《材料成形原理》复习资料(doc 15页)
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《材料成形原理》复习题(铸)
第二章 液态金属的结构和性质
1． 粘度。影响粘度大小的因素？粘度对材料成形过程的影响？
1)粘度：是液体在层流情况下，各液层间的摩擦阻力。其实质是原子间的结合力。 2)粘度大小由液态金属结构决定与温度、压力、杂质有关：
(1)粘度与原子离位激活能U 成正比，与相邻原子平衡位置的平均距离的三次方成反比。(2)温度：温度不高时，粘度与温度成反比；当温度很高时，粘度与温度成正比。
(3)化学成分：杂质的数量、形状和分布影响粘度；合金元素不同，粘度也不同，接近共晶成分，粘度降低。(4)材料成形过程中的液态金属一般要进行各种冶金处理，如孕育、变质、净化处理等对粘度有显著影响。 3)粘度对材料成形过程的影响
(1)对液态金属净化(气体、杂质排出)的影响。(2)对液态合金流动阻力与充型的影响，粘度大，流动阻力也大。(3)对凝固过程中液态合金对流的影响，粘度越大，对流强度G 越小。
2． 表面张力。影响表面张力的因素？表面张力对材料成形过程及部件质量的影响？
1)表面张力：是金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的紧绷力或单位表面积上的能量。其实质是质点间的作用力。
2)影响表面张力的因素
(1)熔点：熔沸点高，表面张力往往越大。(2)温度：温度上升，表面张力下降，如Al 、Mg 、Zn 等，但Cu 、Fe 相反。(3)溶质元素(杂质)：正吸附的表面活性物质表面张力下降(金属液表面)；负吸附的表面非活性物质表面张力上升(金属液内部)。(4)流体性质：不同的流体，表面张力不同。
3)表面张力影响液态成形整个过程，晶体成核及长大、机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与表面张力关系密切。 3． 液态金属的流动性。影响液态金属的流动性的因素？液态金属的流动性对铸件质量的影响？ 1)液态金属的流动性是指液态金属本身的流动能力。
2)影响液态金属的流动性的因素有：液态金属的成分、温度、杂质含量及物理性质有关，与外界因素无关。 3)好的流动性利于缺陷的防止：(1)补缩(2)防裂(3)充型(4)气体与杂质易上浮。 4． 液态金属的充型能力。影响液态金属的充型能力的因素？
1)液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。 2)影响液态金属的充型能力的因素有：
(1)内因是金属自身流动性；(2)外因有型的性质、浇注条件、型腔结构形状[(1)金属性质：1)合金成分2)结晶潜热3)比热、密度、导热系数4)粘度5)表面张力；(2)铸型性质方面因素：1)型的蓄热系数大2)型的温度3)型中气体；(3)浇注条件方面因素：1)浇注温度2)充型压头3)浇注系统结构；(4)铸件结构方面因素：1)折算厚度2)复杂程度] 5． 液态金属的充型能力与流动性的区别和联系？
1)液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又和外界条件密切相关。
2)液态金属自身的流动能力称为“流动性”，由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关，流动性可认为是特定条件下的充型能力。
3)液态金属流动性好，其充型能力强，反之其充型能力差，但这可以通过外界条件来提高充型能力。
第三章 液态金属凝固热力学和动力学
1． 什么是溶质再分配？溶质分配系数表达式？
1)溶质再分配：合金析出的固相中溶质含量不同于其周围液相内溶质含量的现象，产生成分梯度，引起溶质扩散。 2)溶质分配系数k ：凝固过程中固液界面固相侧溶质质量分数m S 与液相中溶质质量分数m L 之比，即k=m S /m L 。 2． 均质形核与非均质形核(异质形核)。
1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。
2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。 3． 界面共格对应关系及其判别？
1)固体质点的某一晶面和晶核的原子排列规律相似，原子间距离相近或在一定的范围内成比例，就可能实现界面共格对应，该固体质点就可能成为形核的衬底。这种对应关系叫共格对应关系。 2)共格对应关系用点阵失配度δ衡量即
%
100|
|?-=
z
z s a a a δ (1)δ≤5%为完全共格，形核能力强；(2)5%＜δ≤25%为部分共格，夹杂物衬底有一定的形核能力；(3)δ>25%为不共格，夹杂物衬底无形核能
力。
4． 点阵失配度 点阵失配度δ即
%
100|
|?-=
z
z s a a a δ 其中a s 、a z 分别为夹杂物、晶核原子间距离。用来衡量界面共格对应关系。
5． 晶体的宏观长大方式？
1)平面方式长大 条件：(1)固液界面前方液体的正温度梯度分布G L >0，液相温度高于界面温度T i ；(2)固液前方液体过冷区域及过冷度极小；(3)晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反。生长过程：生长时，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，从而导致晶体以平面方式生长。
2)树枝晶方式长大 条件：(1)固液界面前方负温度梯度分布G L <0，液相温度低于凝固温度T i ；(2)固液界面前液体过冷区域较大，距界面越远的液体其过冷度越大；(3)晶体生长时凝固潜热析出的方向同晶体生长方向相同。生长过程：界面上突起的晶体将快速伸入过冷液体中，一次晶臂长出二次晶臂，甚至长出三次晶臂，产生枝晶，以树枝晶方式生长。 6． 固液界面微观结构有哪几种？
2．什么是搭桥？
搭桥：领先相表面一旦出现第二相，则可通过彼此依附交替生长的方式产生新的层片来构成所需共生界面，不需每个层片重新生核，称为搭桥。3．层片状共晶的生长过程。
1)生核：(1)首先在液相中析出呈球状α领先相(共晶核心)；(2)β相以α相为衬底依附其侧面析出生长；(3)β相析出又促进α相依附β相侧面生长，如此交替搭桥地长成球状共生界得双相核心。
2)生长：生长时，两相各向界面前沿排出另一组原子。α相前沿富集B元素，β相前沿富集A元素。AB元素横向扩散为对方生长创造条件，提供原子。
4．共晶片间距如何自动调整？
共晶片间距很小时，横向扩散是主要的。共晶片间距很大时，在各相中央富集的元素来不及扩散走，影响该部位生长，形成凹陷，会导致另一相在此产生，从而达到自我调节片间距。(其面间距大小为λ=A v-1/2，片间距λ与凝固速率v的平方根成反比，凝固速率越大，片间距越小。) 5．共晶体究竟长成层片状还是棒状受哪些因素影响？
1)共晶中两固相的体积分数
(1)当两固相体积分数相近(1/π-1/2)时，倾向于层片状生长；(2)当某一相的体积分数小于另一相(<1/π)时，小相以棒状生长；
(3)当体积含量两相相近时，倾向于层片状生长。
2)第三组元对共晶结构的影响
(1)第三组元在共晶两相中分配系数相差很大时，其在某一相的固液界面前沿富集，阻碍该相继续生长；(2)另一相的固液界面前沿由于第三组元富集较少，其长大速率较快；(3)由于搭桥作用，落后的相将被长大快的一相隔成筛网状组织，继续发展成棒状组织。
6．共生生长与离异生长。
1)共生生长：结晶时，后析出相依附于领先相表面析出，形成具有两相共同生长界面的双相核心。然后依靠溶质原子在界面前沿两相间横向扩散，互相不断为对方提供生长所需组元，使两相彼此合作，一起向前生长。
2)离异生长：若共晶两相没有共同的生长界面，它们各以不同速度独立生长，两相析出在时间和空间上都彼此分离，形成组织中没有共生共晶特征。可分为晶间偏析型和晕圈型。
第八章铸件凝固组织的形成及控制
1．表面细晶区如何形成？
早期理论：型壁附近较大过冷——大量生核、迅速生长并相互接触。
后期理论：非均质形核 + 游离晶粒晶核。游离晶核的产生，由于溶质再分配在生长的枝晶根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下，枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离，溶质偏析和金属的流动有利于表面细晶区的形成。
2．柱状晶区如何形成？
1)柱状晶区从表面细晶区形成并发展起来；
2)稳定凝固壳层形成，在后单向热流作用下，界面前沿晶粒以枝晶状延伸生长；
3)主干与热流平行的枝晶生长更迅速，淘汰取向不利的晶体成为柱状晶组织。
3．内部等轴晶区如何形成？
1)成因：内部晶核自由生长
2)四种理论：
(1)过冷熔体非自发生核理论：成分过冷——生核、长大。(2)激冷晶核卷入理论：浇注时产生游离激冷晶——漂到型中心——未熔化——晶核。
