金属材料成型原理

金属材料成型原理

铸造部分

*液态金属的判断方法：间接法：通过固——液态、固——气态转变后的一些物理性质的变

化判断液态原子的结合状况。

直接法：通过液态金属的X射线或中子线的结构分析研究液态的原子

排列情况。

偶分布函数：距某一参考粒子r处找到另一粒子的概率

液态金属结构的主要特征：进程有序（存在很多不停游离的居于有序的原子集团），远程无

序（不具备对称性、平移性）

三种起伏：能量起伏：能量高低不同

结构起伏：结构的此消彼长

浓度起伏：浓度分布不同

充型能力：液态金属充满型腔，获得外形完整、轮廓清晰的铸件的能力。

*影响充型能力的因素：金属性质、铸型性质、浇注条件、铸件结构

螺旋图P17

流动性的测定方法：螺旋线法、真空法p17 1-16 1-17

提高充型能力的措施：正确选择合金的成分、合理的熔炼工艺“高温出炉，低温浇注”

铸件凝固方式：逐层凝固方式、体积凝固方式、中间凝固方式（取决于凝固区域的宽度）影响铸件凝固方式的因素：合金成分、铸件断面温度梯度

金属凝固过程中的传热图P26-27

液态成型：将金属液浇入铸型后，凝固后获得一定形状和性能的铸件的方法

影响铸件温度场的因素：金属性质、铸型性质、浇注条件、铸件结构

均质形核：在没有任何外来界面的均匀熔体种的形核过程。

非均质形核：在不均匀熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程。

固液界面的微观结构分为：粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置有一半左右为固相原子所占据。这些原子散乱地随机分布在界面上，形成一个坑坑洼洼、凹凸不平的界面层。

平整界面：固液界面固相一侧表面的点阵位置几乎全部为固相原子所占据，只留下少数空位或台阶，从而形成了一个整体上平整光滑的界面结构。

相变驱动力：固液两相自由能之差△G。

凝固过程中溶质分配的平衡条件：凝固界面上溶质迁移的平衡、固相液相内部扩散的平衡热过冷：金属凝固时所需的过冷度完全由传热所提供，仅由溶体实际温度分布决定

成分过冷：由溶质再分配导致界面前方溶体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷度成为成分过冷。产生条件：平衡液相凝固温度大于同一点的实际温度（纯金属或共晶合

金的金属无成分过冷）

溶质再分配：从形核到结晶完毕，固液两相内部不断进行着溶质元素的重新分配的过程。平衡结晶：在结晶过程中，固液两相都能通过充分传质而使成分完全均匀并达到平衡相图对应温度的平衡成分。

非平衡结晶的三种方式：固相无扩散，液相均匀混合；固相无扩散，液相有限扩散；固相无

扩散，液相部分扩散。

影响成分过冷的因素：凝固过程的工艺条件晶体生长速度合金性质

内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式。

外生生长：晶体自行形核，然后由外向内单向延伸的生长方式。

铸件宏观组织包含表面细晶区、柱状晶区、等轴晶区。

等轴晶区的获得：低温浇注、采用合理的浇铸注工艺、合理控制冷却条件、孕育处理、强制对流

晶粒细化的方法：机械振动、超声波、搅拌、流变铸造。

偏析：合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象，分为微观偏析和宏观偏析

微观偏析：微小范围内的化学不均匀现象，分为胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析

宏观偏析：正常偏析：符合溶质再分配规律

逆偏析：当合金溶质分配系数小于1，表面或底部含溶质元素较多，而中心或上部分溶质较少的现象

气孔：析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔。

影响气孔的因素：金属液原始含气量、冷却速度、合金成分、气体性质

防止气孔的措施：1、采取烘干、除湿等措施，防止或减少气体进入金属液2、严格控制合金中氧化性较强元素的含量3、严格控制水分4、适当提高浇注温度5、

尽量保证金属液平稳进入铸型

影响缩松与缩孔的因素：金属的性质、铸型条件、浇注条件、铸件尺寸、补缩压力

防治措施：1、采用顺序凝固和同时凝固原则2、浇注温度和速度的调整3、使用冒口、补贴和冷铁4、加压补缩

焊接

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的变化过程。

碳当量：碳当量反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素按其对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。

