哈爾濱工業大學2002年碩士研究生入學考試試題考試科目:金屬學及熱處理

一、（10分）已知銅單晶的｛111卜110>滑移系得臨界分切應力為IMpa。直徑為1mm的銅單晶

絲受軸向拉伸,加載方向平行于單晶的［001］方向，若使銅單晶絲不產生明顯的塑性變形,求

此單晶絲能承受的最大軸向載荷是多少？（計算結果保留3位有效數字）

二、（15分）根據組元間固態下互不溶解的三元共晶相圖的投影圖（如右圖所示），說明0點成

分合金平衡結晶過程，畫出冷卻曲線示意圖，并寫出室溫下該合金的組織組成物相對含量的

表達式。

三、（15分）求珠光體組織中鐵素體相的相對含量是多少?若某鐵碳合金組織中除有珠光體外,

還有15%的二次滲碳體,試求該合金的含碳量是多少？

四、（15分）試敘述貝氏體的轉變特點,并比較與珠光體和馬氏體轉變的異同點。

五、（15分）什么是異分結晶？說明如何利用區域熔煉方法提純金屬。提純效果與什么因素有

關？

六、（15分）某廠對高鎰鋼制造的碎礦機顆板經1100℃加熱后,用嶄新的優質冷拔態鋼絲繩吊

掛，由起重吊車運往淬火水槽,行至途中鋼絲繩突然發生斷裂,試分析鋼絲繩發生斷裂的主要

原因。

七、（15分）用T10A鋼（Wc=l.0%,Acl=730℃,Accm=800℃）制造冷沖模的沖頭,試制訂預備熱

處理工藝（包括工藝名稱和具體參數），并說明預備熱處理的目的以及加熱轉變完成和冷至室

溫后獲得何種組織。

哈爾濱工業大學2003年考研專業課試卷金屬學及熱處理考研試題

考試科目：金屬學及熱處理

—>（20分）已知面心立方晶格的晶格常數為a,分別計算（100）、（110）和（111）晶面的

晶面間距；并求出［100］、［110］和［111］晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是

指該晶向上單位長度排列原子的個數）；寫出面心立方結構的滑移面和滑移方向，并說明原

因。（計算結果保留兩位有效數字）

二、（20分）右圖為組元在固態下完全不溶的三元共晶合金相圖的投影圖：

1.作mn變溫截面圖，分析01點成分合金的平衡結晶過程。

2.寫出01點成分合金室溫下的相組成物，給出各相的相對含量的表達式。

3.寫出01點成分合金室溫下的組織組成物，給出各組織組成物的相對含量的表達式

三、（25分）試述冷變形金屬在加熱時，其組織和性能發生的變化。

四、（20分）什么是離異共晶？舉例說明離異共晶產生的原因及對合金性能的影響。

五、（20分）求萊氏體中共晶滲碳體的相對含量是多少？若某鐵碳合金平衡組織中含有10%

的一次滲碳體，試求該合金的含碳量是多少？（計算結果保留兩位有效數字）

六、（20分）敘述板條馬氏體和下貝氏體的組織形態，并說明板條馬氏體和下貝氏體具有良

好強韌性的原因。

七、（25分）T10A鋼含碳量約為1.0%,Acl=730℃,Accm=800℃,Ms=175℃,該合金的

原始組織為片狀珠光體加網狀滲碳體，若用此鋼制作冷沖模的沖頭，說明需要經過那些熱處

理工序才能滿足零件的性能要求，寫出具體熱處理工藝名稱、加熱溫度參數、冷卻方式以及

各工序加熱轉變完成后和冷卻至室溫時得到的組織。

2。。2年上褊交通大學黃士輔究生入學就趣

1.對fee結構的晶體(點陣常數為a)

