二00二年试题：
一.名词解释（20分，每个2.5分）
（1）点阵畸变 （2）柏氏矢量 （3）相图 （4）过冷度 （5）形变织构 （6）二次再结晶 （7）滑移系 （8）孪生
二.画出立方晶系中（111）面、（435）面。写出立方晶系空间点阵特征。 （10分）
三.铸锭的一般组织可分为哪几个区域？写出其名称。并简述影响铸锭结晶组织的因素。（10分）
四.画图并简述形变过程中位错增殖的机制。（10分）
五.写出菲克第一定律的数学表达式，并说明其意义。简述影响扩散的因素。（10分）
六.简述形变金属在退火过程中显微组织、存储能及其力学性能和物理性能的变化。（10分）
七.简述固态相变与液态相变的相同点与不同点。（10分）
八.画出铁碳相图，标明相图中各特征点的温度与成分，写出相图中包晶反应、共晶反应与共析反应的表达式。（10分）
九.分析再过程中行核和张大与凝固过程中的行核和张大有何不同点。（10分）
十.分析含碳量0.12%的铁碳合金的结晶过程。（10分） （单考生做）
十一.简述铸锭的宏观偏析。（10分）（单考生做）
十二.简述金属晶体中缺陷的类型。（10分）（单考生做） 答案：
一，1，点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵位置，造成点阵畸变。
2，柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也是位错扫过后晶体相对滑动的量。
3，相图：描述各相平衡存在条件或共存关系的图解，也可称为平衡时热力学参量的几何轨迹。
4，过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。
5，形变织构：多晶形变过程中出现的晶体学取向择优的现象。
6，二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。 7，滑移第：晶体中一个滑移面及该面上的一个滑移方向的组合称一个滑移系。 8，孪生：晶体受力后，以产生孪晶的方式进行的切变过程。
二，立方晶系中（111）面、（435）面图略。立方晶系空间点阵特征是点阵参数有如下关系：a=b=c, α=β=γ=90°。也可用具有哪类对称元素表示，若有四个三次转轴，则对应立方点阵。 三，分为三晶区：激冷区、柱状晶区、中心等轴晶区。
影响铸锭结晶组织的因素：1，液体过冷度，越小越好。2，凝固温度范围，越大越好，有利于枝晶的破碎。3，温度梯度，越小越有利于等轴晶。4，合金熔点低，温度梯度小。5，搅拌或加孕育剂。
四，frank-read源机制，图略见课本。滑移面上一个在A，B两点被钉扎的位错AB，在应力 作用下弓出（状态2），弓出到3状态时，下方相邻部分反号相吸，并局部合并，完成一次增殖过程放出一位错环（状态4）。在应力 作用下，继续重复前面1-4过程。
五，一维下，J=-D ；J：扩散流量，单位时间通过单位面积扩散的物质量， D：扩散系数， ：浓度梯度， ：其意义为物质扩散量与该物质的浓度梯度成正比，方向相反。
影响扩散的因素：1，温度，满足D=D0e 的关系，T升高，D增加。2，界面表面及位错，是扩散的快速通道。3，第三组元，可对二元扩散有不同影响 ，如Mo、W降低C在r-Fe中的扩散系数，Co、Si加速C扩散，Mn影响不大。4，晶体结构，低对称性的晶体结构中，存在扩散的各向异性，如六方结构晶体，平等与垂直于基面的扩散系数不同。5，熔点，同一合金系中，同一温度下熔点高的合金中扩散慢，熔点低的扩散快。
六，随退火温度的升高或时间延长，出现亚晶合并长大，再结晶武术及长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒，然后是晶粒正常长大。储存能逐渐被释放，硬度及强度下降，伸长率上升，电阻降低，密度提高。再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。
七，相同点：都是相变，由形核、长大组成。临界半径，临界形核功形式相同。转变动力学也相同。 不同之处：形核阻力中多了应变能一项，千万固态相变的临界半径及形核功增大，新相可以亚稳方式出现，存在共格，半共格界面，特定的取向关系，非均匀形核。 八，铁碳相图。略
包晶反应：L（0.53%C）+δ-Fe(0.09%C)→γ-Fe(0.17%C) 共晶反应：L(4.3%C)→γ-Fe(2.11%C)+Fe3(6.69%C) 共析反应：γ-Fe(0.77%C)→α-Fe(0.02%C)+Fe3C(6.69%C)
九，凝固时形核的驱动力，是新、旧化学位差，再结晶驱动力只是形变储存能。
凝固常是均匀形核，再结晶形核在现有的形变不均匀区，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围。凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可有特定取向关系。
十，含碳0.12%的钢，由液相冷却时，先形成铁素体，到1495℃包晶温度，部分进行包晶反应；新相奥氏体在已生成的铁素体上形核并向铁素体和液相中生长。反应后是两相组织铁素体+奥氏体，图略。铁素体相对量为：(0.17-0.12)/(0.17-0.09)=62.5%。继续冷却得到单相奥氏体。 十一，宏观偏析：正常偏析和比重偏析。
正常偏析：指按合金的分配系数先析出的含溶质低，后凝固的含溶质多。因铸锭尺寸大，由表面到中心成分不均匀，偏析出现在宏观尺度上，称宏观偏析。
反常偏析：仍遵守分配系数关系，只是形成大量枝晶后，富集溶质的液相会沿枝晶间的通道逆向反流到先凝固的铸锭表面附近，千万由表面到中心成分分布的反常。
比重偏析：是凝固时，固相与液相比重不同，而沉积或漂浮，从而造成铸锭下端与上端成分的不均匀，也是宏观尺度。
十二，按尺寸分为：点缺陷，如溶质、杂质原子、空位；线缺陷，如位错；面缺陷，如各种晶界、相界、表面等；体缺陷，如孔洞、气泡等。体缺陷对材料性能是绝对有害的。 说明：
1，答案应该都是正确的，但打字的过程中难免出现错误。
2，用word中的公式编辑器编码缉的公式可能显示不正常，有的公式干脆就略了。 3，题目中的图片都没有给出。以后可能会补上。
[ 本帖最后由 jilikas 于 2008-3-3 08:56 编辑 ]
二00三年试题：[20080304] 1.名词解释（30分）：
（1）刃型位错和螺型位错模型 （2）晶界与界面能 （3）同分凝固与异分凝固 （4）形变织构 （5）二次再结晶 （6）淬透性与淬硬性
2.简述二元系中共晶反应、包晶反应和共析反应的特点；并计算其各相平衡时的自由度。（12）
3.什么是点阵参数？正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么？画出立方晶系中（1 2 -3）的晶面。（12） 4.凝固过程中形核和长大与再结晶过程中形核和长大主要区别是什么？简述再结晶过程中核心的产生方式。（12）
5.简述菲克第一定律和菲克第二定律的含义，写出其表达式，并标明其字母的物理含义。（12） 6.简述晶界和晶粒大小对多晶体范性变形的作用与影响。（12）
7.什么是一次带状组织和二次带状组织？分析一次带状组织和二次带状组织形成的原因。（12） 8.画出Fe-C相图，标明Fe-C相图中各点的温度和含碳量。（12） 9.简述固态相变的一般特点。（12）（统考生做，单考生不做）
10.简述凝固过程的宏观特征，叙述凝固过程中晶体成长的机理。（12） （统考生做，单考生不做） 11.什么是固溶体？影响固溶体的原因有哪些？固溶体与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变化？（12）（统考生做，单考生不做）
12. 列举三种增加凝固过程中核心数的方法，简要分析其增加核心数的原因。（12）（统考生做，单考生不做）
13.简述含碳量为0.25%的钢的结晶过程和固态组织转变过程。（12）（统考生做，单考生不做） 14.简述连续脱溶和不连续脱溶的含义。（12）（统考生做，单考生不做）
15.根据缺陷相对与晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类？简述这几类缺陷的特征。（12）（统考生做，单考生不做） 答案：
一，1，刃型位错和螺型位错模型：将晶体上半部切开，插入半个晶面，再粘合起来；这样，在相当于刃端部为中心线的附近一定范围，原子发生有规则的错动。其特点是上半部受压，下半部受拉。这与实际晶体中的刃型位错造成的情景相同，称刃型位错模型。同样，将晶体的前半部切开，以刃端为界使左右两部分沿上下发生一个原子间距的相对切变，再粘合起来，这时在已切动和未切动交界线附近，原子错动情况与真实的螺位错相似，称螺型位错模型。
2，晶界与界面能：晶界是成分结构相同的同种晶粒间的界面。界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。平均在界面单位面积上的超额能量叫界面能。
3，同分凝固与异分凝固：凝固时不发生成分变化的称同分凝固；反之，凝固时伴随成分变化，称异分凝固。 4，形变织构：多晶形变过程中出现的晶体学取向择优现象。
二次再结晶：再结晶结束后正常长大过程被抑制而发生少数晶粒异常长大的现象。
6，淬透性与淬硬性：淬透性指合金淬成马氏体的能力，主要与临界冷却有关，大小用淬透层深度表示。而淬硬性指淬火后能达到的最高硬度。主要与钢中的碳含量有关。
二，共晶反应是：液相同时凝固出两个不同成分的固相相互配合生长，一般长成片层状。 共析与共晶相似，只是母相是固相，即一个固相同时生成另两个不同成分的固相。
包晶反应是：液相与一个固相反应生成另一个固相，新生成的固相包住原有的固相，反应需要固相中的扩散，速度较慢。
这三种反应出现时，自由度都是0，即三相成分固定，温度也固定。
三，点阵参数是描述点阵单胞几何开关的基本参数，由六个参数组成，即三个边长a、b、c和它们之间的三个夹角α、β、γ。
正文晶系的点阵参数特征是a≠b≠c，α=β=γ=90°。 立方晶系的点阵参数特征是a=b=c，α=β=γ=90° 立方晶系中(123)的晶面特征图略。
四、凝固时形核和长大的驱动力是新、旧相化们差，再结晶器形核和长大的驱动力只是形变储存能。 凝固时的形核常为均匀形核；再结晶形核常在现有的形变不均匀区中，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围；凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可能有一定的取向关系。
