(2025年)材料成型技術(shù)基礎(chǔ)考試試題答案一、簡答題（每題15分，共75分）1.簡述影響液態(tài)金屬充型能力的主要因素及實際生產(chǎn)中的控制方法。液態(tài)金屬充型能力指熔融金屬在鑄型中充填型腔、形成輪廓清晰鑄件的能力，其受多方面因素影響。首先是合金本身的流動性，流動性是充型能力的基礎(chǔ)，與合金成分密切相關(guān)：純金屬和共晶合金因凝固溫度區(qū)間窄（接近恒溫凝固），流動性最佳；而固溶體合金凝固溫度區(qū)間寬，液態(tài)金屬在流動過程中易析出樹枝晶，阻礙流動，流動性較差。例如，鑄鐵中碳當量（CE=C+Si/3）接近共晶成分（CE≈4.3%）時，流動性顯著優(yōu)于亞共晶或過共晶成分。其次是鑄型條件，包括鑄型的導熱性、透氣性及型腔表面粗糙度。若鑄型導熱過快（如金屬型），液態(tài)金屬冷卻速率增加，黏度上升，充型能力下降；反之，砂型導熱性較低，充型能力相對較好。型腔表面粗糙會增加流動阻力，因此實際生產(chǎn)中常通過刷涂涂料降低表面粗糙度。澆注工藝參數(shù)也至關(guān)重要：澆注溫度升高可降低液態(tài)金屬黏度，延長充型時間，但過高會導致氧化加劇、收縮增大；澆注速度需與鑄型排氣能力匹配，速度過慢易使金屬液提前凝固，過快則可能卷入氣體形成氣孔。生產(chǎn)中通常根據(jù)合金類型確定澆注溫度（如鑄鋼約1500-1550℃，灰鑄鐵約1300-1400℃），并通過階梯式澆注系統(tǒng)控制流速。最后是鑄件結(jié)構(gòu)，如壁厚過?。?lt;3mm）或形狀復雜（多狹縫、細筋）時，流動阻力增大，需通過增加工藝補貼或預熱鑄型改善充型?？刂品椒òǎ赫{(diào)整合金成分至近共晶點（如鑄鐵的孕育處理）、優(yōu)化鑄型材料（如砂型中加入煤粉降低導熱性）、合理設(shè)置澆注系統(tǒng)（如采用底注式減少沖擊）、精確控制澆注溫度（如鋁合金澆注溫度控制在680-740℃）等。2.解釋塑性加工中“纖維組織”的形成機理及其對材料性能的影響。纖維組織是金屬在塑性變形過程中，內(nèi)部第二相質(zhì)點（如夾雜物、偏析區(qū)）沿變形方向被拉長或破碎后呈流線分布的組織特征。其形成與金屬的塑性流動密切相關(guān)：當金屬受外力發(fā)生塑性變形時，基體金屬的晶粒沿變形方向被拉長或壓扁，而其中的脆性夾雜物（如氧化物、硫化物）因難以變形，會被破碎成鏈狀并沿變形方向排列；塑性夾雜物（如MnS）則隨基體一起被拉長，形成連續(xù)的條帶。這些夾雜物和基體的變形軌跡共同構(gòu)成肉眼可見的流線，即纖維組織。纖維組織對材料性能的影響具有方向性：沿纖維方向（流線方向）的抗拉強度、塑性和韌性較高，而垂直于纖維方向的性能較低。例如，經(jīng)軋制的鋼板，其縱向（軋制方向）的伸長率比橫向高10%-20%，沖擊韌性可能高出數(shù)倍。這種各向異性在零件設(shè)計中需重點考慮，若纖維方向與零件承受的主應(yīng)力方向一致（如軸類零件的纖維沿軸線分布），可顯著提高零件的承載能力；反之，若纖維被切斷（如通過橫向切削加工），則可能在纖維末端形成應(yīng)力集中，降低零件的疲勞壽命。實際生產(chǎn)中，常通過合理設(shè)計變形工藝（如鍛造時采用多向鐓粗-拔長）來控制纖維走向，使流線與零件輪廓一致且不被切斷。例如，汽車曲軸的模鍛工藝中，通過精確設(shè)計模具型腔，確保流線沿曲軸軸線和拐臂輪廓分布，避免在圓角處中斷。3.說明焊接熱影響區(qū)的分區(qū)及各區(qū)域的組織性能特點（以低碳鋼為例）。焊接熱影響區(qū)（HAZ）是焊縫兩側(cè)因焊接熱循環(huán)而發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域，按加熱溫度和組織轉(zhuǎn)變特征可分為四個亞區(qū)：（1）熔合區(qū)（半熔化區(qū)）：溫度處于固相線（約1490℃）與液相線（約1538℃）之間，金屬部分熔化，晶粒粗大且成分不均勻。