材料成型第一章重难点复习题答案

1课后作业答案第一章练习一一、填空题1、液体的表观特征有：（1）类似于液体，液体最显著的性质是具有流动性，即不能够象固体那样承受剪切应力；（2）类似于液体，液体可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状；（3）类似于固体，液体具有自由表面；（4）类似于固体，液体可压缩性很。2、按液体结构和内部作用力分类，液体可分为原子液体、分子液体及离子液体三类。其中，液态金属属于原子液体，简单及复杂的熔盐通常属于离子液体。3、偶分布函数g(r)的物理意义是距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r=0）距离为r位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。4、考察下面右图中表达物质不同状态的偶分布函数g(r)的图(a)、(b)、(c)的特征，然后用连线将分别与左图中对应的结构示意图进行配对。固体结构（a）的偶分布函数气体结构（b）的偶分布函数液体结构（c）的偶分布函数5、能量起伏：描述液态结构的“综合模型”指出，液态金属中处于热运动的不同原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低。这种现象称为能量起伏。26、结构起伏：液态金属是由大量不停“游动”着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变，这种现象称为结构起伏。7、在特定的温度下，虽然“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。8、浓度起伏：工业中常用的合金存在着异类组员；即使是“纯”金属，也存在着大量杂质原子。因此，对于实际金属及合金的液态结构，还需考虑不同原子的分布情况。由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象称为浓度起伏。9、对于液态合金，若同种元素的原子间结合力大于不同元素的原子间结合力，即F(A-A、B-B)＞F(A-B)，则形成富A及富B的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体仅有“拓扑短程序”；若熔体的异类组元具有负的混合热，往往F(A-B)＞F(A-A、B-B)，则在液体中形成具有A-B化学键的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体同时还有“化学短程序”。具有“化学短程序”的原子团簇，在热运动的作用下，出现时而化合，时而分解的分子，也可称为不稳定化合物，甚至可以形成比较强而稳定化合物，在液体中就出现新的固相。10、金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。二、判断题（括号中添“√”或“×”）1、（√）2、（×），因为Ga,Bi,Sb,Ce,Si,Ge等熔化时体积增大。3、（×），理想纯金属液体中既有“能量起伏”，也有“结构起伏”。4、（√）5、（×），近年，人们发现液态Ga、Cs、Se、I、、Bi、Te等元素以及石墨熔体的某些物理性质随压力出现异常非连续变化，Katayama等利用对液态磷进行高压X-衍射实验，证实了液态磷中发生压力诱导型非连续液-液结构转变；我国及国外的学者也以多种手段揭示，一些合金熔体的性质与结构随温度发生非连续变化。3练习二一、填空题1、作用于液体表面切应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数，称为动力学粘度，通常以η表示。要产生相同的dVX/dy，液体的内摩擦阻力越大，则η越大，所需外加剪切应力也越大。2、液体粘度的常用单位为Pa·S或mPa·S。3、液体的原子间结合力（或原子间结合能U）越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高。液体粘度η随原子间结合能U按指数关系增加，即：)/exp(0TkUB。4、此外，粘度随原子间距δ增大而降低，随温度T升高而下降，合金元素的加入若产生负的混合热Hm则会使合金液的粘度上升，通常，表面活性元素使液体粘度降低。5、通常，物质内部原子间结合力越大，其熔点和沸点越高，其固体和液体的表面能和表面张力也越大，其液体的粘度越大。6、虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以γ（或）表示，其大小完全相同，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力/距离，以N/m或dyn/cm表示，表面能的单位为能量/面积，以J/m2或erg/cm2表示。7、两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小。两相间的界面张力越大，则润湿角越大，表示两相间润湿性越差。8、通常，自由电子多的溶质元素，由于造成合金表面双电层的电荷密度大，从而造成对表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。二、选择题1、C正确A错，因为降低原子间距、加入产生负的混合热的合金元素均会使液体粘度上升。B错，因为加入表面活性元素才会使液体粘度降低。D错，因为降低液体温度会使液体粘度上升。2、B正确A错，因为向系统中加入削弱原子间结合力的组元可以降低表面张力。C错，因为加入表面活性元素才会使液体表面张力降低。D错，因为加入自由电子数目多的溶质元素会使液体表面张力上升。3、D错，因为根据公式（1-22）HgDC4，可清楚地看出其规律。4、C正确。A错。通常，熔点高的物质其表面张力比熔点低的物质高，但也存在反例。如Mg与Zn同样都是二价金属，Mg的熔点为650℃，Zn的熔点为420℃，但Mg的表面张力为559mN/m(dyn/cm)；4SGLZn的表面张力却为782mN/m。B错。