2025年材料成形參考習題及答案1.灰鑄鐵件在砂型鑄造后，表面檢測到直徑0.5-2mm的分散性縮松缺陷，試從凝固特性、工藝參數(shù)及材料成分三方面分析可能原因，并提出至少3項預防措施。答：灰鑄鐵屬于典型的糊狀凝固合金，凝固區(qū)間較寬，凝固過程中液態(tài)金屬補縮通道易被枝晶堵塞，若補縮不足易形成縮松。工藝方面可能的原因：①澆注溫度偏低，液態(tài)金屬流動性下降，無法有效填充枝晶間間隙；②冒口尺寸或位置設(shè)計不合理，冒口與鑄件的補縮通道被阻斷，無法提供足夠的補縮壓力；③砂型緊實度不均勻，局部冷卻速度過快，導致凝固順序紊亂。材料成分方面：若碳當量（CE）過高（如CE＞4.3%），石墨化膨脹過度，反而會破壞金屬基體連續(xù)性，加劇縮松傾向；硫含量過高（＞0.12%）會降低鐵液流動性，同時促進晶間偏析。預防措施：①調(diào)整碳當量至3.8%-4.2%，適當提高硅含量（2.0%-2.8%），利用石墨化膨脹補償收縮；②采用階梯式澆注系統(tǒng)，提高充型平穩(wěn)性，同時增大冒口體積（冒口模數(shù)需比鑄件熱節(jié)模數(shù)大15%-20%），并在熱節(jié)處增設(shè)冷鐵，強制實現(xiàn)順序凝固；③將澆注溫度控制在1380-1420℃（比液相線高80-120℃），改善鐵液流動性，同時采用孕育處理（加入0.3%-0.5%的75硅鐵），細化石墨和基體組織，減少枝晶間間隙。2.某企業(yè)采用45鋼（ωc=0.45%）進行模鍛生產(chǎn)齒輪坯，鍛后發(fā)現(xiàn)部分鍛件心部存在沿流線分布的微裂紋，宏觀表現(xiàn)為“發(fā)紋”。試分析裂紋產(chǎn)生的主要原因，并提出改進措施。答：45鋼模鍛時心部發(fā)紋的產(chǎn)生與材料原始缺陷、鍛造工藝及變形均勻性密切相關(guān)。主要原因：①原材料存在非金屬夾雜物（如硫化物、氧化物），在鍛造過程中隨金屬流動被拉長，形成沿流線分布的薄弱區(qū)；②鍛造溫度控制不當，若終鍛溫度過低（＜850℃），材料塑性下降，心部變形時承受的拉應(yīng)力超過其斷裂強度；③鍛件截面變化劇烈（如齒輪坯輻板與輪轂過渡區(qū)），變形時心部金屬流動受阻，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力；④設(shè)備噸位不足或打擊能量不夠，導致變形未滲透至心部，表層與心部變形不協(xié)調(diào)，心部受拉裂。改進措施：①嚴格控制原材料質(zhì)量，采用電渣重熔或真空熔煉降低夾雜物含量（硫化物級別≤1.5級，氧化物≤1級）；②優(yōu)化鍛造溫度，始鍛溫度控制在1200-1250℃（不超過固相線150℃），終鍛溫度≥880℃（高于Ar3線30-50℃），確保變形在奧氏體區(qū)完成；③設(shè)計合理的預鍛模膛，使金屬流動均勻，避免截面突變（過渡圓角R≥5mm），必要時采用多向鍛造或等溫鍛造提高心部變形均勻性；④選用足夠噸位的鍛壓設(shè)備（設(shè)備噸位按鍛件投影面積×材料變形抗力×1.2-1.5倍計算），確保變形能滲透至心部，減少層狀拉應(yīng)力。3.鋁合金（6061-T6）薄板（厚度1.5mm）進行杯形件拉深時，側(cè)壁出現(xiàn)“橘皮”現(xiàn)象（表面粗糙、晶粒粗大），同時底部圓角處發(fā)生破裂。