再结晶核心产生方式：1，原有晶界推移成核，也称应变诱导晶界迁移式形核；2，亚晶成核，即通过亚晶合并或长大形成新晶粒。
五、菲克第一定律第二定律，见课本。
六，多晶中，每个晶粒与周围相邻晶粒取向不同，滑移开始的早晚不同，滑移系数目也不同；晶粒间的协调是靠有足够的独立滑移系的开动来实现的，即某一晶粒在一特定力轴作用下，取向因子大的滑移系先开动，当相邻晶粒相接触的区域受到周围晶粒的影响而不能自己主滑移系开动进行形变时，可开动次生的、新的滑移系，以协调各种复杂的形变方式；FCC/BCC结构都有5个独立滑移系，可实现任一种方式的形变。晶界两侧滑移面不平等，晶界一方面是位错运动的障碍，造成位错塞积和强化；同时要求晶界附近多系滑移的出现，以协调晶界两侧的形变。晶粒大小对形变的影响是：晶粒细小，整个晶粒可较形变均匀，不同的滑移系组合少；晶粒粗大时，形变过程中晶内不同区域不能相互协调，要求不同的滑移系组合并开动，常常出现晶粒“碎化”，即一个大晶粒，随形变的进行“碎化”成几部分，不同部分内有不同的滑移系开动。 对性能的影响到遵循hall-petch关系σs=σ0+Kd-1/2 即晶粒越细，晶界越多晶界对运动位错阻碍越显著，提高强度幅度越大。
七，一次带状组织是凝固时形成枝晶，热轧后成带状而产生的；在CuCl浸蚀下，黑色条带是枝晶干（含溶质不），白色条带常是富集杂质的枝晶间，也称原始带状。二次带状是固态转变的产物，在硝酸酒精浸蚀下，白色带状是先共析铁素体，黑色带状是珠光体，也称显微带关组织。只有在一次带状的基础上才会产生二次带状。这些带状都与元素的偏析和夹杂物的特殊分布有关。 八，略。
九，1，相变阻力中多了应变能一项。
2，形核方面：非均匀形核，存在特定的取向关系，常为共格或半共格界面。
3，生长方面：出现惯习现象，即有脱溶贯序；特殊/规则的组织形态，如片状、针关。 4，有亚稳相出现以减少相变阻力。
十，凝固时宏观特征是：要有一定的过冷度，会放出明显的结晶潜热。
成长机理有三种：连续式成长、二维形核及借助台阶侧向生长、借螺旋位错生长。 十一，溶质原子原子态溶入溶剂点阵中组成的单一均匀固体；溶剂的点阵类型被保留。 影响固溶度的因素有：
1，原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于±15%时，有大的代位溶解度。 2，负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小于0.4~0.5%会有较大溶解度。
电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属，溶质的原子价越高，溶解度越小；二是相对价效应，即高价溶质溶入低价溶剂时的溶解度高于相反的情况。
特点是：固溶体中有点阵畸变（强度、硬度会提高）而造成点阵常数变化；出现原子偏聚或有序化，甚至形成有序固溶体。
固溶体的结构变化：点阵畸变，点阵常数变化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶体。力学性能变化：
硬度、强度提高，塑性下降，物理性能变化：电阻加大，导电率下降。 十二，1，提高冷却速度从而加大了过冷度。相变驱动力加大，提高了形核率。 2。加孕育剂。提供大量的非均匀形核地点，提高了形核率，降低了形核位垒。
3，机械或电磁搅拌。将枝晶振碎增加核数目或加强热满打满算能量落，提高了，形核率。
十三，如图所示。由液相先凝固出铁素体，在1495℃进行包晶反应，生成奥氏体；继续冷却，由生产剩余的液相再次析出奥氏体，然后变成单相奥氏体。冷至约800℃，从奥氏体中析出先共析铁素体，在727℃进行共析反应，形成珠光体，最后得到铁素体加珠光体组织。
十四，连续脱溶：随新相生成，母相成分连续的由过饱和态转变到饱和态。
不连续脱溶：也称胞状脱溶，此时在母相和新生成的a相间存在一个界面，跨过界面母相由过饱和不连续地突变到饱和状态状态，点阵常数也不连续。 十五，有四类：
点缺陷：沿三个方向的尺寸很小，溶质原子、间隙原子、空位。
线缺陷：沿两个方向的尺寸很小，第三个方向睥尺寸很大，甚至可贯穿整个晶体，指位错。 面缺陷：沿一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大，如晶界，相界。 体缺陷：在三个方向上的尺寸较大，但不是很大，如第二相粒子，显微空洞
二00四年试题
1. 简述题：（4分/小题，共40分）
（1）滑移临界分切应力（2）金属键（3）中间相（4）布喇菲点阵（5）再结晶温度（6）滑移系（7）位错（8）二次再结晶（9）偏析（10）
马氏体相变
2.单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：划分为两类晶界的依据是什么？
并讨论构成小角度晶界的结构模型。（10分）
3.分别画出立方晶系晶胞内的（110）、（112）晶面和[110]、[111]晶向。（10分） 4.讨论晶体结构和空间点阵之间的关系（10分）
5.什么是固溶体？讨论影响固溶体溶解度的主要因素。（10分）
6.分析和讨论冷加工金属或合金变形后回复再结晶过程中组织和性能的变化特征。（10分）
7.画出Fe-Fe3C相图，分析含碳量为1.1wt%（重量百分比）的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室
温撕各组织的相对含量。（20分）
8.分析和讨论影响金属或合金中原子扩散的主要因素。（10分）
9.以Al-4.5%Cu合金为例，分析过饱和固溶体的脱溶分解过程（脱溶贯序），并讨论脱溶温度对脱溶贯序的影响。（10分）
10.金属的固态相变与金属的结晶过程基本一样，大多也包括形核和生长两个基本阶段，但在固态相变过程中新、旧两相的比容不同，使系统额
外增加了应变能以及由相界面上的原子不匹配而引起的弹性应变能，因此固态相变在许多方面与结晶过程有着显著的差别。试分析固态相变的
一般特点。（10分）
11.写出所附Au－Ｈｆ体系相图（图１）中的三相反应，并划出虚线框内部分的相平衡关系局部扩大示意图。（10分）
12.分析固态相变和回复再结晶过程的驱动力。 13.叙述钢锭中常见的宏观组织缺陷，消除或改善方法。 14.叙述常见的金属晶体的内外界面。 答案：
一，1，滑移临界分切应力：滑移系开动所需的最小分切应力；它是一个定值，与材料本身的性质有关，与外力取向无关。
2，金属键：自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
3，中间相：合金中组元之间形成的、与纯组元结构不现的相。在相图的中间区域。
4，布喇菲点阵：除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。或：除考虑旋转对称性外，还考虑平移对称性，经有心化后构成的全部阵点。
5，再结晶温度：形变金属在一定时间内刚好完成再结晶的最低温度。
6，滑移系：晶体中一个可滑移面及该面上一个滑移晶向合称一个滑移系。
7，位错：是晶体内的一种线缺陷，其特点是沿一条线方向原子有规律地发生错排，这种缺陷用一线方向和一个柏氏矢量共同描述。
8，二次再结晶：不规则结晶结束后，正常长大过程被抑制而发生的少数晶粒反常长大的现象。 9，偏析：合金中化学成分的不均匀性。
10，马氏体相变：其过程遵循无扩散、切变方式的相转变。
二，依据是按界面两侧晶粒间的取向差，<15的称小角度晶界，>15的称大角度晶界。小角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平等的刃位错来描述。 三，见图
四，两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”来描述。
空间点阵只有14种，基元可以是无穷多种，因面构成的具体的晶体结构也是无穷多种。 五，溶质原子以原子态溶入溶剂点阵中而组成的单一均匀固体；溶剂的点阵类型被保留。 影响固溶度的因素有：
1，原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于15%时，有利于大的代位固溶体溶解度；当两组元的直径相对差大于41%时，有利于高的间隙固溶体的溶解度。
2，负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小于0.4~0.5会有圈套溶解度。
3，电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属中，溶质原子价越高，溶解度越小；二是相对价效应，即高价溶质溶入低价溶剂时的溶解度高于相反的情况。
六，随退火温度的升高或时间延长，出现亚晶合并长大，再结晶形核及长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒，然后是晶粒正常长大。储存能逐渐释放，特别是再结晶阶段释放的最显著；硬度及强度下降，伸长率上升；电阻降低，密度提高。再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。 七，铁碳相图略。
1.1%的钢由液相冷却时先进入L+γ奥氏本两相区，形成枝晶或等轴状γ奥氏相，然后进入奥氏体单相区；继续冷却到~760℃剩余的奥氏体转变为珠光体，最后的组织是珠光体+网状二次渗碳体，如图所示 珠光体的相对含量：(6.67-1.1)/(6.67-0.77)=94.4% 网状渗碳体相对含量：(1.1-0.77)/(6.67-0.77)=5.6% 影响扩散的因素有：
1，温度；2，界面、表面及位错：3，第三组元：4，晶体结构：5，熔点：同一合金系中，同一温度下熔点高的合金扩散慢，熔点低的扩散快。
九，Al-4.5%Cu合金固溶处理后，在最佳时效温度~150时效，会出现脱溶贯序： 过饱和固溶体→GP区→θ’’→ θ’→ θ
其中GP区是铜原子富集区：θ’’、θ’是四方结构亚稳相，圆盘状，沿基体的{100}面析出，具有共格/半共格界面，与基体存在特定的取向关系；θ是四方结构稳定相，不规则形状。
提高时效温度，脱溶加快，但过饱和度减少，相变驱动力减少，可能导致辞直接析出平衡相，时效强化能力减弱；时效温度过低则情况相反，达到最佳性能的时间过长。 十，1，相变阻力中多了应变能一项。
2，形核方面：非均匀形核为主：具有特定的取向关系；相界面常为共格或半共格的。 3，生长方面：具有惯习现象，有特定的组织形态，如片状、针状。 4，有亚稳相。
十一，L+Au5Hf→FCC(Au) L+Au4Hf→Au5Hf L+Au3Hf→Au4Hf L+Au2Hf→Au3Hf L→Au2Hf+β-AuHf
