材料成型原理

一、名词解释

1.均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程。

2.近程有序：原子集团由数量不等的原子组成，其大小为10-10m数量级，在此范围内原子排列仍具有一定的规律性，称为“近程有序”。

3.热裂纹：热裂纹是金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的开裂现象。

4.缩孔：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位 出现孔洞，称为缩孔。

5.铸造应力：金属在凝固及冷却过程中，体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻力，而产生的阻力。

6.溶质再分配：从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布过程，称为合金结晶过程中的溶质再分配。

7.加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。

8.内应力：在没有外力的作用下，平衡于物体内部的应力。

9.定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法。

10.孪生：晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向发生均匀切变。

11、 快速凝固：指在比常规冷却速度快得多的条件下，合金以极快的冷却速

度急冷或深过冷，从液态转变为固态的过程。

12焊接热循环：指在焊接过程中热源沿焊件的某一方向移动，焊件上热源热量所及的任一点的温度都要经历由低到高的升温阶段，达到峰值后又经历由高到低的降温阶段，这个过程就称为焊件热循环。

13定向凝固原则：采取各种措施，保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近，朝冒口方向凝固，冒口本身最后凝固

14冷裂纹: 焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。

15融化潜热:在熔点温度的固态变为佟温度的液态时,金属要吸收的大量的热量. 16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。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。

17液态成形：是将液化的金属或合金在重力或其他力的作用下注入铸型的型腔

中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相似的铸件的一种成型方法。

18机械应力：铸件冷却到弹性状态后，由于收缩受到外界的机械阻碍而产生的。

19、非均质形核（异质形核）：依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发地

形核，成为异质形核。

20、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。

21、成分过冷：由于固-液界面前沿溶质的再分配引起的过冷成为成分过冷。

22、枝晶偏析：由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散，以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同的现

象。

23、变形织构：由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织，成为“变

形织构”

24、屈服准则：屈服准则又称塑性条件或屈服条件，它是描述不同应力状态

下变形 体内某点进入塑性状态并使塑性状态继续进行所必须遵守的条

件。

25、消除应力裂纹：某些焊接接头在一定温度范围再次加热（如焊后消除应

力热处理、回火处理以及高温工作等）而产生的裂纹称为消除应力裂纹，

又俗称再热裂纹。

26缩孔：由于金属液的液态收缩和凝固收缩超过硬壳的固态收缩，随着结晶凝固的进行，硬壳不断增厚，待金属液全部凝固后，在铸件最后凝固的部位因无金属液补缩而形成大而集中的孔洞，即缩孔。

27热影响区：在焊接热循环作用下，焊缝两侧母材中发生了组织与性能变化区域称为焊接热影响区。

28热过冷：由于纯金属成分单一，凝固过程完全依赖于热扩散，这样的凝固条件下所产生的过冷称为热过冷。

29能量起伏：液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。

30偏析：合金液在凝固过程种中，由于存在溶质再分配，在铸件不同截面上或

截面上不同部位，甚至晶粒内部都存在化学成分不均与的现象，这种现象称为偏析。

31氢脆：在室温附近，氢溶解在金属晶格中引起钢的塑形严重下降的现象。 32成分过冷：液态合金在凝固时，由于溶质再分配引起界面前沿富集的液相的理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

33氢致裂纹：由于受到应力作用，氢向应力集中区聚集而形成氢气，产生附加压力，使应力集中点产生裂纹导致裂纹进一步扩散，也叫延迟裂纹。

34溶质再分配：液态合金凝固过程中，由于溶质在液固两相的电化学位、溶解度不同造成在固液界面两侧产生溶质浓度梯度，导致溶质扩散。

35.孪生：晶体在切应力作用下晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀切变。

二、解答题

1、简述氧在金属中的有害作用，并说明采取哪些措施可以减少焊缝中的氧含量。

答案：：氧的有害作用:

（1）使材料的强度、塑性和韧性降低，尤其是对低温韧性影响更大；

(2）引起气孔和裂纹。

氧的控制：

（1）纯化焊接材料；

（2）控制焊接工艺参数；

（3）冶金方法脱氧处理

2、生产中如何防止密度偏析的形成？防止或减轻密度偏析的方法有以下几种：

(1) 增加铸件的冷却速度、使初生相来不及上浮或下沉。

(2) 加入第三种合金元素，形成熔点较高的、密度与液相接近的树枝状化合物，使其首先结晶并形成树枝状骨架，阻止偏折相的沉浮。

(3) 尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。

3、细化枝晶与提高铸件质量之间有何联系。

答：枝晶间距是相邻同次分支之间的垂直距离，它是树枝枝晶组织细化程度表现，枝晶间距越小，组织就越细密，分布于期间的元素偏析范围也就越小，故铸件越容易通过通过热处理而均匀化，因而也就越利于铸件的质量提高

4、 怎样控制焊接残余应力？

可从焊接结构设计和焊接工艺措施两方面考虑：

（1）合理布置和设计焊缝。

（2）采用合理的焊接顺序和方向。

（3）用反变形法降低刚度。

（4）焊接整体或局部预热。

（5）锤击或碾压焊缝。

5、何为偏析现象？它对铸件质量有何影响？

答;合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析会对铸件的力学性能，切削性能、耐腐蚀性能等产生不同程度的影响，偏析也有有力的方面，比如可利用它来净化和提纯金属。

6、阐述实际液态金属结构，能量，结构及浓度三种起伏。

答。实际金属含有大量的杂质，他们存在方式是不同。能量起伏，表现为各个原子间的能量不同各个原子的尺寸不同，浓度起伏，表现为各个原子团成分不同，游动的原子团时聚时散此起彼伏形成结构起伏。

7、什么是缩孔？请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因？

答：铸造合金在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩的产生，往往在铸造最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔；其中尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。

缩孔产生的条件是：铸件由表及表里逐层凝固；缩松产生的条件是：合金的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固。

产生缩孔和缩松的基本原因均在于合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于

固态收缩值。

通过定向凝固，同时凝固，控制浇注条件，应用冒口、补贴和冷铁以及加压补缩等措施可以减小或消除缩孔或缩松

8、简述铸件（锭）典型宏观凝固组织的三个晶区（6分）

答案：表面细晶粒区是紧靠型壁的激冷组织，由无规则排列的细小等轴晶组成；中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列的柱状晶粒组成；内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。

9、氢对焊接质量的重要影响

答:（1）气孔

（2）氢脆氢在室温附近使金属的塑性和韧性急剧下降

（3）白点

（4）延迟裂纹

10、对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？

答：降低浇注温度，有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒；对金属液处

理，向液态金属中添加生核剂，强化非均质形核；浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注，使游离晶不重熔；引起铸型内液体流动，游离晶增多，获得等轴晶。

11、简述提高金属塑性的主要途径？

答：提高材料的成分和组织的均匀性；

合理选择变形温度和变形速度；

选择三向受压较强的变形方式；

减少变形的不均匀性。

12、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。

13、简述提高金属塑性的主要途径。

答：一、提高材料的成分和组织的均匀性

二、合理选择变形温度和变形速度

三、选择三向受压较强的变形方式

四、减少变形的不均匀性

14、焊接过程中对焊接区金属的保护方法

（1）气保护例如co2气体保护焊，效率高易实现成本低但是焊接缺陷大;

（2）渣保护例如埋弧焊，特点是高效可焊接厚板;

（3）渣气联合保护 例如手工电弧焊;

（4）真空保护电子束焊接 可以焊接非常厚的板材，而且焊接缺陷小，但是价格

昂贵.

