北京科技大学液态成形理论与工艺复习题

作业11、哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。］（2）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。2、实际液态金属的结构是怎样的？实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。1.过冷度对液固态转变单位体积自由能变化的作用，对均质形核临界形核半径、临界形核功、形核速率有何影响；PPT20之前2.试推导均质形核临界晶核半径;PPT16173.试推导液固相转变单位体积自由能变化:PPT124.影响异质形核的因素：形核温度T：合金成分一定，过冷度大于某一值时，T↓，形核速率υ↑。形核时间：满足形核条件时，形核时间↑，形成晶核的数量n↑。形核基底的数量：其他条件一定时，形核基底数量↑，形成晶核的数量n↑接触角θ：接触角θ↓，形核速率υ↑。形核基底的形状：形核基底界面为凹面时，临界晶核体积最小，形核功也最小，最易形核。5.促进形核、抑制形核的措施及其应用举例促进形核：增大冷却速率；T；晶粒细化剂，异质形核；机械、超声振动，电磁搅拌，枝晶破碎。抑制形核：快冷，非晶；去除固相质点；悬浮熔炼或熔融玻璃隔离，避免坩埚表面成为异质形核的基体。6.粗糙界面与光滑界面的生长方式粗糙界面（金属）：连续长大光滑界面（非金属、亚金属）：侧面长大（二维晶核台阶、晶体缺陷台阶）连续生长：粗糙面的界面结构，有许多位置可供原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳并与晶体连接起来，且在生长过程中仍可维持粗糙界面结构。只要原子供应不成问题，就可以不断地进行“连续生长”。侧面生长：光滑面的界面结构，单个原子与晶面的结合较弱，容易跑走，因此，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面生长，故称为“侧面生长”。作业2（少很多看PPT）3、随着凝固速度的增加，定向凝固组织的变化规律极低速凝固→平面状；凝固速率增大→平界面失稳而形成胞晶；当生长速率达到一定值时→胞晶向枝晶转变；进一步增大生长速率→枝晶生长转变为更细的胞晶；在极高速下生长→平面凝固的界面4、二次枝晶臂的间距与局部凝固时间的关系λ2=A2𝑡𝑓13tf:局部凝固时间；当合金成分一定时，A2为常数tf=∆𝑇𝑜𝐺𝑇𝑅△To：合金凝固温度间隔一次枝晶：λ1=A1GT-1/2R-1/4λ1:一次枝晶间距；A1：常数；GT：温度梯度；R：凝固速度5、什么叫溶质分配因数，平衡、近平衡、非平衡溶质分配因素的凝固条件有何特点溶质分配因数k：凝固过程固相溶质质量分数CS与液相溶质质量分数CL之比。k＝CS／CL平衡凝固：极缓慢结晶条件下，充分进行固液界面附近的溶质迁移、固液相内部的溶质扩散。平衡凝固：在凝固的每个阶段，固、液两相中的成分均能及时、充分扩散均匀，液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。近平衡凝固：凝固速率稍快时，固液界面附近的溶质迁移达到平衡；固液相内部的溶质扩散不能充分进行。非平衡凝固：凝固速率进一步加快，固液相内部的溶质扩散不能充分进行；固液界面附近的溶质迁移偏离平衡。作业33、名词解释：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、粘度、运动粘度、雷诺数、层流、紊流、表面张力和表面能。1.能量起伏：液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏2.结构起伏:由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏3.浓度起伏:对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏4.粘度:流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度5.运动粘度:液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，数值等于γ=η/ρ。6.表面张力:产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。与表面能大小、单位一致，从不同角度描述同一现象。7.表面能:表面自由能（简称表面能）为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。8.雷诺数:流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。Re是一个无因次量。9.层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。10.紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋。4.提高浇注温度会带来什么负作用？（看PPT找）1.纯金属、共晶合金、固溶体合金液态金属充型的停止流动机理；纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理I区——在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，II区——先形成凝固壳，又被完全熔化，而后的金属液是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降；III区——未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。IV区——液相和固相具有相同的温度——结晶温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞。宽结晶温度范围合金的停止流动机理纯液态流动-形核，晶粒数量增多，金属液粘度增加-结成连续网络-发生堵塞停止流动2.影响液态金属充型能力的因素；影响因素通过两个途径发生作用：影响金属与铸型之间热交换条件→改变金属液的流动时间;影响金属液在铸型中的水力学条件→改变金属液的流速。四类因素：金属性质、铸型性质、浇铸条件和铸件结构第一类——金属性质方面①金属的密度②金属的比热容③金属的导热系数④金属的结晶潜热⑤金属的粘度⑥金属的表面张力⑦金属的结晶特点第二类——铸型性质方面①铸型的蓄热系数②铸型的密度ρ2③铸型的比热容c④铸型的导热系数λ2⑤铸型的温度；⑥铸型的涂料层；⑦铸型的发气性和透气性。