材料成型理论基础练习题上解读

1、第1章液态金属的结构与性质1 .液体原子的分布特征为 无序、有序，即液态金属原子团的结构更类似2 .实际液态金属内部存在 起伏、起伏和 起伏 。3 .物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 比。衡量界面张力大小的标志是润湿角。的大小，润湿角。越小，说明界面能越 。4 .界面张力的大小可以用润湿角来衡量,两种物质原子间的结合力 ,就润湿，润湿角 ；而两种物质原子间的结合力 ,就不润湿，润湿角 c5 .影响液态金属表面张力的主要因素是 , ,和。6 .钢液中的 mno ,当钢液的温度为1550c时，” =0.0 0 4n9 s/m3 , 曝g

2、=7000m9.81n/m3 , p杂g = 5400 父9.81n /m3,对于 r=0.0001m 的球形杂质，其上浮速度是多少？ 参考答案：0.0071m/s7 .影响液态金属充型能力的因素可归纳为合金本身性质、 铸型性质 、 浇注方面、铸件结构方面四个方面的因素。8 .影响液态金属黏度的因素有合金成分 、温度、非金属夹杂物。9 .合金流动性：合金本身的流动能力；充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、 轮廓清晰的铸件的能力。10 .液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定 条件下

3、的充型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量 决定，与外界因素无关。而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及 铸型等条件有关。提高液态金属的充型能力的措施：(1)金属性质方面：改善合金成分；结晶潜热 l要大；比热、密度大，导热率小 ： 粘度、表面张力小。(2)铸型性质方面：蓄热系数小；适当提高铸型温度；提高透气性。(3)浇注条件方面：提高浇注温度；提高浇注压力。(4)铸件结构方面：在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；降低结构复杂程度。11 .设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5 x 103mpa液膜厚度为1.1x10-6mm根

4、据液膜理论计算产生热裂的?态金属临界表面张力c-= 0.825n/m。12 .表面张力：表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。13 .粘度表达式：门=dvx ,雷诺数：re =型=吆dy第2章凝固温度场1 .铸件的凝固方式可以分为 、和三种不同形式，影响合金凝固方式的两个主要因素是一和。2 .合金的凝固温度区间越大，液态合金充型过程中流动性越工,铸件越容易呈 体积（或糊状）凝固方式。3 .研究铸件温度场的方法有数学解析法数值模拟法和实测法等。4 . “平方根定律”公式为i :凝固层厚度k:2t ,写出公式中三个符号所代表的含义k2凝固系数。：凝固时间5 .比较同样体积大小的球状、块状

5、、板状及杆状铸件凝固时间的长短。解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：a球a块a板a杆r v1t球t块t板t杆。r 二a1 ,所以凝固时间依次为:30mm,利用模数法”分析砂型铸造时底6 .右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为 座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间.解：将底座分割成 a、b、c、d四类规则几何体（见右下图）查表 2-3 得：k=0.72( cm/ jmin) 对 a 有：ra= va /aa=1.23cm ia=ra2/ka2=2.9min对 b 有：rb= vb /ab=1.33cmib=rb2/kb2=3.4min对 c 2,界面上的位置几乎被原子占据

6、，微观上是光滑的。3）粗糙界面与光滑界面及其判据答：固一液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结只留下少数构，称为粗糙界面；固一液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据, 空位或台阶，称为光滑界面。根据jachson因子（a = 也见1-；）大小可以判断：ktm :a槿散质，凝固时固-液界面为粗糙面，a 5的物质，凝固时界面为光滑面，6 .液态金属（合金）凝固的驱动力由 提供，而凝固时的形核方式有 、两种。7 .对于溶质平衡分配系数 ko1时，ko越大，最终凝固组织的成分偏析越 。常将i 1- k0 i称为8 .设理想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*

7、的立方体形状；(1)求均质形核时的a*和4g*的关系式。(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。*4；lsvstma 二.hm.：tr* _2glsvstm=；hmt163 / vstm 、2二：ls ()3.hm.t9.设 ni 的最大过冷度为 319 c,已知 tm= 1453cahm = 1870j/mol, 摩尔体积为 vs=6.6cm3.求 g*均和r*均*车1:g 方 一6 -ls=2.25 x-50/cm2,参考答案：r*均=8.59*10-9 m10.晶体长大时，有三种长大方式, 金属从其自身熔体中结晶，一般以 g* 均=6.95*10 17 j长大速

