材料成形原理課后習(xí)題解答

材料成形原理課后習(xí)題解答

材料成型原理

材料成型原理

第一章（第二章的內(nèi)容）

第一部分：液態(tài)金屬凝固學(xué)

1.1答：（1）純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)、游離原子、空穴或裂

紋組成。原子集團(tuán)的空穴或

裂紋內(nèi)分布著排列無規(guī)則的游離的原子，這樣的結(jié)構(gòu)處于瞬息萬變的

狀態(tài)，液體內(nèi)部存在著能量起伏。

（2）實(shí)際的液態(tài)合金是由各種成分的原子集團(tuán)、游離原子、空穴、

裂紋、雜質(zhì)氣泡組成的魚目混珠的“混濁”液體，也就是說，實(shí)際的液態(tài)

合金除了存在能量起伏外，還存在結(jié)構(gòu)起伏。

1.2答：液態(tài)金屬的表面張力是界面張力的一個(gè)特例。表面張力對(duì)

應(yīng)于液一氣的交界面，而

界面張力對(duì)應(yīng)于固一液、液一氣、固一固、固一氣、液一液、氣一氣

的交界面。表面張力?和界面張力P的關(guān)系如（1）P=2?/r,因表面張力而

長(zhǎng)生的曲面為球面時(shí)，r為球面的半徑；（2）P=?（l/rl+l/r2），式中rl、

r2分別為曲面的曲率半徑。附加壓力是因?yàn)橐好鎻澢笥杀砻鎻埩σ?/p>

起的。

1.3答：液態(tài)金屬的流動(dòng)性和沖型能力都是影響成形產(chǎn)品質(zhì)量的因

素；不同點(diǎn)：流動(dòng)性是確

定條件下的沖型能力，它是液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力，由液態(tài)合金的

成分、溫度、雜質(zhì)含量決定，與外界因素?zé)o關(guān)。而沖型能力首先取決于流

動(dòng)性，同時(shí)又與鑄件結(jié)構(gòu)、澆注條件及鑄型等條件有關(guān)。

提高液態(tài)金屬的沖型能力的措施：

（1）金屬性質(zhì)方面：①改善合金成分；②結(jié)晶潛熱L要大；③比熱、

密度、導(dǎo)熱系大；

④粘度、表面張力大。

（2）鑄型性質(zhì)方面：①蓄熱系數(shù)大；②適當(dāng)提高鑄型溫度；③提高

透氣性。

（3）澆注條件方面：①提高澆注溫度；②提高澆注壓力。

（4）鑄件結(jié)構(gòu)方面：①在保證質(zhì)量的前提下盡可能減小鑄件厚度；

②降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。

1.4解：澆注模型如下：

則產(chǎn)生機(jī)械粘砂的臨界壓力P=2?"

材料成型原理

顯然r=lX0.1cm=0.05cm2

2*1.5=6000Pa0.5*10-4則P=

不產(chǎn)生機(jī)械粘砂所允許的壓頭為

H=P/（P液*g）=

1.5解：由Stokes公式6000=0.08m7500*10

2r2（rl—r）上浮速度v=9

r為球形雜質(zhì)半徑，Y1為液態(tài)金屬重度，Y2為雜質(zhì)重度，n為液態(tài)

金屬粘度Yl=g*P液=10*7500=75000

Y2=g2*PMn0=10*5400=54000

22*(0,1*10-3)*(75000-54000)所以上浮速度v==9.5mm/s

9*0.0049

3.1解：(1)對(duì)于立方形晶核Z\G方=—aZ^Gv+6a?①

令d/\G方/da=0即一3a△Gv+12a?=0,則

*232臨界晶核尺寸a=4?/AGv,得？=a*Z^Gv,代入①4

△G方=-aZ\Gv+6a**3*2a*l*24Gv=aAGv24

*均質(zhì)形核時(shí)a和4G方關(guān)系式為：XG方=**1*3aAGv2

(2)對(duì)于球形晶核4G球=一*4*3*2nrAGv+4nr?3

*臨界晶核半徑r=2?/Z\Gv,則球=*2*3nrAGv3

所以aG球/AG方=**1*32*3nrAGv/(aAGv)32

*將r*=2?/Z\Gv,a=4?/Z\Gv代入上式，得

****AG球/Z\G方=n/6<l,即AG球<Z^G方

所以球形晶核較立方形晶核更易形成

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2*2.25*10-5*(1453+273)-93-7解：ri$J=(2?LC/L)*(Tm/AT)

