材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或 裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部 存在着能量起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡 组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外， 还存在结构起伏。 1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而 界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确 定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂 质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、 浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 1.4 解：浇注模型如下：
第三章课后作业 练习一 一、填空题 1、凝固是物质由液相转变为固相的过程。包括由液体向晶态固体转变，称为 ，及由液体向非晶态固体转变，称为 。 2、物质体积自由能G 随温度上升而 ，液相体积自由能G L 随温度上升而下降的斜率 固相体积G S 的斜率。 3、当T ＜T m 时，固-液体积自由能之差：ΔG V = G S －G L 为负值，ΔG V 称为 。其表达式为： 。 4、由公式可以看出， 是影响相变驱动力的决定因素，过冷度ΔT ，凝固相变驱动力ΔG V 越大。 5、设固相表面曲率k>0，由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点T m （r =∞时）要 。 6、对于固态密度低于液态密度的物质，当系统的外界压力升高时，物质熔点必然随之 。对于象Sb, Bi, Ga 等少数物质，固态时的密度低于液态的密度，压力对熔点的影响与上述情况 。 7、特定温T *下液、固相成分达到平衡时，溶质平衡分配系数K 0定义的数学表达式 为： 。 8、假设液相线及固相线为直线，则随温度的上升，溶质平衡分配系数K 0为 。 9、对于K 0＜1，固相线、液相线张开程度 ， K 0越小，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越 。因此，常将∣1- K 0∣称为“ ”。 二、解答题： 1、从热力学角度证明：L P T G ??? ????＞S P T G ??? ????，并说明此式的含义。 2、从热力学角度证明凝固相变驱动力的表达式： m m V T T H G ???-=?。 3、在右图中，液态合金成分为C 0。假设在冷却过程中按平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上分别标出T 1，T 2 及任意特定温度T*与液相线、固相线的交点的成分，以及两个空白的( )中的相区。
[材料成型工艺技术基础]韩建民版第二章答案 1.何谓塑性变形?单晶体、多晶体塑性变形的机理各是什么？ 金属在外力的作用下，内部产生应力，该应力使原子偏离其原来的平衡位置，当应力 超过金属材料的屈服极限，外力去除后，原子达到新的平衡状态，金属恢复不到原来的形 状和尺寸，产生的永久变形。 单晶体: 晶体在切应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面彼此以刚性 的整体相对滑移，滑移的距离为原子间距的整数倍。 多晶体：内部每个晶粒相互协调和配合，当外力达到一定值后晶界发生变形和破碎， 其中既有晶内的滑移变形，也有晶间的滑动和转动。 2.何谓冷变形，何谓热变形，冷变形后金属的组织和性能会产生怎么样的变化，热变 形后金属的组织和性能会产生怎么样的变化？ 金属锻造在升温变形过程中，金属原子获得能量，将低温变形中出现的应力吸收，微 结构中碎晶形核等生长，将变形晶粒全部消失，这个温度就是再结晶温度，此温度以下的 就是冷变形，以上的就是热变形。冷变形后，晶粒在外力作用下倍扭曲拉长，随着变化逐 渐成纤维状，有些晶粒破碎成碎晶，这种结构的晶格对进一步变形有阻碍作用，使金属的 的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降；热变形后，冷变形过程中出现的碎晶或杂志为核 心形核并长大，直到全部冷变形晶粒消失为止，消除加工硬化，这个过程是再结晶不是相变，其晶粒均匀生长细化，塑性增加。 3.为什么规定锻造温度范围？碳钢合理的始锻温度和终锻温度应在铁碳合金状态图的 什么位置？ 锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的一段温度间隔。