河北工程大学材料成型理论基础练习题(上)

第1章液态金属的结构与性质1.液体原子的分布特征为无序、有序，即液态金属原子团的结构更类似于。2.实际液态金属内部存在起伏、起伏和起伏。3.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成比。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。4.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力，就润湿，润湿角；而两种物质原子间的结合力，就不润湿，润湿角。5.影响液态金属表面张力的主要因素是，，和。6.钢液中的MnO，当钢液的温度为1550℃时，3/0049.0msN，3/81.97000mNg液，3/81.95400mNg杂，对于r=0.0001m的球形杂质，其上浮速度是多少？参考答案：0.0071m/s7.影响液态金属充型能力的因素可归纳为合金本身性质、铸型性质、浇注方面、铸件结构方面四个方面的因素。8.影响液态金属黏度的因素有合金成分、温度、非金属夹杂物。9.合金流动性：合金本身的流动能力；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。10.液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充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充型能力，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。而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。提高液态金属的充型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度大，导热率小;④粘度、表面张力小。（2）铸型性质方面：①蓄热系数小；②适当提高铸型温度；③提高透气性。（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。11.设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5×103Mpa，液膜厚度为1.1×10-6mm，根据液膜理论计算产生热裂的液态金属临界表面张力=0.825N/m。12.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。13.粘度表达式：dydvx，雷诺数：DDRe第2章凝固温度场1.铸件的凝固方式可以分为、和三种不同形式，影响合金凝固方式的两个主要因素是：和。2.合金的凝固温度区间越大，液态合金充型过程中流动性越差，铸件越容易呈体积（或糊状）凝固方式。3.研究铸件温度场的方法有数学解析法、数值模拟法和实测法等。4.“平方根定律”公式为22K，写出公式中三个符号所代表的含义τ：凝固时间、ζ：凝固层厚度、K:凝固系数5.比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A球A块A板A杆根据KR与11AVR，所以凝固时间依次为：t球t块t板t杆。6.右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法”分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间.解：将底座分割成A、B、C、D四类规则几何体（见右下图）查表2-3得：K=0.72(mincm/)对A有：RA=VA／AA=1.23cmA=RA²／KA²=2.9min对B有:RB=VB／AB=1.33cmB=RB²／KB²=3.4min对C有：RC=VC／AC=1.2cmC=RC²／KC²=2.57min对D有：RD=VD／AD=1.26cmD=RD²／KD²=3.06min因此最后凝固部位为底座中肋B处，凝固终了时间为3.4分钟。7.写出平方根定律和折算厚度法则的公式，并解释两个公式的差别。*1000*160*160*600*120AAAABBCCCCDDD1000160160600120答：1）平方根定律：22K即K；折算厚度法则：KR2）代表铸件凝固层厚度，适应薄板类铸件；SVR为折算厚度,可适用各种形状的铸件。8.影响铸件凝固方式的因素是什么？凝固方式与铸造性能和铸件质量之间有什么关系？答：1)影响铸件凝固方式的因素:结晶温度范围和温度梯度；2)a逐层凝固：集中缩孔大，易补缩，铸件较致密；热裂倾向小；流动性好。所以，铸件质量好。b体积凝固：不易补缩，易形成缩孔；流动性差；热裂倾向大；铸件不致密，性能较差。c中间凝固：介于以上两者之间第3章金属凝固热力学与动力学1．金属结晶形核时，系统自由能变化△G由两部分组成，其中相变驱动力为，相变阻力为。2.非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角θ越小，非均质形核功*heG越，形核率越；非均质形核临界半径*her与均质形核的关系为*hor。3.为什么金属必须要有一过冷度才能发生液-固相变？4．什么是溶质平衡分配系数？设状态图中液相线和固相线为直线，证明其k0为常数。特定温度*T下固相合金成分浓度*sC与液相合金成分浓度*LC达到平衡时的比值**0LSCCk如上图：液相线：T*－Tm＝Lm(Cl*-0)①固相线：T*－Tm＝Sm(Cs*-0)②②÷①得：TmTTmT－－**＝**LLSSCmCm＝1即**LSCC＝SLmm＝k05.名词解释1）非均质形核与均质形核答：非均质形核：液态金属中新相以外来质点为基底进行形核的方式。均质形核：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，所以也称“自发形核”。2）粗糙界面与光滑界面答：粗糙界面：a≤2，固液界面上有一半点阵位置被原子占据，另一半位置则空着，微观上是粗糙的；光滑界面：a＞2，界面上的位置几乎被原子占据，微观上是光滑的。3）粗糙界面与光滑界面及其判据答：固－液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构，称为粗糙界面；固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据，只留下少数空位或台阶，称为光滑界面。