材料成形原理试卷

1试题一一、填空题1、液体原子的分布特征为长程无序、短程有序。实际液态金属存在着能量、结构和成分三种起伏。2、物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成正比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成反比。衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越小。非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角越小，非均质形核率越大；硫等杂质元素降低Fe液表面张力，所以增大凝固热裂纹倾向。3、合金的液相线温度TL及固相线温度TS之差越大，其浇注过程的充型能力越差，凝固过程越倾向于体积凝固方式，缩松形成倾向越大，热裂倾向越大。4、晶体连续生长速度与动力学过冷度ΔTk成正比关系。过冷度较小时，晶体台阶方式生长速度比连续生长的小，过冷度很大时，两者速度相等．．。5、根据“成分过冷”的判据，固液界面处的温度梯度GL越小，合金原始成分C0越大，平衡分配系数K0（K01情况下）越小，则成分过冷倾向越大。6、对于气体在金属中溶解为吸热反应的情况，气体的溶解度随温度降低而降低。氢在Fe液中溶解度随熔滴过渡频率的增大而降低，随焊接气氛氧化性的增强而降低。7、根据熔渣粘度随温度变化速率，可将焊接熔渣分为“长渣”与“短渣”。“长渣”是指随温度升高而粘度下降速度缓慢的熔渣。碱性渣为“短渣”，含SiO2多的酸性渣为“长渣”。8、熔炼钢时，根据脱磷反应原理，提高脱磷效率的原则是希望低温、高碱度、强氧化性（FeO）熔渣、熔渣的粘度低及足够的渣量。9、影响钢焊缝冷裂纹的三大主要因素是拘束应力状态、氢的含量及分布以及钢的淬硬倾向。10、铸件产生集中性缩孔及分散性缩松的根本原因是金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩，对产生集中性缩孔倾向大的合金，通常采用“顺序凝固”的工艺原则。二、判断题请判断以下各种说法是否正确，正确的请在括号中打“√”，错误的请打“×”1、成分确定的合金，其铸件断面固液两相区的宽度取决于铸件断面温度梯度[√]。2、“固相无扩散，液相仅有有限扩散”及“液相部分混合（有对流作用）”的两种溶质再分配情况下，进入稳定阶段的固相成分均为C0[×]。3、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性大。因此，焊接钢时，碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的高[×]。4、非小晶面一非小晶面共生共晶的片层距λ随长大速度R的增大而减小[√]。5、凡Jakson因子a≤2物质的晶体为光滑界面，因此，此类物质在凝固过程中不可能产生胞状晶及树枝晶[×]。6、炼钢过程中，氧化脱碳处理主要是降低碳含量，但是会增加钢液的有害气体及夹杂物[×]。7、温度升高，分配常数L值减小，FeO更容易向金属中分配。因此，焊接时渣中的FeO主要是在熔滴阶段和熔池前部高温区向液态金属中过渡的。在熔池尾部，随着温度的下降，液态金属中过饱和的氧化铁会向熔渣中扩散[√]。8、圆柱形零件由于断面均匀，所以凝固以后冷却到室温不会产生热应力[×]。9、成分偏析及析出性气孔的形成过程，均与成分再分配有关[√]。10、焊前预热、焊后后热的根本作用在于，通过减小冷却速度而降低淬硬组织形成倾向，从而达到消除冷裂的目的[×]。三、简述题1、阐述规则共晶共生生长机制答：共晶结晶时，后析出相依附于先析出相析出，进而形成相互交叠的双相晶核。两相具有共同的生长界面，依靠溶质原子在两相界面前沿的横向扩散，提供对方生长所需组元，耦合着共2同向前生长，即为共晶共生生长。2、内生生长与外生生长答：内生生长：在熔体内部形核并自由生长。是内部等轴晶的生长机制。外生生长：自型壁生核，由外向内单向延伸的生长方式。是产生胞状、柱状树枝晶的生长方式。3、沉淀脱氧及其优缺点答：沉淀脱氧：脱氧剂直接加入液态金属内部与FeO起作用，生成不溶于液态金属的氧化物，并转入熔渣的脱氧方式。优点：脱氧速度快，脱氧彻底。缺点：脱氧产物难以彻底清除，易于形成夹杂。4、孕育处理及变质处理的各自主要目的答：孕育处理是通过促进生核，促进晶粒游离和增殖以达到细化晶粒目的；变质处理是通过改变晶体生长机理而达到改变晶体形貌的目的。5、单相固溶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律答：随成分过冷的增大，单相固溶体由平面晶逐渐依次生长成胞状树枝晶，柱状树枝晶和等轴树枝晶。或：成分过冷增大，使形貌从平面晶胞状晶柱状树枝晶等轴树枝晶。