(完整word版)材料成型原理復習資料及試題庫

1、1 過冷度：金屬的理論結晶溫度和實際結晶溫度的差值2均質形核：在沒有任何外來的均勻熔體中的形核過程3異質形核： 在不均勻的熔體中依靠外來雜質或者型壁面提供的襯底進行形核的 過程4 異質形核速率的大小和兩方面有關，一方面是過冷度的大小，過冷度越大形核 速率越快。 二是和界面有關界面和夾雜物的特性形態(tài)和數量來決定， 如果夾雜物 的基底和晶核潤濕，那么形核速率大。5 形核速率：在單位時間單位體積內生成固相核心的數目 6液態(tài)成型：將液態(tài)金屬澆入鑄型之，凝固后獲得具有一定形狀和性能的鑄件或 者鑄錠的方法7 復合材料： 有兩種或者兩種以上物理和化學性質不同的物質復合組成一種多相 固體8 定向凝固：使金屬或

2、者合金在熔體中定向生長晶體的方法 9溶質再分配系數：凝固過程當中，固相側溶質質量分數和液相側溶質質量分數 的比值10 流動性是確定條件下的充型能力，液態(tài)金屬本身的流動能力叫做流動性11 液態(tài)金屬的充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔獲得完整輪廓清晰的鑄件能力影響充型能力的因素：（1）金屬本身的因素包括金屬的密度、金屬的比熱容、金 屬的結晶潛熱、金屬的粘度、金屬的表面張力、金屬的熱導率金屬的結晶特點。（2）鑄型方面的因素包括鑄型的蓄熱系數、鑄型的溫度、鑄型的密度、鑄型的 比熱容、鑄型的涂料層、鑄型的透氣性和發(fā)氣性、鑄件的折算厚度（ 3）澆注方 面的因素包括液態(tài)金屬的澆注溫度、 液態(tài)金屬的靜壓頭、 澆

3、注系統(tǒng)中的壓頭總損 失和。12 影響液態(tài)金屬凝固過程的因素： 主要因素是化學成分 冷卻速度是影響凝固過 程的主要工藝因素 液態(tài)合金的結構和性質以及冶金處理 （孕育處理、 變質處理、 微合金化）等對液態(tài)金屬的凝固也有重要影響13 液態(tài)金屬凝固過程當中的液體流動主要包括自然對流和強迫對流，自然對流 是由于密度差和凝固收縮引起的流動， 由密度差引起的對流成為浮力流。 凝固過 程中由傳熱。傳質和溶質再分配引起液態(tài)合金密度的不均勻， 密度小的液相上浮， 密度大的下沉，稱為雙擴散對流， 凝固以及收縮引起的對流主要主要產生在枝晶 之間，強迫對流是由液體受到各種方式的驅動力產生的對流， 例如壓力頭。 機械 攪

4、動、鑄型震動、外加磁場。14 鑄件的凝固方式：層狀凝固方式（動態(tài)凝固曲線之間的距離很小的時候） 、體 積凝固方式（動態(tài)凝固曲線之間的距離很大的時候） 、中間凝固方式（介于中間 情況的時候）、15 影響鑄件凝固方式的因素有二：一是合金的化學成分，二是鑄件斷面上的溫 度梯度。16 熱力學能障動力學能障：熱力學能障是右被迫處于高自由能過度狀態(tài)下的界 面原子產生的他能直接影響系統(tǒng)自由能的大小， 動力學能障是由于金屬原子穿越 界面過程引起的， 他與驅動力的大小無關， 而僅僅取決于界面的結構和性質， 例 如激活自由能。 單從熱力學條件來看， 液相的自由能已經大于固相的自由能， 固 相為穩(wěn)定相，相變應該沒有

