下载文档原格式
河北工程大学材料成型理论基础试题B的敏感性、易成形。
2.已知应力状态试求：5000136063ij σ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎣⎦1) 若已满足Mises 屈服准则，此材料的屈服应力σs =？2) 主应变增量之比，即123::?d d d εεε=1)解：由Mises 屈服准则，得σs =17.32MPa2)解：123123'''12312315,25,375;15,5,5;(1)10,0,10;::1:0:1(2)I I I d d d σσσσσσεεε⎧⎫===-⎪⎪===-⎨⎬⎪⎪===-⎩⎭⇒=-3.试根据Mises 屈服准则判别下面两个应力状态使材料处于弹性状态还是处于塑性状态。
-0.5 0 0 0 -5 0 0 0 -4S ijaS S σσσσ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ (MPa)，-0.8 0 0 3 -0.8 0 0 0 -0.2S ijb S S σσσσ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦(MPa)。
答：根据Mises 屈服准则：()()()22221223312S σσσσσσσ-+-+-= (1)()()()222222220.555440.533.52S S S S S σσσσσ-++-++-+=>，该状态不存在；（2）()()()222222220.80.80.80.20.20.50.722S S S S S σσσσσ-++-++-+=<，处于弹性状态。
…………密…………封…………线…………内…………请…………不…………要…………答…………题…………四、计算题（2题，共18分）1. 已知塑性状态下某质点的应力张量为-50 0 00 -150 05 0 -350ij σ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦（MPa ），应变分量d εij = 0.1δ （δ 为一无限小）。
试求应变增量的其余分量。
（共10分）解：由levy-mises 方程可知()12x x y z d εd εσσσσ⎡⎤=-+⎢⎥⎣⎦，得 ()10.1501503502d εδσ⎡⎤=----⎢⎥⎣⎦，由此可解得，0.1200d εδσ= 所以其余分量为：()()10.11150503500.02522002y y x z d εd εσσσδδσ⎡⎤⎡⎤=-+=----=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦； ()()10.11350501500.12522002z z x y d εd εσσσδδσ⎡⎤⎡⎤=-+=----=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦；302xy yx xy d εd γd γτσ===；330.135********zx xz zx d εd γd γτδδσ===⨯⨯=；302yz zy yz d εd γd γτσ===；2. 2.试判断下列应变场能否存在。
第一章2.图1-79为五种材料的应力-应变曲线：①45钢，②铝青铜，③35钢，④硬铝，⑤纯铜。
试问：（1）当外加应力为300MPa时，各材料处于什么状态？（2）有一用35钢制作的杆，使用中发现弹性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少弹性变形？（3）有一用35钢制作的杆，使用中发现塑性变形较大，如改用45钢制作该杆，能否减少塑性变形？答：（1）①45钢：弹性变形②铝青铜：塑性变形③35钢：屈服状态④硬铝：塑性变形⑤纯铜：断裂。
（2）不能，弹性变形与弹性模量E有关，由E=ζ/ε可以看出在同样的条件下45钢的弹性模量要大，所以不能减少弹性变形。
（3）能，当35钢处于塑性变形阶段时，45钢可能处在弹性或塑性变形之间，且无论处于何种阶段，45钢变形长度明显低于35钢，所以能减少塑性变形。
4．下列符号表示的力学性能指标的名称和含义是什么？σb 、σｓ、σ0.2、σ-1、δ、αｋ、HRC、HBS、HBW答：σｂ抗拉强度，是试样保持最大均匀塑性的极限应力。
σs屈服强度，表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力。
σ0.2条件屈服强度，作为屈服强度的指标。
σ-1疲劳强度，材料循环次数N次后达到无穷大时仍不发生疲劳断裂的交变应力值。
δ伸长率，材料拉断后增加的变形长度与原长的比率。
HRC洛氏硬度，表示用金刚石圆锥为压头测定的硬度值。
HBS布氏硬度，表示用淬硬钢球为压头测定的硬度值。
HBW布氏硬度，表示用硬质合金为压头测定的硬度值。
8．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？答：形成固溶体使金属强度和硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。
晶格畸变随溶质原子浓度的提高而增大。
晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。
9．将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度T1，求此时：（1）两相的成分；（2）两相的重量比；（3）各相的相对重量（4）各相的重量。
…………密…………封…………线…………内…………请…………不…………要…………答…………题…………河北工程大学2009~2010 学年第2 学期期末考试试卷（A）卷一、填空题（每空1分，共30分）1.液体原子的分布特征为长程无序、短程有序，即液态金属原子团的结构更类似于固态金属。
2.铸件的凝固方式可以分为逐层凝固、体积凝固和中间凝固三种不同形式。
3.金属结晶形核时，系统自由能变化△G由两部分组成，其中相变驱动力为体积自由能的降低，相变阻力为表面能的升高。
