材料加工工艺作业题汇总Word格式文档下载.docx
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措施：
1）合理地设计铸件的结构：
铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。
因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀；
2）采用同时凝固的工艺：
使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。
因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小；
3）时效处理：
如去应力退火等
举例
1）机械法消除航空铝合金结构件残余应力
利用机械拉伸时内层金属变形速度比表层金属快，表层金属将牵制内层金属变形，即表层金属产生拉应力，在内层金属产生压应力，与淬火后板材的残余应力符号相反，如果拉伸量选择恰当，可消除绝大部分内应力。
2）深冷处理法消除航空铝合金残余应力
将铝合金锻件浸入液氮中，待冷透后迅速取出，采用高温高压蒸汽喷射，进行“向上淬火”，来消除航空铝合金锻件（向下）淬火引起的残余应力。
二、查阅文献，举例分析合金定向凝固的特点，简述其力学性能特征。
（王则宜）
定义：
定向凝固时在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。
定向凝固的特点：
采用定向凝固技术可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体。
定向凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。
定向凝固获得组织：
定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。
采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片，能使涡轮叶片的使用温度提高10～30，涡轮进口温度提高20～60，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。
定向凝固合金力学性能：
力学性能表现出各向异性。
纵向力学性能优异，具有优良的抗热冲击性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力和中温塑性等。
三、
（1）热锻过程可以改善铸锭的哪些缺陷？
请举例说明（罗赛）
1.焊合空洞性缺陷：
在热锻作用下，铸锭内部的缩松、缩孔、微裂纹、气孔等空洞性缺陷会缩小到完全焊合。
2.降低偏析：
枝晶偏析和晶间偏析降低或消除；
钢锭中粗大网状或片状碳化物破碎，形成细小均匀的碳化物分布。
3.细化晶粒：
晶体组织发生再结晶，变成细小的等轴晶粒。
高速钢和Cr12钢：
奥氏体和复合碳化物组成网状共晶体→莱氏体，这种组织硬而脆，机械性能低，易崩裂和磨损。
热锻产生塑性变形，金属沿变形最大方向流动，碳化物颗粒逐渐分散。
不同方向的变形和弯曲作用使得碳化物颗粒被折断而逐渐碎裂，并使碳化物均匀分布，从而有高的机械性能，可制成刀具和模具。
三、
（2）坯料拔长过程中容易产生哪些缺陷？
怎样解决缺陷？
（罗赛）
拔长缺陷：
1.内部横向裂纹：
送进量过小或一次压下量过小。
变形区在上下表面层，拔长区变形出现双鼓形，中心不能锻透，且会出现轴向拉应力，产生内部横向裂纹
2.内部纵向裂纹：
在坯料倒角时，拔长进给量很大，压下量相对很小，金属沿轴向流动少而横向流动大，造成内部纵向裂纹。
3.表面裂纹和角裂：
在塑性低的材料拔长时，如果送给量过大或压下量过大，在锻件的截面出现类似鐓粗的单鼓形。
另外，锻件角部除了受到变形影响外，由于温度降低比其他部位快，所以还会产生温度应力，增加拉应力，从而产生角部裂纹。
4.表面折叠：
送给量相对压下量过小引起。
解决措施：
内部横向裂纹：
适当增加相对送进量，控制下一次压下量，改变变形区的变形特征，避免双鼓型，使坯料变形区应力分布均匀。
内部纵向裂纹：
选择合理的进给量，使金属轴向流动大于横向流动；
也可以采用V型占拔长，以减小横向流动的金属在锻件中心造成的拉应力；
对于方形截面的坯料，在倒角时应采用轻击，减小一次变形量；
对于塑性较差的材料，可采用圆形占进行倒角。
表面裂纹和角裂：
在拔长操作中控制好参数，送进量和一次压下量，对于角部还要及时倒角，以减小温降，改变角部的应力状态，避免裂纹产生。
表面折叠：
每次单面压缩后，不要使毛坯压缩得太扁，应使坯料宽度和高度之比b/h不小于2~2.5，或者采用其他方法进行拔长。
