北京科技大学液态成形理论与工艺复习题

北京科技大学液态成形理论

与工艺复习题

-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

作业1

1、哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？

以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。］（2）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。

2、实际液态金属的结构是怎样的？

实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。

1.过冷度对液固态转变单位体积自由能变化的作用，对均质形核临界形核半径、临界形核功、形核速率有何影响；PPT20之前

2.试推导均质形核临界晶核半径;PPT16 17

3.试推导液固相转变单位体积自由能变化:PPT12

4.影响异质形核的因素：

形核温度T：合金成分一定，过冷度大于某一值时，T↓，形核速率υ↑。

形核时间：满足形核条件时，形核时间↑，形成晶核的数量n↑。

形核基底的数量：其他条件一定时，形核基底数量↑，形成晶核的数量n↑

接触角θ：接触角θ↓，形核速率υ↑。

形核基底的形状：形核基底界面为凹面时，临界晶核体积最小，形核功也最

小，最易形核。

5.促进形核、抑制形核的措施及其应用举例

促进形核：增大冷却速率；T；晶粒细化剂，异质形核；机械、超声振动，电磁搅拌，枝晶破碎。抑制形核：快冷，非晶；去除固相质点；悬浮熔炼或熔融玻璃隔离，避免坩埚表面成为异质形核的基体。

6.粗糙界面与光滑界面的生长方式

粗糙界面（金属）：连续长大光滑界面（非金属、亚金属）：侧面长大（二维晶核台阶、晶体缺陷台阶）

连续生长：粗糙面的界面结构，有许多位置可供原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳并与晶体连接起来，且在生长过程中仍可维持粗糙界面结构。只要原子供应不成问题，就可以不断地进行“连续生长”。

侧面生长：光滑面的界面结构，单个原子与晶面的结合较弱，容易跑走，因此，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面生长，故称为“侧面生长”。

作业2（少很多看PPT）

3、随着凝固速度的增加，定向凝固组织的变化规律

极低速凝固→平面状；凝固速率增大→平界面失稳而形成胞晶；当生长速率达到一定值时→胞晶向枝晶转变；进一步增大生长速率→枝晶生长转变为更细的胞晶；在极高速下生长→平面凝固的界面

4、二次枝晶臂的间距与局部凝固时间的关系

λ2=A2t f 1

3t f:局部凝固时间；当合金成分一定时，A2为常数t f=

∆To

G T R

△To：合金

凝固温度间隔

一次枝晶：λ1=A1G T-1/2R-1/4λ1:一次枝晶间距；A1：常数；G T：温度梯度；R：凝固速度

5、什么叫溶质分配因数，平衡、近平衡、非平衡溶质分配因素的凝固条件有何特点

溶质分配因数k：凝固过程固相溶质质量分数CS与液相溶质质量分数CL之比。k ＝CS／CL

平衡凝固：极缓慢结晶条件下，充分进行固液界面附近的溶质迁移、固液相内部的溶质扩散。

平衡凝固：在凝固的每个阶段，固、液两相中的成分均能及时、充分扩散均匀，液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。

近平衡凝固：凝固速率稍快时，固液界面附近的溶质迁移达到平衡；固液相内部的溶质扩散不能充分进行。

非平衡凝固：凝固速率进一步加快，固液相内部的溶质扩散不能充分进行；固液界面附近的溶质迁移偏离平衡。

作业3

3、名词解释：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、粘度、运动粘度、雷诺数、层流、紊流、表面张力和表面能。

1.能量起伏：液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏

2.结构起伏: 由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏

3.浓度起伏: 对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏

4.粘度: 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度

5.运动粘度:液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，数值等于γ=η/ρ。

6.表面张力:产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。与表面能大小、单位一致，从不同角度描述同一现象。

7.表面能:表面自由能（简称表面能）为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。

8.雷诺数: 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。Re是一个无因次量。

9.层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。

10.紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋。

4.提高浇注温度会带来什么负作用？（看PPT找）

1.纯金属、共晶合金、固溶体合金液态金属充型的停止流动机理；

纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理

I区——在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，

II区——先形成凝固壳，又被完全熔化，而后的金属液是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降；

III区——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。

IV区——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。

宽结晶温度范围合金的停止流动机理

纯液态流动->形核，晶粒数量增多，金属液粘度增加->结成连续网络->发生堵塞停止流动

2.影响液态金属充型能力的因素；

影响因素通过两个途径发生作用：影响金属与铸型之间热交换条件→改变金属液的流动时间;影响金属液在铸型中的水力学条件→改变金属液的流速。

四类因素：金属性质、铸型性质、浇铸条件和铸件结构

第一类——金属性质方面①金属的密度②金属的比热容③金属的导热系数

④金属的结晶潜热⑤金属的粘度⑥金属的表面张力⑦金属的结晶特点

第二类——铸型性质方面①铸型的蓄热系数②铸型的密度ρ2③铸型的比热容c④铸型的导热系数λ2⑤铸型的温度；⑥铸型的涂料层；⑦铸型的发气性和透气性。

第三类——浇注条件方面①液态金属的浇注温度②液态金属的静压头③浇注系统中压头损失总和Σh浇；④外力场。

第四类——铸件结构方面①铸件的折算厚度R②由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失。

提高充型能力的措施有：金属性质方面，合理选择合金成分以提高其流动性，如在可能的情况下，可优先选择纯金属、共晶成分和金属间化合物。铸型性质方面，可降低铸型的蓄热系数或提高铸型的温度。浇铸条件方面，提高浇注温度和充型压头，简化浇注系统结构。铸件结构方面，依据折算厚度大、结构简单铸件的充型能力高的特点，合理设计铸件结构。

3.流动性与充型能力的联系和区别；影响流动性的因素。

区别：1）概念不同。合金的流动性指液态合金本身的流动能力，是合金本身的铸造性能之一。合金的充型能力是指液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状完整的铸件的能力。2）影响因素不同。合金流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。充型能力金属性质、铸型性质、浇铸条件和铸件结构这四类因素的影响。联系:1) 合金的流动性愈好，合金的充型能力愈强。2) 通常在相同的条件下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流