(3)型腔晶粒脱落和枝晶熔断理论：晶粒生长时——界面前方溶质富集——凝固点降低——晶体及枝晶根部最甚，生长被抑制——其它部位溶质在流体机械冲刷及热冲击对流作用下——在缩颈处易断并脱落——晶粒游离。(4)结晶雨理论：凝固初期，在液面处产生过冷并形成晶核，长大成小晶体——小晶体或顶部凝固层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。
4．游离晶体如何增殖？
处在自由状态下的游离晶在液流中漂移，不断受温度起伏和浓度起伏影响，表面处于反复局部熔化和反复生长状态中，分枝根部缩颈就可能断开，而使一个晶粒破碎成几个部分，然后再低温下各自成为新游离晶，形成游离晶体增殖。
5．如何获得细的等轴晶组织？
1)向熔体加入强生核剂——孕育处理；
2)控制浇注条件：采用较低的浇注温度和合适的浇注工艺；
3)采用金属型铸造，提高铸型的激冷能力；
4)增大液态金属与铸型表面的湿润角，提高铸型表面的粗糙度；
5)采用物理方法动态结晶细化等轴晶：振动、搅拌、旋转铸型、撞击等等均可引起固液相对运动，有效减少消除柱状晶区，细化等轴晶。
6．孕育与变质的区别。
1)孕育处理：向液态金属合金中添加生核剂，影响生核过程，增加晶核数达到细化晶核的目的。
2)变质处理：向金属液加入某些微量物质以影响晶体生长机理，达到改变组织结构提高机械性能的目的。
3)二者区别：孕育主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细化晶粒；而变质则主要是改变晶体的生长过程，通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。
第十二章应力、变形及裂纹
1．热应力。相变应力。机械阻碍应力。
1)热应力：工件在受热及冷却过程中，由于各部分的温度不同、冷却速度不同造成工件上在同一时刻各部分的收缩量或膨胀量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生应力。该应力是由热胀冷缩引起的。
2)相变应力：具有固态相变的合金，各部分发生相变的先后时刻不同，由此而产生的应力被称为相变应力。
3)机械阻碍应力：工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力为机械阻碍应力。
2．减小或消除应力的途径。
1)合理的结构设计，在铸造结构中：(1)铸件的壁厚差要尽量减小；(2)厚薄壁连接处要圆滑过渡；(3)在铸件厚壁部分的砂层要减薄或放置冷铁；
(4)合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分的温度均匀。
2)选择合理的工艺及采取必要的措施。
(1)浇注铸件时，在满足使用要求前提下，选择弹性模量和收缩系数小的材料；(2)提高铸型的预热温度，有利于减少铸件各部分温差；(3)采用较细的面砂和涂料，可减少铸件表面的摩擦阻力；(4)控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭等，可提高铸型(芯)的退让性；(5)控制铸件在型内的冷却时间，不要打箱过早，但为了减小铸型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。 3)残余应力的消除
(1)热处理：常用的方法。加热温度和保温时间需要根据材料的性质，工作的结构以及冷却条件而定。将工件加热到塑性状态的温度，并保持一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除，再缓慢冷却，使厚薄部位的温度均匀，而不重新出现应力。(2)自然时效法：将有残余应力的铸件放置在露天场地，数月乃至半年时间以上，应力自然消失。(3)共振法：将铸件在共振条件下振动10-15min ，以达到消除铸件中残余应力的目的，该法与热处理相比，设备费用低，花费时间少，易于操作，而不氧化。 3． 影响变形的因素及防止方法。 1)影响因素：
(1)金属材料的热物理性能：材料的线胀系数越大，则产生的塑性变形越大，冷却后纵向和横向的收缩也越大；导热性好的金属，如铝及其合金，因其线胀系数大，且在高温时的屈服强度较低，变形也大。(2)工艺因素：铸造中用来制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模产生变形，从而导致砂型和铸件变形，模型的刚度不足或强度不够，模型放置位置不平的底板上，上下砂型加紧不良均能导致铸件变形。 2)防止方法：
(1)结构设计方面：结构设计要考虑强度、刚度、稳定性和制造工艺，在铸件结构设计中，采用局部加厚、设置拉肋等方法。(2)工艺方面a 最常用的是反变形法，根据结构变形得情况预先给出一个方向相反、大小相等的变形；b 合理的工艺：①加压铁：在合箱后浇注前，可将压铁放在砂箱上以防止铸件弯曲变形；②需要控制铸件出型时间；③对于半圆形的铸件可将两个铸件连在一起浇注。 4． 热裂及形成条件、特征？
1)热裂纹：液态成型过程，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称热裂纹。
2)形成条件：高温阶段晶间的延性或塑性变形能力δmin 不足以承受当时应力所产生的应变量，即min δε≥
3)特征：
(1)裂口外观形状曲折而不规则；(2)裂口有明显的氧化色彩；(3)裂口沿晶粒边界通过。 5． 影响热裂的因素及防止措施？ 1)影响热裂的因素 (1)冶金因素： 1〉化学成分：
①合金元素对凝固温度区的影响：合金元素既能影响凝固温度区的大小，也能影响合金在脆性温度区间中的塑性，合金的凝固温度区越大，凝固裂纹倾向越大；②杂质元素的偏析以及偏析产物的形态对热裂纹的影响：杂质元素磷和硫在钢中能形成多种低熔合金，即使微量存在，也会使凝固温度区大大增加，在合金凝固过程中极易形成液态薄膜，会显著增大裂纹的倾向，S 和P 在钢中能引起偏析，富集在晶界，增加裂纹倾向，所以铸钢中要避免S 、P 的有害作用。
2〉凝固组织形态：对于奥氏体钢凝固后晶粒大小、形态和方向以及析出的初生相对抗裂性都有很大影响，晶粒越粗大，方向越明显，则产生热裂纹倾向就越大。
(2)液态成型工艺因素：
①铸型性质的影响：铸件的凝固收缩受到铸型和型芯的阻力，铸型退让性好，铸件受阻力小，形成热裂可能性小。②浇注条件的影响：浇注温度应根据铸件的壁厚来选择；浇注速度对热裂纹有影响；浇注时金属的引入铸型的方法对热裂纹也有不可忽视的影响。③铸件结构的影响：当铸件的厚壁不均时，易在厚的部位出现裂纹；铸型壁十字交接时，会在该处产生热节，易出现热裂；浇道开设不当对铸件收缩产生阻碍，从而增大铸件收缩应力致铸件开裂。 2)防治措施：
(1)化学成分的控制
1〉在不影响铸件使用性能的前提下，适当调整合金化学成分，减小合金的凝固温度范围；2〉对碳钢和合金钢进行微合金化和变质处理，以细化晶粒，减少非金属夹杂，及改变夹杂物的形态和分布；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；4〉用合金渣处理钢液，降低钢中的硫含量。 (2)调整工艺
1〉减小铸件收缩应力( 例如：增加铸件和型芯的退让性，预热铸型，在铸型和型芯表面刷涂料)；2〉改进浇注方法(例如：设置合理的浇道数量，控制浇注速度)；3〉设计合理的铸件结构(避免直角或十字交叉的截面，设置防裂肋，采用冷铁)。 6． 冷裂及特征。
1)冷裂纹：在室温附近，铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限出现的裂纹。 2)特征：
(1)宏观上看：冷裂纹断口具有发亮的金属光泽、呈脆性断裂特征；(2)经微观分析：有的呈晶间断裂(沿晶断裂)，有的呈穿晶断裂，或二者并存；(3)当裂纹是由氢的作用而产生，会有明显的氢致断口出现，随着脆硬倾向增大，沿晶断裂特征明显。
第十三章 气孔与夹杂
1． 析出性气孔。反应性气孔。
1)析出性气孔：金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔。 2)反应性气孔：金属液和铸型之间或在金属液内部发生化学反应所产生的气孔。 2． 析出性气孔的影响因素及防止？ 1)影响因素
1〉金属液原始含量C 0，C 0过高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡，形状接近团球形；C 0不高时，就依附缩孔较迟析出。
2〉冷却速度：铸件冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封闭液相，且凝固速度v 越大，气体来不及扩散，所以气孔不易形成。3〉合金成分：不同成分的合金，原始含气量C 0、分配系数k 0、扩散系数D L 以及金属收缩大小和凝固区域各不相同，k 0愈小，合金收缩愈大，结晶温度范围愈大的合金，容易产生气孔和气缩孔。4〉气体性质：气体的扩散系数D L 大，扩散速度快，则容易析出，不易产生气孔。 2)防止
1〉减小金属液的原始含气量：①减小金属液的吸气量，采用烘干，除湿等措施，防止炉料、空气、铸型、浇包等方面的气体进入金属液。②对金属液进行除气处理：浮游去气和氧化去气。2〉阻止金属液中气体析出：①提高铸件冷却速度，如金属型铸造方法；②提高铸件凝固时的外压，如密封加压方法。3〉型(芯)砂处理：①减少砂型(芯)在浇注时的发气量；②使浇注是产生的气体容易从砂型(芯)中排出。 3． 防止皮下气孔产生的措施？