4.铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区。
5.对于气体在金属中溶解为吸热反应的，气体的溶解度随该气体分压的增高而增大。
氢在合金液中溶解度随焊接气氛氧化性的增强而降低。
6.熔渣对于焊接、合金熔炼过程起的积极作用有：机械保护作用、冶金处理作用和改善成形工艺性能作用。
7.在一个由金属、金属氧化物、和氧化性气体组成的体系中，若金属氧化物的分解压为PO2，氧的实际分压为{PO2}。
则，当 {PO2}>PO2时，金属被氧化，当 {PO2}< PO2时，金属被还原。
8.通常，人们根据变形中金属流动的特点把塑性成形工艺分为两大类：体积成形和板料成形。
9.金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移，扩散蠕变。
10.塑性加工可以按照加工温度分成热加工和冷加工。
热加工是指在再结晶温度以上进行的塑性加工。
11.根据超塑性变形的特点，超塑性可分为细晶超塑性和相变超塑性两大类。
12.应变张量存在三个应变张量不变量I1、I2、I3，且对于塑性变形，由体积不变条件，I1 = 013.残余应力分为三类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。
14.根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。
第1章塑料成型根底常识1.高分子聚合物的布局和性能2.高分子聚合物的形成低分子化合物单体通过聚合反响形成3.聚合物的布局长链布局：线型高分子、支链型高分子、体型高分子堆积态布局：晶态、非晶态、局部晶态③聚合物的物理状态非晶态线型高聚物：玻璃态、高弹态、粘流态2. 聚合物的流变性质①粘弹性质：塑料熔体在成型过程中的变形和流动同时具有弹性和粘性性质②塑料在成型加工过程中的流动底子上是层流3塑料熔体的类型宾哈流体膨胀性流体牛顿型流体假塑性流体复合型流体4聚合物熔体流动过程中的弹性行为：端末效应和掉稳流动“剪切稀化〞：假塑性流体的表不雅粘度随剪切速率的增加非线性下降的现象。
“剪切增稠〞: 膨胀性流体的表不雅粘度随剪切速率的增加非线性升高的现象。
3聚合物成型过程中的物理行为：结晶和取向4. 聚合物成型过程中的化学行为：降解和交联5. 塑料的组成：合成树脂+添加剂〔填充剂、增塑剂、不变剂、润滑剂、着色剂、固化剂等〕按塑料的成型工艺性能可分为热塑性塑料和热固性塑料6. 塑料的成型工艺性：了解塑料收缩性、流动性7.塑料的主要成型方法：打针成型压缩成型压注成型挤出成型中空吹塑成型固相成型(真空吸塑成型、压缩空气成型〕了解各成型方法的道理及适用范围1、打针成型主要用于热塑性塑料，也可用于热固性塑料。
将粒状或粉状的塑料参加到打针机的料斗，在打针机内塑料受热熔融并使之保持流动状态，然后在必然压力下注入闭合的模具，经冷却定型后，熔融的塑料就固化成为所需的塑件。
2、压缩成型〔压制成型〕主要用于热固性塑料，制造布局件等粉粒状、纤维状的塑料〔预热预压〕置于成型温度的型腔中合模加压成型固化3、压注成型主要用于热固性塑料，适用于形状复或带有较多嵌件的塑料制件其工艺类似于注塑成型工艺，压注成型时塑料在模具的加料腔内塑化，再颠末浇注系统进入型腔，而注塑成型在注塑机料筒内塑化。
4、挤出成型将熔融的塑料自模具内以挤压的方式往外推出，而得到与机头口模不异几何形状的流体，冷却固化后，得到所要的零件。
1、何为冷变形、热变形和温变形？冷变形：温度低于回复温度，变形过程只有加工硬化无回复和再结晶。
热变形：温度在再结晶温度以上，变形产生的加工硬化被再结晶抵消，变形后具有再结晶等轴晶粒组织，而无加工硬化痕迹。
温变形：金属材料在高于回复温度但低于再结晶开始温度的温度范围内进行的塑性变形过程。
2、简述金属的可锻性及其影响因素。
可锻性：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。
它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。
可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。
(1)内在因素(a)化学成分:不同化学成分的金属其可锻性不同；(b)合金组织:金属内部组织结构不同，其可锻性差别很大。
(2)外在因素(a)变形温度:系指金属从开始锻造到锻造终止的温度范围。
温度过高:过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。
温度过低：变形抗力↑－难锻，开裂(b)变形速度:变形速度即单位时间内的变形程度(c)应力状态:金属在经受不同方法进行变形时，所产生的应力大小和性质（压应力或拉应力）不同。
3、自由锻和模锻的定义及其特点是什么？自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，简称自由锻。
1、自由锻锻件的精度不高，形状简单，其形状和尺寸一般通过操作者使用通用工具来保证，主要用于单件、小批量生产。
2、对于大型机特大型锻件的制造，自由锻仍是唯一有效的方法。
3、自由锻对锻工的技术水平要求高，劳动条件差，生产效率低。
模锻是指在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。
模锻具有如下特点：(1)生产效率高。
劳动强度低。
(2)锻件成形靠模膛控制，可锻出形状复杂、尺寸准确，更接近于成品的锻件，且锻造流线比较完整，有利于提高零件的力学性能和使用寿命。
(3)锻件表面光洁，尺寸精度高，加工余量小，节约材料和切削加工工时。
(4)操作简便，质量易于控制，生产过程易实现机械化、自动化。
第二章金属材料的力学性能断后伸长率：断面收缩率： HBS ：压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS 表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。
HBW ：压头为硬质合金球时，用符号HBW 表示，适用于布氏硬度在450-650的材料。
