材料成型原理习题

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1、兰州理工大学 2006 年 春 季学期 材料成形原理A 试题 试题共4张第4张院（系） 专业班级 学号 姓名 装 订 线装 订 线装 订 线题号一二三四五六七八九十总分得分得分一、判断题（正确的打，错误的打，每题1分，共15分）1. 液态金属表面张力的产生是由于表面原子受力不平衡造成的。（）2. 只要过冷度T0，液态金属就能凝固。（）3. 随着凝固速度的增加，固/液界面前沿的成份过冷范围增大。（）4. 只要两相共晶组织中其中一相的体积分数小于1/时，凝固后则形成棒状组织。（）5. 对于短而粗的铸件，由平方根定律计算出的凝固时间较实际的长。（）6. 焊接线能量即单位长度焊缝上输入的电功率。（）7

2、. 高速焊接条件下易得到偏向晶。（）8. 熔池反应区是焊接冶金反应最剧烈的部位。（）9. 氮在金属中的溶解度与氮的分压成正比。（）10. 焊接时临界应变增长率越大，则热裂敏感性越小。（）11. 某个质点的等效应力可以在过该点的某个微分面上表示出来。（）12. 可以用工具或质点的运动速度来衡量物体内质点的变形速度。（）13. 对数应变具有可加性，因此，如果用对数应变表示变形量的大小，那么，不论物体的载荷状态如何，物体的总变形量都可以由各个阶段的微小变形量加和得到。（）14. 在变形物体内部，速度间断线两侧的法向速度必须相等。（）15. 主应力法可以求变形力，但无法分析变形体内的应力分布。（）得分

3、二、问答题（11小题，共48分）1. 怎样的质点才能作为异质形核的晶核？（4分）答：质点的熔点要高，（2分）且质点/晶核间的界面要润湿或部分润湿（润湿角在0180），或者界面两侧质点和晶核的原子排列相似，实现界面共格对应，点阵度配位度25%。（2分）2. 随着成分过冷范围的增大，单相合金的凝固组织有何变化？（5分）答：随着成份过冷范围的增大，单相合金的凝固将从无成份过冷的平面生长依次转变为窄成份过冷区的胞状生长、较宽成份过冷区的柱状树枝晶生长、宽成份过冷区的自由树枝晶生长，（3分）从而其凝固组织从平面晶依次转变为胞状晶、柱状树枝晶、自由树枝晶（等轴晶）。（2分）（注：如只写出上述前半部分，说明

4、该生已掌握成份过冷范围与最终组织之间的关系，也可以得全分）3. 请用示图分别表示固相无扩散，液相均匀混合、液相只有有限扩散和液相有对流（液相量足够大）的情况下，固相和液相的成份分布。（5分）答：液相均匀混合、液相只有有限扩散和液相有对流的情况下，固相和液相的成份分布分别如下图(a)、(b)、(c)表示：(a) (b) (c)（1分） （2分） （2分）（只要画出各实线以及与成份C0间的相对位置即可得分）4. 什么是焊接热循环？其主要参数有哪些？t8/5和t100各代表什么含义？（5分）答：在焊接过程中，焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后又由高到低随时间的变化，称为焊接热循环。其主要参数有加

5、热速度、最高温度（峰值温度）、相变温度以上的停留时间（高温停留时间）、冷却速度（冷却时间）。t8/5代表从800冷却至500的冷却时间；t100从最高温度冷却至100的冷却时间；评分标准：对焊接热循环，答对“焊件上某点温度随时间变化”即得1分；主要参数每答出1个得0.5分，4个参数全答出得2分；t8/5和t100各1分。5. 焊接熔池凝固有何特点？其凝固组织形态有哪些？（5分）答：由于焊接熔池凝固条件有体积小、过热、处于运动状态、熔池界面导热好及冷却速度快等特点，因此焊接熔池的凝固属非平衡凝固，其凝固过程具有以下特点：院（系） 专业班级 学号 姓名 装 订 线装 订 线装 订 线联生结晶（交互

6、结晶、外延结晶）：即从熔池边界开始，依附于部分熔化的母材晶粒的现成表面，而形成共同晶粒的凝固方式。择优生长，即当最优结晶方向与导热最快方向一致时，晶粒生长最快而优先长大，取向不一致的晶粒被淘汰。熔池界面各点柱状晶成长的平均速度，v为焊接速度，为R与v之间夹角。焊接熔池凝固组织形态，宏观上看主要是柱状晶和少量等轴晶。微观分析，柱状晶内又有平面晶、包状晶及树枝晶等。评分标准：第1问若答出联生（外延结晶）、择优成长及，即得满分3分；第2问只要答出（包状晶、平面晶、包状树枝晶、树枝晶）柱状晶之一和等轴晶即得满分2分。6. 焊接中脱氧反应有哪几种形式？CO2焊应采用什么焊丝？（5分）答：在焊接中脱氧反应

