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1、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 uOff表面内能T表面自由能T表面张力f2) 表面张力与原子体积(53)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
2、律 t=/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a可视为固一液界面结构的判据:凡 a5 的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机 物属于此类；a=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
3、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G m C (1 - K )一 L_00R D K冷”的判据:L0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”条件下)，讨论溶质原始含量CO、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
4、字描述它们对合金单相固溶体结晶形貌的 影响。G mC (1-K )L l_00RK答:成分过冷判别式为:0；( 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CO 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 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“双相形核”，领先相表面一旦出现第二相，则可 通过这种彼此依
5、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 一如合金的化学成分、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一铸型的阻力、蓄热系数等。(3) 浇注条件及铸件结构因素一浇注温度、浇注系统、 静压头压力。逐渐结构越复杂、厚薄过渡面越多，则型腔 结构越
6、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C02或02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； 在某些情况下，也可利用
7、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。当固相达到一定
8、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
9、和固液状态 两个阶段，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
10、界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。可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200C 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
11、续过程。由于 能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪 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
12、成形加工中。如灰 口铸铁在400C以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。影响因素扩散氢的含量与分布、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
13、 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，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
14、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co22. 焊接过程的特殊性(以低合金钢为例)：(1) 加热温度高，在熔合线附近温度可达13501400C；(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30100s)(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 向的评价指标一碳当
15、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 Cottre11 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(1) 热处理法一一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) 机械法一如对压力容器、桥梁