Ak =G(H-h) ： 冲击吸收功。
Ak 越大，材料的塑性越好材料经无数次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。
：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标 纯金属的性能特点纯金属的力学性能特点表现为：强度、硬度低，塑性、韧性好，用作结构材料时强度、硬度不足，塑性韧性有余。
因此，在工业上广泛应用的金属材料是合金。
第三章金属的结构与固溶强化晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。
常见纯金属的晶格类型有三类：体心立方晶格：a-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 、Nb面心立方结构：密排六方晶格 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。
点缺陷 ：空间三维尺寸都很小的缺陷。
空位间隙原子置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。
从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
线缺陷—晶体中的位错位错：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象从位错的几何结构可分为刃型位错和螺型位错。
位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径面缺陷—晶界与亚晶界%10000⨯-=l l l A u %10000⨯-=S S S Z u a Y K I σ=晶界是不同位向晶粒的过渡部位，原子排列不规则。
亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2 )的小晶块。
亚晶粒之间的交界面称亚晶界。
亚晶界也可看作位错壁。
晶界的特点：①原子排列不规则。
②熔点低。
③耐蚀性差。
④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚（因缺陷多）。
⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。
第1章液态金属的结构与性质一、填空题1.液体原子的分布特征为 远程 无序、 近程有序，即液态金属原子团的结构更类似于 固体 。
2.实际液态金属内部存在 能量 起伏、 结构 起伏和 成分 起伏 。
3．偶分布函数g(r) 的物理意义是距某 参考粒子 r 处找到另一个粒子的 几率 ，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r=0）距离为r 位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。
4．下图中偶分布函数g(r)，液体g(r)为c图，晶态固体g(r)为a图，气体g(r)为b图。
（a）（b）（c）5.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 正比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 反比。
衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越 小 。
6.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力 越大 ，就润湿，润湿角 越小；而两种物质原子间的结合力 越小 ，就不润湿，润湿角 越大 。
7．液体的原子之间结合力（或原子间结合能U） 越大 ，则内摩擦阻力越大，粘度也就 越高 。
液体粘度η随原子间结合能U按指数关系增加，即（公式）： 。
8.粘度随原子间距δ增大 而降低，随温度T升高 而下降，合金元素的加入若产生负的混合热H m 则会使合金液的粘度 上升 ，通常，表面活性元素使液体粘度降低。
9.钢液中的MnO，当钢液的温度为1550℃时，，，，对于r=0.0001m的球形杂质，其上浮速度是多少？0.0071m/s10.影响液态金属充型能力的因素可归纳为 金属性质 、 铸型性质 、 浇注条件 、 铸件结构 四个方面的因素。
11.铸件的浇注系统静压头 H越高，液态金属密度ρ1及比热C1、合金的结晶潜热ΔH越大 ，浇注温度T浇、铸型温度T型越高，充型能力越强。
12.设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5×103Mpa，液膜厚度为1.1×10-6mm，根据液膜理论计算产生热裂的液态金属临界表面张力= 0.825 N/m。
第11章凝固缺陷及控制一、填空题1、铸造应力按产生的原因分为：热应力、相变应力、机械阻碍应力。
2、液膜理论认为，液膜是产生热裂纹的根本原因，而收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。
3.微观偏析的两种主要类型为晶内偏析与晶界偏析，宏观偏析按由凝固断面表面到内部的成分分布，有正常偏析与逆偏析两类。
4. 夹杂物的形状越近似球状，对金属基体力学性能的影响越小；夹杂物越细小而分散，且分布在晶内，其危害越小。
5. 存在于铸件中的气体主要有固溶体、化合物、气态三种状态。
6. 根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹可分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹三种。
7. 金属中的气孔按气体来源不同可分为析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔。
8. 对于圆柱形铸件，凝固后冷却到室温时，内部存在残余拉应力，外部存在残余压应力。
9. 钢材产生焊接冷裂纹的主要因素有钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态、熔敷金属中扩散氢的含量。
