材料成型与加工复习

第一章金属材料的基本知识（复习题）

1、什么是金属材料的机械性能（金属材料在载

荷作用下抵抗破坏的性能）？表示金属材料

的机械性能哪些？

2、什么是晶体（內部原子或分子在三維空間呈

規則的週期性重複排列的固態物質）？什么

是晶格（描述原子在晶體中排列形式的假想

的空間格架）、晶胞（晶格中能代表晶体结构

的最小几何组成单元）？晶体有哪三种的常

见的晶格类型？（体心六方晶格面心六方晶

格密排六方晶格）什么是过冷（实际结晶温

度低于理论结晶温度）和过冷度（理论结晶

温度与实际结晶温度之间的温度差）？过冷

度对晶粒大小的影响？金属晶粒大小如何影

响金属材料的机械性能？（晶粒细小，组织

也细小，强度、塑性、韧性较好）金属结晶

过程包括哪两个阶段？（形核、长大）什么

是晶粒（多晶体中的每个小晶体）？如何细

化晶粒？（加形核剂增大过冷度（浇筑温度

冷却条件）、热处理、压力加工、再结晶、动

力学法、）什么是金属的同素异构转变（金属

在固态下随着温度的变化晶格类型发生变化

的现象）？

3、什么是固溶体（合金组元通过溶解形成一种

成分和性能均匀、晶格形式与组元之一相同

的固相）、金属化合物（合金组元相互作用形

成晶格类型和特性完全不同于任一组元的新

相）和机械混合物（由纯金属、固溶体、金

属化合物这些合金的基本相按照固定比例构

成的组织称为机械混合物）？什么是间隙固

溶体（溶质原子不是占据晶格结点位置而是

分布在晶格空隙所形成的固溶体）和置换固

溶体（溶质原子取代了部分溶剂原子而占据

着晶格的结点位置形成的固溶体）？什么是

固溶强化（随着溶质原子的溶入，溶剂晶格

发生畸变，从而导致固溶体的强度和硬度提

高）?什么是铁素体（碳在a-Fe中的间隙固

溶体，体心六方晶格。强度低、硬度低、塑

性好）、奥氏体（碳在y-Fe中的间隙固溶体，面心六方晶格。强度较低、硬度不高、塑性

良好）、渗碳体（铁与碳的一种具有复杂晶格

的间隙化合物。硬度高、塑性极差、脆性大）、珠光体（奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析

转变所形成的，铁素体薄层和碳化物的复相物。.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好）？性能方面有何特点。

5、碳素钢分为哪几类？（化学成分：低碳钢中

碳钢高碳钢；用途：碳素结构钢、碳素工具钢）如何编号？碳对钢的机械性能有什么影响？S和P作为钢铁的一般杂质，对钢铁性能有什么影响（硫使钢产生热脆性，磷使钢产生冷脆性，即室温下钢的塑性和韧性急剧下降。）

8、什么是金属材料热处理（将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却）？目的是什么（以改变材料的整体或表面组织，从而获得所需的工艺性能）？一般包括哪几个阶段（加热、保温、冷却）？

9、什么是退火（将偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺）？什么是正火（将钢加热到Ac3或Acm以上30～50度，保温适当时间后，在自由流动的空气中冷却的热处理工艺）？退火工艺有多种，那么什么是完全退火（又叫重结晶退火。将钢完全奥氏体化后随炉缓冷，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺）？什么是球化退火（使钢中的碳化物球状化的热处理工艺）？什么是去应力退火（为消除铸造、锻造、焊接、冷变形等造成的残余应力进行的低温退火，去应力退火的加热温度低于Ac1）？什么是再结晶退火（就是完全退火）？适用范围是什么（主要用于亚共析钢）？

10、什么是淬火（将钢加热到Ac3或Ac1以上30～50度，保温一定时间后快速冷却获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺）？淬火组织是什么？性能如何（强度和硬度高）？什么是回火（将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温）？回火组织及性能有何不同（低温回火得到回火马氏体，淬火后有高硬度和高耐磨性，用于处理各种工具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件；中温回火得到回火屈氏体，具有较高的太弹性和屈服点，并有一定韧性，用于弹簧；高温回火得到回火索氏体，综合力学性能较好，适用于承受交变载荷的零件齿轮轴连杆）？