5、能障， 但是要想液相原子具有足夠的的能量越過高能 界面，還需動力學條件， 因此液態(tài)金屬凝固過程中必須克服熱力學和動力學兩個 能障。液態(tài)金屬在成分、溫度、能量、上不是均勻的，即存在成分、能量、結構 的三個起伏， 正是這三個起伏去克服熱力學和動力學能障， 使凝固過程能夠進行 下去。17 凝固過程當中溶質分配的平衡條件：凝固界面上溶質遷移的平衡、固相液相 內部擴散的平衡。18 熱過冷：金屬凝固時所需過冷度完全由傳熱所提供僅由熔體實際溫度分布決定、19 成分過冷：凝固時由于溶質再分配，固液前沿溶質濃度變化，引起理論凝固 溫度的改變而在固液界面前液相內形成的過冷， 這種由于固液界面前方溶質再分 配引起的

6、過冷叫做成分過冷成分過冷對晶體的外貌有什么影響： 無成分過冷平面生長， 窄成分過冷胞狀生長， 較寬成分過冷區(qū)柱狀樹枝晶生長，寬成分過冷區(qū)自由樹枝晶生長。 P62 就合金的宏觀結晶狀態(tài)而言， 平面生長、胞狀生長柱狀樹枝晶生長都屬于一 種晶體自型壁生核然后由外向內單向延伸的生長方式， 稱為外生長， 而等軸晶是 在液體的內部自由生長的，稱為內生長。枝晶距離指的是相鄰同次枝晶之間的垂直距離20 熱過冷完全由熱擴散控制，成分過冷不僅由熱擴散控制還和溶質擴散相關。21 產生成分過冷具備兩個條件： 固液界面前沿的溶質的富集而引起成分再分配、 固液界面前方液相的實際溫度分布必須達到一定值。22 獲得全部柱狀晶

7、的條件：激冷鑄型形成穩(wěn)定的凝固層防止晶體游離、提高金 屬的純度減小成分過冷縮頸的能力、 減少液體的流動， 提高澆注溫度使晶體游離 重熔23 厚達鑄件獲得等軸晶的辦法： （1）降低澆注溫度，有利于游離晶粒的殘余和 產生較多的游離晶粒。（2）對金屬液進行處理， 加入形核劑強化非均質形核。 （3） 澆注系統(tǒng)的設計應該考慮到低溫快速澆注使游離晶粒不重熔（ 4）使晶體內液體 流動，有利于大量游離晶粒的生成。24 在熔點溫度的固態(tài)金屬變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)金屬的時候，金屬要吸收大量的熱 量，稱為融化潛熱25 鑄錠典型宏觀組織的三個晶區(qū)及其組成： 表面細晶區(qū)是緊靠型壁的激冷組織， 由無數細小等軸晶組成。 中間的柱

8、狀晶區(qū)由垂直于型壁且彼此平行排列的柱狀晶 組成。內部的等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成26 影響液體金屬粘度的主要因素是化學成分、溫度、夾雜物。一般的難容化合 物的液體粘度較高， 熔點低的共晶成分合金粘度較低。 液體的粘度隨著溫度的升 高粘度降低。 液態(tài)金屬中呈固態(tài)的非金屬夾雜物使液態(tài)金屬的粘度增加。 冶金處 理對液態(tài)金屬的粘度也有一定的影響，如孕育變質晶粒細化處理等。27 粘度的實質是原子之間的結合力28 影響表面張力的因素：熔點 熔點沸點高則表面張力也大。 溫度 表面張力隨 著溫度的升高而降低。 溶質元素 溶質元素對表面張力的影響分為兩大類 一類 是使表面張力降低的元素， 我們叫這類元素為表

9、面活性元素， 其表面含量大于內 部含量，我們叫他為正吸附元素另外一類是使表面張力升高的元素， 我們叫這類 元素為非表面活性元素。其表面含量少于內部含量，稱為負吸附元素。29 潤濕角在 p1630 毛細現(xiàn)象是液體對管壁的潤濕引起的31 半固態(tài)合金的優(yōu)點：對鑄型的熱腐蝕小，可以對黑色或者其他熔點的合金成型，填充平穩(wěn)減少氣體的卷入提高致密度，可實現(xiàn)自動化可告訴成型。32 半固態(tài)合金的特性：熱容量低于液相，粘度高于液相，填充的時候已經有固 相的存在，可與其他材料復合33 液體金屬在枝晶之間流動的驅動力來自于三方面，一是凝固時的收縮，二是 液體化學成分的變化引起的密度變化， 三是液體、 固體在溫度降低冷