8、度按顺序依次为：连续、缺陷、和二维形核。连续方式长大。11 .为什么均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同？答：临界晶核半径的含义：当晶核达到此半径时，如液相原子向此堆砌生长，造成的表面能的增加比体积自由能的下降小，即自由能下降，此时，晶体生长是稳定的，所以晶核能逐渐长大。如是均质生核，临界晶核是近似球形，其所包含的原子数较多， 所需要的能量起伏较大，即生核功较大；如是非均质生核，临界晶核的大小与润湿角有关，同样的晶核半径时， 当晶体与衬底的润湿角越小，晶核所包含的原子个数越少，因此所需的形核功越小。所以，虽然均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同。12 .

9、从原子尺度看，固液界面结构有哪几种？它们与生长机理有何联系？答：有两种固液界面结构：平整界面和粗糙界面 平整界面的生长机理：a.理想的平整界面依靠平整界面上生产二维晶核，然后在晶核周围的台阶上生长；b.当界面上有缺陷时，可依靠螺旋位错、旋转挛晶、反射挛晶等缺陷提供的台阶生长。粗糙界面由于液相原子堆砌而被弹回的几率很小，因此生长速度较大， 此时称为连续生长或正常生长。14.随颗粒尺寸的减小，金属的熔点会下降，其原因是什么？这种效应通常在什么尺寸量级 才会明显地表现出来？参考：表面能(张力)作用突显，纳米,2vs；tmktr 二h m第4章单相及多相合金的结晶1 .根据成份过冷理论的分析，由于过冷

10、程度的不同就会使焊缝组织出现不同的结晶形态，主要有平面结晶、胞状结晶 、胞状树枝结晶、树枝状结晶 和等轴结晶 。2 .根据界面结构的不同，可将共晶合金分为两大类一 非小面-小面 和 非小面-非小面3 .用图形表示k0v 1的合金铸件单向凝固时，在以下四种凝固条件下所形成的铸件中溶质元素的分布曲线：(1)平衡凝固；(2)固相中无扩散而液相中完全混合；(3)固相中无扩散而液相中只有扩散；(4)固相中无扩散而液相中部分混合。答：几种条件下的溶质分布如图所示：凝固开始距,般固算止4 .内生生长和外生生长凝固自型壁行核，由外向内的生长称为外生生长，如柱状晶，胞状晶的生长；在熔体内部形核，由内向外的自由生

11、长称为内生生长，如等轴晶的生长。5 .共生生长和离异生长共生生长：共晶结晶时，两相相互依附，借助于对方析出的多余原子的横向扩散而同步偶合 生长的方式。离异生长：共晶的两相间没有共同生长的界面，析出和生长在时间上与空间上都相互独立的生长方式。6 .共晶组织生长中，共晶两相通过原子的撞向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元彼此合作，并排地快速向前生长，这种共晶生长方式称为共生生长。7 .固相无扩散、液相只有扩散情况下产身成分过冷的判据及影响成分过冷的因素，说明成 分过冷对结晶形貌的影响？答：成分过冷判据：g工 h2、o2 h25口 co2。7 .气体是如何溶解到金属中的？电弧

12、焊条件下，氮和氢的溶解过程一样吗？答：气体溶解到金属中分四个阶段：（1）气体分子向金属-气体界面上运动；（2）气体被金属表面吸附；（3）气体分子在金属表面上分解为原子；（4）原子穿过金属表面层向金属内部扩散。电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程不一样，氢在高温时分解度较大， 电弧温度下可完全分解为原子氢，其溶解过程为分解一吸附一溶入。在电弧气氛中，氮以分子形式存在，其溶解过程为吸附一分解一溶入。8 .哪些因素影响气体在金属中的溶解度，其影响因素如何？答：气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分等因素有关：（1）当温度一定时，双原子的溶解度与其分压的平方根成正比（2）当压力一定时，溶解度与温度的关系

13、决定于溶解反应类型，气体溶解过程为吸热反应时， h为正值，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应时， h为负值， 溶解度随温度的上升而降低。（3）合金成分对溶解度的影响：液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则可降低气体的溶解度。此外，合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压，从而影响气体的溶解度。（4）电流极性的影响：直流正接时，熔滴处于阴极，阳离子将向熔滴表面运动，由于熔滴 温度高，比表面积大，故熔滴中将溶解大量的氢或氮；直流反接时，阳离子仍向阴极运动， 但此时阴极已是温度较低的溶池，故氢或