确定锻造温度的基本原 则是，就能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力，并得到所要求 的组织和性能。锻造温度范围应尽可能宽一些，加热温度太低，表面会开裂，或者内部裂纹，加热温度过高，导致钢坯过烧，无法成型产品。碳钢的锻造温度范围如图（铁-碳状 态图）中的阴影线所示：钢的始锻温度主要受过热的限制，合金结构钢和合金工具钢的始 锻温度主要受过热和过烧温度的限制。钢的过烧温度约比熔点低100～150℃，过热温度又比过烧温度低约50℃，所以钢的始锻温度一般应低于熔点（或低于状态图固相线AE温度）150～200℃。由于钢锭的过热倾向小，始锻温度比同钢种的锻坯和轧材高20~50℃。当采 用高速精锻时由于热效应大，始锻温度可降低越100℃。 图10 碳钢的锻造温度范围 4.纤维组织如何形成的？它的存在有何利弊？
1.铸造的成型特点及其存在的主要问题是什么? 答.特点(1)适用范围广,受零件的尺寸，重量和复杂程度的限制较少，可生产复杂形状，复杂内腔的毛胚和零件。(2)可用铸造合金种类多,对于脆性或难加工金属及合金，如铸铁、高锰钢，铸造是唯一可行的方法。(3)铸件的尺寸精度高,铸件尺寸比锻件和焊接件的尺寸精确，可节约大量金属材料和机械加工工时。(4)成本低廉,易实现机械化生产，可大量利用废、旧金属料，动力消耗小，节约加工工时和金属。 主要问题:铸造生产过程比较复杂，废品率高。 2.何为合金的铸造性能？他可以用哪些性能来衡量？铸造性能不好，会引起那些缺陷？ 答：合金的铸造性能是表示合金通过铸造成型获得优质铸件的能力，通过流动性，收缩性来衡量。流动性不好时，铸件易产生浇不到，冷隔，气孔，夹杂，缩孔，热裂等缺陷。收缩性不好易引起缩孔和缩松现象，进而从而使铸件的机械性能，气密性，和物化性大大降低。 3.常用铸造合金中，哪种合金的铸造性能较好，那种铸造和金的铸造性能较差，为什么？ 从合金流动性考虑，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。主要原因：结晶温度范围小的合金流动性好，反之，范围大的流动性差。在一定温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区，凝固层的内表面精造不平，对流动阻力较大，故流动性差，合金结晶温度范围愈大，两相区愈宽，树枝晶体也愈多，金属液愈早停止流动，流动性愈差。从收缩率考虑，铸铁中灰铸铁的收缩率较小，由于灰铸铁结晶时所含大多是以石墨形态析出，石墨的比容大，使得铸铁体积膨胀抵消部分收缩，碳钢同样随含碳量的提高而增加。 4. 可采用哪些措施提高合金的流动性？ 答：(1)选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金 (2)提高金属液质量，金属液越纯净，含气体、夹杂越少。 (3)提高浇注温度和压头、合理设置浇注系统和改进铸件结构。 5，缩孔和缩松是怎么形成的？可采用什么措施防止？ 答：凝固结束后往往在铸件某些部位出现孔洞，大而集中的空洞称缩孔，其形成条件是：金属在恒温或者很窄的温度范围内结晶，铸件壁成逐层凝固方式；孔洞细小而分散的空洞称缩松，其形成条件是:合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。防止缩孔和缩松的方法：（1）按照顺序凝固原则进行凝固。（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺。（3）合理应用冒口、冷铁、和补贴等工艺措施。 6.按形成原因分铸造应力有哪几种？什么是热阻碍，什么是机械阻碍？ 阻碍按形成原因分为: 热阻碍和机械阻碍。热阻碍是指铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍；由热阻碍引起的应力称热应力；机械阻碍是指铸型、型芯等对铸件收缩的阻碍；由机械阻碍引起的应力称为机械应力。 8.什么是顺序凝固原则和同时凝固原则？各适用于合金及铸件结构特点？ 答：顺序凝固原则是指采取各种工艺措施，使铸件上远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递减的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序的凝固。其适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢，