10、缩孔及缩松形成的根本原因是凝固阶段的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩。
逐层凝固特性的合金，容易产生缩孔。
11、液态金属从浇注温度冷却到常温要经历三个阶段：液态收缩阶段、凝固收缩阶段和固态收缩阶段。
二简答题1、一般低合金钢焊接，延迟裂纹的出现主要与哪些因素有关？为什么具有延迟现象？采取何种冶金措施加以防止？1）影响延迟裂纹产生的因素：材料的淬硬倾向，焊接接头的应力状态，熔敷金属中扩散氢的含量。
2）具有延迟现象的原因：氢在金属中的扩散过程中，遇到显微缺陷而聚集，聚集后原子结合为分子形成一定的应力。
在应力作用下，显微缺陷处出现微裂纹，氢在进一步扩散又使微裂纹扩展为裂纹。
由于氢的扩散、聚集并达到临界浓度都需要时间，这样形成的裂纹都具有延迟特性。
3）冶金措施：改进母材的化学成分；严格控制氢的来源；适当提高焊缝金属的韧性；选用低氢的焊接材料和焊接方法。
2、根据图示延迟裂纹时间与应力的关系，请回答1)σUC称为：上临界应力值2)σLC称为：下临界应力值3)若σ<σLC，则：不论恒载多久，试件都不会断裂。
简答题1、某型号柴油机的凸轮轴要求凸轮表面有高的硬度（HRC＞50），心部具有良好的韧性（Ak＞40））原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火现因工厂库存的45钢已用完，只剩下15钢，拟用15钢代替试说明：⑴原45钢各热处理工序的作用⑵改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？⑶改用15钢后为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺？答：⑴：调质处理：获得回火索氏体，以保证工件心部的强度和韧性凸轮表面进行高频淬火：承受弯曲交变载荷或扭转交变载荷，提高耐磨性和承受冲击。
低温回火：是为了降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度(一般为HRC58～64)和耐磨性。
⑵：不能满足性能要求；因为高频淬火适用与中碳钢；中合金钢碳钢；工具钢；不能对低碳钢高频淬火、因碳量低，表面硬度难以提高。
⑶调质（淬火＋高温回火）→渗碳→淬火＋低温回火2、要制造轻载齿轮、热锻模具、冷冲压模具、滚动轴承、高速车刀、重载机床床身、传动轴、后桥壳、量具、弹簧、汽轮机叶片、等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料，及选择对应的热处理方法（淬火、低温回火、中温回火、高温回火、退火）。
⑴T12⑵HT300⑶W18Cr4V⑷GCr15⑸40Cr⑹20CrMnTi⑺Cr12MoV⑻5CrMnMo⑼9SiCr⑽1Cr13⑾60Si2Mn⑿QT400-15⒀45⒁Q235答轻载齿轮量具冷冲压模具滚动轴承高速车刀重载机床床身材料⒀45⑴T12⑺Cr12MoV⑷GCr15⑶W18Cr4V⑵HT300钢种调质钢炭素工具钢冷冲模具钢滚动轴承钢高速工具钢灰铸铁热处理淬火＋高温回火淬火＋低温回火淬火＋中温回火淬火＋低温回火淬火＋高温回火三次退火3、有一个45号和15号钢制的变速箱齿轮，试说明其中各热处理工序的工艺、目的及使用状态下的组织。
答：45钢加工工序为：下料→锻造→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火＋低温回火→磨加工→成品15钢加工工序为：下料→锻造→正火→粗机加工→渗碳→精机加工→淬火＋低温回火→磨加工→成品目的 工艺 组织正火 作为预先热处理 改善切削加工性能 加热到AC3＋（30～50℃）＋保温＋空冷 S 或P （F ＋Fe3C ） 调质 在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。
第3章 金属凝固热力学与动力学一、填空题1、金属结晶形核时，系统自由能变化△G 由两部分组成，其中相变驱动力为 体积自由能的下降 ，相变阻力为 表面自由能的上升 。
2、物质体积自由能G 随温度上升而 下降 ，液相体积自由能G L 随温度上升而下降的斜率 大于 固相体积G S 的斜率。
3、非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角 θ越小，非均质形核功*he G 越 小 ，形核率越 高 ；非均质形核临界半径*he r 与均质形核的关系为 *ho r 相等 。
4、设固相表面曲率k>0，由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点Tm （r =∞时）要 低 。
5、对于K 0＜1，固相线、液相线张开程度 越大 ，K 0 越小，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越 严重 。
因此，常将∣1- K 0∣称为 “偏析系数” 。
6、球状固体质点从金属液中开始形成时，只有其半径 r 大于临界晶核半径r*时，其统自由能ΔG 随r 增大而 下降 ，固体质点才能稳定存在，称为 晶核 ；而在r ＜r*时，ΔG 随 r 增大而 上升 ，这时不稳定的固体质点还不能称为晶核，而只能称为 晶胚 。
对应于r=r*的系统自由能最大值ΔG*称为 形核功 。
7、形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的 三分之一 , 它是均质形核所必须克服的 能量障碍 。
形核功由熔体的“ 能量 起伏”提供。
因此，过冷熔体中形成的晶核是“ 结构 起伏”及“ 能量 起伏”的共同产物。
8、非均质形核与均质形核临界半径 r* 相同 。
通常情况下，非均质形核功ΔG ∗he 远小于 均质形核功ΔG ∗ho ，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要 小得多 。
