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1、-材料成型基本原理课后答案-第 36 页1 表面张力表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。2 粘度表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。3 表面自由能(表面能)为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。4 液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。5 液态金属的流动性是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。6 铸型的蓄热系数表示铸型从液态金属吸取并储存在本
2、身中热量的能力。7 不稳定温度场温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：8 温度梯度是指温度随距离的变化率。或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。9 溶质平衡分配系数K0特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。10 均质形核和异质形核均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核” 。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质
3、形核”。11、粗糙界面和光滑界面从原子尺度上来看，固液界面固相一侧的点阵位置只有50左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。光滑界面从原子尺度上来看，固液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。也称为“小晶面”或“小平面”。12 “成分过冷”与“热过冷”液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷” 。13 内生生长和外生生长晶体自型壁生核，然
4、后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。 平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。14 枝晶间距指相邻同次枝晶间的垂直距离。它是树枝晶组织细化程度的表征。15 共生生长是指在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。15离异生长两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶
5、。16 孕育与变质孕育主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。 17 联生结晶熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。18 择优生长那些主干取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰趋向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。这种互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。19 快速凝固
6、是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。 20 气体的溶解度 在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。影响溶解度的主要因素是温度及压力、气体的种类和合金的成分。21 熔渣的碱度是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值（分子理论）或液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）（离子理论）。22、长渣和短渣熔渣的粘度随温度增高而急剧下降（快速）变化的渣称之为短渣； 反之为长渣。23 熔渣的氧化和还原能力是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。24 扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用（FeO）与FeO能够互相转移, 趋于平衡时符合分配定
7、律的机理进行脱氧。25沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的FeO起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。26真空脱氧钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽真空降低气相中CO分压来加强钢液中碳的脱氧能力。27 偏析合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象。28微观和宏观偏析微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，有晶界和晶内偏析之分。宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：正常偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析与层状偏析和重力偏析。 29 气孔因气体分子聚集而产生的孔洞。气孔有析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔之分