第三章 1．试述等压时物质自由能G 随温度上升而下降以及液相自由能G L 随温度上升 而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由。并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素。 答：(1)等压时物质自由能G 随温度上升而下降的理由如下： 由麦克斯韦尔关系式： （1）VdP SdT dG +-=并根据数学上的全微分关系： dy y F dx x F y x dF x y ???? ????+??? ????=),(得： （2）dP P G dT T G dG T P ??? ????+??? ????=比较（1）式和（2）式得： V P G S T G T P =??? ????-=??? ????,等压时dP =0 ，此时 （3）dT T G SdT dG P ??? ????=-=由于熵恒为正值，故物质自由能G 随温度上升而下降。(2)液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： S L ＞ S S 所以： ＞即液相自由能G L 随温度上升而下降 的斜率大于固相G S 的斜率 。(3)过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动 力ΔG 的决定因素的理由如下： 右图即为图3-1其中：表示液－固体积自由能之差V G ?T m 表示液-固平衡凝固点 从图中可以看出： T > T m 时，ΔG=Gs-G L ﹥0，此时 固相→液相 T = T m 时，ΔG=Gs-G L =0，此时 液固平衡 T < T m 时，ΔG=Gs-G L ＜0，此时 液相→固相 所以ΔG 即为相变驱动力。 再结合（3-6）式来看， m m V T T H G ???-=?（其中：ΔH m —熔化潜热， ΔT —过冷度） )(T T m -=，合理利用管线敷设技术工作并且进行过关运行高资料试卷布置情况与有置调试技术，要求电力
材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或裂 纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。 答： 液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而界 面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r 为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r 1+1/r 2）,式中r 1、r 2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 答： 液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条 件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L 要大；③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 解： 浇注模型如下： 则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r 显然 r ＝ 2 1 ×＝ 则 ρ＝4 10*5.05 .1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为 H ＝ρ/（ρ液*g ）＝ 10 *75006000 ＝ 解： 由Stokes 公式 上浮速度 9 2(2v )12r r r －＝
本章小结 铸造的定义、优点、缺点 充型能力的定义、影响它的三个因素 影响流动性的因素；纯金属和共晶成分合金呈逐层凝固流动 性最好；影响充型能力的铸型的三个条件；浇注温度和压力 对充型能力是如何影响的。 铸造时液态和凝固收缩易产生缩孔和缩松；固态收缩易产生 应力、变形和裂纹。 何种合金易缩孔，何种合金易缩松；多出现于铸件的哪些部位？缩孔和缩松的防止措施。顺序凝固的定义和应用场合。 收缩应力的危害和减小措施。 热应力产生的原因。能正确判断出铸件上何处产生拉应力、何处产生压应力。 减小和消除热应力的方法。同时凝固的定义和应用场合。 本章小结2 能正确判断出铸件上何处产生何种变形，防止铸件变形的 冷裂纹和热裂纹的特征，何时产生、防止措施。 合金的铸造性能的定义，常用铸铁和钢的铸造性能及用其 砂型铸造的造型方法可分为手工造型和机器造型两大类， 铸造工艺图定义和作用、铸件图和铸型装配图的作用。 浇注位置和分型面的定义、选择原则，能正确选择。 铸造工艺参数 能正确绘制铸造工艺图 合金的铸造性能和铸造工艺对零件结构各有何要求，具有改错 塑性成形性的 自由锻造的特点、应用范围。 正确绘制 自由锻造零件结构设计：
本章小结 模型锻造的特点和应用范围。 锤模锻的锻模模膛分为 正确 锤模锻零件的结构设计： 板料冲压的特点和应用范围。 冲裁分为 冲孔和落料的落下部分分别为成品还是废料 模型冲裁间隙按大小可分为：大、中、小间隙的 弯曲的定义， 拉深的定义， 区分 零件结构的冲压工艺性：正确选择冲压件材料、 本章小结 连接成形的定义、优点、缺点 连接成形可分为:焊接、胶接和机械连接等三大类 焊接可分为等三大类:熔焊、压焊、钎焊，各类的定义 熔焊液相冶金的特点:反应温度高、比表面积大、反应时间短 焊接接头各组成部分的名称，哪部分质量最好，哪部分质量最差调节焊接残余应力的措施改正图，焊接残余应力的消除方法4种焊接残余变形的类型5种，控制焊接残余变形的措施,改正图 各种焊接方法的运用场合，能正确选择焊接方法