Au2Hf+β-AuHf→Au10Hf7 β-AuHf→Au10Hf7+α-AuHf L→β-AuHf+AuHf2 β-AuHf+AuHf2→α-AuHf L→AuHf2+BCC(Hf) BCC(Hf) →AuHf2+HCP(Hf)
十二，固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差，回复再结晶的驱动力是形变储存能。
十三，宏观缺陷有：宏观偏析（如正常偏析、反常偏析、毕生偏析）和带状组织以及缩孔、疏松、气泡等。严格来讲，也包括三晶区的组织不均匀性。
宏观缺陷（化学不均匀性、物理不均匀性和组织不均匀性）往往是相互联系的，一般希望尽可能多而细的中心等轴晶，可采用加孕育剂、加大冷速、这样，与柱状晶/枝状晶区相伴随的宏观偏析和缩孔、气泡也就明显改善了。
十四，它们包括晶界、相界、表面、孪晶界、层错。
晶界是同种晶粒之间的交界面；相界是结构、成分不，同的相间的交界面；表面是晶体与大气或外界接触的界面；孪晶界是发生孪生后产生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格的或半共格的；低能层错是单相晶体内因堆垛顺序反常变化后出现的新界面，也是低能界面，与孪晶界能量相近。
哈工大材料加工07年真题
金属学与热处理07年真题（100分）
题型与分值：
选择题，20个，20分。4个选项，多项选择不止一个答案。 判断题，5个，10分。 简答题，3个，30分。 综合题，4个，40分。 简答题：
1． 举例说明什么是组元，相，组织？（10分）
2． 纯金属与固溶体合金平衡结晶有什么相同点和不同点？ （10分） 3． 临界变形度对金属再结晶后的组织和性能有什么影响？（10分） 综合题：
1． 画出Fe-C相图，标明多相区的相，一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体，共晶渗碳体，共析渗碳体形成条件，组织结构，晶体结构有什么相同点和不同点?合金中的二次渗碳体的最大含量多少？（15分）
2． 铝的密度是2.96g/cm3,假设其中只有肖脱基空位，求空位浓度?(阿伏加德罗常数6.02*1023，铝的原子量是26.96，铝的点阵常数0.4049) （5分）
3． 分析O点的结晶过程？求O点在室温下组织的组成物与百分比？（10分）
4． 正火与淬火加热的温度范围？用T12号钢（含碳量1.2%）制作锯条，写出热处理的工艺名称，冷却方法，加热温度，写出最终获得的组织及其性能特点？（10分） 判断题：
1． 过冷度越大，形核率与线长大速率的比值越大，则获得的晶粒越细小。（ ） （2分） 2． 金属以及合金由液态转变为固态的过程称为结晶，是一个典型的相变过程。（ ） （2分） 3． 金属铸件可以通过再结晶退火来达到细化晶粒的目的。 4． 回复退火可以有效的消除冷变形金属的内应力。
5． 几乎所有的钢都会产生第一类回火脆性，若回火后采用快冷的方式可以避免此类脆性。（ ） （2分）
选择题: （每题1分）
1． 当加热到A3温度（即为GS线对应的温度），亚共析钢中的奥氏体转变为铁素体，这种转变可称为（ ）。
A．同素异晶转变 B. 重结晶 D. 再结晶 E. 结晶
2． 若面心立方晶体的晶格常数为a，则其八面体间隙（ ）。 A． 是不对称的 B. 是对称的 C. 位于面心和棱边中点 D. 位于体心和棱边中点
3.在912℃ （其晶格常数为0.02464nm）转变为 （其晶格常数为0.0486nm）时的休积（ ）。 A膨胀；B收缩；C不变；D不能确定 4.渗碳体是一种（ ）
A间隙相；B金属化合物；C 间隙化合物D固溶体
5.六方晶系的[100]晶向指数，若改用四坐标轴的密勒指数标定，可表示为（ ）。 A ；B ；C ；D＝1负210；
6.晶面（110）和（1负11）所在的晶带，其晶带轴的指数为（ ） A 负112 B 1负12 C 02负1 D0负12
7.对于平衡状态下的亚共析钢，随着含碳量的增加，其 A．硬度，强度均升高 B。硬度下降，塑性升高 C．塑性，韧性均下降 D。强度塑性均不变
8. 固溶体合金与共晶合金相比，固溶体合金通常具有如下特性 A．铸造性好 B。锻造性好 C。焊接性好 D。机械加工性好 9．含碳量1％的碳钢平衡结晶到室温，则在室温下该合金中
A相组成物为铁素体和渗碳体 B。组织组成物是铁素体和二次渗碳体 C 珠光体含量为96％ D 铁素体总含量为85% 10为获得细小的晶粒的铝合金，可采用如下工艺
A 固溶处理 B 变质处理 C 调质处理 D 冷变形和中间退火 11. 经冷变形的金属随后加热到一定温度将会发生回复再结晶，这是一个 A 低位错密度的晶粒取代高位错密度的晶粒的过程 B 也是一个形核和长大的过程 C 是一个典型的固态相变的过程 D也是重结晶过程 12 . 下贝氏体是
A含碳量饱和的单相铁素体 B呈现竹叶状
C呈现羽毛状 D 含碳过饱和的片状铁素体和碳化物组成的复相组织 13 铸铁和碳钢的主要区别在于组织中是否有 A渗碳体 B 珠光体 C 铁素体 D 莱氏体 14调幅分解是固溶体分解的一种特殊形式 A一种多晶形转变 B形核和长大的过程 C无形核的直接长大过程
D一种固溶体分解位成分不同而结构相同的两种固溶体 15 碳渗入γ- Fe中形成间隙固溶体，成为 A铁素体 B 奥氏体 C 马氏体 D 索氏体 16 通常情况下，随回火温度的升高，淬火钢的 A强度下降 B 硬度下降 C 塑性提高 D 韧性基本不变 17 影响固溶度的主要因素有 A溶质和溶剂原子的原子半径差 B 溶质和溶剂原子的电复性差 C 溶质元素的原子价 D电子浓度
18 具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时 A以二维晶核方式长大 B 以螺旋方式长大 C 以垂直方式长大 D 呈现树枝状结晶
19 利用三元相图的变温界面图可以
A 确定三元合金平衡相的成分 B 定性分析三元合金的平衡结晶过程 C确定平衡相的含量 C应用杠杆定律和重心法则 20 马氏体具有高强度的原因
A固溶强化 B相变强化C 时效强化 D 细晶强化 07年哈尔滨工业大学材料学院考研真题 大学物理部分（50分） 一、简答题（每题5分）
①1个质点，它所受的力始终指向一点，那这个力的角动量是否守恒？卫星在近地点和远地点的轨道半径分别是 和 ，求在近地点和远地点的速率比？
②绝热气体自由膨胀过程中，气体的熵是否改变？
③铁磁质在匀强磁场中，场强的变化，说明极化强度和磁感应强度之间的关系？
④电子的磁偶极距与它的轨道角动量的关系？
二、综合题（每题10分）
①完全弹性强撞前，两个小球的速度分别为 和 ，求它们在1维空间的相对速度？
②钢性双原子分子的定压热容和定体热容的比为1.4？
③求带电均匀的球体在球内和球外的场强分布？
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东北大学2008材料学复试试题
金属材料学
一、合金元素在钢中的存在状态（10分）
二、间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同（10分） 三、二次淬火、二次硬化异同（20分） 四、低温、高温回火脆性（20分）
五、α－不锈钢为什么韧性低、脆性大（20分） 六、马氏体具有高强度、高硬度的原因（20分）
七、钢淬火后回火过程中组织性能变化和铝合金固溶处理后时效过程中的组织性能变化有何异同，并说明原因（20分）。 特种陶瓷工艺学 一、
1、对于纤维补强陶瓷复合材料，要获得高强度、高韧性的复合材料，纤维需满足什么性能要求？ 2、分别列举Al2O3，SiC制备方法，并简述工艺原理。
3、采用注浆成型和干压成型方法制备特种陶瓷坯体有何优缺点？ 4、说明溶胶－凝胶法制备粉体的工艺过程。 5、简述制备氧化铝透明陶瓷的工艺。 二、论述氧化锆增韧陶瓷的增韧机理。
三、Si3N4陶瓷是难烧结密化的材料，通常需要采用一些特殊的烧结方法，例如：反映烧结、重（再）烧结等。说明Si3N4陶瓷采用上述两种烧结工艺进行烧结的原理及所制备陶瓷的性能特点。 四、什么是烧结，论述烧结过程中可能的物质传递机制。
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东北大学01-06年材料科学基础试题
2001年
1.在晶格常数为a的面心立方晶胞中，画出{111}晶面族的全部晶面并标出各自的晶面指数，计算面间距。（12′）
2.晶粒直径为50um，若在晶界萌生位错所需要的应力约为G/30，晶粒中部有位错源，问要多大的外力才能使晶界萌生位错？（13′）
3. 含碳量为百分之3.5的铁－碳合金，在室温时由哪两个相组成？各占的重量百分数是多少？并计算室温时珠光体和莱氏体的百分含量。（12′）
4.再结晶后的晶粒大小如何计算?与哪些因素有关？为何多数金属材料再结晶后晶粒尺寸随预定形变量的关系会在百分之10变形量附近出现一个峰值？（13′）
5.材料发生蠕变时通常符合 的指数定律，对于同一种材料讨论说明式中的n 会不会随试验温度变化？试验测定n值的目的是什么？在例如800摄氏度的试验温度下，金属材料和陶瓷材料的n值由什么不同？（13′）
6.什么是电子的分子轨道？为什么有的同类原子会形成分子？有的同类原子不形成分子？是否原子间核外电子越多，形成的分子就轨道越多？是否形成的分子轨道越多，形成的分子的结合键就越强？回答问题并给予简单讨论。（12分） 7.解释名词
（1）复合强化 （2）晶界偏析（3）应变疲劳 （4）扩散激活能 （20′） 2002年
1.画出面心立方体的（111）和（100）面，计算面间距和面密度。证实晶面的间距越大，原子面密度越高。（15′）
2.假定一块钢进行热处理时，加热到850摄氏度后，快冷到室温，铁中空位的形成能是104Kj/mol,R=8332J/K mol.。试计算，从20摄氏度加热到850摄氏度以后，空位的数目应当增加多少倍？扼要解释快速淬冷到室温后，这些“额外”的空位会出现什么情况？如果缓慢冷却呢？（12′）
3.三元相图中含有液相的四相区有哪几种形状？请分别画出并标出四个相的位置和进入与离开四相区的液相成分随温度变化的投影线，写出对应的各四相反应的 表达式。讨论四相区零自由度的含意。（13′） 4.课本第153页习题第2题。（15′）
5.比较共价键,离子键，和金属键的不同点，解释产生这三种化学键各自的主要原因，另外讨论为什么通常共价键晶体的密度比其他两种键的晶体的密度低?(13′)
6.（1）.如果不考虑畸变能，第二相粒子在晶内析出是何形态？在晶界析出呢？（2）如果不考虑界面能，析出物为何形态？是否会在晶界优先析出呢？（12′） 7.解释名词
