材料成形原理课后习题解答

材料成型原理

（2）设共晶体所占的比例为fL，则 CL＝C0fLk0－1＝CE

133?k01则fL＝)0.171－1＝0.12 （）－1＝(5.65à*（1） 沿试棒的长度方向Cu的分布曲线图如下：

5.1答：金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；由固液界面前方溶质再分配

引起的过冷称为成分过冷.

成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量

最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差△T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。

5.2答： 影响成分过冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工艺因素为DL。

过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，

晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。晶体的生长方式除受成分过冷影响外，还受热过冷的影响。 5.3答：影响成分过冷范围的因素有：成分过冷的条件为

GLmLC0(1－k0)<

DLk0v第 5 页 共 5 页

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成分过冷的范围为 △＝

mLC0(1－k0)GL－

DLk0v 上式中，mL、C0、k0为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL、GL和v。 对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围

对成形产品没什么大的影响；对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能越好。

5.4 答：（1）纯金属的枝晶间距决定于界面处结晶潜热的散失条件，而一般单相合金与潜热的

扩散和溶质元素在枝晶间的行为有关。

（2）枝晶间距越小，材质的质量越高（因为消除枝晶偏析越容易）。

6.1 答： （1）在普通工业条件下，从热力学考虑，当非共晶成分的合金较快地冷却到两条液

相线地延长线所包围的影线区域时，液相内两相打到饱和，两相具备了同时析出的条件，但一般总是某一相先析出，然后再在其表面析出另一个相，于是便开始了两相竞相析出的共晶凝固过程，最后获得100％的共晶组织。

（2）伪共晶组织如（1）所述，有较高的机械性能；而单相合金固相无扩散，液相混

合均匀凝固产生的共晶组织为离异共晶，即：合金冷却到共晶温度时，仍有少量的液相存在，此时的液相成分接近于共晶成分，这部分剩余的液体将会发生共晶转变，形成共晶组织，但是，由于此时的先共晶相α数量很多，共晶组织中的α相可能依附于先共晶相上长大，形成离异共晶，即β相单独存在于晶界处，给合金的性能带来不良

影响。

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6.2 答： 小面－非小平面生长最大的特点是：有强烈的方向性。变质处理改变了小平面的形

态，使得晶体生长方式发生改变。

6.3 答： S、O等活性元素吸附在旋转孪晶台阶处，显著降低了石墨棱面（1010）与合金液

面间的界面张力，使得（1010）方向的生长速度大于（0001）方向，石墨最终长成片

状。

Mg是反石墨化元素，在它的作用下，石墨最终长成球状。

7.1 答： 当强化相表面与合金液表面相互浸润时，其本身就可以作为异质形核的核心，按异质形核的规律进行结晶，使组织得到细化。当强化相与合金液不浸润时，强化相被排斥于枝晶间或界面上，严重影响着复合材料的性能。

7.2 答： 并不是任何一种共晶合金都能制取自生复合材料，因为制取自生复合材料必须有高强

度、高弹性相作为承载相，而基体应有良好的韧性以保证载体的传递。因此共晶系应具备以下要求：

⑴共晶系中一相应为高强相。

⑵基体应具有较高的断裂韧度，一般以固溶体为宜。 ⑶在单相凝固时能够获得定向排列的规则组织。

8.1 答：铸件的典型凝固组织为：表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。

表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶

核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝

固壳层一旦形成处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。 8.2 答： 常用生核剂有以下几类：

1、 直接作为外加晶核的生核剂。

2、 通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

3、 通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核

剂。

4、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。含强成份过冷的生核剂 作用条件和机理：

1类：这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、

非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。

2类：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些

化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。

3类: 如分类时所述。

4类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。 8.3答： 影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却

条件。

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获得细等轴晶的常用方法：

1、 向熔体中加入强生核剂。

控制浇注条件：（1）采用较低的浇注温度；（2）采用合适的浇注工艺。 3、 铸型性质和铸件结构：（1）采用金属型铸造；

（2）减小液态金属与铸型表面的润湿角； （3）提高铸型表面粗糙度。

4、动态下结晶细化等轴晶：振动、搅拌、铸型旋转等方法。

8.4 答： 孕育衰退：大多数孕育剂有效性均与其在液态金属中的存在时间有关，即存在随着时间的延

长，孕育效果减弱甚至消失。

解决办法：在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。

9.1 答：焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊金属的材质达

到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。

焊接的物理本质：使两个独立的工件实现了原子间的结合，对金属而言，实现了金

属键的结合。

焊接工艺措施有两种：加热和加压。

9.2 答： 传统上将焊接方法分成三大类：熔化焊、固态焊和钎焊。将待焊处的母材金属熔化

以形成焊缝的焊接方法称为熔化焊（熔焊）。

9.3 答： 控制焊缝金属组织和性能的措施有：

(1)焊缝合金化和变质处理。采取固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化等措施保证焊缝金属焊态强度与韧性。加入少量钛、硼、锆、稀土元素等变质处理，可以细化焊缝组织，提高韧性。

(2)工艺措施：调整焊接方法例如振动结晶、焊后热处理等措施提高焊缝性能。

9.4 答： HAZ(Heat Affected Zone)即焊接热影响区。

焊接接头的组成部分：焊缝、热影响区和母材。 10.1 答： 快速凝固是指在比常规工艺过程（冷速不超过102℃/s）快得多的冷速下，如10～

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10℃/s合金以极快的速度转变为固态的过程。快速凝固分为急冷凝固技术和大过冷

凝固技术。

急冷凝固技术的基本原理：设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与

其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。

大过冷凝固技术的基本原理：要在熔体中形成尽可能接近均质形核的凝固条件，

从而获得大的凝固过冷度。

10.2 答： 定向凝固技术主要有以下几种： （1）发热剂法；（2）功率降低法；（3）快速凝固法；（4）液态金属冷却法。

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第二部分 连接成形

答案

1 答：焊接时加热，对金属材料而言，可以使结合处达到熔化或塑性状态，接触面的氧化膜被迅速破坏；金属达到较高温度呈塑性状态时，金属变形阻力减小，有利于缩小原子间距；能增加原子的振动能，促进化学反应、扩散、结晶和再结晶过程的进行；熔化部分金属，冷却凝固后形成焊缝。

焊接时，除加热外，可同时或独立施加压力，其目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处有效接触面积增加，达到紧密接触实现焊接。

2 答：焊缝的晶体形态主要是柱状晶和少量的等轴晶。每个柱状晶内还可能有不同的结晶形态，如平面

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