9、通常，Jackson 因子 α≤2 的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能 最低 ，此时的固-液界面（晶体表面）形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类； α ＞5 的物质凝固时界面为光滑界面；而α =2～5 的物质，常为多种方式的混合，Bi 、Si 、Sb 等属于此类。
第3章 金属凝固热力学与动力学一、填空题1、金属结晶形核时，系统自由能变化△G 由两部分组成，其中相变驱动力为 体积自由能的下降 ，相变阻力为 表面自由能的上升 。
2、物质体积自由能G 随温度上升而 下降 ，液相体积自由能G L 随温度上升而下降的斜率 大于 固相体积G S 的斜率。
3、非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角 θ越小，非均质形核功*he G 越 小 ，形核率越 高 ；非均质形核临界半径*he r 与均质形核的关系为 *ho r 相等 。
4、设固相表面曲率k>0，由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点Tm （r =∞时）要 低 。
5、对于K 0＜1，固相线、液相线张开程度 越大 ，K 0 越小，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越 严重 。
因此，常将∣1- K 0∣称为 “偏析系数” 。
6、球状固体质点从金属液中开始形成时，只有其半径 r 大于临界晶核半径r*时，其统自由能ΔG 随r 增大而 下降 ，固体质点才能稳定存在，称为 晶核 ；而在r ＜r*时，ΔG 随 r 增大而 上升 ，这时不稳定的固体质点还不能称为晶核，而只能称为 晶胚 。
对应于r=r*的系统自由能最大值ΔG*称为 形核功 。
7、形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的 三分之一 , 它是均质形核所必须克服的 能量障碍 。
形核功由熔体的“ 能量 起伏”提供。
因此，过冷熔体中形成的晶核是“ 结构 起伏”及“ 能量 起伏”的共同产物。
8、非均质形核与均质形核临界半径 r* 相同 。
通常情况下，非均质形核功ΔG ∗he 远小于 均质形核功ΔG ∗ho ，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要 小得多 。
9、通常，Jackson 因子 α≤2 的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能 最低 ，此时的固-液界面（晶体表面）形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类； α ＞5 的物质凝固时界面为光滑界面；而α =2～5 的物质，常为多种方式的混合，Bi 、Si 、Sb 等属于此类。
河北工程大学《材料力学》试卷及答案（四）
一、计算小题
1、圆杆横截面半径增大一倍，其抗拉压刚度、抗扭刚度以及抗弯刚度有何变化？（10分）
2、自由落体物体，重力为P，求B截面的冲击挠度。
（10分）
二、作图题：（共20分）
1．试绘图示杆件的轴力图（6分）
2．
如图所
示，绘出剪力图和弯矩图。
（14分）
三、图示圆轴AB的直径d =80mm，材料的[σ]=160MPa。
已知P = 5kN，M =
3kN·m，l=1m。
指出危险截面、危险点的位置；试按第三强度理论校核轴的强度。
（15分）
四. 图示矩形截面简支梁，材料容许应力[σ]＝10MPa，已知b＝12cm，若采用
截面高宽比为h/b＝5/3，试求梁能承受的最大荷载。
（15分）
五、试确定图示轴心压杆的临界力。
已知杆长
，直径为
，临界柔度为
，弹性模量，（经验公式为）（15分）
六、用单位载荷法求刚架C点的水平位移。
（EI已知）
一、计算小题
1、（10分）答：分别变为原来的4倍；16倍；16倍。
2、（10分）解：
二、作图题：（共20分）
1．轴力图如图所示（6分）
2．剪力图和弯矩图如图所示（14分）
三、（15分）解：周左端点上下表面为危险点。
轴安全！
四.（15分）解：
得：
五、（15分）解：属于中柔度杆，
六、（15分）解：。
河北工程大学2009~2010 学年第 2 学期期末考试试卷（A）卷一、填空题（每空1分，共30分）1.液体原子的分布特征为长程无序、短程有序，即液态金属原子团的结构更类似于固态金属。
2.铸件的凝固方式可以分为逐层凝固、体积凝固和中间凝固三种不同形式。
3.金属结晶形核时，系统自由能变化△G由两部分组成，其中相变驱动力为体积自由能的降低，相变阻力为表面能的升高。
4.铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区。
5.对于气体在金属中溶解为吸热反应的，气体的溶解度随该气体分压的增高而增大。
氢在合金液中溶解度随焊接气氛氧化性的增强而降低。
6.熔渣对于焊接、合金熔炼过程起的积极作用有：机械保护作用、冶金处理作用和改善成形工艺性能作用。
7.在一个由金属、金属氧化物、和氧化性气体组成的体系中，若金属氧化物的分解压为PO2，氧的实际分压为{PO2}。
则，当 {PO2}>PO2时，金属被氧化，当 {PO2}< PO2时，金属被还原。
8.通常，人们根据变形中金属流动的特点把塑性成形工艺分为两大类：体积成形和板料成形。
9.金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移，晶内孪生，晶界滑移，扩散蠕变。
10.塑性加工可以按照加工温度分成热加工和冷加工。
热加工是指在再结晶温度以上进行的塑性加工。
11.根据超塑性变形的特点，超塑性可分为细晶超塑性和相变超塑性两大类。
12.应变张量存在三个应变张量不变量I1、I2、I3，且对于塑性变形，由体积不变条件，I1 = 013.残余应力分为三类：第一类残余应力存在于变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。