（1）相变增韧 （2）复合强化 （3）断裂增韧 (4)再结晶 （20′） 2003年
1.当两个反号垂直相隔数个原子距离（B）的刃位错相互滑移成为一列，写出计算滑移力随水平相互距离x的表达式，试分析相互滑移作用力的变化过程？另外，图示解释，当两位错成为垂直一列时，位错间将形成什么缺陷？当B值很大时呢？（18分）
2.已知金属铱是面心立方结构，原子量是192.2g/mol,密度是22.4g/cm3,请计算铱的原子半径。（16分） 3.铁的界面能是0.78J/m2,若夹杂物a)在铁的晶界上形成球状夹杂的二面角为80°，b）沿铁的晶界面分布，分别求铁和夹杂物间的界面能。（16分）
4.在百分之15体积分数碳化硅颗粒强化的铝基复合材料中，当塑性变形百分之0.1时，碳化硅是不发生塑性变形的，只有铝基体被变形。如果， 碳化硅粒子的半径为1.2um，铝中位错b矢量为3×10－4um,此时在粒子前沿将塞积4条位错，如何计算（提示：粒子无法进行与基体等量的塑性变形将导致相应量的位错
在其前沿塞积）？铝的屈服应力为200Mpa，问此时碳化硅粒子中受多大的力？此时复合材料的强度是多少？（18分）
5.写出图中立方晶系的晶面指数，写出所属面族的其他所有晶面。（会标晶面指数）(18分)
6.下图是AL-Nd二元相图，只有单相区标了出来，请指出所有的共晶，共析，包晶和异晶（成分不变只有晶体结构转变）转变的成分位置和转变温度，并写出它们各自的降温转变的反应式。（图类似于课本P245图8－31）
7.奥氏体向珠光体转变符合Avrami公式y=1-exp(-ktn),按照下表给出的试验数据，计算转变百分之95所需要的时间：
转变数量 需要时间（s） 百分之20 12.6
百分之80 28.2 （20分） 8.解释名词
（1）扩散系数 （2）成分过冷 （3）再结晶 （4）布里渊区 （28分） 2004年
1.会标晶向指数。 （15分）
2.（15分）为什么单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形？ 3.（15分）金属中的自由电子为什么对比热贡献很小却能很好的导电？
4（15分）已知：空位形成能是1.08ev/atm,铁的原子量是55.85g/mol,铁的密度是
7.65g/cm3,NA=6.023*1023,K=8.62×10-5ev/atom-K,请计算1立方米的铁在850°C下的平衡空位数目。 5.（15分）在面心立方晶体中，在（1 -11）面上，有柏氏矢量为a/2[-1 0 1]的刃位错运动，在（1 1 －1）面上有柏氏矢量为a/2[1 －1 0]的刃位错运动，当它们靠近时是否稳定？有什么变化？说明之。 6.（15分）(1)用晶向和晶面指数的组合写出面心立方，体心立方及密排六方金属的全部滑移系。（2）在面心立方晶体的单位晶胞中画出一个滑移系，并标出晶面晶向指数。
7（15分）为什么材料有时会在其屈服强度以下的应力载荷时失效？如何防止？如何进行容器只漏不断的设计？
8.（15分）根据如下给出的信息，绘制出A和B组元构成的600摄氏度到1000摄氏度之间的二元相图：A组元的熔点是940摄氏度；B组元在A组元中的溶解度在所有温度下为零；B组元的熔点是830摄氏度，A在B中的最大溶解度是700摄氏度为百分之12；600摄氏度以下A在B中的溶解度是百分之8；700摄氏度时在成分点A－百分之75B有一个共晶转变；755摄氏度时在成分点A－百分之40B还有一个共晶转变；在780摄氏度时在成分点A－百分之49B有一个稳定金属间化合物凝固发生；在755摄氏度时成分点A－百分之67B有另一个稳定金属间化合物凝固反应。
9（10分）为什么在正温度梯度下合金结晶时也会发生枝晶？凝固时合金液体中成分船头波的区域尺寸对枝晶有什么影响？另外，何种情况下发生胞状结晶组织？ 10.（20分）解释名词
（1）扩散系数 （2）珠光体 （3）再结晶 （4）位错割阶
2005年
1（15分）名词解释
空间点阵 间隙相 成分过冷 反应扩散 连续脱溶 2（20分）判断题
(1)属于同一种空间点阵的晶体可以具有不同的晶体结构
（2）一个位错环不可能处处都是螺位错，也不可能处处都是刃位错。
（3）致密度高的密排金属作为溶剂形成间隙固溶体时，其溶解度总比致密度低的金属小。 （4）非共晶成分的合金，经较快冷却而形成的全部共晶组织称为伪共晶。
（5）液态金属结晶时，形成临界晶核时体积自有能的减少只能补偿新增表面能的1/3. （6）单晶体的临界分切应力主要取决于晶体的类型及纯度，而与外力的大小和取向无关。 （7）强化金属材料的各种手段，其出发点都在于制造无缺陷的晶体或设置位错运动的障碍。 （8）一般情况下，高纯金属比工业纯度金属更容易发生再结晶。 （9）纯金属经同素异构转变后，会产生组织和结构方面的变化。 （10）调幅分解过程中发生溶质原子的上坡扩散。
3.黄铜是一种Cu-Zn合金，可由于蒸发而失去锌，（锌的沸点低达900°C）.。设经900摄氏度10分钟处理后，在深度1mm处合金的性能将发生某种变化，如果只能容许在0.5mm处的性能发生这一程度的变化，那么这种合金在800摄氏度能停留多长时间？（已知锌在铜中的扩散激活能Q＝20000R） (15分) 4.下图中给出两个纯螺型位错，其中一个含有一对扭折，另一个含有一对割阶，图中箭头方向为位错线的正方向，问：
（1）这两对位错线何者为扭折，何者为割阶？它们属于什么类型位错？
（2）假定图上所示的滑移面为面心立方晶体的（111）面，问哪一对位错线可以通过自身的滑动而消除，说明理由。
（3）含有割阶的螺位错在滑移时是怎样形成空位的？ （4）指出各位错中多余半原子面的位置。 （注：一定要把位错部分吃透）
5.下图是-A-B-C三元相图富A角的投影图
（1）说明E点是什么四相反应？写出它的反应式，并说明判断依据。 （2）什么成分合金的结晶组织是（忽略二次相） a) a+(a+Am Bn +Aj Ck )
b) (a+Am Bn)+ (a+Am Bn +Aj Ck )
注：图不好画，只要把三元相图搞明白就可以了。
6.（1）假设原子为钢球，直径不因晶体结构改变而改变，计算从r-Fe转变为a-Fe的体积膨胀率。 （2）用x射线测得912摄氏度时r-Fe和r-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm。计算r-Fe转变为r-Fe的体积膨胀率。
（3）比较（1）（2）结果，说明原子半径随配位数改变的规律。
为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了A,B两块试样，加热至850摄氏度保温后，以极缓慢的速度冷至室温，观察金相组织，结果如下：
A试样的先共析铁素体面积时百分之41.6，珠光体的面积是百分之58.4，B试样的二次渗碳体面积是百分之7.3，珠光体面积是百分之92.7。
设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零，试求A,B两种碳钢的含碳量。 8.Cu为面心立方结构，x射线测定的点阵常数a=0.3615nm,
（1）按钢球密堆模型计算最近邻原子中心距离是多少？以任何以原子为中心，这样距离的原子数目是多少？
（2）在一个晶胞内画出一个能发生滑移的晶面，并标出指数。
（3）在所画晶面上指出一个可滑移的晶面，并标出指数。
（4）若铜晶体表面恰平行于（0 0 1）面，当在[0 0 1]晶向施加应力，使所有滑移面上均发生滑移时，图示在表面上可能看到的滑移线痕迹。 2006年 1.名词解释
晶带 上坡扩散 不连续脱熔 加工硬化 伪共晶 2.T＝0K时，金属中的自由电子有没有热振动？为什么？
3.在立方晶体中画出以下晶面和晶向：【112】，【－210】，（102） （11－2）
4.在面心立方晶体中，同一个（111）面上的两个位错a/2[00-1]和 a/2[-110]在相互靠近时是否稳定？将发生什么变化？写出位错反应。
5.a,b,c三个相相交与一个三叉结点，a相所张的二面角为82°，b相所张的二面角为110°，ab表面能为0.3J/m2,求 ac和 bc表面能。
6.分别列出对纯金属和合金可能采取的强化机制。
7.Al-Mn相图如图所示，写出相图中的全部恒温转变反应式及类型。 （图类似于P245图8－31，会这种类型的题目）
8.850摄氏度渗碳与950摄氏度渗碳相比，优点是热处理后产品晶粒细小。
a)计算上述两个温度下碳在r-Fe中的扩散系数，已知D0=2.0*10-5m2/s Q=140*103J/mol.。
b）850摄氏度渗碳需用多长时间才能获得950摄氏度渗碳5小时的渗层厚度（不同温度下碳在r-Fe 中的溶解度的差别可忽略）
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二OO五年招收硕士研究生入学考试试题答案
华中科技大学
考试科目：材料成形原理 适用专业：材料加工工程 A卷
一、名词解释
非均质形核——依靠外来夹杂或型壁界面所提供的异质界面非自发地形核，称为异质形核，或非均质形核。 成分过冷——由固—液界面前方溶质的再分配引起的过冷。
定向凝固——又称定向结晶，是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。
反应性气孔——金属液和铸型之间或在金属液内部发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。 带状偏析——在铸锭或厚壁铸件中出现的和凝固液出界面相平行的偏析，有时是连续出现，有时则是间断的。
二、简述题
影响液态金属界面张力的主要因素是什么？
影响液态金属界面张力的主要因素是：(1)金属的熔点，金属的熔点、沸点越高，则表面张力往往就越大；(2)温度，大多数金属和合金的表面张力随温度升高而降低，但对铸铁、碳钢、铜及其合金则相反。(3)溶质元素，表明活性元素降低界面张力，非表明活性元素增加表面张力、 单相合金平面生长的条件是什么？ 单相合金平面生长的条件是：
防止凝固组织产生缩孔缩松的途径主要有哪几种？
防止凝固组织产生缩孔缩松的途径主要有：(1)定向凝固或同时凝固；(2)调整浇注温度和浇注速度；(3)冒口、补贴和冷铁的应用；(4)加压补缩。
为什么使用碱性焊条比酸性焊条对工件表面铁锈（FeO?nH2O）更敏感？
碱性焊条属低氢型焊条，这类焊条的熔渣不具备氧化性，一旦有氢侵入熔池，将很难脱出，而酸性焊条的熔渣有一定的氧化性，可以起脱氢的作用。因此，碱性焊条比酸性焊条对工件表面铁锈（FeO?nH2O）更敏感
如何消除焊件内部的残余应力？
可采用热处理、锤击和振动等方法消除焊件内部的残余应力 6. 熔焊接头和钎焊接头在连接机理上有何区别？
