《材料成形原理》2013年复习用.doc

2013年材料成形原理部分作业答案一、 解释名词1.熔化潜热：在熔点温度的固态变为同温度的液态时，金属要吸收大量的热，称熔化潜热。12.温度分布：温度在空间和时间的变化。3流动性:液态金属本身的流动能力，由其成分、温度，杂质含量决定，与外界因素无关。24粘度: 是液态金属原子间的结合力;液态金属原子的活动性比固态金属原子大得多，但是层与层之间存在内摩擦力。从纯物理学概念出发，可以认为金属的流动性就是粘度的倒数。 25表面张力:因表面分子或原子受力不平衡而产生的附加力.26均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发形成结晶核心。37异质形核：实际的液态金属中存在大量的高熔点（既不熔化也不溶解的）夹杂物，它们往往可以成为形核的基底，晶核依附于其中一些夹杂物的界面而形成。38正温度梯度分布：固液界面前方液相温度高于界面温度且随离开界面距离的增大而升高。39平面生长方式: 正温度梯度分布：固液界面前方液相温度高于界面温度且随离开界面距离的增大而升高。这种方式中，因固液界面前方液体过冷区域及过冷度极小。晶体生长方向与散热方向相反，所以一旦某晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面方式生长。310树枝晶生长方式: 负温度梯度分布：固液界面前方液相温度低于界面温度且随离开界面距离的增大而降低;这种方式中，因固液界面前方液体过冷区域较大，且距界面越远的液体其过冷度越大，晶体生长方向与散热方向相同，所以晶界上某一凸起的晶体将快速伸入过冷液体中，成为树枝状晶体。311溶质再分配：液态金属结构比较松散，原子集团间存在空穴，液态金属中溶质原子的溶解能力大于固态金属，因此在液固相时出现溶解能力的突变。凝固时固相中不能容纳的溶质原子便被排挤出来，富集在界面上的液体中，然后逐渐向内部扩散均匀化。这种现象称为溶质再分配。溶质分配系数 K = WS / WL 式中：WS 固液界面固相侧溶质质量分数 WL 液相中溶质质量分数.412成分过冷: 合金凝固中发生溶质再分配，液固界面液相侧溶质富集，导致理论凝固温度变化。液相实际温度与实际成分液体的理论凝固温度之差称为成分过冷度Tc。413过冷度：过冷度T=Tm-T，Tm为金属熔点，T为实际开始结晶的热力学温度。T就是凝固的驱动力。414伪共晶组织：在近平衡凝固条件下，即使非共晶成分的合金，当其较快地冷却到两条液相线的延长线所包围的影线区时，两相组元都达到过饱和而可以进行共晶凝固过程，称这样的非共晶成分合金而获得的共晶组织为伪共晶共组织。415规则共晶:由金属金属或金属金属间化合物两相组成。两相的形态为规则的棒状或层片状，片与片之间的距离用表示。共晶凝固时，溶质在中横向扩散，使两相互相依存，并排长大。两相在微观上都是粗糙界面，在宏观上保持固液界面为平整界面。416非规则共晶: 由金属非金属或非金属非金属两相组成。在微观上一或两相都是光滑界面，宏观上固液界面不是平整的。其生长界面为特定晶面。这类共晶对凝固条件极敏感，故组织形态多种多样。417孕育处理：孕育处理是指在铸造生产中向液态金属添加孕育剂（或称生核剂），通过增加非自发晶核数而实现细化晶粒的处理方法。518收缩：铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少现象。519体收缩：金属从液态T1到常温T0的体积改变量。520线收缩：金属在固态时从高温T1到常温T0的线尺寸改变量。521液态收缩：合金从浇注温度T浇冷却到液相线温度TL所发生的体收缩。522凝固收缩：合金从液相线温度TL冷却到固相线温度TS所产生的体收缩。523固态收缩：合金在固相线TS以下直到室温T0发生的体收缩。524缩孔：由于铸造合金的液态收缩和凝固收缩，铸件最后凝固的部位经常出现孔洞。525胞状偏析：当成分过冷较小时，晶体呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体组成，沿凝固方向长大。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的分配系数k1，则胞壁处溶质贫化。这就是胞状偏析。526树枝晶内偏析：对有一定结晶温度范围的合金，如冷却速度较快，凝固时溶质扩散难以充分进行，实际上进行不平衡结晶，同一晶粒先结晶的主干部分含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元叫多，先、后结晶部分存在浓度差别，这就是树枝晶内偏析。527晶界偏析：当两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力的影响，在晶界与熔液交界的地方会出现凹槽，此处利于溶质原子富集，凝固后就形成了晶界偏析；当两个晶粒对面生长，固液界面富集溶质和杂质原子，晶粒彼此相遇时，在晶界上就形成了偏析。528正偏析:由于溶质的再分配，当合金的溶质分配系数k1时情况相反。这就是正偏析.5密度偏析:金属凝固前或刚开始凝固时，当液体和固体共存或者相互不混合的液相之间存在较大密度差，就会产生密度偏析。如初生相上浮或下沉，造成铸件上部与下部成分不均匀。