華中科技大學(xué)2007年招收碩士研究生入學(xué)考試試題答案考試科目：材料成形原理 適用專業(yè)：材料加工工程、數(shù)字化材料成形、環(huán)境科學(xué)與工程(本答案按“液態(tài)成形理論基礎(chǔ)”、“連接成形理論基礎(chǔ)”和“金屬塑性成形力學(xué)”三個部分列出)(A卷部分)三、簡述題1. 影響液態(tài)金屬界面張力的主要因素是什么？ 影響液態(tài)金屬界面張力的主要因素是：(1)金屬的熔點，金屬的熔點、沸點越高，則表面張力往往就越大；(2)溫度，大多數(shù)金屬和合金的表面張力隨溫度升高而降低，但對鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相反。(3)溶質(zhì)元素，表明活性元素降低界面張力，非表明活性元素增加表面張力、2. 簡述純金屬晶體宏觀長大方式。晶體的宏觀長大方式有平面生長方式和樹枝晶生長方式。當(dāng)固液界面前方液體中的為正溫度梯度時，界面前方液體的過冷區(qū)及過冷度很小，晶體生長時凝固潛熱的析出方向同晶體生長方向相反，一旦某一晶體生長伸入液相區(qū)就會被重新熔化，導(dǎo)致晶體以平面方式生長。當(dāng)固液界面前方液體中的為負(fù)溫度梯度時，界面前方液體的過冷區(qū)較大，界面上凸起的晶體將快速伸入過冷液體中，成為樹枝晶生長方式。3. 影響鑄件凝固方式的因素有哪些？影響鑄件凝固方式的因素有二，一是合金的化學(xué)成分；二是鑄件斷面上的溫度梯度。純金屬和共晶成分的合金，凝固區(qū)TL-TS0，屬層狀凝固；當(dāng)合金的液相線溫度和固相線溫度相差很大時，此時凝固范圍很寬，則稱為體積凝固方式或稱糊狀凝固方式。但是，若溫度梯度較小時，鑄件的凝固方式由層狀變成糊狀的凝固方式。 4. 成分過冷的判據(jù)是什么？ 成分過冷的判據(jù)是： 其中：GL為固液界面前方的溫度梯度，v為生長速度，mL為液相線斜率，C0為溶質(zhì)的原始濃度，k0為溶質(zhì)分配系數(shù)，DL為溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。5. 何為反應(yīng)性氣孔，有何特征？金屬液和鑄型之間或在金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔，稱為反應(yīng)性氣孔。 金屬一鑄型間反應(yīng)性氣孔，通常分布在鑄件表面皮下13mm，表面經(jīng)過加工或清理后，就暴露出許多小氣孔，所以通稱皮下氣孔，形狀有球狀、梨狀。 另一類反應(yīng)性氣孔是金屬內(nèi)部化學(xué)成分之間或與非金屬夾雜物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，呈梨形或團(tuán)球形，均勻分布。B卷(75分)液態(tài)成形理論基礎(chǔ)1. 答案要點： (1) 立方體晶核的吉布斯自由能的變化：對上式求導(dǎo)：令，可得臨界晶核的邊長 又： 所以： (2) 在過冷度時，球形晶核的臨界自由能變化為因為 、L、相同，所以，球形晶核比立方晶核更容易形成。2. 答案要點： (1) 由題目給出的參數(shù)可計算出k0。 凝固10%時，fs = 10%, fL = 90%, C0 = 1%(2) 共晶體所占比例為為時的即凝固完畢時，共晶體所占比例為：1.47 (3) 成分的分布如圖：0.17%33%fS=98.53%單相共晶體5.65%3. 答案要點：由于灰鑄鐵和球墨鑄鐵的共晶凝固方式和石墨長大的機(jī)理不同，產(chǎn)生縮孔和縮松的傾向性有很大差別。 