第1章至第七章阶段测验B卷参考答案(唐飞等同学整理)

《材料成形原理》阶段测验（第一章）班级： 姓名： 学号 成绩：座位：第 排， 左起第 座1、偶分布函数g(r)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。

2、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。

3、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。

4、粘度随原子间距δ 增大 而降低，随温度T 上升 而下降，合金元素的加入若产生负的混合热H m ，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、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 。

6、液态金属的“充型能力”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，是各种因素的综合反映。

流动性与充型能力的关系可理解为前者是后者的内因。

7、作用于液体表面的切应力τ大小与垂直于该平面法线方向上的速度梯度的比例系数，以η表示，通常称为 动力 学 粘度 。

要产生相同的速度梯度dV X /dy ，液体 内摩擦 阻力越大，则η越大，所需外加剪切应力也 越大 。

粘度η的常用单位为 Pa ·s 或 mPa ·s 。

8、铸型的C 2、ρ2、λ2越大，即 蓄热 系数b 2（2222ρλC b =）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 越差 。

8、右图为碱金属液态的径向分布函数，请在图中标注液态C S的平均原子间距r 1的位置，并以求积分面积（如涂剖面线）表达液态C S 的配位数N 1的求法。

（参见A 卷K 的r 1、N 1求法）9、依据图1-12的数据及影响规律，试运用凝固热裂纹的“液膜理论”分析讨论S 、O 含量对铁基合金热裂纹的作用。

答：S 、O 是原子半径小，在金属中容易进入到溶剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属的表面而富集，为表面活性元素。

因为这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此表面张力小，同样使金属表面张力降低。

所以S 、O 含量越多，导致铁液表面张力σ下降。

此外，S 、O 形成低熔点化合物，使凝固后期晶粒间液膜厚度T 增加，同时保持液态到更低温度（时间延长，凝固温度范围△T 也增大）。

，又增大T ，所以f max 减小；同时固液阶段时间延长，所以钢铁材料中S 、O 高则热裂纹容易形成。

《材料成形原理》阶段测验（第二章）班级： 姓名： 学号 成绩：1、 右图为半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场示意图。

写出下列参数的含义：λ1 为：铸件的热导率c 1 为：铸件的比热容 ρ1为： 铸件密度T 10为： 铸件的起始温度，通常为浇注温度2222ρc λ=a 为：铸型的热扩散率 2、判断正误（划√或×）（1）随凝固时间的延长，铸件温度场的温度梯度铸件变小。

（ √ ）（2）其它条件相同，铸件温度场的温度梯度在湿砂型中小于干砂型中的温度梯度。

（ × ）（3）金属型的蓄热系数小于砂型的蓄热系数。

（ × ）（4）其它条件相同，不锈钢焊件的400℃的等温椭圆面积小于铝焊件的相应椭圆面积。

（ × ）（5）随铸件断面温度梯度的增大，相同合金铸件越趋向于体积凝固方式。

（ × ）（6）其它条件相同，焊件板材厚度越大，焊件温度场的等温椭圆面积越大。

（ × ）（7）铝合金铸件在共晶成分点呈逐层凝固方式；其它条件相同，成分离共晶成分点越远铸件越趋向于体积凝固方式。

（ √ ）（8）其它条件相同，焊接速度越大，焊件等温椭圆长轴与短轴之比越大。

（ √ ）3、右图为某平板熔焊过程中焊件表面的温度分布状况。

在图中画出最大温度梯度方向，并指出当前热源位置与移动方向。

最大温度梯度方向：A →B当前热源位置：A移动方向：A →B4、右图为200mm 厚度的25#钢大平板铸件分别在金属型与砂型中的动态凝固曲线。

根据图形分别说明：（1）金属型及砂型中距铸件表面50mm 处的起始凝固时刻及凝固结束时间起始凝固时刻： 金属: 5min 砂型: 17min结束时间： 金属：7min 砂型：42min （2）在动态凝固曲线的右侧虚线框内画出20分 钟时砂型中铸件断面的相区分布（液、固、固+液）。

《材料成形原理》阶段测验（第三章）班级： 姓名： 学号 成绩：( L )(S+L)( S )T 2T 1C 0K 0＜1T T *（1）金属熔体从高温降温，只有温度冷却至平衡熔点T m 以下具有一定过冷度，才可能发生凝固。

