2025年材料成型技術(shù)復(fù)習(xí)題（含參考答案）一、名詞解釋1.液態(tài)收縮：金屬在液態(tài)階段從澆注溫度冷卻到凝固開始溫度（液相線溫度）時發(fā)生的體積收縮現(xiàn)象，是鑄造過程中產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因之一。2.鍛造比：塑性加工中，變形前后金屬材料的截面積之比（或高度之比），用于衡量材料的變形程度，計算公式為\(K=\frac{A_0}{A_1}\)（\(A_0\)為變形前截面積，\(A_1\)為變形后截面積）。3.熔合區(qū)：焊接接頭中焊縫與母材的交界區(qū)域，寬度約0.1~0.4mm，此區(qū)域晶粒粗大，成分和組織不均勻，是焊接接頭中力學(xué)性能最薄弱的部位。4.粉末壓制：粉末冶金工藝中，將金屬或合金粉末裝入模具，通過壓力使其致密化形成具有一定形狀、尺寸和強度的坯塊（壓坯）的過程，關(guān)鍵參數(shù)為壓制壓力和保壓時間。5.充型能力：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，主要取決于金屬的流動性、鑄型條件和澆注工藝。二、簡答題1.簡述灰鑄鐵的鑄造性能優(yōu)于鑄鋼的主要原因灰鑄鐵鑄造性能優(yōu)于鑄鋼的核心原因在于其成分和凝固特性：（1）流動性好：灰鑄鐵含碳量高（2.5%~4.0%），接近共晶成分（共晶點約4.3%），凝固溫度范圍窄（甚至為恒溫凝固），液態(tài)金屬流動阻力小，充型能力強；而鑄鋼含碳量低（<2.11%），凝固溫度范圍寬，流動性差。（2）收縮小：灰鑄鐵凝固時析出石墨（密度?。?，產(chǎn)生體積膨脹，可抵消部分液態(tài)收縮和凝固收縮；鑄鋼無石墨析出，總收縮率（約10%~14%）遠(yuǎn)高于灰鑄鐵（約6%~10%），易產(chǎn)生縮孔、縮松。（3）熱裂傾向低：灰鑄鐵中的石墨可割裂基體，降低熱應(yīng)力；鑄鋼高溫強度高，冷卻時內(nèi)部應(yīng)力大，易形成熱裂紋。2.自由鍛與模鍛的主要區(qū)別有哪些？各適用于什么場合？自由鍛與模鍛的區(qū)別體現(xiàn)在工藝特點、設(shè)備和應(yīng)用場景：（1）成型方式：自由鍛通過上下砧塊對坯料施加壓力，坯料在水平方向可自由流動，形狀由操作者控制；模鍛使用專用模具（鍛模），坯料在模膛內(nèi)受迫變形，形狀由模具決定。（2）尺寸精度：自由鍛尺寸精度低（公差±3~5mm），表面粗糙度高（Ra12.5~25μm）；模鍛精度高（公差±0.5~2mm），表面粗糙度低（Ra3.2~6.3μm）。（3）生產(chǎn)效率：自由鍛需人工操作，效率低（單件/小時）；模鍛依賴模具，可批量生產(chǎn)（數(shù)十至數(shù)百件/小時）。（4）適用場合：自由鍛適用于單件、小批量生產(chǎn)大型鍛件（如發(fā)電機轉(zhuǎn)子、船用曲軸）；模鍛適用于中批量以上、形狀復(fù)雜的中小型鍛件（如汽車齒輪、航空發(fā)動機葉片）。3.焊接熱影響區(qū)可分為哪幾個區(qū)域？各區(qū)域的組織和性能如何？焊接熱影響區(qū)（HAZ）根據(jù)受熱溫度和組織轉(zhuǎn)變分為以下區(qū)域：（1）熔合區(qū)（半熔化區(qū)）：溫度1490℃~固相線，部分晶粒熔化，未熔化晶粒因高溫長大，組織為粗大的鑄造組織與過熱組織的混合，塑性、韌性極低，是裂紋敏感區(qū)。（2）過熱區(qū)（粗晶區(qū)）：溫度1100℃~固相線，晶粒嚴(yán)重長大（可達(dá)母材晶粒的數(shù)倍），形成粗大的魏氏組織（鐵素體呈針狀穿插于珠光體中），塑性、沖擊韌性顯著下降（約為母材的50%~60%）。（3）正火區(qū)（細(xì)晶區(qū)）：溫度900℃~1100℃，金屬發(fā)生重結(jié)晶，晶粒細(xì)化（接近母材原始晶粒），組織為均勻細(xì)小的鐵素體+珠光體，力學(xué)性能優(yōu)于母材。