四、解释板料n值，r值的物理意义，举例说明它们对板料成形有哪些影响（方超）
n值：
也称硬化指数n，它表示材料在塑性变形中的硬化程度。
n值大的材料，在同样的变形程度下，真实应力增加得多。
n值大时，在伸长类变形过程中可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形程度等作用。
对于深拉延成形件，局部有突起或拉延筋，高n值是有利的。
而对于浅拉延成形件，高的n值可以使整个变形趋于均匀化。
如铝合金的O材及T4材的n值一般为0.15~0.35，与软钢大致接近。
对传统汽车用钢板来说，硬化指数n值越大，胀形性能越好。
从变形过程中板料的受力情况来看，n值较大时，拉伸失稳点延迟出现，因而伸长类零件能够获得较大的极限变形，而且大的硬化指数可以使塑性变形更加均匀，减轻板料的局部变薄现象，避免局部裂纹的过早出现。
对于汽车覆盖件成形，当板料局部变形较大而导致变形分布不均时，板料n值的作用更为显著。
n值越大，材料冲压成形性能好
r值：
即板厚方向性系数r，它是板料式样单向拉伸实验中宽度应变与厚度应变之比，反映了板料在板内平面方向和板厚度方向上的变形难以程度，r值有时也被成为塑性应变比。
厚向异性系数r值大，表示板料不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或者增厚，r值对压缩类变形的拉深影响较大，当r值较大时，板料易于在宽度方向变形，不易起皱，而板料受拉处厚度不易变薄，不易出现破裂，极限拉深深度增加。
因此，r值大的板料拉深成形性能好
较高的塑性应变比r值对深拉延成形有利，铝合金的r值为0.5~0.9，比钢小；
对传统的汽车用钢板来说，各向异性系数r值越大，拉深性能越好，
五、
（1）说明电弧焊，气焊，电阻焊，电渣焊和摩擦焊所用热源，并分析它们的加热特点。
（李成）
电弧焊：
焊条和工件之间通过瞬时短路引燃电弧，电弧热使焊件和焊条端部同时熔化，熔滴与熔化的母材形成熔池。
电阻焊：
用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接。
电渣焊：
利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源。
气焊：
利用可燃气体燃烧的高温火焰来熔化木材和填充金属。
摩擦焊：
利用焊件接触端面相互摩擦产生的热量，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力，实现焊接的一种固相压焊方法。
五、
（2）结合Fe-C相图，分析低碳钢（0.2C%）热影响区的金相组织变化和对其力学性能的影响。
焊接热影响区主要有：
熔合区、过热区、正火区（相变重结晶区）、部分相变区（不完全重结晶区）和再结晶区。
熔合区：
即焊缝和母材相邻的部位，又称半熔化区，此区温度处于固液相线之间。
该区内化学组成组织性能都有较大的不均匀性，所以该区对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响，常常是产生裂纹、脆性破坏的发源地。
过热区：
由于加热温度很高，一些难熔质点也都熔入奥氏体中，因此奥氏体晶粒严重长大，冷却后获得粗大的过热组织，塑性大大降低，易产生裂纹。
正火区（相变重结晶区）：
该区的组织特征是由于在加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变的作用，使该区冷却下来后的组织为均匀而细小的铁素体和珠光体。
相当于热处理中的正火组织，是综合力学性能最好的区段。
不完全重结晶区（部分相变区）：
该区部分金属经历了重结晶相变，剩余部分为未经重结晶的原始铁素体，它是一个粗晶体和细晶体的混合区。
冷却后晶粒大小和分布不均匀，因此材料力学性能不均匀。
六、
（1）分析讨论磁控溅射、等离子喷涂所制备薄膜（镀层）与金属基体的结合方式（卢宾）
磁控溅射：
1）机械结合；
2）物理结合（范德华力结合）；
3）微扩散结合；
4）化学键合
等离子喷涂：
1）机械结合；
4）冶金结合——一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用
六、
（2）分析火焰喷涂和等离子喷涂涂层组织结构特点及与基体结合力强度的差异（卢宾）
涂层组织结构特点：
涂层是由无数变形的粒子互相交错而呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，由变形颗粒、氧化物夹杂、未变形颗粒及气孔组成。
与基体结合力强度的差异：
与火焰喷涂相比，等离子焰流速大、温度高。