10、卻收縮時產 生的收縮力。34 鑄件的凝固時間指的是液態(tài)金屬充滿鑄型的時刻到凝固完畢所需要的時間， 單位時間內凝固層增長的厚度為凝固速度35 晶體（純金屬）宏觀長大的方式取決于界面前方液體中的的溫度分布，即溫 度梯度，在結晶界面前方存在正溫度梯度和負溫度梯度， 當溫度梯度為正的時候 晶體以平面方式長大， 當溫度梯度為負的時候晶體以樹枝晶的方式生長。 晶體的 微觀長大方式分為粗糙界面和平整界面36 為什么過冷度是液態(tài)金屬凝固的驅動力？因為只有實際結晶溫度低于理論結 晶溫度，才能滿足晶體結晶的熱力學條件， 過冷度越大固液兩相的自由能相差更 大，液態(tài)金屬結晶的驅動力也更大，結晶速度也越快。37 成分過

11、冷區(qū)的寬度隨著凝固速度的增加而減小，隨著擴散系數的增大而增大38 溶質再分配不僅由平衡分配系數 k0 決定還受自身擴散性質的制約， 液相中的 對流強弱等因素也將影響溶質再分配。39 在普通的工業(yè)條件下 從熱力學考慮 當非共晶成分的合金較快的冷卻到兩條 液相線所包圍的影線區(qū)域內時 液相內兩相達到飽和 兩相具備了同時析出的條 件 但是一般總是某一相先析出 然后在其表面上析出另外一相 于是開始了兩相 競爭析出的共晶凝固過程 最后獲得百分之百的共晶組織。40 影響成分過冷的因素有工藝因素和合金本身的因素。工藝因素：液相中溫度 梯度 gl 越小成分過冷越大，晶體生長速度越快成分過冷越大。合金本身因素：

12、mi越大即液相線的斜率大、原始成分的 co大液相中溶質擴散系數di越低、ko1 時候ko越大ko1時ko越小則成分過冷越大上述的工藝因素是可以控制的41 規(guī)則共晶凝固和非規(guī)則共晶凝固的異同 規(guī)則共晶凝固時候影響其組織形態(tài)的因素規(guī)則共晶、非規(guī)則共晶、偽共晶組織、片層間距 加入生核劑的目的是強化非均質形核， 根據生核質點的作用過程， 生核劑主要分 為以下幾種：（1）直接作為外加晶核的生核劑， 這種生核劑是與被細化相具有界 面共格對應的高熔點物質或者同類金屬、 非金屬碎粒，他們與被細化的相之間有 較小的界面能，潤濕角小，作為有效的基底促進自發(fā)形核。 （2）能生成較高熔點 穩(wěn)定化合物的生核劑， 生核劑

13、中的元素能與液態(tài)金屬中的元素形成較高熔點的穩(wěn) 定化合物，這類化合物與被細化相之間具有界面共格關系和較小的界面能 （3）通過在液相當中微區(qū)富集使結晶相提前彌散析出形成的生核劑， （4）強成 分過冷元素的生核劑， 這類元素通過在生長的固液界面前沿的富集， 使晶粒根部 或者樹枝晶分枝根部產生細弱縮頸， 易于通過熔體的流動以及沖擊而產生晶粒的 游離，這類生核劑產生的強成分過冷也能強化界面前沿熔體內部的非均質形核， 強成分過冷元素的界面富集對晶體生長有抑制作用， 降低晶體的生長速率， 也使 晶粒細化42 焊接的基本概念：采用加熱或者加壓或者既加熱又加壓是被焊材達到原子結 合形式永久連接的方法43 接頭：