7、按其方式和特点可分为先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧三种。先期脱氧是在药皮加热阶段，固态药皮受热后发生的脱氧反应；沉淀脱氧是在熔滴和熔池阶段，溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接进行反应，把铁还原，且脱氧产物浮出液态金属的过程，扩散氧化是在液态金属与熔渣的界面上进行的，是以分配定律为理论基础的。CO2气保焊时，由于气氛的强氧化性，根据锰硅联合脱氧原则，常在焊丝中加入适当比例的锰和硅，可减少焊缝中的氧和夹杂物。如常用H08MnSiA或H08Mn2SiA等。评分标准：第1问答出先期脱氧、沉淀脱氧及扩散脱氧即可得满分3分；第2问答出锰硅联合脱氧得1分；能写出一种焊丝牌号得1分。7. 什么是动可容速度场？

8、（3分）答：如果速度场U满足以下三个条件：(a) 速度边界条件；（1分）；(b) 体积连续条件；（1分）；(c) 体积不可压缩条件；（1分）则称U为动可容速度场。8. 分别写出Mises屈服准则和Tresca屈服准则的数学表达式，在主应力空间中，这两个屈服准则的屈服表面分别是什么形状？（4分）答：Mises屈服准则：或（1分）Tresca屈服准则： 或 （1分）Mises屈服表面是以等倾线为轴线，以为半径的圆柱面；（1分）Tresca屈服表面是内接于Mises屈服表面的正六棱柱面。（1分）9. 在塑性成形问题中，接触表面上的摩擦力有哪两种计算方法？它们分别在什么情况下被采用？（4分）答：（a）

9、库仑摩擦定理：f=n，库仑摩擦系数，n质点上的法向应力 ；（1分）库仑摩擦定理通常用来分析金属的冷变形。（1分）(b) 常摩擦力条件：f=mK，m摩擦因子，K剪切屈服强度。（1分）常摩擦力条件主要用于分析体积成形，如锻造、挤压等。（1分）10. 写出某点的应力张量、应力偏张量和应力球张量的分量之间的数学关系。说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。（4分）答：ij=ij-ijm （1分）应力偏张量只能使物体产生形状的变化，而不能使物体产生体积变化，即材料的塑性变形是由应力偏张量引起的。（1.5分）应力球张量不能使物体产生形状变化，（塑性变形），但是能影响物体承受塑性变形的能力。（1.5分）11.

10、 什么是描述塑性变形时应力应变关系的增量理论和全量理论？说明它们的适用条件。（4分）答：（a）增量理论是描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论。（1分）(b) 全量理论是在一定条件下直接确定全量应变的理论。（1分）(c) 增量理论是针对加载过程中的每一瞬间的应力状态确定该瞬间的应变增量，它撇开了加载历史的影响，可在任意载荷状态下使用。全量理论只能在比例加载的条件下运用，因为只有在比例加载的条件下，全量应变的主轴才能与应力主轴重合。（2分）院（系） 专业班级 学号 姓名 装 订 线装 订 线装 订 线得分三、论述题（每题7分，共14分）1、试说明氢致裂纹的形成机理、影响因

11、素及防止措施。答：氢致裂纹具有延迟开裂和裂纹扩展呈短续状的特点。可从氢的应力诱导扩散理论来解释：即金属内部的缺陷提供了裂纹源，其前沿会形成应力集中的三向应力区，在应力诱导下，使氢向高应力区扩散并发生聚集。当氢的浓度达到临界值时，便发生局部开裂现象，导致裂纹的向前扩展，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扩散聚集。因为氢的扩散需要时间，故启裂有潜伏期，扩展是断续过程。钢材的淬硬倾向，氢含量及其分布，以及拘束应力的状态是高强钢产生冷裂纹的三大主要要素。针对三个主要因素，防止氢致裂纹的措施包括：控制组织硬化：如采用小线能量加预热；限制扩散氢含量：如采用低氢材料并烘干，预热加后热等措

12、施，焊前清理；控制拘束应力：如减小刚度或拘束度，避免形成“缺口”，调整施焊顺序，使焊缝有收缩余地等。评分标准：能正确解释氢致裂纹形成机理得4分，其要点包括：“氢含量”“内部缺陷裂纹源”“应力集中和三向应力区”“应力诱导扩散及裂纹扩展”。能列出影响氢致裂纹的三个主要因素并简单说明相应措施，即得满分3分。2、试从工艺和冶金两方面对比分析E4303（J422）和E5015（J507）焊条的性能。答：电弧稳定性：J422含大量低电离电位物质，稳弧性好；J507含较多高电离电位元素F，电弧稳定性差，要用直流电源。焊缝成形：J507含有大量CaF2，有稀渣作用且增加表面张力，故J507焊缝成形不如J422