1)采取烘干、润湿等措施，防止和减少气体进入金属液；
2)严格控制合金中氧化性较强元素含量，如球墨铸铁中的Mg及稀土元素，铸钢中用于脱氧的Al；
3)砂型要严格控制水分，重要铸件可采用干型或表面烘干型，含氮树脂砂要尽量减少尿素，等等；
4)适当提高浇注温度，能够降低凝固速度，有利于气体排除；
5)保证金属液平稳进入铸型内，减少金属液的氧化。
4．初生夹杂如何排除？
1)加溶剂：金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物被它吸收，如铝合金精炼时加入氯盐，球墨铸铁加入珍珠岩。
2)过滤法：通过过滤器去除杂质物。过滤器分非活性与活性两种，前者起机械作用，如用石磨、镁砖、陶瓷碎屑等；后者还多一种吸附作用，排渣效果好，如用NaF、CaF，Na3AlF6等
3)排除和减少金属液中气体的措施，同样能达到排除或减少夹杂物的目的，如合金液静置处理、浮游法净化、真空铸造等。
5．如何防止和减少二次氧化夹杂？
1)合理的浇注工艺及浇冒口系统；保证金属液充型过程中平稳流动；
2)正确选择合金成分，严格控制以氧化元素的含量；
3)严控铸型水分，加入煤粉或采用涂料形成还原性气氛；
4)对要求高的重要铸件或易氧化的合金铸件采用真空或保护性气氛下浇注。
第十四章缩孔与缩松
1．缩孔与缩松。
1)缩孔：铸造合金在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩的产生，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。尺寸较大而且集中的孔洞称集中缩孔，简称缩孔。
2)缩松尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松
2．产生缩孔的条件？产生缩孔的基本原因？
1)产生缩孔的条件：铸件由表及里地逐层凝固；
2)产生缩孔的基本原因：合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值。
3．产生缩松的条件？产生缩松的基本原因？
1)产生缩松的条件：合金的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固方式；
2)产生缩松的基本原因：合金的液态收缩值和凝固收缩值之和大于固态值。
4．影响缩孔、缩松大小的因素有哪些？防止产生缩孔、缩松的途径。
1)影响缩孔、缩松大小的因素
(1)金属的性质：合金的液态收缩系数和凝固收缩率越大，缩孔及缩松容积越大，合金的固态收缩系数越大，缩孔及缩松容积越小。(2)铸型条件：提高铸型的激冷能力，可以减小缩孔及缩松容积。(3)浇注条件：浇注温度越高，合金的液态收缩越大，缩孔容积越大，浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积越小，浇注条件对缩松的容积影响不大。(4)铸件尺寸：铸件壁厚越大，表面层凝固后，内部的金属液温度越高，液态收缩越大，缩孔及缩松容积增大。
2)防止产生缩孔、缩松的途径
(1)顺序凝固和同时凝固。(2)改善浇注条件：采用高的浇注缓慢的浇注，能增加铸件纵向温差，有利于定向凝固原则；通过多个内浇道低温浇注，则可减少纵向温差，有利于同时凝固原则；一般情况下，冒口在顶部的顶注式适合采用高温慢浇工艺，加强定向凝固，对底注式系统采用低温快浇，补浇冒口方法，可以减少铸件的逆向凝固。(3)冒口、补贴、和冷铁的应用：冒口补贴和冷铁的使用，是防止缩孔和缩松最有效的工艺措施，冒口大小应保证铸件被补缩的部位最后凝固，并提供足够的金属液用于补缩需要，同时冒口与被补缩部位之间必须有补缩通道。(4)加压补缩：是将铸件放在具有较高压力的装置中，使其在较高的压力下凝固，通过外压来消除显微缩松，获得致密铸件。
5．共晶灰铁和球铁产生缩孔、缩松倾向有何不同？
1)共晶灰铸铁和球墨铸铁的初生奥氏体枝晶具有很大的连成骨架的能力，使补缩通道受阻，因此都有产生缩松的可能性，但由于共晶凝固方式和石墨长大的机理不同，产生缩松的倾向性差别很大。
2)共晶灰铸铁片状石墨横向长大作用及其“自补缩能力”的影响，产生缩松的倾向较小。
3)球墨铸铁球状石墨长大，其缩前膨胀比灰铸铁大得多，产生缩松倾向性很大。
6．什么是灰铸铁的“自补缩能力”？什么情况下，球墨铸铁也有“自补缩能力”？
1)灰铸铁共晶团中的片状石墨与枝晶间的共晶液体直接接触，片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上迫使它们通过枝晶间通道去填充奥氏体枝晶间由于液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞，从而大大降低了灰铸铁产生缩松的严重程度，这就是灰铸铁的“自补缩能力”。
2)对于球墨铸铁，如果铸型的刚度条件足够大，石墨化的膨胀力能够将缩松挤合。这种情况下可看作球墨铸铁也有“自补缩能力”。
7．灰铸铁的缩前膨胀与球铁的缩前膨胀有何不同？
1)灰铸铁：灰铸铁中被共晶奥氏体包围的片状石墨，由于碳原子的扩散作用，在横向上也要长大，但是速度很慢，石墨片在横向上长大而产生的膨胀力作用在共晶奥氏体上，使共晶团膨胀并传到邻近的共晶团上或奥氏体枝晶骨架上，使铸件产生缩前膨胀。这种缩前膨胀会抵消一部分自补缩效果。但是，由于这种横向的膨胀作用很小而且是逐渐发生的，同时因灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已经形成硬壳，所以灰铸铁的缩前膨胀一般只有0.1％～0.2％左右。
2)球墨铸铁：球墨铸铁在凝固中，当石墨球长大到一定程度后，四周形成奥氏体外壳，碳原子是通过奥氏体外壳扩散到共晶团中，使石墨球长大。当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因此，球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多。
8．顺序凝固。同时凝固。各有何特点？
1)顺序凝固：采用各种措施，保证铸件结构上各部分按照距冒口距离由远及近，朝冒口方向凝固。
其特点：可以充分发挥冒口的补缩作用，防止缩孔和缩松的形成。对凝固收缩大，结晶温度范围小的合金通常采用这一原则。但在凝固过程中易产生热裂，凝固后易使铸件产生变形，使用冒口和补贴，会降低工艺出品率；
2)同时凝固：采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固
其特点：扩张角等于零，没有补缩通道，无法实现补缩。铸件温差小，不易产生热裂，凝固后不易引起应力和变形。
第十五章化学成分不均匀性
1．偏析。微观偏析。宏观偏析。
1)偏析：铸件凝固之后，从微观晶粒内部倒宏观上各部位，化学成分都不是均匀的现象。
2)微观偏析：微小范围内的化学成分不均匀的现象。一般在一个晶粒范围左右，按位置分为：胞状偏析、枝晶偏析(晶内偏析)和晶界偏析。
3)宏观偏析：较大尺寸范围内的化学不均匀现象。按性质分为：正偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、密度偏析、区域偏析和层状偏析等。
2．枝晶偏析及其影响因素？
1)枝晶偏析：通常产生于具有结晶温度范围，能够形成固溶体的合金中，在铸造条件下，因冷却速度较快，扩散过程难以充分进行，使凝固过程偏离平衡条件形成不平衡结晶。
2)影响因素：
(1)当其他条件相同时，冷却速度的影响有双重性：一方面，冷却速度越大，溶质扩散越不充分，使晶内偏析越严重；另一方面，随冷却速度增加，使晶粒细化，故减轻晶内偏析；
(2)偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，则晶内偏析越大；
(3)合金相图上液相线与固相线的水平距离差别越大，晶内偏析越严重。
3．正偏析。逆偏析。密度偏析。
1)正偏析：当溶质分配系数k0>1时，后结晶的固相溶质浓度低于先结晶部分，后结晶溶质浓度降低。这种成分的偏析叫做正偏析。
2)逆偏析：当溶质分配系数k0<1时，表面底部含溶质元素比较多，而中心部分或上部分含溶质较少，这种现象称为逆偏析。
3)密度偏析：密度偏析是金属凝固前或刚开始凝固时，当液体和固体共存或者是互相不混合的液相之间存在着密度差产生的偏析。
《材料成形原理》复习题(焊接)
【复习思考题】
１.说明焊接定义，焊接的物理本质是什么？采取哪些工艺措施可以实现焊接？
1)焊接：是通过加热或加压或两者并用，使用或不使用填充材料，使被焊工件(同种或异种材料)达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。