在基体表面成膜的过程中喷涂颗粒熔化较充分且与基体相互扩散充分，所获的涂层结合力和致密度比火焰喷涂高。
而且由于等离子喷涂颗粒速度快，能获得氧化物、杂质含量少而纯洁的涂层。
双号作业题汇总
一、
（1）离心铸造在制备圆桶件时有哪些优越性，用离心铸造成型的目的是什么？
举例说明加工双金属套筒的工艺过程。
（汤海潮）
优越性：
无需型芯生产中空部件；
离心作用下定向凝固，补缩条件好、组织致密、力学性能好、缺陷少；
便于浇注“双金属”轴套和轴瓦；
减少浇注系统和冒口的损耗；
适应范围广，几乎可铸造所有铸件。
目的：
生产大批管、筒类铸件，还可用于轮盘类铸件；
由于充型能力好，可生产一些流动性较差的合金和形状复杂的薄壁铸件等。
双金属套筒工艺过程：
以双金属耐磨套筒为例——低碳钢+高铬铸铁
1、将调好成分的优质低碳钢液经浇注槽倒入旋转的金属型铸模中，间隔一定时间后再浇入高铬铸铁金属液;
2、在离心力的作用下两种不同材质的金属复合为一体;
3、铸模外用水冷却，使铸件顺序凝固；
4、铸件脱模后，退火消除组织应力和热应力，经机加工后即得到耐磨双金属离心复合的套筒。
一、
（2）浇注位置设计的原则是什么？
对铸件质量有何影响？
1、重要加工面或质量要求较高的面，应置下部或侧面气孔、夹杂物等缺陷多出现在铸件上表面，朝下或侧面的金属组织结构致密、缺陷少，质量好。
2、大平面朝下可以避免气孔、夹渣。
3、大面积薄壁处，应置下面或侧面可以保证金属液能充型，防止产生浇不足、冷隔缺陷。
4、易产生缩孔的厚大部位应置顶部或侧面，以便安装冒口补缩使实现自上而下的定向凝固，防止产生缩孔。
5、浇注位置应有利于减少型芯，便于安放型芯。
二、
（1）比较晶胞为体心立方，面心立方和密排六方的金属塑性变形的难易程度，请给出对应上述三种晶胞的金属各二种。
（黄俊荣）
fcc金属塑性最好，bcc次之，hcp金属塑性最差。
原因：
hcp滑移系最少，塑性最低，fcc和bcc滑移系数量相同，但是fcc的滑移方向比bcc多，更容易使外力在某个方向上形成较大的分力而造成滑移。
一般情况下，晶体的滑移系越多，则受力时可以提供的场所、位向越多，滑移条件越充分，金属塑性越高
二、
（2）多晶体金属塑性变形的方式有哪二种；
高温下变形时晶界与晶内的作用差别，请举例说明。
多晶体的塑性变形方式：
包括各个晶粒内部的塑性变形和晶粒边界的塑性变形两部分。
晶粒内的塑性变形主要为滑移和孪生两种方式，晶粒边界的塑性变形主要为滑动和转动两种方式。
高温下变形时晶界与晶内的作用差别：
高温时晶内的塑性变形作用没有晶界明显，晶界强度降低，晶界内容易产生相对滑动，在拉应力作用下，在晶粒间产生较大的变形后，晶界可以出现微裂纹，变形量很大时引起开裂。
在压应力作用下，晶界不易出现微裂纹，出现微裂纹后也不易扩展。
如果晶粒极细，晶界在晶粒内所占的体积比例很大，晶界的滑动和转动所产生的变形就很可观，晶界变形可以成为塑性变形的主要形式。
另：
在温度低时，晶界的强度一般比晶粒内部高，不易变形。
三、
（1）说明金属产生超塑性的条件，举例分析金属超塑性加工成形过程。
（蒋经纬）
产生超塑性的条件：
1．具有极为细小的等轴晶粒；
2．在一定的变形温度（大约相当于金属熔点温度的一半以上）；
3．较低的应变速率。
还有一些金属材料，在一定的温度下组织中发生相变，在相变点附近加工出现超塑性现象，称为相变超塑性。
超塑性挤压成形的工艺大致为：
1．设计超塑性挤压件，使其形状符合工艺要求；
2．检验材料是否适用于超塑成形；
3．计算毛坯尺寸，满足加工前后体积不变原则；
4．制坯；
5．加热毛坯；
6．对毛坯进行润滑；
7．在超塑性温度（一般在200-900℃）下合模加压，成形后脱模；
8．对成形件进行清理与表面处理。
络筒机张力盘，材料为HPb59-1黄铜，用超塑性挤压成形。
选用棒料毛坯，尺寸直径38mm×
9mm，为减少毛坯的保温时间和装模过程中的温度下降，先将毛坯在附设的电炉内加热至760℃，保温10-15min装入模具，在超塑性状态下成形，成形温度为500℃，成形力约为300kN，液压机压下速度16mm/min，保压1.5-2min。
三、
（2）设计冲孔模和落料模时，如何确定凸模与凹模刃口尺寸。
举例说明冲裁厚度0.02mm铝合金的冲裁模合理间隙值。
设计落料模时，先按落料件确定凹模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸减去偏差，而凸模的刃口尺寸是凹模尺寸减去双边间隙值；
设计冲孔模，先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，其大小是零件的公称尺寸加上偏差，而凹模的刃口尺寸是凸模尺寸加上双边间隙值。
合理间隙值的确定：
