(吴国华)《材料加工原理》复习题

1材料加工原理（液态成型部分）复习题：名词解释：1、自发形核在不借助任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。2、非自发形核在不均匀熔体中，依靠外来杂质界面或各种衬底形核的过程。3、气孔为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。4、非金属夹杂物在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。5、残余应力产生应力原因消除后，铸件中仍然存在的应力。6、充型能力液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。7、缩孔指铸件在冷凝过程中收缩而产生的孔洞，形状不规则，孔壁粗糙。8、缩松铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。9、铸造应力铸件在发生体积膨胀或收缩时，往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行，于是在变形的同时产生应力10、单相合金凝固过程中只析出一个固相的合金(固溶体,金属间化合物,纯金属)11、多相合金凝固过程中同时析出两个以上新相的合金（共晶、包晶、偏晶转变的合金）12、溶质再分配合金在凝固时，随着温度不同，液固相成分发生改变，且由于固相成分与液相原始成分不同，排出溶质在液-固界面前沿富集，并形成浓度梯度，从而造成溶质在液、固两相重新分布，这种现象称之为“溶质再分配”现象。13、平衡凝固在接近平衡凝固温度的低过冷度下进行的凝固过程。14、溶质分配系数一定温度下，处于平衡状态时，组分在固定相中的浓度和在流动相中的浓度之比15、动力学过冷度物体实际结晶温度与理论结晶温度的差。液态成型理论基础：1、纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明。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2或裂纹内分布着排列无规则的游离原子，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。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、成分起伏。（2）例如钢液，在钢液中主要为Fe，含有C、Si、S、P、Mn、O、H等元素。这些元素或以原子集团存在，或以高熔点化合物如SiO、CaO、MnO等形式存在，共同构成有较大成分起伏的钢液主体以及杂质、气体和空穴等。2、液态金属的结构特征有哪些？液态金属结构接近固态（近程有序），原子均不能自由运动。围绕平衡位置振动，但振动的能量和频率高很多（长程无序）。原子间距接近固体。（熔化时，体积变化不大）熔化时，内部原子结合键只有部分被破坏。（熔化时，焓变变化不大）熔点附近液体混乱度和固态差不多，但是比气态小很多。（熔化时，熵变变化不大）3、引起表面张力与界面张力的原因是什么？物体在表面上的质点受力不均。界面：两相交界面。表面：液（固）与气体交界面。4、粘度的物理本质什么？物理本质：原子间作相对运动时产生的阻力。流体在层流动下，液体中所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层上的质点作相对运动会产生摩擦阻力。5、液态金属的表面张力与界面张力有何不同？表面张力与附加压力有何关系？答：（1）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。（2）表面张力与附加压力符合下列公式的关系：1211rr（）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。6、钢液对铸型不浸润，θ=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=7500kg/m3。求产生机械粘砂的临界压力；欲使钢液不浸入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？解：3产生机械粘砂的临界压力：2/r显然：10.10.05cm2r则421.56000Pa0.510不产生机械粘砂所允许的压头为：6000/0.08m750010Hg液（）=7、1600℃时,铁水的σm等于1.3N/m，渣的σs等于6.0x10-1N/m,σsm等于1N/m。如果铁水含硫量很高时，σm等于0.6N/m,渣的σs等于0.5N/m,σsm等于0.1N/m。分析以上两种状态渣在铁水上的铺展性。σm=σsm+σs*cosθ低硫含量时，1.3=1+0.6*cosθ1，cosθ1=0.5，θ1=60°高硫含量时，0.6=0.1+0.5*cosθ2，cosθ2=1，θ2=0°含硫高的铁水中渣的润湿角小，铺展性好，不利于除渣。8、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℃，η=0.0049Pa.s，ρ液=7500kg/m3，ρMnO=5400kg/m3，MnO呈球形，其半径r=0.1mm。解：由Stokes公式，上浮速度为：2122()9rgv式中：r为球形杂质半径，ρ1为液态金属密度，ρ2为杂质密度，η为液态金属粘度所以，上浮速度为：32320.110(750054009.89.3310m/s90.0049v－（）－）9、计算钢液在浇注过程中的雷诺数Re，并指出它属于何种流体流动。已知浇道直径为20mm，铁液在浇道中的流速为8cm/s，运动粘度为0.307ｘ10-6m2/s。10、已知660℃时铝液的表面张力σ=0.86N/m，求铝液中形成半径分别为1μm和0.1μm的球形气泡各需多大的附加压力？11、液态合金的流动性与充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？4答：（1）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充型能力，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。