《材料成型基本原理》刘全坤版 第11章答案

第11章凝固缺陷及控制

1.何谓枝晶偏析、晶界偏析、正偏析、负偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析？ (2)

2.偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？生产中如何防止偏析的形成？ (2)

3.焊缝的偏析有哪些类型？为什么说熔合区是焊接的薄弱部位？ (3)

4.分析偏析对金属质量的影响？ (3)

5简述析出性气体的特征、形成机理及主要防止措施。 (4)

6、焊缝中的气孔有哪几种类型？有何特征？ (5)

7、试述夹杂物的形成原理、影响因素及主要防止措施。 (5)

8、何谓体收缩、线收缩、液态收缩、凝固收缩、固态收缩和收缩率？ (6)

9、分析缩孔的形成过程，说明缩孔与缩松的形成条件及形成原因的异同点。 (7)

10、分析灰铸铁和球墨铸铁产生缩孔、缩松的倾向性及影响因素。 (7)

11、简述顺序凝固原则和同时凝固原则各自的优缺点和适用范围。 (8)

12、焊件和铸件的热应力是如何形成的?应采取哪些措施予以控制? (9)

13、简述凝固裂纹的形成机理及防止措施。 (10)

14、何谓液化裂纹？出现在焊接接头的哪个区域？为什么？ (11)

15. 试叙冷裂纹的种类及特征 (12)

16、分析氢在形成冷裂纹中的作用，简述氢致裂纹的特征和机理。 (12)

17、为什么低合金钢冷裂纹容易出现在焊接热影响区及焊根、焊趾部位？ (13)

18、何谓拘束度和拘束应力？两者的影响因素有哪些？他们对冷裂纹的形成有何影响？.13

19、如何防止焊件和铸件产生冷纹？ (13)

第11章凝固缺陷及控制习题解答

1.何谓枝晶偏析、晶界偏析、正偏析、负偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析？

答：枝晶偏析，又称晶内偏析，是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。对于溶质分配系数k0<1的固溶体合金，晶粒内先结晶部分含溶质较少，后结晶部分含溶质较多。这种成分不均匀性就是晶内偏析。固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，因此又称为枝晶偏析。

晶界偏析：在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。

正偏析与负偏析：根据合金各部位的溶质浓度Cs与合金原始平均浓度C0的偏离情况分，凡Cs＞C0者，称为正偏析；Cs＜C0者，称为负偏析。

正常偏析：当合金的溶质分配系数k0<1时，凝固界面的液相中将有一部分溶质被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高。当k0>1时则与此相反，越是后来结晶的固相，溶质浓度越低。按照溶质再分配规律，这些都是正常现象，故称之为正常偏析。

逆偏析：铸件凝固后常出现与正常偏析相反的情况，即k0<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏析。

重力偏析：重力偏析是由于重力作用而出现的化学不均匀现象，通常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。当共存的液体和固体或互不相溶的液相之间存在密度差时，将会产生重力偏析。

2.偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？生产中如何防止偏析的形成？

答：偏析主要是由于合金在凝固过程中扩散不充分、溶质再分配而引起的。

影响偏析的因素有：1）合金液、固相线间隔；2）偏析元素的扩散能力；3）冷却条件。

针对不同种类的偏析可采取不同的防止方法，具体有：

（1）生产中可通过扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析，即将合金加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化；

（2）预防和消除晶界偏析的方法与晶内偏析所采用的措施相同，即细化晶粒、均匀化退火。但对于氧化物和硫化物引起的晶界偏析，即使均匀化退火也无法消除，必须从减少合

金中氧和硫的含量入手。

（3）向合金中添加细化晶粒的元素，减少合金的含气量，有助于减少或防止逆偏析的形成。

（4）降低铸锭的冷却速度，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力减小，促进富集液的流动，均会增加形成V形和逆V形偏析的倾向。

（5）减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固-液界面前的对流和搅拌，均有利于防止或减少带状偏析的形成。

（6）防止或减轻重力偏析的方法有以下几种：1）加快铸件的冷却速度，缩短合金处于液相的时间，使初生相来不及上浮或下沉；2）加入能阻碍初晶沉浮的合金元素。例如，在Cu-Pb合金中加少量Ni，能使Cu固溶体枝晶首先在液体中形成枝晶骨架，从而阻止Pb下沉。再如向Pb-17％Sn合金中加入质量分数为1.5%的Cu，首先形成Cu-Pb骨架，也可以减轻或消除重力偏析；3）浇注前对液态合金充分搅拌，并尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。

3.焊缝的偏析有哪些类型？为什么说熔合区是焊接的薄弱部位？

答：焊缝的偏析主要有区域偏析和层状偏析。

熔合区是焊接的薄弱部位这是因为熔合区位于焊缝和母材的交界处，是焊缝和母材的过渡区，熔合区存在着严重的化学成分不均匀性，同时还存在着物理不均匀性。因此熔合区在组织和性能上也是不均匀的，因此成为焊接接头的薄弱部位。

4.分析偏析对金属质量的影响？

答：偏析对合金的力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等有程度不同的损害。

1）晶内偏析的存在，使晶粒内部成分不均匀，导致合金的力学性能降低，特别是塑性和韧性降低。此外，晶内偏析还会引起合金化学性能不均匀，使合金的抗蚀性能下降。

2）晶界偏析比晶内偏析的危害性更大，它既能降低合金的塑性和高温性能，又能增加热裂倾向，因此必须加以防止。

3）正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和处理也难以根本消除，故应采取适当措施加以控制。

4）逆偏析会降低铸件的力学性能、气密性和切削加工性能。

5）层状偏析是不连续的具有一定宽度的链状偏析带，带中常集中一些有害元素（碳、