14、氮的溶解量要少。（ 5 ）焊接区气氛性质的影响：气体分子或原子受激后溶解速度加快；电弧气氛中的阳离子n+或h+可直接在阴极溶解；在氧化性电弧气氛中形成的no,遇到温度较低的液态金属时可分解为n和o,而n能迅速溶入金属。第8章液态金属与熔渣的相互作用1 .熔渣对于焊接、合金熔炼过程起着积极作用。主要作用有：作用、作用和 作用。2 .熔渣分子理论和离子理论的基本观点是什么？3 .熔渣的碱度的分子理论和离子理论？4 .根据熔渣随温度变化的速率可将焊接熔渣分为长渣”与 短渣”。长渣”是指随温度下降粘度 的渣，短渣”是指随温度下降粘度 的渣。5 .在熔渣中含feo相同的情况下，碱性渣比酸性渣对钢液的氧化

15、性 。实际焊接钢时， 碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的 。6 .熔渣对液态金属的氧化方式有哪些？写出氧化的原理。7 .由熔渣的离子理论可知，液态碱性中自由氧离子的浓度远高于酸性渣，这是否意味着碱性渣的氧化性要比酸性渣更强？为什么？答：不一定比酸性渣强。因为离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度就越大，虽然液态碱性渣中自由氧离子的浓度远大于酸性渣，但是它不一定与熔渣中的某些物质反应，进而不能体现出其具有氧化性，而酸性渣则可以，熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物feo的高低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量的。8 .1600摄氏度时，炼钢熔池中熔渣的

16、成分为：氧化物caomgomnofeofe2o3sio2p2o5重量（）46.593.25.6813.824.47242.24钢水含氧0.07%,问熔渣对钢水而言是氧化渣还是还原渣？解：w （sio2+p2o5） =26.24%w（cao+mgo+mno）=55.47%查图8-4得：feo的碱度系数为0.65lg%omax= -6320/t+2.734当 t=1600 时，%o max =0.23因为%o= %o max *0.65=0.23*0.65=0.15在1600摄氏度时熔渣与液态金属构成的系统达到平衡时的液态金属中含氧量为0.15% ,而实际中钢水含氧 0.07%0.15%,固熔渣对

17、钢水而言是氧化渣。9.为什么feo在碱性渣中活度系数比在酸性渣中大？这是否说明碱性渣的氧化性高于酸性渣？为什么？答：1）渣中sio2、tio2等酸性氧化物较少，feo大部分以自由态存在，即feo在渣中活度系数比在酸性渣中大。2）但这并不能说明碱性渣的氧化性大于酸性渣3）虽然碱性渣中feo的活度系数大，但碱性渣中feo的含量并不高，因此碱性渣对液态金 属的氧话性比酸性渣小。第9章液态金属的净化与精炼1 .沉淀脱氧及其优、缺点沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧元素直接和熔池中的feo反应，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并转入熔渣中的脱氧方式。优点：脱氧速度快，脱氧彻底。缺点：脱氧产物不能清除时

18、易形成夹杂。2 .扩散脱氧：通过降低熔渣中（feo）含量，或通过改变界面两侧 feo的平衡条件促使feo 向熔渣中转移而降低液态金属中的（feo）含量的方法称为扩散脱氧。1.1. 炼钢时，根据脱磷反应原理，提高脱磷效率的原则是希望较 的温度、高碱度、一氧 化性（feo）熔渣、熔渣的粘度低及足够的渣量。4 .简述扩散脱氧的原理。说明熔渣碱度对扩散脱氧的影响？答：在液态金属与熔渣的界面上进行的，以分配定律为理论基础：l=feo/（feo）通过减少熔渣中的（feo）含量使金属液中的feo向熔渣中扩散，从而脱去金 属中的氧的方法。酸性渣中的酸性氧化物与feo生成复合物使其活度减小，而有利于液态金属的氧

19、向熔渣扩散，因此脱氧能力强，相反碱性渣中feo的活度大，扩散脱氧的能力小。5 .通过熔渣进行脱硫和脱磷有何矛盾（请写出相应的冶金反应式）？在炼钢过程中是如何 解决这一矛盾的？fes -* （fes）（1）通过熔渣脱硫：渣中的碱性氧化物 mno、cao、mgo等都具有脱硫作用:吸热反应(cno) + (fes) * (cas) + (feo)提高温度，提高碱度，减少（feo）含量（熔渣氧化性），有利脱硫。（2） 通过熔渣脱磷：2户”-5（&。=尸9因放热反应落p4低温度、提高碱度、增加（feo）含量（熔渣氧化性），有利脱磷。（3）矛盾：脱磷加强氧化性和降低温度与脱硫的提高温度和熔渣氧化性的要求相

