材料加工原理课后习题题

第四章 金属的凝固加工
1. Ge-0.001％ Ga 合金定向凝固，设 Ga 在合金液体中的扩散系数 D L = 5 × 10 cm / s ， 平 衡 分 配 系 数 k = 0.1 ， 液 相 线 斜 率 m L = 4K / %Ga ， 界 面 推 进 速 度
−5
R = 8 × 10 −3 cm / s 。试问： （1）若采取强制对流，边界层厚度 δ = 0.005cm ，当凝固
张量和应力偏量。计算应力偏量的第二不变量。 4. 已知薄壁圆筒受拉应力 σ z =
σs
2
作用，若使用 Mises 塑性条件，试求屈服时扭转应力
为多少？并求出此时塑性应变增量的表达式。 5. 单元体的应力状态如图 5-16 。若 σ x ， τ xy 已知。求主应力的大小及主平面的位置。
σ x = 100MPa ， τ xy = 50MPa
7. 焊接热源有哪几种模型？焊接传热的模型有哪几种？ 8. 热源的有效功率 q = 4200W ，焊速 υ = 0.1cm / s ，在厚大件上进行表面堆焊，试求准 稳态时 A 点（ x =-2.0cm ， y ＝ 0.5cm ， z ＝ 0.3cm ）的温度。 （低碳钢的热物性参数： ） a = 0.1cm 2 / s ， λ = 0.42W /(cm ⋅ ℃）
o
的剪应变。 13. 如图 5-17 所示，薄壁圆管受拉力 σ 和剪应力 τ 的作用，试写出在此情况下 Mises 条件 和 Tresca 条件。
14. 已知半径为 50mm，厚为 3mm 的薄壁圆管，保持 试求此圆管屈服时轴向载荷 P 和扭矩 MS。
τ rθ = 1 ，材料拉伸屈服极限为 400MPa σz
∗
1
π
，则该相将以棒状结构出
第五章 材料加工力学基础
0 10 20 1. 设在物体中某一点的应力张量为 (σ ij ) = 10 20 0 MPa， 求作用在此点的平面 x＋ 20 0 10
3y＋z＝1 上的应力向量 （设外法线为离开原点的方向） ， 求应力向量的法向与切向分量。
第三章 材料加工中的流动与传热
1. 以实例分析流体在运动过程中产生吸气现象的条件。 2. 在铸型的浇注过程中， 铸型与液态金属界面上的温度分布是否均匀？其程度与哪些因素 有关？ 3. 对凝固潜热的处理有哪些方法？如何合理的选用？ 4. 用平方根定律计算凝固时间， 其误差对半径相同的球体和圆柱体来说， 何者为大？对大 铸件和小铸件来说何者为大？对熔点高者和熔点低者和者为大？ 5. 在热处理的数值计算中， 热物性参数如何确定？为何特别强调表面传热系数的作用？如 何选择和确定表面传热系数？ 6. 焊接热过程的复杂性体现在哪些方面？
到 50％时所形成的固相成分为多少？（2）若完全没有对流，当合金凝固到 50％时，为 了保持平界面前沿，液相内的温度梯度应符合什么条件？ 2. Al-l％Cu 合金，共晶成分 C E = 33% ，Cu 在 Al 中的最大固溶度 C SM = 5.65% ，Al 的 熔点 Tm = 660 ℃，共晶温度 TE = 548 ℃，假设平衡分配系数 k 和液相线斜率 m L 均为 常数。该合金定向凝固时，Cu 在合金液体中的扩散系数 D L = 3 × 10 cm / s ，界面推
《材料加工》 原理部分习题
第一章 绪论 第二章 液态金属及其加工
1. 己知 700 ℃时 Al 液的表面张力为 860 × 10 N ⋅ m ，求 Al 液中形成 r = 1 μm 和
−3 −1
r = 0.1 μm 的球形气泡各需要多大的附加压力 ∆P ？
2. 已知钢液温度为 1550 ℃， η = 0.0049 Ns/m ， ρ l = 7500kg / m ， MnO 夹杂的密度
2
−5