灰鑄鐵共晶團(tuán)中的片狀石墨，與枝晶間的共晶液體直接接觸，因此片狀石墨長大時所產(chǎn)生的體積膨脹大部分作用在所接觸的晶間液體上，迫使它們通過枝晶間通道去充填奧氏體枝晶間由于液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的小孔洞，從而大大降低廠灰鑄鐵產(chǎn)生縮松的嚴(yán)重程度。這就是灰鑄鐵的所謂“自補(bǔ)縮能力”。被共晶奧氏體包圍的片狀石墨由于碳原子的擴(kuò)散作用，在橫向上也要長大，但是速度很慢。石墨片在橫向上長大而產(chǎn)生的膨脹力作用在共晶奧氏體上，使共晶團(tuán)膨脹，并傳到鄰近的共晶團(tuán)上或奧氏體枝晶骨架上，使鑄件產(chǎn)生縮前膨脹。這種縮前膨脹會抵消一部分自補(bǔ)縮效果，但是，由于這種橫向的膨脹作用很小而且是逐漸發(fā)生的，同時因灰鑄鐵在共晶凝固中期，在鑄件表面已經(jīng)形成硬殼，因此灰鑄鐵的縮前膨脹一般只有0.1%0.2%左右。所以，灰鑄鐵件產(chǎn)生縮松的傾向性較小。球墨鑄鐵在凝固過程中，當(dāng)石墨球長大到一定程度后四周形成奧氏體外殼、碳原于是通過奧氏體外殼擴(kuò)散到共晶團(tuán)中使石墨球長大，當(dāng)共晶團(tuán)長大到相互接觸后，石墨化膨脹所產(chǎn)生的膨脹力，只有一小部分作用在晶間液體上，而大部分作用在相鄰的共晶團(tuán)上或奧氏體枝晶上，趨向于把它們擠開。因此，球墨鑄鐵的縮前膨脹比灰鑄鐵大得多。由于按照體積凝固方式凝固，鑄件表面在凝固后期沒有形成堅固的外殼，如果鑄型剛度不夠，膨脹力將迫使型壁外移。隨著石墨球的長大，共晶團(tuán)之間的間隙逐步擴(kuò)大，使得鑄件普遍膨脹。共晶團(tuán)之間的間隙就是球墨鑄鐵的顯微縮松，并布滿鑄件整個斷面，所以球墨鑄鐵鑄件產(chǎn)生縮松的傾向性很大。如果鑄件厚大，球墨鑄鐵鑄件這種較大的縮前膨脹也會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔。如果鑄型剛度足夠大，石墨化的膨脹力能夠?qū)⒖s松擠合。在這種情況下，球墨鑄鐵也可看作是具有“自補(bǔ)縮”能力。4. 答案要點 內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。關(guān)于等軸晶晶核來源及形成有四種理論(1) 過冷熔體直接形核理論隨著柱狀晶層向內(nèi)推移和溶質(zhì)再分配，在固液界面前沿產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷的過冷度大于非自發(fā)生核所需過冷度時，則產(chǎn)生晶核并長大，導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。(2) 激冷晶游離理論澆注期間和凝固初期的激冷晶游離隨著液流漂移到鑄件心部，通過增殖，長大形成內(nèi)部等軸晶。(3) 型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖理論基點為溶質(zhì)再分配。(4) “結(jié)晶雨”游離理論根據(jù)這一理論，凝固初期在液面處的過冷熔體中產(chǎn)生過冷并形成晶核及生長成小晶體，這些小晶體或頂部凝固層脫落的分枝由于密度比液態(tài)金屬大而像雨滴似地降落，形成游離晶體。這些小晶體在生長的柱狀晶前面的液態(tài)金屬中長大形成內(nèi)部等軸晶。 (A卷部分)二、判斷題：（判斷下列論述是否正確。答錯不扣分，答對每小題1.5分）(1) 速度快，焊縫中柱狀晶成長的最大速度有時可能超過焊接速度。（錯）(2) 低合金高強(qiáng)鋼焊接時，通常的焊接工藝為：采取預(yù)熱、后熱處理，大的線能量。（錯）(3) 當(dāng)電弧電壓增加時，熔池的最大深度增大；焊接電流增加，熔池的最大寬度增大。（錯）(4) 電弧電壓增加，焊縫含氮量增加；焊接電流增加，焊縫含氮量減少。