根据jachson因子（mmkTH）大小可以判断：α≤2的物质，凝固时固-液界面为粗糙面，α＞5的物质，凝固时界面为光滑面，6.液态金属（合金）凝固的驱动力由提供，而凝固时的形核方式有、两种。7.对于溶质平衡分配系数K01时，K0越大，最终凝固组织的成分偏析越。常将∣1-K0∣称为。8.设理想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状;(1)求均质形核时的a*和△G*的关系式。(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。THTVammsLS4*23*)(32THTVGmmsLS方THTVrmmsLS2*23*)(316THTVGmmsLS球16G**方球G9.设Ni的最大过冷度为319℃，已知Tm＝1453℃,△Hm＝1870J/mol，σLS=2.25×10-5J/cm2,摩尔体积为Vs=6.6cm3.求△G*均和r*均参考答案：r*均=8.59*10－9m△G*均=6.95*10－17J10.晶体长大时，有三种长大方式，长大速度按顺序依次为：连续、缺陷、和二维形核。金属从其自身熔体中结晶，一般以连续方式长大。11.为什么均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同？答：临界晶核半径的含义：当晶核达到此半径时，如液相原子向此堆砌生长，造成的表面能的增加比体积自由能的下降小，即自由能下降，此时，晶体生长是稳定的，所以晶核能逐渐长大。如是均质生核，临界晶核是近似球形，其所包含的原子数较多，所需要的能量起伏较大，即生核功较大；如是非均质生核，临界晶核的大小与润湿角有关，同样的晶核半径时，当晶体与衬底的润湿角越小，晶核所包含的原子个数越少，因此所需的形核功越小。所以，虽然均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同。12.从原子尺度看，固液界面结构有哪几种？它们与生长机理有何联系？答：⑴有两种固液界面结构：平整界面和粗糙界面⑵平整界面的生长机理：a.理想的平整界面依靠平整界面上生产二维晶核，然后在晶核周围的台阶上生长；b.当界面上有缺陷时，可依靠螺旋位错、旋转孪晶、反射孪晶等缺陷提供的台阶生长。⑶粗糙界面由于液相原子堆砌而被弹回的几率很小，因此生长速度较大，此时称为连续生长或正常生长。14.随颗粒尺寸的减小，金属的熔点会下降，其原因是什么？这种效应通常在什么尺寸量级才会明显地表现出来？参考：表面能（张力）作用突显，纳米，mmsrHkTVT2第4章单相及多相合金的结晶1.根据成份过冷理论的分析，由于过冷程度的不同就会使焊缝组织出现不同的结晶形态，主要有平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶和等轴结晶。2.根据界面结构的不同，可将共晶合金分为两大类非小面-小面和非小面-非小面3.用图形表示K0＜1的合金铸件单向凝固时，在以下四种凝固条件下所形成的铸件中溶质元素的分布曲线：（1）平衡凝固；（2）固相中无扩散而液相中完全混合；（3）固相中无扩散而液相中只有扩散；（4）固相中无扩散而液相中部分混合。答：几种条件下的溶质分布如图所示：4.内生生长和外生生长凝固自型壁行核，由外向内的生长称为外生生长，如柱状晶，胞状晶的生长；在熔体内部形核，由内向外的自由生长称为内生生长，如等轴晶的生长。5.共生生长和离异生长共生生长：共晶结晶时，两相相互依附，借助于对方析出的多余原子的横向扩散而同步偶合生长的方式。离异生长：共晶的两相间没有共同生长的界面，析出和生长在时间上与空间上都相互独立的生长方式。6.共晶组织生长中，共晶两相通过原子的横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元彼此合作，并排地快速向前生长，这种共晶生长方式称为共生生长。7.固相无扩散、液相只有扩散情况下产身成分过冷的判据及影响成分过冷的因素，说明成分过冷对结晶形貌的影响？答：成分过冷判据：影响成分过冷的因素：液相中温度梯度GL越小，成分过冷越大；生长速度R越大，成分过冷越大；液相线斜率mL越大，成分过冷越大；合金原始成分C0越大，成分过冷越大；扩散系数DL越小，成分过冷越大；分配系数K0越小，成分过冷越大。成分过冷对结晶形貌的影响：当C0一定时，随着GL减小，或R增大时，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．简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律。参考：随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶。9.Al-Cu相图的主要参数为CE＝33%Cu,smC=5.65％,Tm＝660℃,TE＝548℃。用Al－1％Cu合金浇一细长试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固－液界面为平界面，当固相无Cu扩散，液相中Cu充分混合时，求：(1)凝固10％时，固液界面的CS*和CL*。(2)共晶体所占的比例。答：（1）溶质分配系数k0＝LSCC=EsmCC=%33%65.5=0.171当sf＝10％时，有*sC＝1000)1(－－ksfCk＝1171.0%)101(%1171.0＝0.187％*LC＝100－kLfC＝0*kCS＝171.000187.0＝1.09％（2）设共晶体所占的比例为Lf，则*LC＝100－kLfC＝EC则Lf＝1010－）（kECC＝1171.01)%1%33(－＝0.014710.何谓热过冷和成分过冷？成分过冷的本质是什么？答：金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷。成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差△T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。11.影响成分过冷的因素有哪些？哪些是属于可控制的工艺因素？成分过冷对晶体的生长方式有何影响？晶体的生