=cm=8.59*10m*3196.6*

△G均=*16322n?LC*Tm/(L*ZVT)3

3216(2.25*10-5*104)*(1453+273)—17=n*=6.95*10J

3(*106)*3192

6.6

3.2答：從理論上來說，如果界面與金屬液是潤(rùn)濕得，則這樣的界面

就可以成為異質(zhì)形核的基

底，否則就不行。但潤(rùn)濕角難于測(cè)定，可根據(jù)夾雜物的晶體結(jié)構(gòu)來確

定。當(dāng)界面兩側(cè)夾雜和晶核的原子排列方式相似，原子間距離相近，或在

一定范圍內(nèi)成比例，就可以實(shí)現(xiàn)界面共格相應(yīng)。安全共格或部分共格的界

面就可以成為異質(zhì)形核的基底，完全不共格的界面就不能成為異質(zhì)形核的

基底。

3.3答：晶核生長(zhǎng)的方式由固液界面前方的溫度剃度GL決定，當(dāng)

GL>O時(shí);晶體生長(zhǎng)以平面方

式生長(zhǎng)；如果GL<O,晶體以樹枝晶方式生長(zhǎng)。

4.1答：用Chvorinov公式計(jì)算凝固時(shí)間時(shí),誤差來源于鑄件的

形狀、鑄件結(jié)構(gòu)、熱物理

參數(shù)澆注條件等方面。

半徑相同的圓柱和球體比較，前者的誤差大；大鑄件和小鑄件比較,

后者誤差大；金屬型和砂型比較，后者誤差大，因?yàn)楹笳叩臒嵛镄詤?shù)隨

溫度變化較快。

VR2

4.2答：鑄件凝固時(shí)間t=2,R為折算厚度，K為凝固系數(shù)，又由于R=,

在相同體積的條AK

件下，立方體。等邊圓柱和球三者中，球的表面積最小，所以球的折

算厚度R最大，則球形冒口的凝固時(shí)間t最大，最有利于補(bǔ)縮。

4.3解:焊接熔池的特征:

(1)熔池體積小;

(2)熔池溫度高；

(3)熔池金屬處于流動(dòng)狀態(tài)；

(4)熔池界面的導(dǎo)熱條件好，焊接熔池周圍的母材與熔池間沒有間

隙。

焊接熔池對(duì)凝固過程的影響：

(1)母材作為新相晶核的基底，使新相形核所需能量小，出現(xiàn)非均勻形

核，產(chǎn)生聯(lián)生結(jié)晶(外延結(jié)晶)；

(2)熔池金屬是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)凝固的，焊縫的柱狀晶總是朝向焊接方向并

且向焊縫中心生長(zhǎng)，即對(duì)向生長(zhǎng)；

⑶焊接熔池的實(shí)際凝固過程并不是連續(xù)的，柱狀晶的生長(zhǎng)速度變化不

是十分有規(guī)律。

4.4解：溶質(zhì)再分配：合金凝固時(shí)液相內(nèi)的溶質(zhì)一部分進(jìn)入固相，另

一部分進(jìn)入液相，溶質(zhì)傳輸

使溶質(zhì)在固一液界面兩側(cè)的固相和液相中進(jìn)行再分配。影響溶質(zhì)再分

配的因素有熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件。

4.5解：設(shè)液相線和固相線的斜率分別為mL和mS,

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如上圖：

液相線：T—Tm=mL(CI-O)①固相線：T—Tm=mS(Cs-O)②****

T*—TmmSCS②+①得：*=*=1LTmmLCL*

Cm即S

=L=kOmSCL

由于mL、mS均為常數(shù)，故kO=Const.