2)焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，对于金属而言，既实现了金属键结合。[对于金属材料：金属键的结合，两个被焊金属件在焊缝处形成共同的晶粒。] 3)为实现焊接可采取以下措施：(1)通过加热：目的是结合处达到熔化或塑性状态，破坏接触面氧化膜，减小金属变形阻力，缩小原子间距，增加原子振动能，促进化学反应、扩散、结晶和在结晶过程的进行；(2)通过加压：目的破坏接触面氧化膜，增加接触面积，达到紧密接触；(3)通过加热加压。
２.传统上焊接方法分为哪三大类？说明熔焊的定义。
1)根据焊接的工艺特点，传统上焊接方法分为：熔化焊、固态焊和钎焊三大类。2)熔焊：是指将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。３.焊接冶金包括哪些内容？
焊接冶金包括焊接所经历的各个过程，一般要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，直到形成焊接接头，这些过程可归纳为三个相互联系的过程：
1)焊接热过程；2)焊接化学冶金过程：包括熔焊时，液态金属熔渣及气相间进行的一系列的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等；3)焊接物理冶金过程：在焊接热源作用下，焊接材料及母材金属局部熔化，热源离开后经过化学冶金反应的熔池金属开始凝固结晶，金属原子由近程有序排列转变为远程有序排列，即由液态变为固态。
４.与炼钢和铸造相比，焊接化学冶金有何特殊性？
1)冶金反应温度高；2)高温熔滴金属以滴状进入熔池，熔滴的比表面积大，有利于冶金反应进行；3)焊接熔池体积小，存在时间短，使反应不完全；4)随着焊接过程的进行，母材与焊接材料不断地熔化，熔池不断地更新，使反应十分复杂；5)焊接化学冶金系统具有不平衡性。
５.说明手工电弧焊熔池结晶的特点。
1)熔池体积小，冷却速度快；2)熔池温度高，液态金属过热严重；3)熔池金属在运动状态下结晶；4)熔池边界导热条件好，熔池周围的母材金属有利于结晶生核；5)熔池金属凝固结晶经历形核和晶核长大过程：联生结晶(依附于母材晶粒现成表面形成共同晶粒)；熔池金属择优生长，其凝固速度非常迅速。
６.如何控制焊缝金属的组织与性能？
1)焊缝合金化和变质处理：焊缝合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度和韧性，所以采取固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化等措施，在焊接熔池中加入少量钛、硼等元素，有变质处理作用，可以有效地细化焊缝组织，提高韧性。2)工艺措施：通过调节焊接工艺的方法提高焊缝的性能，如振动结晶、焊后热处理、多层焊、锤击焊道或跟踪回火处理(中性焰)等。
７.说明WM－CCT图的意义及其应用。
1)WM－CCT图为低合金钢焊缝金属连续冷却组织转变图(Weld Metal Continuous Cooling Transformation)2)意义：低合金钢的焊缝组织较复杂，随着化学成分强度级别以及焊接不同会出现不同的混合组织，力学性能变化也较大，因此为了预测其组织的性能，焊接工作者研制了WM-CCT 图。对预测焊缝组织性能具有重要意义。3)应用：根据焊缝金属的WM—CCT图(与成分有关)和焊缝条件(决定冷却曲线)，可以推断焊缝金属的组织与性能；反之，由焊缝的性能要求可确定其组织组成，选择母材与焊接材料，制定焊接工艺参数。
８.给出HAZ概念,焊接接头哪三部分组成？
1)HAZ (Heat Affected Zone) ：热影响区是指熔焊时，在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域。2)焊接接头主要由三部分组成：焊缝、热影响区和母材。此外在焊缝与热影响区之间有一薄层过渡区称为熔合区。
9.焊接热循环有哪几个参数？说明T m、t8/5的含义。
1)焊接热循环参数：(1)加热速度ωH(2)最高温度Tm (3)相变温度以上的停留时间t H(4)冷却速度ωc或冷却时间t c 2)T m：(最高温度)焊接热循环的最高温度代表了HAZ中该点的位置。代表了奥氏体的过热程度。t8/5:代表了从800℃冷却到500℃的冷却时间。t8/3:代表了从800℃冷却到300℃的冷却时间。t100代表从Tm冷却到100℃的冷却时间。
10.说明易淬火钢与不易淬火钢HAZ组织分布。
1)易淬火钢HAZ组织分布，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，其ＨＡＺ组织变化及分布与母材焊前的热处理状态有关：
(1)焊前为正火或退火状态，焊前母材为F+P(S、B)组织，HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。完全淬火区最后得到淬火组织为M或M+B，不完全淬火区最后得到淬火组织为M+F混合组织。(2)焊前母材为调质态，调质后母材为回火组织，其HAZ分为：完全淬火区(组织特点与正火状态下完全相同，为M类型组织)；不完全淬火区(组织状态与正火状态下完全相同，为M+F类型的混合组织)；回火区(母材被加热到的Ｔｍ处于AC1～Ｔ回 (调质处理时的回火温度)，发生回火软化现象，原因与强化相的析出有关)
2)不易淬火钢HAZ组织分布，如Q235、20、16Mn、15MnV等，按最高温度范围及组织变化可以将HAZ分为四个区：熔合区(半熔化区)，温度处于固液相线之间，晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化后易产生裂纹，塑性不好；过热区(固相线至1100℃范围)，粗晶与细晶交替混合；相变重结晶区(正火区，温度在Ac3以上)，晶粒细化，机械性能良好；不完全重结晶区( 温度处于Ac1－Ac3之间)，粗大铁素体和细小珠光体、铁素体机械性能不均匀，急冷时可出现高碳马氏体。
11.哪些原因会造成HAZ 脆化？如何改善HAZ 韧性？
1)HAZ 脆化原因：(1)焊接过程中，由于受热影响不同，在HAZ 靠近熔合区域附近和过热取将发生严重的晶粒粗化，易引起粗晶脆化；(2)根据被焊钢种的不同和焊接时的冷却条件不同，在HAZ 可能出现不同的脆性组织，组织脆化是焊接HAZ 出现脆硬组织造成的；(3)某些金属和合金的焊接区处于非平衡态的组织化学和物理上都有明显的均匀性，有些析出的相导致金属和合金的强度硬度和脆性提高，导致析出脆化；(4)对焊件进行加工过程引起局部应变，塑性变形对焊接HAZ 脆化有关很大的影响，引起脆化称为热应变时效脆化。 2)改善HAZ 韧性的途径(韧化与强化)
(1)调整钢材的成分和HAZ 的组织状态：合金化，细化晶粒；焊后获得韧性好的组织，如低碳马氏体和奥氏体等。(2)合理制定焊接工艺：合理选取线能量；根据具体情况，确定是否需要采取预热或后热措施。 【思考题】
1.简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。
1)热裂纹 分为：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹。 特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布(连续或继续)也可看到焊缝横向裂纹，因在高温下形成，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界(包括亚晶界)分布，所以又称晶间裂纹，属于沿晶断裂性质。 产生原因：一是某些杂质元素与金属及其合金元素形成低熔点共晶，这些共晶体聚积在晶界上，不承受力，又破坏了晶粒之间的联系而形成热裂纹；二是线胀系数大的母材焊接时受热膨胀体积增大，晶间结合力减弱，在焊接应力作用下，也产生热裂纹。
2)再热裂纹 特征：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展。 产生原因：重新加热过程由于晶界微观局部的实际塑性变形量大于塑性变形能力，即e>e C 产生裂纹。
3)冷裂纹 分为：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)、低塑性脆化裂纹 特征：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：晶间断裂，但也可穿晶(晶内)断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。 产生原因：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。 4)层状撕裂 特征：外观上具有阶梯状的形貌基本是由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁构成。断口表面是典型的木纹状。 产生原因：由于轧制母材内部存在分层的夹杂物及焊接时产生垂直轧制方向的应力。
5)应力腐蚀裂纹 特征：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口。 产生原因：些特定介质和拉应力共同作用。 2.什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？