8、。30、冷裂纹和热裂纹金属凝固冷却至室温附近发生的开裂现象称之为冷裂纹； 在固相线附近发生的裂纹称之为热裂纹。31 溶质再分配由于合金凝固过程中随温度的变化，固液界面前沿溶质富集并形成浓度梯度。所以，溶质必须在液、固两相重新分布，即所谓的“溶质再分配”。32 热流密度单位时间内通过单位面积的热量。33焊接通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件(同种或异种金属或非金属，也可以是金属与非金属)产生原子(分子)间结合而形成永久性连接的工艺工程。34热影响区焊接过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生显微组织和力学性能变化的区域。该区主要发生物理冶金过程。35焊接
9、线能量E单位长度上的焊接热输入量，E = IU/v 36 焊接的合金化把需要的合金元素加入到金属中去的过程。合金化的目的：首先，补偿在高温下金属由于蒸发或氧化造成的损失；其次是为了消除缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或为了获得具有特殊性能的堆焊金属。37 合金化的过渡系数表征合金元素利用率高低的参数。等于它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。或者单位长度焊条中药皮重量与焊芯重量之比。38 熔合比焊缝中局部熔化母材所占比例39内力在外力作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力。40内应力没有外力的作用条件下，平衡物体内部的应力。41焊接瞬时应力在焊接加热冷却过程中某一瞬时中存在的应力。4
10、2焊接残余应力焊件完全冷却、温度均匀化后残留于焊件中的应力。43焊接变形在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、 歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有纵、横向收缩，角变形，弯曲变形，扭曲变形和波浪形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。44 裂纹在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。45 塑性指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力。46热塑性变形金属在再结晶温度以上的变形。47、张量由若干个当量坐标系改变时满足转换关系的所有分量的集合。48 塑性指固体材料在外力作用下发生永久变形而不被破坏其完整性的
11、能力。49 简单加载是指在加载过程中各应力分量按同一比例增加，应力主轴方向固定不变。50、应力球张量也称静水应力状态，不能使物体产生形状变化，而只能产生体积变化，即不能使物体产生塑性变形。51、加工硬化随着变形程度的增加，（位错运动所受到的阻力增大），金属的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降，即产生了加工硬化。52、应变速率单位时间内的应变，又称变形速度。53、滑移晶体在外力的作用下，其一部分沿着一定的晶面和该晶面上的一定晶向，相对于另一部分产生的相对移动。54、主切应力平面一般把切应力有极值的平面称为主切应力平面55、平面应变状态如果物体内所有质点都只在同一个坐标平面内发生变形，而在该平面的法
12、线方向没有变形，这种变形称为平面变形。56、附加应力由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。二、简答题1 实际液态金属的结构实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。2 液态金属表面张力的影响因素1）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力u0表面内能表面自由能表面张力2）表面张力与原子体积（3）成反比，与价电子数Z成正比3）表面张力与温度：随温度升高而下降4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影
13、响。向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。 3 简述大平板铸件凝固时间计算的平方根定律=2/K2，即金属凝固时间与凝固层厚度的平方成正比。K为凝固系数，可由试验测定。当凝固结束时，为大平板厚度的一半。4 铸件凝固方式的分类（3分） 根据固、液相区的宽度，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）。当固液相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为体积凝固方式。固液相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。5 简述Jackson因子与界面结构的关系 Jackson因子可视为固液界面结构的判据：凡2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能降低，此时的固
14、液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；凡属5的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机物属于此类；=25的物质，常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。6 试写出“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据，并分析哪些条件有助于形成“成分过冷”。 “固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据： 下列条件有助于形成“成分过冷”： (1)液相中温度梯度GL小，即温度场不陡。(2)晶体生长速度快（R大）。(3)液相线斜率mL大。(4)原始成分浓度C0高。(5)液相中溶质扩散系数DL低。(6)K01时，K0大。7 写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限扩散”