試從材料性能、模具參數(shù)及工藝條件三方面分析原因，并給出解決方案。答：鋁合金拉深時的橘皮和底部破裂與材料本構(gòu)關(guān)系、模具設(shè)計及工藝參數(shù)密切相關(guān)。橘皮現(xiàn)象原因：6061-T6狀態(tài)為時效強化態(tài)，基體中存在Mg2Si強化相，若材料原始晶粒粗大（平均晶粒尺寸＞50μm），拉深時變形集中在晶粒邊界，導致表面凹凸不平；另外，拉深過程中應(yīng)變速率過低（＜0.1s?1），晶粒易發(fā)生不均勻滑移，加劇表面粗糙。底部圓角破裂原因：①模具間隙過小（小于板厚的1.1-1.2倍），拉深時板料與凹模圓角摩擦增大，底部承受的拉應(yīng)力超過材料抗拉強度；②壓邊力過大，限制了凸緣區(qū)材料向凹模的流動，導致底部減薄率過高（超過25%臨界值）；③潤滑不足，板料與模具間摩擦系數(shù)＞0.15，摩擦力增大了傳力區(qū)（底部）的拉應(yīng)力。解決方案：①對原材料進行預處理，拉深前采用不完全退火（加熱至300-350℃，保溫2h空冷），將晶粒細化至20-30μm，同時降低材料強度（σb從300MPa降至220MPa），提高塑性（δ從12%升至18%）；②調(diào)整模具參數(shù)，凹模圓角半徑取板厚的5-8倍（7.5-12mm），模具間隙設(shè)為板厚的1.15倍（1.725mm），減小摩擦阻力；③優(yōu)化壓邊力，采用變壓邊力控制（初始壓邊力為5-8kN，隨拉深深度增加逐漸降至3-5kN），確保凸緣區(qū)材料能順利流入凹模；④使用專用鋁合金拉深潤滑劑（如二硫化鉬水基乳液），將摩擦系數(shù)降至0.08-0.12，減少傳力區(qū)拉應(yīng)力。4.不銹鋼（06Cr19Ni10）管與低碳鋼管（Q235B）進行TIG焊接時，焊縫中心出現(xiàn)沿晶界分布的微裂紋，且熱影響區(qū)（HAZ）硬度顯著高于母材。試分析裂紋類型及產(chǎn)生機制，提出改善焊縫質(zhì)量的工藝措施。答：該裂紋屬于熱裂紋中的結(jié)晶裂紋，HAZ硬度升高與組織粗化及馬氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)。結(jié)晶裂紋產(chǎn)生機制：不銹鋼與低碳鋼焊接時，焊縫成分復雜（Fe、Cr、Ni、C等元素混合），凝固過程中易形成低熔點共晶（如FeS-Fe、CrS-Cr等），在晶界處形成液態(tài)薄膜；同時，焊接冷卻時焊縫承受拉應(yīng)力（由熱收縮和組織應(yīng)力引起），當拉應(yīng)力超過液態(tài)薄膜的強度時，沿晶界開裂。HAZ硬度升高原因：Q235B側(cè)HAZ經(jīng)歷1100-1490℃的加熱，晶粒嚴重粗化（奧氏體晶粒尺寸＞100μm），冷卻時（冷卻速度＞15℃/s）奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮奈菏辖M織或馬氏體（當碳當量CE＞0.4%時），導致硬度升高（HV＞300）。