适用范围如何？什么是调质处理（淬火+高温回火）？什么是表面淬火（用快速加热，使钢件表层奥氏体化并快速冷却得到马氏体，而心部仍保持原始组织的淬火工艺）？什么是化学热处理（将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，改变表层化学成分、组织和性能）？

第二章：铸造

一、铸造工艺基础

铸造合金的铸造性能（概念：合金易溶于液态成形而获得优质铸件的能力。衡量指标：金属的流动性、凝固温度范围、凝固特性、收缩特性、吸气性等）

合金的流动性(常用铸造合金的流动性：碳钢随着结晶温度范围的增加流动性变差，亚共晶铸铁随含碳量增加流动性提高。影响因素：化学成分是主要影响因素，此外，铸型（砂型/金属型）和浇注条件（温度、沿流动方向的压力），铸件结构（铸件模数-体积和散热表面积比）)。液态合金流动性以什么来衡量（用金属液在流动性试样铸型内流动的最大长度衡量），不同化学成分的合金为何流动性不同（恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固方式，流动性好；宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动性差，如高碳钢），流动性不好会产生什么缺陷（气孔缩孔缩松）。为什么要规定铸件的最小壁厚，铸铁件壁厚局部过薄会出现哪些问题（铸铁件的壁厚太薄，容易发生白口和裂纹，且不容易生产出）。

铸件的凝固方式，铸造合金的收缩(收缩的三阶段，收缩造成的结果（液态收缩使得型腔内液面降低，凝固收缩使得若金属液得不到补缩，会产生缺陷，固态收缩的线收缩影响尺寸，并产生铸造应力），缩孔、缩松形成的原因、形成的位置，防止缩孔、缩松的措施：缩孔产生于合金恒温下或窄温度范围内凝固，铸件断面逐层凝固时，产生的部位在铸件最后凝固区域，如上壁或中心处，此外铸件两壁相交处的热节也是；缩松产生在结晶温度范围宽的合金和断面梯度小的铸件中，表层散热快凝固后，内部呈糊状凝固。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域，热节处，冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。措施：实现顺序凝固，用冒口补缩；使铸件实现同时凝固)。

*铸件的同时凝固和顺序凝固原则(包括示意图)，工艺措施如何实现（顺序：金属液从内浇口通过冒口从厚部进入，在铸件断面建立一个从薄到厚逐步递增的温度梯度。同时：薄处开多个内浇道，使得铸件在纵断面上保持高温均匀的温度差），各有什么优缺点。（顺序凝固原则铸件致密度高，但铸件各部分温度差较大，易产生铸造应力、变形、裂纹等缺陷，且冒口消耗金属多，切割费事。同时凝固原则不需要冒口，节约金属且工艺简单；铸件冷却均匀，不易形成应力变形和裂纹等缺陷）上述两种凝固原则各适用于哪些常用合金（顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁和可锻铸铁。同时凝固原则适合各种合金的薄壁铸件）。

铸造内应力（铸件的固态收缩受阻引起的应力）和变形（具有细长结构的铸件，由于各部分冷却速度不均匀，铸造中和存放期间发生变形）、裂纹（瞬时铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便形成裂纹）；（应力分析：壁厚部分产生拉应力，壁薄部分产生压应力，变形分析：趋向减少残留应力的方向。厚壁部分/散热慢表面内凹，薄壁部分/散热快表面外凸。结构设计上如何避免：采用对称面或空心截面），分析T形梁和床身导轨面的应力状态和变形方向（P12-13）。防止铸件变形的办法有哪些？（使铸件均匀冷却，尽量减少铸造残留应力；人工时效（去应力退火）；改进铸件结构；反变形）什么是热裂和冷裂（热裂是凝固末期高温形成的；冷裂是铸件较低温度下形成的）？

二、砂型铸造

*如何制定铸造工艺图(包括浇注位置和分型面的选择，收缩率，RMA，拔模斜度：为便于取模，在平行于起模方向的模样表面上所增加的斜度。结构斜度：铸件上与分型面垂直的非加工面上，以

