材料成形参考习题及答案

材料成形理论基础习题第一部分液态金属凝固学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。（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：（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。3.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：（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蓄热系数大；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。4.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；欲使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？解：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（）=5.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＝0.0049N.s/m2,ρ液=7500kg/m3，ρMnO=5400kg/m3,MnO呈球行，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－（）－）6.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)求均质形核时的a*和ΔG*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：32CL6VGaGa方①令：0dGda方则有：2CL3120VaGa，其临界晶核尺寸为：*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。7.设Ni的最大过冷度为319℃，求ΔG*均和r*均。已知熔点Tm＝1453℃，熔化潜热为L＝-1870J/mol，固-液界面能为σLC=2.25×10-5J/cm2，摩尔体积为6.6cm3/mol。解：*232532*17CLm22222162(2.2510)14532736.9510J33(18706.6)319VrGTGLT－均（＋）5*9CLm22(2.2510)14532738.5910m(18706.6)319TrLT－均（＋）8.什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？答：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。9.阐述影响晶体生长的因素。答：晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定，当GL0时，晶体生长以平面方式生长；如果GL0，晶体以树枝晶方式生长。10.用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几方面？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?答：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，前者误差大，因为前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？答：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。12.设相图中液相线和固相线为直线，证明平衡分配系数k＝Const。解：绘出相图示意图，以平衡分配系数小于1为例，则有：温度为T1时，平衡分配系数为k1=CS1/CL1温度为T2时，平衡分配系数为k2=CS2/CL2由于固相线和液相线均为直线，故：S1m1L1m2S2L2CTTCTTCC因此，平衡分配系数k为：S1S2L1L2ConstCCCC13.Al-Cu相图的主要参数为共晶成分点为CE＝33%Cu，Csm＝5.65%，纯铝熔点Tm＝660℃，Al-Cu共晶温度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，当固相无铜扩散，液相中铜充分混合时，求：(1)凝固10％时，固液界面的CS*和CL*。(2)凝固完毕时，共晶体所占的比例。(3)画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线，并标明各特征值。解：CS1T1T2CS2CL1CL2OTmTC(1)平衡分配系数k为：smE/5.65%/33%0.1712kCC由于固相无扩散，液相充分混合，则：*1S0S(1)kCkCf*1L0S(1)kCCf将k=0.1712、C0=0.01、fS=0.1带入上式，得到：*SC=0.187%*LC=1.09%(2)共晶体所占的比例为：0*L0LEkCCfC-1则有：01110.1711EL033%0.125.65%kCfC－(3)画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线，并标明各特征值。14.何谓热过冷和成分过冷？成分过冷的本质是什么?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？答：(1)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。(2)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ΔT，即成分过冷度，这也是凝固的动力。(3)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。k0C0C0CL*=CL=C0k0C0C0CL*=CLCS*k0C0C0CsmCESLLSLfSfSfSCsmTECEOTmTCAl-1%Cu(4)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。15.影响成分过冷的判据是什么？最大成分过冷度区间是多少？影响因素有哪些？它对材质或成形产品（铸件）的质量有何影响？答：(1)成分过冷的条件为000(1)LLLmCkGvDk－(2)成分过冷的范围为000(1)LLLmCkGDkv－(3)上式中，mL、C0和k0为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL、GL和v。(4)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。16.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？答：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。(1)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。(2)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。(3)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。17.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？答：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，造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。(4)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。18.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。答：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：○1采用较低的浇注温度；○2采用合适的浇注工艺。(3)铸型性质和铸件结构：○1采用金属型铸造；○2减小液态金属与铸型表面的润湿角；○3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。19.影响铸件的缩孔和缩松的因素有哪些？请叙述几种防止铸件缩孔和缩松的方法。答：(1)影响缩孔与缩松的因素有：○1金属性质金属液态收缩系数和凝固体收缩系数越大，缩孔及缩松容积越大。○2铸型条件铸型的激冷能力越大，缩孔和缩松容积就越小。铸型激冷能力达，造成边浇注边凝固的条件，是金属的收缩在较大程度上被后注入的金属液补充，使实际发生收缩的液态金属量减少。○3浇注条件浇注温度越高，液态收缩越大，越容易产生缩孔。○4铸件尺寸铸件壁厚越大，表层凝固后，内部的金属液温度就越高，液态收缩就越大，则缩孔及缩松容积就越大。○5补缩压力凝固过程中增加补缩压力，可减小缩松而增加缩孔的容积。(2)铸件缩孔与缩松防止方法：○1通过凝固工艺原则的选择，可以加以控制。对于凝固区间窄的合金，通过顺序凝固，使铸件缩孔集中