材料成型基础

材料成型原理复习题与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。2、影响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。•热源的性质•焊接工艺参数•被焊金属的热物理性质•焊件的板厚和形状3、何谓焊接热循环？答：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焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？•加热速度•峰值温度•高温停留时间•冷却速度或冷却时间决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：（1）加热速度ωH焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。（2）峰值温度Ｔmax。距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。（3）相变温度以上的停留时间tH在相变温度TH以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。（4）是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间，800～300℃的冷却时间，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100。影响焊接热循环的因素有哪些？试分别予以说明。•焊接热输入的影响•预热温度的影响•焊件形状尺寸的影响•接头形式的影响•焊道长度的影响•冷却条件的影响9、凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？解：①改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度；②选用适当的铸型材料和起始（预热）温度；③在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口；④在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。10、比较同样体积大小的球状、块状、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杆根据与所以凝固时间依次为：t球>t块>t板>t杆。11、右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法”分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，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）1000160160600120查表2-3得：1000160160600120对A有：RA=VA／AA=1.23cmA=RA²／KA²=2.9min对B有:RB=VB／AB=1.33cmAAAAAAAABBCCCCDDD对C有：RC=VC／AC=1.2cmC=RC²／KC²=2.57min对D有：RD=VD／AD=1.26cmD=RD²／KD²=3.06min因此最后凝固部位为底座中肋B处，凝固终了时间为3.4分钟。13、何谓焊接热循环？焊接热循环的主要特征参数有那些？答：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14、焊接热循环对母材金属近缝区的组织、性能有何影响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？答：（1）对组织的影响：A不易淬火钢的热影响区组织：在一般的熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为以下四个区1)熔合区:焊缝与母材之间的过渡区域。范围很窄，常常只有几个晶粒,具有明显的化学加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100℃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，(正火区或细晶区):该区的母材金属被加热到AC3至1100℃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体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，故亦称正火区。焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于AC1～AC3范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。母材焊前是正火状态或退火状态，则焊后热影响区可分为：焊接时热影响区处于AC3以上的区域。由于晶粒严重粗化母材被加热到AC1～AC3温度之间的热影响区。母材焊前是调质状态，则焊接热影响区的组织分布除上述两个外，还有一个回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度：若焊前调质时回火温度为Tt，低于此温度的部位，组织性能不发生变化，高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化。若焊前为淬火态，紧靠Ac1的部位得到回火索氏体，离焊缝较远的区域得到回火马氏体。(2)对性能的影响粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化、氢脆以及石墨脆化等)、韧化、软化等。（3）改善HAZ组织性能的措施15、焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同？答：焊接条件下热影响区的组织转变与热处理条件下的组织转变相比，其基本原理是相同的。但由于焊接过程的特殊性，使焊接条件下的组织转变又具有与热处理不同的特点。焊接热过程概括起来有以下六个特点：焊接所以焊接条件下热影响区的组织转变必然有它本身的特殊性。此外，焊接过程的快速加热，首先将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。加热速度越快，不仅被焊金属的相变点AC1和AC3提高幅度增大，而且AC1和AC3之间的间隔也越大。加热速度还影响奥氏体的形成过程，特别是对奥氏体的均质化过程有着重要的影响。由于奥氏体的均质化过程属于扩散过程，因此加热速度快，相变点以上停留时间短，不利于扩散过程的进行，从而均质化的程度很差。这一过程必然影响冷却过程的组织转变。焊接过程属于非平衡热力学过程，在这种情况下，随着冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。在焊接连续冷却条件下，过冷奥氏体转变并不按平衡条件进行，如珠光体的成分，由w(C)0.8％而变成一个成分范围，形成伪共析组织。此外，贝氏体、马氏体也都是处在非平衡条件下的组织，种类繁多。这与焊接时快速加热、高温、连续冷却等因素有关。17、焊接热影响区的脆化类型有几种？如何防止？改善粗晶区韧性的作用，提高抗脆能力HSE)焊接接头的HSE往往是静态应变时效和动态应变时效的综合作用的结果。尽量使焊接接头无缺口，从而减轻动态应变时效脆化程度；18、分述低碳钢焊接热影响区各区域的温度区间、组织及性能特点。答：低碳钢属不易淬火钢，其焊接热影响区可分为熔合区，过热区，相变重结晶区和不完全重结晶区。