第七章 铸件中的偏析

《材料成形基础》试卷（A）卷考试时间：120 分钟考试方式：半开卷学院班级姓名学号一、填空题（每空0.5分，共20分）1. 润湿角是衡量界面张力的标志，润湿角Ɵ≥90°，表面液体不能润湿固体；2．晶体结晶时，有时会以枝晶生长方式进行，此时固液界面前液体中的温度梯度为负。

3．灰铸铁凝固时，其收缩量远小于白口铁或钢，其原因在于碳的石墨化膨胀作用。

4. 孕育和变质处理是控制金属（或合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影响生核过程，而变质则主要改变晶体生长方式。

5．液态金属成形过程中在固相线附近产生的裂纹称为热裂纹，而在室温附近产生的裂纹称为冷裂纹。

6．铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历液态收缩、固态收缩和凝固收缩三个收缩阶段。

7．焊缝中的宏观偏析可分为层状偏析和区域偏析。

8．液态金属成形过程中在附近产生的裂纹称为热裂纹，而在附近产生的裂纹成为冷裂纹。

9．铸件凝固方式有逐层凝固、体积凝固、中间凝固，其中逐层凝固方式容易产生集中性缩孔，一般采用同时凝固原则可以消除；体积凝固方式易产生分散性缩松，采用顺序凝固原则可以消除此缺陷。

10．金属塑性加工就是在外力作用下使金属产生塑性变形加工方法。

11．塑性反映了材料产生塑性变形的能力，可以用最大变形程度来表示。

1.12．塑性变形时，由于外力所作的功转化为热能，从而使物体的温度升高的现象称为温度效应。

2.13．在完全不产生回复和再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形。

14．多晶体塑性变形时，除了晶内的滑移和产生，还包括晶界的滑动和转动。

3.15．单位面积上的内力称为应力。

4.16．物体在变形时，如果只在一个平面内产生变形，在这个平面称为塑性流平面。

17．细晶超塑性时要求其组织超细化、等轴化和稳定化。

18．轧制时，变形区可以分为后滑区、中性区和前滑区三个区域。

19．棒材挤压变形时，其变形过程分为填充和挤压两个阶段。

20．冲裁件的切断面由圆角带、光亮带、断裂带三个部分组成。

关于偏析概念及分类合金液在铸型中凝固以后，铸件断面各个部分，以及晶粒内部，往往有化学成分不均匀的现象，这就是偏析。

偏析是一种铸造缺陷。

由于铸件各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命。

因此，在铸造生产中，必须防止合金在凝固过程中产生偏析。

偏析可分为三种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。

对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要型式，但有时，由于铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。

一、晶内偏析晶内偏析，又称树枝状晶偏析，简称枝晶偏析。

其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。

如锡青铜在晶粒轴线上往往含铜较多，含锡较少，而枝晶边缘则相反，这就是晶内偏析。

铸件内产生晶内偏析，一般有二个先决条件，第一，合金的凝固有一定的温度范围；第二，合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。

一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。

因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。

为了防止某些合金的晶内偏析，可以采取细化晶粒措施，以缩短原子扩散距离；或适当提高浇注温度，延缓冷却速度，以延长原子扩散时间但浇注温度不得过高，否则会造成氧化、吸气、晶粒粗大等弊病。

当铸件内已存在晶内偏析时，可考虑采用长则间的扩散退火热处理，以求得到改善。

二、区域偏析区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。

区域偏析可分为正向和逆向偏析正向偏析是熔点较低的成分或合金元素熔质集中在铸件的中心和上部，其含量从铸件边缘至中心逐渐增加。

逆向偏析则相反，熔点较低的成分或合金元素熔质集聚在铸件边缘。

如在铜合金中，硅黄铜易出现正向偏析现象，即铸件中心含硅较多；锡青铜则易产生逆向偏析现象，即铸件表面层含锡较多。

合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本原因。

铸件宏观偏析和石墨漂浮成因及防止措施铸件宏观偏析是指在一个宏观尺度上，铸件内部某些部分获得的化学成分比其他相对应的部分多或少，从而导致组织构造和性能不均匀。

目前认为，铸件宏观偏析主要有几个成因，包括原材料成分的不均，熔炼、浇铸和冷却过程中的温度和成分分布不均等。

其中，原材料的成分不均主要是指铁水、熔渣和废铜中的元素浓度不同，对于大多数企业来说，这种情况很难避免。

而石墨漂浮是指在铸铁铸件中，由于石墨比铁密度小，所以在熔铁过程中，石墨容易沉积在熔池底部。

但是，如果熔铁一侧进一定量洁净，石墨在铁水中的浮力就会突然增大，从而导致石墨上浮，形成石墨漂浮现象。

因为在高温均匀熔体中石墨漂浮不易出现，所以现在普遍认为，石墨漂浮是铸件宏观偏析的一种。

那么，为了防止铸件宏观偏析和石墨漂浮，我们应该采取哪些预防措施呢？一、原材料控制1.选用合适的合金原材料能够有效提高原材料中元素浓度的检测方法和设备，通过合理的原材料配料，控制铸件化学成分的浓度范围，进而减少偏析。