合理冲裁间隙值的理论依据是保证在塑性剪切变形结束后，由凸、凹模刃口处所产生的上、下剪切裂纹重合。
在确定冲裁间隙时，应尽量满足以下要求：
1．满足冲裁面的断面质量要求，良好的表面粗糙度
2．满足冲裁件的尺寸精度要求
3．保证模具有足够长的使用寿命
4．尽量使用小冲裁力
理论计算法：
根据凸、凹模刃口产生的裂纹相互重合的原则进行计算。
经验确定法：
根据研究与实际生产经验，间隙值可按要求分类查表确定。
对于0.02mm铝合金来说，根据c=mt，m=6%-9%，冲裁模合理间隙值c=0.0012~0.0018mm之间。
四、
（1）举例分析焊条外涂层（药皮）在焊接过程中的作用。
（蔡祥滨）
1．机械保护作用
a．气保护
在焊接时，焊条药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池，基本上把熔化金属与空气隔绝开来。
这些气体中绝大部分是还原性气体，能在电弧区、熔池周围形成一个很好的保护层，防止空气中的氧、氮侵入，起到了保护熔化金属的作用。
实例：
一部分焊条药皮内含有大理石，其在焊接过程中分解产生CO2能保护焊缝免于氧化或氮化等。
b．渣保护
焊接过程中药皮被电弧高温熔化后形成熔渣覆盖着熔滴和熔池金属，这样不仅隔绝空气中的氧、氮，保护焊缝金属，而且还能减缓焊缝的冷却速度，促进焊缝金属中气体的排出，减少生成气孔的可能性，并能改善焊缝的成形和结晶，起到渣保护作用。
一部分焊条药皮内含有云母、钛铁矿等，其能产生熔渣保护焊缝，能有效改善焊缝的质量。
2、冶金作用
由于电弧的高温作用，焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损（氧化或氮化），这样会使焊缝的机械性能降低。
通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随着药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损，同时去除有害元素，提高焊缝金属的机械性能。
在药皮中加入一些还原剂，如中碳锰铁，使氧化物还原，保证焊缝质量。
或加入一些去氢、去硫物质，如萤石，以提高焊缝金属的抗裂性。
3、改善焊接工艺性能
焊条药皮的熔点稍低于焊芯的熔点（约低100～250℃），但因焊芯处于电弧的中心区，温度较高，所以，还是焊芯先熔化，药皮稍晚一点熔化。
这样，在焊条端头形成不长的一小段药皮套管。
套管使电弧热量更集中，使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高等。
在药皮中加入低电离电位的物质，如天然金红石，来提高电弧燃烧的稳定性。
四、
（2）简述埋弧焊、CO2气体保护焊和激光焊接的工艺特点。
埋弧焊工艺特点：
生产率高、焊缝质量高、劳动条件好、适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接，广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。
但它不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；
工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；
须严格控制焊接规范。
CO2气体保护焊工艺特点：
焊接成本低、生产效率高、操作简便、焊缝抗裂性能高、焊后变形较小、焊接飞溅小。
在焊接时不能有风，适合室内作业。
但焊接过程中产生大量颗粒细小的高温烟尘，而且污染严重，包括物理污染，如紫外线、红外线等，以及化学污染，如有害气体和烟尘。
激光焊接工艺特点：
降低热传导所导致的变形、降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用、没有电极污染或受损的顾虑、不受空间限制而无法发挥、可焊接小型且间隔相近的部件、可焊材质种类范围大、可焊接薄材或细径线材、不受磁场所影响、无X射线等污染。
但焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内；
最大可焊厚度受到渗透厚度限制；
难焊接高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等；
目前能量转换效率低于10%；
焊道快速凝固，易产生气孔及脆化。
五、磁控溅射的原理、特点及应用举例（李晨熙）
原理：
阴极溅射是在低气压情况下，电极之间有放电产生时，阴极上的材料在电离气体的轰击下脱离阴极表面飞溅并集聚在附近表面上的现象。
主要有磁控溅射、对置溅射、离子束溅射三类。
特点：
1.结合力较高；
