材料成形原理吴树森答案.docx1

：在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。答：焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊金属的材质达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接的物理本质：使两个独立的工件实现了原子间的结合，对金属而言，实现了金属键的结合。焊接工艺措施有两种：加热和加压。答：传统上将焊接方法分成三大类：熔化焊、固态焊和钎焊。将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔化焊（熔焊）。答：控制焊缝金属组织和性能的措施有：焊缝合金化和变质处理。采取固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化等措施保证焊缝金属焊态强度与韧性。加入少量钛、硼、锆、稀土元素等变质处理，可以细化焊缝组织，提高韧性。工艺措施：调整焊接方法例如振动结晶、焊后热处理等措施提高焊缝性能。答：HAZ(HeatAffectedZone)即焊接热影响区。焊接接头的组成部分：焊缝、热影响区和母材。答：快速凝固是指在比常规工艺过程（冷速不超过102℃/s）快得多的冷速下，如104～109℃/s合金以极快的速度转变为固态的过程。快速凝固分为急冷凝固技术和大过冷凝固技术。急冷凝固技术的基本原理：设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。大过冷凝固技术的基本原理：要在熔体中形成尽可能接近均质形核的凝固条件，从而获得大的凝固过冷度。答：定向凝固技术主要有以下几种：1）发热剂法；（2）功率降低法；（3）快速凝固法；（4）液态金属冷却法。第二部分连接成形答案答：焊接时加热，对金属材料而言，可以使结合处达到熔化或塑性状态，接触面的氧化膜被迅速破坏；金属达到较高温度呈塑性状态时，金属变形阻力减小，有利于缩小原子间距；能增加原子的振动能，促进化学反应、扩散、结晶和再结晶过程的进行；熔化部分金属，冷却凝固后形成焊缝。焊接时，除加热外，可同时或独立施加压力，其目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处有效接触面积增加，达到紧密接触实现焊接。答：焊缝的晶体形态主要是柱状晶和少量的等轴晶。每个柱状晶内还可能有不同的结晶形态，如平面晶、胞状晶和树枝晶等。等轴晶内一般都呈现为树枝晶。焊缝金属中晶体的不同形态，与焊接熔池的凝固过程密切相关。焊缝边界处，界面附近的溶质富聚程度较小，由于温度梯度大，结晶速度小，成分过冷接近于零，有利于平面晶的生长。当结晶速度和温度梯度一定时,随合金中溶质浓度的提高，则过冷度增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、等轴晶。当合金中溶质浓度一定时，结晶速度越快，成分过冷度越大，结晶形态也可由平面晶变为胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶、等轴晶。当溶质浓度和结晶速度一定时，随液相温度梯度的提高，成分过冷度减小，结晶形态的演变则刚好相反。答：热裂纹具有高温断裂的性质。热裂纹有凝固（结晶）裂纹、液化裂纹、高温失延裂纹等类型。焊接热裂纹可出现在焊缝，也可出现在近缝区或多层焊焊道间的HAZ。影响热裂纹的因素主要有：冶金因素化学成分的影响：合金元素影响凝固温度区的大小及合金在脆性温度区中的塑性。随着合金元素的增加，凝固温度区增大，同时脆性温度区增大，凝固裂纹的倾向增大。杂质元素的偏析及偏析产物的形态对热裂纹也有一定影响。如S、P在钢中能形成低熔共晶，即使微量存在，也会使凝固温度区在为增加。凝固（结晶）组织形态对热裂纹的影响：对于奥氏体钢，凝固后晶粒的大小、形态和方向、析出的初生相等对抗裂性有较大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，则产生热裂纹的敏感性越大。工艺参数的影响：在焊接工艺中应尽量减少有害元素的偏析及降低应变增长率。在焊接中、高碳钢以及异种金属焊接时，为减少母材中的有害元素进入焊疑缝，应尽量减小熔合比。不同接头形式对裂纹倾向有不同影响，表面堆焊和熔深较浅的对接缝的抗裂性较高。熔深大的对接和各种角接焊缝的抗裂性较差。防止措施：主要是控制成分和调整工艺。1)焊缝成分的控制：选择合适的焊接材料，限制有害的杂质，严格控制S、P的含量。调整工艺：限制过热，采用小的焊接电流和小的焊接速度；控制成形系数；减小熔合比；减小拘束度。答：按最高温度范围及组织变化，将HAZ分为四个区：熔合区：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。由于晶界与晶内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，是焊接接头的薄弱环节。过热区：温度范围处于固相线到1100℃。由于加热温度高，奥氏体晶粒过热，晶粒严重长大。也称粗晶区。焊后冷却时，奥氏体相产物也因晶粒粗化使塑性、韧性下降。冷却速度较慢时，还会出现魏氏体。相变重结晶区（正火区）：母材已完全奥氏体化，处于1100℃～Ac3之间。