4.5W：(1)溶質(zhì)分酉己系數(shù)k0=*CSCsm6.65%===0.171CLCE33%

當(dāng)fs=10%時(shí)?，有

Cs=k0C0(l-fs)*k0-10.171-l

=0.171*1%*(1-10%)=0.187%

CL=C0fL*k0—lC0.00187=S==1.09%k00.171

*

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(2)設(shè)共晶體所占的比例為fL,則

CL=C0fLk0-l=CE

133%CEk01則fL=)0.171—1=0.12()—1=(5.65%CO*

(1)沿試棒的長(zhǎng)度方向Cu的分布曲線圖如下：

5.1答：金屬凝固時(shí)，完全由熱擴(kuò)散控制，這樣的過冷稱為熱過冷；

由固液界面前方溶質(zhì)再分配

引起的過冷稱為成分過冷.

成分過冷的本質(zhì)：由于固液界面前方溶質(zhì)富集而引起溶質(zhì)再分配，界

面處溶質(zhì)含量

最高，離界面越遠(yuǎn)，溶質(zhì)含量越低。由結(jié)晶相圖可知，固液界面前方

理論凝固溫度降低，實(shí)際溫度和理論凝固溫度之間就產(chǎn)生了一個(gè)附加溫度

差△「即成分過冷度，這也是凝固的動(dòng)力。

5.2答：影響成分過冷的因素有G、v、DL、m、k0、CO,可控制的工

藝因素為DL。

過冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式的影響：當(dāng)稍有成分過冷時(shí)為胞狀生長(zhǎng)，隨著

成分過冷的增大，

晶體由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹?、柱狀樹枝晶和自由樹枝晶，無成分過冷時(shí)，

以平面方式或樹枝晶方式生長(zhǎng)。晶體的生長(zhǎng)方式除受成分過冷影響外，還

受熱過冷的影響。

5.3答：影響成分過冷范圍的因素有：成分過冷的條件為

GLmLCO（l-kO）<DLkOv

材料成型原理

成分過冷的范圍為△=mLC0（l—kO）GL—DLkOv

上式中，mL、CO、kO為不變量，所以影響成分過冷范圍的因素只有

DL、GL和V。對(duì)于純金屬和一部分單相合金的凝固，凝固

的動(dòng)力主要是熱過冷，成分過冷范圍

對(duì)成形產(chǎn)品沒什么大的影響；對(duì)于大部分合金的凝固來說，成分過冷

范圍越寬，得到成型產(chǎn)品性能越好。

5.4答：（1）純金屬的枝晶間距決定于界面處結(jié)晶潛熱的散失條件，

而一般單相合金與潛熱的

擴(kuò)散和溶質(zhì)元素在枝晶間的行為有關(guān)。

（2）枝晶間距越小，材質(zhì)的質(zhì)量越高（因?yàn)橄鲈饺菀祝?/p>

6.1答：（1）在普通工業(yè)條件下，從熱力學(xué)考慮，當(dāng)非共晶成分的

合金較快地冷卻到兩條液

相線地延長(zhǎng)線所包圍的影線區(qū)域時(shí)，液相內(nèi)兩相打到飽和，兩相具備

了同時(shí)析出的條件，但一般總是某一相先析出，然后再在其表面析出另一

個(gè)相，于是便開始了兩相競(jìng)相析出的共晶凝固過程，最后獲得100%的共

晶組織。

(2)偽共晶組織如(1)所述，有較高的機(jī)械性能；而單相合金固相

無擴(kuò)散，液相混

合均勻凝固產(chǎn)生的共晶組織為離異共晶，即：合金冷卻到共晶溫度時(shí)，

仍有少量的液相存在，此時(shí)的液相成分接近于共晶成分，這部分剩余的液

體將會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織，但是，由于此時(shí)的先共晶相a數(shù)量