便于造型时易于取出模样。)

*铸件的结构工艺性。合金铸造性能对零件结构的要求（合适的壁厚，壁厚力求均匀，内部厚度略小于外壁厚度，壁厚分布符合顺序凝固原则。壁的连接处应有结构圆角，两壁斜相交避免锐角接头，尽量用交错接头，壁厚不同的壁在连接时应逐渐过渡，避免突变。细长易挠曲的铸件设计为对称截面，合理设置加强肋）。铸造工艺对零件结构的要求（避免外表面有侧凸，使分形面为平面，减少分形面个数，凸台、肋板结构应便于起模，顺着起模方向的非加工面应有结构斜度，便于起模；少用或不用型芯，应利于型芯的固定和排气和型芯的清除）。

三、常用合金铸件的生产

*铸铁的分类：白口铸铁断口银白色，很难切削加工耐磨件 Fe3C、灰口铸铁 G、麻口铸铁

*石墨化过程：共晶灰铸铁在一次结晶时发生共晶转变，析出石墨片和奥氏体的共晶体，结束后组织为奥氏体基体上分布着球状石墨。二次结晶时奥氏体继续转变，在共析温度下转变：铸铁石墨化倾向较大、冷却速度较慢时，石墨充分析出，转变成铁素体和石墨。石墨化倾向较小，冷却速度较快，转变为珠光体和石墨。

*石墨化的影响因素：1）化学成分中的碳、硅对石墨化起决定性作用。碳硅越多，石墨越多，尺寸越粗大，基体中铁素体越多，强度和硬度越低；反之，石墨数量少，尺寸小，基体中珠光体越多，强度和硬度越高。Mn可以促进珠光体形成，提高强度硬度，还能去硫；S组织石墨化，还有热脆性，P促进石墨化，但是有冷脆性。2）冷却速度表现在对铸件壁厚的影响上。铸件越厚，冷却速度越慢，石墨化倾向越大，得到粗大石墨片和铁素体基体；反之得到细小的石墨片和珠光体基体。

*铸铁的牌号（灰口铸铁：HT+最低抗拉强度值HT 200；球墨铸铁：QT+最小抗拉强度值Mpa+

最小伸长率 QT400-18）

*球墨铸铁的生产（包括球化处理和孕育处理，孕育剂：是一种可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织球化剂是什么：使铸铁中的石墨呈球状析出的铁水添加剂）

*灰口铸铁和球墨铸铁的性能特点：灰铸铁强度性能较差，减摩性好，减震性好，缺口敏感性小，铸造性能和切削性能好。球墨铸铁力学性能好，抗拉强度与钢类似，焊接性能和热处理性能好于灰铸铁，铸态下基体组织不理想。

*各类铸铁的用途：灰口铸铁用于制造摩擦条件下，要求吸收振动的形状复杂的支座类铸件，如机床床身、导轨、支座、发动机缸体和缸盖；珠光体球墨铸铁（正火得到），可替代钢制造某些受较大交变载荷和磨损严重的重要零件，如曲轴、连杆、凸轮；铁素体球墨铸铁，制造受力较大又承受振动、冲击的零件，如汽车底盘零件输气管道；奥氏体-贝氏体球墨铸铁，替代钢锻件制造承受高负荷的齿轮曲轴连杆及凸轮轴。蠕墨铸铁代替高强度灰铸铁，生产复杂大型铸件，要求气密性的零件，如液压阀阀体。

*四、特种铸造

*各种特种铸造的概念、特点和应用（最适合铸造的合金和结构）

金属型铸造是在重力作用下将熔模金属浇入金属铸型而获得铸件的方法。特点：力学性能高，尺高表低，金属消耗少，易于机械化。应用于大批生产的有色合金铸件。

e.g:铝活塞铝合金轿车缸盖和缸体吕油泵壳体。压力铸造是将熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。特点：尺高表低，强度和表面硬度较高，伸长率有所降低，可铸出形状复杂的薄壁铸件，生产率高。充型快，气体来不及排除，投资大，压铸铸铁铸钢时铸型寿命低。应用有色合金的中小铸件的大量生产。