（√ ）（2）过冷度达到ΔT *之后，原子团簇平均半径r °已达临界尺寸，开始大量形核。

ΔT *理解为大量形核．．．．过冷度。

（ √） （3）非均质形核与均质形核相比，前者临界半径r*、形核功ΔG *及临界形核过冷度ΔT *均比后者小很多。

（ × ）（4）凝固界面微观结构类别（粗糙界面还是光滑界面），热力学上主要取决于物质的熔融熵大小。

熔融熵越高，凝固界面结构越趋向于成为光滑界面。

（ √ ）（5）粗糙界面属性的物质按照连续生长方式，其生长速度与过冷度的平方成正比。

（ × ）（6）非均质形核过程，新生晶体与杂质基底之间的界面张力σSC 越大，润湿角θ越大，形核功ΔG *越大，形核临界过冷度ΔT *越大，形核率越高。

（ × ）2、填空（每题3分）（1）过冷度ΔT 增大，r *及ΔG *下降，形核率I 增大 。

过冷度ΔT 较小时，均质形核的形核率几乎始终为 零 。

当温度降到某一程度，达到临界过冷度（ΔT *），形核率迅速 增大 。

研究表明，ΔT *≈ 0.2 T m 左右，由此可见，均质形核需要 很大 的过冷度。

（2）均质晶核形成的晶核为球体，系统自由能变化G ∆由两部分组成，其中，液-固 体积 自由能之差（由V G ∆引起）为相变 驱动力，而固-液界面能（由SL σ引起）则 阻碍 相变。

（3）形核功ΔG *的大小为临界晶核表面能的 1/3倍 , 它是均质形核所必须克服的 能量障碍 。

3、右图中，液态合金成分为C 0。

假设在冷却过程中按平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上分别标出T 1、T 2 及任意特定温度T *与液相线、固相线的交点(6个)成分；写出T *温度时K 0定义式。

（20分）答：标注见教材P60；温度时。

4、写出Jackson 因子表达式；指出α大小与凝固界面结构类型的关系、过冷度与界面粗糙度关系（5×3=15分）答：见教材P68- P70。

5、推导凝固相变驱动力表达式mm V T T H G ∆⋅∆-=∆（5分） 答：见教材P58-P59。

《材料成形原理》阶段测验（第四章）班级： 姓名： 学号 成绩：1、判断正误（划√或×）（每题5分）（1）“平衡凝固”条件下，凝固后零件断面的成分均匀地为C S =C 0。

所以“平衡凝固”开始时晶体析出的成分即为C 0。

（ × ）（2）在“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C *S 、C *L 随凝固过程的进行均始终在不断升高。

（ √ ） （3）在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，界面处及其前方液相成分随时间变化均符合0)'(=∂∂t x C L ，且溶质富集层以外的成分均为C L =C 0。

（√） （4）G L ＜0''')(=∂∂x L x x T 表示凝固界面处液体实际温度梯度G L 小于)'(x T L 曲线0'=x 处的切线，此表达式为成分过冷的形成条件。

（ √ ）（5）如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大液体实际温度梯度G L ，凝固界面有向“平整界面”变化的可能。

（ √ ）（6）无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面前形成负温度梯度，才可出现过冷现象。

（×）（7）成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于固-液界面，与晶体学取向无关。

（ √）（8）方向性较弱的金属固溶体，其等轴树枝晶外缘圆滑，无清晰齐整的棱角。

（ √ ）（9）灰铸铁γ-Fe 与G （石墨）共晶反应过程，领先相石墨呈片状生长且不断发生分枝及弯曲，而奥氏体则以非封闭晕圈形式包围着石墨片一起长大，这种不规则的共晶生长不属于共生生长范畴。

（× ）（10）交替平行排列的层片状规则共晶两相具有共同的凝固界面，且为等温面。

（ √ ）2、若设△C 0=C 0/ K 0－C 0，右图中：A=( △C 0 ),表达 凝固界面处由于溶质富集引起的成分升高 ；B=( R D L / ), 表达 溶质富集层的“特征距离” ；C=( -1e O C ∆ ), 表达 距界面x ’=B 时溶质富集高度为△C 0/e 。

0'=x 处浓度梯度C G 为：=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂==0''')(x L C x x C G R D C L /0∆-（4×7=28分） 3、增强铸型对铸件的冷却能力，对铸件晶体的一次及二次枝晶间距有何影响？对于特定铸型条件的相同铸件，铸件内部的枝晶间距与其表面的有何区别？同一铸件不同壁厚的部位呢？（12分）答：增强铸型对铸件的冷却能力，一次、二次枝晶间距均减小；铸件表面较大，枝晶间距较小，而铸件内部凝固总是晚于表面，由第二章可知，铸件温度场的温度梯度G 随时间的延长而变小，凝固速度也相应减慢，即随时间减小，所以内部枝晶间距较大；同理，同一铸件薄壁处平均之间间距小于厚壁处。

4、与单相固溶体凝固相比，两相均为非小平面属性的二元规则共晶合金凝固界面前沿的溶质富集情况有哪两方面的显著差别？（10分）答：（1）由于共晶两相界面前以横向扩散占主导，溶质富集程度大大降低，且同一截面不同位置成分不同。

（2）溶质富集层的宽度（'x 方向）也大为减小，由单相凝固时的大于数百微米尺度减小为几微米甚至更小——若以共晶片层距衡量，由数百片层距的尺度降为约半个片层距的尺度，数学上表达：由大于两倍“特征距离”2R D L 减小为λ/2(这里λ为片层距)《材料成形原理》阶段测验（第五、七章）班级：姓名：学号成绩：1、判断正误（划√或×）（每题5分）（1）因型壁强烈激冷作用，结晶潜热从型壁导出，表面等轴晶生长方向垂直于型壁。