14、焊接接頭指的是被焊材料經過焊接過程之后發(fā)生組織和性能變化的 焊接接頭由融合區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫組成。44 焊縫：由融化的被焊材料和添加材料凝固后形成的接頭組成的部分45 熱影響區(qū)：受到焊接過程的熱作用而發(fā)生的組織和性能的變化的被焊材部分46 母材指的就是被焊材料47 融合區(qū)是由部分被融化的被焊材料組成的48 焊接熱循環(huán)指的是在焊接過程當中工件上某點的溫度隨著時間由低到高升高 到最大值然后又由高到低的變化過程 .焊接熱循環(huán)的特點是加熱速度快、峰值溫 度特別高、高溫停留時間短、冷卻速度快、是局部加熱。49 熔滴指的是焊接材料（焊絲焊條）端部被融化形成的滴狀的液態(tài)金屬。焊接 熔池的特點是熔池的體積小冷

15、卻速度快、 焊接熔池的液態(tài)金屬是處在過熱的狀態(tài) 下、焊接熔池的液態(tài)金屬始終處在運動的狀態(tài)下、 溫度梯度較大。 焊接熔池的凝 固過程是從邊界開始的，是一種非均質形核，50 熔池指的是母材上由融化的焊接材料和局部融化的母材組成的，具有一定幾 何形狀的液態(tài)金屬51 焊接性：金屬材料在限定的焊接條件下焊接或者按照規(guī)定設計要求的構件， 并滿足預定的服役要求的能力，即材料對焊接加工的適應性和使用的可靠性52 能用焊接性指的是接頭或者整個結構滿足某種使用要求的能力 53工藝焊接性指的是在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質無缺陷的接頭的能力54 焊接過程中對焊接區(qū)金屬的保護的必要性： （1）防止焊縫成分發(fā)生變化，主

16、 要是氧化和氮化（ 2）防止接頭性能劣化導致韌性塑性下降（ 3）防止產生焊接缺 陷例如氣孔裂紋夾雜（ 4）改善焊接工藝性能55 焊接過程中對焊接區(qū)金屬的保護方法（ 1）氣保護例如 co2 氣體保護焊，效率 高易實現(xiàn)成本低但是焊接缺陷大（ 2）渣保護例如埋弧焊，特點是高效可焊接厚 板，（ 3）渣氣聯(lián)合保護 例如手工電弧焊（ 4）真空保護電子束焊接 可以焊接非 常厚的板材，而且焊接缺陷小，但是價格昂貴56焊接區(qū)內氣體和金屬的相互作用：有 N2 02 H20 H2 Ar渣蒸汽 金屬蒸汽，他們 的主要來源是周圍空氣、焊接材料、母材。57氮氣和金屬的相互作用，高溫溶解和 Fe反應生成氮化物，為硬脆相。在

17、熔池 凝固的時候氮氣的溶解度降低形成氣體分子， 若金屬凝固較快， 氣體無法全部跑 出，形成氣孔，也可與金屬生成氮化物，對焊接質量有大的影響。氮的危害;a:形成氣孔；b：塑性，韌性下降；c：時效脆化58 氮氣的控制：加強焊接區(qū)的保護，氮氣主要是來自空氣，通過氬氣的保護比 較好，其次是選擇合理的焊接工藝參數， 最后加入比鐵元素活躍的元素與氮元素 反應，選擇合金脫氮。59 氫在高溫下溶于液態(tài)金屬，隨著溫度的下降，氫元素的溶解度也下降，殘留 在焊縫當中，氫對焊接質量有重要的影響， （1）氣孔（2）氫脆 氫在室溫附近使 金屬的塑性和韌性急劇下降（ 3）白點（ 4）延遲裂紋60 出現(xiàn)冷裂紋的幾個因素：外加

18、應力 材料脆 擴散氫的存在61氫元素的控制：a：控制來源，氫元素的主要來源是空氣中的水蒸氣，控制焊 接材料的含氫量，焊條中的水分和有機物，母材除油除水除銹b:冶金脫氫：合金脫氫焊接材料加入氟化物生成hf ；提高焊接材料的氧化性生成 H2O; c：工藝 措施： 確定合理的焊接工藝參數；焊后脫氫。62. 氧對焊接質量影響：a降低焊縫的力學性能，韌性、塑性強度下降硬度上升；b影響焊接過程和質量c形成Co氣孔；氧的控制：a加強焊接的保護63. 氧的控制：a加強焊接區(qū)的保護b限制焊接材料的含氧量c選擇合適的焊接方 法和焊接工藝參數 d 冶金脫氧64. 熔渣：藥皮、藥芯、焊劑受熱融化發(fā)生化學反應形成的；其