529区域偏析:例如焊接熔池凝固时，固液界面向前推进，柱状晶体对向长大，会把溶质或杂质赶向中心，导致焊缝中心的杂质浓度较高，凝固后焊缝中心线附近出现区域偏析.530重力偏析：金属凝固前或刚开始凝固时，当液体和固体共存或者相互不混合的液相之间存在较大密度差，就会产生密度偏析。如初生相上浮或下沉，造成铸件上部与下部成分不均匀。531快速凝固：是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。 632金属玻璃（也称非晶态合金）是通过对熔融合金快速冷淬获得了非晶结构，即金属玻璃。633焊接：是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊工件的材质（同种或异种）达到原子间结合，从而形成永久连接的工艺过程。本质是在两个被焊金属件在母材与焊缝交界处形成了共同的晶粒。734熔化焊：将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝。735压焊：焊接温度低于母材和填充金属的熔化温度，加压以进行原子相互扩散。736钎焊：将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，使钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散。737焊缝熔合比：熔化焊时，焊缝金属是由局部熔化的母材和填充金属所组成，其中熔化的母材所占的比例称为熔合比。738焊接温度场：即焊件上各点瞬时温度分布。739熔渣是指熔炼金属的过程中，固体石灰石、硅砂等炉料在高温炉中熔化所生成的低熔点复杂化合物；或焊接过程中，药皮、焊剂在电弧高温下熔化而生成的低熔点化合物。840先期脱氧是指含有脱氧剂的药皮被加热时发生的脱氧反应，841沉淀脱氧是溶解在金属液中的脱氧剂将金属还原，脱氧产物上浮至渣中，842扩散脱氧在熔渣和金属液界面上进行，即通过改变渣液金属氧化物的分配系数来脱金属液中的氧。843. 内应力：不受外力作用，平衡于物体内部的应力称为内应力。944. 热应力：工件各部分在同一时间受热温度或冷却速度不一致，热胀冷缩量不同，因而彼此制约，不能自由伸缩，这样引起的内应力就是热应力。945. 相变应力：不同晶体结构的比容不同。具有固态相变的金属，若各部分发生相变的时间不同或程度不同，因有不同的体积涨缩，但各部分相互牵制，不能自由伸缩，这样引起的内应力就是相变应力。946. 机械应力：工件受热作用或相变时受到外界阻碍而不能自由伸缩，所引起的应力称为机械应力。947.残余变形：当工件在某一温度所承受的总应力超过该温度下工件材料的屈服强度，工件就会发生塑性变形，至室温仍存留的变形称为残余变形。948.机械矫正就是施加机械力使工件产生反向变形而抵消原先的变形。949.火焰矫正就是用火焰局部加热焊件，使之冷却收缩所产生的变形与原先变形抵消。950.综合矫正就是几种方法并用以矫正原先变形。951. 热裂纹：铸件或焊件在高温阶段（固相线附近）产生的裂纹称为热裂纹。952. 液化裂纹：焊件近缝区金属是从低温被加热到高温的，熔合区受热温度达到局部熔化，晶间也出现液膜，其强度也比固相低，当受应力时也最容易使液膜沿晶界开裂。因为此液膜不是从高温凝固留下的，而是从低温加热至高温所产生的，故称为液化裂纹。953. 冷裂纹指的是在室温附近（再结晶温度以下）出现的裂纹。954. 偏析：铸件凝固后从微观晶粒内部到宏观各部位化学成分的不均匀现象称为偏析。955. 微观偏析指的是晶粒尺寸的微小范围成分不均匀。956. 宏观偏析指的是较大尺寸范围的成分不均匀，又称区域偏析。957. 晶界偏析：当两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力的影响，在晶界与熔液交界的地方会出现凹槽，此处利于溶质原子富集，凝固后就形成了晶界偏析。958. 区域偏析：焊接熔池凝固时，固液界面向前推进，柱状晶体对向长大，会把溶质或杂质赶向中心，导致焊缝中心的杂质浓度较高，凝固后焊缝中心线附近出现区域偏析。959. 胞状偏析：当成分过冷较小时，晶体呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体组成，沿凝固方向长大。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的分配系数k1，则胞壁处溶质贫化。这就是胞状偏析。960. 树枝晶内偏析：对有一定结晶温度范围的合金，如冷却速度较快，凝固时溶质扩散难以充分进行，实际上进行不平衡结晶，同一晶粒先结晶的主干部分含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元叫多，先、后结晶部分存在浓度差别，这就是树枝晶内偏析。961. 超塑性成形/扩散连接：是一种利用材料的超塑性，采用吹涨或模锻法将超塑性成形与扩散连接结合在一起，形成高精度大型零件的近无加工余量方法。1062. 超塑性：指材料在一定的内部条件和外部条件下呈现出异常低的流动能力，异常高的流变性能现象。1063. 超塑性扩散连接：利用材料在特定的微观组织，温度及拉伸量下合金的伸长率超过100%-1000%，同时在同等条件下把温度控制在合金的熔点以下进行焊接，在足够的热量和压力之下，使两块金属的接触面上原子和分子相互扩散，从而连成一个整体。