进速度 R = 3 × 10 cm / s ，不考虑对流作用，试求： （l）稳态下的平界面温度； （2） 要保持平界面所需的液相温度梯度。 3. 采用上题中的合金浇注一细长圆棒， 使其从左至右单向凝固， 冷却速度足以保持固液界 面为平界面，当固相无 Cu 的扩散，液相中 Cu 充分扩散时，试求： （1）凝固 10％时， 固液界面处的固、液相成分； （2）共晶体所占的比例； （3）沿试棒长度方向 Cu 的浓度 分布曲线，并标明各特征值； （4）证明： TL = Tm + m L C 0 (1 − f s )
0 10 10 2. 物体中某一点的应力分量 （相对于直角坐标系 oxyz） 为 (σ ij ) = 0 − 10 0 MPa。 − 10 0 10
求不变量 I1，I2，I3，主应力数值，应力偏量不变量 I1 ， I 2 ， I 3 。
' '
'
0 150 100 3. 己知物体中某一点的应力张量为 (σ ij ) = 0 试将其分解为球形 200 − 150 MPa， 0 150 − 150
第七章 加工引起的内应力和冶金质量问题
1. 试利用相图来分析合金成分对缩孔和缩松的影响， 并说明如何通过调整工艺条件来控制 缩孔和缩松的产生？
2. 试分析为什么在雨季铸造和焊接铝及其合金时很容易产生气孔？是什么气孔？应采取 什么措施来避免气孔的生成？ 3. 试分析为什么在无保护的条件下焊接钢材时在焊缝内会产生大量的气孔？ 4. 钢、铜和铝中含氧量高时分别可引起哪些缺陷？为什么？ 5. 当铸件的厚度相差较大时， 在哪些部位容易产生裂纹？是什么性质的裂纹？为什么？应 采取什么措施？ 6. 试分析金属在凝固过程中出现脆性温度区间的原因， 为什么共晶成分的合金在铸造和焊 接时都不容易产生热裂纹？ 7. 为什么钢中硫引起热裂纹的倾向随着合碳量的提高而增加？铸铁和高碳钢相比哪一种 材料的热裂倾向大？为什么？ 8. 试分析铸件和锻件中产生热裂纹的性质和机理有何差异？ 9. 试分析比较奥氏体钢和珠光体钢的热裂倾向和冷裂倾向。 10. 焊接合碳量较高的钢材时为什么靠近焊缝的热影响区内最容易出现冷裂纹？ 11. 什么叫碳当量？为什么通过碳当量可以预测钢材的冷裂倾向？采用碳当量时有何问 题？ 12. 具有延迟特征的裂纹有哪几种？试分析在合金钢和铝合金中可能出现哪些带有延迟性 质的裂纹？ 13. 氢在钢中能引起哪些缺陷？试分析其形成原因。 14. 试分析低碳钢和高碳钢在加工过程中出现脆化的机理有何不同？出现脆化后如何消 除？ 15. 铝合金和铬镍奥氏体钢会不会产生脆性断裂？为什么？ 16. 如何判断结构中出现的裂纹性质？可以从哪些方面进行综合分析？
并画出应变莫尔圆及单元体示意图。 10. 已知如下两组位移分量
u = a1 + a 2 + a 3 y u = a1 + a 2 x + a3 y + a 4 x 2 + a5 xy + a 6 y 2 v = a 4 + a5 x + a 6 y ， v = a 7 + a8 x + a9 y + a10 x 2 + a11 xy + a 12 y 2 式 中 ai w=0 w=0
p p
15. 已知三个主应力如下表所示情况时，试求塑性应变 dε 1 ， dε 2 ， dε 3 的表达式。
p
第六章 材料加工过程中的化学冶金
1. 简述氮、氢和氧与钢液的作用及其对钢性能的有害作用与预防措施。 2. 对比分析 Al、Cu、Mg 和 Fe 及其合金形成氢气孔的敏感性。 3. 简述硫和磷在钢中的存在形式及其对钢性能的影响。 4. 简述钢在固态加热过程中的氧化及其影响因素和氧化引起的危害。 5. 简述钢在固态加热过程中的表面脱碳与影响因素，并举例说明表面脱碳对钢性能的影 响。 6. 在电炉炼钢时为获得良好的脱氧效果，一般都采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的方法。 现拟采用的脱氧工艺为： 先用铝进行沉淀脱氧， 再在炉渣中加碳粉和硅铁粉进行扩散脱 氧，最后再用锰铁进行沉淀脱氧。试分析这种脱氧顺序是否合理？ 7. 试分析扩散脱氧的优缺点。 扩散脱氧是否适用于所有金属 （如常用的金属材料： 铁、 铝、 铜等）和所有加工工艺方法（如铸造、焊接和激光表面合金化等）？