(1)分別計算原子在［100子［110］和［111］晶向上的原子密度,并說明哪個

晶向是密排方向：

(2)計算原子在(100),(110)和(111)晶面上的原子密度和三個面的面間距,

并指出面間距最大的晶面。

2.在fee,晶體中存在兩個位錯&和dz，若@的位錯線方向Z〃［U2］,柏氏

濃101^［110］

矢量a=2,山的分別為口5=2

(1)判斷哪個位錯為純刃型位錯，并求出其半原子面指數及滑移面指數；

(2)該刃型位錯如果發生分解形成擴展位錯，試寫出可能的位錯反應并圖

示；

(3)另外一個位錯柏氏矢量的刃型和螺型分量模各為多少？

3.對某簡單立方單晶體，其拉伸應力方向如附圖L2所示。該晶

體的滑移系為<100>{100}o

(1)求出每個滑移系的分切應力；

(2)判定哪幾組滑移系最容易開動。

4.有一合金試樣其晶界能為0.5J/m2,在退火前原始晶粒直徑為2.16X10:tcm,

屈服強度為108MPa。對該合金在700℃退火2h處理后其屈服強度降低為

3

82MPa0在退火過程中保溫1h時測得該合金放出熱量為0.021J/cm,繼續

保溫1h測得該合金又放出熱量0.014J/cm：io求如果該合金只在700c保溫1

h后的屈服強度。（已知合金單位體積內界面面積Sv與晶粒直徑d之間的關

系為Sv=2/d,且放出的熱量完全由于晶粒長大、晶界總面積減少所致。）

5.Fe-Si合金（wsi=0.03,bcc結構）的點陣常數d=0.3nm,經形變后研究其

回復再結晶機制。回復退火時材料發生多邊化過程，觀察到三個亞晶交于點

0（見附圖1.3）o經蝕坑法測得三段亞晶界（0A,0B和0C,其長度均為0.2nm）

的刃型位錯總數為1.198X10",設它們均勻分布構成亞晶界（a=120。,B

=80°）o

（1）求相鄰亞晶間的位向差9；

（2）若經再結晶后這些亞晶界在原來位置轉變為大角度晶界，且測得0A的

晶界能為0.8J/m2,求其他兩個晶界的晶界能。

6.滲碳可提高鋼的表面硬度。若在1000C對v-Fe滲碳，已知在距表面1?2mm

之間，碳濃度從5%（摩爾分數）降到4%。估算碳進入該區域的擴散通量J（摩

爾/n??s）。已知Y-Fe在1000℃時的密度為7.63g/cm3,擴散常數D0=2

X10-5m7s,激活能Q=142kj/mol,Fe的相對原子質量為55.85。

7.根據附圖1.4所示A-B二元共晶相圖（共晶溫度為600℃）,將此=10%的合

金，用同樣成分的籽晶在固相無擴散、液相完全不混合的條件下進行定向凝

固制成單晶，為了保持液一固界面在整個凝固過程中處于乎直狀態，試計算

界面處液相所需的最小溫度梯度Go已知凝固速度R=1cm/h,D=2X105

cm2/so

附圖1.3

8.畫出線型非晶態高分子形變一溫度曲線，從分子運動的觀點簡述其三種力學

狀態產生的起因。

9.根據Ag—Cu二元相圖(見附圖1.5)：

(1)寫出圖中的液相、固相線a和B相的熔解度曲線及三相恒溫轉變線；

(2)計算Ag-Cu合金(w,*=0.60)(y，y線)在點M對應溫度下液相和B相的

相對量；

(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖；

附圖1.5

10.在圖示(見附圖1.6)的固態完全不互熔的三元共晶相圖中，a、b、c分

別是組元A,B,C的熔點，e”e2,e3,分別是A-B,B-C,A-C二元共晶轉變

點，正為三元共晶轉變點(已知Ta>Tc>T?>Tl.3>Tel>Te2>TE)o

(1)畫出以下不同溫度⑴下的水平截面圖；

(a)T)T>Tb；(b)TC3>T>L1；(c)L2>T>TE(d)T^TE

(2)寫出圖中。合金的凝固過程及其室溫組織

北科大05

2005年北京科技大學

攻讀碩士學位研究生入學考試試題

考試科目：金屬學

適用專業：材料學、材料科學與工程、材料加工工程

說明：統考生做一至九題；單考生做??至六和十至十二題

一、晶體結構(20分)

1.什么是晶面族｛111｝晶面族包含哪些晶面？

2.面心立方結構金屬的［100］和正［111］晶向間的夾角是多少？｛100｝面間距是多少？

3.面心立方結構和密排六方結構金屬中的原子堆垛方式和致密度是否有差異?請加以說明。

二、合金相（15分）

1.解釋間隙固溶體和間隙相的含義，并加以比較。

2.為什么固溶體的強度常比純金屬高？

三、晶體缺陷（15分）

1.晶體內若有較多的線缺陷（位錯）或面缺陷（晶界、李晶界等），其強度會明顯升高，這些

現象稱為什么？強度提高的原因是什么？

2.上述的兩類缺陷是怎樣進入晶體的?舉例說明如何提高這些缺陷的數目？

四、相圖熱力學（10分）

利用圖10T的自由能-成分曲線說明，公切線將成分范圍分成三個區域，各區域內哪些

相穩定?為什么？

五、凝固（20分）

1.相同過冷度下比較均勻形核與非均勻形核的臨界半徑、臨界形核功、臨界晶核體積，哪

個大？

2.合金凝固時的液/固界面前沿通常比純金屬液/固界面前沿更容易出現過冷?為什么？

3.典型的金屬（如鐵）和典型的非金屬（如硅，石墨）在液相中單獨生長時的形貌差異是什么？

六、擴散（20分）

1.菲克第二定律的解之一是誤差函數解，C=A+Berf（x/2（Dt）l/2）,它可用于純鐵的滲碳過

程。若溫度固定，不同時間碳的濃度分布則如圖10-2。已知滲碳1小時后達到某一特定濃

度的滲碳層厚度為0.5mm,問再繼續滲碳8小時后，相同濃度的滲層厚度是多少？

2.圖10-3為測出的針在不同溫度及以不同方式擴散時擴散系數與溫度的關系，從該實驗數

據圖中能得出哪些信息?

七、形變（20分）

1.常溫卜一金屬塑性變形有哪些主要機制？它們間的主要差異是什么？

2.面心立方金屬銅在三種不同條件下的真應力-應變曲線如圖10-4。說明它們可能是在怎

樣的溫度和應變速率下形成的？為何有這樣的形狀？

3.什么是上、下屈服點效應（在純鐵或低碳鋼中）？原因是什么？

八、再結晶（20分）

1.給出金屬發生再結晶的基本條件（驅動力）。

2.指出再結晶、結晶、固態相變之間的主要區別。

3.圖10-5示意畫出一種常見的再結晶形核機制，請解釋該地點優先形核的原因和形核過

程。

4.再結晶動力學公式為X=l-e（-ktn）,各參數表示的含義是什么？以X—t的關系作圖，曲

線的形狀大致是怎樣的？如何處理可得一條直線?處理成直線有何用途？

九、固態相變（10分）

圖10-6為兩組鋁銅合金的時效強化曲線;討論成分變化及時效溫度對力學性能（這里是

硬度值）的影響，分析可能的原因。

十、固態相變（15分）

1.簡述時效（強化）處理的工藝路線及原理。

2.同素異晶轉變、馬氏體相變、脫溶轉變有何主要區別？

十一、形變（15分）

簡述單向壓縮條件下，形變量、形變溫度對金屬組織及性能的影響（包括晶粒形狀和位

錯亞結構的變化）？可用示意圖表示。

十二、鐵碳相圖（20分）

1.圖10-7a為鐵碳相圖，圖10-7b、c、d分別為3個不同成分（設為0.45%C、3.4%C、

4.7%C）的鐵碳合金緩冷凝固組織（包括隨后的固態相變、硝酸酒精浸蝕）。說明它們各是咖

個成分的合金，為什么？

2.分析圖10-7d組織的凝固過程，并計算該合金中白色長條狀組織的重量相對量（Fe3c含

6.69%C）?

參考答案

1.晶體中原子或分子排列相同的晶面的組合稱為晶面族。因對稱關系，這些面往往不止一

種。立方系｛111｝晶面族包括包11）、（111）、（111）、（111）四個。

2.晶面間夾角cos?=1/J3；6=54.7°。面間距d=a/2（a為點陣常數）。

3.FCC按ABCABC方式堆垛，而HCP按ABABAB堆垛；致密度無差異，都是0.74。

二、1.前者為固溶體，保持溶劑的晶體結構，且溶解度很低；后者是中間相（尺寸因素化合

物），且A、B原子數成比例。性能上有很大差異，前者韌、塑性好；后者硬，塑性差。共性

是兩者中的合金組元都在間隙位置，本身尺寸很小。

2.因合金中兩類原子尺寸不同，引起點陣畸變，阻礙位錯運動，造成固溶強化。

1.稱形變強化和晶界強化（或細晶強化）。原因是兩類缺陷的增多都明顯阻礙位錯的運動，

從而提高強度。

2.位錯的增多主要靠形變，通過萌生與增殖在晶粒內不斷產生位錯；晶粒細化可通過凝固

時加非均勻形核劑或高的冷卻速度獲得，也可通過大形變，或再結晶，或相變的方法。

四、左側A?NaB范圍是a相穩定，因它的自由能最低；右側NBB?B范圍是P相穩定，

也因其自由能最低：兩公切點之間范圍是a+B兩相共存穩定，因任意?個單相存在時的自

由能都不如它分解為成分為公切點處的a+B時兩相自由能的加權值（在公切線直線上）低。

五1.臨界半徑相同；臨界形核功是均勻形核時高；臨界晶核體積也是均勻形核時大。

2.合金界面前沿會出現組成過冷，即界面前溶質的富集提高了局部區域的熔點，所以更易

出現過冷。

3.因兩者分別是粗糙型（鐵）和光滑型界面（硅等），前者是外形均勻的等軸晶或枝晶，后者

為規則多邊形、有棱角的形狀。

六、1.因濃度C、擴散系數D都不變,有X1/X2=J（tl/t2）,代人相應值得:X2=3X1=1.5mm?