1)脆性温度区间：熔池金属进入固液阶段，由于液态金属少，主要是那些低熔点共晶，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只有稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，该区间称为脆性温度区间。[金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈现脆性断裂，把该温度区间定义为脆性温度区间]
2)由于该区间液态金属的流动困难，延伸率低，金属呈脆性断裂，故该区间的金属塑性很低 3.综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长率之间的影响因素。
1)在脆性温度区间内金属的塑性越小，越容易产生结晶裂纹，它主要决定于化学成分，凝固条件，偏析程度，晶粒大小和方向等冶金因素。2)脆性温度区间内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，应变得增长率将增大，产生结晶裂纹，应变增长率的大小主要决定于金属的热胀系数，焊接接头的刚度，焊缝位置，焊接规范大小，温度场分布等因素。 4.液化裂纹和多边化裂纹在本质上的有何区别？在防止措施上的何不同？
1)二者本质区别：(1)液化裂纹是由于焊接热循环峰值温度T m 作用，HAZ 的奥氏体晶界上低熔共晶组成物被重熔，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹；(2)多边化裂纹是由于空位、位错的移动和聚集，在二次边界上成核，并扩展而成为多边形边界的裂纹。
2)防止措施：(1)液化裂纹防止措施：① 控制S 、P 等杂质含量，如采用电渣精炼方法，去除合金中的杂质；② 焊接工艺上采用小线能量，避免近缝区晶粒粗化。(2)多边化裂纹防止措施：①在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素，可以有效地阻止多边化过程；②消除应力状态；③选择合适温度。
5.试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。
1)特征：(1)产生温度:Ms 点附近或200～300℃以下温度区间；(2)产生的钢种和部位:发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti 合金发生在焊缝；(3)裂纹的走向：沿晶、穿晶；(4)产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间；
2)影响因素：钢材的淬硬倾向，氢的含量及其分布，拘束应力的状态。
6.何谓拘束度？临界拘束度？拘束度和拘束应力与钢材的板厚、焊接工艺参数有何关系？ 1)拘束度R ：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需的力。 2)临界拘束度R cr ：开始产生裂纹的最小拘束度。 3)拘束度：
L
E L
L L l F l F R b
b
δδεσ
λδδλ=
===
1
其中：E —母材金属的弹性模量(N/mm 2
)；δ—板厚(mm)；l —焊缝长度(mm)；L —拘束距离(mm)。
拘束应力：mR =σ。其中：m 为拘束应力转换系数，可根据钢的线胀系数、力学熔点、接头的坡口角度等计算；σ当增大到产生裂纹时的应力称为临界拘束应力：σcr 。
7.一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么容易在焊接HAZ 产生？
1)氢在低碳钢中的扩散速度很快，焊接过程中大部分氢可以逸出金属，而且低碳钢焊接时一般不形成脆硬的M ，所以不会产生延迟裂纹；而高合金钢而言(如18-8不锈钢)，氢的扩散速度低，溶解度较大，也不易在局部聚集产生延迟裂纹；高碳钢、中碳钢、中合金钢和部分含碳较多的低合金高强钢中，氢的扩散速度来不及逸出金属，又不能完全受到抑制，在金属内发生局部聚集，引起延迟裂纹现象。
2)由于焊缝中存在大量氢，周围母材含氢量少，致使氢由焊缝向HAZ 扩散；焊缝先于母材在高温下发生相变，由A 分解为F+P 等组织由于氢在其中溶解度小进一步促进氢向HAZ 扩散，此时HAZ 仍处于奥氏体态。因氢的扩散速度很小不能扩散到离焊缝边界较远母材中，因此在焊缝与母材的交界HAZ 中形成H 的富集区，当该区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态留在奥氏体中，当氢的浓度足够高就会产生延迟裂纹。 8.焊接中产生气孔的主要机理是什么？
产生气孔的过程是由三个互相联系又彼此不同的阶段所组成，即气泡的生核、长大和上浮。气孔的形成过程由生核、核长大过程所组成，当气泡长大到一定程度，在不利条件下(当气泡的浮出速度小于结晶速度时)就有可能残留在寒风中形成气孔。 9.按形成气孔的气体来源，焊接气孔分为哪两类？常见的氢气孔、CO 气孔和氮气孔的主要特征是什么？
1)按形成气孔的气体来源，焊接气孔分为：析出性气孔(是高温时气体溶解于熔池金属) 和反应性气孔(冶金反应产生的不溶于金属的气体)。 2)氢气孔特征：多数出现在焊接表面上，气孔断面形状多为螺钉状，在表面上看呈喇叭口型，内壁光滑[原因：高温时，氢在熔池和熔滴中的溶解度很高，吸收了大量的氢气，当冷却时，氢在金属中的溶解度急剧下降，因焊接熔池冷却很快，氢来不及逸出时就会在焊缝中产生气孔]；氮气孔特征：多在表面，成堆出现，与蜂窝相似；CO 气孔特征：多在内部，像条虫状分布，表面光滑[原因：由于冶金反应产生了大量的CO ，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔]。
【复习题】
1.焊接材料有哪些种类，焊条有哪些种类？
1)焊接材料是指焊接时消耗材料的统称，包括：焊条、焊丝、焊剂、保护气体
2)按用途分为：结构钢焊条(J422/E4303)；Mo 和CrMo 耐热钢焊条(R102/E5003-A)；不锈钢焊条(A102/E308-16，G202/E410-16)；堆焊焊条(D107/EDPMn2-15)；低温钢焊条(W607/E5015G)；铸铁焊条(Z308/EZNi)；Ni 及Ni 合金焊条(Ni 102)；Cu 及Cu 合金焊条(T107)；Al 及Al 合金焊条(L109)；特殊用途焊条(TS202)。 2.说明E4303和E5015的含义是什么？
1)E4303：E 焊条；43熔敷金属最小抗拉强度为430MPa ；0适用于全位置焊接(1全位置焊接：平、立、横、仰，2平、平角焊，4立下焊、平、立、仰)；3焊接药皮为钛钙型药皮，交直流两用焊接(00特殊型全交直流，10高纤维钠型全反接，01钛铁矿型全交直流，12高钛钠型全交或直正，13高钛钾型全交直流，14铁粉钛型全交直流，15低氧钠型全直反，16低氢钾型全交或直反，17铁粉氧化铁型全交或直正，11高纤维钾全交或直反，X8铁粉低氧型交或直反)。特点：氧化钛钙型药皮，TiO2-SiO2-CaO 渣系，酸性，脱氧效果不好，焊缝N 、H 、O 含量较多，机械性能差，用于低碳钢和抗拉强度低的合金钢。
2)E5015：E 焊条；50熔敷金属最小抗拉强度为500MPa ；1适用于全位置焊接；5药皮为低氢钠型只能采用直流反接的焊接。特点：低氢型药皮，CaO-CaF2-SiO2渣系，碱性，脱氧效果好，去氢效果好，机械性能好。
补充：J507 焊条：J 结构钢焊条；50焊缝金属抗拉强度不低于500MPa ；7低氢型药皮、直流。 3.H08Mn2Si 是哪种焊接材料，用于什么焊接方法，为什么？
1)结构钢实芯焊丝[H —焊接用实芯焊丝；08—C0.08%；Mn2—Mn2%； Si —Si≤1%A—优质]。 2)用于CO2气体保护焊，适宜于焊接低碳钢或屈服强度小于500MPa 的低合金钢。
3)原因：在CO2气体保护焊的焊接实施中，为了防止气孔，减少飞溅，保证焊接质量，就必须采用含有Si 、Mn 等元素的焊丝以达到脱氧的目的。该焊丝具有较好的工艺性能和机械性能。 4.说明HJ431的含义。
HJ —埋弧焊及电渣焊用熔炼焊剂；4—高锰(1—无锰，2—低锰，3—中锰)；3高硅低氟(焊剂中Si O2、CaF2含量)；1-同类焊剂的不同牌号。补充：SJ501：SJ —埋弧焊用烧结焊剂；5 –焊剂熔渣渣系类型为铝钛型；01—牌号编号为01。
补：熔滴反应区：从熔滴形成、长大到过渡到熔池中，属于熔滴反应区。该区反应时间虽短(0.01-1S)，但温度很高(1800-2400℃)，相(气相、液相、熔渣)接触面积大，并伴随着强烈混合作用，冶金反应激烈，反应进行相对完全，对焊缝影响极大。 主要的物理化学反应：金属的蒸发，气体的分解和溶解，金属的氧化还原以及合金化等。
《材料成形原理》复习题(锻压)
第十六章 应力分析 一、计算题
设某点的应力状态如图所示，试求其主应力(应力单位：牛顿/平方毫米
)
解：应力张量为：
??