13、平滑美观。脱渣性：J422熔渣的线膨胀系数与碳钢相差很大，熔渣的疏松程度和脆性也较好，故脱渣性比J507好得多。冶金性能方面：氧化性：J507碱性焊条中不加入FeO物质，并在药皮中加入大量脱氧剂，故焊缝含氧量比J422低得多；脱S脱P：J422熔渣中CaO、MnO含量少，脱S、脱P能力不强；J507中含大量CaO，脱S、P能力较强，具有较好的抗热裂能力；含氢量：J507中不加有机物，药皮中大量的大理石分解增加了电弧气氛的氧化性，同时药皮中的CaF2反应生成的HF及NaHF2可降低氢分压，故J507焊缝含氢量比J422低得多，具有强的抗冷裂能力。总之，J422焊条工艺性能好，而J507的冶金性能

14、好，焊缝质量高，故对重要焊接结构或易产生裂纹的钢材，应采用碱性焊条J507施焊。评分标准：答对工艺性能和冶金性能各点得满分6分，指出J422工艺性能好，J507冶金性能好，适于焊接重要结构得1分。得分四、计算题（3小题，共23分）1. 求解均质形核的形核功。（8分）解：G(4/3) r3GVn+4r2CLn （1） （2分）式中：r为球形核心的半径，GV为单位体积液态金属凝固时自由能的变化。只有晶核半径r大于临界晶核半径r*时，才能稳定形核，对上式求导并令等于0，则：4r*2nGV+8r*nCL=0得：r*2CL/GV （2） （2分）又因 GVLT/Tm （3）(式中L为凝固潜热，Tm为熔点

15、)，将此代入上式得：r*（2CL Tm）/（T L） （4） （2分）将（3）、（4）代入（1）得：均质形核功G*=16/3n(CL3Tm2)/(L2T2)=1/3A*nCL(A*为临界晶核的表面积)（2分）（如没有标明A*的含义，得1分）（注：如没有按上述过程推导，而是最后结果中含有GV，进而得到G*1/3A*nCL(A*为临界晶核的表面积)也可以得分）2. 边长为a的立方体、高为a的等边圆柱体和半径为a的球形冒口，试证明球形冒口的补缩能力最强。（6分）解：立方体、等边圆整和球体的体积分别为：V1a3；V21/4a3；V3=4/3a3三者的表面积分别为：A1=6a2；A2=3/2a2；A3=

16、4a2根据M=V/A计算出三者的折算厚度（模数）分别为：M1=a/6；M2=a/6；M3=a/3 （3分）根据平方根定律t=M2/K2(K为凝固系数)可以计算出三者的凝固时间：t1=a2/(36K2)；t2=a2/(36K2)；t3=a2/(9K2)可见立方体和圆柱体的凝固时间相同，而球体的凝固时间均长于前两者，即球体冒口的凝固时间最长，其保持液态的时间最长，因而球形冒口的补缩能力最强。（3分）(注：若按上述思路写出模数计算公式和平方根定律公式，但计算错误，可得3分；如只写对一个，可得2分)院（系） 专业班级 学号 姓名 装 订 线装 订 线装 订 线3. 如图所示的光滑平冲头压入开有深槽的半

17、无限高坯料，假设冲头宽度为2b, 长度为L，且L2b。冲头刚开始压入坯料时的可能滑移线场在图中已经画出。（1）分别标出线和线。（1分）（2）分别写出A、B和C点的滑移线方向角。（3分）（3）试用滑移线法求单位流动压力（坯料的剪切屈服强度为K）。（5分）解：（1）线、线如图中所示。（1分）mC2kC=mB2kB （2分）-k2k(3/4) = k-p2k(-/4)p=2k(1+) (C-B的数值应该加减2n，以便调整成正值) （1分）（2）建立如图中所示的坐标系，假定各个滑移线的正方向如图所示（线、线如果组成右手坐标系，则1的作用线必须位于第一或第三象限），由此：A点的滑移线方向角为：3/4 (

18、或5/4) （1分）B点的滑移线方向角为：/4 (或7/4) （1分）C点的滑移线方向角为：3/4（或 5/4） （1分）（3）计算单位流动压力解法一：以A、B两点进行计算。A、B两点所在的区域分别都是均匀应力区，其受力分析见下图（1-3=2k） 由此可知：mA= -k mB=k-p （2分）连接A、B两点所在区域的滑移线是线，根据Hencky方程：mA2kA=mB2kB （2分）即：-k+2k(3/4) = k-p+2k(/4)p=2k(1+) (B-A的数值应该加减2n，以便调整成正值) （1分）解法二：以B、C两点进行计算。C、B两点所在的区域分别都是均匀应力区，其受力分析见下图（1-3=2k） 由此可知：mC= -k mB=k-p （2分）连接A、B两点所在区域的滑移线是线，根据Hencky方程：mC2kC=mB2kB （2分）-k2k(3/4) = k-p2k(-/4)p=2k(1+) (C-B的数值应该加减2n，以便调整成正值) （1分）