第三类——浇注条件方面①液态金属的浇注温度②液态金属的静压头③浇注系统中压头损失总和Σh浇；④外力场。第四类——铸件结构方面①铸件的折算厚度R②由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失。提高充型能力的措施有：金属性质方面，合理选择合金成分以提高其流动性，如在可能的情况下，可优先选择纯金属、共晶成分和金属间化合物。铸型性质方面，可降低铸型的蓄热系数或提高铸型的温度。浇铸条件方面，提高浇注温度和充型压头，简化浇注系统结构。铸件结构方面，依据折算厚度大、结构简单铸件的充型能力高的特点，合理设计铸件结构。3.流动性与充型能力的联系和区别；影响流动性的因素。区别：1）概念不同。合金的流动性指液态合金本身的流动能力，是合金本身的铸造性能之一。合金的充型能力是指液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状完整的铸件的能力。2）影响因素不同。合金流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。充型能力金属性质、铸型性质、浇铸条件和铸件结构这四类因素的影响。联系:1)合金的流动性愈好，合金的充型能力愈强。2)通常在相同的条件下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此可认为,合金的流动性是在确定条件下的充型能力。作业4（没有对应的PPT）1.温度场的三个要素：时间、位置、温度在X、Y、Z直角坐标系中，连续介质各个地点在同一时刻t的温度分布叫做温度场。铸件温度场的作用：预计断面上各时刻的凝固区域大小及变化、凝固前沿向中心推进的速度缩孔、缩松的位置、凝固时间2.由不同位置点的冷却曲线可以获得温度场，再加上何条件，可以获得凝固的动态曲线全部液态合金几乎同时从浇注温度很快降至凝固温度；接近铸件表面的合金释放结晶潜热-平台区（保持在凝固温度上）；拐点—该等温面上拐点—该等温面上。故可以由不同位置点的冷却曲线可以获得温度场。把液相线和固相线与温度—时间曲线相交的各点分别标在坐标系中，再将各点连接起来，即得凝固的动态曲线。3.影响铸件温度的因素，这四大方面因素也应用什么方面的分析上金属性质的影响1)金属的热扩散率a；2)结晶潜热3)金属的凝固温度铸型性质的影响1)铸型蓄热系数b2；2)铸型预热温度T型浇注条件的影响1)金属过热量远远小于结晶潜热；2)增加过热度，相当于提高铸型温度，从而减小铸件温度梯度；3)浇注温度影响不很明显。铸件结构的影响1)铸件壁厚2)铸件形状这四大方面因素也应用在对充型能力的影响分析上。作业51.凝固区域可分为哪两个区，之间边界是什么，还有其它何边界，各有什么特点？（找具体答案）固—液区、液—固区；倾出边界；补缩边界2.何为平方根定律，有何物理意义？用折算厚度代替凝固厚度，有何实际意义？平方根定律：（t时间内铸件凝固厚度）ξ=k√t物理意义：反映铸件凝固厚度随时间的变化关系（抛物线形状）。对时间求导，可得凝固速度V,折算厚度R=V/S，在较复杂的铸件中，其几何参数和凝固厚度很难确定，因此在实际问题中常用折算厚度代替凝固厚度。3.凝固时间包括哪两部分？铸件的凝固时间：从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需时间。（t1+t2）凝固过程大致分三个阶段：第一阶段：导出金属液过热热量所需的时间t1第二阶段：从液相线温度冷却至凝固完毕的时间t2第三阶段：凝固完毕冷却至开箱温度的时间t34.比较同样体积大小的球状、块状、板状、杆状铸件凝固时间的长短。球状块状板状杆状。体积相同条件下，球状铸件散热面积最小，折算厚度最大，因此，其凝固时间最长；板状铸件散热面积最大，折算厚度最小，因此，其凝固时间最短。3、根据凝固区域的宽度不同，凝固方式如何分类？试述各凝固方式的概念、特点。根据合金固液相区宽度，可将凝固过程分为三种方式：逐层凝固：合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄，固液体几乎由一条界线分开，随温度下降，固体层不断加厚，逐步到达铸件中心。体积／糊状凝固：合金结晶温度范围很宽或断面温度梯度很小时，铸件断面的凝固区域很宽，在凝固的某一段时间内，凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，在凝固区域里既有已结晶的晶体也有未凝固的液体。中间凝固：合金结晶温度范围较窄或断面温度梯度较大时，铸件断面上的凝固区域界于前二者之间。6.已知球形铸件的半径为r，试推导出凝固速度与半径r的关系。作业61.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的？它们的形成机理如何？由表面细晶粒区、柱状晶区、等轴晶区三部分组成。铸型壁附近熔体受到强烈激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织；稳定凝固壳层产生-柱状晶区开始，内部等轴晶区形成-柱状晶区结束；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，通过增值，长大成内部等轴晶。2.液态金属中的流动是如何产生的？流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响？液态金属中的流动是由浇注过程中的流动和凝固期间的对流组成。凝固期间的对流分自然对流和强迫对流。3.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。游离晶产生形式1）过冷熔体中的非均匀形核2）型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增值3）液面晶粒沉积。溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化，游离晶体和液态金属之间密度差异；促进晶粒游离、漂移与沉积的程度，可将会扩大等轴晶范围，细化等轴晶组织。2、如何在铸件中获得细等轴晶组织？1）合理的浇注工艺(1)合理降低浇注温度，减少柱状晶、获得细化等轴晶；(2)设计合理的浇注方式，强化对流对模壁激冷晶的冲刷作用，促进细等轴晶的形成。2）冷却条件的控制需控制小的温度梯度和高的冷却速度，但就铸型能力而言，