为什么？ 8. 试分析脱硫和脱磷有何矛盾？在炼钢过程中是如何解决这一矛盾的？为什么在冲天炉 熔炼和焊接时不能脱磷？ 9. 试分析下列两种熔渣的冶金特性 （酸碱度、 与钢液之间的冶金反应以及对钢质量的影响 等） 。 两种熔渣的成分为： （1） 40.4SiO2， 1.3TiO2， 4.5Al2O3， 22.7FeO， 19.3MnO， 1.3CaO， 4.6MgO， 1.8Na2O， 1.5K2O； （2） 24.1SiO2， 7.OTiO2， 1.5Al2O3， 4.0FeO， 3.5MnO， 35.8CaO， 0.8Na2O，0.8K2O，20.3CaF2。 10. 试分析 Cr18Ni8 不锈钢熔炼和焊接时会发生哪些主要氧化反应？为保证其加工后合金 成分尽可能不变，应从题 9 两种熔渣中选择哪一种？选择何种脱氧剂？是否需要渗合 金？采用何种方式渗合金？ 11. 当钢中含有合金元素 Ti 以及熔渣中含有 FeO、 MnO、 SiO2 和 CaO 时可能发生哪些冶金反 应？为保证钢中 Ti 的含量不变，应采取哪些措施？ 12. 试分析如果在熔炼过程中钢材被氮、氢、氧、硫、磷等污染后，采用真空处理能有何改 善？为恢复其原有性能应采取什么措施？ 13. 试分析比较酸性渣和碱性渣的冶金特性 （对各种冶金反应的影响） 及其对钢材质量的影 响。
2 3
ρ MnO = 5400kg / m 3 。若 MnO 夹杂为球形，半径为 0.1mm，求它在钢液中的上浮速度？
3. 金属元素 Fe 的结晶潜热 ∆H m = 6611J/mol ，熔点 Tm = 18llK ，固／液界面张力
σ sl = 2.04 × 10 −5 J / cm 2 ，临界过冷度 ∆T ∗ = 276 ℃，试求，临界形核半径 r ∗ ？假如
Fe 的原子体积为 1.02 × 10
−23
cm 3 ，求临界晶核所含的原子数？
4. 常用金属如 Al、Zn、Cu、Fe、Ni 等，从液态凝固结晶和从气体凝结结晶时的界面结构 与晶体形态会有什么不同？ 5. 用简单的示意图表示一个孪晶凹角是怎样加速液/固界面生长速度的？ 6. 石墨的层状晶体结构使得它易形成旋转孪晶。 旋转孪晶是石墨层状晶体的上下层之间旋 转一定角度而形成的。 旋转之后石墨晶体的上下层之间应保持有好的共格对应关系以减 少界面能，问石墨晶体旋转孪晶的旋转角可能有哪些？
100 40 − 20 6. 某点应力分量为 40 50 30 MPa，试求该点中主应力的大小和方向，同时计算 − 20 30 − 10
主剪应力的大小。
源自文库
10 10 0 7. 一点的应力分量 (σ ij ) = 10 20 10 MPa，求主应力。 0 10 10
0 0 30 8. 一点的应力分量 (σ ij ) = 0 40 10 3 MPa，求主应力。 60 0 10 3
ε y = −500 × 10 ， γ xy = −360 × 10 9. 平面应变 ε x = −140 × 10 ，
−6
−6
−6
求主应变及其方向，
k −1
−4
。
4. 分别推导合金在平衡凝固和固相中无扩散、 液相完全混合条件下凝固时， 固液界面处的 液相温度 TL 与固相分数 f s 的关系。 5. 欲采用定向凝固的方法将圆柱状金属锭的一部分提纯， 需要何种界面形态？采用下面哪 一种方法更好：短的初始过渡区？Scheil 方式凝固？为什么？ 6. 试论证金属-金属共晶生长时，如果某一相的体积分数小于 现。 7. 选择什么样的金属材料容易形成非晶态？ 8. 焊接熔池的凝固有何特征？从凝固条件与凝固组织形态方面分析焊缝凝固与铸锭凝固 的区别。
（i=1,2,…,12）均为常数，试求应变分量 ε ij 。 11. 某一应变状态的应变分量 γ xy 及 γ yz 等于零，此条件是否能说明 ε x ， ε y ， ε z 中之一为 主应变？ 12. 若物体内 x 方向的应变为 ε ，y 方向应变为 − ε ，z 方向为零，试求与 x 轴成 ± 45 向上