很多，共晶組織中的a相可能依附于先共晶相上長(zhǎng)大，形成離異共晶，即

8相單獨(dú)存在于晶界處，給合金的性能帶來不良影響。

材料成型原理

6.2答：小面一非小平面生長(zhǎng)最大的特點(diǎn)是：有強(qiáng)烈的方向性。變

質(zhì)處理改變了小平面的形

態(tài)，使得晶體生長(zhǎng)方式發(fā)生改變。

6.3答：S、。等活性元素吸附在旋轉(zhuǎn)李晶臺(tái)階處，顯著降低了石

墨棱面(1010)與合金液面間的界面張力，使得(1010)方向的生長(zhǎng)速度

大于(0001)方向，石墨最終長(zhǎng)成片狀。

Mg是反石墨化元素，在它的作用下，石墨最終長(zhǎng)成球狀。

7.1答：當(dāng)強(qiáng)化相表面與合金液表面相互浸潤(rùn)時(shí)，其本身就可以作

為異質(zhì)形核的核心，按異

質(zhì)形核的規(guī)律進(jìn)行結(jié)晶，使組織得到細(xì)化。當(dāng)強(qiáng)化相與合金液不浸潤(rùn)

時(shí)，強(qiáng)化相被排斥于枝晶間或界面上，嚴(yán)重影響著復(fù)合材料的性能。

7.2答：并不是任何一種共晶合金都能制取自生復(fù)合材料，因?yàn)橹迫?/p>

自生復(fù)合材料必須有高強(qiáng)

度、高彈性相作為承載相，而基體應(yīng)有良好的韌性以保證載體的傳遞。

因此共晶系應(yīng)具備以下要求：

⑴共晶系中一相應(yīng)為高強(qiáng)相。

⑵基體應(yīng)具有較高的斷裂韌度，一般以固溶體為宜。

⑶在單相凝固時(shí)能夠獲得定向排列的規(guī)則組織。

8.1答：鑄件的典型凝固組織為：表面細(xì)等軸晶區(qū)、中間柱狀晶區(qū)、

內(nèi)部等軸晶區(qū)。

表面細(xì)等軸晶的形成機(jī)理：非均質(zhì)形核和大量游離晶粒提供了表面細(xì)

等軸晶區(qū)的晶

核，型壁附近產(chǎn)生較大過冷而大量生核，這些晶核迅速長(zhǎng)大并且互相

接觸，從而形成無方向性的表面細(xì)等軸晶區(qū)。

中間柱狀晶的形成機(jī)理：柱狀晶主要從表面細(xì)等軸晶區(qū)形成并發(fā)展而

來，穩(wěn)定的凝

固殼層一旦形成處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流

的作用下，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀延伸生長(zhǎng)。由于擇優(yōu)生長(zhǎng)，在逐漸淘汰掉取向

不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織。

內(nèi)部等軸晶的形成是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)的結(jié)果。

8.2答：常用生核劑有以下幾類：

1、直接作為外加晶核的生核劑。

2、通過與液態(tài)金屬中的某元素形成較高熔點(diǎn)的穩(wěn)定化合物。

3、通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而造成結(jié)晶相通過非均質(zhì)形核

而提前彌散析出的生核劑。

4、通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而造成結(jié)晶相通過非均質(zhì)形核

而提前彌散析出的生核劑。含強(qiáng)成份過冷的生核劑

作用條件和機(jī)理：

1類：這種生核劑通常是與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)