該區(qū)寬度僅0.1-0.4mm，但因存在未熔合、夾渣等缺陷，是焊接接頭中性能最薄弱的區(qū)域，易成為裂紋起源點。（2）過熱區(qū)（粗晶區(qū)）：溫度在1100℃至固相線之間，奧氏體晶粒嚴重粗化（晶粒度可達1-4級），冷卻后形成粗大的魏氏組織（鐵素體呈針狀穿插于珠光體中）。該區(qū)硬度較高（HV250-300），但塑性和韌性顯著下降（沖擊功可能僅為母材的1/3-1/2），是焊接接頭的另一個薄弱環(huán)節(jié)。（3）正火區(qū)（細晶區(qū)）：溫度在Ac3（約900℃）至1100℃之間，金屬發(fā)生完全奧氏體化，因加熱溫度低于過熱區(qū)，奧氏體晶粒細小（晶粒度5-8級）。冷卻后得到細小的鐵素體+珠光體組織，與母材相比，強度、塑性和韌性均有所提高（如屈服強度比母材高5%-10%），是熱影響區(qū)中性能最佳的區(qū)域。（4）不完全重結(jié)晶區(qū)（部分相變區(qū)）：溫度在Ac1（約727℃）至Ac3之間，部分鐵素體未溶解（保留原始粗大晶粒），部分鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿W氏體，冷卻后形成細小鐵素體+珠光體與原始粗大鐵素體的混合組織。該區(qū)性能不均勻，硬度和強度介于母材與正火區(qū)之間，但塑性略低于母材。4.簡述粉末冶金工藝的基本流程及其關(guān)鍵技術(shù)要點。粉末冶金是將金屬粉末（或金屬與非金屬粉末的混合物）通過成形和燒結(jié)制成制品的工藝，基本流程包括：（1）粉末制備：通過機械粉碎（如球磨）、霧化（氣霧化或水霧化）、還原（如H2還原Fe2O3）等方法獲得金屬或合金粉末。關(guān)鍵控制參數(shù)為粉末粒度（如鐵基粉末常用-200目，即<75μm）、形狀（球形粉末流動性好，不規(guī)則粉末成形性好）及純度（氧含量<0.5%）。（2）混合：將不同成分的粉末（如鐵粉+石墨粉+銅粉）均勻混合，添加成形劑（如硬脂酸鋅）改善流動性?；旌蠒r間需控制（通常2-4小時），過長會導致粉末氧化，過短則成分不均。（3）成形：通過模壓（單向或雙向壓制）、等靜壓或注射成形使粉末成為坯體。模壓時壓力一般為200-800MPa，壓力過高易損壞模具，過低則坯體密度不足（相對密度<85%時強度低）。關(guān)鍵參數(shù)是壓制壓力和保壓時間（通常1-3秒），以確保坯體密度均勻。（4）燒結(jié)：在保護性氣氛（如H2、N2）或真空下加熱坯體至低于熔點的溫度（如鐵基制品燒結(jié)溫度1120-1250℃），通過原子擴散實現(xiàn)顆粒間結(jié)合。燒結(jié)溫度和時間直接影響制品密度和強度：溫度過低（<1000℃）則燒結(jié)不充分，強度低；過高（>1300℃）會導致晶粒粗大，脆性增加。保溫時間一般為30-120分鐘，需根據(jù)制品厚度調(diào)整。（5）后處理：包括精整（校正尺寸）、浸油（提高減摩性）、熱處理（如淬火提高硬度）或表面處理（如電鍍）。例如，鐵基粉末冶金齒輪常通過滲碳淬火使表面硬度達HRC58-62，心部保持韌性。關(guān)鍵技術(shù)要點：粉末的粒度分布（需兼顧成形性和燒結(jié)活性）、壓制時的壓力均勻性（避免分層）、燒結(jié)氣氛的控制（防止氧化或脫碳）、以及燒結(jié)溫度與時間的匹配（平衡密度與晶粒尺寸）。5.分析鑄造應(yīng)力的分類及防止鑄件產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的主要措施。