扩散连接在真空中或惰性气体中进行。1064. 相变超塑性焊接：将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘合，得到牢固的焊接。10.65. 扩散连接：在高温和压力作用下局部发生塑性变形，经过一定时间后结合层原子间相互扩散，从而形成整体的可靠连接过程。1066. 摩擦焊：在外力作用下，利用焊件接触面之间的相互摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的一种压焊方法。1067.外力：塑性加工时，由外部施加于物体的作用力叫外力。可以分为两类：面力或接触力和体积力。1168.面力：作用于物体表面的力，也叫接触力，如作用于物体表面的分布载荷，正压力和摩擦力都是面力。1169.体积力：作用在物体每个质点上的力，如重力、磁力和惯性力等。1170. 应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。1171. 张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量。1172. 表示点应力状态的九个应力分量构成二阶张量，称为应力张量。1173. 单向应力状态在三个主应力中，如有两个为零，就叫单向应力状态，如单向拉伸。1174. 两向应力状态在三个主应力中如有一个主应力为零，就叫两向应力状态，如平面弯曲或平面扭转。1175. 三向应力状态在三个主应力中如三个主应力都不为零，就叫三向应力状态。1176八面体应力：以物体内任意点Q为原点，以该点的应力主轴为坐标轴，在无限靠近Q点处作等倾斜微分面，其法线与三坐标轴的夹角都相等，即| l |= |m |= | n | 。八个象限的这种等倾斜面就形成了一个正八面体，这八个微分面叫八面体平面，其上应力叫八面体应力。1177应变：表示变形大小的物理量称为应变。1178线应变表示变形体内线素变形前后的相对变化量。1179剪应变表示线素的夹角变形前后的变化量。11判断题。二、填空题1影响液态金属凝固过程的主要工艺因素是化学成分。11液态金属粘度越小，越难净化。12液态金属粘度越小，流动越困难。12液态金属粘度越小，对流强度越小。13液态金属凝固过程中的导热属于稳定导热。43液相线与固相线温度差别大的合金其凝固范围很宽，属糊状凝固。但很小的温度梯度也可导致凝固方式从近似层状变成糊状凝固。44很小的温度梯度也可导致凝固方式从糊状凝固变成近似层状。44温度差或浓度差越小，或液体粘度越大，液体中对流越强烈。44复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体。4具有特殊物理性能的称为功能材料；力学性能优异的称结构材料。二者兼备的称结构一功能材料。由一个或多个连续的基体相和一个或多个分散的强化相组成。4复合材料按基体的性质可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。45复合材料按强化相的产生可分为自生复合材料和人工复合材料。45复合材料按使用性能可分为结构复合材料和功能复合材料。45金属中气孔按气体的来源分为：析出性气孔，侵入性气孔，反应性气孔。56夹杂物类型，按来源：内在夹杂物与外来夹杂物。56夹杂物类型按组成：常见的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐类。57夹杂物类型按夹杂物形成的时间分一次夹杂物， 次生夹杂物 ，二次夹杂物 。 57铸件凝固后从微观晶粒内部到宏观各部位化学成分的不均匀现象称为偏析。58微观偏析指的是晶粒尺寸的微小范围成分不均匀，按位置划分有胞状偏析、枝晶内偏析和晶界偏析。58宏观偏析指的是较大尺寸范围的成分不均匀，又称区域偏析，有正偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、层状偏析等许多种类。59快速凝固基本原理：提高冷却速度：1）减少单位时间内金属凝固时产生的结晶潜热。2）提高凝固过程中的传热速度。69急冷凝固技术分类：模冷技术，雾化技术，表面熔化与沉积技术。610定向凝固技术关键：保证固液界面前沿的液相温度梯度GL足够大。界面的推进速度R足够大。610当热源功率q一定时，增大焊接速度v使等温线所围的范围显著缩小和变细长；当v一定时，增大q使等温线所围范围显著增大，尤其增大7其长度；当q/v一定时，同时增大q和v使得等温线所围范围显著增长而宽度变化不大。11焊接熔池的特征： 体积小，冷却快，熔池温度高，液态金属处于运动状态 。711焊接熔池凝固的特点 ：联生（交互、外延）结晶，择优生长 。712焊接热影响区由熔合区、过热区、相变重结晶区和不完全重结晶区组成。712热影响区的性能变化：硬化，脆化 ，软化。713熔焊的三个冶金反应区：药皮反应区（造渣反应区），熔滴反应区 ，熔池反应区 。8 13除铜和镍既不溶解氮也不反应成氮化合物外，铁、锰、钛、铬等金属既可溶解氮又能与氮形成稳定的化合物。814氢是与金属发生作用最活泼的气体。氢原子几乎可以被所有的金属吸收。第I类金属如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等在液态吸氢量大，但不与氢形成化合物，氢在I类金属中的溶解是吸热反应。