或同類金屬、

非金屬碎粒，他們與欲細(xì)化相間具有較小的界面能，潤(rùn)濕角小，直接

作為襯

底促進(jìn)自發(fā)形核。

2類：生核劑中的元素能與液態(tài)金屬中的某元素形成較高熔點(diǎn)的穩(wěn)定

化合物，這些

化合物與欲細(xì)化相間界面共格關(guān)系和較小的界面能，而促進(jìn)非均質(zhì)形

核。

3類：如分類時(shí)所述。

4類：強(qiáng)成分過冷生核劑通過增加生核率和晶粒數(shù)量，降低生長(zhǎng)速度

而使組織細(xì)化。

8.3答：影響鑄件宏觀凝固組織的因素：液態(tài)金屬的成分、鑄型

的性質(zhì)、澆注條件、冷卻

條件。

材料成型原理

獲得細(xì)等軸晶的常用方法:

1、向熔體中加入強(qiáng)生核劑。

控制澆注條件：（1）采用較低的澆注溫度；（2）采用合適的澆注工藝。

3、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)：（1）采用金屬型鑄造；

（2）減小液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角；

（3）提高鑄型表面粗糙度。

4、動(dòng)態(tài)下結(jié)晶細(xì)化等軸晶：振動(dòng)、攪拌、鑄型旋轉(zhuǎn)等方法。

8.4答：孕育衰退：大多數(shù)孕育劑有效性均與其在液態(tài)金屬中的存

在時(shí)間有關(guān)，即存在隨著時(shí)間的延

長(zhǎng)，孕育效果減弱甚至消失。

解決辦法：在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應(yīng)采用較低的孕育處理

溫度。

9.1答：焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材

料，使被焊金屬的材質(zhì)達(dá)

到原子間結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。

焊接的物理本質(zhì)：使兩個(gè)獨(dú)立的工件實(shí)現(xiàn)了原子間的結(jié)合，對(duì)金屬而

言，實(shí)現(xiàn)了金

屬鍵的結(jié)合。

焊接工藝措施有兩種：加熱和加壓。

9.2答：傳統(tǒng)上將焊接方法分成三大類：熔化焊、固態(tài)焊和釬焊。

將待焊處的母材金屬熔化

以形成焊縫的焊接方法稱為熔化焊（熔焊）。

9.3答：控制焊縫金屬組織和性能的措施有:

⑴焊縫合金化和變質(zhì)處理。采取固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、相

變強(qiáng)化等措施保

證焊縫金屬焊態(tài)強(qiáng)度與韌性。加入少量鈦、硼、錯(cuò)、稀土元素等變質(zhì)

處理，可以細(xì)

化焊縫組織，提高韌性。

(2)工藝措施：調(diào)整焊接方法例如振動(dòng)結(jié)晶、焊后熱處理等措施提高焊

縫性能。

9.4答：HAZ(HeatAffectedZone)即焊接熱影響區(qū)。

焊接接頭的組成部分：焊縫、熱影響區(qū)和母材。

10.1答：快速凝固是指在比常規(guī)工藝過程(冷速不超過102℃/s)

快得多的冷速下，如10?4

10℃/s合金以極快的速度轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程?？焖倌谭譃榧崩淠?/p>

技術(shù)和大過冷

凝固技術(shù)。

急冷凝固技術(shù)的基本原理：設(shè)法減小同一時(shí)刻凝固的熔體體積并減小

熔體體積與

其散熱表面積之比，并設(shè)法減小熔體與熱傳導(dǎo)性能很好的冷卻介質(zhì)的

界面熱阻以及主

要通過傳導(dǎo)的方式散熱。

大過冷凝固技術(shù)的基本原理：要在熔體中形成盡可能接近均質(zhì)形核的

凝固條件，

從而獲得大的凝固過冷度。

10.2答：定向凝固技術(shù)主要有以下幾種:

（1）發(fā)熱劑法；（2）功率降低法；（3）快速凝固法；（4）液態(tài)金屬

冷卻法。9

第二部分連接成形

答案

1答：焊接時(shí)加熱，對(duì)金屬材料而言，可以使結(jié)合處達(dá)到熔化或塑

性狀態(tài)，接觸面的氧化膜被迅速破壞；金屬達(dá)到較高溫度呈塑性狀態(tài)時(shí);