改善措施：①選擇鎳基填充材料（如ERNiCr-3），提高焊縫中Ni含量（＞45%），抑制低熔點共晶形成，同時Ni的固溶強化作用可提高焊縫抗裂性；②控制焊接熱輸入（0.8-1.2kJ/mm），采用小電流（80-100A）、快速焊（焊接速度150-200mm/min），減少高溫停留時間，細化焊縫晶粒；③焊前對Q235B側(cè)HAZ進行預熱（150-200℃），降低冷卻速度（控制在5-10℃/s），避免馬氏體形成；④采用氬氣+5%氫氣的混合保護氣體，利用氫的還原作用減少焊縫中的氧、硫含量（[O]＜0.03%，[S]＜0.01%），降低低熔點共晶數(shù)量；⑤焊后進行去應(yīng)力退火（600-650℃保溫2h），消除焊接殘余應(yīng)力，防止裂紋擴展。5.粉末冶金法制備鐵基含油軸承（密度6.8-7.2g/cm3）時，壓制過程中出現(xiàn)壓坯分層（橫向裂紋），燒結(jié)后零件尺寸超差（徑向收縮率＞1.5%）。試分析壓制分層和燒結(jié)尺寸超差的主要原因，并提出改進方案。答：壓坯分層主要與粉末流動性、壓制壓力分布及模具設(shè)計有關(guān)。原因：①粉末粒度分布不合理（細粉含量＞30%或粗粉＞50%），顆粒間摩擦力大，填充模具時出現(xiàn)拱橋效應(yīng)，導致密度分布不均；②壓制時單向加壓，上模沖向下運動時，粉末與模壁摩擦產(chǎn)生的反向應(yīng)力使壓坯上下密度差＞0.3g/cm3（上層密度高，下層密度低），脫模時應(yīng)力釋放引發(fā)分層；③模具間隙過大（＞0.1mm），粉末沿間隙泄漏，導致局部密度不足。燒結(jié)尺寸超差原因：①粉末中潤滑劑（如硬脂酸鋅）含量過高（＞1.5%），燒結(jié)時潤滑劑分解產(chǎn)生大量氣體（CO2、H2O），導致燒結(jié)收縮率不穩(wěn)定；②燒結(jié)溫度過高（＞1150℃），鐵基材料的燒結(jié)收縮率與溫度呈指數(shù)關(guān)系（每升高50℃，收縮率增加0.5%-1%）；③燒結(jié)氣氛控制不當（如H2露點＞-40℃），水蒸氣與鐵反應(yīng)提供FeO，阻礙原子擴散，影響燒結(jié)致密化，導致收縮不一致。改進方案：①優(yōu)化粉末粒度（-200目占60%，-325目占40%），添加0.5%的石墨粉（改善潤滑）和0.3%的微粉硅膠（提高流動性），使粉末松裝密度≥2.8g/cm3，流速≤30s/50g；②采用雙向壓制（上、下模沖同時加壓），并設(shè)置浮動模架，使壓坯上下密度差＜0.15g/cm3，壓制壓力控制在400-500MPa（確保生坯密度≥6.5g/cm3）；③減小模具間隙（≤0.05mm），并在模壁涂覆二硫化鉬涂層（降低摩擦系數(shù)至0.08-0.12）；④調(diào)整潤滑劑含量至0.8%-1.2%，燒結(jié)前增加預燒脫蠟工序（350-450℃保溫30min），排除潤滑劑分解產(chǎn)物；⑤控制燒結(jié)溫度在1120-1140℃（比鐵的共晶溫度低50-70℃），燒結(jié)時間60-90min，采用高純H2（露點＜-60℃）或分解氨氣氛（N2:H2=75:25），確保燒結(jié)收縮率穩(wěn)定在1.0%-1.3%；⑥對尺寸超差零件進行復壓（精整壓力500-600MPa），利用塑性變形修正尺寸偏差。6.鎂合金（AZ31B）板材進行溫軋（軋制溫度200-250℃）時，軋件邊部出現(xiàn)“飛邊”（金屬橫向流動形成的毛刺），同時表面存在周期性壓痕（間距與軋輥周長相關(guān)）。