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。
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（δ3）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。
简述大平板铸件凝固时间计算的平方根定律 τ=ξ2/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，ξ为大平板厚度的一半。
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α可视为固―液界面结构的判据：凡α≤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―液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；凡属α&5的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机物属于此类；α=2~5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
扩散”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。
GLmlC0(1?K0)
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
GmLC0(1?K0)
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)K0&1时，K0小；K0&1时，K0大。
7 写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限
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，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ωH、最高加热温度Tmax、相变温度以上停留的时间tH和冷却速度ωc。
22. 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l350～l400℃； (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4～20s，埋弧焊时30～l00s)
(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
(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10～15min，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(Contraction 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
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，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 时对应的分量为0，则叫反对称张量；如果张量Pij≠Pji，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
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。您所在位置： &
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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。
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（δ3）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。
简述大平板铸件凝固时间计算的平方根定律
τ ξ2/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，ξ为大平板厚度的一半。
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α可视为固―液界面结构的判据：凡α≤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―液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；凡属α 5的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机物属于此类；α 2~5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
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《材料成形原理》重点及答案29
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