材料成形原理 部分答案_材料成形原理答案

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材料成形理论基础习题

1、纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明

答：纯金属的液态结构式由原子集团、游离原子和空穴组成的，液态金属的结构是不稳定的，而是出于瞬息万变是的状态，即原子集团、空穴等的大小、形态、分布及热运动都出于无时无刻不在变化的状态，这种现象叫做“结构起伏”。而实际合金的液态结构是极其复杂的，其中包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等，是一种“混浊”的液体。实验实际液态金属中还存在成分起伏。例如Al和Al-Si合金相比较，Al-Si合金中由于成分起伏Al与Si的浓度也是出于不断变化中的。

2、液态金属表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？

答：液体金属的表面张力是质点（分子、原子）间作用力不平衡引起的。而任意两相（固-固、固-液、固-气）的交界面称为界面，由界面间相互作用而产生的力叫界面张力，表面张力可说是界面张力的一个特例。界面张力与两个表面张力之间的关系为：

σAB=σA+σB –wAB，其中σA、σB分别是A、B两物体的表面张力，wAB为两个单位面积界面向外做的功。表面张力与附加压力的关系有拉普拉斯方程描述：P径。

3、液态合金的流动性和充型能力有何不同？如何提高液态金属的充型能力？

答：液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关。液态金属的充型性能是一种基本性能。充型能力好，零件的形状就完整，轮廓清晰，否则就会产生“浇不足”的缺陷。液态金属的充型能力首先取决于其金属本身的流动能力，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关，是各种因素的综合反映。

提高金属的充型能力措施：（1）金属性质方面：改善合金成分；结晶潜热L要大；比热、密度大，导热率小；粘度、表面张力小。（2）铸型性质方面：蓄热系数小；适当提高铸型温度；提高透气性。（3）浇注条件方面：适当提高浇注温度；提高浇注压力。（4）铸件结构方面：在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；降低结构复杂程度。

（1R11R2），其中R1、R2为曲面的曲率半

4、钢液对铸型不浸润，180，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m,密度ρ液=7500㎏/m3。求产生绩效粘砂的临界压力；欲使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？

P2R21.50.1210-2610Pa

023H2cosgr21.5cos18075009.80.12100.082m5、根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，0.0049Ns/m,液7500kg/m,MnO5400kg/m, MnO呈球形，其半径r=0.1mm。

2r(液MnO)g92333V20.11026(75004500)9.8190.00490.0071m/s6、设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求均质形核是的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。解：（1）对于立方形晶核 △G方＝－a3△Gv+6a2σ①

令d△G方/da＝0 即 －3a△Gv+12aσ＝0，则 临界晶核尺寸a*＝4σ/△Gv，得σ＝

a*

42△Gv，代入①

△G方＝－a△Gv＋6 a**3*2

a*4△Gv＝a△Gv

*2均质形核时a*和△G方*关系式为：△G方*＝a*3△Gv（2）对于球形晶核△G球*＝－

43πr*3△Gv+4πr*2σ

临界晶核半径r＝2σ/△Gv，则△G球＝**

23πr△Gv

*3所以△G球*/△G方*＝

23πr*3△Gv/(a*3△Gv)将r*＝2σ/△Gv，a*＝4σ/△Gv代入上式，得

△G球/△G方＝π/6

7、设Ni的最大过冷度为319℃，求△G﹡均和r﹡均，已知，Tm=1453℃，L=-1870J／mol，σLC=2.25×10ˉ5J／cm ²，摩尔体积为6.6cm ²。r均*****

2*2.25*10*（1453＋273）＝(2σLC/L)*(Tm/△T)＝cm＝8.59*10－9m

1870*3196.6*

－5△G均＝16316πσLC*Tm/（L*△T）

－5432322(2.25*10*10）*（1453＋273）＝π*＝6.95*10－17J 1870362(*10)*3196.68、什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？

从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。但润湿角难于测定，可根据夹杂物的晶体结构来确定。当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距离相近，或在一定范围内成比例，就可以实现界面共格相应。安全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底，完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。

9、阐述影响晶体生长的因素。

晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定，当GL>0时，晶体生长以平面方式生长；如果GL

10、用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几个方面？半径相同的圆柱和球体哪个误差大？大铸型和小铸型哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大？

用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。

半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；大铸件和小铸件比较，后者误差大；金属型和砂型比较，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。