1)熔合区：温度在固液相线之间，具有明显的化学成分不均匀性，导致组织、性能不均匀，影响焊接接头的强度、韧性，是焊热影响区性能最差的区域。2)过热区：温度为从固相线到晶粒急剧生长温度（约1100℃）之间。因为存在很大的过热，该区奥氏体严重粗化，冷却后得到粗大组织，并且出现脆性的魏氏组织。因此，塑、韧性很差。3)相变重结晶区：温度：从晶粒急剧生长温度（1100℃）到AC3。加热过程中，铁素体和珠光体全部发生重结晶转变为细小奥氏体。冷却后得到均匀细小的铁素体和珠光体。组织，成分均匀，塑、韧性极好。类似于正火组织，亦称“正火区”。是热影响区中组织性能最佳的区域。4)不完全重结晶区：温度：AC1～AC3，在此温度范围内，只有一部分铁素体和珠光体发生了相变重结晶，冷却形成了细小的铁素体和珠光体；而另一部分为未转变的原始铁素体，因此，晶粒大小不一，形成的组织不均匀，导致力学性能不均匀。第3章金属的凝固1、试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别，并分析合金成分及结晶潜热对充型能力的影响规律。答：(1)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，即液态金属充填铸型的能力，简称为液态金属充型能力。液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是液态金属的工艺性能之一。液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。在工程应用及研究中，通常，在相同的条件下（如相同的铸型性质、浇注系统，以及浇注时控制合金液相同过热度，等等）浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此可以认为：合金的流动性是在确定条件下的充型能力。对于同一种合金，也可以用流动性试样研究各铸造工艺因素对其充型能力的影响。(2)合金的化学成分决定了结晶温度范围，与流动性之间存在一定的规律。一般而言，在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，流动性随着结晶温度范围的增大而下降，在结晶温度范围最大处流动性最差，也就是说充型能力随着结晶温度范围的增大而越来越差。因为对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，具有宽结晶温度范围的合金在型腔中流动时，断面上存在着发达的树枝晶与未凝固的液体相混杂的两相区，金属液流动性不好，充型能力差。(3)对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在一般的浇注条件下，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，充型能力越强；而对于宽结晶温度范围的合金，由于潜热放出15~20%以后，晶粒就连成网络而停止流动，潜热对充型能力影响不大。但也有例外的情况，由于Si晶体结晶潜热为α-Al的4倍以上，Al-Si合金由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处。2、某飞机制造厂的一牌号Al-Mg合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：（1）使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。（2）提高浇注温度，加大充型压头，可以提高金属液的充型能力。（3）改善浇注系统，提高金属液的充型能力。3、论述成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系。成分过冷的涵义:热过冷的涵义:界面液相侧形成的负温度剃度，使得界面前方获得大于的过冷度。成分过冷与热过冷的区别:热过冷是由于液体具有较大的过冷度时，在界面向前推移的情况下，结晶潜热的释放而产生的负温度梯度所形成的。可出现在纯金属或合金的凝固过程中，一般都生成树枝晶。成分过冷成分过冷与热过冷的联系:对于合金凝固，当出现“热过冷”的影响时，必然受“成分过冷”的影响，而且后者往往更为重要。即使液相一侧不出现负的温度梯度，由于溶质再分配引起界面前沿的溶质富集，从而导致平衡结晶温度的变化。在负温梯下，合金的情况与纯金属相似，合金固溶体结晶易于出现树枝晶形貌。4、何为成分过冷判据?成分过冷的大小受哪些因素的影响?答:“成分过冷”判据为:＜当“液相只有有限扩散”时，δN=∞，，代入上式后得＜(其中:GL—液相中温度梯度R—晶体生长速度mL—液相线斜率C0—原始成分浓度DL—液相中溶质扩散系数K0—平衡分配系数K)成分过冷的大小主要受下列因素的影响:1）液相中温度梯度GL,GL越小,越有利于成分过冷2）晶体生长速度R,R越大,越有利于成分过冷3）液相线斜率mL,mL越大,越有利于成分过冷4）原始成分浓度C0,C0越高,越有利于成分过冷5）液相中溶质扩散系数DL,DL越底,越有利于成分过冷6）平衡分配系数K0,K0＜1时，K0越小,越有利于成分过冷；K0＞1时，K0越大,越有利于成分过冷。(注:其中的GL和R为工艺因素,相对较易加以控制;mL,C0,DL,K0,为材料因素,较难控制)5、分别讨论“成分过冷”对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响？答:“成分过冷”对单相固溶体组织形貌的影响:“成分过冷”对共晶凝固组织形貌的影响:6、铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何?答：表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。7、试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。答：对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配，所以在其沿型壁方向晶体迅速长大，晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固壳。当形成一个整体的凝固壳时，结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。但是如果向金属中添加溶质，则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析，溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去，形成游离晶。一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖，成为等轴晶的核心，形成等轴晶，从而起到细化晶粒的作用。8、液态金属中的流动是如何产生的，流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响?答：浇注完毕后，凝固开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液会产生对流，此外型壁处和铸件心部的熔体温度差也可造成对流，从而使熔体流动。依靠熔体的流动可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，并发生增殖，从而为形成等轴晶提供核心，有利于等轴晶的形成，并细化组织。9、试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。答：铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的，稳定凝固壳层的形成决定着表面细晶区向柱状晶区的过度，而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成，因此凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。