《材料成形工藝基礎(chǔ)》第2版課后習(xí)題答案(柳秉毅)

《材料成形工藝基礎(chǔ)》1.1區(qū)分以下名詞的含義：逐層凝固P8與順序凝固P14糊狀凝固P8與同時凝固P15液態(tài)收縮與凝固收縮P11縮孔與縮松P12逐層凝固：純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下結(jié)晶的，鑄件凝固時其凝固區(qū)寬度接近于零，隨著溫度的下降，液相區(qū)不斷減小，固相區(qū)不斷增大而向中心推進，直至到達(dá)鑄件中心。順序凝固：是指在鑄件上建立一個從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口處向冒口方向順序地凝固，即遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。糊狀凝固：如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或者鑄件斷面上溫度梯度較小，則在凝固的某段時間內(nèi)，其固相和液相并存的凝固區(qū)會貫穿鑄件的整個斷面。同時凝固：是指采取一定的工藝措施，盡量減小鑄件各部分之間的溫度差，使鑄件的各部分幾乎同時進行凝固。液態(tài)收縮：從澆注溫度冷卻至凝固開始溫度(液相線溫度)期間發(fā)生的收縮。凝固收縮：從凝固開始溫度到凝固終了溫度(固相線溫度)期間發(fā)生的收縮。鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮所造成的體積縮減，如果未能獲得補充(稱為補縮)，則會在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。1.2什么是液態(tài)合金的充型能力?P10它與合金的流動性有何關(guān)系?P10化學(xué)成分不同的合金為什么流動性不同?P9流動性不好對鑄件的質(zhì)量有何影響?P10在實際生產(chǎn)條件下熔融金屬是否能夠順利充滿型腔，從而獲得輪廓清晰、形狀完整的鑄件，這種能力被稱為合金的充型能力。流動性好的合金充型能力強，流動性差的合金充型能力也差。同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點，其流動性也不同。合金的流動性好，不僅有利于充型，而且有利于金屬液中的氣體和非金屬夾雜物的上浮排除，有利于對金屬凝固時產(chǎn)生的收縮進行補縮。合金的流動性差，鑄件就容易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔、夾渣和縮孔等缺陷。1.3擬生產(chǎn)一批小型鑄鐵件，力學(xué)性能要求不高，但壁厚較薄，試分析如何提高合金液的充型能力。答：1）盡可量提高澆注溫度。由于壁厚較薄，鑄鐵可取1450左右2）增大充型壓力（即增大推動力）。3）選用蓄熱能力強的材料作鑄型。4）提高鑄型溫度。5）選用發(fā)氣量小而排氣能力強的鑄型。1.4冒口補縮的原理是什么?冷鐵是否可以補縮?冷鐵的作用與冒口有何不同?在鑄件厚壁處和熱節(jié)部位（即鑄件上熱量集中，內(nèi)接圓直徑較大的部位）設(shè)置冒口，是防止縮孔、縮松的有效措施。冒口的尺寸應(yīng)保證冒口比它要補縮的部位凝固得晚，并有足夠的金屬液供給。采用“順序凝固原則”，在鑄件上建立一個從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口處向冒口方向順序地凝固，即遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固，不可以。冷鐵是用以增加鑄件某一局部的冷卻速度而安放在鑄型內(nèi)的金屬激冷物。1.7既然提高澆注溫度可以增強合金的充型能力，為什么又要防止?jié)沧囟冗^高?P10澆注溫度不宜過高，否則金屬液吸氣增多，氧化加劇，并且使合金的液態(tài)收縮量增加，不僅充型能力提高不多，反而增大了產(chǎn)生縮孔、氣孔、粘砂、晶粒粗大等缺陷的傾向。因此，每種鑄造合金都有一定的澆注溫度范圍。1.8什么是冷變形和熱變形?冷變形和熱變形對金屬的組織與性能有哪些影響?