2．容易得到高熔点物质的薄膜；
3．可以在较大面积上得到均一的薄膜；
4．可以控制膜的组成，制备合金膜；
5．可以长时间地连续运转；
6．良好的再现性；
7．溅射镀膜密度高，厚度均匀，无气孔，与基底结合牢固；
8．阴极溅射法几乎可以制造一切物质的薄膜；
9．溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置，沉积速率低；
应用举例：
1．阴极溅射应用——幕墙玻璃生产
主要用于在大平板玻璃上镀制金属单层质膜、合金膜或金属化合物膜，经镀膜的玻璃具有遮阳、保温、节能和装饰作用。
2．阴极溅射应用——手机壳表面处理
使用阴极溅射的方法在不锈钢基体、镁/铝合金基体或塑料基体上镀膜，有利于达到手机壳耐磨损、耐腐蚀的加工目的，同时也能根据需要镀上不同颜色的膜。
六、简述并举例分析激光表面处理的特点（李珺）
1.表面改性效果
a.可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。
可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。
b.在工件精加工后进行表面改性处理后仅需极小量的磨削加工。
c.激光处理是小面积扫描式加热，工件变形很小。
适用于任意形状的表面。
d.硬化层深度和硬化面积可准确测定和控制生产上重复性好，可保证产品的高质量和生产的稳定性，既适合单件大批量生产，也适合多品种小批量生产。
e.加热时间短。
温度升高仅限于工件表面附近，而且冷却极快热影响区极小。
另外由于激光为无接触加热.工件不会受到污染。
2.工艺操作
a.操作简单，可进行数控或计算机精密控制，理结果重复性好。
b.表面改性时不需采用冷却措施。
c.表面改性可在大气中进行，也可在真空或其他特殊气氛中进行处理。
3.劳动环境
a.不产生有害气体或物质。
b.噪声很低。
c.不辐射X光，热辐射也极少。
d.对激光的防护容易，可改善表面改性的劳动条件
镁合金激光表面合金化
镁合金激光表面合金化是利用高能激光束将镁合金表面快速加热，从而将预置在其上的合金粉末及表层的基底材料熔化为液态，然后使其在空气中自然冷却，从而获得一定厚度的涂层的改性方法。
J.DuttaMajumdar等进行了SiC粉末在镁合金表面激光合金化的研究。
在激光功率为1kW，扫描速率为200mm/s时，样品的显微硬度可达270HV，而基体的显微硬度仅为35HV，耐磨性显著提高。
在扫描速率一定的情况下，表面显微硬度随着激光功率的增加而降低；
在激光功率一定的情况下，表面显微硬度随着激光扫描速率的增加先升高后降低。
七、分析WC-Co硬质合金可以进行液相烧结的原因，简述其烧结过程
WC-Co硬质合金能够进行液相烧结基于满足以下三个条件：
（1）液态Co对WC完全浸润。
在1500℃和氢气氛下，液态Co与WC的润湿角为0º
，即完全浸润。
（2）WC在Co部分溶解。
W-Co-C三元相图的WC-Co纵截面（WC含C质量分数为6.1％）。
Co基固溶体中WC的溶解度随温度提高而增大，在1340℃时达到最大值。
在硬质合金中WC是过量的，所以在温度超过1340℃后会出现液相，并且随温度的升高，WC在液相中的溶解度增加。
（3）烧结温度（1350-1480℃）下有液相Co存在，而液相Co在WC中不溶解，使得在保温阶段液相始终存在。
WC-Co硬质合金烧结过程如下：
（1）预热及升温阶段在烧结炉内随炉温的不断升高，压坯也随之变化。
但加热温度大于500℃时，在Co颗粒之间以及Co与W的颗粒之间开始产生烧结现象。
随温度进一步升高，烧结加剧。
当温度达到1000℃左右，WC开始向Co中迅速扩散，随温度升高WC的溶解量加大。
在达到a’以前，尚无液相出现。
（2）达到共晶温度在达到共晶温度并少许过热后γ相与WC开始发生共晶反应，液相开始生成。
在充分保温后，固溶体γ可完全进入液相。
但因WC是过量的，因此烧结体内仍有大量的WC固相存在。
（3）升温至烧结温度达到共晶温度后继续升温，将有更多的WC溶入到液相中。
（4）烧结保温在温度刚达到烧结温度的时候，只有保温一定时间后，液相成分才达到真正的平衡。
继续保温，只发生WC通过液相产生溶解与再析出过程，两相的成分与比例维持不变。
（5）冷却随烧结体温度的下降，WC开始由液相中析出，液相数量不断减少。
降到共晶温度时，液相成分又回到了E点，并开始进行共晶反应，同时析出固溶体γ与WC。
共晶反应结束后，固溶体γ不断析出二次WC。
烧结体的收缩主要产生在液相出现以后，由于液相的流动所引起WC颗粒的重排与溶解和吸收造成烧结体的收缩与致密化。
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