金屬變形阻力減小，有利于縮小原子間距；能增加原子的振動(dòng)能，促進(jìn)化

學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、結(jié)晶和再結(jié)晶過程的進(jìn)行；熔化部分金屬，冷卻凝固后形

成焊縫。

焊接時(shí)，除加熱外，可同時(shí)或獨(dú)立施加壓力，其目的是破壞接觸表面

的氧化膜，使結(jié)合處有效接觸面積增加，達(dá)到緊密接觸實(shí)現(xiàn)焊接。

2答：焊縫的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量的等軸晶。每個(gè)柱狀晶

內(nèi)還可能有不同的結(jié)晶形態(tài)，如平面

材料成型原理

晶、胞狀晶和樹枝晶等。等軸晶內(nèi)一般都呈現(xiàn)為樹枝晶。焊縫金屬中

晶體的不同形態(tài)，與焊接熔池的凝固過程密切相關(guān)。

焊縫邊界處，界面附近的溶質(zhì)富聚程度較小，由于溫度梯度大，結(jié)晶

速度小，成分過冷接近于零，有利于平面晶的生長(zhǎng)。

當(dāng)結(jié)晶速度和溫度梯度一定時(shí),隨合金中溶質(zhì)濃度的提高，則過冷度增

加，從而使結(jié)晶形態(tài)由平面晶變?yōu)榘麪罹А麪顦渲?、樹枝狀晶、等軸

晶。

當(dāng)合金中溶質(zhì)濃度一定時(shí)，結(jié)晶速度越快，成分過冷度越大，結(jié)晶形

態(tài)也可由平面晶變?yōu)榘麪罹?、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶、等軸晶。

當(dāng)溶質(zhì)濃度和結(jié)晶速度一定時(shí)，隨液相溫度梯度的提高，成分過冷度

減小，結(jié)晶形態(tài)的演變則剛好相反。

3答：熱裂紋具有高溫?cái)嗔训男再|(zhì)。熱裂紋有凝固（結(jié)晶）裂紋、

液化裂紋、高溫失延裂紋等類型。焊接熱裂紋可出現(xiàn)在焊縫，也可出現(xiàn)在

近縫區(qū)或多層焊焊道間的HAZo

影響熱裂紋的因素主要有：

1）冶金因素

化學(xué)成分的影響：

合金元素影響凝固溫度區(qū)的大小及合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。隨著

合金元素的增加，

凝固溫度區(qū)增大，同時(shí)脆性溫度區(qū)增大，凝固裂紋的傾向增大。

雜質(zhì)元素的偏析及偏析產(chǎn)物的形態(tài)對(duì)熱裂紋也有一定影響。如S、P

在鋼中能形成低熔共晶，即使微量存在，也會(huì)使凝固溫度區(qū)在為增加。

2）凝固（結(jié)晶）組織形態(tài)對(duì)熱裂紋的影響：對(duì)于奧氏體鋼，凝固后晶

粒的大小、

形態(tài)和方向、析出的初生相等對(duì)抗裂性有較大影響。晶粒越粗大，方

向性越明

顯，則產(chǎn)生熱裂紋的敏感性越大。

3）工藝參數(shù)的影響：在焊接工藝中應(yīng)盡量減少有害元素的偏析及降低

應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率。

在焊接中、高碳鋼以及異種金屬焊接時(shí)，為減少母材中的有害元素進(jìn)

