材料成型原理考试整理

注：以下内容有我们班和材加班同学整理，只作复习参考使用！一、辨析题第二章：1、温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。①温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。②变化有两种，一种是不断升高，一种是不断降低，即正温度梯度和负温度梯度。③温度梯度是具有方向性的物理量。热扩散率：即热导率与比热和密度乘积的比值；单位为W/(m·k)2、根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为糊状凝固方式（体积凝固方式），固液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”第三章：3、均质形核P53非均质形核p55第四、五章4、成分过冷&热过冷热过冷是由于液体具有较大的过冷度时，在界面向前推移的情况下，结晶潜热的释放而产生的负温度梯度所形成的。可出现在纯金属或合金的凝固过程中，一般都生成树枝晶。成分过冷是由溶质富集所产生，只能出现在合金的凝固过程中，其产生的晶体形貌随成分过冷程度的不同而不同，当过冷程度增大时，固溶体生长方式由无成分过冷时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。5、离异共晶组织有两种情况“晶间偏析”和“晕圈”，它们有何区别？答：离异共晶组织有两种情况:“晶间偏析”和“晕圈”。晶间偏析的形成原因:由系统本身的原因:如果合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。当共晶转变时，一相就在初晶相的枝晶上继续长出，而把另一相单独留在枝晶间.由另一相的生核困难所引起:合金偏离共晶成分，初晶相长得较大。如果另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大而使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。晕圈的形成原因:由两相在生核能力和生长速度上的差别所引起的,所以在两相性质差别较大的非小晶面-小晶面共晶合金中常见到晕圈组织。7、熔渣的物化性质及与金属的相互作用与熔渣的内部结构有密切联系。关于熔渣的结构，存在两种理论：分子理论和离子理论(a)分子理论的主要依据是室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果。其要点如下：液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用。(b)离子理论基于对熔渣电化学性能的研究。其要点如下：液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于其它的综合矩。离子的综合矩越大，说明其静电场越强，与异号离子的引力越大。温度升高时，离子半径增大，综合矩减小液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交换电荷的过程。按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。按照离子理论，把液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。二、填空题1、热量传递的基本方式有热传导、热对流、热辐射。P312、凝固过程中，对凝固速度和凝固组织特征有重要影响的是固-液界面前沿液相中的温度梯度。3、热传导传热方式是凝固温度场和焊接温度场中热量传递的主要形式。P324、界面热阻对凝固温度场分布形态的影响程度取决于界面热阻在系统热阻中所占的比例大小。P39第三章5、新相与母相的自由能之差vG△即为相变驱动力。6、从原子尺度看固-液界面的微观结构可分为粗糙界面和光滑界面。P587、固-液界面结构主要取决于晶体生长时的热力学条件和晶面取向。P588、晶体生长方式有连续生长和台阶方式生长。台阶形成的方式有三种：形成二维晶核、螺旋位错、孪晶面。P609、描述“成分过冷”程度的两个指标:“成分过冷”的最大过冷度△Tmax及“成分过冷”的区域的宽度△X10、金属－金属间共晶及金属－金属间化合物共晶多为粗糙－粗糙界面共晶；金属－非金属共晶属于粗糙－光滑界面共晶；非金属－非金属属于光滑－光滑界面共晶。11、铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。12、细化等轴晶的常用方法：合理的浇注工艺、冷却条件的控制、孕育处理、动力学细化。13、快速凝固方法（作业第5题，可能为简答题）(a)液滴技术：把金属或合金熔体分散成小液滴（气体冲击雾化技术、离心雾化或喷射成形技术）以使这些小液滴在凝固前成为过冷度很大的液态金属气体。(b)急冷快速凝固技术：采用双向高速喷枪的冲击，通过旋转杯或盘的边缘离心力以及电场的作用来实现。标准方法是采用高速气流喷枪或水喷头急冷技术。(c)旋转技术：使液流保持一个很小的截面并与高效冷却器接触，以获得极大的冷却速度。(d)表面熔化技术：使材料的一个薄层快速熔化并与无限大散热器紧密接触，散热器通常是同一种材料或相关材料。14、焊接熔渣的类型(a)盐型熔渣：主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。熔渣氧化性很小，主要用于铝、钛等活性金属的焊接。(b)盐—氧化物型熔渣主要由氟化物和金属氧化物组成。熔渣氧化性较小，主要用于重要的低合金高强钢、合金钢及合金的焊接。(c)氧化物型熔渣：含有较多的弱碱金属氧化物，具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的焊接。15、低氢型焊条又称碱性焊条16、焊接区内的气体来源（7章第1题）(a)焊接材料(b)焊接区周围的气体介质(c)焊件表面(d)焊接区内的物理化学反应：有机物的分解和燃烧、材料的蒸发、气体的分解（简单气体、复杂气体的分解）第9、10章17、脱氧的方式：先期脱氧：在药皮加热阶段，固态药皮受热后发生的脱氧反应。沉淀脱氧：溶解在液态金属中脱氧剂与氧化铁直接反应，把铁还原，且脱氧产物浮出液态金属的过程。扩散脱氧：在金属液面凝固进行，以分配定律为基础的脱氧过程。真空脱氧：实质上是以降低CO分压为手段加强钢液中碳的脱氧能力。