隙形状逐渐球化。该阶段烧结体缓慢收缩，但主要是小孔消失和孔隙数量减少。该阶段连续很长时间，可能残留少量孔隙。

发生上述过程的根本原因是粉末烧结过程系统自由能的降低。

包括以下几个方面:

1）颗粒结合面的增大和颗粒的平直化，粉末体的总面积和总的表面自由能减少。

2）在粉末坯块高温烧结过程中，烧结体内会发生孔隙总体积和总面积的减少。

3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。

20.分析WC-Co硬质合金可以进行液相烧结的原因，简述其烧结过程。

基于满足以下三个条件：

（1）液态Co对WC完全浸润。在1500°C和氢气氛下，液态Co与WC的润湿角为0°，即完全湿润

(2)WC在Co中部分溶解

（3）烧结温度（1350°-1480°）下有液相Co存在，而液相Co在WC中不溶解，使得在保温阶段液相始终存在。

烧结过程如下：

（1）预热及升温阶段

（2）达到共晶温度

（3）升温至烧结温度

（4）烧结保温

（5）冷却

21.简述纤维增强复合材料的设计原则。

复合原则：

目的是获得最佳的强度、刚度、韧性等机械性能。

①纤维增强相是主要承载体，应有高的强度和模量，且高于基体材料；

②基体相起粘接剂作用，应对纤维相有润湿性，基体相应有一定塑性和韧性；

③两者结合强度应适当高，以把基体载荷有效传递给纤维；

④基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大；

⑤纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布；

⑥两者间不能发生有害的化学反应。