鑄造應(yīng)力按產(chǎn)生原因可分為熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力和相變應(yīng)力三類：（1）熱應(yīng)力：鑄件各部分冷卻速度不同，導致收縮量不一致，彼此約束產(chǎn)生的應(yīng)力。厚壁或心部冷卻慢（拉應(yīng)力），薄壁或表層冷卻快（壓應(yīng)力）。例如，矩形截面鑄件的長邊中心受拉，四角受壓。（2）收縮應(yīng)力：鑄件固態(tài)收縮時因鑄型、型芯阻礙收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，通常為拉應(yīng)力，與鑄型的退讓性直接相關(guān)（如砂型退讓性優(yōu)于金屬型）。（3）相變應(yīng)力：鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變（如鋼的奧氏體→鐵素體+珠光體，體積膨脹），各部分相變不同步導致的應(yīng)力。例如，厚壁部位相變滯后，可能因周圍已相變區(qū)域的膨脹而受拉。防止應(yīng)力裂紋的措施包括：①設(shè)計方面：避免壁厚懸殊（如采用過渡圓角，壁厚差<30%），減少熱節(jié)（通過冷鐵或補貼消除局部厚大區(qū)域）；②工藝方面：控制冷卻速度（如砂型中加入鋸末降低導熱性），采用同時凝固原則（設(shè)置分散冒口，減少熱應(yīng)力），或順序凝固原則（配合冒口補縮，適用于易產(chǎn)生縮孔的合金）；③材料方面：提高合金的高溫強度和塑性（如鑄鐵中加入0.02-0.04%的鈰，改善石墨形態(tài)）；④后處理方面：對重要鑄件進行去應(yīng)力退火（如鋼件加熱至550-650℃，保溫2-4小時后緩冷），消除殘余應(yīng)力。二、分析題（每題20分，共40分）1.對比砂型鑄造與金屬型鑄造的工藝特點，結(jié)合具體零件說明各自適用場景。砂型鑄造以型砂為鑄型材料，金屬型鑄造采用金屬（如鑄鐵、銅合金）制作鑄型，二者工藝特點對比如下：（1）鑄型壽命：砂型為一次性（每鑄一次需重新造型），金屬型可重復使用數(shù)百至數(shù)萬次（取決于冷卻和涂料維護）；（2）冷卻速度：金屬型導熱性是砂型的5-10倍，液態(tài)金屬冷卻快，鑄件晶粒細小（如鋁合金金屬型鑄件的抗拉強度比砂型高10%-15%），但易產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷；（3）鑄件精度：砂型因型砂退讓性好，尺寸精度較低（CT8-CT12），表面粗糙度Ra12.5-50μm；金屬型尺寸精度高（CT6-CT9），表面粗糙度Ra3.2-12.5μm；（4）生產(chǎn)成本：砂型設(shè)備簡單（手工或機器造型均可），初期投資低，但批量生產(chǎn)時造型工時占比大（約60%）；金屬型模具制造周期長（需機加工），初期成本高，但批量生產(chǎn)時單件成本低；（5）適用合金：砂型對合金無限制（鋼、鑄鐵、鋁、銅均可）；金屬型因冷卻快，適用于流動性好的合金（如鋁合金、銅合金），鑄鋼因收縮大、易熱裂，較少使用金屬型。適用場景舉例：砂型鑄造適合單件小批量生產(chǎn)的復雜零件（如機床床身，尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜，需手工造型），或?qū)g性要求高的厚大鑄件（如球墨鑄鐵曲軸，砂型冷卻慢可減少內(nèi)應(yīng)力）。金屬型鑄造適合大批量生產(chǎn)的中、小尺寸零件（如汽車發(fā)動機鋁活塞，年產(chǎn)量10萬件以上時，金屬型可顯著降低成本），或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求高的零件（如鋁合金泵體，金屬型可減少機加工余量）。2.以鋁合金板料拉深為例，分析起皺和破裂的形成機理及預防措施。鋁合金（如5052-H32）拉深時，常見缺陷為凸緣區(qū)起皺和筒壁與底部過渡區(qū)（凹模圓角處）破裂。