2.隨溫度升高，擴散速度加快；表血擴散最快，晶內擴散最慢。擴散系數D與溫度T是指

數關系，即該圖是D=D0exp（-Q/RT）對數處理的結果；利用直線關系可求常數D0和激活能

QOo

七、1.主要形變機制是滑移和學生；滑移產生的切變量是原子間距的整數倍，攣生產生的

切變量是原子間距的一個分數；由此產生一系列其他方面的差異。答其他方面差異的也酌情

賦分。

2.有明顯加工硬化的是在低溫（或高應變速率）下變形；出現硬化、軟化抗衡（動態回復）的

是在中溫（或中等應變速率）F變形；有一明顯軟化階段（動態再結晶）的是在高溫（或低應變

速率）下變形。

3.含C、N間隙原子的低碳鋼形變時，滑移啟動時的抗力較大（上屈服點），滑移進行時的抗

力較小（卜一屈服點），在應力應變曲線上可明顯看出。原因是間隙原子聚集在位錯上（柯氏氣

團）釘扎了位錯，出現上屈服點，位錯一旦擺脫釘扎后便不受影響（對應下屈服點）。

八、1.要有一定的形變儲存能，一定的溫度。

2.再結晶只是一種組織變化，沒有結構變化，驅動力是形變儲存能；結晶是從非晶態的液

相、氣相或固態非晶體中形成晶體的過程；固態相變是固/固相的結構變化。后兩者的驅動

力都是化學自由能差。

3.這是應變誘導晶界遷移機制；晶界兩側應變量不同，位錯密度不同，形變儲存能不同，

造成高應變能的一側被低應變能的一側吃掉；形成新晶粒。

4.X是再結晶分數，t是時間，k、n都是常數，k主要與形核率和長大速度有關，n主要和

形核機制、地點和新相形狀有關。以X—t的關系作圖，曲線的形狀是S或。形狀，50%轉

變量時轉變速度最快。對數處理可得一條直線；處理成直線可通過測不同時間的再結晶量求

出、n值，了解更多的微觀信息。

九、隨鋁中含銅量提高，過飽和度加大，脫溶驅動力加大，析出速度加快，硬度值增加。時

效溫度越高，擴散速度力口快，析出加快，但過飽和度減小，脫溶驅動力也減小，GP區或

亞穩相可能不出現。時效強化主要靠GP區和0"相，因兩者很細小彌散，有共格或半共格

界面，強化效果好。

十、1.經高溫加熱及快速冷卻的固溶處理得到過飽和單相組織，然后在一定溫度和時間內

時效到最高硬度/強度，得到彌散、共格析出的強化相。

2.同素異晶轉變主要是純組元固態下出現的相變，沒有成分變化，短程擴散過程控制；馬

氏體相變是無擴散、切變型相變，在純金屬及合金中都會出現，是界面過程控制的。脫溶出

現在合金中，有成分變化，主要是長程擴散控制的。

卜一、從側面觀察，隨形變量加大，晶粒由等軸狀變為長條形，晶粒內部位錯增多，形成位

錯纏結、亞晶界或新的大角晶界；強度、硬度提高，塑性下降。形變溫度提高，晶粒變成長

條狀的速度變慢，因熱激活作用增強，亞晶界加速形成，亞晶尺、丁趨于穩定，甚至出現動態

再結晶組織。強度提高和塑性卜降的速度都變慢。

十二、1.圖10-7b組織為0.45%C合金，即亞共析鋼，因其由等軸鐵素體(白色)和珠光體

(黑色)組成。圖10-7c組織為3.4%C合金，即亞共晶白口鑄鐵，因其有枝晶狀珠光體(黑

色，原奧氏體晶粒形狀)和變態萊氏體組成。圖10-7d組織為4.7%C合金，即過共晶白口

鑄鐵，因其由板條狀白色一次滲碳體和變態萊氏體組成。

2.液相冷卻時，先形成板條狀一次滲碳體，再形成共晶萊氏體，冷至室溫后萊氏體變為

變態萊氏體。一次滲碳體的相對量為：(4.7—4.3)/(6.69—4.3)=16.7%。

東北大學2007年攻讀碩士研究生學位研究生試題

東北大學2007年攻讀碩士研究生學位研究生試題

考試科目《材料科學基礎》

1.名詞解釋固溶體點陣晶格摩擦力擴展位錯同素異形轉變

2.證明晶面(-210),(-110)(012)屬同?晶帶，其晶帶軸指數是什么？

3.如何解釋等溫與絕對零度下電子平均動能卜分相近的原因。

4.舉出兩個由長程擴散控制長大的實例。

5.為何過飽和固溶體適當固溶處理后強度比室溫平衡組織高？

6.(1)已知Zn在Cu中擴散時，D=2.1x10(-5)m2/s,Q=1.71x10(5)J/mol求820℃時在中的

擴散系數

(2)討論影響金屬材料擴散的因素。

7.冷加工金屬加熱時發生回復過程中位錯組態有哪些變化？

8.Al-Cu相圖可簡化為Tm=660℃,共晶溫度TE=546℃,Cu在Al中最大溶解度C(Cu)=5.65%,

共晶成分CE=33%,液固相線為直線，若液相中Cu擴散系數D2=3xl0(-9)m2/s,合金在無對

流條件下凝固，界面為平面，推移速度5um/s,那么C(Cu)=5%的Al-Cu合金在平衡穩壓下凝

固時臨界溫度是到少？溶質溶解的特征距離多大？為保持平

面界面，液相溫度梯度應多大？

答案提示：2.由晶面指數列等式

3.課本55頁

4.a-Fe——r—Fe,Al合金中第二相析出

5.共格亞穩相產生應變

8.提示：成分過冷判據(課本)

ko=5.65/33=0.17

Ml=(660-546)/33%(液相線斜率)