第II类金属如Ti、Zr、V、Nb等高温时吸氢量小，低温时吸氢量大（放热反应），它们能与氢形成化合物。814氢不仅原子半径小，而且可以形成带电质点H+、H-，因此很活泼和很容易在金属中扩散，有浓度驱动扩散，相变诱导扩散，应力诱导扩散等机制。815熔炼金属时，熔渣分酸性和碱性两大类。熔渣主要组成成分为（SiO2）、CaO和Al2O3等。815焊接时，熔渣分为三类：1. （盐性）型熔渣；2.盐氧化物型熔渣 3.氧化物型熔渣。816对于焊接，熔渣粘度过大，焊接冶金反应慢，焊缝表面成形不良，并易产生（气孔）、夹杂缺陷；熔渣粘度过小，对焊缝覆盖不均匀，起不到保护作用。816在一定的粘度范围内，酸性渣温度变化大，称（长渣），不宜仰焊，817碱性渣温度变化较小，称（短渣），适用于全位置焊接。817按脱氧方式，对焊接过程有先期脱氧、沉淀脱氧和（扩散）脱氧三种；对熔炼金属只有后两种。818熔渣粘度：渣的粘度与它的成分和结构有关。含SiO2 多的渣结构复杂，Si-O 阴离子聚合程度大，离子尺寸大，粘度大。在温度升高时复杂的Si-O 离子逐渐破坏，形成较小的Si-O 阴离子，粘度缓慢下降，因此含SiO2 多的酸性渣为长渣。碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣为短渣。819当温度不变，增加渣中的FeO浓度，FeO就会向铁液中扩散转移，使金属中的氧含量增加。819根据金属元素与氧的亲和程度，亲和性更大的金属可以把亲和性小的金属从氧化物中置换出来。如Mn和Si，可以将Fe从FeO 中置换出来，生成Fe和MnO 或SiO2。820对钢铁材料，硫以FeS-Fe或FeS-FeO的低熔点共晶体形式呈片或链状分布于钢的晶界上，降低了钢的冲击韧性和抗腐蚀性，并且容易发生凝固裂纹。820冶金脱硫 即加入Mn、Ca或稀土元素，通过熔渣来脱除金属液中的硫（生成MnS或CaS以改变FeS在金属液和熔渣中的浓度分配），方法上类似于脱氧。821钢铁材料对磷有比较大的溶解度，主要以Fe2P或Fe3P的形式存在，并与Fe形成低熔点共晶体呈条块状分布于钢的晶界上，其本身硬而脆，所以既增大了钢的热裂性也增大钢的冷裂倾向。822. 矫正焊接变形的措施：有机械矫正、火焰矫正和综合矫正等。922. 铸件和焊件中的裂纹有多种类。根据裂纹产生的温度范围有热裂纹和冷裂纹；按照裂纹的位置可分为表面裂纹和内部裂纹；按裂纹的走向可分为横向裂纹和纵向裂纹；按裂纹的尺寸可分为宏观裂纹和微裂纹。23. 热裂纹以裂纹成因来分有凝固裂纹、液化裂纹和高温失延裂纹等多种，其中以凝固裂纹最常见。923. 冷裂纹有主要与淬硬组织有关的淬火裂纹和主要与氢脆有关的氢致裂纹，还有因材料本身低塑性而非其它因素所致的冷裂纹，称为低塑性脆化裂纹。924.焊缝中的气孔的种类：析出性气孔，反应性气孔。924.焊缝中夹杂物种类：（1）氧化物夹杂（2）氮化物夹杂（3）硫化物夹杂。925.微观偏析指的是晶粒尺寸的微小范围成分不均匀，按位置划分有胞状偏析、枝晶内偏析和晶界偏析；宏观偏析指的是较大尺寸范围的成分不均匀，又称区域偏析，有正偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、层状偏析等许多种类。925. 超塑性合金：1）微晶超塑性合金；2）相变超塑性合金；3）其他超塑性合金。1026. 相变超塑性条件：具有相变点的金属或合金。1026. 陶瓷连接的主要困难：1）熔化的金属在陶瓷表面不润湿；2）陶瓷金属热膨胀系数不同，加热冷却产生内应力。1027按液体结构和内部作用力，液体的分类： 原子液体（如液态金属、液化惰性气体）； 分子液体（如极性与非极性分子液体）； （ 离子液体）27液态金属必须克服（热力学）能障和（动力学）能障才能凝固结晶。28液态金属的过热热量和（凝固潜热）必须传出才能凝固结晶。28凝固过程中的液体流动包括自然对流和（强迫）对流。29稳态温度场下的温差对流和（浓度）差对流29热影响区由熔合区、（过热区）、相变重结晶区和不完全重结晶区组成。30液态成形过程中的气体来源：熔炼过程 、铸型、浇注过程 30焊接区中的气体来源：焊接材料、周围环境气体。31熔炼金属时，熔渣分酸性和碱性两大类。熔渣主要组成成分为SiO2、CaO和Al2O3等。31焊接时，熔渣分为三类：1.盐性熔渣 ；2.盐氧化物型熔渣 3.氧化物型熔渣 32对于焊接，熔渣粘度过大，焊接冶金反应慢，焊缝表面成形不良，并易产生气孔、夹杂缺陷；32熔渣粘度过小，对焊缝覆盖不均匀，起不到保护作用。33在一定的粘度范围内，酸性渣温度变化大，称长渣，不宜仰焊；33碱性渣温度变化较小，称短渣，适用于全位置焊接。34按脱氧方式，对焊接过程有先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧三种；对熔炼金属只有后两种。34对砂型铸造，铸型材料由型砂、粘土、粘接剂、添加剂、水、涂料等组成。当高温金属液浇注到铸型中，将发生金属液铸型界面反应。1.水蒸汽与合金元素的反应2.固体碳的燃烧3.型砂组分的分解反应35内应力产生的原因有：由于热作用而产生的热应力；由于相变而引起的相变应力；由于胀缩受机械阻碍而产生的机械应力。35从范围来分，有整体变形和局部变形；从形状来分，有弯曲变形、扭曲变形、角变形、波浪变形、星状凹凸变形等。