11、何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？

溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传输使溶质在固－液界面两侧的固相和液相中进行再分配。

影响溶质再分配的因素有热力学条件和动力学条件。

12、设状态图中液相线和固相线为直线，证明平衡常数k。=Const。

设液相线和固相线的斜率分别为mL和mS，如上图：

液相线：T*－Tm＝mL(Cl*-0)① 固相线：T*－Tm＝mS(Cs*-0)② ②÷①得：T－TmT－Tm**＝

mSCSmLCL**＝1 即 CSCL**＝

mLmS＝k0 由于mL、mS均为常数，故k0＝Const.13、Al-Cu相图的主要参数为CE=33%Cu，Csm=5.65%，Tm=660℃，TE=548℃。用Al-1%Cu合金浇注一细长试样，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共晶体所占比例。

③画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线，并标明各特征值。

CSCLCsmCE6.65%33%（1）溶质分配系数 k0＝===0.171 当fs＝10％时，有

0.171－1Cs＝k0C0(1－fs)*k0－1＝0.171*1％*（1－10％）

0.001870.171＝0.187％

CL*＝C0fLk0－1＝

CSk0*＝＝1.09％

（2）设共晶体所占的比例为fL，则

CL＝C0fLk－1＝CE 0*则fL＝（CEC01k0－1＝（）33%5.65%1)0.171－1＝0.12(3)沿试棒的长度方向Cu的分布曲线图如下：

14、何谓热过冷和成分过冷？成分过冷的本质是什么？

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。

15、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？晶体的生长方式只受成分过冷的影响么？

影响成分过冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工艺因素为DL。

过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。

晶体的生长方式除受成分过冷影响外，还受热过冷的影响。

16、影响成分过冷的因素有哪些？它对材质或成型产品（铸件）的质量有何影响？

影响成分过冷范围的因素有：

成分过冷的条件 GL

vDLk0DLk0v成分过冷的范围为 △＝mLC0(1－k0)－GL，上式中，mL、C0、k0为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL、GL和v。

对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围对成形产品没什么大的影响；对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能越好。

17、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？

铸件的典型凝固组织为：表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。

表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型

壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

18、常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？

常用生核剂有以下几类：

1、直接作为外加晶核的生核剂。

2、通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

3、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。

4、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。含强成份过冷的生核剂 作用条件和机理：

1类：这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。

2类：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。

3类: 如分类时所述。

4类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。

19、试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴的常用方法。

影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却条件。获得细等轴晶的常用方法：

（1）向熔体中加入强生核剂。

（2）控制浇注条件：a、采用较低的浇注温度；b、采用合适的浇注

（3）铸型性质和铸件结构：a、采用金属型铸造；b、减小液态金属与铸型表面的润湿角；c、提高铸型表面粗糙度。

（4）动态下结晶细化等轴晶：振动、搅拌、铸型旋转等方法。20、何谓“孕育衰退”，如何防止？

孕育衰退：大多数孕育剂有效性均与其在液态金属中的存在时间有关，即存在着随着时间的延长，孕育效果减弱甚至消失。

解决办法：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。

21、影响铸件的缩孔和缩松的因素有哪些？请叙述集中防止铸件缩孔和缩松的方法。

影响缩孔和缩松的因素：

（1）影响缩松缩孔大小的因素：金属的性质、铸型条件、浇注条件、铸件尺寸、补缩压力（2）影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素：铸铁成分、铸型刚度 防止缩松、缩孔的方法：顺序凝固、同时凝固

控制缩孔和缩松的工艺措施：使用冒口、补贴、冷铁是防止缩松缩孔的最有效的工艺措施。加压补缩法是防止产生显微缩松的有效方法。

22、铸件的偏析有几种类型，请分类叙述之。微观偏析

（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。宏观偏析：

（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。

（2）逆偏析：即k

（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。

（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。

23、铸件凝固过程的应力有哪些？

按产生的原因可以分为：热应力、相变应力、机械阻碍应力。

24、铸件冷裂和热裂的影响因素有哪些，如何防止其发生？

铸件冷裂的影响因素：

（1）大型复杂铸件由于冷却不均匀，应力状态复杂，铸造应力大而易产生冷裂（2）铸件冷裂倾向与材料的塑性和韧性有密切关系

附:冷裂是铸件处于弹性状态、铸造应力超过材料的抗拉强度时产生的裂纹。冷裂的预防与消除：

（1）、铸造应力的防止与消除：使铸件冷却均匀，减小各部分的温差，改善铸型及型芯退让性，减小铸件收缩时的阻力。

（2）、生产实际的工艺措施：反变形、设置防变形的“拉肋”、早开箱并立即入炉内暖冷、用浇注系统调整铸件的温度场。

影响铸件热裂的因素：

合金性质、铸型性质、浇注条件、铸型结构

(1)热裂的防止措施：

(2)改善铸型和型芯的退让性，减少铸件收缩时的各种阻力（3）减小铸件各部位温差，建立同时凝固的冷却条件（4）改善铸件结构的设计