熔焊接头与钎焊接头均采用热能实现不可拆卸的焊接接头，但钎焊时仅钎科熔化，而母材不熔化，在连接处—般不易形成共同的晶粒，只是依靠液态钎料润湿母材表面，二者相互扩散而形成钎焊接头 7. 焊接工艺参数（有效热功率q和焊接速度v）对低碳钢薄板焊接（平对接焊缝）的温度场有何影响？
当热源的有效热功率q一定时，焊接速度v越大，某一温度的等温线所包围的范围显著缩小；当焊接速度v一定，随q的增大，一定温度的等温线所包围的范围显著增大；当q/v保持一定，即线能量E为常数时，同时增大q和v，此时等温线在热源移动方向会伸长，而在宽度方向变化较小。 8. 低碳钢焊缝的室温组织是什么？（5分）
低碳钢焊缝碳含量较低，高温奥氏体固态相变后得到铁素体加珠光体组织。固态相变时首先沿奥氏体晶界析出共析铁素体，然后发生共析反应
A→P(F+ Fe3C)
式中的A是奥氏体；P是珠光体；F是铁素体；Fe3C是渗碳体。焊缝金属过热时，还会出现魏氏组织，即铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，或在奥氏体晶内沿一定方向析出的呈长短不一的针状或片条状脆性组织。
三、何谓一阶张量？何谓二阶张量？
四、何谓塑性指标，它是否具有普遍与绝对的意义？
五、试写出计算摩擦应力的两个常用公式。
六、在金属塑性加工的理论分析中，常将实际的金属材料分成哪几种材料模型？并画出对应的真实应力－应变曲线的示意图。 B卷 焊 接 (分析计算题) 第一题 答题关键点：
设，Cd为合金元素在熔敷金属中的含量：Ce为合金元素的原始含量；Cew为合金元素在焊丝中的含量；Cco为合金元素在药皮中的含量；Kb为焊条药皮的质量系数，即单位长度焊条中药皮质量与焊芯质量之比。过渡系数为：
若考虑合金元素在焊接中的损失，则焊缝金居中某合金元素的实际浓度Cw为
为熔合比, Cb为某元素在母材中的质量分数，Cd为熔敷金属(即真正过渡到熔池中去的那部分焊条金属)中某元素的质量分数。
0.2 X 1.5% + (1-0.2) X Cd≥12% Cd≥14.6%
0.8 X (Ccw + 0.4 X Cco) = Cd
Cco≥23.2%
含Mn量为75%的锰铁合金粉的量≥(23.2％) / (75%)=31% 第二题 答题关键点：
合金化的目的首先是为了补偿在高温下金属由于蒸发或氧化等造成的损失。其次是为了消除缺陷，改善焊缝金属的组织与性能，或为了获得具有特殊性能酌堆焊金属。如用堆焊的方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素，使工件表面具有耐磨性、热硬性、耐热和耐蚀等性能。 常用的合金化方式有：
(1)通过合金焊丝或带极，把所需的合金元素加入焊丝或带极内。
(2)通过药芯焊丝或药皮(或焊剂)，把所需合金元素以铁合金或纯金属的形式加入药芯焊丝的药芯内或焊条药皮(或焊剂)内。
(3)通过合金粉末，将合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金粉末，把它送人焊接区或直接涂敷在焊件表面。
此外，还可以通过从金属氧化物中还原金属的方式(如锰、硅的还原反应)来合金化，但这种合金化的程度有限，并还会造成焊缝的增氧。 第三题 答题关键点：
16Mn为不易淬火的低合金钢。HAZ分为四个区。
(1) 熔合区，是焊缝与母材相邻的部位，最高温度处于固相线与液相线之间。所以又称为半熔化区。此区虽然较窄、但是，由于晶界与品内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，所以是焊接接头的薄弱环节。
(2) 过热区，过热区的温度范围处于固相线到1100℃左右。由于加热温度高，奥氏体过热，晶检严重长大，故又称之为祖晶区。焊后冷却时．奥氏体相变产物也因晶粒粗化使塑性、韧性下降，慢冷时还会出现魏氏组织。过热区也是焊接接头的簿弱环节。
(3) 相变重结晶区(正火区)，该区母材已完全A化，该区处于1100℃—Ac3(约900℃)之间．由于奥氏体晶粒细小，空冷后得到晶粒细小而均匀的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。因此，其塑性和韧性很好。
(4) 不完全重结晶区，Ac1—Ac3范围内的HAZ属于不完全重结晶区。由于部分母材组织发生相变重结晶F+PA，且奥氏体晶粒细小，冷却转变后得到细小的F+P，而未奥氏体化的F受热后长大，使该晶粒大小、组织分布不均匀，虽然受热不严重但性能不如相变重结晶区。 第四题 答题关键点：
氢的影响主要体现在4个方面，即：氢脆、白点、气孔和冷裂纹。
减少氢含量的主要措施有：限制氢的来源、冶金处理脱氢、控制熔池存在的时间和冷却速度、焊后加热工件脱氢。
C卷(75分) 金属塑性成形力学 第一题：
第二题： 第三题： D卷答案 液态金属凝固学
细化凝固组织的生核剂主要有哪几类，其生核作用的机理分别是什么？ 答案要点：
加入生核剂的目的是强化非均质形核。根据生核质点的作用过程，生核剂主要有以下四类： (1) 直接作为外加晶核的生核剂，这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒．它们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为有效衬底促进非自发生核。
(2) 生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间具有界面共相对应关系和较小的界面能，促进非均质生核。
(3) 通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂，其余以此为基底形核，易为共晶析出。
(4) 含强成分过冷元素的生核剂，这类生核剂使晶粒根部或分枝，产生缩颈，易于通过熔体流动及冲击产生晶粒的游离；强化界面前沿熔体内部的非均质形核；强成分过冷元素的界面富集对晶体生长具有抑制作用，降低晶体生长速度，也使品粒细化。
二、解答步骤
根据题目提供的Al-Cu相图参数可知：
当凝固20%时，fs = 20%, fL = 80%, C0 = 10%
共晶体所占比例为为时的 故：
即凝固完毕时，共晶体所占比例为：23.63％
若凝固条件改为完全平衡凝固，当时，未凝固的即全为共晶体。
凝固后试棒中共晶体的数量为15.78％。
三、何谓热力学能障和动力学能障？凝固过程使如何克服这两个能障的？
答案要点：
热力学能障——由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生，能直接影响到体系自由能的大小，界面自由能即属于这种情况。
动力学能障——由金属原子穿越界面过程所引起，原则上与驱动力的大小无关而仅取决于界面的结构与性质，激活自由能即属于这种情况。
热力学能障对生核过程影响很大，动力学能障在晶体生长过程中则具有重要的作用。液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。
液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，即存在成分、相结构和能量三个起伏，也正是这三个起伏才能克服凝固过程中的热力学能障和动力学能障，使凝固过程不断地进行下去。
凝固过程中产生的固－液界面使体系自由能增加，导致凝固过程不可能瞬时完成，也不可能同时在很大约范围内进行，只能逐渐地形核生长，逐渐地克服两个能障，才能完成液体到固体的转变。同时，界面的特征及形态又影响着晶体的形核和生长。也正是由于这个原因，使高能态的界面范围尽量缩小，至凝固结束时成为范围很小的晶界。
四、试述析出性气孔的特征、形成机理及主要防止措施。 答案要点：
金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔称为析出性气孔。
这类气孔在铸件断面上大面积分布，靠近冒口、热节等温度较高的区域，其分布较密集，形状呈团球形，裂纹多角形，断续裂纹状或混合型。
析出性气孔的形成机理是：合金凝固时，气体溶解度急剧下降，由于溶质的再分配，在固－液界面前的液相中气体溶质富集，当其浓度过饱和时，产生很大的析出动力，在现成的衬底上气体析出，形成气泡，保留在铸件中成为析出性气孔。
防止措施：
减少金属液的原始含气量(减少金属液的吸气量、对金属液进行除气处理)； 阻止金属液气体析出(提高冷却速度、提高铸件凝固时的外压)； 型(芯)砂处理(减少砂型(芯)在浇注时的发气量、使砂型(芯)易于排气)
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二O O五招收硕士研究生入学考试试题
姓名： 报考学科、专业： 准考证号码： 密封线内不要写题 华中科技大学
考试科目：材料成形原理 适用专业：材料加工工程 (除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试 题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回)
注意：本试卷分A、B、C、D四部分，其中A卷为必作题卷，B、C、D卷为选作题卷(任选其中一卷)，各卷满分为75分，总分150分。
例如：A卷(75分)＋B卷(75分)＝150分；或：A卷(75分)＋C卷(75分)＝150分 或：A卷(75分)＋D卷(75分)＝150分。
A卷(75分)
一、名词解释(2×5＝10分)
1.非均质形核；2.成分过冷；3.定向凝固；4.反应性气孔；5.带状偏析
二、简述题(8×5＝40分)
1.影响液态金属界面张力的主要因素是什么？ 2.单相合金平面生长的条件是什么？
3.防止凝固组织产生缩孔缩松的途径主要有哪几种？
4.为什么使用碱性焊条比酸性焊条对工件表面铁锈（FeO?nH2O）更敏感？ 5.如何消除焊件内部的残余应力？
6.熔焊接头和钎焊接头在连接机理上有何区别？
7.焊接工艺参数（有效热功率q和焊接速度v）对低碳钢薄板焊接（平对接焊缝）的温度场有何影响？
8.低碳钢焊缝的室温组织是什么？
试卷编号：416 共 3 页
第 1 页 三、(6分) 何谓一阶张量？何谓二阶张量？
四、(6分) 何谓塑性指标，它是否具有普遍与绝对的意义？ 五、(6分) 试写出计算摩擦应力的两个常用公式。
六、(7分) 在金属塑性加工的理论分析中，常将实际的金属材料分成哪几种材料模型？并画出对应的真实应力－应变曲线的示意图。 B卷(75分) 焊 接 (分析计算题)
一、(20分) 已知焊条药皮质量系数为0.4，焊丝含Mn量为9%，其过渡系数为0.8，母材含Mn量为1.5%，熔合比为0.2。要求焊缝中Mn≥12%以确保其耐磨性能，药皮中要加入多少含Mn量为75%的锰铁