36铸件变形多为整体性的，变形后厚大部位下凹而薄壁处拱起，厚薄均匀的铸件则中心下凹而边缘上翘。36长焊缝和多焊缝往往引起焊件整体变形，局部焊缝引起局部变形。受热多的部位缩短或下凹。薄板焊件很容易变形。37铸件和焊件中的裂纹有多种类。根据裂纹产生的温度范围有热裂纹和冷裂纹；按照裂纹的位置可分为表面裂纹和内部裂纹；按裂纹的走向可分为横向裂纹和纵向裂纹；按裂纹的尺寸可分为宏观裂纹和微裂纹。37铸件或焊件在高温阶段（固相线附近）产生的裂纹称为热裂纹。以裂纹成因来分有凝固裂纹、液化裂纹和高温失延裂纹等多种，其中以凝固裂纹最常见38对于钢铁，磷和硫都会与铁形成低熔点共晶体，最后凝固分布于晶界上，所以磷和硫都显著地降低合金的高温塑性，增大凝固热裂纹和液化热裂纹倾向。38铸件凝固收缩受到铸型和型芯的阻碍，如果铸型和型芯的退让性好，则铸件不易产生热裂纹。39铸件壁厚设计不均，厚的部位后凝固，容易出现热裂纹。铸件不同方向的壁交叉形成热节，即是应力集中处又最后凝固，容易出现裂纹。浇道开设不合理，阻碍铸件收缩而产生应力，也可能使铸件开裂。39对于焊接，通常填充金属含合金元素较多而含杂质少于母材，所以减少熔合比可以减少母材中的有害杂质进入焊缝，减小焊缝区的热裂倾向。40偏析夹杂物的形状取决于金属晶体与夹杂物的界面张力和晶体间夹角。夹杂物与晶体界面张力越小，夹杂物越倾向于沿晶界分布；界面张力越大，夹杂物越近似球形。凡能使晶粒细化的条件都能减小偏析夹杂物的尺寸。合金液中形成夹杂物的元素含量越高，枝晶间成分偏析越严重，产生的夹杂物越多和越大。40防止焊缝中夹杂物的措施：正确选择焊条、焊剂；控制焊件母材和焊接材料的成分；清洁母材，烘干焊条；采用适当的焊接工艺参数；多层焊时要及时清除上道焊缝上的焊渣；采用保护焊接。41当成分过冷较小时，晶体呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体组成，沿凝固方向长大。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的分配系数k1，则胞壁处溶质贫化。这就是胞状偏析。由于晶胞体积小，胞状偏析可通过均匀化退火处理予以消除。41碳钢在升温过程中有两个低塑性区，即蓝脆和热脆区。塑性加工应避开脆性区。42实现焊接可以采取两种工艺措施：（加热），（加压）。42焊接接头由三部分组成：（焊缝），（热影响区），（母材）。43造成焊接热影响区脆的原因：（粗晶脆化）；析出脆化；组织脆化；（氢脆化）。43手工电弧焊存在三个冶金反应区：（药皮反应区），（熔滴反应区），熔池反应区 。 44在焊接时，气相中气体的主要来源是：（有机物）的分解和燃烧，（碳酸盐）和高价氧化物的分解，（材料）的蒸发。44氮在金属中的溶解过程可以分为以下四个阶段， 第一阶段：气体（分子）向金属与气体的界面上运动；第二阶段：气体被金属表面（吸附）；第三阶段：气体（分子）在金属表面上分解为（原子）；第四阶段：（原子）穿过金属表面层向金属深处（扩散）。45氢对金属的主要作用是导致金属脆化。表现为：（氢脆）：溶解在金属晶格中的氢在室温附近使钢的塑性严重下降；（白点）：碳钢和低合金钢中含氢较高时出现白色脆断点；（气孔）：金属凝固时析出的氢过饱和而结合成不溶于金属的分子氢气泡。（冷裂）：氢促使金属冷却到较低温时容易发生裂纹。45氢不仅原子半径小，而且可以形成带电质点H+、H-，因此很活泼和很容易在金属中扩散，有浓度驱动扩散，相变诱导扩散，应力诱导扩散等机制。46防止热裂纹的措施主要包括控制（成分）和调整（工艺）。46铸件的冷裂纹分三类：淬火裂纹，氢脆裂纹，低塑性脆化裂纹47金属中气孔可以分两类：析出性气孔和反应性气孔47防止和减少析出性气孔的措施：减少金属液原始含气量C0 ， 阻止金属液中的气体析出， 采用适当的铸型（芯） 排除金属液中初生夹杂物的途径1.在金属液表面覆盖熔剂，将上浮的夹杂物吸收，然后扒去液面渣层。2.将金属液过滤，滤去固态夹杂物。48铸造合金从浇注温度冷却到常温，一般经历三阶段收缩：液态收缩，凝固收缩，固态收缩48铸造合金从浇注温度冷却到常温，收缩分两类：（体收缩）和线收缩。49微观偏析指的是晶粒尺寸的微小范围成分不均匀，按位置划分有胞状偏析、枝晶内偏析和晶界偏析；49铸件凝固后从微观晶粒内部到宏观各部位化学成分的不均匀现象称为偏析。偏析按其范围大小分为两类：微观偏析和宏观偏析50材料的塑性不是一成不变的，它受诸如化学成分、晶格结构、组织状态等内在因素和变形温度、应变速率、应力状态等外在因素的影响而可变化。50实用金属材料多为两相组织。第二相的性质、形状、大小、数量和分布状态不同，对材料塑性的影响就不相同。塑性变形热能除很小一部分散失到周围介质中外，其余的使变形体温度升高，此现象即温度效应。温度效应与下列因素有关变形温度、 变形速率、 变形程度51焊接过程的传热方式：辐射、对流 、传导。51影响成分过冷的宽度的因素：凝固速度、扩散系数、温度梯度。52铸件典型宏观凝固组织是由三部分构成：表面细晶区，柱状晶区，内部等轴晶区。52传统上焊接方法分为熔化焊，固态焊，钎焊。53造成焊接热影响区脆化的原因有：粗晶脆化；析出脆化；组织脆化；氢脆化。三、简答题1焊缝金属凝固组织形态？7答：焊缝组织主要为柱状晶和少量等轴晶。具体形态有平面晶、胞状晶、树枝晶。由于动态凝固并且速度很快，溶质来不及扩散均匀化。