（1）起皺機理：拉深過程中，凸緣區(qū)金屬受切向壓應(yīng)力作用（徑向拉應(yīng)力、切向壓應(yīng)力的平面應(yīng)力狀態(tài)），當壓應(yīng)力超過材料的臨界失穩(wěn)應(yīng)力時，凸緣發(fā)生失穩(wěn)起皺。鋁合金因屈強比（σs/σb）較高（約0.7-0.8，高于低碳鋼的0.5-0.6），更易起皺。此外，板料厚度越薄（如t=1mm比t=3mm）、拉深系數(shù)（m=d/D，d為拉深件直徑，D為坯料直徑）越?。╩<0.5時），起皺傾向越大。（2）破裂機理：筒壁與底部過渡區(qū)是拉深時的最大應(yīng)力區(qū)，承受徑向拉應(yīng)力（由凸模傳遞的拉深力）和切向拉應(yīng)力（因材料變薄引起）。當拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度（σb）時，該處發(fā)生破裂。鋁合金的延伸率較低（約15%-20%，低于低碳鋼的25%-40%），且加工硬化指數(shù)（n值）較?。s0.15-0.25），導致局部變形集中，更易破裂。預防措施：①起皺：采用壓邊圈（壓邊力F=（0.8-1.2）σs×π（D2-d2）/4），通過調(diào)整壓邊力平衡凸緣區(qū)的壓應(yīng)力；增加板料厚度（如t≥1.5mm）；選擇合適的拉深系數(shù)（鋁合金首次拉深m≥0.55，二次拉深m≥0.75）；②破裂：降低拉深力（如采用潤滑劑，減小凹模圓角處的摩擦系數(shù)μ至0.05-0.1）；增大凹模圓角半徑（r凹=（5-10）t，避免r凹過小導致應(yīng)力集中）；進行中間退火（如5052鋁合金拉深后在300-350℃退火1小時，消除加工硬化）；選擇塑性更好的鋁合金（如6061-O態(tài)，延伸率可達25%）。三、綜合題（35分）某汽車發(fā)動機缸體采用灰鑄鐵（HT250）鑄造生產(chǎn)，近期出現(xiàn)批量縮松缺陷（鑄件內(nèi)部微小孔隙，分布于熱節(jié)或厚大部位），試從材料、工藝、模具設(shè)計三方面分析可能原因，并提出改進措施。（1）材料方面：可能原因：灰鑄鐵碳當量（CE）偏低（如CE<3.8%），導致凝固溫度區(qū)間變寬（亞共晶成分），液態(tài)收縮和凝固收縮增大，補縮困難；孕育處理不足（如孕育劑加入量<0.4%），石墨化不充分，析出石墨少（石墨膨脹量減少），無法抵消金屬收縮；硫含量過高（S>0.12%），形成較多的FeS夾雜，降低鐵液流動性，阻礙補縮。改進措施：調(diào)整碳當量至共晶附近（CE=3.9-4.1%），增加石墨析出量；優(yōu)化孕育工藝（采用含鋇、鍶的復合孕育劑，加入量0.5-0.7%），細化石墨和基體組織；控制硫含量（S≤0.10%），加入0.02-0.04%的稀土元素中和硫的有害作用。（2）工藝方面：可能原因：澆注溫度過低（如<1300℃），鐵液黏度增大，補縮通道提前堵塞；澆注速度過慢（如充型時間>15秒），導致表層過早凝固，內(nèi)部金屬液無法通過冒口補縮；冒口設(shè)計不合理（如冒口體積不足，V冒<0.2V熱節(jié)；冒口位置遠離熱節(jié)），無法有效補縮；冷卻速率不均（厚大部位冷卻慢，中心區(qū)域最后凝固，缺乏補縮）。改進措施：提高澆注溫度至1350-1400℃（但不超過1450℃，避免氧化）；采用底注式澆注系統(tǒng)，縮短充型時間（控制在8-12秒）；重新設(shè)計冒口（如采用保溫冒口，加入發(fā)熱劑使冒口凝固時間延長30%；冒口位置對準熱節(jié)，冒口頸尺寸為熱節(jié)圓直徑的0.8-1.0倍）；在厚大部位設(shè)置冷鐵（如石墨冷鐵或鑄鐵冷鐵），加快局部冷卻，實現(xiàn)順序凝固。（3）模具設(shè)計方面：可能原因：砂型（或芯）的退讓性不足（如型砂緊實度過高，緊實