e.g:汽车化油器缸体仪表和照相机的壳体和支架

离心铸造：将金属液浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下形成并凝固。特点：力学性能好，铸件致密缺陷少；不用浇注系统和型芯，节约金属；离心力使得金属液充型能力好；便于制造双金属铸件；铸件易偏析，内孔不准确，内表面粗糙。应用于管套类铸件。

e.g:铸铁管套筒环叶轮滑动轴承

Tip:除了金属型铸造和压力铸造适合有色合金，其他特种铸造都合适各种合金。熔模铸造和金属型铸造适合中小铸件，压力铸造以小铸件为主，其他几乎不受限制。

*什么是熔模铸造和消失模铸造，它们的工艺过程包括哪些，有哪些主要特点，其适用范围如何：熔模铸造是用易熔材料制造模样，表面包覆耐火材料，制成型壳，熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法。工艺过程：熔模组的制造型壳的制造脱模型壳溶烧烧注、落砂、清除型壳、切割浇冒口、清理。特点：铸件精度和表面质量高，使用各种合金铸件，使用易熔模，型壳无分型面，型壳对模样复印性好；金属液充型好，可制造较复杂零件。

e.g:刀具叶片刀杆风动工具

*消失模铸造：用泡沫塑料模制造铸型后不取出模样，浇注时模样气化消失而获得铸件的方法，也称实型铸造。工艺过程：制造泡沫塑料模、上涂料、填砂，紧实，浇注、落砂，清理，铸件凝固，清理。优点：铸件尺寸精度高，表面粗糙度低；工序简单，生产率高，节省投资，经济效果好，适应性广。

e.g:压缩机缸体汽车件模具轿车铝缸体、缸盖*金属型铸造和压力铸造为何能改善铸件的力学性能：加热和加压都能提高铸件力学性能。

第三章：锻压

一、锻压

1.金属塑性变形的实质：组成金属的晶粒变形

2.冷变形与热变形的概念及其对金属组织与性能的影响：在再结晶温度一下进行的变形叫冷变形，在再结晶温度以上的变形称热变形。冷变形的金属表现出加工硬化现象，热变形金属的加工硬化现象随即被再结晶消除。

3.加工硬化（冷变形强化：金属在冷变形时，随着变形程度的增加，强度和硬度提高而塑性和韧性下降），如何消除加工硬化现象（回复和再结晶）；再结晶退火概念（在多个冷变形工序之间安排中间退火，以消除冷变形强化，使变形易于继续进行）

锻造流线的利弊：晶粒沿变形方向被拉长或压扁称纤维状，这种晶粒组织叫纤维组织。按照一定方向分布的晶界杂质叫锻造流线。

锻造流线（纤维组织）的存在对金属机械性能有何影响？使得金属的力学性能表现为各向异性。锻造比Y在2~5，横向塑性和韧性提高明显低于纵向（拔长方向）。在零件设计中应注意什么：使流线方向与零件所受最大正应力方向一致，与最大切应力方向垂直。

4.什么叫金属塑性成形性能，如何衡量：金属材料经塑性成形加工获得合格制件的难易程度。用塑性（能力）和变形抗力（难以程度）衡量。影响金属塑性成形性能的主要因素是什么：1）本质条件：化学成分（纯金属好于其合金）；金属组织：2）变形条件变形温度应力状态（拉应力在提高塑性的同时，使变形抗力大大增加）；应变速率

二、自由锻、模锻概念、特点及应用

【概念】自由锻：自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法。

模锻：利用锻模使坯料变形而获得锻件。

【特点和应用】自由锻：投资费用较低；生产准备工作简单；尺寸精度、材料利用率低。适用于单件及小批量生产和大型锻件的锻造。

模锻：形状可以比较复杂；内部锻造流线完整，提高力学性能和寿命；锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；生产率高；大批量生产成本低；所需设备吨位大；设备投资费用高；锻模加工复杂。只是用于中小锻件的大批量生产。