（4）不完全重結(jié)晶區(qū)（部分相變區(qū)）：溫度750℃~900℃，部分鐵素體未溶解（保留原始粗大晶粒），部分奧氏體化后冷卻形成細(xì)小鐵素體+珠光體，組織不均勻，力學(xué)性能略低于正火區(qū)。（5）回火區(qū)（僅針對焊前經(jīng)冷加工或調(diào)質(zhì)處理的鋼）：溫度低于Ac1（約750℃），原始組織（如馬氏體、回火索氏體）發(fā)生回火，硬度、強度下降，塑性提高。4.粉末冶金工藝的基本步驟包括哪些？各步驟的主要作用是什么？粉末冶金工藝的基本步驟及作用如下：（1）粉末制備：通過物理法（霧化法、機械粉碎法）或化學(xué)法（還原法、電解法）獲得金屬或合金粉末，決定粉末的粒度、形狀和純度（如霧化法可制備球形粉末，流動性好；還原法可制備多孔粉末，活性高）。（2）粉末混合：將不同成分的粉末（如金屬粉、合金元素粉、潤滑劑）均勻混合，確保最終制品成分均勻（如制備含油軸承時需添加石墨粉）。（3）壓制成型：在模具中施加壓力（50~800MPa）使粉末致密化，形成具有一定強度的壓坯（生坯），壓制壓力影響壓坯密度（壓力越大，密度越高）。（4）燒結(jié)：在保護(hù)性氣氛（如H?、N?）中加熱壓坯至低于熔點的溫度（通常為熔點的0.7~0.8倍），通過原子擴散實現(xiàn)顆粒間結(jié)合，提高強度和密度（如鐵基粉末燒結(jié)溫度約1120~1200℃）。（5）后處理：包括精整（校正尺寸）、復(fù)壓（提高密度）、浸油（含油軸承）、熱處理（淬火、回火提高硬度）或表面處理（電鍍、噴涂），以滿足最終性能要求。三、計算題1.某鑄鐵件的形狀為立方體，邊長200mm，密度7.2g/cm3，澆注溫度1300℃，凝固開始溫度1150℃，液態(tài)收縮率3%，凝固收縮率4%，固態(tài)收縮率1%。若采用頂注式澆注系統(tǒng)，試計算該鑄件需要的最小冒口體積（假設(shè)冒口補縮效率為40%）。解答：（1）計算鑄件體積\(V_c=200^3=8\times10^6\,\text{mm}^3=8000\,\text{cm}^3\)。（2）總收縮體積\(\DeltaV=V_c\times(3\%+4\%)=8000\times7\%=560\,\text{cm}^3\)（固態(tài)收縮發(fā)生在凝固后，冒口無法補縮，故僅考慮液態(tài)+凝固收縮）。（3）冒口需提供的補縮體積\(V_r=\frac{\DeltaV}{\eta}=\frac{560}{40\%}=1400\,\text{cm}^3\)（\(\eta\)為補縮效率）。結(jié)論：最小冒口體積為1400cm3（實際設(shè)計中需考慮冒口形狀，通常采用圓柱形冒口，高度與直徑比取1~1.5）。2.用平砧鍛造一塊厚度為100mm的45鋼坯料，鍛造后厚度減至40mm，鍛造溫度850℃（此時45鋼的屈服強度σ_s=80MPa，摩擦系數(shù)μ=0.3）。若鍛造接觸面積為200mm×300mm，試計算鍛造所需的平均單位壓力和總鍛造力（平均單位壓力公式：\(p=\sigma_s\left(1+\frac{2\mul}{3h}\right)\)，其中\(zhòng)(l\)為接觸長度，\(h\)為變形后厚度）。解答：（1）接觸長度\(l=\sqrt{R\Deltah}\)（假設(shè)砧塊半徑R很大，簡化為\(l\approx\sqrt{\frac{b\Deltah}{2}}\)或直接取接觸長度為坯料寬度，此處坯料為矩形，接觸長度取短邊200mm）。（2）變形后厚度\(h=40\,\text{mm}\)，\(\Deltah=100-40=60\,\text{mm}\)。（3）平均單位壓力\(p=80\times\left(1+\frac{2\times0.3\times200}{3\times40}\right)=80\times(1+1)=160\,\text{MPa}\)。