熔池边界处溶质富集少，温度梯度大，结晶速度小，有利于平面晶生长；随凝固界面向中心推进，成分过冷加大，温度梯度减小，结晶速度增大，结晶形态逐渐变成胞状和树枝状，最后在中心附近成为对称等轴树枝晶。实际焊缝结晶形态由化学成分、焊件大小和焊接工艺决定。1焊缝金属性能的控制 ？7答：1）焊缝合金化与变质处理： 加入固溶强化或弥散强化焊缝金属的元素，加入可细化晶粒的变质剂，利用相变强化等。2）工艺措施：调整焊接工艺参数，采用振动结晶，焊后进行热处理等。2焊接热影响区热循环的特点？7答：（1）.加热温度高 近焊缝处加热温度接近熔点。（2）.加热速度快 远大于一般热处理加热速度，影响奥氏体均匀化。（3）.高温停留时间短 不象热处理那样可以任意控制保温时间。（4）.局部受热 只焊缝周围局部受热，而且加热区随焊接热源移动而更替。2热影响区的韧化？7答：1）.调整成分：低碳微量多合金钢焊后热影响区分布弥散强化质点，韧性好。2）采用合理的焊接工艺：正确选择焊接方法和焊接线能量，正确选择焊接速度，必要时应预热母材和焊后进行热处理。3液态成形的化学冶金特点 ？8答：主要发生在金属熔炼阶段；主要反应为金属的氧化、脱硫、脱磷、脱碳、脱氧和金属的合金化。冶金反应充分和完全，可以用物理化学中的平衡方程式进行分析与计算，可比较容易地控制各合金元素含量。3连接成形的化学冶金特点 ？8答：局部超高温快速熔化，是在三个冶金反应区内既具有阶段特性又相互依赖的连续反应过程。不能完全用普通化学冶金规律进行分析与计算。4焊接区中的气体来源？8答：1）有机物如油污、粘结剂中的淀粉等的燃烧和分解；2）药皮、焊剂中的碳酸盐、高价氧化物的分解。3）材料的蒸发：母材、焊料、焊渣中的合金元素蒸发，以及空气、水气等气体的分解和电离。4氢对金属的主要作用？8答：氢对金属的主要作用是导致金属脆化。表现为：氢脆：溶解在金属晶格中的氢在室温附近使钢的塑性严重下降；白点：碳钢和低合金钢中含氢较高时出现白色脆断点；气孔：金属凝固时析出的氢过饱和而结合成不溶于金属的分子氢气泡。冷裂：氢促使金属冷却到较低温时容易发生裂纹。5熔渣的作用？8答：1）.覆盖在金属液面上起机械保护作用。2）.与金属液发生一系列反应，如脱氧、脱硫等，去除金属中的有害杂质；使金属合金化，调整和改善金属成分与性能。3）.改善焊接性能，如使容易引弧，稳定燃烧，焊缝容易成形等。5脱氧处理对脱氧剂的要求？8答：1）. 对氧的亲和力应比需还原的金属大，对钢铁材料最常用的是Mn和Si 。2）. 脱氧产物不溶于金属液，且质点比较大而密度小，可上浮至渣中。3）. 不会给金属组织和性能带来坏影响。此外，成本不高。6对焊接，合金元素的加入方法有那些？9答：1）通过把合金元素加在焊丝里；2）通过把合金元素加在药皮或焊剂里；3）通过把合金粉末直接加到焊接区或涂敷在焊件表面。6. 扩散连接的原理？10答：扩散连接是压焊的一种，主要参数：表面状态，中间层选择，温度压力时间气体介质。扩散连接过程：1) 物理接触阶段；2）接触界面原子间相互扩散；3）接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头；7. 扩散连接的特点？101) 扩散连接适合于耐热材料，陶瓷，磁性材料，及活性金属，特别适合不同种类的金属与非金属异种材料的连接2）可以进行内部及多点，大面积构件的连接；电弧可达性不好或无法用熔焊方法的连接3）高精密，不变形；7. 摩擦焊与熔化焊区别？10答：1）摩擦焊接头不产生与熔化和凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象；2）轴向压力和扭距共同作用于摩擦焊表面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化，组织致密，夹杂物弥散分布，表面自清理。3）摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化。7简述液态金属的结构特点？2答：1. 过热度不大的液态金属其结构接近固态而远离气态；2. 纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的；3. 近程有序，瞬息万变；4.是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成的混浊液体，其中存在能量起伏、浓度起伏、结构（相）起伏。8液态金属产生成分过冷的条件是什么？5答：1.固液界面前沿有溶质再分配；2.固液界面前方液相温度梯度小于一定值。9中、高碳钢和高合金钢淬火裂纹形成原因及特征？12答：对中、高碳钢和高合金钢这类易淬钢，即使在空气中冷却也可能得到马氏体。奥氏体快速转变为马氏体时体积膨胀并可能产生微裂纹，因马氏体硬而脆，故易使其在淬火应力作用下扩展成宏观裂纹。钢的含碳量越高或含合金元素越多，淬硬倾向越大，马氏体越多并越硬，延塑性越差，因此越容易开裂。除了钢的基体组织淬硬倾向外，夹杂物的特性和分布也有影响。磷是增大钢的冷脆性的杂质。如果夹杂物呈细小颗粒状并分散分布，则比网状、片状集中分布的坏影响要小得多。9共晶组织究竟生长成层片状还是棒状结构，取决于什么？5答：取决于共晶中两相的体积分数和第三组元的影响。1.共晶中两相体积分数的影响：在、两固相界面张力相同的条件下，当某一相的体积分数远小于另一相（1/）时，该相以棒状方式生长。 