冷變形加工和熱變形加工各有何優(yōu)缺點?P22P231）在再結(jié)晶溫度以下(通常是在室溫下)進行的塑性成形加工，稱為冷變形加工；通常把在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性成形加工稱之為熱變形加工。2）冷變形對金屬組織性能的影響冷變形后金屬纖維組織的形成和形變織構(gòu)的出現(xiàn)，均使金屬的性能產(chǎn)生各向異性，這對于塑性成形加工是不利的；熱變形對金屬組織和性能的影響熱變形加工能消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷，如使氣孔、縮松焊合，使粗大的柱狀晶?；驑渲扑椴⒃俳Y(jié)晶成為均勻的等軸晶，改善第二相的形態(tài)與分布，減小成分偏析等，從而使金屬材料組織致密，晶粒細(xì)化，成分均勻，力學(xué)性能提高。3）由于冷變形加工是在再結(jié)晶溫度以下(通常還低于回復(fù)溫度)進行的，金屬在變形過程中只有冷變形強化而無回復(fù)或再結(jié)晶軟化，因此所需變形力很大，且變形程度也不宜過大，以免降低模具壽命或使工件開裂。冷變形加工的生產(chǎn)率較高，其產(chǎn)品具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點，一般不需要再切削加工；（冷變形優(yōu)缺點）由于金屬的熱變形一般都在遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度以上進行，軟化過程大于強化過程，所以金屬具有較好的塑性和較低的變形抗力，這樣金屬在熱變形時可獲得較大的變形量，而耗能較小。用熱變形方法可加工尺寸較大或形狀復(fù)雜的工件，并能改善金屬的組織與性能。但由于變形溫度高，金屬表面易形成氧化皮，工件表面質(zhì)量和尺寸精度較低。（熱變形優(yōu)缺點）1.11根據(jù)你所學(xué)的知識說明“趁熱打鐵”的意思和道理。P25隨著溫度升高，金屬原子活動能力增強，原子間結(jié)合力減弱，使塑性提高和變形抗力減小。當(dāng)溫度高于金屬的再結(jié)晶溫度后，變形過程中的強化作用可被動態(tài)再結(jié)晶軟化所消除。所以，對大多數(shù)金屬來說，隨著溫度的增加，總的變化趨勢是塑性提高，變形抗力下降，如果通過加熱可使原為多相組織的合金發(fā)生相變而轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗喙倘荏w組織，則對提高其塑性成形性更加有利。1.12什么是金屬的超塑性?P26超塑性成形有什么特點?P26金屬這種在特定條件下表現(xiàn)出的超常的塑性變形能力稱為超塑性。超塑性成形時金屬不會發(fā)生加工硬化，也不會形成各向異性和殘余應(yīng)力。2.2什么是熔模鑄造?試簡述其工藝過程。P44熔模鑄造是用易熔材料制成模樣，造型后將模樣熔化并排出型外，從而獲得無分型面的型腔，經(jīng)澆注后獲得鑄件的鑄造方法。熔模鑄造的工藝過程其主要工序包括蠟?zāi)Ｖ圃臁⒅圃煨蜌?、失蠟、焙燒和澆注等?)蠟?zāi)Ｖ圃彀讶刍珊隣畹南灹蠅喝雺盒?，待冷凝后取出，就得到蠟?zāi)！?)制造型殼將蠟?zāi)；蛳災(zāi)＝M浸入由水玻璃和石英粉配成的涂料漿中，使涂料均勻地覆蓋在蠟?zāi)１韺?，然后在上面均勻地撒一層?xì)石英砂，再放人硬化劑(氯化銨溶液)中硬化結(jié)殼。3)熔去蠟?zāi)邢灻男蜌そ?5～95℃的熱水中，使蠟料熔化并從型殼中脫除，從而在型殼中留下型腔。4)焙燒型殼在澆注前必須在800—950℃下進行焙燒，其目的是去除型殼中的水分、殘余蠟料和其他雜質(zhì)，潔凈型腔。5)澆注為了提高合金的充型能力，防止?jié)膊蛔?、冷隔等缺陷，通常在焙燒后隨即就趁熱(600～700℃)進行澆注。2.3金屬型鑄造有何優(yōu)越性?為什么金屬型鑄造未能廣泛取代砂型鑄造?P47金屬型鑄造的特點1)金屬型造好后，其鑄造的工藝過程實際上就是澆注、冷卻、取出和清理鑄件，從而大大地提高了生產(chǎn)效率，改善了勞動條件，并且易于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)。2)金屬型內(nèi)腔表面光潔，剛度大，因此鑄件精度高，表面質(zhì)量好。