入焊疑縫，

應(yīng)盡量減小熔合比。不同接頭形式對(duì)裂紋傾向有不同影響，表面堆焊

和熔深較

淺的對(duì)接縫的抗裂性較高。熔深大的對(duì)接和各種角接焊縫的抗裂性較

差。

防止措施：主要是控制成分和調(diào)整工藝。

1）焊縫成分的控制：選擇合適的焊接材料，限制有害的雜質(zhì)，嚴(yán)格控

制S、P的含量。

2）調(diào)整工藝：限制過熱，采用小的焊接電流和小的焊接速度；控制成

形系數(shù)；減小熔合比；減小拘束度。

4答:按最高溫度范圍及組織變化，將HAZ分為四個(gè)區(qū)：

熔合區(qū)：焊縫與母材相鄰的部位，最高溫度處于固相線與液相線之間。

由于晶界與晶內(nèi)局部

熔化，成分與組織不均勻分布，過熱嚴(yán)重，塑性差，是焊接接頭的薄

弱環(huán)節(jié)。

過熱區(qū)：溫度范圍處于固相線到1100℃。由于加熱溫度高，奧氏體晶

粒過熱，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)

大。也稱粗晶區(qū)。焊后冷卻時(shí)，奧氏體相產(chǎn)物也因晶粒粗化使塑性、

韌性下降。冷

卻速度較慢時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)魏氏體。

相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）：母材已完全奧氏體化，處于1100℃?Ac3

之間。由于稀奧氏體晶

粒細(xì)小，空冷后得到晶粒細(xì)小而均勻的珠光體和鐵素體。塑性材

和韌性好。

不完全重結(jié)晶區(qū)：溫度范圍在Acl?Ac3,部分母材組織發(fā)生相變重結(jié)

晶，奧氏體晶粒細(xì)小，

冷卻后轉(zhuǎn)變得到細(xì)小的F+P；而未奧氏體化的晶粒受熱長(zhǎng)大，使該區(qū)

晶粒

大小、組織分布不均勻。

5答：熔合比：??

ApAp?Ad,Ap為焊縫截面中母材所占的面積；Ad為焊縫截面中填充

金屬所占的面

材料成型原理

積。

不考慮冶金反應(yīng)的作用時(shí).，焊縫中某合金元素的濃度可通過下式計(jì)算:

Co???Cb?(l??)Ce

Co為某元素在焊縫金屬中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cb為某元素在母材中的質(zhì)量

分?jǐn)?shù)；Ce為某元素在焊條中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

考慮合金元素的損失，則焊縫金屬中某合金元素的實(shí)際濃度Cw為：

Cw???Cb?(l??)Cd

Cd為熔敷金屬中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

通過改變?nèi)酆媳?，可以改變焊縫金屬的化學(xué)成分。

6答：溫度改變導(dǎo)致“熱脹冷縮”，非均勻的溫度變化(如局部的

加熱、冷卻）導(dǎo)致金屬內(nèi)部的不均勻“熱脹冷縮”從而產(chǎn)生應(yīng)力。工件冷

卻后保留在工件內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。局部的固態(tài)相變也能產(chǎn)生內(nèi)

應(yīng)力。

減小或消除應(yīng)力方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝措施、熱處理、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)

械加載等。

變形：殘余應(yīng)力的存在必然導(dǎo)致原工件形狀的少量改變，也稱為殘余

變形。

有整體變形、局部變形。

影響因素：材料熱物理性能、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、工藝因素、焊接熱

輸入、焊接次序等。防止方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝（反變形、剛性固定、

預(yù)留收縮量）、矯正（機(jī)械、火焰）。

第三部分塑性力學(xué)

1解：?z??uOuzz??uz??uOHzH

設(shè)長(zhǎng)方體長(zhǎng)度方向位移量為UX,寬度方向位移量為U,根據(jù)位移不變

這一條件y

即？x??y??z?O

uxuyu?x??y=+=??z=OxyH

XVuxuy=yxuxuyuz???O/.xyz

.,.uxuyul????z?Oxy22H

xyzuO,uy=uO，uz=-uO2H2HH.,.ux=

小應(yīng)變張量場(chǎng)：

共10頁

材料成型原理

2解：

??uxuOx??x?

2H

,?=?uy?y=uO2H,??u

uyz=z?z=-OH?uxxy=

??x+?uy

?V

=0??u000??