材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案 第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？ 答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝则和定向凝则？ 答：①同时凝则：将浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 第二章 ⑴.试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。 答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？ 答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？ 答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果没球墨铸铁好？普通灰铸铁常用热处理方法有哪些？目的是什 么？ 答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。 第三章 ⑴．为什么制造蜡模多采用糊状蜡料加压成形，而较少采用蜡液浇铸成形？为什么脱蜡时水温不应达到沸点？ 答：蜡模材料可用石蜡、硬脂酸等配成，在常用的蜡料中，石蜡和硬脂酸各占50%，其熔点为50℃~60℃，高熔点蜡料可加入塑料，制模时，将蜡料熔为糊状，目的除了使温度均匀外，对含填充料的蜡料还有防止沉淀的作用。
第二章 2-1、曲柄压力机由那几部分组成？各部分的功能如何？ 答：曲柄压力机由以下几部分组成：1、工作机构。由曲柄、连杆、滑块组成，将旋转运动转换成往复直线运动。2、传动系统。由带传动和齿轮传动组成，将电动机的能量传输至工作机构。3、操作机构。主要由离合器、制动器和相应电器系统组成，控制工作机构的运行状态，使其能够间歇或连续工作。4、能源部分。由电动机和飞轮组成，电动机提供能源，飞轮储存和释放能量。5、支撑部分。由机身、工作台和紧固件等组成。它把压力机所有零部件连成一个整体。 6、辅助系统。包括气路系统、润滑系统、过载保护装置、气垫、快换模、打料装置、监控装置等。提高压力机的安全性和操作方便性。 2-2、曲柄压力机滑块位移、速度、加速度变化规律是怎样的？它们与冲压工艺的联系如何？ 答：速度的变化规律为正弦曲线，加速度的变化规律为余弦曲线，位移的变化规律为 2-3、分析曲柄滑块机构的受力，说明压力机许用负荷图的准确含义答：曲柄压力机工作时，曲柄滑块机构要承受全部的工艺力，是主要的受力机构之一 理想状态下滑块上受到的作用力有：工件成形工艺力F、连杆对滑块的作用力FAB、导轨对滑块的反作用力FQ，实际上，曲柄滑块机构各运动副之间是有摩擦存在的，考察摩擦的影响以后，各环节的受力方向及大小发生了变化，加大了曲轴上的扭矩。曲柄压力机曲轴所受的扭矩Mq除与滑块所承受的工艺力F成正比外，还与曲柄转角a有关，在较大的曲柄转角下工作时，曲轴上所受扭矩较大。 通过对曲柄滑块的受力分析，结合实际情况得出的许用负荷图用以方便用户正确选择设备。 2-5装模高度的调节方式有哪些？各有何特点？ 三种调节方法有：1、调节连杆长度。该方法结构紧凑，可降低压力机的高度，但连杆与滑块的铰接处为球头，且球头和支撑座加工比较困难，需专用设备。螺杆的抗弯性能亦不强。2、调节滑块高度。柱销式连杆采用此种结构，与球头式连杆相比，柱销式连杆的抗弯强度提高了，铰接柱销的加工也更为方便，较大型压力机采用柱面连接结构以改善圆柱销的受力。3、调节工作台高度。多用于小型压力机。 2-6、比较压塌块过载保护装置和液压式过载保护装置。 压塌式过载保护装置结构简单，制造方便，但在设计时无法考虑它的疲劳极限，可能引起提前的剪切破坏，或者使压力只能工作在小于标称压力的情况下，降低设备使用效率。同时压塌式过载保护装置只能用于单点压力机，用于多点压力机时会因偏载引起某个压塌块先行剪切断裂。 液压式过载保护装置多运用于多点和大型压力机，其特点是过载临界点可以准确地设定，且过载后设备恢复容易。