三、自由锻、模锻工艺规程的制定（包括哪几个步骤）

自由锻：绘制锻件图（考虑RMA，锻造公差和余块）-确定变形工步-计算坯料质量和尺寸-选定设备-确定锻造温度范围

模锻-绘制模锻件图-确定变形工步（制坯工步和模锻工步，预锻、终锻）-计算坯料质量和尺寸-模锻件的修整（切边和冲孔、校正）

四、模锻件的特点（模锻斜度；圆角，飞边：模锻时终锻模膛内多余的金属流入飞边槽而形成围绕锻件四周的一圈金属；冲孔连皮：对有孔锻件的孔内留有一薄层准备最后冲掉的金属）

五、绘制模锻锻件图要考虑哪些问题？分模面、RMA、锻造公差、模锻斜度、圆角半径和连皮厚度

什么是分模面? 上下摸的分界面。

什么是模锻斜度? 膜膛上垂直于分模面的表面的斜度。

锻件内外圆角的作用有何不同? 内圆角可减少金属流动的摩擦阻力，外圆角使金属更容易充满膜膛，减少膜膛凹角处的应力集中，防止模具开裂。预锻模膛与终锻模膛结构上有哪些不同？预锻膜膛比终锻膜膛高度大，宽度小，容积大，过渡圆角大，不带飞边槽。

飞边槽的作用？槽的桥部较窄，限制金属流出，仓部可以容纳多余金属。

模锻件的结构工艺性：有合理的分模面；设计结构斜度；避免薄片、凸台等结构，尽量简化；避免深孔、深槽和多孔结构

六、碳钢的始锻温度和终锻温度（如何确定，其依据是什么），始锻温度和终锻温度过高或过低有何缺点？始锻温度过高，坯料会产生过热甚至过烧的缺陷。过热会使坯料的晶粒粗大，塑性降低，并影响锻件内部的质量；过烧则使坯料作废。始锻温度过低浪费能源，降低生产率。终锻温度过高，停锻后晶粒会有所长大，影响锻件质量；终锻温度过低，坯料的塑性大大下降，易产生锻造裂纹，并易损坏设备。

七、板料冲压

1.概念(落料、冲孔、修整、弯曲、拉深、拉深系数、回弹现象等)

落料：为了获得具有一定形状和尺寸的落料件，冲落的部分是成品。

冲孔：在板料上冲出孔洞，以获得带孔的制件，冲落部分是废料。

修整：利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔切去一层薄金属，去除塌角、剪裂带和毛刺。

弯曲：将板料弯成一定角度和圆弧的变形工序。拉深：将平面板料变形为中空形状冲压件的工序。拉伸系数：m=d/D d拉深后工件直径D板料直径或前一次拉深完成的半成品直径

回弹现象：外力载荷去除后塑性变形保留下来，弹性变形恢复，使板料发生与弯曲方向相反的变形。

2.落料模、冲孔模的设计基准及注意事项

设计冲孔模具时：凸模刃口尺寸等于所要求的孔的尺寸，凹模刃口尺寸等于孔的尺寸加上冲模的间隙值。设计落料模具时，凹模刃口尺寸等于落料件尺寸，凸模尺寸则减去相应间隙值。

3.落料模、修整模与拉深模结构的主要区别TIP:刃口圆角间隙值

4.拉深缺陷产生的原因，如何防止？

不满足：拉伸件底部和侧壁的拉应力在不使材料发生塑性变形的限度内；环形区内的径向拉应力应达到和超过材料屈服极限，否则皱褶；任何部位的应力总和都要小于材料的强度极限，否则拉穿。

防止：拉伸模具的工作部分必須加工成圓角，圓角半徑Rd=(5~30)S Rp<=Rd；控制模具間隙，使間隙（双边）Z=(2.2~3.0)S；限制拉伸系数；防止由于径向力过大产生皱褶，通常用压边圈将板料压住；拉深前在板料上涂润滑剂。

5.为什么弯曲件有最小弯曲半径? 弯曲半径过小，容易拉裂。锻造流线（纤维组织）的存在对弯曲件有何影响? 弯曲圆弧的切线方向应与板料轧制的方向一致。如何根据落料件和冲孔件尺寸来设计落料模和冲孔模的凹凸模刃口尺寸？