2H?...小應(yīng)變張量場(chǎng)為：?u?ij???O

0??2H????

00

?u?OH???

等效應(yīng)變場(chǎng)：

ij?

uO

H

1)??(1)

z

?ln

2H0

H?ln20

圓柱體均勻變形A??(l)

r

???(1)?

.,.??(l)(l)r???(l)(l)????z?2??r???(l)z?0???(l)r??

l??(l)12z??

2

In2???(l)?

?ln2(2)??(2)

HO

z

?ln

2H??ln2O

如一所求,得??(2)1

In2,以及??⑵?In2(3)累積變形

????(1)???(2)11

r?????rr??2ln2?2ln2?0

??z???(l)z???(2)z?ln2?(?ln2)?0

共11頁

材料成型原理

???(l)???(2)?2ln2

2

3解：由力平衡方程得：P(Rd?)??4?Rd(?t)?

d?

2

?0???

R

P.2t

?1??2???,?3?0

??

?)??1??

R2tP??s?P??s2tR

4解：(a)0?B

a

2

al

等效應(yīng)力

?

?435.9MPa又？=200(1+?)???1.18

?m?

?1??2??3

3

?'????m

共12頁

材料成型原理

??l'?166.7MPa,?2'??33.3MPa,?3'??233.3MPa

又全量應(yīng)變?i?

3?

82,??0.13?352?,??i'??1?1.082?

2?

0.9472

(b)解法和(a)相同

O?A?O?B

O?A階段

??217.9MPa,???

1

(1)

?0.0891,?m(l)??16.7MPa

??l(l)'??133.3MPa,?2(l)'?16.7MPa,?3(l)'?116.7MPa

?l(l)??0.0823,?2(l)?0.0103,?3(l)?0.0721

又?(2)????(1),

?A-B過程?l(2)?1.0006,?2(2)??0.1249,?3(2)?0.8753

則全過程中全量主應(yīng)變?i??i(2)??i⑵

即?1??0.0823?1.0006?0.9183?2?0,010?3?(0.012?4?9

)?3?0.072?1

0.

0.08?7530.

5

解：已知?x??60MPa,?y??30MPa,?z?0,?xy?,?zx??zy?0則?m?

?x??y??z

3

??30MPa

?i'??i??m

??x??30MPa,?y?0MPa,?z?30MPa

'

'

'

?ij,又已知d?x???,可得根據(jù)增量形式levy-Mises本構(gòu)方

程：d?ij?d??

p'

d?x

?x

?

d?y

?

?

d?z

y

?

?

d?

xy

z

?

?

d?

yz

xy

?

?

d?

xz

yz

?

?d??

xz

???

??3030

?d?y?d?yz?d?zx?O，d?z??z?d??30?

30

??

共13頁

材料成型原理

d?xy??xy?d???

30

?0.58?

???

?則應(yīng)變?cè)隽繌埩繛椋?.58????0

'

0.58?00

0?

?ij塑性功增量密度：dw??ij?

則有塑性功增量密度為：

dw??x'?d?x??y'?d?y??z'?d?z?2?xy?d?xy?2?yz?d?yz?2?zx?d?z

x?80?

6解：（1）A：圓柱部分

P??r2P?rP?2rP?r

??0,????r?0,?z???0

2?r?t2t2tt

則點(diǎn)A屈服時(shí)：?1????

P?rP?r

,?2??z?,?3?0t2t

W(?l??2)2?(?2??3)2?(?3??l)2?2?s2

?PA?B：球面部分

P?????(rd?)2?4???rd??ts?,0則B點(diǎn)屈服時(shí)：?1??2????

sd?2

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P?r

,?3?02t

{?l??2)2?(?2??3)2?(?3??l)2?2?s2?PB?2?s

因?yàn)镻B>PA,所以A點(diǎn)先屈服，即圓筒部分先屈服。(2

)屈服時(shí)P?

tr

P?rP?r

s,且？r?