(對)(5) 藥皮熔點高于熔渣熔點，而且藥皮熔點越高，則熔渣的熔點越高。(對)(6) 酸性渣一般稱為長渣，堿性渣為短渣。前者不適宜于仰焊，后者可適用于全位置焊。(對)三、簡述題（16分）(6) 是堿性焊條還是酸性焊條對工件表面鐵銹（FeOnH2O）更敏感？簡述其理由。（4分）答：堿性焊條對鐵銹更敏感。（1.5分）堿性渣中含SiO2，TiO2等酸性氧化物少，F(xiàn)eO的活度大，容易向液態(tài)金屬擴(kuò)散，使其焊縫含氧量增加。（2.5分）(7) 什么是HAZ？簡述HAZ脆化的類型及產(chǎn)生條件。（6分）答：熔焊時在焊接熱源作用下，焊縫周圍母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)（HAZ）。（1.5分） HAZ脆化有多種類型：粗晶脆化、組織脆化、析出脆化、氫脆等。（1分） 粗晶脆化：熔合區(qū)和過熱區(qū)因熱循環(huán)峰值溫度高，常發(fā)生粗晶脆化；（1分）組織脆化：焊接低合金高強(qiáng)鋼時，因冷卻速度慢可能在HAZ某些區(qū)域形成M-A組元；（1分）析出脆化：焊前母材為過飽和固溶體，在焊接熱作用下產(chǎn)生時效或回火效果，碳化物或氮化物析出造成塑性及韌性下降；（1分）氫脆：氫擴(kuò)散至HAZ而引起的塑性下降（脆化）。（0.5分）(8) 簡述焊接熔池的特征。（6分）答：熔池體積小，冷卻速度大；（1.5分） 熔池溫度高，熔池金屬處于過熱狀態(tài)；（1.5分） 熔池金屬處于運動狀態(tài)，熔池中存在著各種力的作用；（1.5分） 熔池界面的導(dǎo)熱性好，溫度梯度大。（1.5分）C卷(75分)連接成形理論基礎(chǔ)三、論述題（75分）(1) 以手弧焊為例，試分析對接焊縫橫向焊接殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)及消除或減小焊接殘余應(yīng)力的方法。（15分）答：1）橫向殘余應(yīng)力由兩部分組成：一是由焊縫及HAZ的縱向收縮引起的；二是由于焊縫及HAZ的橫向收縮引起的。離焊縫距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越低。（1分） 2）縱向收縮引起的橫向應(yīng)力，焊縫兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，焊縫中段產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，焊縫兩端壓應(yīng)力最大值比拉應(yīng)力最大值大得多。焊縫越長，中間段拉應(yīng)力會有所降低，并逐漸趨于零。（6分，未能正確畫出示意圖扣1-2分） 3）橫向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力分布與焊接方向、焊接順序有關(guān)。（2分） 直通焊、從中間向兩端焊、從兩端向中間焊時的橫向應(yīng)力分布：（畫出下列示意圖a），b），c）各給1分，共3分） 4）減小或消除焊接殘余應(yīng)力的方法： 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計；合理的焊接工藝；采用熱處理方法、機(jī)械法、共振法等方法。（3分，沒有一定的展開論述，酌扣11.5分） (2) 分析焊接時熱裂紋產(chǎn)生的原因，并以奧氏體鋼焊接為例說明防止熱裂紋的措施。（15分）答：熱裂紋主要有凝固裂紋和液化裂紋。焊接熱裂紋的形成原因：(7分) 焊接熱裂紋是一種高溫沿晶斷裂而形成的裂紋。焊縫凝固過程中，在枝晶間存在低熔共晶的薄層，此時材料的塑性變形能力很低，在冷卻過程中不可避免的產(chǎn)生收縮應(yīng)變，當(dāng)收縮應(yīng)變大于材料此時的塑性應(yīng)變的能力時，即產(chǎn)生焊接熱裂紋。 