塑性成形原理习题及答案

一、名词解释（每题3分，共15分）1．非均质形核答：液态金属中新相以外来质点为基底进行形核的方式。

2．粗糙界面与光滑界面答：粗糙界面：a≤2，固液界面上有一半点阵位置被原子占据，另一半位置则空着，微观上是粗糙的；光滑界面：a＞2，界面上的位置几乎被原子占据，微观上是光滑的。

3．内生生长与外生长答：内生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式外生生长：在液体内部生核自由生长的生长方式。

4．沉淀脱氧答：沉淀脱氧是指将脱氧元素（脱氧剂）溶解到金属液中与FeO直接进行反应而脱氧，把铁还原的方法。

5．缩孔缩松答：缩孔：纯金属或共晶合金铸件中最后凝固部位形成的大而集中的孔洞；缩松：具有宽结晶温度范围的合金铸件凝固中形成的细小而分散的缩孔。

二、填空（每空1分，共15分）1．液体原子的分布特征为长程无序、短程有序，即液态金属原子团的结构更类似于固态金属。

2．界面张力的大小与界面两侧质点结合力大小成反比。

衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小。

润湿角越小，说明界面能越小.3．金属结晶形核时，系统自由能变化△G由两部分组成，其中相变驱动力为体积自由能的降低，相变阻力为表面能的升高。

4．一般铸件的宏观组织由表面细晶区、柱状晶区和内部等轴晶区三个晶区组成。

5．根据熔渣随温度变化的速率可将焊接熔渣分为“长渣”与“短渣”。

“长渣”是指随温命题教师注意事项：1、主考教师必须于考试一周前将试卷经教研室主任审批签字后送教务科印刷。

2、请命题教师用黑色水笔工整地书写题目或用 A4 纸横式打印贴在试卷版芯中。

6．金属中的气孔按气体来源不同可分为析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔。

三、间答（每题5分，共30分）1．铸件的凝固方式及影响因素。

答：铸件凝固方式：体积凝固，中间凝固和逐层凝固方式影响因素包括：金属的化学成分和结晶温度范围大小、铸件断面上的温度梯度。

2．用图形表示K0＜1的合金铸件单向凝固时，在以下四种凝固条件下所形成的铸件中溶质元素的分布曲线：（1）平衡凝固；（2）固相中无扩散而液相中完全混合；（3）固相中无扩散而液相中只有扩散；（4）固相中无扩散而液相中部分混合。

答：几种条件下的溶质分布如图所示：3. 共晶凝固过程中的共生生长与离异生长答：共生生长：共晶结晶时，后析出的相依附于领先析出的相表面析出，两相具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿的横向扩散，彼此偶合地共同向前生长。

离异生长：共晶两相的析出在时间上和空间上是彼此分离的，没有共生共晶的特征。

4. 简述扩散脱氧的原理。

说明熔渣碱度对扩散脱氧的影响？答：在液态金属与熔渣的界面上进行的，以分配定律为理论基础：L=[FeO]/(FeO)通过减少熔渣中的(FeO)含量使金属液中的[FeO]向熔渣中扩散，从而脱去金属中的氧的方法。

酸性渣中的酸性氧化物与FeO 生成复合物使其活度减小，而有利于液态金属的氧向熔渣扩散，因此脱氧能力强，相反碱性渣中FeO 的活度大，扩散脱氧的能力小。

5. 焊接熔池凝固结晶的特点。

答：熔池结晶的特点是：（1）联生结晶，或外沿生长（2）择优生长，柱状晶弯曲地指向焊缝中心。

6. 简述凝固裂纹的形成机理。

答：具有宽结晶温度范围的合金，以枝晶凝固方式，在凝固后期，枝晶形成骨架，即固液态下，尚未凝固的低熔点成分分布于枝晶之间，形成液膜，在收缩应力作用下，液膜被拉开形成微小缝隙，即热裂纹。

四、综合分析（共40分）1. 固相无扩散、液相只有扩散情况下产身成分过冷的判据及影响成分过冷的因素，说明成分过冷对结晶形貌的影响？（15分）答：成分过冷判据：影响成分过冷的因素：液相中温度梯度G L越小，成分过冷越大；生长速度R 越大，成分过冷越大；液相线斜率m L 越大，成分过冷越大；合金原始成分C 0越大，成分过冷越大； 扩散系数D L 越小，成分过冷越大；分配系数K 0越小，成分过冷越大。

成分过冷对结晶形貌的影响：当C 0一定时，随着G L 减小，或R 增大时，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G L 、R 一定时，随C 0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。

一、名词解释及简答题（共18分）1. 粗糙界面与光滑界面及其判据（6分）固－液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构，称为粗糙界面；（2分）固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据，只留下少数空位或台阶，称为光滑界面。

（2分）根据Jackson 因子（）大小可以判断：（2分）α≤2的物质，凝固时固-液界面为粗糙面，α＞5的物质，凝固时界面为光滑面，2. 集中缩孔的形成机理（4分）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。

3. 沉淀脱氧及其优、缺点（4分）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。

（2分）优点：脱氧速度快，脱氧彻底。

（1分）缺点：脱氧产物不能清除时易形成夹杂。

（1分）4. 焊接熔渣的长渣与短渣（4分）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。

（2分）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。

（2分）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）5. 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：6. 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。

（15分）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K=0.5。

（3分）（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%。

（5分）（3）（7分）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）（10分）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。

（2分）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。

（8分）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。

（15分）答：凝固热裂纹的形成主要取决于：（1） 脆性温度区间；T B ，T B越大，热裂纹倾向越大；（2分） （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；（2分）（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； （2分）凝固温度区间越大，凝固成分偏析越严重，T B越大，因此，热裂纹倾向越大。

（3分） 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 ，Fe 3P 、Fe 2P 等，在最后凝固的晶界处形成液膜，从而增加热裂纹倾向；（2分）C 的影响：随着含C 量增加，钢的凝固温度区间增大，即T B越大因此增加热裂纹倾向，同时C 还加剧S 、P 的有害作用；（2分） 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（2分）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C 0、晶体生长速度R 、界面前沿液相中的温度梯度G L 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。