??
?
?????=432324243ij σ
代入公式求得
()()(
)
27
)442233(234242323
2343442239
4232222
2
2
32222
2
2
21-=?+?+?-???+??=++-++==+++?+?+?-=+++++-==++=++=τστστσττττττσσσσσσσσσσσσσσxy z xz y yz x zx yz xy x z z y x zx
yz xy x z z y y x z y x J J J
代入公式
()()3
;3;90
390
27390
321
22332213====--=+--=---σσσ
σσσσσσσσJ J J
二、名词解释
1.八面体应力、等效应力
正应力有极值的方向，主应力就是极值，剪应力同样随斜切平面的方向而变。剪应力有极值的平面叫做主剪应力平面，面上作用的剪应力叫做主以物体内某点Q 为原点，以该点的应力主轴为坐标，在无限靠近Q 点处作等倾斜微分面，其法线方向N 与三个坐标轴夹角相等。即:||l|=|m|=|n|，坐标空间8个象限的等倾斜微分面可以形成一个正八面体，所以这种微分面叫八面体平面。面上的应力叫八面体应力。将八面体剪应力τ8取绝对值绝对值乘以系数2
3所得参数仍是一个不变量，成为等效应力。也称广义应力或应力强度，等效应力的表达式为：
[]
21323222128)
()()(2132
3σσσσσστσ-+-+-='==
J 对任意坐标系则为： []
)(6)()()(2
12
22222zx yz xy x z z y y x τττ+++-+-+-=
σσσσσσσ
2.主剪应力、最大剪应力
剪应力有极值的平面称为主剪应力平面，面上作用的剪应力称为主剪应力。主剪应力中绝对值最大的一个叫做最大剪应力，用τmax 表示。 三、简答
1.平面应力状态的基本特征
1)物体内所有指点在与某一方向垂直的平面上都没有应力，如果该方向为z 轴，则有主应变σz =τzx =τzy =0只留下σx 、σy 、τxy 等应力分量z 方向必为主方向，所有质点都是两向应力状态；2)各应力分量都与z 轴无关，故整个物体的应力分布可在xy 坐标平面上表示出来。 2.轴对称应力状态的基本特征
1)由于子午面在变形过程中始终不扭曲，所以在θ面上没有剪应力τρθ=τθz =0，而且σθ就是一个主应力；2)各应力分量与θ坐标无关，对θ的偏导数都为零。
第十七章 应变分析 一、名词解释 1.主应变
主应变：通过一点存在三个相互垂直的应变主方向(主轴)，在主方向上的线元没有角度偏转只有正应变，该正应变就叫主应变。 2.八面体应变、等效应变
如以应变主轴为坐标轴，同样可作出八面体，八面体平面法线方向的线元的应变叫做八面体应变。八面体剪应变：
）γγ（γ）ε（ε）ε（ε）εε22222286(3
1zx
yz xy x z z y y x +++-+-+-±
=γ213232221(31）ε（ε）ε（ε）εε-+-+-±= 将八面体剪应变γ8乘以
2，所得之参量叫做等效应变，也称为广义应变或应变强度。
）γγ（γ）ε（ε）ε（ε）εε2
2222286(3
22zx
yz xy x z z y y x +++-+-+-=
=γε213232221(32）ε（ε）ε（ε）εε-+-+-= 3.应变增量、应变速率
应变增量：就是变形过程中某一极短阶段的无限小应变。
应变速率：应变速率就是单位时间的应变，既变形速度。单位是1/s 。一点的应变速率也是三阶对称张量。应变速率张量与应变增量张量性质相似，它们都可描述瞬时变形状态。
4.平面变形：如果物体内所有质点都只在同一个坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向则没有变形，这种变形称为平面变形。 二、简答
1.塑性变形时的体积不变条件
设单元体初始的边长为dx 、dy 、dz ，于是初始的体积为V 0=dxdydz 。小变形时可以认为只有正应变引起边长和体积的变化，变形后单元体的体积为
V 1=(1+εx )dx(1+εy )d y(1+εz )dz ≈(1+εx +εy +εz )dxdydz 于是单元体的体积变化率为
z y x V V V εεε++=-=
?0
1，塑性变形时虽然体积也有微量变化，但与塑性应变相比较则是很小的，可以忽略不计。因此，一般认为塑性变形时体积不变。
则有Δ=εx +εy +εz =0。 2.平面变形的特点
设没有变形的方向为坐标的z 方向，则z 方向必为主方向。而且z 向的位移分量w=0，其余两个位移分量对z 的偏导数必为0，εz +γzx +γyz =0，留下不为零的应变分量为y
v x u y x ??=??=
εε;， )(21x
v
y u yz xy ??+??=
=γγ， 塑性变形时体积不变，εx =-εy ，平面变形时，物体内与z 轴垂直的平面始终不会倾斜扭曲，所以这种平面上没有剪应力分量。τzx =τzy =0，z 向必为应力主方向，σz 即为主应力σ3，塑性变形时，σz 还必然是σx 、σy 的平均值，即)(2
1
y x z σσσ+=，而且，这时的σz 也恰是平均应力或静水应力，)(3
1z y x m
σσσσ
++=z y x y x y x σσσσσσσ=+=+++=2)2(31
。
第十八章 屈服准则 一、名词解释
1.理想塑性材料、变形硬化材料
理想弹性材料弹性变形时应力与应变完全成线性关系。 理想塑性材料：塑性变形时不产生硬化的材料。 变形硬化材料：塑性变形时要产生硬化的材料。
弹塑性材料：塑性变形之前及塑性变形时，都有弹性变形。 刚塑性材料：塑性变形之前不产生弹性变形。 二、简答题
1.屈雷斯加屈服准则内容及数学表达式
当材料(质点)中最大剪应力达到某一定值时，材料就屈服。 或者说材料处于塑性状态时，其最大剪应力始终是一不变的定值，该定值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。表达式为：C =-3
1
σσ。最大剪应力是三个主剪应力中绝对值最大的一个，而主剪应力则是两个
主应力之差的一半。
所以根据屈雷斯加屈服准则只要1
33221,,σσσσσσ---，之中有一个达到某一定值，材料即屈服。如设 321σσσ≥≥，则屈雷斯加准则可表达为
C
=-3
1
σσ 常数C 可以通过实验求得。屈服准则适用于任何应力状态，故可用最简单的应力状态，例如单向拉伸实验求得这一常数。设在某一温度和变形
速度条件下，由材料单向拉伸实验所得的屈服应力为s σ
应力状态为：0,321===σσσσs ，得s C σ=，于是屈雷斯加屈服准则为：s
σσσ=-31
，若事先不知道主应力大小次序，则屈雷斯加屈服准则普遍表达
为：
s
s s σσσσσσσσσ≤-≤-≤-133221,,
2.密席斯屈服准则的物理意义及表达式(主轴坐标轴、一般坐标轴)
物理意义：当材料的质点内单位体积的弹性形变能达到某临界值时，材料就发生屈服，表达式为：s σσ
=，即：
22132322212)()()(s σσσσσσσ=-+-+-，或
2
2
222222)(6)()()(s zx yz xy x z z y y x στττσσσσσσ=+++-+-+-
密席斯屈服准则，可以表述为：当应力偏张量第二不变量2J '达到某一定值时，材料就会屈服。更为方便的表达是当质点应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时，材料屈服；或者说，材料处于塑性状态时，等效应力始终是一不变的定值， 即[]c =-+-+-=2
1
3
2
3
2
2
2
1
)()()(2
1
σσσσσσσ。用单向拉伸屈服时的应力状态)0,0,(s σ代入上式即可得到常数C ， []
c
s s s
==-+-σσσ
22)0()0(2
1
则Mises 屈服准则表达式为s σσ=。
3.平面应力、平面变形时密席斯屈服准则的表达式 平面应力时：03
====ττ
σσzx yz
z
，
故简化为：
σσσσσ222
2
1
2
1
s
=+-
或
στσσσσ22
223s
xy
y
x
y
x
=+-+。 平面变形时：
,0==ττzy
yz
2/)(2/)(213
σσσσσ
σ+=+==y x z
故简化为：
K s
232
21=-=
σσσ 或K s
xy
y x 222
2
4344)(
==
+-στσσ。
4.各向同性硬化假说的内容
1)材料在硬化后仍然保持各向同性；
2)硬化后屈服轨迹的中心位置和形状都不变，它们在π平面上仍然是以原点为中心的对称封闭曲线，但其大小则随变形的进行而不断的扩大。
第十九章 塑性应力应变关系 一、简答题
1.塑性变形时全量应变与应力之间关系的特点