焊接刚性：对接接头根部间隙发生单位长度的弹性位移时，在单位长度焊缝所承受的力。药皮的碱度：碱性氧化物质量分数与酸性氧化物质量分数的比值。

焊接结晶裂纹：裂纹产生于凝固初期的脆性温度区间l内，称结晶裂纹。防止要点：改善焊缝凝固结晶、细化晶粒。通过第三元素的加入来改变有害杂质的分布形态。尽可能减少应变量及应变增长率。

冷裂纹：由于材料在室温下附近温度下脆化而形成的裂纹。防止要点：尽可能降低拘束应力，消除一切氢的来源，并改善组织。

按照焊接尺寸的特征，可以将热源模型简化为几种类型？并简述其特征

答：半无限大物体在三维方向导热无限，此时热源为点热源无限薄物体在X,Y方向导热无限，此时热源为线热源无限长细杆只在X方向导热无限，热源为面热源

焊缝凝固组织有哪两种？凝固组织的金相组织由哪几种结晶形态组成？

答：焊缝凝固组织主要为柱状晶和等轴晶，凝固组织的金相组织由平滑界面，胞状晶，胞状树枝晶，柱状树枝晶，等轴状树枝晶组成。

今有工程机械横梁需要焊接，欲采用焊条电弧焊焊接，母材的强度为500MPa，焊缝承载较大，尤其是要防止冷裂纹的产生，请选择合适的药皮类型，解释焊条牌号的意义，并解释其焊接冶金原理。

承载较大，并防止冷裂纹，表明焊条能够承受较高载荷，应该选碱性药皮，根据母材强度，选择J507焊条。J—结构钢焊条50—表示焊缝金属的抗拉强度值为500MPa 7—碱性焊条原理

今有中碳调质钢需要焊接，钢板的厚度为30毫米。请分析接头容易出现什么焊接缺陷，并分析接头热影响区组织分为哪几个部分，各部分的组织组成和形成机理。

中碳调质钢焊接淬火倾向较大，而且钢板厚度较大更容易产生淬火冷裂纹。中碳调质钢属于易淬火钢，热影响区分为完全淬火区，不完全淬火区完全淬火区组织组成为马氏体不完全淬火区组织组成为马氏体和铁素体。

锻压

塑性：是指固体金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

柔软性是反映金属的软硬程度，它是用变形抗力的大小来衡量的

机械性能拉伸试验测延伸率和断面收缩率扭转实验测扭转数和扭转角

冲击弯曲试验测冲击韧性镦粗试验测极限压缩率

磷硫氢都是有害元素，磷会引起冷脆，硫会引起红脆，氢会引起氢脆。

组织状态对塑性和变形抗力的影响：（1）晶粒度晶粒度越细小，愈有利于提高其塑性（2）金相组织若所含的合金元素在加工温度范围内与基本元素形成单相固溶体，则有较好的塑性；而所含元素和基本元素或其他元素形成化合物，则使塑性降低。

应力状态的影响：三向压缩塑性最好，两压一拉次之，两压一拉更次，三项拉应力塑性最坏。

应变状态的影响：两向压缩一向拉伸的塑性最好，一向压缩一向拉伸的塑性次之，一向压缩两向拉伸的塑性最差。当加工低塑性材料时，应采用三向压应力的压力加工方法（如挤压，加反压力挤压，闭式模锻）

超塑性：大变形，无缩颈，小应力，易成形。（有色金属的延伸率达到200%以上，黑色金属的延伸率达到100%以上）

固溶强化

弥散强化：阻碍位错的运动，产生强化效果。（球墨铸铁）

由于变形不均匀而产生附加应力和残余应力。（附加应力是由于变形不均匀小变形给大变形施加的力）

由于变形、加热和冷却不均匀，都会在工件内出现宏观级、显微级和原子级的附加应力，即所谓第一、第二、第三类附加应力，当外力取消后，在变形体内所留下来的附加应力称为残余应力。

临界应变，在变形初期，应力-应变曲线迅速升到一个峰值所对应的应变。

加工硬化：金属发生塑性变形随变形度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。

金属塑性变形的力学基础的假设：连续性假设匀质性假设各向同性假设初应力为零体积力为零体积不变假设

应力状态特征方程

应力摩尔圆

等效应力

对于任意坐标系

平面应力有一个面无切应力和正应力

平面应变z面没有变形，不能有切应力，可以有正应力。

平均应力

屈服准则

屈雷斯加屈服准则

式中K为材料屈服时的最大切应力，也称剪切屈服强度

米塞斯屈服准则

罗德参数

两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？误差最大值是多少？