3)金屬型導(dǎo)熱快，鑄件冷卻速度快，凝固后晶粒細(xì)小，從而提高了其力學(xué)性能。但是，金屬型的制造周期長、成本高，鑄造工藝要求較嚴(yán)格，不宜生產(chǎn)大型、薄壁和形狀復(fù)雜的鑄件，鑄鐵件還容易產(chǎn)生白口組織。2.4低壓鑄造的工作原理和壓鑄有何不同、為何鋁合金較常采用低壓鑄造？低壓鑄造的壓力較低，并且是熔融金屬液由下而上壓入型腔。因為低壓鑄造金屬液充型平穩(wěn)，對鑄型的沖刷力小，工件的質(zhì)量高，鋁合金密度小，質(zhì)量較輕，用低壓鑄造效果更佳。2.5什么是離心鑄造?它在圓筒形鑄件的鑄造中有哪些優(yōu)越性?P49離心鑄造是將熔融金屬澆人高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使其在離心力作用下填充鑄型并結(jié)晶，從而獲得鑄件的方法。離心鑄造的優(yōu)點是：1)離心鑄造可不用型芯而鑄出中空鑄件，工藝簡單，生產(chǎn)率高，成本低。2)在離心力作用下，提高了金屬液的充型能力，金屬液自外表面向內(nèi)表面順序凝固，因此鑄件組織致密，無縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，力學(xué)性能提高。3)便于鑄造“雙金屬”鑄件，如制造鋼套銅襯滑動軸承。4)不用澆注系統(tǒng)和冒口，金屬利用率較高。2.15為什么要規(guī)定鑄件的最小壁厚？鑄件的壁過薄或過厚會出現(xiàn)哪些問題？因為合理的鑄件結(jié)構(gòu)可以消除鑄造缺陷。最小壁厚是保證鑄件質(zhì)量的最小比壁厚值。過?。嚎赡軐?dǎo)致鑄件產(chǎn)生澆不到，冷隔等鑄造缺陷；過厚：鑄件的壁厚過厚一方面造成金屬的浪費，另一方面壁厚過厚在厚壁處產(chǎn)生冷卻速度較慢的熱節(jié)，結(jié)晶組織粗大容易產(chǎn)生縮孔，縮松，晶粒粗大等缺陷。2.16什么事鑄件的結(jié)構(gòu)斜度？它與起模斜度有什么不同？鑄件的結(jié)構(gòu)斜度——鑄件結(jié)構(gòu)所具有的斜度。鑄件上與分型面垂直的非加工面應(yīng)設(shè)計結(jié)構(gòu)斜度，以便于造型時易于取出模樣?？紤]到保持鑄件的壁厚均勻，內(nèi)、外壁應(yīng)相應(yīng)傾斜起模斜度：為使模樣容易從鑄型中取出或型芯自芯盒脫出，在模樣或芯盒平行于起模方向設(shè)置的斜度。大小取決于造型方法，模樣材料，垂直壁高度，表面粗糙度通常為15‘~3度。一般立壁越高，斜度越小。2-18試簡述鑄造工藝對鑄件結(jié)構(gòu)的要求。鑄件的外形設(shè)計應(yīng)該避免側(cè)凹結(jié)構(gòu)；合理設(shè)計凸臺和肋條；減少和簡化分型面；考慮設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)斜度鑄件的內(nèi)腔設(shè)計應(yīng)該，不用或少用型芯，方便型芯的安放排氣和清理。注意鑄件結(jié)構(gòu)的合理分割與組合。3.1何謂自由鍛,它在應(yīng)用上有何特點?P90與自由鍛相比，模鍛有哪些特點?P92自由鍛是只用簡單工具或在鍛造設(shè)備的上、下砧之間，使金屬坯料受力變形而獲得鍛件的工藝方法。自由鍛的特點及應(yīng)用自由鍛工藝靈活，所用設(shè)備和工具有很大的通用性，且工具簡單；生產(chǎn)的鍛件范圍大，可鍛造不到一千克至質(zhì)量達(dá)幾百噸的鍛件；但生產(chǎn)率低，工人勞動強度大，對工人技術(shù)水平要求較高；鍛件精度低，且只能鍛造形狀簡單的工件。模鍛的特點及應(yīng)用與自由鍛相比，模鍛有如下特點：1)生產(chǎn)效率高。模鍛時金屬變形在模膛內(nèi)進行，故能較快獲得所需要的形狀。2)模鍛件尺寸精確，加工余量小，表面光潔，節(jié)約材料和切削加工工時。3)可以鍛造形狀比較復(fù)雜的鍛件。但是，由于受模鍛設(shè)備噸位的限制，模鍛件質(zhì)量不能太大，通常在150kg以下，而且因為模鍛設(shè)備投資大和鍛模制造成本高，所以只適合于大批量生產(chǎn)。3.6自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性有哪些要求?