20、矛盾的。（4）在炼钢时解决这一矛盾的办法是采取分阶段的措施。脱磷可在氧化期进行，然后扒出含磷高的氧化性渣，另造新渣进入还原期，此时进行脱氧和脱硫。6 .请写出练钢时扩散脱氧和沉淀脱氧的表达式，并简述熔渣碱度对脱氧效果的影响。（1）扩散脱氧：feo一（feo）,熔渣碱度提高，不利于扩散脱氧；（2）沉淀脱氧：m+feo 一（mo） +fea.mn脱氧时：mn+feo 一（ mno ） +fe,熔渣碱度提高，不利于脱氧；b.si脱氧日si+2feo sio2）+2fe,熔渣碱度提高，有利脱氧。7 .沉淀脱氧应具备的三个条件？对氧亲和力较大的元素；脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入熔渣； 熔渣的酸

21、碱性质应与脱氧产物的性质相反，以利于熔渣吸收脱氧产物。8 .扩散脱氧的优缺点？实现扩散脱氧的条件？扩散脱氧的优点：脱氧产物留在熔渣中，液态金属不会因脱氧而造成夹杂缺点：扩散过程进行缓慢，脱氧时间长。条件：还原性炉气，高的炉温，炉渣粘度小。9 .为什么说一般炼钢过程中，脱碳是手段而不是目的？10 .脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的、粘度小的熔渣，较大的渣量和较低的温度。11 .熔渣脱硫的影响因素：还原性炉渣、熔渣的高碱度、粘度小的炉渣、高的炉温、硫的活度大。12 .为什么酸性焊条常采用镒铁作为脱氧元素？答：酸性渣中含有较多的sio2和tio2 ,它们容易与镒的脱氧产物mno生成复合物mno-

22、sio2和mno- tio2 ,使mno的活度系数减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性 渣中mno的活度较大，不利于镒脱氧。碱度越大，镒的脱氧效果越差。13 .为什么碱性焊条不单独采用硅铁作为脱氧元素？答：硅的脱氧能力比镒大，但生成的sio2熔点高，通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；同时sio2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢液中分离，易造成夹杂。因此，碱性焊条一般不单独用硅脱氧。14、何谓沉淀脱氧？试述生产中常用的几种沉淀脱氧反应。答：(1)沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的feo起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并析出转入熔渣的一种脱氧方式。(2)生产中几

23、种常用的沉淀脱氧反应：a 镒的脱氧反应，mn+feo=fe+(mno)b 硅的脱氧反应，si+2feo=2fe+(sio2)c硅镒联合脱氧反应。15 .综合分析熔渣的碱度对脱氧、脱磷、脱硫的影响。脱氧 在熔丫翻兑氧时，碱度高不利于脱氧，但在用硅沉淀脱氧时，碱度高可以提高硅的脱氧效果。脱硫：熔渣的还原性和碱度渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于反应的行因此，在还原期中脱硫是有利的。熔渣碱度高也有利于脱硫。脱磷 脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的、粘度小的熔渣，较大的渣量和较低的温度。16 .试述熔渣脱硫的原理及影响因素。答：(1)熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似，。根据它是利用 fes在熔渣

24、中和金属液中的分配定律，通过在熔渣中脱 s,达到对金属的脱 s作用。cao、cac2、mno、mgo与熔渣中的 fes反应而进行脱硫，当熔渣中的fes含量减少时，钢液中的fes就向熔渣中扩散，这样就 间接达到了脱去钢液中 fes的目的。(2)影响因素a、熔渣的还原性和碱度。在熔渣还原期中和熔渣的碱度高时都有利于脱硫。b、粘度。粘度小有利于脱硫。c、温度。脱硫反应是吸热反应，因此温度高有利于脱硫。d、硫的活度。硫的活度大，容易从金属液中析出，有利于脱硫。17 .磷在钢中有何危害？试述影响脱磷的因素有哪些。答：(1)当钢中含磷量过多时，将增加材料的冷脆性， 即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。在含碳