（2）提高液态金属的冲型能力的措施：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、导热系大；④粘度、表面张力大。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。12、论液态金属的停止流动机理。513、描述杂质颗粒在液态金属中运动的斯托克斯公式中，杂质上浮速度的影响因素？14、与具有晶体结构的固态金属相比，液态金属的原子结构或原子分布状态有什么不同?15、液态金属的粘度与温度有怎样的关系？在金属熔点附近的温度区间和远高于熔点的温度区间，温度对粘度的影响有什么不同？16、利用表面张力平衡原理，写出表面张力与润湿角的关系式，并讨论不润湿和完全润湿的表面张力条件。17、某溶质对某液态金属是表面活性物质，则在液态金属的表面聚集的溶质原子对液态金属的表面张力产生怎样的影响？6减少表面张力。液态金属的凝固形核及生长方式：1、为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？因为只有实际结晶温度低于理论结晶温度，才能满足晶体结晶的热力学条件，过冷度越大固液两相的自由能相差更大，液态金属结晶的驱动力也更大，结晶速度也越快。2、何谓热力学能障和动力学能障？凝固过程是如何克服这两个能障的？热力学能障——由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生，能直接影响到体系自由能的大小，界面自由能即属于这种情况。动力学能障——由金属原子穿越界面过程所引起，原则上与驱动力的大小无关而仅取决于界面的结构与性质，激活自由能即属于这种情况。热力学能障对生核过程影响很大，动力学能障在晶体生长过程中则具有重要的作用。液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，即存在成分、相结构和能量三个起伏，也正是这三个起伏才能克服凝固过程中的热力学能障和动力学能障，使凝固过程不断地进行下去。3、假设液体金属在凝固时形成的临界核心是边长为a*立方体形状；（1）求均质形核时的a*与∆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容易形成。解：（1）对于立方形晶核：32CL6VGaGa方①令：0dGda方则有：2CL3120VaGa，其临界晶核尺寸为：7*CL4VaG，由此可得：*CL4VaG，代入①，则得方形晶核的临界形核功ΔG方*与边长a*的关系式为：**2**3*2642VVVaGaGGaGa方（2）对于球形晶核：*32CL443VGrGr球①球形临界晶核半径：*CL2VrG，则有：*2*23VrGG球，所以：*2*2**62123VVaGrGGG方球因此，球形晶核较立方形晶核更易形成。4、假设∆H、∆S与温度无关，试证明金属在熔点上不可能凝固。5、熔化熵与液固界面结构有什么关系？α=Sm/8.31α≤2,熔化熵小，粗糙表面。α≥3熔化熵大，平整表面。6、已知Ni的Tm=1453℃，L=-1870J/mol，σLC=2.25×10-5J/cm2，摩尔体积为6.6cm3，设最大过冷度为319℃，求∆G均*，r均*。解：*232532*17CLm22222162(2.2510)14532736.9510J33(18706.6)319VrGTGLT－均（＋）85*9CLm22(2.2510)14532738.5910m(18706.6)319TrLT－均（＋）7、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，如果界面与金属液润湿，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。完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。8、固液界面结构对应的晶体生长方式和生长速度如何？垂直生长侧向生长9、共晶两相的的液固界面结构对共晶生长形态有什么影响？共生生长：两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相前方液体区域有溶质运动。离异生长：共晶两相没有共同的生长界面，各自以不同速度独立生长。两相析出时间和空间是分离的。分为“晕圈型”和“晶间偏析型”。10、阐述影响晶体生长的因素。温度、粘度、结晶速度、杂质、涡流11、固-液界面结构达到稳定的条件是什么？固液界面结构稳定时须使体系满足自由能最小，对应于界面能最小，具体说来，当α≤2时，表面层内沉积50%个左右的原子时，固液界面能达最小值，即此时粗糙界面是稳定的；当α3时，表面层内只有少数点阵位置被占据或是绝大部分位置被占据后而仅留下少量空位，即此时光滑界面是稳定的。12、阐述粗糙界面与平整界面间的关系。粗糙界面：固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构，也称“非小平面”。光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。关系：原子尺度上的界面差别。13、液态金属结晶的热力学条件是什么？结晶过程中金属原子要达到一个稳定的状态，必须经过一个自由能更高的中间过渡状态，相变势垒。由于不能使系统的自由能过高，系统用起伏作用为相变提供了可能。在存在相变驱动力的前提下，液态金属的结晶需要通过起伏作用克服热力学障碍和动力学障碍，并9能过形核和生长方式而实现转变。14、均匀形核与非均匀形核的差别是什么？均匀形核在均匀熔体中形核，在熔体各处概率相同，热力学能障较大，所需的驱动力也较大。均匀形核是对纯金属而言的。非均匀形核在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底表面进行形核。发生在外来界面处，因此热力学能障比较小，所需的驱动力也较小。实际液态金属中的形核过程中一般是非均匀形核。单向合金与多相合金的凝固：1、设相图中液相线与固相线为直线，证明平衡分配系数为常数。2、分别推导合金在平衡凝固和固相中无扩散、液相完