Ti=660℃+(546-660)/33%x0.15/0.17

燕山大學材料學歷年試題

2002年碩士學位研究生統考考試試題

考試科目：X射線衍射學共1頁第1頁

名次解釋（20分）

1.量子散射2.二次特征輻射3.分辨能力4.干涉指數

二.輕元素的衍射分析困難的原因是什么？（10分）

三.經典散射在衍射分析中起什么作用？（10分）

四.三類應力使X射線衍射線條發生什么變化？（10分）

五.為什么選擇陽極靶？選靶的原則是什么？（20分）

六.試舉X射線衍射法在材料科學研究中應用的兩個例子，并說明其基本原理。（30分）

燕山大學2006年碩士研究生入學考試試題

科目：X射線衍射學共1頁第1頁

扼要回答下列問題（每小題10分，共80分）

1.什么叫相干散射？它在X射線衍射學中的地位或作用如何？

2.什么叫結構因數？它的表達式及物理意義如何？

3.通常進行多晶體晶體結構分析的X射線采用哪種輻射？為什么？

4.X射線的物理本質是什么？它具有哪些特性？在什么情況下會表現這些特性？

5.用X射線方法測定晶體點陣常數時，誤差的主要來源有哪些？可采用哪些方法來消

除？

6.用于物相定性分析的常用索引有那幾種？ASTM卡片能提供哪些有關物相晶體結

構方面的信息？

7.你所知的歷史上對X射線衍射學發展做出突出貢獻的科學家有哪些？他們都有哪

些重要貢獻？

8.指出并證明倒易點陣中倒易矢量的基本性質。

二.X射線與物質相互作用時一般可能產生哪些現象？其中哪些能量消耗可被稱為物質對X

射線的真吸收？（15分）

三.列出五種常用晶體結構類型，并給出其中三種系統消光規律及相應的干涉指數序列。（15

分）

四.從X射線衍射學角度來看，獲得晶體衍射花樣的基本方法有哪些？每種方法的特點是

什么？為什么用它們可以獲得衍射花樣？（20分）

五.就你理解，X射線衍射學的主要研究內容有哪些？它們所涉及的主要概念和理論基礎有

哪些？（20分）

二00五年招收碩士研究生入學考試試題答案

華中科技大學

考試科目：材料成形原理

適用專業：材料加工工程

A卷

一、名詞解釋

非均質形核——依靠外來夾雜或型壁界面所提供的異質界面非自發地形核，稱為異質形核，

或非均質形核。

成分過冷——由固一液界面前方溶質的再分配引起的過冷。

定向凝固——又稱定向結晶，是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。

反應性氣孔——金屬液和鑄型之間或在金屬液內部發生化學反應所產生的氣孔，稱為反應性

氣孔。

帶狀偏析——在鑄錠或厚壁鑄件中出現的和凝固液出界面相平行的偏析，有時是連續出現,

有時則是間斷的。

二、簡述題

影響液態金屬界面張力的主要因素是什么？

影響液態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、

單相合金平面生長的條件是什么？

單相合金平面生長的條件是：

防止凝固組織產生縮孔縮松的途徑主要有哪幾種？

防止凝固組織產生縮孔縮松的途徑主要有：（1）定向凝固或同時凝固；（2）調整澆注溫度和澆

注速度；（3）冒口、補貼和冷鐵的應用；（4）加壓補縮。

為什么使用堿性焊條比酸性焊條對工件表面鐵銹(FeO?nH2O)更敏感？

堿性焊條屬低氫型焊條，這類焊條的熔渣不具備氧化性，一旦有氫侵入熔池，將很難脫出，

而酸性焊條的熔渣有一定的氧化性，可以起脫氫的作用。因此，堿性焊條比酸性焊條對工件

表面鐵銹(FeO?nH2O)更敏感

如何消除焊件內部的殘余應力？

可采用熱處理、錘擊和振動等方法消除焊件內部的殘余應力

6.熔焊接頭和釬焊接頭在連接機理上有何區別？

熔焊接頭與釬焊接頭均采用熱能實現不可拆卸的焊接接頭，但釬焊時僅釬科熔

化，而母材不熔化，在連接處一般不易形成共同的晶粒，只是依靠液態釬料潤濕母材表面，

二者相互擴散而形成釬焊接頭

7.焊接工藝參數(有效熱功率q和焊接速度v)對低碳鋼薄板焊接(平對接焊縫)

的溫度場有何影響？

當熱源的有效熱功率q一定時，焊接速度v越大，某一溫度的等溫線所包圍的范圍顯著縮?。?/p>

當焊接速度v一定，隨q的增大，一定溫度的等溫線所包圍的范圍顯著增大；當q/v保持一

定，即線能量E為常數時，同時增大q和v,此時等溫線在熱源移動方向會伸長，而在寬度

方向變化較小。

8.低碳鋼焊縫的室溫組織是什么？(5分)

低碳鋼焊縫碳含量較低，高溫奧氏體固態相變后得到鐵素體加珠光體組織。固態相變時首先

沿奧氏體晶界析出共析鐵素體，然后發生共析反應

A-P(F+Fe3C)

式中的A是奧氏體；P是珠光體；F是鐵素體；Fe3c是滲碳體。焊縫金屬過熱時，還會出現

魏氏組織，即鐵素體在奧氏體晶界呈網狀析出，或在奧氏體晶內沿一定方向析出的呈長短不

一的針狀或片條狀脆性組織。

三、何謂一階張量？何謂二階張量？

四、何謂塑性指標，它是否具有普遍與絕對的意義?

五、試寫出計算摩擦應力的兩個常用公式。

六、在金屬塑性加工的理論分析中，常將實際的金屬材料分成哪幾種材料模型？并

畫出對應的真實應力一應變曲線的示意圖。

B卷

焊接

(分析計算題)