14.根据塑性成形中坯料与工具表面之间的润滑状态的不同，摩擦可分为三类，即干摩擦、边界摩擦和流体摩擦，由此还可以派生出混合型摩擦。
15.在主应力空间中，通过坐标原点，并垂直于等倾线ON 的平面称为π 平面。
其方程为σ1 +σ2 +σ3 =016.塑性成形过程中的摩擦是非常复杂的，目前关于摩擦机理（即摩擦产生的原因）有三种学说。
试卷1一、思考题1．什么是机械性能？（材料受力作用时反映出来的性能）它包含哪些指标？（弹性、强度、塑性、韧性、硬度等）各指标的含意是什么？如何测得?2．硬度和强度有没有一定的关系?为什么? （有，强度越高，硬度越高）为什么？（都反映材料抵抗变形及断裂的能力）3．名词解释：过冷度，晶格，晶胞，晶粒与晶界，同素异晶转变，固溶体，金属化合物，机械混合物。
4．过冷度与冷却速度有什么关系?对晶粒大小有什么影响? （冷却速度越大过冷度越大，晶粒越细。
）5.晶粒大小对金属机械性能有何影响?常见的细化晶粒的方法有哪些? （晶粒越细，金属的强度硬度越高，塑韧性越好。
孕育处理、提高液体金属结晶时的冷却速度、压力加工、热处理等）6．说明铁素体、奥氏体、渗碳体和珠光体的合金结构和机械性能。
7．默绘出简化的铁碳合金状态图，并填人各区域内的结晶组织。
8．含碳量对钢的机械性能有何影响?二、填表说明下列符号所代表的机械性能指标三、填空1. 碳溶解在体心立方的α-Fe中形成的固溶体称铁素体，其符号为F ，晶格类型是体心立方，性能特点是强度低，塑性好。
2. 碳溶解在面心立方的γ-Fe中形成的固溶体称奥氏体，其符号为 A ，晶格类型是面心立方，性能特点是强度低，塑性高。
3. 渗碳体是铁与碳的金属化合物，含碳量为6.69％，性能特点是硬度高，脆性大。
4. ECF称共晶线线，所发生的反应称共晶反应，其反应式是得到的组织为 L（4.3%1148℃）=A（2.11%）+Fe3C 。
5. PSK称共析线线，所发生的反应称共析反应，其反应式是A(0.77%727 ℃)=F(0.0218%)+ Fe3C 得到的组织为珠光体。
6. E是碳在γ-Fe中的最大溶解度点，P是碳在α-Fe中的最大溶解度点， A l线即 PSK ，A3线即 GS ， A cm线即 ES 。
7. 45钢在退火状态下，其组织中珠光体的含碳量是 0.77% 。
8．钢和生铁在成分上的主要区别是钢的含碳量小于2.11%，生铁2.11-6.69% 在组织上的主要区别是生铁中有莱氏体，钢中没有，在性能上的主要区别是钢的机械性能好，生铁硬而脆。
河北工程大学材料成型理论基础练习题第4章第4章单相及多相合金的结晶一、判断题1、、“平衡凝固”条件下，凝固后零件断面的成分均匀地为C S=C0。
所以“平衡凝固”开始时晶体析出的成分即为C0。
（×）2、对于“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面前沿不存在溶质富集层，即界面处及其前方的液相成分处处相同。
（√）3、在“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S ∗随凝固过程的进行均始终在不断升高。
（√）∗、CL4、在“液相只有有限扩散”以及“液相中部分混合（有对流作用）”溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S∗、C L∗随凝固过程的进行始终不断升高。
（×）5、其他条件相同情况下，无论K0＜1 还是K0＞1，溶质平衡分配系数K0小的合金更易于发生出现成分过冷。
（×）6、其他条件相同情况下，原始浓度C0高的合金更易于出现成分过冷。
（√）7、是否出现成分过冷及成分过冷的程度，既取决于合金性质因素（K0、C0、D L、m L）,也取决于工艺因素（R ，G L ）（ √ ）8、无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面液相一侧形成负温度梯度时，才可能出现过冷现象。
（ × ）9、在满足胞状晶生长的成分过冷条件下，若增大凝固界面前方的温度梯度G L ，则可能出现柱状树枝晶的生长方式。
（ × ）10、在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，界面处及其前方液相成分随时间变化均符合0)'(=∂∂t x CL，且溶质富集层以外的成分均为C L =C 0。
（ √ ）11、如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大液体实际温度梯度G L ，凝固界面有向“平整界面”变化的可能。
（ √ ）12、成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于固-液界面，与晶体学取向无关。
第1章液态金属的结构与性质1.液体原子的分布特征为无序、有序，即液态金属原子团的结构更类似于。
2.实际液态金属内部存在起伏、起伏和起伏。
3.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成比。
衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越。
4.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力，就润湿，润湿角；而两种物质原子间的结合力，就不润湿，润湿角。
5.影响液态金属表面张力的主要因素是，，和。
6.钢液中的MnO ，当钢液的温度为1550℃时，3/0049.0m s N ⋅=η，3/81.97000m N g ⨯=液ρ，3/81.95400m N g ⨯=杂ρ，对于r=0.0001m 的球形杂质，其上浮速度是多少？参考答案：0.0071m/s7.影响液态金属充型能力的因素可归纳为合金本身性质、铸型性质、浇注方面、铸件结构方面四个方面的因素。
8.影响液态金属黏度的因素有合金成分、温度、非金属夹杂物。
9.合金流动性：合金本身的流动能力；充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。