合金粉？
二、(20分) 在焊接工艺中，合金化的目的是什么？常采用哪几种合金化方式？ 三、(20分) 16Mn焊接HAZ的组织区域有哪几种？分别分析它们的形成条件。
四、(15分) 焊缝金属中，氢的影响主要体现在哪几个方面？如何减少焊缝金属中氢的含量？ C卷(75分) 金属塑性成形力学
(21分) 试从等效应力的定义式出发，证明：
式中，是应力偏张量。
二、(33分) 设有薄壁圆筒，半径为r，两端面是半径为r的薄壁半球壳，设壁厚全部为t<
试卷编号：416 共 3 页 第 2 页 试卷编号：416 共 3 页 第 3 页 三、(21分)大圆筒拉深为小圆筒，如下图所示。设变形只发生在工件的圆锥面上，锥面与轴线的夹角为α，不计接触面上的摩擦应力，且忽略凹模出口处的弯曲效应，圆筒的厚度为t且在拉深时保持不变，设材料的真实应力为s，试用主应力法求拉深力。
D卷(75分) 液态金属凝固学
(15分)细化凝固组织的生核剂主要有哪几类，其生核作用的机理分别是什么？
(20分)用Al-10%Cu合金浇注一水平细长试棒，使其自左至右单向凝固，并保持固－液界面为平面，当固相无Cu的扩散，液相中Cu均匀混合时，求： 凝固20%时，固液界面的和。 凝固完毕，共晶体所占比例。
如果凝固条件现改为完全平衡凝固，凝固后试棒中共晶体的数量有多少？ (Al-Cu合金相图的主要参数：，，，。)
(20分)何谓热力学能障和动力学能障？凝固过程是如何克服这两个能障的？ (20分)试述析出性气孔的特征、形成机理及主要防止措施。
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二O O六招收硕士研究生入学考试试题
姓名： 报考学科、专业： 准考证号码： 密封线内不要写题 华中科技大学
考试科目：材料成形原理 适用专业：材料加工工程、数字化材料成形 (除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试 题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回)
注意：本试卷分A、B、C、D四部分，其中A卷为必作题卷，B、C、D卷为选作题卷(任选其中一卷)，各卷满分为75分，总分150分。
例如：A卷(75分)＋B卷(75分)＝150分；或：A卷(75分)＋C卷(75分)＝150分 或：A卷(75分)＋D卷(75分)＝150分。
A卷(75分) 简述题
1. (5分) 为什么过冷度是液态合金结晶的驱动力？ 2. (5分) 液态合金的流动性和充型能力有何本质区别？ 3. (5分) 什么样的界面才能成为异质形核的衬底？ 4. (5分) 何谓析出性气孔，有何特征？ 5. (5分) 生产中如何防止密度偏析的形成？
6. (10分) 简述产生焊接应力与变形的原因及消除或减少残余应力与变形的方法。 7. (9分) 简述低碳钢焊接时氧与金属作用的特点及其对焊接质量的影响。
8. (6分) 下图是不同焊接顺序时焊缝横向收缩引起的横向应力分布。试写出各图的焊接方向或顺序。(注：图在2页)
9. (6分) 何谓塑性加工？它有何优点？
10. (7分) 简述塑性变形的基本力学方程有哪几种？其作用如何？
11. (6分) 试写出摩擦应力计算的两种常用公式，并说明在塑性加工中的应用条件。 12. (6分) 写出两种屈服准则的数学表达式，并说明其物理意义。
试卷 编号：416 共 3 页 第 1 页
(A卷第8题图)
B卷(75分) 焊 接
(15分) 堆焊时，设母材含Mn量为1%，熔敷金属含Mn量为15%，熔合比为0.5，要求焊缝金属含Mn量不小于13%。问：什么是熔合比？应堆焊多少层才能满足焊缝中Mn含量的要求(写出计算步骤)？ (25分) 试述氢致裂纹的特点、形成机理及防止措施。
(20分) 试述焊接低碳调质钢时，热影响区组织分布及性能变化的特点。
(15分) 根据熔渣的成分和性能，焊接时的熔渣有哪几种类型？试述熔渣的主要作用。 C卷(75分) 金属塑性成形力学
(18分) 设有一高为H的圆柱体，先均匀拉深到2H，再均匀压缩为H，设在变形过程中体积不变，试分别求出这二个阶段的对数应变、等效对数应变及最终的对数应变、等效对数应变。
(18分) 一薄壁管，内径Ф80mm，壁厚4mm，承受内压p，材料的屈服应力为200 MPa, 假定管壁上的径向应力。试用Mises屈服准则分别求出下列情况下管子屈服时的p：a) 管子两端自由；b) 两端封闭。 (18分) 已知刚塑性变形体中的某质点处的平面应力张量为 MPa，应变分量，试求应变增量张量及塑性功增量密度。
试卷编号：416 共 3 页 第 2 页 试卷编号：416 共 3 页 第 3 页 4. (21分) 如下图，将一板厚为t、直径为D0的圆板坯拉深成内径为d0的圆筒件。假设（1）板料为理想刚塑性体，其屈服应力为Y；（2）成形过程板厚不变，且忽略凹模入口处的弯曲效应和模具间隙；（3）压边力为Q，考虑接触面上的摩擦, 摩擦系数为μ，作用于压边面上的摩擦力与凸缘外缘部的径向应力σr的作用等效。试用主应力法求拉深高度为h时刻的拉深力。 D卷(75分) 液态金属凝固学
(20分) 液态合金凝固时的热过冷和成分过冷有何区别？成分过冷对单相合金晶体生长方式有何影响？ (25分) 某二元合金相图如下图所示，合金液成分为C0 = 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。假设固相无扩散，液相均匀混合，试求： 平衡分配系数k0。
凝固10%时，固液界面的和。 凝固完毕，共晶体所占比例。
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。
3. (20分) 铸件典型宏观组织是由哪几部分构成的，它们的特征和形成机理如何？ 4. (10分) 试分析缩孔、缩松形成条件及形成原因的异同。
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二OO六年招收硕士研究生入学考试试题答案
华中科技大学
考试科目：材料成形原理 适用专业：材料加工工程、数字化材料成形 A卷 简述题
1. 为什么过冷度是液态合金结晶的驱动力？
结晶过程的发生必须是液相的自由能高于固相的自由能，液相金属与固相金属自由能之差即为结晶的驱动力，要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶的温度低于理论结晶温度，即要有一定的过冷度，才能满足热力学条件。
2. 液态合金的流动性和充型能力有何本质区别？
液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮毂清晰的铸件的能力，称为液态金属的充型能力。液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受到外界条件，如铸型的性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。
液态金属本身的流动能力，称为流动性。由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界条件无关。因此，流动性也可认为是确定条件下的充型能力。
3. 什么样的界面才能成为异质形核的衬底？
界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距相近，或在一定范围内成比例，就可能实现界面的共格对应。当点阵的失配度δ≤5%，为完全共格，形核能力强；5%≤δ≤25%为部分共格，夹杂物衬底有一定的形核能力；δ＞25%为不共格，夹杂物衬底无形核能力。
4. 何谓析出性气孔，有何特征？
析出性气孔——金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔；这类气孔在铸件断面上大面积分布，靠近冒口、热节等温度较高的区域，其分布较密集，形状呈团球形，裂纹多角形，断续裂纹状或混合型。
5. 生产中如何防止密度偏析的形成？ 防止或减轻密度偏析的方法有以下几种：
(1) 增加铸件的冷却速度、使初生相来不及上浮或下沉。
(2) 加入第三种合金元素，形成熔点较高的、密度与液相接近的树枝状化合物，使其首先结晶并形成树枝状骨架，阻止偏折相的沉浮。
(3) 尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。
6. 简述产生焊接应力与变形的原因及消除或减少残余应力与变形的方法。
温度改变导致“热胀冷缩”，非均匀的温度变化（如局部的加热、冷却）导致金属内部的不均匀“热胀冷缩”从而产生应力。工件冷却后保留在工件内部的内应力称为残余应力。局部的固态相变也能产生内应力。
减小或消除应力方法：结构设计、工艺措施、热处理、机械振动、机械加载等。 变形：残余应力的存在必然导致原工件形状的少量改变，也称为残余变形。 有整体变形、局部变形。
影响因素：材料热物理性能、膨胀系数、导热性、工艺因素、焊接热输入、焊接次序等。 防止方法：结构设计、工艺（反变形、刚性固定、预留收缩量）、矫正（机械、火焰）。
7. 简述低碳钢焊接时氧与金属作用的特点及其对焊接质量的影响。
低碳钢中能有限溶解氧，生成的氧化物能溶于相应的金属中。氧在铁液中以原子氧和FeO两种形式存在。氧对金属有氧化作用。
气体中氧与金属的作用：2FeO→2Fe+O2 实际焊接电弧区的氧化可以是： Fe+O→FeO Fe+CO2→FeO+CO Fe+H2O→FeO+H2
当温度升高，或O2、CO2、H2O增多时，[FeO]多 影响：氧化物性能变差（强度、塑性、韧性）、气孔 控制：纯化焊材、控制焊接工艺参数、冶金脱氧（脱氧剂）。
8.下图是不同焊接顺序时焊缝横向收缩引起的横向应力分布。试写出各图的焊接方向或顺序。 a)直通焊 b)从中间向两端焊 c)从两端向中间焊
9. 何谓塑性加工？它有何优点？
材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形。 与其他加工方法(如金属的切削加工、铸造、焊接等)相比，金属塑性成形有如下优点: (1) 组织、性能好； (2) 材料利用率高； (3) 尺寸精度高；
(4) 生产效率高，适于大批量生产。
10. 简述塑性变形的基本力学方程有哪几种？其作用如何？
有力平衡方程、几何方程、应变连续方程、屈服准则、应力—应变关系(本构关系)五种。 力平衡方程: 反映微元体的力平衡, 应力分量之间的关系。 几何方程: 位移与应变之间的关系。 应变连续方程: 应变分量之间的关系。