25、量较高的低合金钢和奥氏体钢中，磷也会促使产生热裂纹。(2)影响脱磷的因素：a、熔渣的碱度和氧化性。高碱度和强氧化性的熔渣有利于脱磷反应进行。但当碱度超过3.0以上时，进一步提高碱度并不能将磷的分配比提得更高。实际上，熔渣碱度太高时， 使得熔渣的粘度增大，反而使脱磷效果降低。b、熔渣的粘度。粘度小有利于脱磷。c、温度。脱磷反应是强放热反应，降低温度有利于反应的进行。但是，只有在高温下才能获得流动性良好的高碱度熔渣，所以温度必须适当，才能有效地脱磷。d、渣量。渣量大有利于脱磷。但渣量也不能过多，因为造渣需要消耗大量的热，使耗 电量增加，冶炼时间延长。18 .feo在熔渣及钢液中的分配常数 l随温度

26、升高而减小，焊接时 feo在熔滴阶段和熔池前 部高温区容易向 钢液 中过渡;酸性氧化物使熔渣中 feo活度 减小，因此酸性渣有利 于熔渣中脱氧元素的扩散脱氧。第10章 焊接热影响区的组织和性能1 .焊接热影响区：熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝两侧一定范围内发生组织和性能变化 的区域称为“焊接热影响区”。2 .焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。3 .焊接热循环的参数及特征加热速度coh、最高加热温度 tm相变温度以上的停留时间 th冷却速度coc4 .低碳钢焊接热影响区由哪几部分构成？分别叙述各区域的组织与性能特点。答：低碳钢的热影响区为：1）熔合

27、区焊缝与母材之间的过渡区域。熔合区最大的特征是具有明显的化学成分不均匀性，从而引起组织、性能上的不均匀性，所以对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。2）过热区（粗晶区）加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度（约为1100c左右）范围内的区域叫过热区。由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却之后便得到粗大的组织。并极易出现脆性的魏氏组织。故该区的塑性、韧性较差。3）相变重结晶区（正火区或细晶区）该区的母材金属被加热到 ac起1100c左右温度范围，其中铁素体和珠光体将发生重结晶，全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光

28、体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。由于组织细密，此区的塑性和韧性均较好，是热影响区中组织性能最佳的区段。4）不完全重结晶区 焊接时处于ac1acg间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于ac1ac花围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。所以此区特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。5 .焊接热影响区的脆化类型有哪几种？答：粗晶脆化、组织转变脆化、析出脆化、热应变时效脆化6 .熔化焊的焊接接头包括 自绘 熔合区和热影响区 三部分。7 .焊接热循环过程具

29、有以下特点：峰值温度高，加热速度快 ，高温停留时间短，冷却速度快 ,加热的局部性和移动性。8 . m-a组元：焊接低合金钢时，以一定冷却速度连续冷却到400350c时，残余奥氏体的碳浓度可达0.5%0.8%,随后这些高碳奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即 m-a组元。9 .简要说明易淬火钢和不易淬火钢haz粗晶区的组织特点和对性能的影响？答：（1）易淬火钢hazm晶区：在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，故得到粗大的马氏体，强度硬度很高， 塑性韧性较低；正火区得到细小的马氏体，强度硬度较高，但是比粗大马氏体要低，塑性韧性比粗大 马氏体好。（2）不易淬火钢hazf

30、fl晶区：由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒发生严重的粗化，冷却之后便得到粗大的组织。并极易 出现脆性的魏氏组织。故该区的塑性、韧性较差。焊接刚度较大的结构时， 常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。10 .在相同的条彳下焊接 45钢和40cr钢，哪一种钢的近缝区淬硬倾向大？为什么？答：在相同的条件下焊接45钢和40cr钢，淬硬倾向45钢的近缝区淬硬倾向大。因为45钢不含碳 化物形成元素，奥氏体开始长大温度低，高温区晶粒粗大，容易形成粗大的马氏体，而40cr含强碳 化物形成元素，强碳化物分解温度高，碳化物的存在会阻碍奥氏体晶粒长大，形成细小的马氏体；钢 的淬硬倾向取决于钢的含碳量，45钢的含碳量比40cr高，综合以上两方面的原因可知淬硬倾向。11 .焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？答：焊接热影响区的脆化类型及防止措施：（1）粗晶脆化：对于某些低合金高强钢，由于希望出现下贝氏体或低碳马氏