1)塑性变形可以认为体积不变，应变球张量为零，泊松比v ＝0.5； 2)应力与应变之间的关系是非线性的； 3)全量应变与应力的主轴不一定重合；
4)塑性变形是不可恢复的，应力与应变之间没有一般的单值关系，而是与加载历史或应变路线有关。 2.列维－密席斯方程包含哪些假设
(1)材料是理想刚塑性材料，也即弹性应变增量为零，塑性应变就是总应变增量；
(2)材料符合密席斯屈服准则，即s σσ=
(3)塑性变形时体积不变， 即0321=++=++εεεεεεd d d d d d z y x
，
ij
ij d d εε'=。 (4)应力主轴和应变增量的主轴重合； (5)应变增量和应力偏张量成正比，即: λσεd d ij
ij
'= 式中λd 为瞬时的非负比例系数
3.最大散逸功原理的表述内容
对于一定的应变增量场而言，在所有符合屈服准则的应力场中，与该应变增量场符合应力应变关系的应力场所作的塑性功最大， 即：
?≥-v
ij ij ij dV d 0)(*''εσσ。 上述原理就叫最大散逸功原理。
二、公式推导
1.最大散逸功原理中整个变形体的塑性功增量的推导 dV
d d ij v
ij εσ??='
设一钢塑性单元体，棱长为dx 、dy 、dz ，它在x 方向的正应变增量为x d ε，则正应力分量x σ所作的塑性功增量为：
dx dydzd dA x x x εσ=，
单位体积的塑性功增量为
x
x x x x x d dxdydz
dx
dydzd V dA d εσεσω==
=
， 同样，剪应力分量zx τ所作的单位塑性功增量为：
zx zx zx zx zx zx zx zx d d dxdydz
dx
dydzd V dA d γτφτφτω2====
，其他应力分量所作的塑性功也可同样处理，由此，单元体单位体积的塑性功增量为：
)
(2zx zx yz yz x xyy z z y y x x d d d d d d d γτγτγτεσεσεσω+++++=ij ij ij d d ij εσεσ'
==，
设变形体积为V ，则整个变形体的塑性功增量为dV
d d ij v
ij εσ??='
第二十章 真实应力-应变曲线 一、名词解释 1.形状硬化
由于出现缩颈，细颈处断面上已不再受均布的单向拉伸应力，而是处于不均匀的三向拉伸应力作用下，细颈边缘处受单向拉伸应力，离开边缘的部分则逐渐受较大的三向拉伸应力，越接近中心，拉伸应力越大。边缘上的拉伸应力为S ，中心则达)41(ρ
d
S +
可见前面求得的b’k’段的应力必然大于S 。这一由于出现缩颈，而产生的应力升高现象，称为形状硬化。 二、简答
1.包申格效应
试验研究表明，单向拉伸试验的初始屈服应力和单向压缩试验的初始屈服应力绝对值相等，
如图中均为σ
s
。但当试样在一个方向加载(如拉伸)超过屈服点到达A 点后，卸载到零点(B 点)，然后反向加载(压缩)，则发现反向加载时的屈
服点c 的应力s σ''不但比A 点s σ'小；而且小于初始屈服应力σ
s
。这一随加载路线和方向不同而屈服应力降低的现象，称为包申格效应。 包申格
效应可用缓慢退火除去。
2.真实应力
真实应力S 是作用于试样瞬时断面积上的应力，也即瞬时的流动应力。表示为S=P/F ，式中P----载荷，F----试样瞬时断面积 3.拉伸时的真实应力－应变曲线的三种应变及表达式
相对伸长ε可表示0
010
l l l l l -=
?=
ε，其中l 0--试样原始标距长度；l 1--拉伸后标距的长度。
相对断面收缩
F
F F r
1
-=
ψ
，其中F 0试样原始断面积；F 1拉伸后试样的断面积。 对数应变(真实应变)定义为l
dl d ∈=，其中l 试样的瞬时长度 dl 瞬时的长度改变量。
4.拉伸真实应力-应变曲线塑性失稳点的特性
如某一瞬时的轴向力为P ，试样断面积为F,真实应力为S,则有 P=FS 因为F
F l l
00ln ln
=∈=， 可得到如下关系式∈
=e F F 0，
所以∈
=e F S P 0，
当在塑性失稳点时，P 有极大值，所以dp=0，即0)(0=∈-=∈-∈-d Se dS e F dP 化简后得0∈=-Sd dS
因为在塑形失稳点，所以S=Sb ,代入上式得b
S d dS
=∈
。
式b
S d dS
=∈
表示在∈-S 曲线失稳点所做的切线的斜率为S b 。这样，此切线和横坐标轴的交点到失稳点横坐标间的距离必为1∈=，这就是真实应力
－应变曲线在塑性失稳点上所作切线的特性。
第二十一章 金属塑性成形中的摩擦和润滑 一、简答
1.金属塑性成形时摩擦的特点
塑性成形中的摩擦与机械零件的摩擦有很大差别，其特点如下：
1)塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的塑性流动而产生的，被加工金属沿工、模具金属表面上各点的塑流情况各不相同，因而在接触表面上各点的摩擦也不一样。同时，坯料在塑性变形过程中，接触表面会不断出现新的金属质点和表面，摩擦也将随之变化。 2)塑性变形时作用在接触表面上的单位压力很大，它是在高压下产生的摩擦，一般达500MPa 左右。
3)塑性成形时的摩擦在很多情况下是在高温下进行的，高温会使被加工金属的组织、性能发生变化，从而给摩擦带来复杂的影响。 2.塑性成形中摩擦的分类及定义
1)干摩擦：被加工金属与工、模具表面之间没有任何润滑剂存在的摩擦 2)流体摩擦：被加工金属与工模具之间被润滑油膜所隔开时的摩擦。 3)边界摩擦：介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态 3.干摩擦三种理论的摩擦机理
1)凹凸理论：金属表面总是凹凸不平的，因此要使接触面间相互嵌合的微凸体发生相对运动，就必须给以一定的能量，这就是所需克服的摩擦力。
2)分子吸附理论：两个非常光滑的接触面间发生干摩擦时，其摩擦力显著增大，这种摩擦力的增加来源于两接触表面上的分子吸引力。这就解释了光滑接触表面间摩擦力和接触面积成正比的原因。
3)粘着理论：当两表面接触时，在某些接触点上的单位压力很大，以致这些点将发生粘着或焊合，当一表面相对另一表面滑动时，粘着点即被剪断而产生滑移，摩擦过程就是粘着、剪断与滑移交替进行的过程，摩擦力就是剪断金属粘着所需要的剪切力。 由此可见，干摩擦过程中产生摩擦力的主要原因是：机械的相互啮合；分子间的吸引；微凸体的粘着。 4.金属化学成分对摩擦系数的影响
外摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。 1)一般钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小；
2)钢中的合金元素的种类、数量也影响摩擦系数，一般来说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。 3)金属材料越硬，摩擦系数越小；反之，软材料的摩擦系数则较大。 5.固定润滑剂石墨的润滑特点
石墨润滑特点：石墨具有六方晶系层状结构，同一层内原子结合力强，层间结合力弱；同时石墨具有良好的导热性和热稳定性；在真空条件下润滑性能不如空气中好。摩擦系数在0.05～0.19的范围内。
第二十二章 塑性成形问题的主应力解法 一、简答
1.主应力法的实质及基本假设
1)把问题简化成平面问题或轴对称问题。对于形状复杂的变形体，则根据金属流动的情况，将其划分成若干部分，每一部分分别按平面问题或轴对称问题处理，最后“拼合”在一起，即得到整个问题的求解。
2)假设变形体内的法向应力分布与一个坐标轴无关，结果使平衡微分方程缩减至一个，而且可将偏微分方程改为常微分方程。
3)在对基元体或基元板块列塑性条件时，通常假设其上的正应力为主应力，即忽略了摩擦切应力的影响。这样就使塑性条件简化为线性方程。 4)将上述的近似平衡微分方程与塑性条件联解，以求接触面上的应力分布，这就是主应力法。 2.圆柱体镦粗时接触面上的应力分布规律
当d/h 较大时，τ的分布曲线大致可分为三段：
第一段(ab)的τ与正应力成比例增加，相对应的接触表面部分称为滑动区； 第二段(bc)的τ达到最大值且保持常数，相对应的接触面部分称为制动区；
第三段(co)的τ由最大值递减至零，相对应的接触表面部分称为停滞区，停滞区的半径近似等于试样高度。 随着d/h 的减小，制动区亦减小，直至消失，进而滑动区减小，当d/h≤2时，整个接触表面均为停滞区。 因而上述各区的τ可用下列各式表示 滑动区：z μστ=(μ-库仑摩擦系数)； 制动区：2
S =
τ(S--材料真实应力)；
停滞区：
h
r S r r S c 22≈=
τ(h--试样高度) 或h
r c
ττ= (c τ--停滞区外端点τ)。
二、推导
1.推导平面应变的横向流动(镦粗型)时单位流动压力公式
ye
e
x y e
h
x dx x F P p e
στσ+=
==
?