、两相体积分数相近（在1/1/2之间）时，倾向于层片状生长。2.第三组元对共晶结构的影响：当第三组元在共晶两相中的分配数相差较大时，其在某一相的固液界面前沿的富集将阻碍该相的继续长大。而另一相的固液界面前沿由于第三组元富集较少，其生长速度较快。较快生长的一相长成筛网状骨架，将另一相分隔于筛网之中而长成棒状。10 液态金属凝固柱状晶区的形成过程？8答：表面细晶区一旦形成稳定的凝固壳层，凝固前言的晶粒在垂直于型壁的方向通过已凝固层获得更好的散热条件，转而以垂直型壁的柱状向心部生长，其它方向的枝晶因散热条件较差而被抑制和逐渐淘汰。由于这种择优生长，离开型壁越远，取向不利的晶体越易被淘汰，柱状晶方向越集中，晶粒的平均尺寸越大。10金属凝固对生核（孕育）剂的要求是什么？8答：1.含高熔点稳定固相颗粒 2.与欲细化的合金相晶格匹配，两者之间润湿角小。3.颗粒非常细小，高度弥散，促进形核但不影响合金性能。4.不带入影响合金元素性能的元素。11焊件近缝区金属液化裂纹形成过程？12答：焊件近缝区金属是从低温被加热到高温的，熔合区受热温度达到局部熔化，晶间也出现液膜，其强度也比固相低，当受应力时也最容易使液膜沿晶界开裂。因为此液膜不是从高温凝固留下的，而是从低温加热至高温所产生的，故称为液化裂纹。11.凝固时溶质再分配导致气孔形成过程？13答：实际金属液冷却凝固往往是近平衡的，溶质（气体原子）在液固界面的浓度高于固相和液相内部的浓度。凝固速度越快，液固界面上的溶质原子富集越严重，后结晶的固相中溶质含量越高。凝固后期富含气体原子的金属液被分割在树枝晶细小区域内，有很大的析出压力，而这些小区域金属液最后凝固时的收缩无法被补充，会产生分散的局部真空，气体容易向此区域扩散积聚，形成气缩孔。因外层金属早已凝固，故气缩孔保留在固态金属最后凝固区域，常伴随断续的收缩裂纹。12.缩孔的形成机理？14答：纯金属、共晶成分合金及结晶温度范围窄的合金一般由表及里逐层凝固，其凝固前沿总与液态金属接触，故所发生的收缩可得到液体补充，直到铸件最后凝固部位因液体已被消耗完，得不到补充而产生集中缩孔。浇注完毕后液态金属由于降温而收缩，这时其体积的减少可由浇注系统（浇冒口）提供金属液予以补充，所以形腔总是充满状态。当温度下降到凝固区间，内浇口已凝固，铸件与浇注系统之间的通道被切断。铸件外层凝固后发生固态收缩，外表尺寸缩小；相邻层发生凝固收缩，内部仍发生液态收缩，同时要对凝固层补缩，因为液态收缩和凝固收缩造成的体积减少大于固态收缩所造成的铸件体积缩小，所以液面下降。随着温度逐渐降低，内部液面不断下降，当金属全部凝固后，在铸件上部就形成了一个倒锥形集中缩孔。12.温度升高使金属塑性增大的原因？20答：(1)金属发生回复或再结晶。 原子动能增加，使位错活动性增大，滑移系增大，从而改善了晶粒之间变形是协调性。(2) 金属的组织结构发生变化，可能由多相组织变为单相组织，或由塑性不好的晶格转变为塑性好的晶格组织。(3)原子空位在晶内和晶界扩散，引起晶粒变形和转动（扩散蠕变），并协调变形。(4)晶界滑移作用随温度升高而增强。晶界切变抗力降低使滑移容易进行，扩散作用加强及时地消除了晶间滑移引起的微裂纹，而晶间滑移本身能松弛相邻晶粒间变形不均匀引起的应力集中。13.提高金属塑性的主要途径？20答：1.提高材料成分和组织的均匀性,如变形前进行均匀化退火。2.合理选择变形温度和应变速率.如合金钢的始锻温度应比碳钢低而终锻温度较高，锻造温度范围很窄；避免局部区域因与工具接触时间过长而实际温度过分降低，或因温度效益显著而使实际温度过分升高；避免进入脆性区。3.对低塑性材料，选择三向压缩性较强的变形方式，以防止工件开裂。4.减小变形的不均匀性.如选择良好的润滑、合适的工模具形状、合适的锻造比和变形次数等措施都有利创造更好的塑性变形条件。13为什么非共晶成分的合金能获得100的共晶组织？ 6答：根据相图，在平衡条件下，只有具有共晶成分这一固定成分的合金才能获得100的共晶组织。但在近平衡凝固条件下，即使非共晶成分的合金，从热力学考虑，当其较快地冷却到两条液相线的延长线所包围的影线区域时，液相内两相组元达到过饱和，两相具备了同时析出的条件，但一般总是某一相先析出，然后再在其表面上析出另一个相，于是便开始两相的竞相析出的共晶凝固过程，最后获得100的共晶组织，称这样的非共晶成分而获得的共晶组织为伪共晶组织，范围为共晶共生区。共生区规定了共晶凝固特定的温度和成分范围。14. 常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？ 8答：常用生核剂有4类：1.直接作为晶核 是与欲细化的合金相有界面共格关系的高熔点物质，或同类金属、非金属碎粒。 2.反应生成晶核 可与合金液中元素反应生成与欲细化的合金相有界面共格关系的高熔点物质。3.可在液体中造成大量的成分富集微区，使微区提前析出高温相4.可使液体中形成强成分过冷，从而抑制晶体长大速度，强化结晶前沿的非均质形核和促使枝晶根部断裂而产生游离晶粒14.获得细等轴晶的常用措施有哪些？ 8答：1）增大冷却速度；2）低温浇注；3）加强液体金属的运动；4）孕育处理：采用强成分过冷元素；外加晶核；采用生核剂。15. 焊接过程的化学冶金与炼钢相比有哪些不同？ 9答：一、液态成形的化学冶金特点 主要发生在金属熔炼阶段；主要反应为金属的氧化、脱硫、脱磷、脱碳、脱氧和金属的合金化。