第一章习题 1 . 液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部 破坏？ 答：（1）液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明 相同点 不同点 液体 具有流动性，不能承受切应力；远程无序，近程有序 固体 具有自由表面；可 压缩性很低 不具有流动性，可承受切应力；远程有序 液体 远程无序，近程有序；有自由表面；可压缩性很低 气体 完全占据容器空间 并取得容器内腔形 状；具有流动性 完全无序；无自由表面；具有很高的压缩性 （2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明： ① 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化V Δm /V 为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 ② 金属熔化潜热H Δm 约为气化潜热ΔH b 的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。 由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一 定的规律性。 2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N 1 、平均原子间距r 1各表示什么？ 答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参 考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo （=N/V ）的相对偏差。 N 1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。 r 1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。 3． 如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合 金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。 答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不 具备平移、对称性。 近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集 团 （2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证 ① 偶分布函数的特征 对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均 相等，呈一条直线g(r)=1。晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。 ② 从金属熔化过程看 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化V Δm /V 为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。另一方面，金属熔化潜热H Δm 约为气化潜热ΔH b 的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。可以说，在熔点（或液相线）附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类似于固体。 ③ Richter等人利用X衍射、中子及电子衍射手段，对碱金属、Au、Ag、Pb和Tl等熔体进行了十多 年的系统研究，认为液体中存在着拓扑球状密排结构以及层状结构，它们的尺寸范围约为10-6-10-7cm。 ④ Reichert 观察到液态Pb 局域结构的五重对称性及二十面体的存在，并推测二十面体存在于所有的单组元简单液体。
复习纲要 第一章绪论 1、现代制造过程的分类（质量增加、质量不变、质量减少）。 2、那几种机械制造过程属于质量增加（不变、减少）过程。 第二章液态金属材料铸造成形技术过程 1、液态金属充型能力和流动性的定义及其衡量方法 2、影响液态金属充型能力的因素（金属性质、铸型性质、浇注条件、铸件结构） 3、影响液态金属流动性的因素（成分、温度、杂质含量、物理性质） 4、收缩的定义及铸造合金收缩过程（液态、凝固、固态） 5、缩孔、缩松的定义，形成条件、产生的基本原因，形成部位及防止方法。 6、铸造应力的定义及分类，产生的缺陷（热裂、冷裂、变形），防止和减少的措施。 7、金属的吸气性及金属吸收气体的过程，主要气体（H2、N2、O2） 7、偏析、宏观偏析、微观偏析、正偏析、逆偏析的定义及其消除方法。 8、铸件可能出现那几种气孔（析出性、反应性、侵入性）及其定义 9、熔炼的分类（按合金和熔炼特点）及熔炼的基本要求 10、浇注系统的组成及主要功能 11、铸件冒口的定义、作用及设计必须满足的基本要求（P51） 12、冷铁的作用 13、常用的机器造型和制芯方法有哪些？ 14、液态金属的凝固过程，顺序凝固、同时凝固的定义 15、砂型铸造和特种铸造的技术特点（P52） 16、常用的特种铸造方法有哪些？其基本原理和特点是什么？ 17、何谓金属的铸造性能，铸造性能不好会引起哪些铸造缺陷？ 练习题 一、名词解释 1、缩孔、缩松 2、顺序凝固和同时凝固 3、宏观偏析、微观偏析 4、流动性、充型能力 5、自由收缩、受阻收缩 二、填空 1、现代制造过程分类一般分为，，。 