1
平面应变问题的塑性条件为： K x y 2=-σσ
设S 'μτ=(若改变摩擦条件，则推导结果不同，但推导方法和步骤不变) 平面镦粗时基本体受力分析 0=∑x ρ
02)(=+++-dxl hl d hl x x x τσσσ 02.=+dx h d x τσ
已求得基元板块的平衡方程为
2=+h dx
d x τ
σ 近似塑性条件为：
x y x y d d K σσσσ==-;2 联解得：
dx
h
d y τσ2-
=，C x h y +-=τσ2 利用边界条件确定积分常数C:
当ye y e x x σσ==,时，
x h
C ye τσ2+
=， 最后得:
ye e y x x h
στ
σ+-=
）（2 y σ的分布图形如图b 所示，单位流动压力为：
ye
e x y e
h
x dx x F P p e
στσ+===
?
1
上式中ye σ表示锻件(e x x =)处的垂直应力，若该端为自由表面，则S ye 3
2=
σ，
否则由相邻的变形区确定。
2.推导拉延时凸缘区应力分布公式
?
-=R
dR S
r
1.1σ
为简单起见，假设拉延过程中板厚不变，且不考虑摩擦影响。
从凸缘变形区切取一扇形基元体，如下图所示。该基元体处于平衡状态，故径向合力为零，即
2sin
..2).().(..=-++-θ
σθσσθσθd dR t d dR R t d Rd t r r r 略去高阶微量，整理后得
R
dR d r r )
(θσσσ+-=
式中r σ、θσ均为绝对值。
因该基元体处于塑性状态，根据密席斯屈服准则有 S r βσσθ=--）（ 因为是平面应力状态，1.1≈β 联解上两式得
?-=R
dR S
r 1.1σ
式中S 是材料的真实应力，可根据变形程度由真实应力-应变曲线求得，但由于凸缘上不同R 处有不同的变形程度，因此，在整个凸缘上S 不是一个常数，而是R 的函数。为简化起见，我们采用平均硬化的方法，即假设整个凸缘区的真实应力为某一平均值S ,该S 与凸缘的平均硬化程度相对应。于是可得如下公式
?-=R
dR S r
1.1σ 轴对称变形的横向流动（镦粗型）右图是平行砧板间的轴对称镦粗。
设S '
μτ=，对基元板块列平衡方程得：
2
sin
2...θσθσθd hdr d r h r +
0.).)((2=++--θσσθτd h dr r d dr rd r r 因为2
2sin
θθd d ≈，
并略去二次无穷小项，则上式简化成 02=---r r rhd hdr rdr hdr σστσθ 假定为均匀镦粗变形，故 θθσσεε==r r d d ; 最后得dr
h d r τσ2-
=
按密席斯屈服准则所写的近似塑性条件为 r z r z d d S σσσσ==-; 联解上式可得
dr h
z τ
σ2-=，C r h
z +-=τσ2
当e r r =时，ze z σσ=，故
e ze r h
τσ2+
最后得ze e
z r r h
στσ+-=）（2 单位流动压力为
ze
e
r ze e e h
r rdr r r h r F
P
p e στπστπ+=
??
?
???+-==?
322210
2
）
（
上式中ye σ表示锻件(e x x =)处的垂直应力，若该端为自由表面，则S ze =σ，否则由相邻的变形区确定。
则S ，否则由相邻的变形区确定
塑性成形中的摩擦与机械零件的摩擦有很大差别，其特点如下：
1.塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的塑性流动而产生的，被加工金属沿工、模具金属表面上各点的塑流情况各不相同，因而在接触表面上各点的摩擦也不一样。同时，坯料在塑性变形过程中，接触表面会不断出现新的金属质点和表面，摩擦也将随之变化。
2.塑性变形时作用在接触表面上的单位压力很大，它是在高压下产生的摩擦，一般达500MPa 左右。
3.塑性成形时的摩擦在很多情况下是在高温下进行的，高温会使被加工金属的组织、性能发生变化，从而给摩擦带来复杂的影响。 21.2 塑性成形中摩擦的分类及机理
关于摩擦的分类，可结合塑性成形实际，通常分为干摩擦、流体摩擦和边界摩擦。 流体摩擦机理
润滑油膜将两摩擦面完全隔开，使得两摩擦面在相互运动中不产生直接接触，摩擦发生在流体内部分子之间。摩擦力的大小取决于流体的粘度、速度梯度等因素，因而流体摩擦的摩擦系数很小。 边界摩擦机理
当坯料与工、模具间存在润滑物质时，随着接触表面上压力的增加，坯料表面的部分“凸峰”被压平，润滑剂或形成一层薄膜残留在接触面间，或被挤入附近“凹谷”，这时在挤去润滑剂的部分出现金属间的接触，即发生粘着现象。 这时的摩擦力就是剪断表面粘着部分的剪切抗力与边界膜分子间抗剪力之和。 在生产中，这三种摩擦状态不是截然分开的，常常会出现混摩擦状态。 影响摩擦系数的因素 1.金属化学成分的影响 2.工具表面粗糙度的影响
塑性成形中，工具表面的粗糙度在决定摩擦系数方面是起主要作用的。 3.接触面上单位压力的影响
单位压力对摩擦系数的影响和表面摩擦状态有关。 4.塑性成形时温度的影响
温度较低时，摩擦系数较小，随着温度升高，摩擦系数增大，升到高温时，由于氧化皮变软或脱落形成一隔绝层使摩擦系数减小。
5.变形速度的影响
随着变形速度的增加，摩擦系数下降。
21.4 金属塑性成形用的摩擦剂
一、塑性成形对润滑剂的要求
1.良好的耐压性能
2.良好的耐热性
3.还要具有冷却模具的作用
4.不应对金属和模具有腐蚀作用
5.无毒、不污染环境
6.使用、清理方面，来源丰富，价格便宜
二、塑性成形常用的润滑剂
1.液体润滑剂
包括矿物油、植物油、动物油、乳液等。
矿物油摩擦系数比动、植物油大。
动、植物油润滑性能良好，但化学成分不稳定，还带有酸性。
乳液是由矿油、乳化剂、石蜡、肥皂和水所组成稳定混合物，具有不同的粘度。
2.固体润滑剂
二硫化钼：六方晶系结构，在真空中的摩擦系数比在大气中的小。摩擦系数在0.12～0.15范围内。
3.玻璃
4.肥皂类
5.盐类