15、条件下），讨论溶质原始含量C0、晶体生长速度R、界面前沿液相中的温度梯度GL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。答：成分过冷判别式为：； （1） 随着C0增加，成分过冷程度增加； （2） 随着R增加，成分过冷程度增加； （3） 随着GL减小，成分过冷程度增加； 如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，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GL、R一定时，随C0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。 8 层片状共晶的形核和长大方式形成具有两相沿着径向并排生长的球形共生界面双相核心的“双相形
16、核”，领先相表面一旦出现第二相，则可通过这种彼此依附、交替生长的“搭桥”方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片重新生核。9. 铸件的凝固组织可分为几类，它们分别描述铸件凝固组织的那些特点？铸件的凝固组织可分为宏观和微观两方面。宏观组织主要是指铸态晶粒的形状、尺寸、取向和分布情况；微观组织主要描述晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构组织等。 影响液态充型能力的因素(1)金属性质方面的因素如合金的化学成分、比热容、热导率、粘度、杂质及气体含量等。(2)铸型性质方便的因素铸型的阻力、蓄热系数等。(3)浇注条件及铸件结构因素浇注温度、浇注系统、静压头压力。逐渐结构越复杂、厚薄过
17、渡面越多，则型腔结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充型能力就越差。11 防止气孔产生的措施a. 减少氢的来源。化学方法或机械办法清理焊丝或工件表面氧化膜。b. 合理选择规范参数。钨极氩弧焊选较大焊接电流和较快焊速。 熔化极气体保护焊时选较低焊速并提高焊接线能量有利于减少气孔。c. 采用氩气中加少量CO2或O2的熔化极混合气体保护焊。 d. 对厚的工件适当预热。 12 夹杂物对金属性能的影响夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降； 尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度； 易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂； 促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核； 在某些
18、情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。13. 常见焊缝中的夹杂物有几类，它们会对焊缝产生哪些危害？（6分）答：（1）氧化物夹杂。主要降低焊缝金属的韧性。 （2）氮化物夹杂。在时效过程中以针状分布在晶粒上或穿过晶界，使焊缝金属的塑性、韧性急剧下降。 （3）硫化物夹杂。硫从过饱和固溶体中析出，形成硫化物夹杂，以MnS和FeS形式存在于焊缝中。FeS沿晶界析出与FeO形成低熔点共晶，增加热裂纹生成的敏感性。14 试比较缩孔与缩松的形成机理缩松结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。当固相达到一
19、定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。 缩孔纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。 15. 简述凝固裂纹的形成机理及防止措施。金属在凝固过程中要经历液固状态和固液状态两个
20、阶段，在温度较高的液-固阶段，晶体数量较少，相邻晶体间不发生接触，液态金属可在晶体间自由流动，此时金属的变形主要由液体承担，已凝固的晶体只作少量的相互位移，其形状基本不变。随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大。进入固-液阶段后，多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，晶体本身也会发生一些变形。当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶体之间，且难以自由流动。由于液态薄膜抗变形阻力小，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱环节。此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在晶界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。可
21、从冶金和工艺两个方面采取措施，防止热裂纹的产生。（一）冶金措施1限制有害杂质；2微合金化和变质处理；3改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以减少晶界的氧化物夹杂，达到减少热裂倾向之目的；4改善金属组织；5利用“愈合”作用。（二）工艺措施1焊接工艺措施；2铸造工艺措施。16 冷裂纹的分类及其影响冷裂纹形成的因素延迟裂纹这类裂纹是在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，形成温度一般在 Ms 以下 200 至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征，故又称为氢致裂纹。裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可