15、请指出铸件宏观组织控制的措施。

答：（1）合理控制热力学条件；通过降低浇注温度，合理设计浇注工艺和控制冷 却条件，并且调整好铸型性质，可以保证等轴晶的生长与细化；

（2）加入生核剂；直接加入作为外加晶核的生核剂、化合作用生成的非均质晶核的生核剂或者含过冷元素的生核剂，可以增加形核率；抑制晶粒

长，促进晶粒细化；

（3）动态晶粒细化；强化液相的流动可以促进游散晶的产生，通过振动，搅拌或旋转等方法可以促进晶粒脱落、破碎、游离和增殖，缩小或消除柱 晶，细化等轴晶。

16、常见焊缝中的夹杂物有几类，它们会对焊缝产生哪些危害？

答：（1）氧化物夹杂。主要降低焊缝金属的韧性。

（2）氮化物夹杂。在时效过程中以针状分布在晶粒上或穿过晶界，使焊缝金属的塑性、韧性急剧下降。

（3）硫化物夹杂。硫从过饱和固溶体中析出，形成硫化物夹杂，以MnS和FeS形式存在于焊缝中。FeS沿晶界析出与FeO形成低熔点共晶，增加热裂纹生成的敏感性。

状 生

17、常见的金属的成型缺陷有哪些？

答:1、内应力和变形 2、裂纹 3、气孔和夹杂 4、缩松和缩孔 5、化学成分不均匀性（偏析） 6、机械缺陷（起皱和折叠）

18简述共晶凝固过程中的共生生长和离异生长？

答：共晶结晶时后析出的相依附于先析出的相析出，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 耦合者共同向前生长，即为共晶共生生长。

离异生长：共晶两相的析出在时间和空间上是彼此分离的，没有共生共晶的特性。

19.简述提高金属塑性的主要途径。

答：一、提高材料的成分和组织的均匀性

二、合理选择变形温度和变形速度

三、选择三向受压较强的变形方式

四、减少变形的不均匀性

20影响液态充型能力的因素？

答：（1）金属性质方面的因素：如合金的化学成分、比热容、热导率、粘度、杂质和气体含量等。

（2）铸型性质方面的因素：铸型阻力、蓄热系数等。

（3）浇注条件及铸件结构因素：浇注温度、浇注系统、静压头压力。铸件结构越复杂、厚薄过度面越多，则型腔结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充型能力越差。

21单晶体塑性变形的主要机制有哪些？其机理分别是什么？

答：单晶体塑性变形的主要机制有滑移与孪生。 滑移是指在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动。 孪生是在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(孪生面)和一定的晶向(孪生方向)发生均匀切变，变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。 晶体的滑移过程，实质上就是位错的移动和增殖的过程。而孪生是通过部分位错横扫孪生面而进行的。

22多晶体金属塑性变形的主要特点和主要机制有哪些？

答：多晶体金属的塑性变形有以下主要特点：

(1) 各晶粒变形的不同时性。

(2) 各晶粒变形的相互协调性。

(3) 晶粒之间、晶内与晶界之间变形的不均匀性。

多晶体金属塑性变形的主要机制有：

(1) 晶内变形，包括滑移、孪生；

(2) 晶间变形，包括滑动、转动 .

23铸件冷裂和热裂的影响因素有哪些？如何防止其发生？

答：

① 影响冷裂因素：冷却不均匀、应力状态复杂、铸造应力大、受激冷或振击作用，和铸件的韧性和塑性有关。

② 防冷裂措施：反变形，设置防变形的拉助，采用缓冷的方法，用浇注系统调整铸件的温度。

③ 影响热裂因素：表面张力和厚度；合金性质、铸型性质、浇注条件与铸件结构。

④ 防止热裂措施：提高合金的抗热裂能力；改善铸型和型芯的退让性；减小铸件各部位的温差，建立同时凝固的冷却条件；改进铸件结构的设计。

三、分析题

1、论述成分过冷对单相合金结晶的影响。

答;成分过冷对一般单项合金结晶过程与热过冷对纯金属影响本质相同，但由于同时存在着传质过程的制约，再无成分过冷的状态下，界面一平整界面生长，但随着成分过冷的出现和增大，界面前方一次以胞状晶、柱状晶、等轴晶形式进行。

2.简述铸锭典型宏观凝固组织的三个晶区及其组成。

答：表面细晶粒区是紧靠 型壁的激冷组织，由无规则排列的细小等轴晶组成；中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列的柱状晶粒组成；内部等轴晶区由各向

同性的等轴晶组成。

3、试分析析出性气孔的特征、形成机理。

答： 金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔称为析出性气孔。

这类气孔在铸件断面上大面积分布，靠近冒口、热节等温度较高的区域，其分布较密集，形状呈团球形，裂纹多角形，断续裂纹状或混合型。

析出性气孔的形成机理是：合金凝固时，气体溶解度急剧下降，由于溶质的再分配， 在固－液界面前的液相中气体溶质富集，当其浓度过饱和时，产生很大的析出动力，在现成的衬底上气体析出，形成气泡，保留在铸件中成为析出性气孔。

