材料成形原理及数值模拟

一、名词解释

1 表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。 2 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。

3 表面自由能(表面能)－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。

4 液态金属的充型能力－液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。 5 液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。 6 铸型的蓄热系数－表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。 7 不稳定温度场－温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场 稳定温度场－不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：

8 温度梯度—是指温度随距离的变化率。或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。

9 溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。

10 均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质

6 试写出“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据，并分析哪些条件有助于形成“成分过冷”。

GmLC0(1?K0)?RDLK0

“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据：

下列条件有助于形成“成分过冷”：

(1)液相中温度梯度GL小，即温度场不陡。(2)晶体生长速度快（R大）。(3)液相线斜率mL大。

(4)原始成分浓度C0高。(5)液相中溶质扩散系数DL低。(6)K0<1时，K0小；K0>1时，K0大。

7 写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限扩散”条件下），讨论溶质原始含量C0、晶体生长速度R、界面前沿液相中的温度梯度GL对成分过冷程度的影响，并以图示或文字描述它们对合金单相固溶体结晶形貌的影响。

GLmlC0(1?K0)?RK0答：成分过冷判别式为：；

（1） 随着C0增加，成分过冷程度增加； （2） 随着R增加，成分过冷程度增加； （3） 随着GL减小，成分过冷程度增加；

如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；而当GL、R一定时，随C0的增加晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。

8.常见焊缝

6 试写出“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据，并分析哪些条件有助于形成“成分过冷”。

GmLC0(1?K0)?RDLK0

“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据：

下列条件有助于形成“成分过冷”：

(1)液相中温度梯度GL小，即温度场不陡。(2)晶体生长速度快（R大）。(3)液相线斜率mL大。

(4)原始成分浓度C0高。(5)液相中溶质扩散系数DL低。(6)K0<1时，K0小；K0>1时，K0大。

7 写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限扩散”条件下），讨论溶质原始含量C0、晶体生长速度R、界面前沿液相中的温度梯度GL对成分过冷程度的影响，并以图示或文字描述它们对合金单相固溶体结晶形貌的影响。

GLmlC0(1?K0)?RK0答：成分过冷判别式为：；

（1） 随着C0增加，成分过冷程度增加； （2） 随着R增加，成分过冷程度增加； （3） 随着GL减小，成分过冷程度增加；

如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；而当GL、R一定时，随C0的增加晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。

8.常见焊缝

一、名词解释

1、 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的

速度梯度dvx/dvy的比例系数。

2、液态金属的充型能力－液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。

液态金属的流动性越强，其充型能力越好。

3、液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。稳定温度场通常

是指温度不变的温度场。

4、均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生

形核的过程，亦称“自发形核” 。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称

“异质形核”。金属结晶过程中，过冷度越大，则形核率越高。实际液态金属（合金）凝固过程中的形核方式多为异质形核。

5、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成

一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位

《材料成形基础》试卷（A）卷

考试时间：120 分钟 考试方式：半开卷

学院 班级 姓名 学号 题 号 得 分 阅卷人 一 二 三 四 五 六 总分 一、填空题（每空0.5分，共20分）

1. 润湿角是衡量界面张力的标志，润湿角?≥90°，表面液体 不能 润湿固体； 2．晶体结晶时，有时会以枝晶生长方式进行，此时固液界面前液体中的温度梯度 为负。 3．灰铸铁凝固时，其收缩量远小于白口铁或钢，其原因在于 碳的石墨化膨胀作用 。 4. 孕育和变质处理是控制金属（或合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影响 生核过程 ，而变质则主要改变 晶体生长方式 。

5．液态金属成形过程中在 固相线 附近产生的裂纹称为热裂纹，而在 室温 附近产生的裂纹称为冷裂纹。

6．铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历 液态收缩 、 固态收缩 和 凝固收缩 三个收缩阶段。

7．焊缝中的宏观偏析可分为 层状偏析 和 区域偏析

一、填空（本大题共8小题，每空1分，共24分）

1、液体原子的分布特征为 长程 无序、 短程 有序。实际液态金属存在着能量、 结构 和成分三种起伏 。

2、物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 正 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 反比。衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越 小 。非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角越小，非均质形核率越 高 ；硫等杂质元素降低Fe 液表面张力，所以 增大 凝固热裂纹倾向。