22、用声发射仪来监测），常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。淬硬脆化裂纹某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms 至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。低塑性脆化裂纹它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成形加工中。如灰口铸铁在400以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。影响因素扩散
23、氢的含量与分布、钢材的淬硬倾向和拘束应力状态 。17共晶凝固过程中的共生生长与离异生长（4分） 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。18. 集中缩孔的形成机理（3分） 答：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。19 保证熔焊焊接接头的措施：(1)选择合适的母材；(2)选择合适的焊材；(3)控制焊接热过程，
24、保证焊缝金属达到成分和组织要求及焊接接头的力学性能；(4)控制HAZ的组织转变，使接头满足设计和使用要求；(5)控制使焊接接头性能下降且在局部加热和冷却过程中产生的成分偏析、夹杂、气孔、裂纹、催化等缺陷。20 比较焊接温度场和焊接热循环焊接热循环在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。 焊接温度场移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场不随时间改变）。21表征焊接热循环的参数分别是哪几个加入速度H、最高加热温度Tmax、相变温度以上停留的时间tH和冷却速度c。22. 焊接过程的特殊性
25、（以低合金钢为例）：(1)加热温度高，在熔合线附近温度可达l350l400；(2)加热速度快，加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍(3)高温停留时间短，在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为420s，埋弧焊时30l00s) (4)自然条件下连续冷却，（个别情况下进行焊后保温缓冷）；(5)加热的局部性和移动性；(6)在应力状态下进行组织转变。23 影响HAZ硬度的因素有那两个 (1)母材的脆硬倾向是内因，即化学成分。材料淬硬倾向的评价指标 碳当量（Carbon Equivalent）是反映钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折
26、合成碳的相当含量。 (2)HAZ的冷却速度是外因，即焊接规范。24 比较粗晶脆化、组织转变脆化、析出脆化和热应变失效脆化粗晶脆化在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。组织转变脆化焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆化。析出脆化析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。热应变失效脆化产生应变时效脆化的原因, 主要是由于应变引起位错增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓Cottrell气团，对位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。 25减少焊接残余应力的措施
27、(1)热处理法一般将工件加热到塑性状态的温度，并保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，消除残余应力。再缓冷，使厚、薄部位的温度均匀。(2) 机械法如对压力容器、桥梁等采用加载办法降低残余应力。原理是利用加载所产生的均匀拉伸应力与焊接应力相叠加，使存在于高拉伸应力区的应力值达到屈服强度值，迫使材料发生塑性变形，卸载后该区的残余应力得以完全或部分消除。(3) 共振法将焊件在共振条件下振动1015min，以达到消除焊接残余应力的目的。该法的优点：设备费用低，花费时间少，易于操作，无氧化皮，不受工件大小尺寸的限制。不会因热处理规范不当产生裂纹。26 焊接变形的基本形式(1)收缩变形(Contract
28、ion Deformation)焊接整体尺寸的减小，包括焊缝的纵向和横向收缩。(2)角变形(Angular Deformation)焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向上下收缩不一致，引起的变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。(3)弯曲变形(Curving Deformation)焊缝在结构上不对称分布，使得焊缝的纵向收缩不对称，引起焊件向一侧弯曲，形成的变形。(4)波浪变形(Waviness Deformation)焊接薄板结构时，焊接压应力使薄板失稳，引起不规则的变形。(5)扭曲变形(Twist Deformation)焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀和焊件纵向错边
29、引起的，也是结构中焊缝布置不对称，或者焊接顺序和施焊方向不合理有关。27 防止防止热裂纹的措施 总原则，主要控制焊缝金属成分和调整焊接参数。1 焊缝成分的控制 (1)选择合适的焊接材料对一定的母材选用不同的焊接材料，可以得到不同成分的焊缝，在抗裂性上出现不同的差异。如加入细化晶粒元素Mo、V、Ti、Nb等可以提高抗烈性的常用办法。(2)限制有害的杂质对于不同材料的焊缝，有害元素的杂质也不同。各种材料中，均必须严格控制P、S的含量。合金元素越高的材料，对P和S的限制要求越严格。2 调整焊接工艺焊接工艺的影响主要有以下几个方面：(1) 适宜的焊接参数适当增加焊接电流、电压提高焊接热输入和预热温度，