2、一般用来表征液态金属的充型能力，用来表征液态金属的流动性。 3、影响液态金属充型能力的因素有、、、四个方面。 4、影响铸造合金收缩的因素有、、、。 5、铸造缩孔形成的基本条件是，缩松形成的基本条件是。 6、铸件实际收缩过程中受到的阻力分为、、三种。 7、铸造应力按形成原因不同分为，，三种应力。 8、铸件中往往存在各种气体，其中主要是，其次是和。 9、铸件中可能存在的气孔有、、三种。 10、按照熔炉的特点，铸造合金的熔炼可分为、、、等。 11、一般砂型铸造技术的浇注系统结构主要由，，，组成。 12、砂型铸造常用的机器造型方法有、、、等。 13、铸造生产中常用的机器制芯方法有、、、。
第二章凝固温度场 第一节传热基本原理 一、填空 1. 温度梯度指温度随距离的变化率，对于一定温度场，沿等温面或等温线法线方向的温度梯度最大，图形上沿着该方向的等温面（或等温线）最密集。 2. 根据传热学的基本理论，热量传递的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传输称为热传导。 3. 铸造过程中液态金属在充型时与铸型间的热量交换以热对流为主，铸件在铸型中的凝固、冷却过程以热传导为主。 4. 不仅在空间上变化并且也随时间变化的温度场称为不稳定温度场。熔焊时焊件各部位的温度随热源的施加及移动而变，属于不稳定温度场，又称之为焊接热循环。 5. 傅里叶定律是热传导过程的数学模型，求解该偏微分方程的主要方法有解析方法与数值方法，后者是用计算机程序来求解数学模型的近似解，最常用的数值解法是差分法和有限元法。 6. 在求解热传导过程中的温度场时需要根据具体问题给出导热体的边界条件，一般将边界条件分为三类，其中以换热边界条件最为常见。对于不稳定温度场的求解，除了边界条件之外，还要提供导热体的初始条件。 二、单选题： 1. 熔焊过程中热源与焊件间的热量传递方式属于：（4） （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 2. 熔焊过程中熔池内部的热量传递以（ 2 ）方式为主。 （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 3. 熔焊过程中焊件内部的热量传递以（ 1 ）方式为主。 （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 4. 熔焊过程中焊件表面与周围空气介质之间的热量传递方式属于：（4） （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 三、简答
第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。 答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。 答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固
第二章凝固温度场 4. 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。 解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A 球t 块>t 板>t 杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为300?300?20 mm 的纯铝板。设铸型的初始温度为20℃，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为670℃，金属与铸型材料的热物性参数见下表： 热物性 材料 导热系数λ W/(m ·K) 比热容C J/(kg ·K) 密度ρ kg/m 3 热扩散率a m 2/s 结晶潜热 J/kg 纯铝 212 1200 2700 6.5?10-5 3.9?105 砂型 0.739 1840 1600 2.5?10-7 试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,并作出τ-s 曲线； （2）分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间，并分析差别。 解：(1) 代入相关已知数解得： 2222ρλc b =，=1475 ， ()()[] S i T T c L T T b K -+ρπ-= 10112022 = 0.9433 (m s m /) 根据公式K ξ τ= 计算出不同时刻铸件凝固层厚度s 见下表,τξ-曲线见图3。 τ (s) 0 20 40 60 80 100 120 ξ (mm) 4.22 6.00 7.31 8.44 9.43 10.3 (2) 利用“平方根定律”计算出铸件的完全凝固时间： 图3 τξ-关系曲线