第一題

答題關鍵點：

設，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；Cew為合金元素在焊

絲中的含量；Cco為合金元素在藥皮中的含量；Kb為焊條藥皮的質量系數，即單位長度焊條

中藥皮質量與焊芯質量之比。過渡系數為：

若考慮合金元素在焊接中的損失，則焊縫金居中某合金元素的實際濃度Cw為

為熔合比，Cb為某元素在母材中的質量分數，Cd為熔敷金屬(即真正過渡到熔池中去的那部

分焊條金屬)中某元素的質量分數。

0.2X1.5%+(1-0.2)XCd>12%

Cd214.6%

0.8X(Ccw+0.4XCco)=Cd

Cco223.2%

含Mn量為75%的缽鐵合金粉的量》(23.2%)/(75%)=31%

第二題

答題關鍵點：

合金化的目的首先是為了補償在高溫下金屬由于蒸發或氧化等造成的損失。其次是為了消除

缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或為了獲得具有特殊性能酌堆焊金屬。如用堆焊的方法

過渡Cr、Mo、％Mn等合金元素，使工件表面具有耐磨性、熱硬性、耐熱和耐蝕等性能。

常用的合金化方式有：

(1)通過合金焊絲或帶極，把所需的合金元素加入焊絲或帶極內。

(2)通過藥芯焊絲或藥皮(或焊劑)，把所需合金元素以鐵合金或純金屬的形式加入藥芯

焊絲的藥芯內或焊條藥皮(或焊劑)內。

(3)通過合金粉木，將合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金粉末，把它送人

焊接區或直接涂敷在焊件表面。

此外，還可以通過從金屬氧化物中還原金屬的方式(如鎰、硅的還原反應)來合金化,

但這種合金化的程度有限，并還會造成焊縫的增氧。

第三題

答題關鍵點：

16Mn為不易淬火的低合金鋼。HAZ分為四個區。

(1)熔合區，是焊縫與母材相鄰的部位，最高溫度處于固相線與液相線之間。所以

又稱為半熔化區。此區雖然較窄、但是，由于晶界與品內局部熔化，成分與組織不均勻分布，

過熱嚴重，塑性差，所以是焊接接頭的薄弱環節。

(2)過熱區，過熱區的溫度范圍處于固相線到1100℃左右。由于加熱溫度高，奧氏體

過熱，晶檢嚴重長大，故又稱之為祖晶區。焊后冷卻時.奧氏體相變產物也因晶粒粗化使塑

性、韌性下降，慢冷時還會出現魏氏組織。過熱區也是焊接接頭的薄弱環節。

(3)相變重結晶區(正火區)，該區母材已完全A化，該區處于1100℃—Ac3(約900℃)

之間.由于奧氏體晶粒細小，空冷后得到晶粒細小而均勻的珠光體和鐵素體，相當于熱處理

時的正火組織。因此，其塑性和韌性很好。

(4)不完全重結晶區，Acl—Ac3范圍內的HAZ屬于不完全重結晶區。由于部分母材組

織發生相變重結晶F+PA,且奧氏體晶粒細小，冷卻轉變后得到細小的F+P,而未奧氏體化的

F受熱后長大，使該晶粒大小、組織分布不均勻，雖然受熱不嚴重但性能不如相變重結晶區。

第四題

答題關鍵點：

氫的影響主要體現在4個方面，即：氫脆、白點、氣孔和冷裂紋。

減少氫含量的主要措施有：限制氫的來源、冶金處理脫氫、控制熔池存在的時間和冷卻速度、

焊后加熱工件脫氫。

D卷答案

液態金屬凝固學

細化凝固組織的生核劑主要有哪幾類，其生核作用的機理分別是什么？

答案要點：

加入生核劑的目的是強化非均質形核。根據生核質點的作用過程，生核劑主要有以

下四類：

(1)直接作為外加晶核的生核劑,這種生核劑通常是與欲細化相具有界面共格對應

的高熔點物質或同類金屬、非金屬碎粒.它們與欲細化相間具有較小的界面能，潤濕角小，

直接作為有效襯底促進非自發生核。

(2)生核劑中的元素能與液態金屬中的某元素形成較高熔點的穩定化合物,這些化

合物與欲細化相間具有界面共相對應關系和較小的界面能，促進非均質生核。

(3)通過在液相中造成很大的微區富集而造成結晶相通過非均質形核而提前彌散

析出的生核劑，其余以此為基底形核，易為共晶析出。

(4)含強成分過冷元素的生核劑，這類生核劑使晶粒根部或分枝，產生縮頸，易于

通過熔體流動及沖擊產生晶粒的游離；強化界面前沿熔體內部的非均質形核；強成分過冷元

素的界面富集對晶體生長具有抑制作用，降低晶體生長速度，也使品粒細化。

二、解答步驟

根據題目提供的Al-Cu相圖參數可知：

當凝固20%時，fs=20%,fL=80%,CO=10%

共晶體所占比例為為時的

故：

即凝固完畢時，共晶體所占比例為：23.63%

若凝固條件改為完全平衡凝固，當時，未凝固的即全為共晶體。

凝固后試棒中共晶體的數量為15.78%。

三、何謂熱力學能障和動力學能障？凝固過程使如何克服這兩個能障的？

答案要點：

熱力學能障——由被迫處于高自由能過渡狀態下的界面原子所產生,能直接影響到體系

自由能的大小，界面自由能即屬于這種情況。

動力學能障——由金屬原子穿越界面過程所引起，原則上與驅動力的大小無關而僅取決

于界面的結構與性質，激活自由能即屬于這種情況。

熱力學能障對生核過程影響很大，動力學能障在晶體生長過程中則具有重要的作用。液

態金屬凝固過程中必須克服熱力學和動力學兩個能障。

液態金屬在成分、溫度、能量上是不均勻的，即存在成分、相結構和能量三個起伏，也

正是這三個起伏才能克服凝固過程中的熱力學能障和動力學能障，使凝固過程不斷地進行下

去。

凝固過程中產生的固一液界面使體系自由能增加，導致凝固過程不可能瞬時完成，也不

可能同時在很大約范圍內進行，只能逐漸地形核生長，逐漸地克服兩個能障，才能完成液體

到固體的轉變。同時，界面的特征及形態又影響著晶體的形核和生長。也正是由于這個原因，

使高能態的界面范圍盡量縮小，至凝固結束時成為范圍很小的晶界。

四、試述析出性氣孔的特征、形成機理及主要防止措施。

答案要點：

金屬液在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及從液面排除而

產生的氣孔稱為析出性氣孔。

這類氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節等溫度較高的區域，其分布較密集,

形狀呈團球形，裂紋多角形，斷續裂紋狀或混合型。

析出性氣孔的形成機理是：合金凝固時，氣體溶解度急劇下降，由于溶質的再分配，在

固一液界面前的液相中氣體溶質富集，當其濃度過飽和時，產生很大的析出動力，在現成的

襯底上氣體析出，形成氣泡，保留在鑄件中成為析出性氣孔。

防止措施：

減少金屬液的原始含氣量（減少金屬液的吸氣量、對金屬液進行除氣處理）；

阻止金屬液氣體析出（提高冷卻速度、提高鑄件凝固時的外壓）;