四、问答题1、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。2、说明下图中TB、δmin、的意义及其对热裂纹的影响，并讨论碳、锰对碳钢热裂纹的影响规律。答：TB：脆性温度区间，材料易发生脆性断裂的温度区间。δmin：脆性温度区间内金属的最小塑性。∂ε/∂T：脆性温度区间内的应变增长率。TB越大，形成热裂纹倾向越大。δmin：TB一定时，其内δmin越小，热裂纹形成倾向越大。∂ε/∂T：应变增长率越大，热裂纹形成倾向越大。碳：碳能显著增大钢的凝固温度区间，从而使TB增大，增加热裂倾向。碳还能增加S，P的有害作用：含碳量的增加可能使先析相由δ转为γ相，而S，P在γ相中溶解度显著低于在δ相中溶解度，加剧S，P在最后凝固区域偏析程度，从而增加热裂倾向。锰：锰具有脱硫作用而减少硫的有害作用，从而抑制热裂倾向。但是锰能增加凝固温度区间，增加热裂倾向。另外，当ωC0.16%（包晶点）时，P的有害作用将超过S，再加Mn对防止热裂已无意义。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。简述三种促进及细化等轴晶的工艺措施及其作用机制。3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。试题二一、试区分以下概念1.液态金属的结构起伏和浓度起伏结构起伏指原子团簇的尺寸变化。浓度起伏指第二组元分布状况的变化。2.连续生长和侧面生长粗糙界面的生长方式为连续生长；光滑界面的生长方式为侧面生长。3.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，由内向外的自由生长称为内生生长，如等轴晶的生长。4.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。5.宏观偏析和微观偏析凝固件断面上可观察到的区域溶质偏聚现象称为宏观偏析；在一个晶粒内部或晶界上存在的溶质偏聚现象称为微观偏析。6.沉淀脱氧和扩散脱氧溶入到液态金属中的脱氧元素与[Feo]反应，生成不溶于液态金属的脱氧产物称之为沉淀脱氧。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。7.冷裂纹和热裂纹金属凝固冷却至室温附近发生的开裂现象称之为冷裂纹；在固相线附近发生的裂纹称之为热裂纹。二、填空题（每空1分，共24分）1．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大，就润湿，润湿角为锐角；而两种物质原子间的结合力小，就不润湿，润湿角为钝角。2．铸件的凝固方式可以分为逐层凝固、中间凝固和体积凝固三种不同形式，影响合金凝固方式的两个主要因素是：凝固温度区间和界面前沿的温度梯度。3．Jakson因子a可以作为固-液界面微观结构的判据，凡a≤2的晶体，其生长界面为粗糙，凡4a＞5的晶体，其生长界面为光滑。4．在固相无扩散，液相无对流只有有限扩散的条件下，晶体生长速度越快、平衡分配系数越小、液相中溶质扩散系数越慢，越容易形成成分过冷。5．在一个由金属、金属氧化物、和氧化性气体组成的体系中，若金属氧化物的分解压为Po2，氧的实际分压为{PO2}。则，当{PO2}Po2时，金属被氧化，当{PO2}Po2时，金属被还原，当两者相等时，处于平衡状态。三、选择填空（每小题1分，共10分）1．如右图所示，对于图中4种成分的合金，凝固时形成缩松的倾向由大到小的顺序是：[b]a．1→2→3→4b．2→3→1→4c．3→2→1→4d．4→3→2→12．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。5．如图，成分为C0的长条形铸件，设分别按以下的三种条件自左向右定向凝固：①固相无扩散，液相中只有有限扩散；②固相无扩散，液相中充分混合均匀；③固相无扩散，液相中部分混合。三种条件下，当凝固界面分别推进到图中所示的中间位置时，剩余液体中溶质总含量由低到高的顺序是：[c]a．①，②，③b．②，③，①c．①，③，②d．②，①，③6．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]5a．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。10．如图所示的铸件，在凝固冷却到室温后，厚度不同的两部分中产生的纵向残余应力状态是：[b]a.Ⅰ中为拉应力，Ⅱ中为压应力。b.Ⅰ中为压应力，Ⅱ中为拉应力。c.Ⅰ和Ⅱ中均为压应力。d.Ⅰ和Ⅱ中均为拉应力。四、简答题1．简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律。随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“