焊縫在凝固過程中所出現(xiàn)的晶間塑性應(yīng)變能力的應(yīng)變區(qū)間叫做脆性溫度區(qū)，不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險性越大。奧氏體鋼焊接熱裂紋的影響因素(4分，未答全者酌扣0.51分)a.化學(xué)成分偏析：奧氏體鋼由于含鎳量高,有害雜質(zhì)P和S的有害作用顯著增強(qiáng)。單相奧氏體焊縫中，P的偏析、Si的偏析，形成低熔共晶。 b.焊縫的組織：奧氏體鋼焊縫晶粒大小的影響，晶粒越粗越易產(chǎn)生裂紋。 c.焊縫冷卻的速度 （層間溫度、熱輸入量） d.焊縫的形狀 （成形系數(shù)） e.拘束度焊接熱裂紋的控制措施(4分，未答全者酌扣0.51分) a.成分控制：控制含硫量、含磷量； 焊接材料的選擇，奧氏體焊條的選擇，焊縫組織控制（控制含量），加入細(xì)化晶粒元素（Mo、V、Ti、Nb） b.工藝措施 限制過熱、控制成形系數(shù)、控制熔合比、降低拘束度、嚴(yán)格要求裝配質(zhì)量(3) 已知焊條藥皮質(zhì)量系數(shù)為0.4，焊絲中含Mn9，其過渡系數(shù)為0.8，母材中含Mn1.5%, 熔合比0.2。要求焊縫中含Mn12以確保其耐磨性能，藥皮中要加入多少含Mn75的錳鐵合金粉？（15分）答：計算依據(jù)合金元素的過渡系數(shù)：熔敷金屬中的實際含量與它原始含量之比。式中，Cd為合金元素在熔敷金屬中的含量；Ce為合金元素的原始含量；Ccw為合金元素在焊絲中的含量；Cco藥皮中的含量；Kb焊條的質(zhì)量系數(shù)，即單位長度焊條藥皮質(zhì)量與焊芯質(zhì)量之比。（寫出上式，5分） 而焊縫金屬中合金元素Mn的實際濃度與熔合比的關(guān)系為：（寫出上式，5分）由此兩式，可以計算，若焊縫中Mn12，藥皮中Mn的含量至少為23.2%。（計算至此加3分）則需加至少30.9%的含Mn75的錳鐵合金粉。（）（計算至此加2分）(4) 試述焊接時活性熔渣對金屬的氧化方式，并以CO2氣體保護(hù)焊為例，說明選擇焊絲的原則及脫氧措施。（15分）答：活性熔渣對金屬的氧化方式：1）擴(kuò)散氧化（4分）FeO既溶于渣，又溶于鋼液，因此能在熔渣與鋼液之間進(jìn)行擴(kuò)散分配，在一定溫度下平衡時，它在兩相中的濃度符合分配定律：溫度不變時，增加熔渣中的FeO濃度，它將向液態(tài)金屬中擴(kuò)散，使金屬中的氧含量增加。2）置換氧化（4分）鐵或其它金屬置換出其它氧化物中元素而自身氧化的過程。Fe+(XO) (FeO)+X 3）CO2氣體保護(hù)焊時，硅-錳聯(lián)合脫氧原則。常在焊絲中加適當(dāng)比例的錳和硅，可以減少焊縫中的夾雜物，脫氧產(chǎn)物可形成硅酸鹽MnOSiO2，各國實用的焊絲中Mn/Si=1.53。（4分）常用脫氧方法：錳的脫氧、硅的脫氧、硅錳聯(lián)合脫氧、擴(kuò)散脫氧等。（3分，不能寫出相關(guān)反應(yīng)式酌扣11.5分）(5) 下圖是幾種因素對結(jié)晶形態(tài)的影響，其中縱、橫坐標(biāo)各代表什么？并結(jié)合該圖討論焊接熔池凝固組織的特點。？并結(jié)合該圖討論焊接熔池凝固組織的特點。（15分）答：縱坐標(biāo)C0（%）表示溶質(zhì)濃度，橫坐標(biāo)為G/R1/2 ，(3分)其中G表示溫度梯度，R表示結(jié)晶速度。（2分）G/R1/2平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶柱狀樹枝晶等軸樹枝晶C0, 0該圖表明，焊縫結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的溶質(zhì)的濃度C0、結(jié)晶速度R和液相中