19、作用：機械保護作用；改善焊接工藝性能；冶金處理作用；熔渣分類：鹽型、氧化性、鹽-氧化型熔渣；65. 焊縫中金屬的脫氧：先期脫氧，沉淀脫氧、擴散脫氧；66. 脫氧劑的選擇：a和氧的親和力大的b不溶于液態(tài)金屬，密度低、熔點低c價 格便宜 d 對焊接工藝性和接頭質量存在影響67. 合金化的目地：a補充損失b消除焊接缺陷改善焊縫組織和性能 d獲得特殊性 能堆層焊68. 合金化的形式：焊條，焊劑，焊絲，合金粉末69. 熔池的特點：a金屬出與過熱狀態(tài)b熔池體積小冷卻速度快c溫度梯度大d運 動中結晶70. 熱影響區(qū)組織轉變特點：加熱過程中：a組織轉變向高溫段推移b奧氏體均勻 程度低c部分晶粒嚴重長大；冷卻過

20、程中d組織轉變向低溫段推移e馬氏體轉變 臨街冷卻速度發(fā)生改變；71. 硫的危害：a形成低熔共晶增大結晶裂紋 傾向性b韌性下降72. 硫的控制：a控制來源b冶金脫硫73. 磷的危害：增大結晶裂紋傾向；增加脆性；控制：限制材料的含磷量；材料成型原理試卷 A 試題與答案一、鑄件形成原理部分（共 40 分）1、概念 （每小題 3 分 共 12 分）（1）過冷度； （2）液態(tài)成形； （3）復合材料； （4） 定向凝固；答案 ：過冷度：金屬的理論結晶溫度與實際結晶溫度的差，稱為過冷度。液態(tài)成形： 將液態(tài)金屬澆入鑄型后， 凝固后獲得一定形狀和性能的鑄件或鑄錠的加工法。 復合材料：有兩種或兩種以上物理和化學性

21、質不同的物質復合組成的一種多相固體。 定向凝固；定向凝固是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。 溶質再分配系數： 凝固過程中固液界面固相側溶質質量分數與液相中溶質質量分數之 比，稱為溶質再分配系數。2、回答下列問題 （每小題 6 分 共 18 分）（1）影響液態(tài)金屬凝固過程的因素有哪些？（ 6 分） 答案：影響液態(tài)金屬凝固的過程的主 要因素是化學成分； 冷卻速率是影響凝固過程的主要工藝因素； 液態(tài)合金的結構和性質等對 液態(tài)金屬的凝固也具有重要影響。（2）熱過冷與成分過冷有什么本質區(qū)別？（ 6分）答案 ： 熱過冷完全由熱擴散控制。成分 過冷由固液界前方溶質的再分配引起的， 成分過冷不

22、僅受熱擴散控制， 更受溶質擴散控制。（3）簡述鑄件（錠）典型宏觀凝固組織的三個晶區(qū)（ 6 分） 答案 ：表面細晶粒區(qū)是緊靠型 壁的激冷組織， 由無規(guī)則排列的細小等軸晶組成； 中間柱狀晶區(qū)由垂直于型壁彼此平行排列 的柱狀晶粒組成；內部等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成。3、對于厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？ （10分）答案：降低澆注溫度，有利于游離晶粒的殘存和產生較多的游離晶粒；對金屬液處理，向液態(tài)金屬中添加生核劑， 強化非均質形核；澆注系統(tǒng)的設計要考慮到低溫快速澆注，使游離晶不重熔；引起鑄型內液體流動，游離晶增多，獲得等軸晶。、焊接原理部分（共 20分） 1簡述氫在金屬中的有害作用。 （4分

