2025年材料成型技術(shù)基礎(chǔ)模擬試題參考答案一、名詞解釋1.液態(tài)成型：指將液態(tài)金屬或合金澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固后獲得所需形狀和性能的鑄件的工藝方法。其核心是控制液態(tài)金屬的充型能力與凝固過程，涉及流動性、充型壓力、凝固方式（逐層凝固、體積凝固、中間凝固）等關(guān)鍵參數(shù)，直接影響鑄件的尺寸精度、內(nèi)部組織及缺陷（如縮孔、氣孔）分布。2.塑性變形：材料在外部載荷作用下產(chǎn)生不可逆永久變形的行為，區(qū)別于彈性變形的可恢復(fù)性。其微觀機制主要包括位錯滑移（晶體內(nèi)部位錯沿滑移面和滑移方向的運動）、孿生（晶體部分原子沿特定晶面和晶向產(chǎn)生切變形成孿晶）及晶界滑移（多晶體中相鄰晶粒間的相對滑動）。塑性變形會導(dǎo)致加工硬化（材料強度硬度升高、塑性韌性下降）和各向異性（變形后性能呈現(xiàn)方向性）。3.焊接熱影響區(qū)：焊接過程中，母材因受熱循環(huán)作用（加熱至固相線以下溫度后冷卻）而發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域。根據(jù)受熱溫度和冷卻后的組織特征，可分為熔合區(qū)（焊縫與母材過渡區(qū)，晶粒粗大，力學(xué)性能差）、過熱區(qū)（溫度高于固相線，晶粒嚴重粗化，塑性韌性極低）、正火區(qū)（溫度在Ac3以上，發(fā)生重結(jié)晶，晶粒細小，性能良好）和部分相變區(qū)（溫度在Ac1~Ac3之間，部分組織發(fā)生相變，晶粒大小不均，性能介于正火區(qū)與母材之間）。4.粉末冶金：以金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）為原料，通過成形（如模壓、等靜壓）和燒結(jié)（在低于基體金屬熔點的溫度下加熱，使粉末顆粒間結(jié)合）制造金屬材料或制品的工藝。其特點包括可制備高熔點金屬（如鎢、鉬）、多孔材料（如含油軸承）、復(fù)合材料（如金屬陶瓷）及復(fù)雜形狀零件（如齒輪、刀具），但需控制粉末粒度、成形壓力、燒結(jié)溫度與時間以避免孔隙率過高或尺寸偏差。5.定向凝固：通過控制鑄型的溫度場，使液態(tài)金屬從鑄件的一端（如底部）開始凝固，并逐步向另一端（如頂部）推進的凝固方式。其關(guān)鍵是建立并維持足夠大的溫度梯度（通常通過加熱冒口、冷卻鑄件底部實現(xiàn)），使晶體沿?zé)崃飨喾捶较蚨ㄏ蛏L。定向凝固可獲得柱狀晶組織，顯著提高材料的高溫力學(xué)性能（如高溫合金渦輪葉片的抗蠕變能力），是制備單晶材料的基礎(chǔ)。二、簡答題1.簡述砂型鑄造與特種鑄造的主要區(qū)別及應(yīng)用場景。砂型鑄造以型砂為主要造型材料，通過模樣緊實砂型、取出模樣形成型腔，澆入液態(tài)金屬后凝固獲得鑄件。其優(yōu)點是適應(yīng)性廣（幾乎所有合金）、成本低、設(shè)備簡單，適用于單件小批生產(chǎn)（如機床床身、發(fā)動機缸體）；缺點是鑄件精度低（IT14~IT16）、表面粗糙（Ra12.5~50μm）、內(nèi)部缺陷（如縮松）較多。特種鑄造是區(qū)別于砂型鑄造的其他鑄造方法，常見類型包括：（1）金屬型鑄造：采用金屬模具（如鑄鐵、鋼），可重復(fù)使用，鑄件精度高（IT12~IT14）、表面光滑（Ra6.3~12.5μm）、生產(chǎn)率高，適用于鋁、銅等非鐵合金的大批生產(chǎn)（如汽車活塞、氣缸蓋）；但模具成本高，不適用于形狀復(fù)雜或大尺寸鑄件。（2）壓力鑄造：在高壓（5~150MPa）下將液態(tài)金屬高速壓入金屬模具，凝固速度快，鑄件精度極高（IT11~IT13）、表面極光滑（Ra1.6~3.2μm），可鑄出薄壁（0.5~1mm）和復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如齒輪箱、儀表殼體）；但設(shè)備投資大，鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔（因高速充型卷氣），不能進行熱處理（氣孔受熱膨脹）。（3）熔模鑄造：用易熔材料（如蠟）制成模樣，涂覆耐火材料后加熱熔失模樣形成型殼，澆入金屬液獲得鑄件。