30、可以减少焊缝金属的应变速率，从而减低热裂纹的倾向。(2) 控制焊缝金属成形系数在不同的焊接方法和接头形式的条件下，选用合适的成形系数。(3) 减少熔合比减少熔合比，即减少母材对焊缝的稀释作用，包括焊缝中合金元素的稀释，及母材中有害元素对焊缝的影响。(4) 减少拘束度选择合理的焊接顺序，尽可能让大多数焊缝在较小的刚度下进行焊接，使焊缝的拘束应变减小。28 氢致裂纹的机理可用氢的应力诱导扩散理论进行解释该理论认为：金属内部的晶格缺陷等缺陷提供了裂纹源，在缺陷前沿(即缺口处)会形成应力集中的三向应力区。于是应力的诱导下，使氢向高应力区扩散，并发生聚集。当氢的浓度达到一定值时，将促使位错移动或增殖。此
31、时缺口尖端微区的塑性变形量随氢的浓度增加而增大。当氢的浓度达到临界值时，便发生局部开裂现象，导致裂纹向前扩展；并在裂纹尖端形成新的三向应力区，促使氢向新的三向应力区内扩散聚集。此时裂纹暂停向前扩展，只有当裂纹尖端局部的氢浓度达到临界值时，裂纹才能进一步扩展。由此可见氢致裂纹的启裂需要一段时间(即潜伏期)，而且裂纹的扩展是一个断续的过程。裂纹停顿的时间正是氢再次进行扩散和聚集，并达到临界浓度所需的时间。29 热塑性变形机理及其对金属组织和性能的影响金属热塑性变形机理主要有以下几种：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移，扩散蠕变。其中，晶内滑移是最主要的行为方式。孪生多发生在高温高速变形；晶界滑移和扩散蠕
32、变只发生在高温变形的时候。热塑性变形对金属的组织和性能的影响主要表现在以下几点：1改善晶粒组织2锻合内部缺陷3形成纤维状组织4改善碳化物和夹杂物分布5改善偏析30、简述张量的基本性质(1)张量不变量。张量的分量一定可以组成某些函数f (Pij ) ，这些函数值与坐标轴无关，它不随坐标而改变，这样的函数，叫做张量不变量。二阶张量存在三个独立的不变量。(2)张量可以叠加和分解。几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量。两个相同的张量之差定义为零张量。(3)张量可分为对称张量、非对称张量、反对称张量。若张量具有性质Pij= Pji，就叫对称张量；若张量具有性质Pij=Pji，且当i=j
33、时对应的分量为0，则叫反对称张量；如果张量PijPji，就叫非对称张量。任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量。(4)二阶对称张量存在三个主轴和三个主值。如果以主轴为坐标轴，则两个下角标不同的分量均为零，只留下两个下角标相同的三个分量，叫作主值。31 变形连续方程的物理意义表示：只有当应变分量之间满足一定的关系时，物体变形后才是连续的。否则，变形后会出现“撕裂”或“重叠”，变形体的连续性遭到破坏。32 焊接熔池的凝固条件(1) 熔池金属的体积小，冷却速度快(2) 温差大、过热温度高(3) 动态凝固过程(4) 液态金属对流激烈33 氢对焊缝金属的质量有何影响？（6分）（a）氢脆。氢
34、使钢在室温附近的塑性严重下降。 （b）白点（鱼眼）。碳钢或低合金钢在拉伸或弯曲断面上出现银白色的圆形局部脆断点。若产生白点，则其塑性大大降低。 （c）形成气孔。形成析出性氢气孔。 （d）冷裂纹。氢是促使产生冷裂纹的主要因素之一。三、计算题1在直角坐标系中，一点的应力状态表示成张量的形式为用应力状态特征方程求出该点的主应力和主方向。（8分）解：应力张量不变量为代入应力状态特征方程，得解得将应力分量代入P317式(14-10)，并与式(14-11)联合写成方程组为求主方向，可将解得的三个主应力值分别代入上述方程组的前三式中的任意两式，并与第四式联立求解，可求得三个主方向的方向余弦为2. 试推导均质
35、形核的临界形核功。（7分）均质晶核形成时，设晶核为球体，系统自由能变化G由两部分组成，即作为相变驱动力的液固体积自由能之差(由GV引起)和阻碍相变的固液界面能(由LS引起) (1)式中，V为晶核体积；Vs为形核晶体的摩尔体积；A为晶核表面积。因为要求出临界形核半径r*(即r的最大值)，只要即可： (2)将式(2)代入式(1)，可得到均质形核的临界形核功3 试推导非均质形核的临界形核功。假设晶核在界面上形成球冠状，达到平衡时则存在以下关系： (1)式中，、分别为液相与基底、液相与晶核、晶核与基底间的界面张力；为润湿角。 该系统吉布斯自由能的变化为 (2)式中，为球冠的体积，即固态核心的体积；为晶
36、核与夹杂物间的界面面积；为晶核与液相的界面面积。因此有： (3) (4) (5)将式(3)(5)代入式(2)得 (6)对式(6)求导，并令，可求出 4 流体力学的斯托克斯公式计算气泡或夹杂上浮的速度。其中：r为气泡或夹杂的半径，为液态合金密度，为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。为粘度或粘度系数。5 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。6 P57 第6题。 7 P105第5题8已知塑性状态下某质点的应力张量为（MPa），应变增量（为一微小量），试求应变增量的其余分量。（6分）解：根据增量理论有：所以：所以：9推导希尔(Scheil)公式（固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质
37、再分配），必要时画出该条件下成分与离开固液界面前沿距离关系图。设试样从一端开始凝固。开始时TTL，CsK0C0，CLC0。降至T*时，固液界面上固相成分Cs*与液相成分CL*平衡，由于固相中无扩散，成分沿斜线由K0C0逐渐上升（固相先后凝固各部分成分不同）；而液相因完全混合，平均成分，这种情况下，即于是有，积分得 =0时， 所以 （Scheil公式）10对于Oxyz直角坐标系，已知受力物体内一点的应力张量为求出该点的应力张量不变量、主应力、主切应力、最大切应力、等效应力、应力偏张量及应力球张量解：应力张量不变量为由应力状态方程解得主应力 主切应力 最大切应力 等效应力 应力张量得分解 应力球张