23、） 答案：氫脆，白點，氣孔，冷裂紋2寫出錳沉淀脫氧反應式，并說明熔渣的酸堿性對錳脫氧效果的影響（6分）答案：Mn + FeO = Fe + （Mn0）,酸性渣脫氧效果好，堿度越大，錳的脫氧效果越差。3冷裂紋的三大形成要素是什麼？ （4分）答案：鋼材的淬硬傾向，氫含量及其分布，拘束應力狀態(tài)4說明低碳鋼或不易淬火鋼熱影響區(qū)組織分布。（6分）答案:（1）熔合區(qū)：組織不均勻；（2）過熱區(qū)：組織粗大；（3）相變重結晶區(qū)（正火區(qū)）：組織均勻細?。唬?）不完全重結晶區(qū)：晶粒大小不一，組織分布不均勻三、塑性成形力學部分共40分1、簡答題：（10分）（1）寫出塑性變形時應變分量；ij與位移分量 Ux,Uy,Uz

24、之間關系（小變形幾何方程）答案：yz二 xzzxxyyx1I2；y:工1 e .2 ；z:x1 :2:y次11（2）簡述兩種屈服準則并寫出表達式，并說明其在空間的幾何表示。 答案：s2 -玉14 J理-1sCT =2 +爐2 -2、如圖平行砧板間平面壓縮變形，已知接觸表面摩擦力=y ,為摩擦系數，最大剪應力為 K，試用主應力法求 匚y分布規(guī)律及平均流動應力 p。15分2b答案:d；dxy = ；“ S，y-2 =oHdx5分dydx.-y=CJ xzbye蟲ba2K ,貝U：二y 二 2KeH5P = 2 o 二 ydx = 2 2Ke存）dx旦2卩bl(b _x)2。2KeHd 尋 b_X2

25、HKP2HK 鐵 2HKeeH3、如圖平面擠壓工藝，H = 2 h = , 5 = 2u0，最大剪應力為K，試用上限法求解平面擠壓時的平均流動應力p。15分答案：P*Ui 八 S.KV：dSD ；Uoa =Uab =Ubc =UcTU0，UaU0，me?！?h，匚P Ui 八 Sd KVi dSD，Pu=Kuo5h0 - K 1 oaUoa1 abU ab1 bcUbc1 cd Ucd 1 acUacPu0 = K 4loauoalacuac = KP = K 4l oaUoalacUac = K j 42h42u0 + hU0 = K5h2p 丄=2.5K2h材料成型原理試卷B試題與答案一、

26、鑄件形成原理部分（共 40分）1解釋下列概念（共 9分，每小題3分）液態(tài)成形：將液態(tài)金屬澆入鑄型后，凝固后獲得一定形狀和性能的鑄件或鑄錠的加工 法。復合材料：有兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質復合組成的一種多相固體。 溶質再分配系數：凝固過程中固-液界面固相側溶質質量分數與液相中溶質質量分數 之比，稱為溶質再分配系數。2、回答下列問題（共 16分）（1）簡述鑄錠典型宏觀凝固組織的三個晶區(qū)及其組成（5分）答案：表面細晶粒區(qū)是緊靠型壁的激冷組織，由無規(guī)則排列的細小等軸晶組成；中間柱狀晶區(qū)由垂直于型壁彼此平行排列的柱狀晶粒組成；內部等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成。（2）產生成分過冷必須具備哪兩

27、個條件？（5分）答案：；第一是固-液界面前沿溶質的富集而引起成分再分配；第二是固-液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度GL必須達到一定的值。（3）影響液態(tài)金屬凝固過程的因素有哪些？ （6分）答案：影響液態(tài)金屬凝固的過程的主要因素是化學成分；冷卻速率是影響凝固過程的主要工藝因素；液態(tài)合金的結構和性質等對液態(tài)金屬的凝固也具有重要影響。2、厚大鑄件（在干砂型中澆注）欲獲得細等軸晶組織，應采取哪些措施？ （15分）答案：降低澆注溫度，有利于游離晶粒的殘存和產生較多的游離晶粒；對金屬液處理，向液態(tài)金屬中添加生核劑， 強化非均質形核；澆注系統(tǒng)的設計要考慮到低溫快速澆注，使游離晶不重熔；引起鑄型內液體流動，游離晶增多，獲得等軸晶。二、焊接原理部分（共 2