其最大優(yōu)點是可制造形狀復(fù)雜（如葉片、渦輪）、尺寸精確（IT11~IT14）的鑄件，適用于高熔點合金（如不銹鋼、耐熱合金）的小批或精密鑄造；但工藝復(fù)雜、周期長、成本高。2.自由鍛與模鍛的主要區(qū)別有哪些？如何選擇兩種工藝？自由鍛是在鍛錘或壓力機上，利用簡單通用工具（如砧塊、沖頭）使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形的鍛造方法。其特點是：①設(shè)備通用性強（鍛錘、液壓機），適合單件小批生產(chǎn)（如軸類、筒類零件）；②鍛件形狀簡單（需后續(xù)機械加工），尺寸精度低（IT13~IT15），表面粗糙（Ra12.5~50μm）；③變形程度大，可改善材料內(nèi)部組織（如焊合疏松、細化晶粒），適用于大型鍛件（如發(fā)電機轉(zhuǎn)子、船用曲軸）。模鍛是在專用鍛模（由上模和下模組成，帶有與鍛件形狀匹配的型腔）中進行的鍛造。其特點是：①鍛件形狀復(fù)雜（可直接成形凸臺、凹槽），尺寸精度高（IT11~IT13），表面光滑（Ra3.2~12.5μm），加工余量??；②生產(chǎn)率高（每分鐘可生產(chǎn)多個鍛件），適合大批大量生產(chǎn)（如汽車齒輪、航空發(fā)動機葉片）；③需專用模具，成本高，受設(shè)備噸位限制，難以制造大型鍛件（通常≤150kg）。選擇依據(jù)：單件小批、大型或形狀簡單的零件（如軋輥、吊鉤）采用自由鍛；大批大量、中小型或形狀復(fù)雜的零件（如曲軸、連桿）采用模鍛。3.分析焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及消除方法。焊接應(yīng)力的產(chǎn)生主要源于焊接過程中局部不均勻加熱與冷卻導(dǎo)致的熱脹冷縮不協(xié)調(diào)：（1）加熱階段：焊縫及附近區(qū)域溫度升高（可達1500℃以上），膨脹受周圍低溫金屬約束，產(chǎn)生壓應(yīng)力；當壓應(yīng)力超過材料屈服強度時，該區(qū)域發(fā)生塑性壓縮變形（縮短）。（2）冷卻階段：焊縫區(qū)冷卻收縮，周圍已冷卻的金屬阻礙其收縮，導(dǎo)致焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力（殘余應(yīng)力）。此外，相變（如鋼的奧氏體→馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹）也會引起組織應(yīng)力，與熱應(yīng)力疊加加劇殘余應(yīng)力。消除方法包括：（1）焊前預(yù)處理：①預(yù)熱（將工件整體或局部加熱至150~400℃），減小焊接區(qū)與母材的溫差，降低冷卻速度，減少熱應(yīng)力；②采用合理的焊接順序（如分段退焊、對稱焊），使焊接應(yīng)力分散并相互抵消。（2）焊后處理：①熱處理（最有效方法），如退火（將工件加熱至Ac1以下（500~650℃），保溫后緩冷），使金屬發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，消除內(nèi)應(yīng)力；②機械方法（如錘擊焊縫、噴丸），通過塑性變形松弛焊接應(yīng)力；③振動時效（對工件施加周期性振動，使殘余應(yīng)力在共振中釋放）。三、分析題1.某鋁合金壓鑄件表面出現(xiàn)密集氣孔，試從材料、工藝、模具角度分析可能原因及解決措施。可能原因：（1）材料方面：鋁合金熔煉過程中除氣不充分。鋁液易吸收氫氣（尤其在高溫下），若精煉（如通入氯氣、氮氣或添加除氣劑）不徹底，氫在凝固時因溶解度下降析出，形成分散的針孔或集中氣孔。（2）工藝方面：①壓射速度過高（如內(nèi)澆口速度＞50m/s），導(dǎo)致鋁液充型時劇烈湍流，卷吸型腔中的空氣（主要成分為氮氣、氧氣），形成卷入氣孔；②增壓壓力不足（如＜80MPa），無法有效壓實凝固過程中因收縮產(chǎn)生的空隙，導(dǎo)致縮孔與氣孔疊加；③澆注溫度過高（如＞720℃），鋁液氧化加劇（生成Al?O?夾雜），同時氣體溶解度增加，凝固時更易析出氣體。（3）模具方面：①排氣系統(tǒng)設(shè)計不合理（如排氣槽過窄、數(shù)量不足、位置不當），型腔中的氣體（空氣、涂料揮發(fā)氣體）無法及時排出，被鋁液包裹形成氣孔；②模具溫度過低（如＜150℃），鋁液充型時局部過早凝固，阻礙氣體排出。