材料成形原理课后习题解答

3.0 文小白 2023-09-15 297 0 623.58KB 13 页 10文币

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材料成型原理

第一章（第二章的内容）

第一部分：液态金属凝固学

1.1 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的原子，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。

（2）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。

1.2 答：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。

表面张力 σ和界面张力 ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，

r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,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。

1.3 答：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

定条件下的冲型能力，它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。而冲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。

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。

1.4 解：浇注模型如下：

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材料成型原理

则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r

显然 r＝×0.1cm＝0.05cm

则 ρ＝＝

6000Pa

不产生机械粘砂所允许的压头为

H＝ρ/（ρ液*g）＝＝0.08m

1.5 解：由 Stokes 公式

上浮速度

r 为球形杂质半径，γ1

为液态金属重度，γ2为杂质

重度，η为液态金属粘度

γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000

γ2＝g2*ρMnO＝10*5400＝54000

所以上浮速

度 v＝＝9.5mm/s

3.1 解：（1）对于立方形晶核 △G方＝－a3△Gv+6a2σ①

令d△G方/da ＝0 即－3a2△Gv+12aσ＝0，则

临界晶核尺寸 a*＝4σ/△Gv，得 σ＝△Gv，代入①

△G方*＝－ a*3△Gv＋6 a*2△Gv ＝ a*2△Gv

均质形核时 a*和△G方*关系式为： △G方*＝ a*3△Gv

（2）对于球形晶核△G球*＝－ πr*3△Gv+4πr*2σ

临界晶核半径 r*＝2σ/△Gv，则△G球*＝πr*3△Gv

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材料成型原理

所以△G球*/△G方*＝πr*3△Gv/ ( 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

3-7 解： r均*＝

(2σLC/L)*(Tm/△T) ＝cm ＝

8.59*10－9m

△G均*＝πσLC3*Tm/（L2*△T2）

＝π* ＝

6.95*10－17J

3.2 答：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。

3.3 答：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。

4.1 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，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。

4.2 答：铸件凝固时间t＝,R为折算厚度，K为凝固系数，又由于 R＝，在相同体积的

条件下，立方体。等边圆柱和球三者中，球的表面积最小，所以球的折算厚

度R 最大，则球形冒口的凝固时间t最大，最有利于补缩。

4.3 解：焊接熔池的特征：

（1）熔池体积小；

（2）熔池温度高；

（3）熔池金属处于流动状态；

（4）熔池界面的导热条件好，焊接熔池周围的母材与熔池间没有间隙。

焊接熔池对凝固过程的影响：

(1)母材作为新相晶核的基底，使新相形核所需能量小，出现非均匀形核，产生

联生结晶（外延结晶）；

(2)熔池金属是在运动状态凝固的，焊缝的柱状晶总是朝向焊接方向并且向焊缝

中心生长，即对向生长；

(3)焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的，柱状晶的生长速度变化不是十分有

规律。

4.4 解：溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传

输使溶质在固－液界面两侧的固相和液相中进行再分配。影响溶质再分配的因素

有热力学条件和动力学条件。

4.5 解：设液相线和固相线的斜率分别为和，

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摘要：

第1页共13页材料成型原理材料成型原理第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1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的原子，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。（2）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。1.2答：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。表面张力σ和界面张力ρ...

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