（4）總鍛造力\(F=p\timesA=160\times(200\times300)=160\times60000=9.6\times10^6\,\text{N}=9600\,\text{kN}\)。3.采用CO?氣體保護(hù)焊焊接Q235鋼板，焊接電流I=200A，電弧電壓U=24V，焊接速度v=30cm/min，試計算焊接熱輸入（單位：kJ/cm）。解答：熱輸入公式\(q=\frac{IU}{v}\times60\times10^{-3}\)（單位轉(zhuǎn)換：v為cm/min，需轉(zhuǎn)換為cm/s）。代入數(shù)據(jù)：\(q=\frac{200\times24}{30}\times60\times10^{-3}=\frac{4800}{30}\times0.06=160\times0.06=9.6\,\text{kJ/cm}\)。四、綜合分析題1.設(shè)計汽車發(fā)動機缸體的鑄造工藝，需考慮哪些關(guān)鍵因素？如何預(yù)防縮孔、氣孔缺陷？分析：發(fā)動機缸體為復(fù)雜薄壁件（壁厚約3~6mm），需兼顧強度、密封性和散熱性，鑄造工藝設(shè)計需重點考慮以下因素：（1）材料選擇：灰鑄鐵（HT250~HT350，石墨片割裂基體，減振性好，成本低）或鋁合金（ZL108，密度小，導(dǎo)熱性好，適用于高性能發(fā)動機）。（2）分型面選擇：優(yōu)先選擇平面分型，便于起模；缸體通常以頂面或底面為分型面，確保型腔完整（如將缸孔軸線垂直于分型面，避免活塊）。（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計：采用底注式澆注（避免金屬液沖擊型腔），設(shè)置橫澆道（擋渣）和內(nèi)澆道（分散引入，均勻充型），內(nèi)澆道截面積比例為橫澆道:內(nèi)澆道=1.1:1（防止?jié)膊蛔悖＃?）冒口與冷鐵：缸體壁厚不均（如缸筒壁厚、曲軸箱壁?。?，在厚大部位（如缸筒根部）設(shè)置明冒口（補縮液態(tài)收縮），在薄壁處放置冷鐵（加快冷卻，實現(xiàn)順序凝固）。（5）鑄型工藝：砂型采用濕型（成本低）或樹脂砂型（尺寸精度高）；鋁合金缸體需采用金屬型（提高冷卻速度，細(xì)化晶粒）。縮孔預(yù)防措施：①確保順序凝固：厚大部位遠(yuǎn)離澆口，冒口位于最高、最厚處；②增大冒口尺寸（模數(shù)大于鑄件熱節(jié)模數(shù)，冒口模數(shù)\(M_r\geq1.2M_c\)）；③采用冷鐵與冒口配合（冷鐵加快薄壁處凝固，冒口補縮厚壁處）。氣孔預(yù)防措施：①控制型砂水分（濕型砂水分≤6%），避免水分蒸發(fā)產(chǎn)生H?O氣孔；②提高砂型透氣性（砂粒粒度均勻，膨潤土含量適中）；③金屬液充分除氣（鋁合金熔煉時通入N?或Ar氣精煉，鑄鐵采用孕育處理減少氣體析出）；④澆注時控制速度（避免卷氣），設(shè)置出氣口（排出型腔氣體）。2.鋁合金板件（厚度5mm）TIG焊后，焊縫表面出現(xiàn)縱向裂紋，試分析可能原因及預(yù)防措施。分析：鋁合金焊接裂紋主要為熱裂紋（結(jié)晶裂紋），其產(chǎn)生與材料特性、焊接工藝和組織有關(guān)：（1）材料特性：①鋁合金線膨脹系數(shù)大（約為鋼的2倍），焊接時冷卻收縮產(chǎn)生較大拉應(yīng)力；②易氧化生成Al?O?（熔點2050℃），阻礙熔池金屬流動，導(dǎo)致熔合不良；③凝固溫度范圍寬（如Al-Mg合金凝固區(qū)間約100~200℃），液態(tài)金屬存在時間長，易形成顯微縮松和低熔點共晶（如Al-Si共晶熔點577℃），在凝固后期受拉應(yīng)力開裂。（2）焊接工藝：①熱輸入過高：導(dǎo)致熔池過熱，晶粒粗大，低熔點共晶聚集在晶界；②焊接速度過快：熔池冷卻速度快，應(yīng)力集中；③坡口設(shè)計不合理（如鈍邊過厚），熔合比小，母材中的雜質(zhì)（Fe、Si）在晶界偏析。（3）組織因素：焊縫凝固時形成柱狀晶（垂直于熔合線生長），