3、合金的液相线温度T L 及固相线温度T S

之差越大，其浇注过程的充型能力越 差 ，凝固过程越倾向于体积凝固方式，缩松形成倾向越 大 ，热裂倾向越 大 。

4、根据“成分过冷”的判据，固液界面处的温度梯度G L 越 小 ，合金原始成分C 0越 高 ，平衡分配系数K 0（K 0

<1情况下）

越 小 ，则成分过冷倾向越大。

5、对于气体在金属中溶解为吸热反应的情况，气体的溶解度随温度 下降 而降低。氢在Fe 液中溶解度随熔滴过渡频率的增大而 降低，随焊接气氛氧化性的 升高 而降低。

6、熔炼钢时，根据脱磷反应原理，提高脱磷效率的原则是希望 低 温、高碱度、 强 氧

word格式

一、名词解释

1 表面张力2 粘度3 表面自由能(表面能)4 液态金属的充型能力5 液态金属的流动性6 铸型的蓄热系数7 不稳定温度场和稳定温度场8 温度梯度9 溶质平衡分配系数K010 均质形核和异质形核11、粗糙界面和光滑界面12 “成分过冷”与“热过冷”13 内生生长和外生生长14 枝晶间距15 共生生长和离异生长16 孕育与变质17 联生结晶18 择优生长19 快速凝固 20 气体的溶解度21 熔渣的碱度22、长渣和短渣23 熔渣的氧化和还原能力24 扩散脱氧25 沉淀脱26 真空脱氧27 偏析28 微观和宏观偏析 29 气孔30、冷裂纹和热裂纹31 溶质再分配32 热流密度33 焊接34 热影响区35 焊接线能量E 36 焊接的合金化37 合金化的过渡系数38 熔合比39 内力40 内应力41 焊接瞬时应力42 焊接残余应力43 焊接变形44 裂纹45 塑性46 热塑性变形47、张量48 塑性49 简单加载50、应力球张量51、加工硬化52、应变速率53、滑移54、主切应力平面55、平面应变状态56、附加应力 二、简答题

1 实际液

弹簧座论文：弹簧座冲压成形数值模拟及工艺优化

【中文摘要】弹簧座由于其螺旋面带来的非对称性,使其冲压成形过程中的受力变形状态要比一般的对称件复杂得多。按照工厂原有工艺流程进行生产时,其拉深工件在凸台侧壁等质量关键部位厚度分布极不均匀,增厚、变薄都相当严重而达不到产品质量要求；翻边工件局部有破裂的趋势；翻孔工件极易在U形缺口处产生裂纹,产品质量难以控制。为克服弹簧座的成形缺陷及探明成形特点,本文利用数值模拟技术,建立了零件拉深、翻边等整个成形过程数值模型,以特征点的形式呈现出了拉深工件质量关键部位的变形特点,并通过多工步模拟反应出了厚度、应变状态等信息在工序间的传递情况。工序间的应变及厚度变化信息表明,后一工序基本上不影响前一工序所确定的成形质量,可以通过调整单一工序逐个改善各缺陷部位的质量来提高总体质量。针对拉深工件的质量问题,在模拟试验基础上以凸台部位的凸模圆角半径和模具间隙为影响因素建立了拉深工件质量关键部位材料的最大减薄率和最大增厚率的回归分析模型。根据两回归分析模型对工件质量进行了多目标优化,得出了质量评价模型,拟出了可生产出合格工件的最佳工艺参数。针对翻边工件质量状况进行了工艺参数可行性分析,分别得出了对模具间隙、凹模圆角半径或凸模圆

?

液态成型基础

?液态金属的结构和性质

晶体的结构和性能主要决定于：组成晶体的原子结构和他们之间的相互作用力与热运动。

液态金属的主要特征：进程有序，远程无序。原子排列的几个原子间距的小范围内，与其固态原子的排列方式基本一致，呈现出一定的有规律排列；而距离远的原子排列就不同于固态了，表现为无序状态。

理论模型：钢球模型，晶体缺陷模型（能量起伏和结构起伏）。

能量起伏：处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也随时间不停变化，时高时低。表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同。

结构起伏：液态金属中存在由大量不停游动着得原子集团组成，集团内为某种有序结构，处于集团外的原子则处于散乱的无序状态，并且这些原子集团不断的分化组合，时而长大时而减小，时而产生，时而消失，此起彼伏。

浓度起伏：游动集团之间存在着成分不均匀性。表现为各个原子集团之间成分的不同。

实际金属和合金的液体在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态杂质或化合物组成，而且还表现出能量起伏、结构起伏及浓度起伏等三种起伏特征。

粘滞性（黏度）的本质：质点间结合力的大小。

影响黏度的因素：温度，熔点，杂质。

黏度对液态形成过程的影响：a对液态金属留态的影响b对液态金属净

材料成型原理

材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学

1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或

裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。

（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。

1.2 答： 液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而

界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力?和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2?/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝?（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。

1.3答： 液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确

定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