屈服准则: 材料产生初始屈服和后继屈服的判据。 应力—应变关系: 应变增量与应力偏量之间的关系。
11. 试写出摩擦应力计算的两种常用公式，并说明在塑性加工中的应用条件。 (1) 库伦摩擦条件
不考虑接触面上的粘合现象，认为摩擦符合库伦定律，即摩擦力与接触面上的正压力成正比，其数学表达式为
式中 T——摩擦力；
τ——摩擦切应力； Pn——接触面上的正压应力； μ——外摩擦系数(简称摩擦系数)。
适用于正压力不太大、变形量较小的冷成形工序
(2) 常摩擦力条件
接触面上的摩擦切应力τ与被加工金属的剪切屈服强度K成正比，即
式中， m——摩擦因子，取值范围为0~1。 在热塑性成形时，常采用最大摩擦力条件。
12. 试写出摩擦应力计算的两种常用公式，并说明在塑性加工中的应用条件。
Tresca屈服准则:
式中，σmax、σmin分别代表最大、最小的主应力。 K为材料屈服时的最大切应力值，也称剪切屈服强度。
意义: 当受力物体(质点)中的最大切应力达到某一定值时，该物体就发生屈服。
Mises屈服准则: 或
式中 : σs——材料的屈服点；
K——材料的剪切屈服强度。
意义: 在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张量的第二不变量达到一定值时，该点就开始进入塑性状态。 B卷 焊 接
1. 答题要点：熔合比：焊缝金属中，熔入母材的金属所占的比例。 n=3
CWM=0.53*0.01+(1-0.53)*0.15=0.1325 即13.25%
2. 答题要点：
氢致裂纹易在中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金、BCC材料有淬硬M相变材料等的焊接时产生。主要产生在HAZ粗晶区。常具有延迟特征。
裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；穿晶。 形成机理：淬硬组织、氢、拘束应力。
防止措施：材料成份选择与控制；预热及后热、保温处理；降低扩散氢含量；降低残余应力水平；低强度匹配。
3. 答题要点：
与母材焊前热处理状态有关。
焊前为正火或退火状态，焊前母材为F+P组织。HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。完全淬火区，M（或M+B），靠近焊缝高温区为粗大的M组织。不完全淬火区，M+F。
焊前为调质态，母材为回火组织，HAZ可分为完全淬火区、不完全淬火区和回火区。 性能变化：HAZ的硬化、脆化、软化及综合力学性能的变化。
调整措施：调整成分与HAZ组织状态；合理的焊接工艺（合理的线能量、预热）。
4. 答题要点：
在焊接中，根据熔渣的成分和性能可以分为三种：盐型熔渣（主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成）、盐-氧化物型熔渣（主要由氟化物和强金属氧化物组成）、氧化物型熔渣（主要由金属氧化物组成）。 作用：
机械保护，与空气隔离，防止液态熔池氧化和氮化，防止高温时金属被氧化。 冶金处理作用，如脱O、S、P；去H；去杂质；合金化
改善焊接工艺性能，电弧易于引燃、稳定，易操作易脱渣；保证焊缝成形
C卷 金属塑性成形力学 1. 答题要点：
D卷 液态金属凝固学
1. 液态合金凝固时的热过冷和成分过冷有何区别？成分过冷对单相合金晶体生长方式有何影响？ 答题要点：
热过冷——液态凝固时所需过冷完全由传热所提供。
成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。
成分过冷对单相合金晶体生长方式影响：
(1) 无“成分过冷”的平面生长。当单相合金晶体生长条件符合： 界面前方不产生成分过冷。界面将以平向生长方式生长。宏观平坦的界面是等温的，以恒定的平衡成分向前推进。获得成分完全均匀的单相固溶体柱状晶甚至单晶体。
(2) 窄成分过冷区的胞状生长。当单相合金晶体生长符合条件： 时，界面前方产生一个窄成分过冷区，晶体生长以胞状晶方式生长。
(3) 较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长。随着界面前方成分过冷区加宽，凸起晶胞将向熔体伸展更远；原来胞晶抛物状界面逐渐变得不稳定。晶胞生长方向开始转向优先的结晶生长方向，胞晶的横向也将受晶体学因素的影响而出现凸缘结构，当成分过冷加强时，凸缘上又会出现锯齿结构即二次枝晶。将出现二次枝晶的胞晶称为胞状树枝晶，或柱状树枝晶。
(4) 宽成分过冷区的自由树枝晶生长。当固一液界面前方液体中成分过冷的最大值大于液体中非均质生核所需要的过冷度ΔT异时,在柱状枝晶生长的同时，界面前方这部分液体将发生新的形核过程，导致晶体在过冷的液体中自由成核生长，并长成树枝晶，这称为自由树枝晶，此后的凝固过程便是等轴晶不断向液体内部推进的过程。 2. 解答步骤
根据题目提供的相图参数可知：
当凝固10%时，fs = 10%, fL = 90%, C0 = 40%
共晶体所占比例为为时的 故：
即凝固完毕时，共晶体所占比例为：44.4％ 成分的分布如图：
3. 铸件典型宏观组织是由哪几部分构成的，它们的特征和形成机理如何？
答题要点：
铸件典型宏观组织是由表面细晶粒区、柱状晶区和内部等轴晶区三个部分构成的，他们的特征分别是： 表面细晶粒区。是紧靠铸型壁的激冷组织，也称激冷区，由无规则排列的细小等轴晶所组成。 柱状晶区。由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒所组成。
内部等轴晶区。由各向同性的等轴晶组成。等轴晶的尺寸比表面细晶粒区的晶粒尺寸粗大。 各区的形成机理如下：
表面细晶粒区的形成。铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。此区形成的前提条件是，抑制铸件形成稳定的凝固壳层，凝固壳层形成，界面处晶粒单向散热，则晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶。
柱状晶主要是从表面细晶粒区形成并发展而来的，稳定的凝固完层一旦形成，处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。由于各技晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速．它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。 内部等轴晶区的形成，是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。
4. 试分析缩孔、缩松形成条件及形成原因的异同。
答案要点：
缩孔形成原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值。产生的条件，是铸件由表及里地逐层凝固（而不是整个体积同时凝固），缩孔集中在最后凝固的地方。
形成缩松的基本原因也是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但是，形成缩松的条件是合金的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固，缩孔分散，或是在缩松区域内铸件断面的温度梯度小，凝固区域较宽，合金液几乎同时凝固，因液态和凝固收缩所形成的细小孔洞分散且得不到外部合金液的补充而造成的。铸件的凝固区域越宽，就越倾向于产生缩松。
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2007年招收硕士研究生入学考试
华中科技大学
考试科目：材料成形原理 适用专业：材料加工工程、数字化材料成形、环境科学与工程
(本答案按“液态成形理论基础”、“连接成形理论基础”和“金属塑性成形力学”三个部分列出) (A卷部分) 三、简述题
1. 影响液态金属界面张力的主要因素是什么？
影响液态金属界面张力的主要因素是：(1)金属的熔点，金属的熔点、沸点越高，则表面张力往往就越大；(2)温度，大多数金属和合金的表面张力随温度升高而降低，但对铸铁、碳钢、铜及其合金则相反。(3)溶质元素，表明活性元素降低界面张力，非表明活性元素增加表面张力、
2. 简述纯金属晶体宏观长大方式。
晶体的宏观长大方式有平面生长方式和树枝晶生长方式。当固－液界面前方液体中的为正温度梯度时，界面前方液体的过冷区及过冷度很小，晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面方式生长。当固－液界面前方液体中的为负温度梯度时，界面前方液体的过冷区较大，界面上凸起的晶体将快速伸入过冷液体中，成为树枝晶生长方式。
3. 影响铸件凝固方式的因素有哪些？
影响铸件凝固方式的因素有二，一是合金的化学成分；二是铸件断面上的温度梯度。纯金属和共晶成分的合金，凝固区TL-TS＝0，属层状凝固；当合金的液相线温度和固相线温度相差很大时，此时凝固范围很宽，则称为体积凝固方式或称糊状凝固方式。但是，若温度梯度较小时，铸件的凝固方式由层状变成糊状的凝固方式。
4. 成分过冷的判据是什么？ 成分过冷的判据是：
其中：GL为固液界面前方的温度梯度，v为生长速度，mL为液相线斜率，C0为溶质的原始浓度，k0为溶质分配系数，DL为溶质在液相中的扩散系数。
5. 何为反应性气孔，有何特征？
金属液和铸型之间或在金属液内部发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。
金属一铸型间反应性气孔，通常分布在铸件表面皮下1~3mm，表面经过加工或清理后，就暴露出许多小气孔，所以通称皮下气孔，形状有球状、梨状。
另一类反应性气孔是金属内部化学成分之间或与非金属夹杂物发生化学反应产生的，呈梨形或团球形，均匀分布。
B卷(75分) 液态成形理论基础 1. 答案要点：
(1) 立方体晶核的吉布斯自由能的变化：
对上式求导：
令，可得临界晶核的边长 又： 所以：
(2) 在过冷度时，球形晶核的临界自由能变化为
因为 、、L、相同，
所以，球形晶核比立方晶核更容易形成。
2. 答案要点：
(1) 由题目给出的参数可计算出k0。
凝固10%时，fs = 10%, fL = 90%, C0 = 1%
(2) 共晶体所占比例为为时的
即凝固完毕时，共晶体所占比例为：1.47％
(3) 成分的分布如图：
3. 答案要点：
由于灰铸铁和球墨铸铁的共晶凝固方式和石墨长大的机理不同，产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。