型（芯）砂處理（減少砂型（芯）在澆注時的發氣量、使砂型（芯）易于排氣）

-00五招收碩士研究生入學考試試題

姓名：報考學科、專業:準考證號

碼：

密封線內不要寫題

華中科技大學

考試科目：材料成形原理

適用專業：材料加工工程

（除畫圖題外，所有答案都必須寫在答題紙上，寫在試

題上及草稿紙上無效，考完后試題隨答題紙交回）

注意：本試卷分A、B、C、D四部分，其中A卷為必作題卷，B、C、D卷為選作題卷（任選其

中一卷），各卷滿分為75分，總分150分。

例如：A卷（75分）+B卷（75分）=150分；或：A卷（75分）+C卷（75分）=150分

或：A卷（75分）+D卷（75分）=150分。

A卷（75分）

一、名詞解釋（2X5=10分）

1.非均質形核；2.成分過冷；3.定向凝固；4.反應性氣孔；5.帶狀偏析

二、簡述題（8X5=40分）

1.影響液態金屬界血張力的主要因素是什么？

2.單相合金平面生長的條件是什么？

3.防止凝固組織產生縮孔縮松的途徑主要有哪幾種？

4.為什么使用堿性焊條比酸性焊條對工件表面鐵銹（FeO-nH2O）更敏感？

5.如何消除焊件內部的殘余應力？

6.熔焊接頭和釬焊接頭在連接機理上有何區別？

7.焊接工藝參數（有效熱功率q和焊接速度v）對低碳鋼薄板焊接（平對接焊縫）

的溫度場有何影響？

8.低碳鋼焊縫的室溫組織是什么？

試卷編號：416共3

頁

第1頁

三、（6分）何謂一階張量？何謂二階張量？

四、（6分）何謂塑性指標，它是否具有普遍與絕對的意義？

五、（6分）試寫出計算摩擦應力的兩個常用公式。

六、（7分）在金屬塑性加工的理論分析中，常將實際的金屬材料分成哪幾種材料

模型？并畫出對應的真實應力一應變曲線的示意圖。

B卷（75分）

焊接

（分析計算題）

,、（20分）已知焊條藥皮質量系數為0.4,焊絲含Mn量為9%,其過渡系數為0.8,

母材含Mn量為1.5%,熔合比為0.2。要求焊縫中Mne12%以確保其耐磨性能，藥皮中要加

入多少含Mn量為75%的鎰鐵合金粉？

二、（20分）在焊接工藝中，合金化的目的是什么？常采用哪幾種合金化方式？

三、（20分）16Mn焊接HAZ的組織區域有哪幾種？分別分析它們的形成條件。

四、（15分）焊縫金屬中，氫的影響主要體現在哪幾個方面？如何減少焊縫金屬中

氫的含量？

C卷（75分）

金屬塑性成形力學

（21分）試從等效應力的定義式出發，證明：

式中，是應力偏張量。

二、（33分）設有薄壁圓筒，半徑為r,兩端面是半徑為r的薄壁半球殼，設壁厚

全部為t〈〈r,承受內壓P,如下圖所示。設圓筒為Mises剛塑性材料，屈服應力為。s。試

求：

（1）忽略徑向應力確定圓筒與半球殼哪?部分先屈服？

（2）設屈服時的塑性功率密度為c（c>0）,試求對應的應變速率張量？

試卷編號：416共

3頁

第2頁

試卷編號：416共

3頁

第

3頁

三、（21分）大圓筒拉深為小圓筒，如下圖所示。設變形只發生在工件的圓錐面上,

錐血與軸線的夾角為a,不計接觸面上的摩擦應力，且忽略凹模出口處的彎曲效應，圓筒

的厚度為t且在拉深時保持不變，設材料的真實應力為s,試用主應力法求拉深力。

D卷（75分）

液態金屬凝固學

（15分）細化凝固組織的生核劑主要有哪幾類，其生核作用的機理分別是什么？

（20分）用AlTO%Cu合金澆注一水平細長試棒，使其自左至右單向凝固，并保持固一液界面

為平面，當固相無Cu的擴散，液相中Cu均勻混合時，求：

凝固20%時，固液界面的和。

凝固完畢，共晶體所占比例。

如果凝固條件現改為完全平衡凝固，凝固后試棒中共晶體的數量有多少？

（Al-Cu合金相圖的主要參數：，，，。）

（20分）何謂熱力學能障和動力學能障？凝固過程是如何克服這兩個能障的？

（20分）試述析出性氣孔的特征、形成機理及主要防止措施。

-00六招收碩士研究生入學考試試題

姓名：報考學科、專業：準考證號

碼：

密封線內不要寫題

華中科技大學

考試科目：材料成形原理

適用專業：材料加工工程、數字化材料成形

（除畫圖題外，所有答案都必須寫在答題紙上，寫在試

題上及草稿紙上無效，考完后試題隨答題紙交回）

注意：本試卷分A、B、C、D四部分，其中A卷為必作題卷，B、C、D卷為選作題卷（任選其

中一卷），各卷滿分為75分，總分150分。

例如：A卷（75分）+B卷（75分）=150分；或：A卷（75分）+C卷（75分）=150分

或:A卷（75分）+D卷（75分）=150分。

A卷（75分）

簡述題

1.（5分）為什么過冷度是液態合金結晶的驅動力？

2.（5分）液態合金的流動性和充型能力有何本質區別？

3.（5分）什么樣的界面才能成為異質形核的襯底？

4.（5分）何謂析出性氣孔，有何特征？

5.（5分）生產中如何防止密度偏析的形成？

6.（10分）簡述產生焊接應力與變形的原因及消除或減少殘余應力與變形的方法。

7.（9分）簡述低碳鋼焊接時氧與金屬作用的特點及其對焊接質量的影響。

8.（6分）下圖是不同焊接順序時焊縫橫向收縮引起的橫向應力分布。試寫出各圖

的焊接方向或順序。（注：圖在2頁）

9.（6分）何謂塑性加工？它有何優點？

10.（7分）簡述塑性變形的基本力學方程有哪幾種？其作用如何？

11.（6分）試寫出摩擦應力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應用條件。

12.（6分）寫出兩種屈服準則的數學表達式，并說明其物理意義。

（A卷第8題圖）

B卷（75分）

焊接

（15分）堆焊時，設母材含Mn量為1%,熔敷金屬含Mn量為15%,熔合比為0.5,要求焊縫

金屬含Mn量不小于13%。問：什么是熔合比？應堆焊多少層才能滿足焊縫中Mn含量的要求

（寫出計算步驟）？

（25分）試述氫致裂紋的特點、形成機理及防止措施。

（20分）試述焊接低碳調質鋼時，熱影響區組織分布及性能變化的特點。

（15分）根據熔渣的成分和性能，焊接時的熔渣有哪幾種類型？試述熔渣的主要作用。

C卷（75分）

金屬塑性成形力學

（18分）設有一高為H的圓柱體，先均勻拉深到2H,再均勻壓縮為H,設在變形過程中體積

不變，試分別求出這二個階段的對數應變、等效對數應變及最終的對數應變、等效對數應變。

（18分）一薄壁管，內徑中80mm,壁厚4mm,承受內壓p,材料的屈服應力為200MPa,假

定管壁上的徑向應力。試用Mises屈服準則分別求出下列情況下管子屈服時的p：a）管子

兩端自由；b）兩端封閉。

（18分）已知剛塑性變形體中的某質點處的平面應力張量為MPa,應變分量，試求應變增量

張量及塑性功增量密度。

試卷編號：416共

3頁

第2頁

試卷編號：416共

3頁

第

3頁

4.（21分）如下圖，將一板厚為t、直徑為DO的圓板坯拉深成內徑為dO的圓筒