原子体积小于及大于溶剂原子体积的元素，均有降低液体表面张力的例证。如S的原子半径（1.04Å）小于Fe的半径（1.27Å），S大为降低铁液的表面张力，而Pb原子半径（1.75Å）大于Al的半径（1.43Å），Pb也大为降低铝液的表面张力。根据表面吸附热力学，不论溶质原子体积小于还是大于溶剂原子，只要为表面活性元素均降低表面张力。D错。奥氏体钢熔体的表面张力，随Ni含量的变化在不同的范围呈不同的趋势，并受Cr含量的影响。三、简答题：1、答：斯托克斯公式：2)(92rgBm金属液粘度η越低、产生的夹杂或气泡半径r越大、夹杂或气泡密度ρB越小，则精炼效果越好。2、答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。因此，物质内部原子间结合力越大，则表面张力及表面能越高。3、答：各张力（符号）如图所示，润饰角与张力之间的平衡关系式为：GLLSGScos假设γGL保持不变：γLSγGS，则θ90o，即润饰角为锐角，液相对固相润饰。γLS越小，则润饰角θ越小，表明液相对固相的润饰性越好；γLSγGS，则θ90o，即润饰角为钝角角，液相对固相不润饰。γLS越大，则润饰角θ越大，表明液相对固相的润饰性越差；γLS=γGS，则θ=90o，液相对固相处于润饰和不润饰关系的临界点。4、答：液膜的拉断临界应力fmax大小为：Trpf22T/max因此，=fmaxT/2=0.825N/m液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。S在钢铁液体中严重降低表面张力，可见，液膜的表面张力越大（[S]越低），液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax越大，裂纹越难形成。5、答：根据流体力学的斯托克斯公式：2)(92rgBm，式中：为夹杂物和气泡的上浮速度，r为气泡或夹杂的半径，ρm为液体合金密度，ρB为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。41034.1)(29BmgrmθγLSγGSγGL5纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金停止流动机理示意图练习三一、填空题1、充型能力是设计浇注系统的重要依据之一，充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。2、液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是液态金属的工艺性能之一，它取决于液态金属的密度、比热、合金的结晶潜热及结晶温度范围等3、液态金属的“充型能力”取决于金属既取决于金属本身的流动性，也取决于铸型性质、浇注条件、铸件结构等外界因素的影响，是各种因素的综合反映。4、铸件的浇注系统静压头H越高，液态金属密度1及比热1C、合金的结晶潜热H越大，浇注温度浇T、铸型温度T型越高，充型能力越强。5、铸型的C2、ρ2、λ2越大即蓄热系数b2（2222Cb）越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。二、选择题1、A正确。最小壁厚从小到大的正确排列顺序为：熔模铸造、砂型、金属型，原因在于铸型的传热及蓄热性质的高低。具体大小见教材表1-4。2、B、错。通常，在共晶成分处的合金有最好的流动性。但也有例外的情况，对于Al-Si合金，由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处（Si12.6%），而是在含Si量为18-20%左右，这是因为Si晶体结晶潜热为180.7×104J/kg，为α-Al(38.9×104J/kg)的4倍以上，而且，过共晶成分Al-Si合金的初生块状Si强度较低，不容易形成坚固的枝晶网络，结晶潜热的作用得以发挥。与之相似，灰口铸铁由于石墨高的结晶潜热（383×104J/kg，约为Fe的14倍），最佳流动性也在过共晶成分。3、D错。牌号确定的铸件，因组织及性能的要求，其成分往往不可以随意改变。应该从工艺上采取措施。4、A错。根据Fe-C相图，成分范围C2.0%-4.3%的Fe-C合金，结晶温度范围随含C量的增加而减小，因此流动性变好。三、问答及计算题：1、答：对于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金，其停止流动机理如右图所示。在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动(图中a),为第Ⅰ区。金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳(图中b)，而后的金属液是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降。由于液流通过Ⅰ区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第Ⅱ区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第Ⅲ区是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。在第Ⅳ区里，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(图中c)。6因为此类合金或纯金属在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，直至如图所示的第Ⅳ区的截面完全凝固，合金才停止流动，这类合金液流动时间长，所以流动性好。2、答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：（1）使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。（2）提高浇注温度，加大充型压头，可以提高金属液的充型能力。（3）改善，提高金属液的充型能力。