10.液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的充型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的充型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L 要大；③比热、密度大，导热率小;④粘度、表面张力小。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数小；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。
第4章 单相及多相合金的结晶一、判断题 1、、“平衡凝固”条件下，凝固后零件断面的成分均匀地为C S =C 0。
所以“平衡凝固”开始时晶体析出的成分即为C 0。
（ × ）2、对于“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面前沿不存在溶质富集层，即界面处及其前方的液相成分处处相同。
（ √ ）3、在“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S ∗、C L ∗随凝固过程的进行均始终在不断升高。
（ √ ）4、在“液相只有有限扩散”以及 “液相中部分混合（有对流作用）”溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S ∗、C L ∗随凝固过程的进行始终不断升高。
（ × ）5、其他条件相同情况下，无论K 0＜1 还是K 0＞1，溶质平衡分配系数K 0小的合金更易于发生出现成分过冷。
（×）6、其他条件相同情况下，原始浓度C 0高的合金更易于出现成分过冷。
（ √ ）7、是否出现成分过冷及成分过冷的程度，既取决于合金性质因素（K 0、C 0、D L 、m L ）,也取决于工艺因素（R ，G L ）（ √ ）8、无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面液相一侧形成负温度梯度时，才可能出现过冷现象。
（ × ）9、在满足胞状晶生长的成分过冷条件下，若增大凝固界面前方的温度梯度G L ，则可能出现柱状树枝晶的生长方式。
（ × ）10、在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，界面处及其前方液相成分随时间变化均符合0)'(=∂∂tx C L ，且溶质富集层以外的成分均为C L =C 0。
（ √ ） 11、如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大液体实际温度梯度G L ，凝固界面有向“平整界面”变化的可能。
（ √ ） 12、成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于固-液界面，与晶体学取向无关。
（ √ ） 13、“液相部分混合”（有对流作用）的溶质再分配，若液相容积很大以及容积并非很大情况下，'x ＞＞δN 处的)'(x C L 均为C 0，。
（ × ） 14、如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大R ，生长方式有向“柱状树枝晶”变化的可能。
（ √ ）15、规则共晶也可能出现胞状共晶或树枝状共晶形态。
这是由于第三组员在界面前沿形成尺度达数百个层片厚度数量级的富集层，产生成分过冷而引起的。
（ √ ） 二、填空题1、在合金其他性质不变的情况下，若 降低 G L / R 比值或 提高 合金成分 C 0，合金固溶体结晶形貌变化趋势为：平面晶→胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。
2、晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“ 外生生长”。
平面生长、 胞状 生长和 柱状树枝晶 生长皆属于此类生长。
等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“ 内生 生长”。
3、凝固过程枝晶间距越小，合金的成分偏析程度越 小 ，凝固热裂纹形成倾向越 小 ，显微缩松及夹杂物分布的分散度越 大 ，材料的性能越 好 。
4、共晶两相没有共同的生长界面，两相的析出在时间上和空间上都是彼此 分离 的，各自以不同的速度 独立 生长，因而形成的组织没有 共生 共晶的特征。
这种非共生生长的共晶结晶方式称为 离异生长 ，所形成的组织称 离异共晶 。
5、规则共晶为层片状还是棒状，主要取决于两相 体积 的差别，当其中一相的体积分数小于 1／π 时，则该相倾向于以棒状方式生长。
6、共晶组织生长中，共晶两相通过原子的 横 向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元彼此合作，并排地快速向前生长，这种共晶生长方式称为共生生长。
三、选择题1、下面哪一种说法是错误的？ CA、对于溶质平衡分配系数K0＜1，K0越小，最终凝固组织的成分偏析越严重。
B、“固相无扩散，液相仅有有限扩散”溶质再分配进入稳定阶段的C L∗为C0 /K0。
C、“固相无扩散，液相仅有有限扩散”及“液相部分混合（有对流）”的两种溶质再分配情况下，进入稳定阶段的固相成分均为C0。
D、成分为C0的合金，按照平衡相图，当温度由液态降低至T L而开始析出单相固溶体α相时，其液相的成分为C0，其固相成分为C0 K0。
2、成分为C0的长条形铸件自左向右定向凝固，对于教材上所描述的四种溶质再分配条件，凝固过程中液固界面的固相成分C S∗始终在不断升高的情况有： AA、“平衡凝固”及“固相无扩散，液相液相充分混合均匀”条件下的两种凝固情况；B．“固相无扩散，液相仅有有限扩散”以外的其他三种；C．除“平衡凝固”以外的其他三种；D．四种溶质再分配条件。
3、右图中1、2、3、4 为自左向右定向凝固终了的固相溶质分布曲线，属于“液相中部分混合”的情况为： BA. 曲线1B. 曲线2C. 曲线3D. 曲线44、下面因素的改变均增加成分过冷程度的是： DA. 增大R、C0，降低G L、m L；B. 增大R、D L，降低G L；C. 降低G L、K0（K0＜1）及C0；D. 增大R、C0、K0（K0＞1）;E. B 和D5、在共晶合金的凝固中，可能出现的现象是：DA. 非共晶成分的合金也可以得到100%的共晶组织。