此外，一些添加剂能有效改善铸铁的质量，如添加剂“CA”能够吸附氧气，降低铁水渣浇口中氧气含量，减少铸件收缩缺陷和夹杂等。

2.严格实行原材料加工规范制定相应的铸造工艺和加工操作规范，精确测量和严格控制铁水、熔渣和废铜等原材料的成分，合理制定合金组成比例，减少铸件化学成分的偏析。

二、铸造工艺控制1.控制铸造温度和速度铸造温度和速度的联合控制，对减少铸件宏观偏析和石墨漂浮是非常重要的。

因为熔铁在不同的温度下，石墨的浮力不同，所以通过控制铸造温度和速度的变化规律，可以降低石墨漂浮发生的可能性。

2.优化浇注系统采用合适的型腔布置，降低熔铁入口和浇口的压力和速度，控制浇注和逐层凝固的速度和方向，减少冷却后的残余热量和热应力，提高铸件的质量和尺寸精度。

三、金相分析进行组织和成分分析，检测铸件的偏析程度和石墨形态，从而减少宏观偏析和石墨漂浮发生的可能性。

总之，对于铸造企业来说，防止铸件宏观偏析和石墨漂浮是非常重要的工作。

1．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。

答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。

组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。

相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。

相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。

固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。

金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。

它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。

机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。

枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。

比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。

如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。

固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。

2．指出下列名词的主要区别：1）置换固溶体与间隙固溶体；答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。

间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。

2）相组成物与组织组成物；相组成物：合金的基本组成相。

组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。

材料成型原理复习总结名词解释：1溶质平衡分配系数：定义为特定温度下固相合金成分浓度与液相合金成分浓度达到平衡时的比值。

2液态金属的充型能力:充型过程中，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。

3孕育处理：是在浇注之前或者浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒，改善宏观组织目的的一种工艺方法。

4最小阻力定律：当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动。

5金属的超塑性：所谓超常的塑性变形行为，具有均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百，甚至几千，这就是金属的超塑性6定向凝固原则：就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近你冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。

7偏析：合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为偏析。

8平衡凝固：是指液，固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。

9相变应力：具有固态相变的合金，若各部分发生相变的时刻及相变的程度不同，其内部就可能产生应力，这种应力就成为相变引力。

10晶体择优生长：在发展成为柱状晶组织的过程中需要淘汰取向不利的晶体，这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。

简答题1.简述金属压力加工（塑性成形）的特点和应用。

答：1生产效率高。

（适用于大批量生产）2.改善了金属的组织和结构（钢锭内部的组织缺陷经塑性变形后组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高）3材料的利用率高（无切削，只有少量的工艺废料，因此利用率高）4尺寸精度高（精密锻造，精密挤压，精密冲裁零件，可以达到不需要机械加工就可以使用的程度）应用：金属的塑性加工在汽车，拖拉机，船舶，兵器，航空和家用电器等行业都有广泛的应用。

2．什么是缩孔和缩松？请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因。

答：铸件在凝固的过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞.容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。

名词解释一、二章(绪论+铸造成型)：1缩孔、缩松：液态金属在凝固的过程中，由于液态收缩和凝固收缩，因而在铸件最后凝固部位出现大而集中的孔洞，这种孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。

2顺序凝固：指采用各种措施保证铸件结构各部分，从远离冒口部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，实现由远离冒口的部分最先凝固再向冒口方向顺序凝固的凝固方式。

3同时凝固：由顺序凝固的定义可得。

4偏析：铸件凝固后截面上不同部位晶粒内部化学成分不均匀的现象称为偏析。

5:宏观偏析：其成分不均匀现象表现在较大尺寸范围，也称为区域偏析。

6微观偏析：指微小范围内的化学成分不均匀现象。

7流动性：液态金属自身的流动能力称为“流动性”。

8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叫充型能力。

9正偏析：当溶质的分配系数K>1的合金进行凝固时，越是后来结晶的固相，溶质的浓度越低，这种成分偏析称之为正偏析。

10逆偏析：当溶质的分配系数K<1的合金进行凝固时，越是后来结晶的固相，溶质的浓度越高，这种成分偏析称之为逆偏析。

11：自由收缩：铸件在铸型中收缩仅受到金属表面与铸型表面的摩擦阻力时，为自由收缩。

12：受阻收缩：如果铸件在铸型中的收缩除了受到金属表面与铸型表面的摩擦阻力，还受到其他阻碍，则为受阻收缩。

13：析出性气孔：溶解于熔融金属中的气体在冷却和凝固的过程中，由于溶解度的下降而从合金中析出，当铸件表面已凝固，气泡来不及排除而保留在铸件中形成的气孔。

14：反应性气孔：浇入铸型的熔融金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应所产生的气体在、铸件中形成的孔洞，称为反应气孔。

15：侵入性气孔：浇注过程中熔融金属和铸型之间的热作用，使型砂和型芯中的挥发物挥发生成，以及型腔中原有的空气，在界面上超过临界值时，气体就会侵入金属液而不上浮逸出而形成的气孔。

三章（固态材料塑性成型）1金属塑性变形：是指在外力作用下，使金属材料产生预期的变形，以获得所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。