自由鍛件上為什么不允許出現(xiàn)凸臺、肋條和斜面?P139考慮到自由鍛設(shè)備和工藝的特點，自由鍛件結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則是：在滿足使用性能的前提下，鍛件的形狀應(yīng)盡量簡單、規(guī)則，易于鍛造。1.避免錐體或斜面結(jié)構(gòu)。2.避免以空間曲面相交的結(jié)構(gòu)。3.避免加強肋和凸臺等結(jié)構(gòu)。4.合理采用組合鍛件。鍛造具有錐體或斜面結(jié)構(gòu)的鍛件，需制造專用工具，鍛件成形也比較困難，從而使工藝過程復(fù)雜，不便于操作，影響設(shè)備使用效率，應(yīng)盡量避免。如果出現(xiàn)凸臺、肋條，難以用自由鍛成形，增加成本，若采用特殊工藝來生產(chǎn)，會降低生產(chǎn)率，增加成本。3.9對于沖裁件、彎曲件和拉深件，在形狀設(shè)計上有何特別要求?P141P132P1431）沖裁件的形狀沖裁件的形狀應(yīng)力求簡單、對稱，并盡可能采用圓形、矩形等規(guī)則形狀，避免長槽和細(xì)長懸臂結(jié)構(gòu)(圖3．74)，避免設(shè)計成非圓曲線的形狀，并使排樣時廢料最少。在沖裁件的轉(zhuǎn)角處，除無廢料沖裁或采用鑲拼模沖裁外，都應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角。2）彎曲件的形狀彎曲件的形狀應(yīng)盡量對稱，彎曲半徑應(yīng)左右一致，保證板料受力時平衡，防止產(chǎn)生偏移。當(dāng)彎曲不對稱制件時，也可考慮成對彎曲后再切斷。3）拉深件的形狀拉深件的形狀應(yīng)力求簡單、對稱，盡量采用圓形、矩形等規(guī)則形狀，以有利于拉深。其高度應(yīng)盡量減小，以便用較少的拉深次數(shù)成形。4-2電弧焊的構(gòu)造及溫度分布是怎樣的？在什么情況下，應(yīng)注意電弧焊的極性和接法？焊接電弧可分為三個區(qū)域，即陽極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)。不同材料電極溫度是不同的，其溫度分別大概是這個范圍（2600K-4200K，2400K-3500K，6000K-8000K）用鋼焊條焊接時，陰極區(qū)溫度為2400K左右，放出熱量為電弧總熱量的38％；陽極區(qū)溫度為2600K左右，熱量占42％；弧柱區(qū)中心溫度可達(dá)5000－8000K，熱量占20％左右。當(dāng)采用直流弧焊電源焊接時，工件接正極，焊條接負(fù)極，稱為正接，工件接負(fù)極，焊條接正極，稱為反接，用交流弧焊電源焊接是由于電弧極性不斷交替變化，不存在，正接，，反接問題。4-3埋弧焊與手弧焊相比有哪些優(yōu)點？其工藝性有何特點？應(yīng)用有何限制？為什么？埋弧焊的主要優(yōu)點埋弧焊是當(dāng)今生產(chǎn)效率較高的機械化焊接方法之一，1.生產(chǎn)效率高這是因為，一方面焊絲導(dǎo)電長度縮短，電流和電流密度提高，因此電弧的溶深和焊絲溶敷效率都大大提高。（一般不開坡口單面一次溶深可達(dá)20mm）另一方面由于焊劑和溶渣的隔熱作用，電弧上基本沒有熱的輻射散失,飛濺也少，雖然用于熔化焊劑的熱量損耗有所增大，但總的熱效率仍然大大增加。2.焊縫質(zhì)量高熔渣隔絕空氣的保護效果好，焊接參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，對焊工技術(shù)水平要求不高,焊縫成分穩(wěn)定，機械性能比較好。3.勞動條件好除了減輕手工焊操作的勞動強度外，它沒有弧光輻射，無煙塵等這是埋弧焊的獨特優(yōu)點。埋弧焊工藝：焊前準(zhǔn)備：埋弧焊在焊接前必須做好準(zhǔn)備工作，包括焊件的坡口加工、待焊部位的表面清理、焊件的裝配以及焊絲表面的清理、焊劑的烘干等埋弧焊的工藝參數(shù)：埋弧焊的焊接參數(shù)主要有：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲直徑和伸出長度等。應(yīng)用限制：適應(yīng)性差，通常只適合于水平位置焊接直縫和環(huán)縫；對焊前準(zhǔn)備嚴(yán)格，工件坡口加工要求高；焊接設(shè)備復(fù)雜，投資較大。