B. 共晶成分的合金，一定可以得到100%的共晶组织。
C. 共晶成分的合金，也可能得不到100%的共晶组织。
D. A 和C 。
6、下面论述是错误的为： EA. 金属-金属相共晶及金属-金属间化合物共晶，为“规则共晶”。
金属-非金属共晶及非金属-非金属共晶，所得到的均属于“不规则共晶”；B. 第三组元（K0＜1）存在时，若对层片状共晶两相前沿均形成较大成分过冷时，形成胞状共晶，成分过冷进一步增大可形成树枝状共晶组织；C. 金属-非金属共晶,由于小晶面相长大具有强烈的方向性易发生弯曲和分枝，所得到的属于“不规则共晶”，因而不可能发生两相协同共生生长；D. 在α 相、β 相两固相间界面张力各方向相同的情况下，当某一相的体积分数远大于另一相时，则该相以棒状方式生长；E. C 和D。
四、简答题1、固相无扩散、液相只有扩散情况下产身成分过冷的判据及影响成分过冷的因素，说明成分过冷对结晶形貌的影响？答：成分过冷判据：影响成分过冷的因素：液相中温度梯度GL 越小，成分过冷越大；生长速度R 越大，成分过冷越大；液相线斜率mL 越大，成分过冷越大；合金原始成分C0越大，成分过冷越大； 扩散系数DL 越小，成分过冷越大；分配系数K0越小，成分过冷越大。
成分过冷对结晶形貌的影响：当C0一定时，随着GL 减小，或R 增大时，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。
2、简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律。
参考：随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶。
3、Al-Cu 相图的主要参数为C E ＝33%Cu,sm C =5.65％, Tm ＝660℃,T E ＝548℃。
用Al －1％Cu 合金浇一细长试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固－液界面为平界 面，当固相无Cu 扩散，液相中Cu 充分混合时，求：(1)凝固10％时，固液界面的C S *和C L *。
(2)共晶体所占的比例。
答：（1）溶质分配系数 k 0＝L S C C =E sm C C =%33%65.5=0.171 当s f ＝10％时，有 *s C ＝1000)1(－－k s f C k ＝1171.0%)101(%1171.0--⨯⨯＝0.187％ *L C ＝100－k L f C ＝0*k C S ＝171.000187.0＝1.09％ （2）设共晶体所占的比例为L f ，则*L C ＝100－k L f C ＝E C 则L f ＝1010－）（k E C C ＝1171.01)%1%33(－＝0.01474、Al-Cu 合金相图的主要参数：C E =33%,C sm =5.65%,T m =660℃,T E =548℃, 用Al-1%Cu （即：Co=1%）合金浇一细长圆棒试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固-液界面为平面。
当固相中无Cu 扩散，液相中Cu 有扩散而无对流，达到稳态凝固时，求：（1）固-液界面的Cs *和C L*（2）固-液界面的T i （忽略动力学过冷度ΔT k ）（1）17.03365.50===E sm C C k %10*==C C S %88.517.010**===k C C S L （2）22T T T T K i ≈∆-= L L m C m T T +=2 39.3330548660-=--=L m6409.1966017.0139.36602=-=-=T ℃5、某二元合金相图如图所示。
合金液成分为W B =40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。
温度梯度大到足以使固液界面保持平面生长。
1）假设固相无扩散，液相均匀混合。
试求：α相与液相之间的平衡分配系数k 0；凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几？画出凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线，并注明各特征成分及其位置。
1）液相均匀混合时：a) 5.060300===E sm C C k b) 共晶体所占的百分数应该是，在共晶温度时所剩余的液相，此时应利用夏尔公式 100-*=k L L f C C 60=*L C ％，＝0C 40％ 60％＝40％×15.0-L f =L f44.4% 所以，共晶体占试棒长度的44.4％6、某二元合金相图如下图所示。
合金液成分为C 0=C B =10%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。
温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。
假设固相无扩散，液相均匀混合。
①证明已凝固部分（S f ）的平均成分S C 为()[]0110KS SS f f C C --=②当试棒凝固时，液体成分增高，而这又会降低液相线温度。
证明液相线温度L T 与S f 之间关系（m T 为纯组元A 的熔点，L m 为液相线斜率的值）为：100)1(---=K S L m L f C m T T答：①证明：)1(0*00-⋅===⋅+⋅K LL L L L S S fC C C C f C f C Θ[]00)1(1)1(00)1(00K S K LL K L S S f C fC f f C C f C --=-=⋅⋅-=⋅∴-()[]0110KS SS f f C C --=∴②)1(-=ko l o l f c C)(1m l l T T m C l--=()1001---=K S L m L f C m T T79、。