灰铸铁共晶团中的片状石墨，与枝晶间的共晶液体直接接触，因此片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上，迫使它们通过枝晶间通道去充填奥氏体枝晶间由于液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞，从而大大降低厂灰铸铁产生缩松的严重程度。这就是灰铸铁的所谓“自补缩能力”。
被共晶奥氏体包围的片状石墨．由于碳原子的扩散作用，在横向上也要长大，但是速度很慢。石墨片在横向上长大而产生的膨胀力作用在共晶奥氏体上，使共晶团膨胀，并传到邻近的共晶团上或奥氏体枝晶骨架上，使铸件产生缩前膨胀。这种缩前膨胀会抵消一部分自补缩效果，但是，由于这种横向的膨胀作用很小而且是逐渐发生的，同时因灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已经形成硬壳，因此灰铸铁的缩前膨胀一般只有0.1%~0.2%左右。所以，灰铸铁件产生缩松的倾向性较小。
球墨铸铁在凝固过程中，当石墨球长大到一定程度后．四周形成奥氏体外壳、碳原于是通过奥氏体外壳扩散到共晶团中使石墨球长大，当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因此，球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多。由于按照体积凝固方式凝固，铸件表面在凝固后期没有形成坚固的外壳，如果铸型刚度不够，膨胀力将迫使型壁外移。随着石墨球的长大，共晶团之间的间隙逐步扩大，使得铸件普遍膨胀。共晶团之间的间隙就是球墨铸铁的显微缩松，并布满铸件整个断面，所以球墨铸铁铸件产生缩松的倾向性很大。如果铸件厚大，球墨铸铁铸件这种较大的缩前膨胀也会导致铸件产生缩孔。如果铸型刚度足够大，石墨化的膨胀力能够将缩松挤合。在这种情况下，球墨铸铁也可看作是具有“自补缩”能力。 4. 答案要点
内部等轴晶区的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。关于等轴晶晶核来源及形成有四种理论
(1) 过冷熔体直接形核理论
随着柱状晶层向内推移和溶质再分配，在固－液界面前沿产生成分过冷，当成分过冷的过冷度大于非自发生核所需过冷度时，则产生晶核并长大，导致内部等轴晶的形成。 (2) 激冷晶游离理论
浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶。 (3) 型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。
(4) “结晶雨”游离理论
根据这一理论，凝固初期在液面处的过冷熔体中产生过冷并形成晶核及生长成小晶体，这些小晶体或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液态金属大而像雨滴似地降落，形成游离晶体。这些小晶体在生长的柱状晶前面的液态金属中长大形成内部等轴晶。
(A卷部分)
二、判断题：（判断下列论述是否正确。答错不扣分，答对每小题1.5分） 速度快，焊缝中柱状晶成长的最大速度有时可能超过焊接速度。（错）
低合金高强钢焊接时，通常的焊接工艺为：采取预热、后热处理，大的线能量。（错） 当电弧电压增加时，熔池的最大深度增大；焊接电流增加，熔池的最大宽度增大。（错） 电弧电压增加，焊缝含氮量增加；焊接电流增加，焊缝含氮量减少。(对) 药皮熔点高于熔渣熔点，而且药皮熔点越高，则熔渣的熔点越高。(对)
酸性渣一般称为长渣，碱性渣为短渣。前者不适宜于仰焊，后者可适用于全位置焊。(对)
三、简述题（16分）
(6) 是碱性焊条还是酸性焊条对工件表面铁锈（FeO·nH2O）更敏感？简述其理由。（4分） 答：碱性焊条对铁锈更敏感。（1.5分）
碱性渣中含SiO2，TiO2等酸性氧化物少，FeO的活度大，容易向液态金属扩散，使其焊缝含氧量增加。（2.5分）
(7) 什么是HAZ？简述HAZ脆化的类型及产生条件。（6分）
答：熔焊时在焊接热源作用下，焊缝周围母材发生组织和性能变化的区域称为热影响区（HAZ）。（1.5分） HAZ脆化有多种类型：粗晶脆化、组织脆化、析出脆化、氢脆等。（1分） 粗晶脆化：熔合区和过热区因热循环峰值温度高，常发生粗晶脆化；（1分）
组织脆化：焊接低合金高强钢时，因冷却速度慢可能在HAZ某些区域形成M-A组元；（1分） 析出脆化：焊前母材为过饱和固溶体，在焊接热作用下产生时效或回火效果，碳化物或氮化物析出造成塑性及韧性下降；（1分）
氢脆：氢扩散至HAZ而引起的塑性下降（脆化）。（0.5分）
(8) 简述焊接熔池的特征。（6分） 答：熔池体积小，冷却速度大；（1.5分）
熔池温度高，熔池金属处于过热状态；（1.5分）
熔池金属处于运动状态，熔池中存在着各种力的作用；（1.5分） 熔池界面的导热性好，温度梯度大。（1.5分）
C卷(75分) 连接成形理论基础
三、论述题（75分）
以手弧焊为例，试分析对接焊缝横向焊接残余应力的分布状态及消除或减小焊接残余应力的方法。（15分）
答：1）横向残余应力由两部分组成：一是由焊缝及HAZ的纵向收缩引起的；二是由于焊缝及HAZ的横向收缩引起的。离焊缝距离越远，应力值越低。（1分）
2）纵向收缩引起的横向应力，焊缝两端产生横向压应力，焊缝中段产生横向拉应力，焊缝两端压应力最大值比拉应力最大值大得多。焊缝越长，中间段拉应力会有所降低，并逐渐趋于零。（6分，未能正确画出示意图扣1-2分）
3）横向收缩引起的横向残余应力分布与焊接方向、焊接顺序有关。（2分）
直通焊、从中间向两端焊、从两端向中间焊时的横向应力分布：（画出下列示意图a），b），c）各给1分，共3分）
4）减小或消除焊接残余应力的方法：
合理的结构设计；合理的焊接工艺；采用热处理方法、机械法、共振法等方法。（3分，没有一定的展开论述，酌扣1～1.5分）
分析焊接时热裂纹产生的原因，并以奥氏体钢焊接为例说明防止热裂纹的措施。（15分） 答：
热裂纹主要有凝固裂纹和液化裂纹。 焊接热裂纹的形成原因：(7分)
焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应变的能力时，即产生焊接热裂纹。
焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
奥氏体钢焊接热裂纹的影响因素(4分，未答全者酌扣0.5～1分)
a.化学成分偏析：奥氏体钢由于含镍量高,有害杂质P和S的有害作用显著增强。单相奥氏体焊缝中，P的偏析、Si的偏析，形成低熔共晶。
b.焊缝的组织：奥氏体钢焊缝晶粒大小的影响，晶粒越粗越易产生裂纹。 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输入量） d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
焊接热裂纹的控制措施(4分，未答全者酌扣0.5～1分) a.成分控制：控制含硫量、含磷量；
焊接材料的选择，奥氏体焊条的选择，焊缝组织控制（控制δ含量），加入细化晶粒元素（Mo、V、Ti、Nb）
b.工艺措施 限制过热、控制成形系数、控制熔合比、降低拘束度、严格要求装配质量
已知焊条药皮质量系数为0.4，焊丝中含Mn9％，其过渡系数为0.8，母材中含Mn1.5%, 熔合比0.2。要求焊缝中含Mn≥12％以确保其耐磨性能，药皮中要加入多少含Mn75％的锰铁合金粉？（15分）
答：计算依据
合金元素的过渡系数：熔敷金属中的实际含量与它原始含量之比。
式中，Cd为合金元素在熔敷金属中的含量；Ce为合金元素的原始含量；Ccw为合金元素在焊丝中的含量；Cco药皮中的含量；Kb焊条的质量系数，即单位长度焊条药皮质量与焊芯质量之比。（写出上式，5分） 而焊缝金属中合金元素Mn的实际浓度与熔合比的关系为：
（写出上式，5分）
由此两式，可以计算，若焊缝中Mn≥12％，药皮中Mn的含量至少为23.2%。 （计算至此加3分）
则需加至少30.9%的含Mn75％的锰铁合金粉。（） （计算至此加2分）
试述焊接时活性熔渣对金属的氧化方式，并以CO2气体保护焊为例，说明选择焊丝的原则及脱氧措施。（15分）
答：活性熔渣对金属的氧化方式： 1）扩散氧化（4分）
FeO既溶于渣，又溶于钢液，因此能在熔渣与钢液之间进行扩散分配，在一定温度下平衡时，它在两相中的浓度符合分配定律：
温度不变时，增加熔渣中的FeO浓度，它将向液态金属中扩散，使金属中的氧含量增加。 2）置换氧化（4分）
铁或其它金属置换出其它氧化物中元素而自身氧化的过程。 [Fe]+(XO) ←→ (FeO)+[X]
3）CO2气体保护焊时，硅-锰联合脱氧原则。常在焊丝中加适当比例的锰和硅，可以减少焊缝中的夹杂物，脱氧产物可形成硅酸盐MnO·SiO2，各国实用的焊丝中[Mn]/[Si]=1.5～3。（4分）
常用脱氧方法：锰的脱氧、硅的脱氧、硅锰联合脱氧、扩散脱氧等。（3分，不能写出相关反应式酌扣1～1.5分）
下图是几种因素对结晶形态的影响，其中纵、横坐标各代表什么？并结合该图讨论焊接熔池凝固组织的特点。？并结合该图讨论焊接熔池凝固组织的特点。（15分）
答：纵坐标C0（%）表示溶质浓度，横坐标为G/R1/2 ，(3分)其中G表示温度梯度，R表示结晶速度。（2分）
该图表明，焊缝结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度C0、结晶速度R和液相中温度梯度G的综合作用。(1分)
在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R 非常小，温度梯度G 较大，G/R1/2则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。（3分）
随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时, 结晶速度R 逐渐增大，而温度梯度G 减小, 在某一时刻以后，将发生成分过冷，平面生长将转为胞状生长；（3分）
随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时， G/R1/2最小, 成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。（3分）
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