由于稀奥氏体晶粒细小，空冷后得到晶粒细小而均匀的珠光体和铁素体。塑性材和韧性好。不完全重结晶区：温度范围在Ac1～Ac3，部分母材组织发生相变重结晶，奥氏体晶粒细小，冷却后转变得到细小的答：熔合比：F+P；而未奥氏体化的晶粒受热长大，使该区晶粒大小、组织分布不均匀。Ap，Ap为焊缝截面中母材所占的面积；Ad为焊缝截面中填ApAd充金属所占的面积。不考虑冶金反应的作用时，焊缝中某合金元素的浓度可通过下式计算：Co?Cb(1)CeCo为某元素在焊缝金属中的质量分数；Cb为某元素在母材中的质量分数；Ce为某元素在焊条中的质量分数。考虑合金元素的损失，则焊缝金属中某合金元素的实际浓度Cw为：Cw?Cb(1)CdCd为熔敷金属中某元素的质量分数。通过改变熔合比，可以改变焊缝金属的化学成分。答：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）。第三部分塑性力学1解：zu0uzzHzuzHu0设长方体长度方向位移量为ux，宽度方向位移量为uy，根据位移不变这一条件即xyz0xy＝ux+uy＝z＝u0xyH又∵ux＝uyy∴uuyu0xyzxzuuy1u∴xz0xy22H∴ux=xu0，uy=yu0，uz=–zu02H2HH小应变张量场：uxu0?uyu0uzu0xx2H，y＝y＝2H，z＝z＝–H?xy＝?ux+?uy=0?x?yu0002H∴小应变张量场为：ij0u002H00u0H等效应变场：ij2(ex-ey)2+(ey-ez3＝29u029u022+234H4H)2+(ex-ez)2+6(gxy2+gyz2+gzx2)u0H2解：（1）(1)2H0ln2zlnH0圆柱体均匀变形∴r(1)(1)∴(1)(1)(1)2(1)(1)0rzrz(1)2(r)2(rz)2(z3（2）z(2)lnH0ln22H0如一所求，得r(2)1ln2，以及2（3）累积变形rr(1)r(2)1ln21ln2022(1)(2)(ln2)0zzzln2(1)(2)2ln2r(1)1z(1)1ln222)2ln2(2)ln23解：由力平衡方程得：P(Rd)24(Rd)tsind0R.P22t12，302(12)2(23)2(13)212RPsP2ts2tRdθσθ4解：（a）OBσ2σ1等效应力2(12)2(23)2(31)22又＝200（1＋）1.18m123'm31'166.7MPa,2'33.3MPa,3'233.3MPa又全量应变i3i'11.0828,20.1352,30.94722（b）解法和（a）相同OAOBA阶段1217.9MPa，(1)0.0891，(1)16.7MPam1(1)'133.3MPa,2(1)'16.7MPa,3(1)'116.7MPa(1)0.0823,(1)0.0103,(1)0.0721123又(2)(1)，A→B过程(2)1.0006,(2)0.1249,(2)0.8753123则全过程中全量主应变(2)(2)iii即10.08231.00060.918320.0103(0.01249)0.0013630.07210.087530.94745解：已知x60MPa,y30MPa,z0,xy300MPa,zxzy0则mxyz30MPa3i'im'30MPa,''30MPaxy0MPa,z根据增量形式levy-Mises本构方程：dijpdgij'，又已知dx，可得dxdydzdxydyzdxyzxyyzdydyzdzx0，dzzgd30g30dxyxygd300g0.5830xzdxz30300.580则应变增量张量为：0.580000塑性功增量密度：dwij'gij则有塑性功增量密度为：dw'''xgdxygdyzgdz2xygdxy2yzgdyz2zxgdzx80解：（1）A：圆柱部分r0，Pgr2Pgr，zrgt022t则点A屈服时：1Pgr,2zt有(12)2(23)2(31)22s2PA2ts3rPg2rPgr2t0tPgr,302tB：球面部分Pg(rd)24grdgtsind2则B点屈服时：1(12)2(23)2(PB2tsr0，Pr2t2Pgr,302t31)22s2因为PB>PA,所以A点先屈服，即圆筒部分先屈服。2r，且r0,z（2）屈服时Ps3t则rzPgr'm2tr3根据dijdgij'，得Pgr,2tPgr,2t'zPgrt'Pgr0,2tdrd,dz0，且dr0,d0又有等效应变增量：d2(dzd)2(ddr)2(drdz)23即(dr)2(2dr)2(dr)292，dr232对应的应变增量张量为：7解：r方向的静力平衡方程30020000032rgrdgH(rdr)(rdr)dgH2sindgdrgH2fdrgrd02drrdr2fdrrH假设轴对称均匀变形,drrdrfHr,z都为压应力，且zr令1r,3z由屈服准则得：13zr,drdzdz2fdrz2fgrCHH边界条件：rR0时，r0,zC2R0z2rHH1R0R0)P202rdrz(2R0H8解：在圆锥面上取单元体，令OA＝r，d沿方向列平衡方程(d)(rdr)dgt2drtgsinddrsin2d()r因为为拉应力，为压应力，1rdsingdrsingrgdgt03由Mises塑性条件：13drlnrC∴drD0时，边界条件：r0C2lnD02∴lnD0，则当rd0时，2r2∴拉深力Pd0td0tgglnD0d0lnD0d0