38、量 偏张量为 第十三章 思考与练习简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。 答： 滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。 设有一简单立方结构的双晶体，如图13-34所示，如果该金属的滑移系是100 ，试问在应力作用下，该双晶体中哪一个晶体 首先发生滑移？为什么？ 答：晶体首先发生滑移，因为受力的方向接近软取向，而接近硬取向。试分析多晶体塑性变形的特点。答：多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。 多
39、晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。4. 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。5. 合金的塑性变形有何特点？ 答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。 单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用， 多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于
40、第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显著的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。6. 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？ 答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大
41、时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。 7. 产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？ 答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动
42、位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。8. 什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？ 答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。 对于层错能高的金属，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。9. 什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？ 答：在热塑性变形过程中，层错能低的金属在变形量很大时，当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变，称为动态再结晶。影响动态再结晶的主要
43、因素有：金属的层错能高低，晶界迁移的难易程度有关。10. 什么是扩散性蠕变？它的作用机理是什么？ 答：扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。它的作用机理是在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。11. 钢锭经热加工变形后的组织和性能发生什么变化？ 答：组织和性能发生什么变化：改善晶粒组织锻合内部缺陷形成纤
44、维状组织改善碳化物和夹杂物分布改善偏析。12. 杂质元素和合金元素对钢的塑性有何影响？ 答：杂质元素，如P、S、N、H、O等，合金元素Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。对金属塑性的影响主要表现为:碳 碳对碳钢性能的影响最大。碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。磷磷是钢中的有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。硫 硫是钢中的有害物质，主要与铁形成FeS，F
45、eS与铁形成易熔共晶体Fe-FeS，产生“热脆”现象。氮 氮在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。在300C左右加工，会出现所谓的“蓝脆”现象。氢、氧 氧在钢中溶解度很小，主要以Fe3O4、 Al2O3和SiO2等夹杂物出现，降低钢的塑性； Fe3O4还与FeS形成易熔共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”。锰 作用之一是显著提高铁素体强度；作用之二是脱硫，锰与硫化合生成MnS，以消除FeS的热脆现象。 锡、铋、铅、锑、砷 这几种低熔点合金元素在钢中的溶解度很低，它们在钢中以纯金属相存在于晶界，易造成钢的热脆性。稀土元素 钢中加入少量稀土元素可以
46、改善钢的塑性，但加入过量的稀土元素会在晶界处析出，反而会降低塑性。13. 组织状态、变形温度应变速率对金属塑性有何影响？答：组织状态状态对金属塑性的影响：当金属材料的化学成分一定时，组织状态的不同，对金属的塑性有很大影响。晶格类型的影响，面心立方（滑移系12个）的金属塑性最好；体心立方晶格（滑移系12个）塑性次之，密排六方晶格的金属塑性更差。晶粒度的影响，晶粒度越小，塑性越高，晶粒度均匀的塑性好，晶粒大小相差悬殊的多晶体，各晶粒间的变形难易程度不同，造成变形和应力分布不均匀，所以塑性降低。相组成的影响，当合金元素以单相固溶体形式存在时，金属的塑性较高；当合金元素以过剩相存在时，塑性较低。铸造组成的影响，铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。变形温度对金属塑性的影响：对大多少金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。但是这种增加并不是线性的，在加热的某些温度区间，由于相