细化等轴晶的常用方法：（1）合理的浇注工艺：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施；通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成；（2）冷却条件的控制：对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型；对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其它晶粒细化措施以得到满意的效果；（3）孕育处理：影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒。（4）动力学细化：铸型振动;超声波振动;液相搅拌;流变铸造，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的目的。10、从“型壁晶粒脱落、游离及增殖”观点分析铸件内部等轴晶的形成机理。简述三种促进及细化等轴晶的工艺措施及其作用机制。答：纯金属晶粒不易从型壁脱落。而液态合金中存在溶质再分配，型壁处激冷晶区中某些晶粒形成“脖颈”，由于浇注过程中液流的冲刷作用，使“脖颈”折断发生晶体脱落，从而形成游离的晶粒，在液流冲刷、对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属游离，成为内部等轴晶形核的基底。游离过程中，在低温区域晶粒生长，在高温区域晶粒可能重熔。晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔断，由一个等轴晶变为几个等轴晶，发生增殖。细化等轴晶的措施：凡强化晶体生核，促进晶粒游离、增殖的措施均可细化晶粒，例如：1)合理的浇注工艺和冷却条件。控制较低的合适浇注温度，可防止晶核的重熔消失；改变浇注方式加强对流时对型壁激冷晶的冲刷作用可促进晶粒游离，细化晶粒。2)孕育处理：在浇注前或浇注过程中向液态金属中加入少量孕育剂，从而提供非均质形核质点，达到获得细化晶粒，改善宏观组织的目的。3)动力学细化：采用机械震动或电磁震动，导致固相与液相的相对运动，使枝晶破碎或与铸型分离。常用方法：铸型震动，超声波振动，液相搅拌，流变铸造。11、试述焊接熔池中金属凝固的特点。答：熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。（1）熔池金属的体积小，冷却速度快。在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3，冷却速度通常可达4～100℃/s，。（2）熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高。熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少。（3）动态凝固过程。一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热源而移动。（4）液态金属对流激烈。熔池中存在许多复杂的作用力，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混和与纯净。三、名词解释1、平衡凝固：由于合金的凝固一般在一定温度范围内进行，假定长度为L的一维体缓慢地自左向右定向凝固，溶质在固相和液相中都充分均匀扩散，固液界面保持为平面生长，凝固过程完全按照平衡过程进行。2、偏析：合金在凝固过程中，由于溶质再分配，在铸件不同截面上或截面不同部位甚至晶粒内部都存在化学成分不均匀的现象。四、简答题3、从“型壁晶粒脱落、游离及增殖”观点分析铸件内部等轴晶的形成机理。答：纯金属晶粒不易从型壁脱落。而液态合金中存在溶质再分配，型壁处激冷晶区中某些晶粒形成“脖颈”，由于浇注过程中液流的冲刷作用，使“脖颈”折断发生晶体脱落，从而形成游离的晶粒，在液流冲刷、对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属游离，成为内部等轴晶形核的基底。游离过程中，在低温区域晶粒生长，在高温区域晶粒可能重熔。晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔断，由一个等轴晶变为几个等轴晶，发生增殖。1．关于均质形核，以下正确的说法是：[d]a．温度越低，形核的驱动力越大。b．形核功越大，越容易形核。c．温度越高，形核功越小。d．过冷度越大，形核功越小。3．非均质形核与均质形核相比：[b]a．临界晶核半径更小。b．临界晶核体积更小。c．临界过冷度更大。d．a和b。4．在共晶合金的凝固中，可能出现的现象是：[d]a．非共晶成分的合金也可以得到100%的共晶组织。b．共晶成分的合金，一定可以得到100%的共晶组织。c．共晶成分的合金，也可能得不到100%的共晶组织。d．a和c。6．从液态金属与熔渣的相互作用规律，可知：[a或b]a．碱性熔渣对液态金属的氧化性比酸性熔渣强。b．酸性熔渣对液态金属的氧化性比碱性渣强。c．熔渣对液态金属的氧化性与其含FeO的量有关，而与熔渣的酸碱度无关。d．随着温度的升高，熔渣对液态金属的氧化性减弱。7．生产中用来防止焊接冷裂纹的措施通常是：[d]a.焊前预热。b.焊后后热。c.选用碱性焊条。d.a、b和c。8．以下与凝固过程中溶质再分配无关的缺陷是：[c]a．析出性气孔。b．夹杂。c．缩孔。d．热裂纹。9．以下使铸件在凝固过程中产生缩孔的条件是：[a]a.逐层凝固方式。b.较低的浇注温度。c.较快的凝固速度。d.较宽的结晶温度范围。第4章材料成形过程中的化学冶金1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？答：焊接区内的气体：焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂，高价氧化物及有机物的分解气体，母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分，空气中的气体、水分，保护气体及其杂质气体铸造过程中的气体：熔炼过程，气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。浇注过程，浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。2.氮、氢、氧对金属的质量有何影响？答：1．使材料脆化钢材中氮、氢或氧的含量增加时，其塑性和韧性都将下降，尤其是低温韧性下降更为严重。2．形成气孔氮和氢均能使金属产生气孔。液态金属在高温时可以溶解大量的氮或氢，而在凝固时氮或氢的溶解度突然下降，这时过饱和的氮或氢以气泡的形式从液态金属中向外逸出。当液态金属的凝固速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔。3．产生冷裂纹冷裂纹是金属冷却到较低温度下产生的一种裂纹，其危害性很大。氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一。4．引起氧化和飞溅氧可使钢中有益的合金元素烧损，导致金属性能下降；焊接时若溶滴中含有较多的氧和碳，则反应生成的CO气体因受热膨胀会使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。此外应当指出，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有时故意在焊接材料中加入一定