材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？ 答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。 答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 第二章 ⑴ .试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。 答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白
口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否 相同？ 答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？ 答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果不如球墨铸铁好？普通灰铸铁常用的热处理方法有哪 些？其目的是什么？ 答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除内应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。
第一章 1、结晶高聚物的熔融与熔点的测定 P35 （1）物质从结晶态转变为液态的过程称为熔融。融融的过程中，体系自由能对温度和压力的一阶异数发生不连续的变化，转变温度与保持平衡的两相的相对数量无关，按照热力学的定义这种转变为一级相转变 （2）熔点的测定：①差热分析法②差式扫描量热法③偏光显微镜法④X射线衍射法⑤红外光谱法⑥核磁共振法 2、什么是微观粒子的波粒二象性？（2） 光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。“二象性”并不只限于光而具有普遍意义。 3、声子概念的意义（25） 可以将格波与物质的相互作用过程理解为，声子和物质（如，电子、光子、声子等）的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。 4、高聚物分子运动的特点（28） 运动单元的多重性；分子运动的时间依赖性；分子运动的温度依赖性。 5、影响高聚物玻璃化温度的因素（33----35） 从玻璃化转变的实质看，玻璃化温度是高分子链段运动刚被冻结（或激发）的温度，因此，凡是有利于链段运动的因素都有利于降低玻璃化温度，凡是不利于链段运动的因素都会引起玻璃化温度的升高。 （1）分子链结构的影响链段运动是通过主链上单键的内旋转来实现的。因此从化学结构上看，决定高聚物玻璃化温度的主要因素有两个：主链本身的柔性和高分子间的作用力。高分子链的柔性越高，分子间作用力越小，高聚物的玻璃化温度越低。高分子链的柔性跟以下因素有关：○1主链结构；○2侧基、侧链；○3离子型高聚物；○4交联。 （2）分子量的影响分子量的增加使T g升高，特别是当分子量较低时，这种影响更为明显。 （3）增塑剂的影响增塑剂对T g的影响是非常显著的。（增塑剂一般为小分子的低挥发性物质，在工业中有着重要的实际意义。增塑剂的加入不仅使聚氯乙烯有良好的成型加工性，也使制品可以满足不同的性能要求，可以使聚氯乙烯从坚硬塑料，变化为柔软的薄膜材料。） （增塑剂的加入使玻璃化温度降低的原因可以归结为两个：一是增塑剂上的极性官能团与聚氯乙烯上的氯原子产生相互作用，减少了聚氯乙烯分子间的相互作用，相当于把氯原子屏蔽起来，结果使物理交联点减少；二是增塑剂分子比聚氯乙烯小很多，它们的活动比较容易，可以方便的为链段运动提供所需的空间。） （4）外界条件的影响 ○1升温速度和外力作用时间一般说来，升温速度降低10℃/min，T g降低3℃。 ○2外力外力能促进链段沿外力作用方向运动，使T g降低。应力越大，T g越低。 ○3流体静压力如果高聚物受到流体静压力，则其内部的自由体积将被压缩，玻璃化温度会升高。静压力越大，玻璃化温度越高。 6、影响高聚物流动温度的因素（39） 由于高聚物分子量的多分散性，一般高聚物都没有明确的流动温度，而只有一个较宽的软化温度范围。 影响流动温度的因素 （1）分子量当分子量较低时，高聚物只有一种运动单元，其T g与T f重合。分子量超过某一限度后，高聚物出现高弹态，此时
