材料成形原理试卷(3).doc

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（K0<1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T B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ω C>0.16%（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。
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a＞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→4
b．2→3→1→4
c．3→2→1→4
d．4→3→2→1
2．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．①，②，③
b．②，③，①
c．①，③，②
d．②，①，③
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。
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“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶
2．为什么采用碱性焊条施焊时，其热裂纹的形成倾向显著低于使用酸性焊条？
根据熔渣脱硫原理，由于碱性焊条施焊时，熔渣中的CaO等碱性氧化物比酸性焊条熔渣中的含量高且碱性熔渣的氧化性较弱，因此脱硫效果较好。但由于脱磷不仅需要高碱度的熔渣，而且希望熔渣具有强氧化性，因此碱性焊条与酸性焊条的脱磷效果都不理想。
酸性焊条施焊时由于熔池中含有较多的硫化物FeS，凝固时容易发生偏析，形成低熔点共晶，呈片状或链状分布于晶界，因此焊接热裂纹倾向显著高于碱性焊条。
五、问答题
通常条件下，都尽可能使铸件获得细小的等轴晶组织，请问：
（1）细小的等轴晶组织对于减少凝固缺陷、提高力学性能有何重要意义？
（2）通过哪些实际措施可以使铸件获得细小的等轴晶组织？
（1）细小的等轴晶组织可以使材料具有较高的强度和良好的塑性、韧性。除此之外，如果合金的凝固组织是均匀细小的等轴晶，那么凝固过程中的杂质元素与溶质元素偏析的倾向都可以得到有效的抑制，从而可以减少由于偏析所产生的气孔、夹杂、热裂纹等凝固缺陷，并提高其化学成分、组织与力学性能的均匀性。
（2）获得细小的等轴晶组织的途径在于强化熔体独立生核，促进晶粒游离，具体有以下三个方面措施：
1）合理地控制浇注工艺和冷却条件
通过控制浇注方式来促进游离晶的形成，通过控制浇注温度减少游离晶的重熔消失；
通过对铸型冷却条件的合理控制或采用悬浮铸造法获得小的温度梯度和高的冷却速度，从而形成宽的凝固区域和大的过冷，促进熔体生核和晶粒游离。
2）孕育处理
在浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量孕育剂或变质剂以促进非均质形核与枝晶熔断，达到细化晶粒、改善宏观组织目的。
3）动力学细化
采用机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中大量形核，达到细化晶粒的目的。常用的动力学细化方法有铸型振动、超声波振动、液相搅拌和流变铸造等。

试题三
一、名词解释及简答题
1.集中缩孔的形成机理
纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合金，一般按由表及里的逐层凝固方式凝固，当液态收缩和凝固收缩大于固态收缩时，便会在最后凝固部位形成尺寸较大的集中缩孔。
2.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易形成夹杂。
3.焊接熔渣的长渣与短渣
药皮焊条电弧焊时，根据熔渣粘度随温度变化的速率，可将熔渣分为“长渣”和“短渣”两类。
随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。
二、填空（每空1分，共32分）
1、实际液态金属内部存在 结构 起伏、 能量 起伏和 相 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 。
3、通常，合金的凝固温度区间越大，液态合金充型过程中流动性越 差 ，铸件越容易呈 体积（或糊状） 凝固方式。
4、焊接热输入功率一定时，焊接速度越快，相同温度等温线椭圆的长、短轴相差越 大 ，焊缝凝固时晶体以对向生长的倾向越 大 ，焊缝中心低熔点物质偏析程度越 严重 ，焊缝的凝固裂纹形成倾向越 大 。
5、非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角越小，非均质形核功ΔG越 小 ，形核率越 大 ；非均质形核临界半径与均质形核的关系为 相等 。
6、细化铸件宏观凝固组织的措施有 合理地控制浇注工艺和冷却条件 、 孕育处理 、 动力学细化 等三个方面。
7、共晶组织生长中，共晶两相通过原子的 横 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。
8、对于气体在金属中溶解为吸热反应的，气体的溶解度随该气体分压的增高而 增大 ，随温度 下降 而降低。氢在合金液中溶解度随焊接气氛氧化性的 增强 而降低。
9、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 更强 。实际焊接钢时，碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条的 低 。
10、 微观偏析的两种主要类型为 晶内偏析与晶界偏析 ，宏观偏析按由凝固断面表面到内部的成分分布，有 正常偏析与逆偏析 两类。
11、 影响钢材产生焊接冷裂纹的三大主要因素是 氢的含量与分布 、 钢材的淬硬倾向 以及 拘束应力状态 。
12、 熔炼钢时，根据脱磷反应原理，提高脱磷效率的原则是希望较 低 的温度、高碱度、 强 氧化性（FeO）熔渣、熔渣的粘度低及足够的渣量。
三、 解答、问答题（共50分）
1、某二元合金相图如下图所示。合金液成分为C0=40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：
①α相与液相之间的溶质平衡分配系数K0；
②凝固后共晶体数量占试棒长度的百分数?
③画出凝固后的试棒中溶质B的浓度CS沿试棒长度的分布曲线，并注明各特征成分及其位置。
答：（1）平衡分配系数：从相图上取500℃时固相与液相的成分分别为30%与60%，再由K0=Cs*/C*L,得K0=0.5。
（2）取Cs*=30%，再由固相无扩散，液相无对流时的固相中溶质浓度与质量分数之间的关系式，求得fs=55.6%, fL=1- fs=44.4%,即剩余共晶体数量占整个长度的44.4%。
（3）
2、不易淬火钢焊接热影响区由哪几部分构成？分别叙述各区域在焊接热循环中的加热温度区间及组织转变特点。（不要求画图）
答：不易淬火钢焊接热影响区由：熔合区、过热区、正火区（相变重结晶区）和不完全重结晶区组成。
熔合区：焊缝与母材之间的过渡区域，常称为熔合区(亦称半熔化区约1500℃左右)，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。
过热区：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，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。
正火区：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。
不完全重结晶区：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。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。
3、以文字和图示说明凝固热裂纹的形成取决于哪几个方面，进而分析凝固温度区间、钢的成分(只对S、P、C、Mn)对钢凝固热裂纹的影响规律及其原因。
答：凝固热裂纹的形成主要取决于：
（1）脆性温度区间；TB，TB越大，热裂纹倾向越大；
（2）脆性温度区间内金属的最低塑性δmin，δmin越低，热裂纹倾向越大；
（3）脆性温度区间内的应变增长率，应变增长率越大热裂纹倾向越大；
凝固温度区间越大，凝固成分偏析越严重，TB越大，因此，热裂纹倾向越大。
化学成分对热裂裂纹倾向的影响：
S、P的影响：S、P在钢中形成低熔点共晶体，如FeS，Fe3P、Fe2P等，在最后凝固的晶界处形成液膜，从而增加热裂纹倾向；
C的影响：随着含C量增加，钢的凝固温度区间增大，即TB越大因此增加热裂纹倾向，同时C还加剧S、P的有害作用；
Mn的影响：Mn在钢中具有脱S作用而减小S的有害影响，减小热裂纹倾向，但也加大凝固温度区间
4、写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限扩散”条件下），讨论溶质原始含量C0、晶体生长速度R、界面前沿液相中的温度梯度GL对成分过冷程度的影响，并以图示或文字描述它们对合金单相固溶体结晶形貌的影响。
答：成分过冷判别式为：

（1）随着C0增加，成分过冷程度增加；
（2）随着R增加，成分过冷程度增加；
（3）随着GL减小，成分过冷程度增加；
如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；而当GL、R一定时，随C0的增加晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。

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