解決措施：（1）材料控制：加強熔煉過程除氣，采用真空熔煉或通入干燥惰性氣體（如氬氣）精煉，確保鋁液含氫量＜0.15mL/100g；添加細化劑（如Al-Ti-B合金）細化晶粒，減少氣體析出通道。（2）工藝優(yōu)化：①降低壓射速度（內(nèi)澆口速度控制在30~40m/s），采用慢壓射（填充型腔20%~30%）+快壓射（填充剩余型腔）的分段壓射，減少卷氣；②提高增壓壓力（≥100MPa），延長保壓時間（根據(jù)鑄件壁厚調(diào)整，通常3~10s），促進補縮；③控制澆注溫度（680~700℃），避免過熱度太大。（3）模具改進：①增設(shè)排氣槽（寬度5~10mm，深度0.05~0.15mm）或排氣塞（多孔材料制成，允許氣體通過但阻止金屬液），重點在最后填充區(qū)域（如鑄件頂部）設(shè)置排氣；②提高模具預(yù)熱溫度（180~250℃），減緩鋁液凝固速度，利于氣體排出；③減少涂料用量（采用水基涂料并充分烘干），避免涂料揮發(fā)產(chǎn)生氣體（如水分蒸發(fā)為水蒸氣）。2.鋼板沖壓成形時，零件邊緣出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，試分析可能原因及預(yù)防措施。起皺是薄板沖壓時因壓應(yīng)力超過材料臨界失穩(wěn)應(yīng)力導(dǎo)致的局部屈曲現(xiàn)象，可能原因及預(yù)防措施如下：（1）壓邊力不足：壓邊圈提供的壓邊力是抑制起皺的關(guān)鍵。若壓邊力過?。ㄈ纾疾牧锨姸取翂哼吤娣e×0.8），板料在凹模入口處的徑向拉應(yīng)力不足以抵消切向壓應(yīng)力，導(dǎo)致失穩(wěn)起皺。預(yù)防措施：增加壓邊力（通過調(diào)整壓力機氣墊壓力或液壓系統(tǒng)），使壓邊力略高于臨界值（計算公式：F=μ×P×A，其中μ為摩擦系數(shù)，P為單位壓邊力，A為壓邊面積）；采用變壓邊力技術(shù)（如拉深初期用較小壓邊力，后期增大），兼顧起皺與拉裂。（2）材料性能不良：鋼板的屈強比（σs/σb）過高（＞0.7）或硬化指數(shù)（n值）過低（＜0.2）時，材料易在變形初期出現(xiàn)局部失穩(wěn)。屈強比低、n值高的材料（如深沖鋼板DC06，n≈0.22）具有更好的抗起皺能力。預(yù)防措施：選用屈強比低（≤0.65）、n值高、厚向異性指數(shù)（r值＞1.2）的板材（如IF鋼），r值大表示板平面內(nèi)強度高于厚度方向，更不易起皺。（3）模具間隙過大：凸模與凹模的單邊間隙（Z/2）若大于板料厚度的1.2倍（如板厚t=1mm，間隙＞1.2mm），板料在間隙中失去約束，易發(fā)生橫向失穩(wěn)。預(yù)防措施：調(diào)整模具間隙（一般取Z=1.1t~1.2t），確保板料在拉深過程中受到適當?shù)膹较蚣s束；對于復(fù)雜零件，可采用錐形壓邊圈或拉深筋（在凹模上設(shè)置凸起筋條），增加板料流動阻力，提高切向壓應(yīng)力的承載能力。（4）板料厚度不均或潤滑不當：板料局部過?。ㄈ绾穸绕睿尽?.05mm）會導(dǎo)致變形不均勻，薄區(qū)易起皺；潤滑過度（如使用高黏度潤滑油）會減小板料與模具間的摩擦力，降低徑向拉應(yīng)力，加劇起皺。預(yù)防措施：控制板料厚度公差（≤±0.03mm）；采用適量潤滑（如涂覆薄層高熔點潤滑脂），在凹模表面涂潤滑材料，凸模表面保持干燥以增加摩擦力。四、計算題1.某鑄鐵件的形狀為立方體，邊長為100mm，采用砂型鑄造，已知鑄鐵的凝固系數(shù)B=0.8min/mm2，試計算其凝固時間（采用平方根定律，n=2）。解：凝固時間計算公式為Chvorinov公式：t=B×(V/A)?其中，V為鑄件體積，A為散熱面積，n為凝固指數(shù)（砂型鑄造時n=2）。（1）計算體積V：V=a3=100mm×100mm×100mm=1,000,000mm3（2）計算散熱面積A（立方體6個面均散熱）：A=6a2=6×(100mm)2=60,000mm2（3）計算V/A：V/A=1,000,000mm3/60,000mm2≈16.67mm（4）代入公式計算凝固時間t：t=0.8min/mm2×(16.67mm)2≈0.8×277.89≈222.31min結(jié)論：該鑄鐵件的凝固時間約為222分鐘（3小時42分鐘）。2.用電阻焊焊接兩塊厚度為2mm的低碳鋼板，焊接電流I=10,000A，電弧電壓U=20V，焊接速度v=5mm/s，試計算焊接熱輸入Q（單位：J/mm）。解：焊接熱輸入計算公式為：Q=(η×U×I)/v其中，η為熱效