第一章绪论 1.“高分子材料”的定义。 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料，是从应用的角度对高分子进行形的归类如，塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂等。 2.高分子材料成型加工的定义。 高分子材料（由高分子化合物和添加剂组成）是通过成型加工工艺得到具有实用性的材料或制品过程的工程技术。从高分子材料成型加工的工艺过程方面考虑，高分子材料的成型加工进一步定义为，要求通过共混、反应及分子组装等聚合物加工方法获得新的性能及功能，要求利用外场、温度、时间等组合控制材料非平衡态结构以获得特殊性能及功能。 3.高分子材料工程特征的含义。 一方面，高分子材料结构上的特殊性，使得其性能是可变的，因此高分子材料成型加工方法具有多样性。即同样的高分子材料，通过不同的成型加工过程（包括加工工艺条件），制得高分子材料制品的性能是不一样的。另一方面，高分子材料的制品的性能决定于材料本身及成型过程中产生的附加性质，这些附加性质有些要加以利用，有些要进行限制。因此，高分子材料的成型加工方法具有多样性。 第二章高分子材料学 1．分别区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”，并请各举2～3例。 通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。通用塑料有：PE，PP，PVC，PS等； 工程塑料：是指拉伸强度大于50MPa，冲击强度大于6kJ/m2 ，长期耐热温度超过100℃的，刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀等，可代替金属用作结构件的塑料。工程塑料有：PA，PET，PBT，POM等；工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100℃以上，主要运用在工业上”。
第三章 1． 试述等压时物质自由能G 随温度上升而下降以及液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由。并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素。 答：(1)等压时物质自由能G 随温度上升而下降的理由如下： 由麦克斯韦尔关系式： VdP SdT dG +-= （1） 并根据数学上的全微分关系：dy y F dx x F y x dF x y ???? ? ???+??? ????=), ( 得： dP P G dT T G dG T P ??? ????+??? ????= （2） 比较（1）式和（2）式得： V P G S T G T P =??? ????-=??? ????, 等压时dP =0 ，此时 dT T G SdT dG P ??? ????=-= （3） 由于熵恒为正值，故物质自由能G 随温度上升而下降。 (2)液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： S L ＞ S S 所以： ＞ 即液相自由能G L 随温度上升而下降 的斜率大于固相G S 的斜率 。 (3)过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动 力ΔG 的决定因素的理由如下： 右图即为图3-1 其中：V G ?表示液－固体积自由能之差 T m 表示液-固平衡凝固点 从图中可以看出： T > T m 时，ΔG=Gs -G L ﹥0，此时 固相→液相 T = T m 时，ΔG=Gs -G L =0，此时 液固平衡 T < T m 时，ΔG=Gs -G L ＜0，此时 液相→固相 所以ΔG 即为相变驱动力。 再结合（3-6）式来看， m m V T T H G ???-=? （其中：ΔH m —熔化潜热， ΔT )(T T m -=—过冷度）
材料材料成型成型成型技术基础技术基础
作业3： 作业要求作业要求：： 写在word 文档文档；； 将这个文件压缩打包并命名为将这个文件压缩打包并命名为：：作业3班级-学号-姓名.zip （作业3-13机制1-18-张三.zip ） 1.请定义熔焊。 2.焊条电弧焊接头的基本形式有哪些？ 3.焊芯的主要作用是什么？ 4.中碳钢和低强度低合金钢的可焊性哪个比较好？ 5.二氧化碳保护焊适合焊有色金属和高合金钢吗？为什么？
件组合起来件组合起来，，能成为完整的产品能成为完整的产品。 金属的连接有很多种方法金属的连接有很多种方法，可拆连接和不可拆连接可拆连接和不可拆连接。 可拆连接可拆连接::不必损坏拆卸，如键连接和螺栓连接，只需将键打出，或将螺母松开抽出螺栓，就可以完成拆卸。螺纹联接是应用最广泛的可拆连接。 不可拆连接不可拆连接::必须损坏或损伤被连接件或起连接作用的连接件才能完成拆卸，如焊接和铆接。 在钢结构中在钢结构中，，螺纹连接等螺纹连接等。。
铆接的基本形式 搭接是铆接结构中最简单的叠合 方式，它是将板件边缘对搭在一 起用铆钉加以固定连接的结构形 式。 对接是将连接的板件置于同一个平面，上面覆盖有盖板，用盖板把板件铆接在一起。这种连接可分为单盖板式和双盖板式两种对接形式。 角接是互相垂直或组成一定角度板件的连接。这种连接要在角接处覆以搭叠零件一角钢 角钢 角钢。角接时，板件上的角钢接头有一侧或两侧两种形式。搭接对接角接
胶接 胶接是借助于一层非金属的中间体材料，通过化学反应或物理凝固等作用，从而把两个物体紧密地接合在一起的连接方法，也是一种不可拆连接。作为中间连接体的材料称为胶粘剂。 常见胶接基本形式