件。假設（1）板料為理想剛塑性體，其屈服應力為Y；（2）成形過程板厚不變，且忽略凹

模入口處的彎曲效應和模具間隙；（3）壓邊力為Q,考慮接觸面上的摩擦，摩擦系數為口，

作用于壓邊面上的摩擦力與凸緣外緣部的徑向應力。r的作用等效。試用主應力法求拉深高

度為h時刻的拉深力。

D卷（75分）

液態金屬凝固學

（20分）液態合金凝固時的熱過冷和成分過冷有何區別？成分過冷對單相合金晶體生長方

式有何影響？

（25分）某二元合金相圖如下圖所示，合金液成分為C0=40%,置于長瓷舟中并從左端開始

凝固，溫度梯度大到足以使固液界面保持平面生長。假設固相無擴散，液相均勻混合，試求:

平衡分配系數k0?

凝固10%時,固液界面的和。

凝固完畢，共晶體所占比例。

畫出凝固后的試棒中溶質B的濃度沿試棒長度的分布曲線，并注明各特征成分及其位置。

3.（20分）鑄件典型宏觀組織是由哪幾部分構成的，它們的特征和形成機理如

何？

4.（10分）試分析縮孔、縮松形成條件及形成原因的異同。

二00六年招收碩士研究生入學考試試題答案

華中科技大學

考試科目：材料成形原理

適用專業：材料加工工程、數字化材料成形

A卷

簡述題

1.為什么過冷度是液態合金結晶的驅動力？

結晶過程的發生必須是液相的自由能高于固相的自由能,液相金屬與固相金屬自由

能之差即為結晶的驅動力，要獲得結晶過程所必需的驅動力，一定要使實際結晶的溫度低于

理論結晶溫度，即要有?定的過冷度，才能滿足熱力學條件。

2.液態合金的流動性和充型能力有何本質區別？

液態金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪轂清晰的鑄件的能力，稱為液態金屬的

充型能力。液態金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時又受到外界條件，如

鑄型的性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，是各種因素的綜合反映。

液態金屬本身的流動能力，稱為流動性。由液態金屬的成分、溫度、雜質含量等決

定的，而與外界條件無關。因此，流動性也可認為是確定條件下的充型能力。

3.什么樣的界面才能成為異質形核的襯底？

界面兩側夾雜和晶核的原子排列方式相似，原子間距相近，或在一定范圍內成比例，

就可能實現界面的共格對應。當點陣的失配度6W5%,為完全共格，形核能力強；

5%W8W25%為部分共格，夾雜物襯底有一定的形核能力；8>25%為不共格，夾雜物襯底無

形核能力。

4.何謂析出性氣孔，有何特征？

析出性氣孔——金屬液在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及從

液面排除而產生的氣孔；這類氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節等溫度較高的

區域，其分布較密集，形狀呈團球形，裂紋多角形，斷續裂紋狀或混合型。

5.生產中如何防止密度偏析的形成？

防止或減輕密度偏析的方法有以下幾種：

(1)增加鑄件的冷卻速度、使初生相來不及上浮或下沉。

(2)加入第三種合金元素，形成熔點較高的、密度與液相接近的樹枝狀化合物，使其首

先結晶并形成樹枝狀骨架，阻止偏折相的沉浮。

(3)盡量降低合金的澆注溫度和澆注速度。

6.簡述產生焊接應力與變形的原因及消除或減少殘余應力與變形的方法。

溫度改變導致“熱脹冷縮”，非均勻的溫度變化(如局部的加熱、冷卻)導致金屬內部

的不均勻“熱脹冷縮”從而產生應力。工件冷卻后保留在工件內部的內應力稱為殘余應力。

局部的固態相變也能產生內應力。

減小或消除應力方法：結構設計、工藝措施、熱處理、機械振動、機械加載等。

變形：殘余應力的存在必然導致原工件形狀的少量改變，也稱為殘余變形。

有整體變形、局部變形。

影響因素：材料熱物理性能、膨脹系數、導熱性、工藝因素、焊接熱輸入、焊接次序等。

防止方法：結構設計、工藝(反變形、剛性固定、預留收縮量)、矯正(機械、火焰)。

7.簡述低碳鋼焊接時氧與金屬作用的特點及其對焊接質量的影響。

低碳鋼中能有限溶解氧，生成的氧化物能溶于相應的金屬中。氧在鐵液中以原子氧和

FeO兩種形式存在。氧對金屬有氧化作用。

氣體中氧與金屬的作用：2Fe0-2Fe+02

實際焊接電弧區的氧化可以是：

Fe+O-FeO

Fe+C02fFeO+CO

Fe+H20fFeO+H2

當溫度升高，或02、C02、H20增多時,[FeO]多

影響：氧化物性能變差（強度、塑性、韌性）、氣孔

控制：純化焊材.、控制焊接工藝參數、冶金脫氧（脫氧劑）。

8.下圖是不同焊接順序時焊縫橫向收縮引起的橫向應力分布。試寫出各圖的焊接方向或順

序。

a）直通焊b）從中間向兩端焊c）從兩端向中間焊

9.何謂塑性加工？它有何優點？

材料在一定的外力作用下,利用其塑性而使其成形并獲得一定力學性能的加工方法稱為

塑性成形。

與其他加工方法（如金屬的切削加工、鑄造、焊接等）相比，金屬塑性成形有如下優

點?

（1）組織、性能好；

（2）材料利用率高；

（3）尺寸精度高；

（4）生產效率高，適于大批量生產。

10.簡述塑性變形的基本力學方程有哪幾種？其作用如何？

有力平衡方程、幾何方程、應變連續方程、屈服準則、應力一應變關系（本構關系）五種。

力平衡方程：反映微元體的力平衡，應力分量之間的關系。

幾何方程：位移與應變之間的關系。

應變連續方程：應變分量之間的關系。

屈服準則：材料產生初始屈服和后繼屈服的判據。

應力一應變關系：應變增量與應力偏量之間的關系。

11.試寫出摩擦應力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應用條件。

(1)庫倫摩擦條件

不考慮接觸面上的粘合現象，認為摩擦符合庫倫定律，即摩擦力與接觸面上的正壓

力成正比，其數學表達式為

式中T——摩擦力；

T——摩擦切應力；

Pn-----接觸面上的正壓應力；

口——外摩擦系數(簡稱摩擦系數)。

適用于正壓力不太大、變形量較小的冷成形工序

(2)常摩擦力條件

接觸面上的摩擦切應力T與被加工金屬的剪切屈服強度K成正比，即

式中，m—摩擦因子，取值范圍為0~1。

在熱塑性成形時，常采用最大摩擦力條件。

12.試寫出摩擦應力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應用條件。

Tresca屈服準則：

式中，omax,。min分別代表最大、最小的主應力。

K為材料屈服時的最大切應力值，也稱剪切屈服強度。

意義：當受力物體(質點)中的最大切應力達到某一定值時，該物體就發生屈服。

Mises屈服準則:

或

式中：os——材料的屈服點；

K——材料的剪切屈服強度。

意義：在一定的變形條件下，當受力物體內一點的應力偏張量的第二不變量達到一定值時，

該點就開始進入塑性狀態。

B卷焊接

1.答題要點：熔合比：焊縫金屬中，熔入母材的金屬所占的比例。

n=3

CWM=O.53*0.01+(l-0.53)*0.15=0.1325即13.25%

2.答題要點：

氫致裂紋易在中、高碳鋼及合金鋼、鈦及鈦合金、BCC材料有淬硬M相變材料等的

焊接時產生。主要產生在HAZ粗晶區。常具有延遲特征。

裂紋形貌：端部尖銳，斷口無氧化、液膜特征；穿晶。

形成機理：淬硬組織、氫、拘束應力。

防止措施：材料成份選擇與控制；預熱及后熱、保溫處理；降低擴散氫含量；降低殘余應力

水平；低強度匹配。

3.答題要點：

與母材焊前熱處理狀態有關。

焊前為正火或退火狀態，焊前母材為F+P組織。HAZ主要由完全淬火區和不完全淬

火區組成。完全淬火區，M（或M+B）,靠近焊縫高溫區為粗大的M組織。不完全淬火區，

M+F。

焊前為調質態，母材為回火組織，HAZ可分為完全淬火區、不完全淬火區和回火區。

性能變化：HAZ的硬化、脆化、軟化及綜合力學性能的變化。

調整措施：調整成分與HAZ組織狀態；合理的焊接工藝（合理的線能量、預熱）。

4.答題要點：

在焊接中，根據熔渣的成分和性能可以分為三種：鹽型熔渣（主要由金屬

氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成）、鹽-氧化物型熔渣（主要由氟化物和強金屬氧化

物組成）、氧化物型熔渣（主要由金屬氧化物組成）。

作用：

機械保護，與空氣隔離，防止液態熔池氧化和氮化，防止高溫時金屬被氧化。

冶金處理作用，如脫0、S、P；去H；去雜質；合金化

改善焊接工藝性能，電弧易于引燃、穩定，易操作易脫渣；保證焊縫成形

C卷金屬塑性成形力學

1.答題要點：

D卷液態金屬凝固學

1.液態合金凝固時的熱過冷和成分過冷有何區別？成分過冷對單相合金晶體生長方式有何

影響？

答題要點：

熱過冷——液態凝固時所需過冷完全由傳熱所提供。

成分過冷：凝固時由于溶質再分配造成固液界面前沿溶質濃度變化，引起理論凝固

溫度的改變而在液固界面前液相內形成的過冷。

成分過冷對單相合金晶體生長方式影響：

(1)無“成分過冷”的平面生長。當單相合金晶體生長條件符合：界

面前方不產生成分過冷。界面將以平向生長方式生長。宏觀平坦的界面是等溫的，以恒定的

平衡成分向前推進。獲得成分完全均勻的單相固溶體柱狀晶甚至單晶體。

(2)窄成分過冷區的胞狀生長。當單相合金晶體生長符合條件：

時，界面前方產生一個窄成分過冷區，晶體生長以胞狀晶方式生長。

(3)較寬成分過冷區的柱狀樹枝晶生長。隨著界面前方成分過冷區加寬，凸起晶胞

將向熔體伸展更遠；原來胞晶拋物狀界面逐漸變得不穩定。晶胞生長方向開始轉向優先的結

晶生長方向，胞晶的橫向也將受晶體學因素的影響而出現凸緣結構，當成分過冷加強時，凸

緣上又會出現鋸齒結構即二次枝晶。將出現二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，或柱狀樹枝晶。

(4)寬成分過冷區的自由樹枝晶生長。當固-液界面前方液體中成分過冷的最大值

大于液體中非均質生核所需要的過冷度AT異時，在柱狀枝晶生長的同時，界面前方這部分

液體將發生新的形核過程，導致晶體在過冷的液體中自由成核生長，并長成樹枝晶，這稱為

自由樹枝晶，此后的凝固過程便是等軸晶不斷向液體內部推進的過程。

2.解答步驟

根據題目提供的相圖參數可知：

當凝固10%時，fs=10%,fL=90%,CO=40%

共晶體所占比例為為時的

故：

即凝固完畢時，共晶體所占比例為：44.4%

成分的分布如圖：

3.鑄件典型宏觀組織是由哪幾部分構成的，它們的特征和形成機理如何?

答題要點：

鑄件典型宏觀組織是由表面細晶粒區、柱狀晶區和內部等軸晶區三個部分構成的，他們

的特征分別是：

表面細晶粒區。是緊靠鑄型壁的激冷組織，也稱激冷區，由無規則排列的細小等軸晶所組成。

柱狀晶區。由垂直于型壁（沿熱流方向）彼此平行排列的柱狀晶粒所組成。

內部等軸晶區。由各向同性的等軸晶組成。等軸晶的尺寸比表面細晶粒區的晶粒尺寸粗大。

各區的形成機理如下：

表面細晶粒區的形成。鑄型壁附近熔體受到強烈的激冷作用而大量形核，形成無方向性的表

面細等軸晶組織，也叫“激冷晶”。此區形成的前提條件是，抑制鑄件形成穩定的凝固殼層,

凝固殼層形成，界面處晶粒單向散熱，則晶粒逆熱流方向擇優生長而形成柱狀晶。

柱狀晶主要是從表面細晶粒區形成并發展而來的，穩定的凝固完層一旦形成，處在凝固界面

前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用卜，便轉而以枝晶狀延伸生長。由于各技晶主干

方向互不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長得更為迅

速.它們優先向內伸展并抑制相鄰枝晶的生長。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發展成

柱狀晶組織。

內部等軸晶區的形成，是由于剩余熔體內部晶核自由生長的結果。

4.試分析縮孔、縮松形成條件及形成原因的異同。

答案要點：

縮孔形成原因是合金的液態收縮和凝固收縮值大于固態收縮值。產生的條件，是鑄

件由表及里地逐層凝固（而不是整個體積同時凝固），縮孔集中在最后凝固的