4、气体在铸件中有哪三种存在形态，气体对铸件的质量和铸造性能各有何影响？试分析析出性气孔的形成机理和防止措施。

答：固溶体、化合物、气态。气体对铸件的质量有着很多影响，会形成气孔，减少金属铸件的有效承载面积，还会造成局部应力集中，成为铸件断裂的裂纹源，使金属铸件的强度下降和抗疲劳能力降低。气体还会影响液态金属的充型能力，从而影响铸件的铸造性能；

析出性气孔的形成机理：结晶前沿，特别是枝晶间的气体溶质聚集区中的气体含量超过其饱和含量，被枝晶封闭的液相内则具有更大的过饱和析出压力，而液-固界面出的气体含量最高，并且存在其他溶质的偏析及非金属夹杂物，当枝晶间产生凝固收缩时，该处极易析出气泡，且气泡很难排除，从而保留下来形成气孔。

防止措施：1）消除气体来源2）金属熔炼时控制熔炼温度勿使其过高或采用真空熔炼，可降低液态金属的含气量3）对液态金属进行除气处理4）组织液态金属内气体的析出。

5、思考并分析定向凝固所需满足的两个条件,以及方法。

答:1、凝固过程中固液界面保持平面，在界面前够高的温度梯度，并且使此温度

梯度与柱状晶的生长速率的比值足够大。

2、未凝固的液体有足够大的过冷度，绝对避免型壁形核，以防在型壁上形成的晶体脱落而形成等轴晶或等周静核心。

发热保温材料法功率降低法快速定向凝固法液态金属凝固法电渣重熔法。

6、某理想塑性材料，其屈服应力为100N/mm2 ，某点的应力状态为



ij4 2 3

求其主应力，并将其各应力分量画在如图所示的应力单元图中，并判断该点处于什么状态（弹性/塑性）。（应力单位 N/mm2） 。{提示：σ3-15σ2+60σ-54=0可分解为：（σ-9）（σ2-6σ+6）=0）}。

答案： 2 6 1 3 1 5

3I12I2I30

I1xyz15

I2x

xyyxyyyzzyzzzxxzx60

I260

I354

得出：315260540

解得：

19，23336.7N/mm2s100

因此,该点处于弹性状态。

7、试分析成分过冷的产生过程

答：1）合金在近平衡凝固过程中，溶质发生再分配，只固液界面的液相侧中现成一个溶质富集区。

2）由相图可知，液相成分不同，导致理论凝固温度变化，当固相午扩

散而液相只有扩散的单相合金凝固时，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低，固液界面前平衡液相温度曲线上凸，界面处平面温度最低，离界面越远，液相温度越高。

3）由于固相导热，固液界面成分的实际温度分布呈直线，温度梯度为正，界面处实际温度越低，离界面越远，液相实际温度越高。

4）固液界面前方液体的过冷度为平衡液相温度与实际温度之差

8、对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？（10分）

答：：降低浇注温度，有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒；对金属

液处理，向液态金属中添加生核剂，强化非均质形核；浇注系统的设计

要考虑到低温快速浇注，使游离晶不重熔；引起铸型内液体流动，游离

晶增多，获得等轴晶。

9、怎样理解溶质平衡分配系数K0的物理意义?

答：K0的物理意义如下：

*溶质平衡分配系数K0定义为：特定温度T*下固相合金成分浓度CS与液相合金成

*CS*分浓度CL达到平衡时的比值：K0=* CL

K0

越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

K0>1时，固相线、液相线构成的张角朝上，k0越大，固相线、液相线张开程度

越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

10.已知受力物体内一点的应力张量为

(MPa)

试求外法线方向余弦为1=m=，n=,的斜切面上的全应力、正应力和切应力。 解：设全应力为分别为Ｓ在三轴中的分量，

则有：

而

则得到 S= 111.79 MPa

则得到 S= 26.1 MPa 则得到 = 108.7 MPa

11.AL—Cu相图的主要参数为CE=33%，Csm=5.66%，Tm=660℃，TE=548℃。用AL—1%Cu合金叫浇一细长式样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固—液界面为平面，当固相无Cu扩散时，求：

（1） 凝固10%时，固液界面的Cs*和CL*。

（2） 共晶体所占的比例。

解：（1）溶质分配系数

当

= 0.187%

（2）设共晶体所占的比例为，则

则