18、热源的方式：点热源、线热源、面热源三、简述题1、传热基本方式P312、铸件凝固方式的影响因素P41合金凝固温度区间的影响温度梯度的影响3、影响温度场的因素P43（最有可能）热源的种类和焊接规范焊件的形态与热物理性能的影响第三章：4、结合图3-9分析Jackson因子对固-液界面结构的影响？P59（非常可能）Jackson因子α可作为液-固微观界面结构的判据：凡α≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能最低，此时的固液界面（晶体表面）形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；凡α5的物质凝固界面为光滑，有机物及无机物属于此类；α=2~5的物质，常为多种方式的混合。5、0KP52怎样理解溶质平衡分配系数K0的物理意义及热力学意义？答：（1）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CS与液相合金成分浓度CL达到平衡时的比值：K0=LSCCK0＜1时，固相线、液相线构成的张角朝下，K0越小，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。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。（2）K0的热力学意义如下：根据相平衡热力学条件，平衡时溶质在固相及液相中化学位相等)()(TTSiLi经推导])()(exp[**0RTTTffCCKSoiLoiSiLiLS（1）稀溶液时，,1SiLiff于是有：])()(exp[**0RTTTCCKSoiLoiLS（2）K0＜1C0K0C0/K0TC*SC*LC0C，%T*平衡分配系数KO的物理意义由（1）及（2）式可知溶质平衡分配系数主要取决于溶质在液、固两相中的标准化学位，对于实际合金，还受溶质在液、固两相中的活度系数f影响。平衡时溶质在固相和液相中化学位相等，即)()(TTSiLi。当平衡被打破时，)()(TTSiLi。欲达到新平衡，只有通过溶质扩散改变液固两相溶质组元活度，从而建立新的平衡，使)()(TTSiLi。第四、五章6、产生晶间偏析的原因？答：晶间偏析的形成原因如下:(1)由系统本身的原因:如果合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。当共晶转变时，一相就在初晶相的枝晶上继续长出，而把另一相单独留在枝晶间.(2)由另一相的生核困难所引起:合金偏离共晶成分，初晶相长得较大。如果另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大而使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。7、枝晶间距与材料性能的关系？答：枝晶间距越小，组织就越细密，分布于其间的元素偏析范围就越小，故越容易通过热处理而均匀化。而且，这时的显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分散，与成分偏析相关的各类缺陷（如铸件及焊缝的热裂）也会减轻，因而也就越有利于性能的提高。8、试分析影响铸件宏观凝固组织的因素？答：铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的，稳定凝固壳层的形成决定着表面细晶区向柱状晶区的过度，而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成，因此凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。9、试述焊接熔池中金属凝固的特点。答：熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。（1）熔池金属的体积小，冷却速度快。在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3，冷却速度通常可达4～100℃/s，。（2）熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高。熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少。（3）动态凝固过程。一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热源而移动。（4）液态金属对流激烈。熔池中存在许多复杂的作用力，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混和与纯净。第6、7、8章10、气体的溶解度的影响因素（作业第2题）(a)压力的影响理想气体溶解度的平方根定律：P为气体分压，P↑→S↑K为常数，取决于T和金属种类.(b)温度的影响PkS当P不变时，S与温度的关系决定于溶解反应类型。反应吸热时，T↑，S↑；反应放热时，T↑，S↓。(c)合金元素的影响液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度。若加入的合金元素能与气体形成稳定化合物，则可降低气体的溶解度。(d)其它因素的影响：电流极性的影响焊接区气氛性质的影响11、气体对金属质量的影响（作业第3题，可能为简答题）(a)使材料脆化：钢材中H、N、O含量增加时，其塑性和韧性都将下降，尤其是低温韧性下降更为严重1、氮分布于晶界和晶内，使金属强度和硬度升高，塑性和韧性降低2、氢导致钢材脆化主要表现在两个方面：氢脆和白点。白点中心常有夹杂物或气孔。金属中含氢量越高，出现白点的可能性越大。一旦产生白点，金属塑性便会大大降低3、氧使金属强度、塑性和韧性明显下降。氧含量增加还会引起金属红脆、冷脆和时效硬化(b)形成气孔：H和N均能使金属产生气孔。溶解在液态金属中的O能与C反应生成CO来不及逸出也会产生气孔。(c)产生冷裂纹：H是促使产生冷裂纹的主要因素之一(d)引起氧化和飞溅：O可使钢中有益合金元素烧损，导致金属性能下降；焊接时若熔滴中含有较多O和C，则反应生成CO气体因受热膨胀会使熔滴爆炸而造成飞溅，影响焊接稳定性12、气体的控制措施（作业第4题，可能为简答题）(a)限制气体的来源控制氮的首要措施是加强对液态金属的保护，防止空气与金属接触。熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护氢主要来源于水分，限制措施为焊材存放过程中防吸潮、焊前烘干和去油污氧主要来源于焊材，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接