試分析兩種缺陷的產(chǎn)生原因，并提出工藝改進措施。答：邊部飛邊和周期性壓痕分別與軋制時的金屬流動和軋輥狀態(tài)有關(guān)。飛邊原因：AZ31B鎂合金在200-250℃時，塑性雖較室溫提高（延伸率從15%升至25%），但仍存在明顯的各向異性（基面織構(gòu)強），軋制時板材寬度方向的變形阻力小于厚度方向，當壓下率過大（＞30%/道次），金屬橫向流動量超過板材邊部約束能力，形成飛邊；另外，軋輥輥身長度與板材寬度不匹配（輥身比板寬小＜20mm），邊部金屬缺乏約束，易向外流動。周期性壓痕原因：軋輥表面存在局部磨損或異物附著（如氧化皮、鎂屑），當軋輥旋轉(zhuǎn)時，缺陷部位與板材接觸，在表面壓出與輥徑周長一致的凹痕；此外，軋輥預熱不均勻（輥面溫差＞30℃），局部熱膨脹導致輥型不規(guī)則，也會形成周期性壓痕。改進措施：①優(yōu)化道次壓下率（單道次壓下率控制在15%-20%），采用多道次軋制（總壓下率60%-70%，分4-5道次），使金屬流動更均勻，減少橫向延伸；②調(diào)整軋輥輥身長度（比板寬寬30-40mm），并在軋機兩側(cè)設(shè)置側(cè)導板（與板材邊部間隙1-2mm），限制邊部金屬橫向流動；③軋制前對軋輥進行表面處理（拋光至Ra≤0.4μm），并定期清理輥面（每軋制5卷用丙酮擦拭），防止異物附著；④均勻預熱軋輥（采用電感應(yīng)加熱，輥面溫度220-240℃，溫差≤10℃），確保輥型穩(wěn)定；⑤在軋輥與板材間使用石墨基潤滑劑（涂覆厚度5-10μm），降低摩擦系數(shù)（從0.3降至0.15），減少金屬與軋輥的黏著，同時抑制氧化膜的形成（鎂合金在200℃以上易氧化提供MgO，硬脆氧化膜會加劇壓痕）。7.鈦合金（TC4）葉片采用電子束焊接（EBW）后，焊縫中心檢測到大量氣孔（直徑0.1-0.5mm），且熱影響區(qū)硬度低于母材（HV降低約50）。試分析氣孔和HAZ軟化的產(chǎn)生機制，提出針對性的質(zhì)量控制措施。答：TC4電子束焊接氣孔主要為氫氣孔，HAZ軟化與β相分解有關(guān)。氫氣孔機制：鈦合金對氫的溶解度隨溫度下降急劇降低（液態(tài)鈦中氫溶解度約0.05%，固態(tài)α-Ti中僅0.002%），焊接時熔池吸收的氫（來自真空室殘留水分、鈦合金表面氧化膜吸附的H2O）在凝固過程中來不及逸出，在焊縫中心形成氣孔；另外，電子束聚焦不良（束流波動＞5%）導致熔池攪拌不充分，氣體無法上浮排出。HAZ軟化原因：TC4母材為α+β雙相組織（α相占60%-70%，β相占30%-40%），焊接時HAZ經(jīng)歷β相區(qū)加熱（＞980℃），冷卻時若冷卻速度過慢（＜10℃/s），β相分解為粗大的α片層（α層片厚度＞2μm），其硬度（HV300-320）低于母材的細小α+β組織（HV350-380）。質(zhì)量控制措施：①焊接前嚴格清理鈦合金表面（用5%HF+30%HNO3混合酸腐蝕1-2min，去除氧化膜），并在真空室中預熱至150-200℃（保溫2h），降低表面吸附水含量（露點＜-50℃）；②提高真空室真空度（焊接時真空度≥1×10?3Pa），減少殘余氣體中的H2O和O2（O2分壓＜1×10??Pa）；③優(yōu)化電子束參數(shù)（加速電壓60-80kV，束流20-30mA，焊接速度5-8m