冶金反应充分和完全，可以用物理化学中的平衡方程式进行分析与计算，可比较容易地控制各合金元素含量。二、焊接成形的化学冶金特点 局部超高温快速熔化，是在三个冶金反应区内既具有阶段特性又相互依赖的连续反应过程。不能完全用普通化学冶金规律进行分析与计算。15铸件缩松的形成机理？ 14答：对于结晶温度区间较宽的合金，铸件不是逐层凝固，而是在较大体积范围内液固共存，即糊状凝固。发达的树枝晶彼此相连，将尚未凝固的液体分割为一个个互不相通的独立小熔池。在此过程中，同样要发生液态收缩、凝固收缩和固态收缩，而液态收缩和凝固收缩造成的体积减少总是大于固态收缩造成的体积减小。由于一个个小熔池收缩时得不到金属液补充，所以留下一个个分散的细小缩孔，即缩松。铸件结晶范围越宽，树枝晶就越发达，枝晶和分枝之间越容易被封闭，补缩越难，故产生缩松可能性越大。16.为什么灰铸铁比球墨铸铁件的缩松倾向小？ 14答：1. 灰铸铁件灰铸铁中的石墨成片状，在共晶结晶过程中，石墨的析出要发生体积膨胀，因为片状石墨的末梢总是与金属液直接接触，因此片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上，迫使液体通过树枝间通道去充填奥氏体枝晶间由于液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞，从而大大降低了灰铸铁产生缩松的严重程度。即，灰铸铁有较好的自补缩能力。2. 球墨铸铁凝固过程中，石墨球长大到一定程度后即被奥氏体外壳包围，碳原子通过该外壳扩散进入使石墨球长大。凝固后期共晶团长大到相互接触时石墨化膨胀力使共晶团相互挤开，而由于糊状凝固，铸件还没有建立起坚固的外层，所以如果铸型刚度不足够大的话，这种缩前膨胀将使型腔涨大。由于没有液体补充，共晶团之间就留下缩松，且铸件整个断面上都有缩松分布。即球墨铸铁件产生缩松的倾向大于灰铸铁。厚大部位也可能产生松孔。16对流对凝固组织的影响？答：液相区液体的流动改变了凝固界面前和枝晶间的温度场和浓度场，伴随着上部晶体的沉积和由于机械冲刷、温度起伏而引起的已凝固层晶体脱落、分枝熔断及晶体增殖等，从而对凝固组织形态和成分产生很大影响。17产生成分过冷的条件为？答：1.固液界面前沿有溶质再分配；固液界面前方液相温度梯度小于一定值：17近乎球状的晶核为什么长成树枝状？答：因为晶体各个晶面的界面能不同，其界面前溶质扩散速度也不同，因而总是有些晶面更利于液态原子堆积，这称为择优生长。尖角处晶体往往长大快些。这使得近乎球状的晶核逐渐长成星形，再长成树枝状。18共晶组织究竟生长成层片状还是棒状结构，取决于什么？答：取决于共晶中两相的体积分数和第三组元的影响。1.共晶中两相体积分数的影响：在、两固相界面张力相同的条件下，当某一相的体积分数远小于另一相（1/）时，该相以棒状方式生长。 、两相体积分数相近（在1/1/2之间）时，倾向于层片状生长。2.第三组元对共晶结构的影响：当第三组元在共晶两相中的分配数相差较大时，其在某一相的固液界面前沿的富集将阻碍该相的继续长大。而另一相的固液界面前沿由于第三组元富集较少，其生长速度较快。较快生长的一相长成筛网状骨架，将另一相分隔于筛网之中而长成棒状。18铁碳合金中Fe3C的非规则生长过程？答：FeFe3C系共晶凝固时，呈复杂正交晶格的Fe3C以板状结构深入合金液中并发生分枝，然后奥氏体在Fe3C板块上以树枝状方式生长。奥氏体的生长使Fe3C板块变得不稳定而形成两种共晶形态：在Fe3C板块生长方向上形成层片状共晶体，而在垂直于Fe3C板块方向上形成杆状共晶体，此方向上两相协调生长，其生长速度远大于板块方向上的生长速度。19铁碳合金中片状石墨的非规则生长过程？答： Fe石墨系共晶凝固时，石墨是领先相并呈片状，片与片在空间是相连的，奥氏体相充填其间。石墨的尖端总是与液相接触，其生长速度快，奥氏体相尾随其后协同生长。石墨之所以长成片状，是因为其某些晶面上容易生长台阶，而某些晶面上原子极难堆积，所以是有选择性地在某方向上快速生长而成片状。虽然都是片状，但在不同的凝固条件下（化学成分、冷却速度、冶金处理），片状石墨有各种形态变化，如粗片状、细片状、菊花状、过冷D型E型等等。即：可通过改变凝固条件而控制铁碳合金的组织。19为什么第三组元对非规则共晶生长机制影响极大？答：第三组元对非规则共晶生长机制影响极大。如FeC合金，因为含S、O等杂质，它们是表面活性元素，可吸附在共晶的非金属组成相（如石墨）的某些晶面上而降低该面与合金液的界面张力，使非金属相（如石墨）该方向上的生长速度大于其它方向而长成片状。当进行适当的冶金处理，比如加入球化剂Mg，可与S、O等起化学反应生成MgS、MgO等，去除了这些元素的表面吸附作用，因而石墨各向生长速度相近，长成球形。20表面细晶区的形成过程？答：液态金属浇注到温度较低的铸型中，在型壁附近的熔体中产生较大的过冷度而大量生核，这些晶核迅速长大并互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶。除了非均质形核外，各种原因引起的游离晶粒也是形成表面细晶粒核心的来源。20柱状晶区的形成过程？答：表面细晶区一旦形成稳定的凝固壳层，凝固前言的晶粒在垂直于型壁的方向通过已凝固层获得更好的散热条件，转而以垂直型壁的柱状向心部生长，