4.5氣體保護焊的主要特點是什么?P157常用的保護氣體有哪些?P1551)明弧焊接，便于觀察、操作和控制。。2)適合于各種空間位置的焊接，易于實現(xiàn)機械化和自動化。3)電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，焊接熱影響區(qū)較窄，焊接變形小。4)焊接電流密度大，熔深大；焊接速度快，焊后不需清渣，因此生產(chǎn)率高。5)焊接設(shè)備和控制系統(tǒng)較復(fù)雜。常用的保護氣體：氬氣和CO2。4.6氬弧焊焊接生產(chǎn)有何特點?其應(yīng)用范圍如何?P157答：氬氣價格貴，焊接成本高。氬氣是惰性氣體，它不與金屬起化學(xué)反應(yīng)，又不溶于金屬液中，是一種理想的保護氣體，可以獲得高質(zhì)量的焊縫。所以氬弧焊保護效果好，且焊縫成形好。氬弧焊主要適用于焊接化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬(鋁、鎂、鈦及其合金)、稀有金屬(鋯、鉬、鉭及其合金)、高強度合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼等。4.7CO2氣體保護焊有何優(yōu)缺點?其應(yīng)用范圍如何?P157優(yōu)點：CO2氣體價廉，成本低，其焊接成本僅為焊條電弧焊和埋弧自動焊的40％左右。CO2焊焊縫含氫量低，所以焊縫的裂紋傾向小。缺點：CO2是一種氧化性氣體，在高溫時會分解，使電弧氣氛具有強烈的氧化性，使焊件金屬和合金元素?zé)龘p而降低焊縫金屬力學(xué)性能，而且還會導(dǎo)致飛濺和氣孔，焊縫成形較差。CO2焊主要適用于焊接低碳鋼和強度等級不高的低合金結(jié)構(gòu)鋼，也可用于堆焊磨損件或焊補鑄鐵件，不適于焊接易氧化的非鐵金屬和高合金鋼。CO2焊目前廣泛用于造船、機車車輛、汽車制造等互業(yè)生產(chǎn)。4.8等離子電弧焊，激光焊，和電子束焊與傳統(tǒng)的熔焊方法相比有哪些獨特的優(yōu)點？等離子電弧焊：（1）微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。具有小孔效應(yīng)，能較好實現(xiàn)單面焊雙面自由成形。（3）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，10～12mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)力變形小。（4）設(shè)備比較復(fù)雜，氣體耗量大，只宜于室內(nèi)焊接。激光焊：（1）能量密度大，穿透深度打，焊縫可以極為窄小，；熱量集中，作用時間短，熱影響區(qū)小，焊接殘余應(yīng)力和變形小，特別適用于熱敏材料的焊接?？梢院附右话愫附臃椒y以焊接的材料，如高熔點金屬，非金屬材料，異種材料的焊接。（3）激光可以反射，透射，能在空間傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離而衰減很小，因而可以進行遠(yuǎn)距離焊接或一些難以接近部位的焊接；（4）焊接過程實際極短，不僅生產(chǎn)率高，而且焊件不易氧化，因此不論在真空，保護氣體或空氣中焊接，其效果幾乎相等。電子束焊接：（1)電子束焊接的能量密度高,可焊接一般電弧焊難以實現(xiàn)的焊縫;（2)電子束焊接是在真空中進行,焊縫的化學(xué)成分穩(wěn)定且純凈,接頭強度高,焊縫質(zhì)量高;（3)電子束焊接速度快,熱影響區(qū)小,焊接熱變形小;（4)電子束焊接適用于焊接幾乎所有的金屬材料;（5)電子束焊接可獲得深寬比大的焊縫(20∶1～50∶1),焊接厚件時可以不開坡口一次成形;（6)電子束焊接結(jié)合計算機技術(shù),實現(xiàn)了工藝參數(shù)的精確控制,使焊接過程完全自動化。電子束焊接技術(shù)是目前發(fā)展最快,應(yīng)用最為廣泛的電子束技術(shù)5-2簡述粉末冶金制品生產(chǎn)的各主要工序。粉末制備：粉末制備方法分為機械法和物理化學(xué)法。粉末成型：將松散