材料成形理论第一部分复习题

材料成形理论基础习题

金属材料工程081班 陈权 0812360119

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：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 –w AB ，其中σA 、σB 分别是A 、B 两物体的表面张力，w AB 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：）

（

2

1

R

1R 1P +

=∆σ，其中R 1、R 2为曲面的曲率半

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。

4、 钢液对铸型不浸润， 180=θ，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㎏/m 3

。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？

Pa 10610

20.1 1.52R

2P 3

2

-⨯=⨯÷⨯=

=

∆σ

=⨯÷⨯⨯⨯⨯=

=

-2

10

21.08.97500180

cos 5.12cos 2gr

H σθ

σ0.082m

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℃，

,/kg 5400,/kg 7500,s/m N 049.003

3

3

m m MnO ==⋅=ρρη液 MnO 呈球形，其半径r=0.1mm 。

=⨯⨯-⨯⨯=

-=-0049

.0981

.9)45007500(10

1.029)(26

22

η

ρρg

r V MnO 液0.0071m/s

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＝－a 3

△Gv+6a 2

σ①

令d △G 方/da ＝0 即 －3a 2△Gv+12a σ＝0，则

临界晶核尺寸a *＝4σ/△Gv ，得σ＝4

*a △Gv ，代入①

△G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *2

4

*a △Gv ＝

2

1 a *2△Gv

均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*

＝

2

1 a *3

△Gv

（2）对于球形晶核△G 球*

＝－

3

4πr *3△Gv+4πr *2

σ

临界晶核半径r *＝2σ/△Gv ，则△G 球*＝

3

2πr *3△Gv

所以△G 球*/△G 方*

＝

3

2πr *3

△Gv/(

2

1 a *3

△Gv)

将r*＝2σ/△Gv ，a *＝4σ/△Gv 代入上式，得 △G 球*

/△G 方*

＝π/6<1，即△G 球*

<△G 方*

所以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△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

*

＝(2σLC /L)*(Tm/△T)＝319*6

.61870

2731453*10*25.2*25

）

＋（－cm ＝8.59*10－9m

△G 均*＝

316πσLC 3*Tm/（L 2*△T 2）

＝316

π*262

3

4

5

319*)10*6

.61870(2731453*10*10*25.2(）

＋（）－＝6.95*10－17J

8、 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<0，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。